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ESTUDIO DE LA PENETRACIÓN DE CLORUROS EN DOS PUENTES SOMETIDOS A USO INTENSO DE
SALES FUNDENTES: ESTUDIO DEL HORMIGÓN IN SITU
H. L. Romero1, M. J. Casati2 y J. C. Gálvez1
1
Departamento de Ingeniería Civil: Construcción, E.T.S de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad
Politécnica de Madrid. C/ Profesor Aranguren, s/n, 28040, Madrid, España.
E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
2
Departamento de Vehículos Aeroespaciales, E.U.I.T Aeronáutica, Universidad Politécnica de Madrid. Plaza
Cardenal Cisneros Nº 3, 28040, Madrid, España.
E-mail: [email protected]
RESUMEN
El uso intenso de sales fundentes en zonas de helada puede reducir la vida útil de los puentes por la penetración
acelerada de cloruros. Se ha realizado la inspección de dos puentes construidos hace más de 20 y 50 años,
respectivamente, y situados en zonas que requieren un uso intenso de sales fundentes durante el invierno. Se han
extraído probetas testigo de algunos elementos estructurales de los puentes y sobre ellas se realizaron ensayos de
caracterización mecánica y de durabilidad. De los resultados obtenidos, se determinaron los tipos de daño en el
hormigón provocados por la exposición de las estructuras a los ciclos de hielo-deshielo durante su vida en servicio y se
obtuvieron diferentes perfiles de ingreso de cloruros originados por los mecanismos de transporte y determinados por la
distribución porosa del material y por las condiciones de exposición de los elementos de hormigón estudiados. Los
resultados obtenidos se comparan con los proporcionados por un modelo de difusión de cloruros.
ABSTRACT
The intensive use of de-icing salts in areas of frost can reduce the service life of bridges due to the accelerated
penetration of chlorides. It has carried out the assessment of two bridges built 20 and 50 years ago, respectively, and
located in areas that require intensive use of de-icing salts during the winter. Samples are drawn from some structural
elements of the bridges. Then, mechanical characterization and durability tests were performed. From the results, the
damage of concrete caused by the exposure to freeze-thaw cycles during its service life and chloride ingress is studied.
MIP tests were performed and chloride profile was obtained. The results obtained are compared with those provided by
a model of chloride diffusion.
PALABRAS CLAVE: Difusión de cloruro, Durabilidad, Hormigón, Hielo-Deshielo.
1. INTRODUCCIÓN
en zonas que requieren el uso intenso durante el
invierno de sales fundentes.
Las sales al estar en contacto con elementos de
hormigón pueden dar lugar a productos solubles e
insolubles que generan problemas de durabilidad en las
estructuras. Los puentes de carretera ubicados en zonas
de helada son susceptibles al deterioro debido a ciclos
de hielo-deshielo, agravado por el uso de sales
fundentes que facilita la entrada de cloruros en el
hormigón armado produciendo y acelerando la
corrosión del acero de las armaduras.
Se determinaron los tipos de daño en el hormigón
provocados por la exposición de las estructuras a los
ciclos de hielo-deshielo durante su vida en servicio. Se
muestran los resultados de ensayos de laboratorio
realizados sobre probetas testigo extraídas de los
elementos estructurales de los puentes (pilas, losa,
estribos, etc.), para obtener su caracterización mecánica,
porosidad y distribución porosa.
Para estudiar la incidencia real de los ciclos de hielodeshielo en estructuras construidas a lo largo del tiempo
y para conocer la profundidad del frente de cloruros en
los hormigones, en este trabajo se ha realizado una
inspección visual de dos puentes construidos hace más
de veinte y cincuenta años, respectivamente, y situados
Se presentan además, los perfiles de ingreso de cloruros
originados por diferentes mecanismos de transporte
como absorción, succión capilar y difusión que han sido
determinados por la distribución porosa del material y
por las condiciones de exposición de los elementos de
hormigón estudiados.
