PREDICCION DE LA VIDA UTIL DE LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Ing. Carlos A. Arcila López
[email protected] 1.
Introducción
Para nadie es ajena la problemática que generan miles y miles de obras de concreto reforzado que deben ser reparadas a lo largo y ancho del globo debido al deterioro causado por el ataque de agresores presentes en el medio que rodea la estructura. La manifestación más común de este ataque es la corrosión del refuerzo. Este fenómeno que conlleva la pérdida de sección de armadura, inicia con la aparición de pequeñas fisuras en los elementos estructurales y acaba con desprendimientos importantes de recubrimiento, deflexiones y, en ocasiones, la ruina de la estructura. Durante los últimos diez años, a través de conferencias, cursos, talleres, especializaciones, el tema de la durabilidad de las estructuras ha estado a la orden del día. Numerosos simposios de patología se han llevado a cabo en nuestro medio haciendo que el tema parezca agotado. Sin embargo hay que ser conscientes de que esto era apenas el despertar a una realidad y que en el momento actual es cuando se debe rematar la labor emprendida con estudios e investigaciones que proporcionen información real sobre el comportamiento de los diferentes tipos de concretos, de los concretos de alto desempeño y, sobre todo, sobre las influencia de cementos y adiciones en lo que respecta a la durabilidad. Esta información que debe provenir en principio de las cementeras y concreteras del país, es vital para la predicción de la vida útil de las estructuras, y debe ser tema de tesis e investigaciones de postgrado de urgente acometida por parte de nuestras universidades. También debemos impulsar la generación de normas de durabilidad acordes con nuestro ambiente y climatología, para no seguir haciendo un mal uso del capítulo C4 de la NSR-98 que, en nuestra opinión no refleja los problemas de agresión comunes en nuestro medio tropical y de largas zonas costeras, ya que fue diseñado para un país con estaciones. Por último, y ya que de vida útil se va a hablar, vale la pena mencionar que no existe (salvo normativa propia de algunos institutos) períodos de vida útil de proyecto estipulados en ningún código constructivo del país. De manera que queda al arbitrio del dueño de la estructura, el que a través de sus voceros técnicos defina una vida útil de proyecto, a ser alcanzada a través de acciones sobre los materiales, el diseño, las características de los elementos estructurales y el uso de protecciones adicionales sobre la estructura cuando estas se requieran. La mera especificación de 1
la resistencia del concreto, una práctica más común de lo que se desearía, con valores de resistencia muy bajos (f´c < 28 MPa) que no genera protección contra los tipos de ataque más importantes, es, hoy en día, la garantía de “rehabilitación” anunciada para cierto tipo de obras de infraestructura, las cuales deben ser intervenidas a edades incluso inferiores a los 30 años. Grandes cuestionamientos deben hacerse los técnicos hoy en día: ¿Para cuántos años estamos diseñando nuestras estructuras? En un país con tan pocos recursos ¿Quién define la vida útil de diseño mínima para un puente, un muelle, un edificio con concreto a la vista, un estadio, una planta de tratamiento, una vía? Ya que si esto no se define, seguiremos pidiéndole al diseñador que trabaje para enfrentar sólo cargas estáticas y dinámicas, mientras, por falta de especificaciones adecuadas de durabilidad, el medio ambiente hace su trabajo sin ninguna traba, deteriorando la estructura más pronto de lo esperado. Y recordemos una vez más: rehabilitar genera grandes costos de todo tipo, incluso político y social. En España, al igual que en el resto de Europa, la normativa de construcción actual está definiendo vidas útiles de proyecto de acuerdo con el uso y ambiente donde este localizada la estructura (Ver Tabla No.1) Vida útil de proyecto (años) Clase 1 Estructuras temporales 3-10 2 Partes estructurales reemplazables 25 3 Estructuras Marítimas 50 4 Edificaciones Vivienda y Oficinas 50 5 Edificaciones Salud y educación 100 Puentes long>10 m y otras estructuras de 6 repercusión económica alta 100 Nota: estas vidas útiles aparecerán en la nueva especificación EHE en redacción actualmente. Tipo
Tabla No.1: Vida útil de proyecto que será incluida en la próxima edición de la EHE (1). Definidas vidas útiles para estructuras típicas se impone al proyectista la generación de mecanismos para alcanzarla, a través de especificaciones orientadas no sólo a retardar sino en obras de gran importancia a controlar el avance de los agresores hacia el refuerzo, a minimizar el fisuramiento, a extremar los controles sobre materiales y espesores de recubrimiento, a escoger el concreto que más convenga y a ser más exigentes en la colocación, vibrado y curado del mismo. 2.
