El diseño de durabilidad de las estructuras de hormigón armado se ha introducido recientemente en las normativas nacionales e internacionales. Se requiere que las estructuras estén diseñadas para preservar sus características durante la vida útil, evitando fallas prematuras y la necesidad de trabajos extraordinarios de mantenimiento y restauración. Por ello, en las últimas décadas se han realizado importantes esfuerzos para definir modelos útiles que describan los procesos de degradación que afectan a las estructuras de hormigón armado , que se utilizarán durante la etapa de diseño para evaluar las características de los materiales y la disposición estructural de la estructura. [1]
Vida útil de una estructura de hormigón armado.
Inicialmente, las reacciones químicas que ocurren normalmente en la pasta de cemento, generan un ambiente alcalino , llevando la solución en los poros de la pasta de cemento a valores de pH alrededor de 13. En estas condiciones, se produce la pasivación de las varillas de acero, debido a la generación espontánea de una capa delgada. Película de óxidos capaz de proteger el acero de la corrosión. Con el tiempo, la película delgada puede dañarse y comienza la corrosión de las varillas de acero. La corrosión de las barras de acero es una de las principales causas de falla prematura de las estructuras de hormigón armado en todo el mundo, [2] principalmente como consecuencia de dos procesos de degradación, la carbonatación y la penetración de cloruros . [1] Con respecto al proceso de degradación por corrosión , un modelo simple y acreditado para la evaluación de la vida útil es el propuesto por Tuutti, en 1982. [3] Según este modelo, la vida útil de una estructura de hormigón armado puede dividirse en dos fases distintas.
- , tiempo de inicio : desde el momento en que se construye la estructura, hasta el momento en que se inicia la corrosión en las varillas de acero. Más en particular, es el tiempo necesario para que los agentes agresivos ( dióxido de carbono y cloruros) penetren en el espesor de la cubierta de hormigón, alcancen la barra de acero incrustada, alteren la condición inicial de pasivación en la superficie del acero y provoquen el inicio de la corrosión.
- , tiempo de propagación : que se define como el tiempo desde el inicio de la corrosión activa hasta que se alcanza un estado límite último, es decir, la propagación de la corrosión alcanza un valor límite correspondiente a daños estructurales inaceptables, como grietas y desprendimientos del espesor del recubrimiento de hormigón .
La identificación del tiempo de inicio y el tiempo de propagación es útil para identificar en mayor profundidad las principales variables y procesos que influyen en la vida útil de la estructura y que son específicos de cada fase de vida útil y del proceso de degradación considerado.
Corrosión inducida por carbonatación
El tiempo de inicio está relacionado con la velocidad a la que se propaga la carbonatación en el espesor del recubrimiento de hormigón . Una vez que la carbonatación llega a la superficie del acero, alterando el valor de pH local del ambiente, la película protectora delgada de óxidos en la superficie del acero se vuelve inestable y se inicia la corrosión que involucra una porción extendida de la superficie del acero. Uno de los modelos más simplificados y acreditados que describen la propagación de la carbonatación en el tiempo es considerar la profundidad de penetración proporcional a la raíz cuadrada del tiempo, siguiendo la correlación
dónde es la profundidad de carbonatación, es el momento, y es el coeficiente de carbonatación. El inicio de la corrosión tiene lugar cuando la profundidad de carbonatación alcanza el espesor del recubrimiento de hormigón y, por lo tanto, se puede evaluar como
dónde es el espesor de la cubierta de hormigón .
es el parámetro de diseño clave para evaluar el tiempo de inicio en el caso de corrosión inducida por carbonatación. Se expresa en mm / año 1/2 y depende de las características del hormigón y de las condiciones de exposición. La penetración de CO 2 gaseoso en un medio poroso como el hormigón se produce por difusión . El contenido de humedad del hormigón es uno de los principales factores que influyen en la difusión de CO 2 en el hormigón. Si los poros del hormigón están saturados total y permanentemente (por ejemplo, en estructuras sumergidas ) se evita la difusión de CO 2 . Por otro lado, para el hormigón completamente seco, la reacción química de carbonatación no puede ocurrir. Otro factor que influye en la tasa de difusión de CO 2 es la porosidad del hormigón . El hormigón obtenido con una relación a / c superior u obtenido con un proceso de curado incorrecto presenta una mayor porosidad en el estado endurecido y, por lo tanto, está sometido a una mayor tasa de carbonatación. Los factores que influyen en las condiciones de exposición son la temperatura ambiental, la humedad y la concentración de CO 2 . La tasa de carbonatación es más alta para ambientes con mayor humedad y temperatura, y aumenta en ambientes contaminados como centros urbanos y dentro de espacios cerrados como túneles. [1]
Para evaluar el tiempo de propagación en el caso de corrosión inducida por carbonatación , se han propuesto varios modelos. En un método simplificado pero comúnmente aceptado, el tiempo de propagación se evalúa en función de la tasa de propagación de la corrosión. Si la velocidad de corrosión se considera constante, t p se puede estimar como:
dónde es el límite de penetración de la corrosión en el acero yes la tasa de propagación de la corrosión . [1]debe definirse en función del estado límite considerado. Generalmente para la corrosión inducida por carbonatación, el agrietamiento del recubrimiento de concreto se considera como estado límite, y en este caso unse considera igual a 100 μm. [4] depende de los factores ambientales en las proximidades del proceso de corrosión , como la disponibilidad de oxígeno y agua a la profundidad del recubrimiento de hormigón. El oxígeno generalmente está disponible en la superficie del acero, excepto en las estructuras sumergidas. Si los poros están constantemente saturados por completo, una cantidad muy baja de oxígeno llega a la superficie del acero y la tasa de corrosión puede considerarse insignificante. [5] Para hormigones muy secoses insignificante debido a la ausencia de agua lo que evita la reacción química de corrosión . Para un contenido intermedio de humedad del hormigón, la tasa de corrosión aumenta al aumentar el contenido de humedad del hormigón. Dado que el contenido de humedad en un hormigón puede variar significativamente a lo largo del año, en general no es posible definir una constante. Un posible enfoque es considerar un valor anual medio de.