2. GENERALIDADES
2.1. Localización y descripción de los puentes
Los puentes inspeccionados están ubicados en la
provincia de Guadalajara, Comunidad de Castilla – La
Mancha. Esta zona, de acuerdo con datos climatológicos
de 1971 a 2011 [1], tiene unas características térmicas
frescas-frías, con valor medio de la temperatura anual
de 10,2 ºC y humedad relativa media anual del 62%. En
promedio, al año, durante 100 días se presentan
precipitaciones de más de 1 mm y durante 80 días al año
la temperatura desciende por debajo de 0 ºC.
El puente nº 1, con un poco más de 20 años de vida, se
encuentra sobre la autovía A-2 (km 107+000) en la
carretera de Mirabueno a Las Inviernas (Figura 1). Es
un puente de planta recta con la calzada asfaltada, de
vigas pretensadas prefabricadas tipo artesa y cuenta con
cuatro vanos. El puente nº 2 (Figura 2), construido hace
más de 50 años, se localiza en la carretera N-204 (km
32+490). Este puente está formado por los estribos
dorsal y frontal, tiene un total de seis vanos, cada vano
resuelto mediante una tipología de arco de hormigón
armado. Con posterioridad se incrementó el ancho de la
calzada mediante una ampliación a base de vigas
prefabricadas.
Figura 1. Vista general del puente sobre la Autovía A-2.
acción del hielo-deshielo en presencia de sales
fundentes. También se ha observado un ineficaz sistema
de evacuación de agua que se manifiesta por el
escurrimiento de agua sobre las pilas y se ha encontrado
corrosión de las barandillas metálicas.
En el puente nº 2, en general el hormigón muestra buen
estado, salvo la ampliación del tablero, realizada hace
20 años, que se encuentra deteriorada. Se ha observado
descascarillamiento de la zona inferior de algunas vigas
de hormigón, dejando al descubierto la armadura activa
ya oxidada (Figura 4).
Figura 3. Humedad y fisuras en una de las pilas del
puente nº 1.
Figura 4. Descascarillamiento en parte inferior de la
viga exterior del puente nº 2.
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1. Extracción de las probetas testigo
Figura 2. Vista general del puente de la carretera N-204
2.1. Descripción de los daños encontrados
En el puente nº 1 se ha observado fisuración de las pilas
(Figura 3), con penetración de agua y cloruros, además
se ha encontrado descascarillamiento en el tablero por
Para realizar ensayos de caracterización mecánica y de
durabilidad sobre el hormigón, se extrajeron dos
probetas testigo de cada puente en estudio. Las muestras
obtenidas corresponden a diferentes zonas de los
puentes; sobre elementos protegidos de la intemperie
(T5 y T12) y también de elementos expuestos a
procesos de humedecimiento y secado y con algún tipo
de deterioro (T7 y T2).
En todos los casos la dirección de extracción fue
horizontal, excepto en la T5, que fue vertical. La
localización de las probetas se muestra en la Tabla 1 y
en las Figuras 5 y 6.
Tabla 1. Localización de las probetas testigo
Probeta
T2
T12
T5
T7
Puente
nº 1
nº 2
Localización
Pila 1, en el fuste derecho
Viga artesa, vano 4
Losa del tablero, vano 3
Pila 5, arranque del arco, vano 5
mercurio (PIM) para determinar la porosidad y la
distribución porosa de los hormigones, según la Norma
ASTM D4404-[3], ya que la porosidad incide en la
capacidad de transporte del cloruro dentro del material.
Además, se obtuvieron los perfiles de penetración del
ión cloruro sobre todas las muestras, para conocer la
profundidad del frente de cloruros en los hormigones.
Para ello, se realizó la descomposición de las muestras
de acuerdo con la Norma UNE 112-010 [4] y luego se
valoraron con una disolución estandarizada de nitrato de
plata.
2.3. Preparación de las probetas testigo
T12
T2
Figura 5. Situación de extracción de los testigos en el
puente nº 1.