Vida útil de una estructura
La NSR-98 que rige actualmente en Colombia especifica en el Capítulo C-4 “Durabilidad de las estructuras de concreto reforzado” los valores máximos permisibles de relación agua/material cementante en función del tipo de exposición, 2
recomienda porcentajes de aire incorporado, valores máximos de ión cloruro en los materiales que conformarán la mezcla, máximos porcentajes de adición puzolánica y recomienda el uso de cemento Tipo II y V para enfrentar ataque de sulfatos. Desafortunadamente la mayoría de las recomendaciones las hace para enfrentar el ataque de las sales de deshielo o para enfrentar el hielo-deshielo, fenómeno común en países con estaciones marcadas. Mientras que este tipo de recomendaciones tratan de “prevenir” el deterioro, en Europa la normativa actual ha incorporado el tema de la durabilidad desde el período de proyecto, está generando recomendaciones de vida útil y se está trabajando en dirección a que se definan, mediante ensayos acelerados o mediante el estudio de estructuras existentes, parámetros característicos de las mezclas de concreto que permitan efectuar modelos de propagación del ataque y al usarlos al diseñar, en lugar de prevenir, se entre a “controlar” el deterioro. El tema que abordamos hoy es el de la predicción de la vida útil de las estructuras, un área en la que la investigación ha arrancado hace pocos años, pero que constituye el plato fuerte de la actividad técnica, particularmente en Europa. Definida una vida útil de proyecto, conocido el ambiente particular que rodea la estructura (incluso cómo cambia la humedad para los elementos estructurales de acuerdo a su posición en la estructura), conocidos los porcentajes de agresores en el agua y en el aire y los parámetros de comportamiento del concreto frente a ellos (velocidad de penetración de cloruros y de carbonatación), se verifique, de acuerdo con los detalles de las secciones (recubrimientos en particular), el que no se dará inicio al período de propagación del deterioro durante la vida útil de proyecto preestablecida. Esto es más fácil de entender observando el modelo de Tuutti (2) que divide la vida útil de una estructura en dos períodos bien diferenciados: el período de iniciación del ataque que culmina cuando el frente de carbonatación o un nivel crítico de cloruros (0,4% del peso del cemento) alcanza el acero, y el período de propagación del deterioro que culmina cuando un estado límite es alcanzado por la estructura y ésta llega al fin de su vida útil de servicio. (Ver Figura 1) Período de iniciación
Período de propagación
años
Arr ibo al acero de refuer zo del frente de carbonatación o del frente de cloruros
Deterioro
Nivel de deterioro permisible
Vida útil de proyecto
Vida útil de servicio
Figura No.1: Diagrama de vida útil de estructuras de concreto . 3
Un estado límite puede generarse por causas técnicas, funcionales o económicas. Será técnico un estado límite cuando involucra aspectos no relacionados con el uso de la estructura (fisuramiento, ancho de fisura, deflexiones, pérdida de armadura, pérdida de capacidad portante, etc), será funcional cuando el deterioro cause problemas para el uso confortable y seguro de la estructura y será económico cuando el deterioro genere costos de mantenimiento insostenibles para el dueño de la estructura y haya que decidir entre una rehabilitación completa y la construcción de una nueva estructura. 