Corrosión inducida por cloruros
La presencia de cloruros en la superficie del acero, por encima de una cierta cantidad crítica, puede romper localmente la delgada película protectora de óxidos en la superficie del acero, incluso si el hormigón todavía es alcalino, provocando una forma de corrosión muy localizada y agresiva conocida como picadura . Las regulaciones actuales prohíben el uso de materias primas contaminadas con cloruros, por lo tanto, un factor que influye en el tiempo de inicio es la tasa de penetración de cloruros del medio ambiente. Esta es una tarea compleja, porque las soluciones de cloruro penetran en el hormigón a través de la combinación de varios fenómenos de transporte, como la difusión , el efecto capilar y la presión hidrostática . La unión del cloruro es otro fenómeno que afecta la cinética de la penetración del cloruro. Parte del total de iones de cloruro puede absorberse o reaccionar químicamente con algunos componentes de la pasta de cemento, lo que lleva a una reducción de los cloruros en la solución de los poros (cloruros libres que son aceros capaces de penetrar en el hormigón). La capacidad de un hormigón para la unión de cloruros está relacionada con el tipo de cemento, siendo mayor para los cementos mezclados que contienen humo de sílice, cenizas volantes o escoria de horno.
Siendo el modelado de la penetración de cloruros en el hormigón particularmente complejo, generalmente se adopta una correlación simplificada, que fue propuesta por primera vez por Collepardi en 1972 [6]
Dónde es la concentración de cloruro en la superficie expuesta, x es la profundidad de penetración del cloruro, D es el coeficiente de difusión del cloruro y t es el tiempo.
Esta ecuación es una solución de la ley de difusión de Fick II en la hipótesis de que el contenido inicial de cloruro es cero, quees constante en el tiempo en toda la superficie y D es constante en el tiempo y a través de la cubierta de hormigón. Con y D conocido, la ecuación se puede utilizar para evaluar la evolución temporal del perfil de concentración de cloruro en el recubrimiento de hormigón y evaluar el tiempo de inicio como el momento en el que el umbral crítico de cloruro () se alcanza a la profundidad de la barra de acero.
Sin embargo, existen muchas cuestiones críticas relacionadas con el uso práctico de este modelo. Para estructuras de hormigón armado existentes en entornos con clorurosy D se puede identificar calculando la curva de mejor ajuste para los perfiles de concertación de cloruro medidos. Por tanto, a partir de muestras de hormigón recuperadas en el campo, es posible definir los valores de C s y D para la evaluación de la vida útil residual. [7] Por otro lado, para estructuras nuevas es más complicado definiry D. Estos parámetros dependen de las condiciones de exposición, las propiedades del hormigón como la porosidad (y por tanto la relación a / c y el proceso de curado ) y el tipo de cemento utilizado. Además, para la evaluación del comportamiento a largo plazo de la estructura, un tema crítico está relacionado con el hecho de quey D no puede considerarse constante en el tiempo, y que la penetración de transporte de cloruros puede considerarse como difusión pura solo para estructuras sumergidas. Otro tema es la evaluación de. Hay varios factores que influyen, como el potencial de las varillas de acero y el pH de la solución incluida en los poros del hormigón. Además, la iniciación de la corrosión por picadura es un fenómeno de naturaleza estocástica, por lo que tambiénsólo se puede definir sobre una base estadística. [1]
Prevención de la corrosión
La evaluación de durabilidad se ha implementado en los códigos de diseño europeos a principios de los años 90. Se requiere que los diseñadores incluyan los efectos de la corrosión a largo plazo de las barras de acero durante la etapa de diseño, para evitar daños inaceptables durante la vida útil de la estructura. A continuación, se encuentran disponibles diferentes enfoques para el diseño de durabilidad.