Cada probeta testigo fue cortada a 50 mm de la
superficie exterior. A su vez estas nuevas probetas se
cortaron en dos mitades. Una porción se utilizó para
determinar el contenido de cloruros a diferentes alturas
y la otra porción para realizar el ensayo de porosimetría
por intrusión de mercurio. El corte se realizó en seco, ya
que el ión cloruro es altamente soluble en agua. En la
Figura 8 se presenta el esquema utilizado para la
obtención de las muestras ensayadas. La parte restante
de la probeta original fue utilizada para realizar el
ensayo de resistencia a compresión.
Superficie
exterior
Perfil de
cloruros
T7
50 mm
T5
Figura 6. Situación de extracción de los testigos en el
puente nº 2.
Porosimetría por
intrusión de
mercurio
Figura 8. Esquema de obtención de muestras de las
probetas testigo.
2.4. Perfil de penetración del ión cloruro
A partir de los datos obtenidos de concentración de ión
cloruro en cada una de las muestras analizadas a
diferentes profundidades, se establecieron los perfiles de
penetración de ión cloruro en los hormigones.
Figura 7. Extracción de una probeta testigo.
2.2. Descripción de los ensayos
Se han realizado ensayos de resistencia a compresión
sobre las probetas testigo para determinar la calidad del
hormigón colocado en los elementos del puente, de
acuerdo con la Norma UNE-EN 12504-1 [2]. También
se realizó el ensayo de porosimetría por intrusión de
Para poder realizar la comprobación del Estado Límite
de Durabilidad, tal y como indica la EHE-08 [5], estos
perfiles de penetración pueden ser utilizados para
estimar el coeficiente de difusión aparente del ión
cloruro, Da, y la concentración de ión cloruro en la
superficie del hormigón, CS. La estimación de ambos
parámetros se realiza aplicando la 2ª ley de Fick de la
difusión, que viene dada por la expresión (1).
(1)
Donde C es la concentración del ión, t es el tiempo, x es
la posición y D es el coeficiente de difusión.
Con estas condiciones de contorno se tiene una solución
analítica a la 2ª ley de Fick, que permite modelar el
perfil de penetración de cloruros para un tiempo dado t,
como se establece en la expresión (2) contenida en la
norma noruega NT BUILD 443 [6]:
,
∙
∙
∙
Mindess et al. [8], se presenta en la Figura 11. En las
Figuras 12 a 15 se muestran los perfiles de penetración
del ión cloruro, así como los ajustes de las medidas
experimentales al modelo.
(2)
Donde:
,
Concentración del ión a profundidad x y
tiempo t (% en peso de cemento);
Profundidad (mm);
Tiempo (s);
Concentración del ión en la superficie (%
en peso de cemento);
Función de error;
Concentración del ión inicial (% en peso de
cemento);
Coeficiente de difusión efectivo de
transporte de cloruros (mm2/s).
Figura 9. Volumen de intrusión acumulado en las
muestras de las probetas testigo del puente nº 1.
La expresión (2) se ha utilizado para realizar la
modelización de los perfiles experimentales, para así
poder obtener Da y CS. Se ha asumido que t son 20 años
para los testigos del puente nº 1 (T2 y T12) y 50 años
para los testigos del puente nº 2 (T5 y T7) y que Ci
corresponde a las concentraciones de ión cloruro
determinadas a mayor profundidad (0,03%). El ajuste al
modelo ha sido realizado mediante regresión no lineal
por mínimos cuadrados.
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Los resultados de los ensayos de resistencia a
compresión, porosidad y distribución porosa de las
probetas testigo se muestra en la Tabla 2.
Figura 10. Volumen de intrusión acumulado en las
muestras de las probetas testigo del puente nº 2.
En la Tabla 2 y en las Figuras 9 y 10 se observan las
diferencias en el porcentaje total de poros de cada
muestra analizada, así como las diferencias
microestructurales existentes entre ellas, dadas por el
diámetro de poro crítico.
Tabla 2. Resultados de resistencia a compresión y
porosidad de las probetas testigo
Porosidad
fcn
Probeta
c (nm)
(MPa)
total (%)
T2
45,1
9,69
62,55
T12
52,8
7,36
62,55
T5
17,9
13,93
26,29
T7
37,3
11,67
13,72
El porcentaje de tamaño de los poros capilares, obtenido
a partir del volumen de mercurio intruído, de acuerdo
con la clasificación propuesta por la IUPAC [7] y por
Figura 11. Distribución de los poros capilares de las
muestras de las probetas testigo.