3. Modelos de predicción de vida útil Hoy en día en la literatura técnica se encuentran disponibles modelos de predicción de vida útil de las estructuras generados por diversos comités e investigadores. Estos modelos han sido diseñados para evaluar el avance de los dos elementos despasivadores de la armadura más comunes en el mundo de la construcción: los cloruros y la carbonatación por ataque del CO 2. Para los demás ataques no existen modelos y se controlan a través de modificaciones de las mezclas para generar concretos de alto desempeño, o usando un cemento especial (ej: ataque por sulfatos) o a través del uso de protecciones adicionales sobre la estructura (ej: recubrimientos que soporten ataque de ácidos), o simplemente generando detalles constructivos que impidan la acción del agresor sobre la estructura (ej: impermeabilizaciones, drenajes, sellos, etc). 3.1 Carbonatación La carbonatación es el mecanismo preferente de ataque del medio ambiente a la capa pasiva del acero de refuerzo en las ciudades y polos industriales donde prevalece la contaminación por CO 2. La velocidad con que el frente de carbonatación avanza es función principalmente de: •
•
•
• • •
Porosidad (calidad) del concreto, que es función de: la relación a/c, grado de compactación del concreto y de su curado. La resistencia a compresión es un índice indirecto de dicha calidad. Tipo y cuantía de cementante (presencia de puzolanas, porcentaje y tipo, contenido de CaO en el cemento) Humedad relativa del medio ambiente y variación de la humedad en el elemento estructural Nivel de CO2 en el ambiente Edad de la estructura Temperatura
4
En el “Manual de Inspección de Obras Dañadas por Corrosión ” (3 ) se incluye un grupo de figuras que cuantifica estos factores expuestos anteriormente, permitiendo un mejor entendimiento a través de su visualización (Ver Figura No.2). El gráfico enfatiza la influencia benéfica del incremento de la resistencia del concreto para enfrentar el fenómeno, ya se dijo que la resistencia es un índice indirecto de la porosidad del concreto, por lo que a menor porosidad menor velocidad de carbonatación. De igual importancia es el especificar una cuantía mínima de cemento, ya que concretos muy pobres se carbonatan a mayor velocidad. Y por último, algo que va ligado a los dos comentarios anteriores, especificar una relación agua/material cementante cercana a 0,4. Se ve también en el gráfico que la máxima velocidad de carbonatación se da para humedades relativas de 50 a 70%, desafortunadamente es la que prevalece en la mayoría de nuestras grandes ciudades.
Figura No.2: Ejemplos de variación del espesor carbonatado con la resistencia del concreto, el contenido de cemento, la relación a/c y la humedad ambiental. 5
3.2 Cálculo de la profundidad de carbonatación Existen varios modelos propuestos por diversos autores e instituciones que intentan predecir, en función de las variables citadas, el espesor de concreto que se habrá carbonatado a una edad determinada. El modelo del Comité Europeo del Concreto (CEB) para el ataque por carbonatación (4) ha propuesto la expresión que se analiza a continuación: n
e = k CO2
t . 0 . t t
(3.2.1)
donde: “ e ” es el espesor carbonatado a una edad “ t “ y “n” es un factor de edad, que varía de acuerdo con el tipo de exposición del elemento que se esté analizando.
k CO2 =
2. DCO 2 .C s . K 1 . K 2 a
(3.2.2)
en la que
DCO 2 es el coeficiente de difusión de dióxido de carbono del concreto C s es la
concentración de dióxido de carbono en el sitio de la obra (kg/m 3) K 1 y K 2 son constantes dependientes de las condiciones en que se haya curado la estructura y del tipo de exposición de la misma al medio ambiente “a” es un factor dependiente de la relación a/c, del contenido de cemento y del contenido de óxido de calcio (%CaO) en el cemento y se calcula con la siguiente expresión: a = C .
