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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
Estructuras temporales
3-10
Partes estructurales reemplazables
25
Estructuras Marítimas
50
Edificaciones Vivienda y Oficinas
50
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
1
2
3
4
5
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
ti
Arribo al acero de refuerzo 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 CO2. 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 CO2. 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
§t ·
e = k CO2 .¨ 0 ¸ . t
(3.2.1)
©t 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.
kCO2 =
2.DCO 2 .C s .K1 .K 2
(3.2.2)
a
en la que
DCO 2 es el coeficiente de difusión de dióxido de carbono del concreto Cs es la
concentración de dióxido de carbono en el sitio de la obra (kg/m3) K1 y K2 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 K1.K2 y la Tabla No.3 los valores
de n.
Posición del elemento en
la estructura
Interior
Interior
Exterior
Calidad del curado
Bueno
Malo
Bueno
K 1 .K 2
1,0
2,0
0,5
Tabla No.2: valores del producto K1.K2
6
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 t0 (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 CO2 en el ambiente (Cs) de 0,03%.
Datos de la mezcla
fck
(Mpa)
20
25
35
a/c
0,65
0,60
0,45
Cemento
(kg/m3)
250
300
400
Coeficiente de Difusión
Velocidad de carbonatación
DCO2 (m2/s)
KCO2 (mm/año 1/2)
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 CO2 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 CO2 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: fck= 28 MPa
Relación agua /cementante: 0,57
8
Cuantía de cemento: 340 kg/m3
% 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 %CO2 a kg/m3 : 1,83 )
CO2 en el ambiente en kg/m3 Cs= 1,83 x 0,1/100= 1,83 .10-3.
Vida útil de proyecto (t) = 50 años
Procesando:
D CO 2 = 10
a = C.
− ( 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).
kCO2 =
2.DCO 2 .C s .K1 .K 2
a
= kCO2 =
n
2 .( 8 ,5 . 10 − 8 ). 1,83 . 10 − 3 . 0 ,5 = 10,7 (mm/año)1/2
134 ,8
0 ,1
§t ·
§ 1 ·
e = k CO2 .¨ 0 ¸ . t = e = 3,5.10 -6 (m/s)1/2 .¨ ¸ . 50 = 51,4 mm
© 50 ¹
©t ¹
3.4
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 CO2, 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 (C3A), 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.
­
ª
º½
°
«
»°
ns
x
«
»°
§ to · °
(3.5.1)
donde:
C x = C o + C s ¨ ¸ ®1 − erf «
»¾
n
D
©t ¹ °
« 2 D .t.§ t o · » °
¸
Cl ¨
°
°
«
© t ¹ »¼ ¿
¬
¯
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 to (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 (DCl) como la concentración
superficial de cloruros (Cs) 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 (Cs) y del coeficiente de difusión (DCl) 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
Unidades
Media
DCl (a/c=0,4)
m /s
2
5,74.10
DCl (a/c=0,5)
m /s
2
8,31.10
DCl (a/c=0,6)
DCl (a/c=0,7)
DCl (a/c=0,8)
DCl (a/c=0,9)
2
m /s
2
m /s
2
m /s
2
m /s
-12
-12
-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 cloruros 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
el mar (m)
(Km)
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
el mar (m)
(Km)
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.
Probabilidad de despasivación (%)
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.
100
80
60
40
20
Corrosión
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Cloruros Totales en % de la masa del cemento
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 (DCl) 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)
Cl28 d
§ t ref
D(t ) = Dref .¨¨
© t
·
¸¸
¹
(3.9.1)
m
m2/s
(3.9.2)
donde :
Dref es el coeficiente calculado para concretos con 1 año de edad (tref) y “t” la vida
útil proyectada para la estructura o simplemente el tiempo de evaluación.
§ % FA % SG ·
m = 0,2 + 0,4.¨
+
¸
70 ¹
© 50
(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
2
Diffusion Coefficient, Dt (m /s)
1E-10
1E-11
PC
30% SG
1E-12
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
2
DSF / DPC (m /s)
0.8
0.6
0.4
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.
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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.
19