5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Los resultados de resistencia a compresión obtenidos
son coherentes con las características de los elementos
de hormigón y muestran una clara diferencia entre los
hormigones de los dos puentes. Los hormigones de
mayor resistencia corresponden a los del puente nº 1 (T2
y T12). Los hormigones del puente nº 2 (T5 y T7) son
de menor resistencia, seguramente porque las
especificaciones vigentes en la época eran menos
restrictivas en cuanto al contenido de cemento y al
control de calidad de la construcción in-situ.
Figura 12. Perfil de penetración de cloruro y ajuste del
modelo para la muestra del testigo T2 del puente nº 1.
Figura 13. Perfil de penetración de cloruro para la
muestra del testigo T12 del puente nº 1.
Figura 14. Perfil de penetración de cloruro y ajuste del
modelo para la muestra del testigo T5 del puente nº 2.
Por otra parte, las muestras de los testigos del puente nº
1 tienen mayor cantidad de poros capilares grandes y
presentan menor porosidad total que las muestras de los
testigos tomados del puente nº 2. El diámetro crítico es
menor en las muestras de este último puente, en donde
predominan los capilares pequeños y medianos.
En la Figura 12 se muestra el perfil de cloruro para la
probeta del testigo T2. La curva de penetración obtenida
con los datos experimentales muestra una forma
particular, en donde en los dos puntos más cercanos a la
superficie el porcentaje del ión cloruro disminuye, luego
aumenta hasta el punto 5 y después vuelve a disminuir
en el punto 6. Para el análisis del modelo de difusión de
cloruros se han tenido en cuenta solo los dos últimos
puntos, dado que las partes más superficiales pueden
sufrir efectos de lavado y por ello no se ajustan
adecuadamente al proceso de difusión.
La forma de perfil de penetración de cloruro encontrada,
a pesar de no ser la más usual, ya ha sido observada y
estudiada por otros autores [9]. Este tipo de perfil
evidencia que el mecanismo que incide en la
penetración de cloruros no es solo la difusión. Este
comportamiento está relacionado con el efecto de
humedecimiento y secado que sufre la pila de hormigón
debido al escurrimiento de agua lluvia y de agua con
sales fundentes procedentes del tablero del puente, de la
niebla salina de las calzadas anejas y de las salpicaduras
producidas por los vehículos que transitan por la
autovía.
En el caso de la probeta del testigo T12 (Figura 13), los
resultados indican que no se ha producido penetración
del ión cloruro en el hormigón. El hormigón de la viga
de donde se tomó el testigo T12, se encontraba en un
sitio bien protegido, estaba en buen estado y no se
encontraron indicios de humedad o escurrimiento de
agua; por lo tanto el ingreso de cloruros desde el
exterior es prácticamente nulo. Además se trata de un
hormigón de buena calidad.
Figura 15. Perfil de penetración de cloruro y ajuste del
modelo para la muestra del testigo T7 del puente nº 2.
En la Figura 14, que corresponde al perfil de
penetración de cloruros de la probeta T5, se observa que
en los puntos cercanos a la superficie, el contenido de
ión cloruro es mínimo, luego aumenta ligeramente y
tiende a estabilizarse. Aunque la penetración de ión
cloruro ha sido muy pequeña, seguramente corresponde
al cloruro que ha ingresado lentamente durante toda su
vida útil (más de 50 años), ya que la capa de mezcla
asfáltica que se encuentra encima del hormigón del
tablero, podría funcionar como impermeabilizante,
impidiendo o disminuyendo el ingreso de líquidos en el
hormigón.