%CaO (50.a / c + 40) . .0,8 100 100
(3.2.3)
La Tabla No.2 muestra los valores del producto K 1.K 2 y la Tabla No.3 los valores de n. Posición del elemento en la estructura Calidad del curado Interior Bueno Interior Malo Exterior Bueno
K 1 . K 2
Tabla No.2: valores del producto K 1.K 2
6
1,0 2,0 0,5
Tipo de exposición Interior Exterior protegida Exterior no protegida
n 0,0 0,1 0,4
Tabla No.3: valores del ” factor de edad” n. Por último (to/t)n es un factor llamado de edad, que agrupa los fenómenos que pueden retardar con el tiempo la carbonatación (humedecimiento, secado, el influjo de la misma capa ya carbonatada como protección del interior, etc) y se calcula dividiendo t 0 (que se toma por defecto como 1 año) por el número de años (t) correspondientes a la vida útil proyectada para la estructura. Existen otros modelos: TUUTTI (2), HELENE (5), SCHIESSEL(6) que no serán expuestos aquí. Sin embargo se incluye a continuación, por considerarlo de interés, el comparativo efectuado por el investigador brasileño Thomas García Carmona, en su reciente trabajo monográfico de tesis en el CEMCO 2004 del Instituto Eduardo Torroja, de varios de estos modelos (7). Se contempló para los cálculos un cemento Pórtland con 65% de CaO, humedad relativa del 50% y concentración de CO 2 en el ambiente (Cs) de 0,03%. Coeficiente de Difusión
2
DCO2 (m /s)
Datos de la mezcla f ck (Mpa) 20 25 35
Velocidad de carbonatación
KCO2 (mm/año
1/2
)
Cemento a/c 0,65 0,60 0,45
(kg/m3) 250 300 400
CEB -8 8,9.10 -8 8,7.10 -8 8,2.10
TUUTTI -8 9,9.10 -8 8,0.10 -8 6,0.10
CEB 5,7 5,2 4,7
TUUTTI 6,0 5,0 4,0
HELENE 6,0 5,0 3,0
Tabla No.4: Comparativo variables de CO 2 varios autores. Concluye García Carmona que a bajas resistencias del concreto (fck) el modelo del CEB es más benévolo, mientras que a medida que aumenta la resistencia aumenta la dispersión entre resultados y resultan TUUTTI y HELENE más conservadores. Falta anotar, que el modelo del CEB no tiene cómo involucrar la influencia del tipo de cemento en los cálculos, ni la presencia de puzolanas (escorias, cenizas volantes, humo de sílice, etc), lo que en este sentido lo hace imperfecto, ya que la influencia de las adiciones en la velocidad de carbonatación es un factor que está siendo estudiado hoy en día y que no puede dejarse de lado para este tipo de ataque. Se están iniciando actualmente en el país investigaciones por parte de concreteras y grupos de investigación privados para medir el impacto del porcentaje y tipo de 7
adición en este fenómeno de despasivación del acero de refuerzo. Por ahora, puede anotarse que en evaluaciones de puentes de la ciudad de Bogotá se ha encontrado velocidades de carbonatación dos y hasta tres veces mayores en concretos con edades menores a 10 años, comparadas con las que se presentan en estructuras más antiguas (30 a 40 años). Las razones pueden ser la presencia de porcentajes más elevados de adición en los concretos de la última década, como también el innegable incremento de CO 2 en nuestras ciudades. La Figura No.3 muestra la influencia de la relación a/c y de la humedad relativa en el comportamiento de cementos Pórtland y adicionados frente a la difusión de oxígeno. Se aprecia claramente que cuando existe adición puzolánica el coeficiente de difusión de un gas es más bajo, debido a que la red de poros se refina cuando la puzolana fija el hidróxido de calcio; sin embargo la menor reserva alcalina de concretos adicionados (consumo de Ca (OH) 2 por parte de la puzolana o bajo contenido de CaO en caso de cementos adicionados con escoria) pueden contribuir a que el espesor carbonatado sea mayor que con cemento no adicionado para una misma edad.
Figura No.3: influencia de la relación agua/cemento y de la Humedad relativa en el coeficiente de difusión del oxígeno (8).
3.3 Ejemplo de cálculo de la “velocidad” de carbonatación y el espesor de concreto carbonatado para una estructura nueva Datos: Resistencia característica del concreto: f ck= 28 MPa Relación agua /cementante: 0,57 8
Cuantía de cemento: 340 kg/m 3 % CaO en el cemento = 61,5 Estructura: Vigas postensadas de un puente vehicular en la ciudad de Bogotá. Ambiente: exterior protegido. Curado: Bueno. CO2 en el ambiente: Cs= 0,1% (correspondiente a una zona con alto tráfico). (Factor para convertir %CO 2 a kg/m3 : 1,83 ) CO2 en el ambiente en kg/m 3 Cs= 1,83 x 0,1/100= 1,83 .10-3. Vida útil de proyecto (t) = 50 años Procesando:
D CO 2
a = C .