Enfoque estándar
Es el método estandarizado para lidiar con la durabilidad, también conocido como enfoque de considerar para satisfacer, y provisto por la normativa europea vigente EN 206. Se requiere que el diseñador identifique las condiciones de exposición ambiental y el proceso de degradación esperado, evaluando la exposición correcta. clase. Una vez que esto se define, el código de diseño proporciona prescripciones estándar para la relación a / c, el contenido de cemento y el espesor de la cubierta de hormigón.
Este enfoque representa un paso de mejora para el diseño de durabilidad de estructuras de hormigón armado, es adecuado para el diseño de estructuras ordinarias diseñadas con materiales tradicionales (cemento Portland, varilla de acero al carbono) y con una vida útil esperada de 50 años. Sin embargo, en algunos casos se considera que no es del todo exhaustivo. Las prescripciones simples no permiten optimizar el diseño para diferentes partes de las estructuras con diferentes condiciones de exposición local. Además, no permiten considerar los efectos en la vida útil de medidas especiales como el uso de protecciones adicionales. [4]
Enfoque basado en el desempeño
Los enfoques basados en el rendimiento proporcionan un diseño real de durabilidad, basado en modelos que describen la evolución en el tiempo de los procesos de degradación y la definición de los momentos en los que se alcanzarán los estados límite definidos. Para considerar la amplia variedad de factores que influyen en la vida útil y su variabilidad, los enfoques basados en el rendimiento abordan el problema desde un punto de vista probabilístico o semiprobabilista.
El modelo de vida útil basado en el rendimiento propuesto por el proyecto europeo DuraCrete, [8] y por el Código modelo FIB para el diseño de la vida útil, [ 9] se basa en un enfoque probabilístico, similar al adoptado para el diseño estructural. Los factores ambientales se consideran cargas S (t), mientras que las propiedades del material, como la resistencia a la penetración de cloruros, se consideran resistencias R (t) como se muestra en la Figura 2. Para cada proceso de degradación, se establecen ecuaciones de diseño para evaluar la probabilidad de falla de los valores predefinidos. prestaciones de la estructura, donde la probabilidad aceptable se selecciona sobre la base del estado límite considerado. Los procesos de degradación aún se describen con los modelos previamente definidos para la corrosión inducida por carbonatación e inducida por cloruros, pero para reflejar la naturaleza estadística del problema, las variables se consideran curvas de distribución de probabilidad a lo largo del tiempo. [4] Para evaluar algunos de los parámetros de diseño de durabilidad, se sugiere el uso de pruebas de laboratorio aceleradas, como la denominada Prueba de migración rápida de cloruro para evaluar la resistencia del hormigón a la penetración de cloruros [9] '. Mediante la aplicación de parámetros correctivos, se puede evaluar el comportamiento a largo plazo de la estructura en condiciones reales de exposición.
El uso de modelos probabilísticos de vida útil permite implementar un diseño de durabilidad real que podría implementarse en la etapa de diseño de estructuras. Este enfoque es de particular interés cuando se requiere una vida útil prolongada (> 50 años) o cuando las condiciones de exposición ambiental son particularmente agresivas. De todos modos, la aplicabilidad de este tipo de modelos aún es limitada. Los principales problemas críticos aún se refieren, por ejemplo, a la individualización de pruebas de laboratorio aceleradas capaces de caracterizar el rendimiento del hormigón, los factores correctivos fiables que se utilizarán para la evaluación de los rendimientos de durabilidad a largo plazo y la validación de estos modelos basados en la durabilidad real a largo plazo. actuaciones. [4] [7]
Ver también
- Hormigón
- Degradación del hormigón
- Concreto reforzado
Referencias
- ^ a b c d e . Bertolini, Luca. Materiali da costruzione. 2, Degrado, prevenzione, diagnosti, restauro (2. ed.). CittaStudi. ISBN 978-8825173680.
- ^ Bertolini, Luca; Elsener, Bernhard; Pedeferri, Pietro; Redaelli, Elena; Polder, Rob B. Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair (2nd ed.). Wiley. ISBN 978-3527651719.
- ^ Tuutti, Kyösti (21 de octubre de 1982). "Corrosión de acero en hormigón". Instituto Sueco de Investigación del Cemento y el Hormigón, Estocolmo .
- ^ a b c d Bertolini, Luca (2008). "Corrosión del acero y vida útil de estructuras de hormigón armado". Ingeniería de estructuras e infraestructura .
- ^ Arup, Hans (1983). "Los mecanismos de protección del acero por hormigón". Sociedad de la Industria Química .
- ^ Collepardi, Mario; Marcialis, Aldo; Turriziani, Renato. "Penetración de iones cloruro en pastas y hormigones de cemento". Revista de la Sociedad Americana de Cerámica .
- ^ a b Matthews, Stuart (2014). Diseño de estructuras de hormigón duraderas . IHS. ISBN 9781848061750.
- ^ Duracrete (2000). "La Unión Europea - Brite EuRam III, DuraCrete - Diseño de durabilidad basado en rendimiento probabilístico de estructuras de hormigón". Informe técnico final del proyecto Duracrete .
- ^ a b FIB (2006). "Código de modelo para el diseño de la vida útil". Comité Eurointernation du Beton .