En la probeta del testigo T7, se observó un perfil típico
de penetración de cloruros, en el cual la concentración
del ión cloruro disminuye a medida que aumenta la
profundidad y no se aprecian efectos de lavado en los
puntos más superficiales. Los parámetros obtenidos del
ajuste realizado, indica que el coeficiente de difusión
aparente, Da es 0,19 x 10-13 m2/s y la concentración de
ión cloruro en la superficie del material, CS, es de
0,1527 (% masa de hormigón). Estos valores se
encuentran dentro del rango de los descritos de forma
teórica por la norma EHE-08 [5], teniendo en cuenta el
tiempo de exposición estimado. Conviene resaltar, que
el arco de la pila está bien protegido de la llegada de
cloruros procedentes del tablero por los voladizos de la
ampliación del puente. Además, al tener debajo el agua
del rio y del embalse, sus ciclos de secado y desecado
son muy suaves, por lo que el hormigón está en
condiciones muy propicias para que actúe solo el
mecanismo de difusión.
Debido a que en los hormigones de las muestras T2,
T12 y T5, el mecanismo de penetración de cloruros no
corresponde a un proceso de difusión puro, los ajustes
realizados teniendo en cuenta la aplicación de la 2ª ley
de Fick, no conducen a valores adecuados de Da y CS.
6. CONCLUSIONES
En cuanto a los perfiles de penetración de cloruros en
las muestras de los testigos de los elementos de
hormigón que se encuentran expuestos a la intemperie,
se puede señalar que los cloruros provienen de las sales
fundentes utilizadas en las carreteras.
En condiciones reales de exposición de las estructuras
de hormigón, al abordar el problema de difusión de
cloruros se deben tener en cuenta otros procesos que no
son difusión pura, para calcular la profundidad de
penetración del ión cloruro y los coeficientes de
difusión.
Las estructuras de hormigón sometidas a ciclos de
humedecimiento y secado están sometidas a procesos de
precipitación de cloruros en el interior del material que
con frecuencia conducen a concentraciones de cloruros
que son mayores en el interior que en la superficie como
se muestra en la Figura 12.
En el hormigón de estructuras que estén protegidas de la
acción ambiental y que permanezcan secas, la
concentración de cloruro en su interior es baja.
En los procesos de difusión pura, la propuesta de la
EHE-08, en el Anejo 9 “Consideraciones adicionales
sobre durabilidad”, conduce a resultados adecuados.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Ministerio de Ciencia e
Innovación la concesión de los proyectos DPI 201124876 e IPT-42000-2010-31.
REFERENCIAS
[1] AEMET Agencia Estatal de Metereología de España
e Instituto de Meteorología de Portugal, Atlás
Climatico Ibérico, 2011.
[2] UNE-EN 12504-1, Ensayos de hormigón en
estructuras. Parte 1: Testigos. Extracción, exámen y
ensayo a compresión. AENOR Asociación Española
de Normalización y Certificación, Madrid, España,
2001.
[3] ASTM-D4404. Standard Test Method for
Determination of Pore Volume and Pore Volume
Distribution of Soil and Rock by Mercury Intrusion
Porosimetry, American Society for Testing
Materials, ASTM, 2004.
[4] UNE-EN 112-010. Corrosión en armaduras.
Determinación de cloruros en hormigones
endurecidos y puestos en servicio. AENOR
Asociación Española de Normalización y
Certificación, Madrid, España, 1994.
[5] EHE-08 Instrucción de Hormigón Estructural,
Ministerio de Fomento, 2008.
[6] NT BUILT 443, Concrete, hardened: Accelerated
chloride penetration, Nordtest, 1995.
[7] IUPAC. International Union of Pure and Applied
Chemistry Physical Chemistry Division Commission
on
Colloid
and
Surface
Chemistry,
Recommendations for the characterization of porous
solids (technical report). Pure Appl. Chem., 66(8),
1739-1758., 1994.
[8] Mindess, S., Young, J. F. & Darwin, D. Concrete.
New Jersey: Prentice-Hall Inc., 2003.
[9] Andrade, C., Castellote, M.; Tavares, F., PetreLazar, I. & Climent, M.A., The key role of surface
concentration in the modelling of chloride
penetration into concrete. International congress on
the chemistry of cement. Montreal, 2007.