=
10
−
( 7 + 0 , 025
f ck 10
)
=
10
−
( 7 + 0, 025
28 10
)
= 8,5.10-8
%CaO (50.a / c + 40) 61,5 (50.0,57 + 40) . .0,8 = 340. . .0,8 = 134,8 100 100 100 100
K1.K2 = 0,5 ( Ver Tabla No. 2: Ambiente exterior y buen método de curado). 2. DCO 2 .C s . K 1 . K 2
k CO2 =
a
= k CO2 =
n
e = k CO2
3.4
2 .( 8 , 5 . 10
−
8
). 1,83 . 10
−
3
. 0 ,5
= 10,7 (mm/año)1/2
134 ,8 0 ,1
t 1 . 0 . t = e = 3,5.10 -6 (m/s)1/2 . . 50 = 51,4 mm 50 t
Ataque por Cloruros
Una gran cantidad de estructuras se sitúan actualmente en medio marino. Hoteles, muelles, aeropuertos e infinidad de construcciones reciben diaria y constantemente el ataque de las sales provenientes del agua de mar. El ataque de las sales, a diferencia del ataque del CO 2, se produce de manera más rápida. La influencia de este ataque cobija estructuras situadas a miles de metros de la zona de playa, siendo el deterioro causado por los cloruros generalmente grave para las estructuras. Los cloruros se transportan hacia el interior de la masa del concreto por varios mecanismos, siendo preponderante la difusión con poros saturados o no. La absorción capilar en zonas de cambio de marea y el salpique en zona aérea favorecen el ingreso del agresor. 9
Los cloruros disuelven la capa pasiva y se ha establecido una concentración del 0,4% de la masa del cemento como la cuantía crítica para que se genere despasivación y posteriormente, en presencia de humedad y de oxígeno, corrosión por picado. Cuando la estructura es muy porosa la corrosión por cloruros se podría convertir en generalizada. Los cementos tienen cierta capacidad para fijar cloruro de calcio, en función de su contenido de aluminato tricálcico (C 3 A), formándose cloroaluminato de calcio. Una vez ligado el cloruro en una nueva molécula, deja de ser perjudicial para el acero. Y sólo aquel cloruro que no se fijó (cloruro libre) sigue su viaje hacia la armadura. Es importante saber que la carbonatación del concreto puede liberar de nuevo el cloruro que se ha fijado, por tal razón en estructuras carbonatadas se requiere menor cantidad de cloruros para despasivar el refuerzo, lo que agrava la condición de la estructura frente a la durabilidad. 3.5 Modelos para la difusión de cloruros Uno de los modelos más empleados para representar el mecanismo de penetración de cloruros en el concreto es la segunda ley de Fick para medios semi-infinitos. Aunque son varios los mecanismos de ingreso de cloruros en el concreto, ya que incluyen (difusión, permeabilidad, absorción capilar y convección) se hace uso de este modelo para calcular coeficientes de difusión ante la imposibilidad práctica de generar uno más amplio que incluya todos los demás mecanismos. La solución de la ecuación de Fick propuesta en el ACI 365 (9) se expone a continuación.
n x t o C x = C o + C s 1 − erf n t 2 D .t . t o Cl t s
D
(3.5.1)
donde:
Cx es la concentración de cloruros a una distancia “ x” de la superficie Co es la concentración inicial (se cobija así el aporte inicial de cloruros proveniente de los materiales que componen la mezcla) Cs es la concentración superficial de cloruros en el concreto erf(z) es la función de error de Gauss Dcl es el coeficiente de difusión efectivo de cloruros a la edad t o (determinado mediante ensayos acelerados en el laboratorio) “ t ” es la edad de cálculo “nD” es un factor de corrección del coeficiente de difusión efectivo de cloruros con la edad que generalmente es menor que 1. 10
“nCs” es un factor de corrección de la concentración superficial de cloruros con el tiempo que generalmente es mayor que 1. 3.6 Cálculo del contenido de cloruros Para efectuar cálculos de penetración de cloruros en una estructura de concreto reforzado se debe hacer algunos ajustes ya que, al contrario de lo que ocurre con la carbonatación, aquí tanto el coeficiente de difusión (D Cl) como la concentración superficial de cloruros (C s) varían con el tiempo (factor de edad). Es conocido un fenómeno denominado como el efecto piel , por el cual la concentración de cloruros no presenta (desde la superficie) un perfil decreciente con la profundidad, como sería de esperar, sino concentraciones mayores a cierta profundidad, luego de lo cual se genera un perfil decreciente. Ver Figuras No.4 y No.5.
Figura No.4: Perfil de cloruros en una estructura, que se ha ajustado a la ecuación 3.5.1
Figura No.5: Perfil real de cloruros donde se aprecia el fenómeno denominado “efecto piel”
11
La Figura No. 4 muestra un ajuste de la concentración de cloruros a la ecuación 3.5.1, mientras que la Figura No.5 muestra una distribución real de cloruros, donde se aprecia el efecto piel descrito anteriormente (8). Este fenómeno se puede atribuir a muchas cosas, se ha citado el efecto del “lavado” en zonas de cambio de marea, la influencia de la capa de concreto carbonatada, la distancia a la playa, y la altura sobre el nivel del mar del elemento estructural, además a través de análisis estadísticos de una gran cantidad de datos se ha demostrado que es independiente de las características de los materiales componentes del concreto. Por esta razón en la fórmula para el cálculo de la concentración de cloruros, se usa un valor de concentración superficial (Cs) proveniente de cálculos efectuados con la ecuación 3.5.1 y datos de campo. Algunos investigadores han determinado valores de la concentración inicial (C s) y del coeficiente de difusión (D Cl) para diferentes condiciones. A continuación relacionamos las más interesantes y que incluye Izquierdo en su tesis doctoral. (10) Caracterización de variables propuestas por Da Silva Variable DCl (a/c=0,4) DCl (a/c=0,5) DCl (a/c=0,6) DCl (a/c=0,7) DCl (a/c=0,8) DCl (a/c=0,9)
Unidades 2
m /s 2
m /s 2
m /s 2
m /s 2
m /s 2
m /s
Media -12
5,74.10
-12
8,31.10
-11
1,16.10
-11
1,50.10
-11
1,77.10
-11
1,82.10
V(%) 16 21 20 17 24 16
Tabla No.5: Coeficiente de difusión de c loruros vs relación agua/cemento
Caracterización de variables propuestas por Izquierdo et al Variable DCl (zona de salpique) DCl (zona de marea) DCl (zona aérea)
Unidades 2
m /s 2
m /s 2
m /s
Media -13
5,27.10
-13
5,45.10
-13
4,44.10
V(%) 90 51 100
Tabla No.6: Coeficiente de difusión de cloruros vs posición relativa de los elementos en una estructura marina. 12
La tabla anterior muestra los coeficientes de difusión de cloruros determinados por Izquierdo et al (10), sobre la base de los resultados de evaluación de una estructura marina (puente Rafel Urdaneta situado en el lago de Maracaibo en Venezuela). Se observa la variación encontrada entre diferentes zonas de la estructura. McGee (11) estudió el mecanismo de despasivación de los puentes de Tasmania y generó las dos tablas que incluimos a continuación, y en las cuales se relaciona la concentración superficial vs la distancia al mar en Km y la altura del elemento sobre el nivel del mar., En la otra relaciona el coeficiente de difusión contra los mismos parámetros ya citados. Caracterización de variables propuestas por McGee
Variable
Distancia al mar Altura sobre (Km) el mar (m)
Unidades
Media
V(%)
Cs
0
<2
% concreto
0,464
54,5
Cs
0
2-4
% concreto
0,207
71,5
Cs
>0,1
>4
% concreto
0,287
47,4
Cs
>0,5
>4
% concreto
0,135
17,8
% concreto
0,384
65,3
Cs
Todos los datos
Tabla No.7: Concentración superficial de cloruros vs distancia de la estructura al mar y altura sobre el nivel del agua. Caracterización de variables propuestas por McGee
Variable DCl DCl DCl DCl DCl
Distancia al mar Altura sobre (Km) el mar (m) 0 0 >0,1 >0,5
Unidades 2
m /s
<2
2
m /s
2-4
2
m /s
>4
2
m /s
>4
2
m /s
Todos los datos
Media -12
1,25.10
-13
6,30.10
-14
6,30.10
-15
6,30.10
-12
1,10.10
V(%) 48 43 47 41 60
Tabla No.8: Coeficiente de difusión de cloruros vs distancia de la estructura al mar y altura de la misma sobre el nivel del agua. 13
En caso de que se desconozca el valor de la concentración superficial de cloruros se puede asumir, para fines prácticos, el valor de 0,33%. 3.7 Concentración crítica de cloruros Es sabido que no sólo se requiere que los cloruros penetren en el concreto y alcancen el acero de refuerzo, además se requiere, para que haya despasivación, que se acumulen hasta alcanzar una concentración que se conoce como “concentración crítica de cloruros”. Los técnicos la sitúan en el valor de 0,25% del peso del cemento. Algo así como 0,04% del peso de un concreto normal con 350kg/m3 de cemento y densidad de 2200 kg/m3. Sin embargo cabe aquí recordar que es la relación Cl -/OH- la que realmente determina el proceso de despasivación. El valor límite para esta relación se ha fijado en 0,60. Un ligero aumento de cloruros, por encima del 60% de hidroxilos y se produce la despasivación, luego de lo cual la intensidad de corriente de corrosión empieza a aumentar con el tiempo, lo cual significa que el proceso corrosivo como tal empezó a desarrollarse. El investigador Breit (12) ha propuesto la siguiente gráfica (Ver figura No.6) donde relaciona la concentración de cloruros totales vs la probabilidad de despasivación del refuerzo, que incluimos por encontrarla de utilidad para evaluar vida residual.
) % ( n ó i c a v i s a p s e d e d d a d i l i b a b o r P
100 80
60 40
20
Corrosión 0 0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Cloruros Totales en % de la masa del c emento
Figura No. 6: Relación entre el contenido de cloruros y la probabilidad de despasivación del refuerzo (12). 14
3.8 Determinación del coeficiente de difusión de cloruros Izquierdo (10) luego de analizar 128 muestras de hormigones con 1 año de edad, elaborados sin adiciones puzolánicas y después de analizar estadísticamente la muestra, generó dos gráficos que permite visualizar la influencia de dos parámetros de gran importancia en el valor del coeficiente de difusión de cloruros. (Ver Figuras No. 7 y No.8)
Figura No.7: Influencia de la cuantía de cemento en el coeficiente de difusión de cloruros.
Figura No.8: Influencia de la relación agua/cemento en el coeficiente de difusión de cloruros. 3.9 Cálculo del coeficiente de difusión en concretos con adiciones puzolánicas 15
El modelo de difusión de cloruros expuesto anteriormente no permite analizar la influencia sobre la penetración de cloruros que pueden presentar las adiciones puzolánicas. Otros modelos, basados en el ACI-365 “Service Life prediction” han definido fórmulas para el cálculo del coeficiente de difusión de cloruros (D Cl) en las que se tiene en cuenta la presencia de adiciones puzolánicas en el diseño. (13) Es conocido el mecanismo de acción de las puzolanas, las cuales al comienzo de la hidratación del material cementante son poco activas (a excepción del humo de sílice), y van desarrollando su potencial a medida que transcurre el tiempo. Por esta razón se considera que toda mezcla de concreto, incluido aquel preparado sólo con cemento Pórtland, y más los adicionados con puzolanas, a medida que se generan las reacciones de hidratación van modificando su porosidad interna lo que reduce el DCl. Las siguientes ecuaciones permiten, la primera, calcular el coeficiente de difusión de un concreto conocida su relación agua/cemento y la segunda cómo va variando con el tiempo y con la presencia de puzolanas.
( −12, 06+ 2, 4.a / c ) (m2/s)
Cl 28 d
t ref D(t ) = Dref . t
(3.9.1)
m
m2/s
(3.9.2)
donde :
Dref es el coeficiente calculado para concretos con 1 año de edad ( t ref ) y “t ” la vida útil proyectada para la estructura o simplemente el tiempo de evaluación.
% FA % SG + 70 50
m = 0,2 + 0,4.
(3.9.3)
donde :
FA es el contenido de ceniza volante (Fly Ash) y SG el contenido de Escoria de Alto Horno (Blast Furnace Slag).
16
Effect of Fly Ash and Slag 1E-10 ) s / 2
m ( t
D1E-11
, t n e i c i f f e o C1E-12 n o i s u f f i D
PC 30% SG 28 days 40% FA
1E-13 0.01
0.1
1
10
100
Age (years)
Figura No. 9: influencia de la ceniza volante y la escoria de alto horno en el coeficiente de difusión de cloruros. (13) 3.10 Influencia de la adición de humo de sílice Finalmente para evaluar la influencia del humo de sílice en el coeficiente de difusión se ha propuesto (13) la siguiente expresión: DSF
=
DPC ·e-0.165·SF
(3.10.1)
donde:
DSF es el coeficiente de difusión del concreto con humo de sílice, y DCP es el coeficiente de difusión del concreto elaborado con cemento Pórtland sin adiciones Effect of Silica Fume 1 0.8 ) s /
2
m 0.6 ( C P
D
/ 0.4 F S
D
0.2 0 0
5
10
15
Silica Fume (%)
Figura No.10: Influencia del humo de sílice en el coeficiente de difusión de cloruros (13) 17
4.
Conclusiones
Como se ha podido observar a través de la exposición de los métodos y modelos para estudiar la propagación de la carbonatación y la penetración de cloruros a usar en la predicción de la vida útil de proyecto de estructuras de concreto reforzado, aunque hay una gran cantidad de trabajo ya adelantado, muchos modelos están siendo calibrados por los investigadores y el tema es casi la base sustancial de la investigación en el tema de durabilidad en muchos países e institutos, de tal manera que el tema da para rato. Para el empleo de estos modelos en nuestro medio hace falta: 1. El estudio de diseños de mezclas de concreto con y sin adición puzolánica y la determinación de los parámetros esenciales para introducir en los modelos de carbonatación y de penetración de cloruros. 2. Evaluaciones de estructuras cada vez más completas, donde el presupuesto destinado a las mismas permita hacer un buen estudio por parte de investigadores con alguna experiencia. 3. Guardar además de las memorias técnicas de los proyectos, la información sobre los concretos empleados (cemento, % de adición y tipo, cuantía de cemento, resistencia característica), de manera que al hacer monitoreos de estructuras se cuente con los datos necesarios para ajustar los modelos a nuestro medio. Con estas tres acciones se podrá tener en un futuro no muy lejano la información necesaria para que el diseñador proyecte su estructura para enfrentar con éxito el ambiente y los agresores del medio. 4. Modificar de manera urgente la normativa sobre durabilidad presente en la NSR98, incorporando los ambientes propios de nuestro medio y los requisitos mínimos del concreto para enfrentarlos. 5. Definir vidas útiles más ambiciosas y forzar al proyectista a ejercer las acciones para alcanzarla a través de una correcta generación de especificaciones de proyecto. 6. Insistir una vez mas en que al pensar en la durabilidad desde la etapa de proyecto se actúa a favor de la vida útil de nuestras estructuras, y no puede haber una labor más loable en un país, como el nuestro, con recursos tan limitados. 18
BIBLIOGRAFIA (1) (2) (3)
(4) (5) (6) (7)
(8) (9) (10)
(11)
(12) (13)
EHE, Instrucción de hormigón Estructural, Ministerio de fomento, Madrid, 1998. TUUTTI, K, Corrosion of Steel in Concrete, Swedish Cement and Concrete Research, Stockholm, 1982. ANDRADE, C, et al; Manual de inspección de Obras dañadas por la Corrosión de Armaduras, Instituto Eduardo Torroja de Ciencias de la construcción, Madrid, 1989. CEB (Comité Europeo del concreto), Boletin 12 ,Estructuras Durables de Concreto, Lausanne, 1993. HELENE, P.R do Lago, Contribución al estudio de la corrosión de armaduras del concreto, Universidad de Sao Paulo, 1993. SCHIESSEL,P, Corrosion of Steel in Concrete, RILEM Report of the technical Comité 60, London, 1988. GARCIA CARMONA, T, Modelos de Predicción de Vida Util y Metodología de evaluación de Estructuras frente a la Corrosión de las Armaduras, Instituto Eduardo Torroja, CEMCO XVI, Madrid, 2004. CASTELLOTE, M, et al, Modelización del Transporte de Agresivos en el Hormigón, Instituto Eduardo Torroja, Memorias CEMCO XVI, Madrid,2004. American Concrete Institute (ACI), Service Life Prediction, ACI-365, Farmington Hills, USA. IZQUIERDO LOPEZ, D, Bases de Diseño para un Tratamiento Probabilista de los Procesos de Corrosión de la Armadura en el Hormigón, Universidad politécnica de Madrid e Instituto Eduardo Torroja, Madrid, 2003. McGEE, R, Modelling of Chloride Ingress in Tasmanian Bridges, Internacional RILEM Workshop on testing and modelling the chloride ingress into concrete, Paris, 2000. BREIT, W, Untersuchen zum Kritischen Korrosion auslösened Chloridgehalt von Stahl in Beton, Aachen Technische Hohschule, Schweiss, 1997. THOMAS, M.D.A; BENZ, E.C, Life 365, Service life Prediction Model, USA, 2000.
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