1.5 Factores acelerantes de la corrosión del acero-hormigón en ambientes
1.6.1 Manual de Ingeniería de protección costera, Ejército de EE.UU (U.S.
Army coastal engineering. Shore protection manual). (CENTER, 1984)
Según el (Manual de Ingeniería de protección costera, Ejército de EE.UU), para lograr un comportamiento y durabilidad satisfactorios en un ambiente marino, se precisa un hormigón de calidad suficiente, lo que se obtiene con una dosificación del hormigón y una
Capítulo I. Estudio de hormigones sometidos a ambientes marinos agresivos.
Durabilidad del hormigón.
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práctica constructiva adecuadas. El hormigón debe tener baja permeabilidad, utilizando la relación agua-cemento recomendada para estas condiciones de exposición, resistencia adecuada, aire ocluido (necesario en zonas de heladas), recubrimiento de hormigón adecuado, áridos duraderos, y el tipo de cemento pórtland preciso para las condiciones de exposición.
La experiencia obtenida del deterioro del hormigón en estructuras marinas lleva a las siguientes recomendaciones:
El empleo de aditivos para reducir la relación a/c y para reducir el tamaño de los poros lleva a hormigones más durables en agua de mar.
Hay que escoger adecuadamente los áridos gruesos y finos para asegurar la granulometría deseada al mezclarlos.
Hay que analizar la composición mineralógica de los áridos para evitar posibles reacciones químicas con el cemento y el agua de mar.
Es muy importante asegurar un recubrimiento adecuado sobre toda la armadura cuando se hormigona.
Se mejora la durabilidad de las estructuras de hormigón si se emplean encofrados con esquinas redondeadas.
1.6.2 Estructuras de concreto edificadas en costas
(ACI 357R. Fixed
offshore concrete structures). (ACI, 2002b)
El ACI 357R plantea que, el contenido de C3A no debe ser inferior al 4% para proteger
suficientemente a la armadura, y no debe ser superior al 10% para obtener un hormigón resistente a los sulfatos.
Para obtener una pasta de cemento de alta calidad alrededor de las armaduras y así protegerlas de la corrosión, se recomienda un contenido mínimo de 356 kg de cemento/m3 de hormigón.
El contenido de iones cloruro (Cl-) solubles en agua en el hormigón, antes de ser expuesto al ambiente, no debería superar el 0,10% en peso de cemento para el hormigón armado, ni el 0,06% en peso de cemento para el hormigón pretensado. Un contenido de iones cloruros (Cl-) de hasta el 0,15% podría ser aceptable en el hormigón armado, pero sólo se
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Durabilidad del hormigón.
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podría aplicar tras una evaluación del potencial de corrosión de una estructura concreta bajo determinadas condiciones ambientales.
Las relaciones agua/cemento y las resistencias mínimas a 28 días recomendadas para las diferentes zonas de exposición se expresan en la (Tabla 1.1):
Tabla 1.1: Máximas relaciones a/c y resistencias mínimas en diferentes zonas.
Zona Máxima relación a/c Resistencia mínima(Mpa) Sumergida 0.45 35
Mareas 0.40 35
Atmosférica 0.40 35
Los recubrimientos recomendados para paredes gruesas de hormigón (al menos 50 cm de espesor) se notifican en la (Tabla 1.2):
Tabla 1.2: Recubrimientos en diferentes zonas.
Zona Recubrimiento sobre barras de acero(mm) Recubrimiento sobre tendones de pretensado(mm) Atmosférica no sometida a salpicadura. 50 75 Mareas y atmosférica sometidas a salpicaduras. 65 90 Sumergida 50 75 Recubrimiento de estribos.
13 menos que los anteriores
Los recubrimientos no deberían ser mucho mayores que los estipulados para restringir la anchura de las posibles fisuras.
En estructuras de menos de 50 cm de espesor se debería intentar mantener estos mismos recubrimientos, pero cuando no sea posible se puede emplear la máxima de las siguientes recomendaciones con precaución:
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Durabilidad del hormigón.
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1,5 veces el tamaño máximo de árido. 1,5 veces el diámetro de la barra mayor.
20 mm de recubrimiento a cualquier armadura (incluso estribos).
1.6.3 Código británico práctico para estructuras marítimas (British standard
code of practice for maritime structures). (INSTITUTION, 1984)
El código británico plantea que, el mejor método para garantizar la elevada alcalinidad es lograr hormigones con la menor permeabilidad posible, lo que se consigue adoptando mezclas de la mayor densidad posible. Esta elevada resistencia y baja permeabilidad debe conjugarse con una trabajabilidad adecuada.
En cuanto a la acción de los iones sulfatos presentes en el agua de mar, se deben emplear hormigones en los que se limite el contenido de aluminato tricálcico del cemento pórtland a un máximo del 10%, aunque no debe ser inferior al 4% para evitar el ataque de los cloruros a la armadura. Otras posibilidades son sustituir al menos el 25% del cemento pórtland por cenizas volantes o el 70% del cemento pórtland por escorias.
No se deben emplear áridos ligeros. Los áridos empleados deben pasar el ensayo de resistencia frente a soluciones de sulfato de sodio y de sulfato de magnesio. La absorción máxima permitida en los áridos es del 3%. Los áridos deben seleccionarse de modo que no se supere el contenido de cloruros en el hormigón estipulado por la BS 5328.
Si es posible una abrasión severa del hormigón por arena o piedras, el árido grueso debe ser al menos tan duro como el material causante de la abrasión, y el contenido de árido fino en la mezcla debe ser el mínimo compatible con la obtención de un hormigón denso e impermeable.
En la (Tabla 1.3) se plasman los contenidos mínimos de cemento y agua del hormigón para las diferentes condiciones de exposición:
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Durabilidad del hormigón.
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Tabla 1.3: Contenidos de cemento para diferentes condiciones de exposición.
Condiciones de Exposición
Hormigón armado Hormigón en masa Cemento (kg/m3) Relación a/c Cemento (kg/m3) Relación a/c Uso interno o protegido de la exposición
directa al ambiente marino.
275 0.65 180 0.80
Sumergido permanentemente hasta 1m por debajo del nivel más bajo del agua.
350 0.50 300 0.60
En zonas de salpicaduras o de marea y hasta 1m por debajo del nivel del mar.
400 0.45 350 0.50
Sometido a abrasión severa. 400 0.45 350 0.50 Los periodos de curado mínimo se aumentarán en un 50%. El hormigón en masa se puede curar con agua de mar.
El recubrimiento será preferiblemente de 75 mm, aunque nunca inferior a 50mm.
En estructuras sometidas a abrasión severa, se deben llegar a recubrimientos de hasta 300 mm.
En la (Tabla 1.4) se encuentran los valores típicos de la velocidad de corrosión de aceros estructurales en ambiente marítimo del UK:
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Durabilidad del hormigón.
37
Tabla 1.4: Valores de velocidad de corrosión para las diferentes zonas de exposición.
Zona de exposición Velocidad de corrosión (mm/año) Por debajo del lecho marino. 0.01
Zona siempre sumergida: del lecho marino al nivel de mareas bajas de la primavera.
0.08
Zonas sumergidas con agua siempre fresca. 0.05
Parte inferior de las zonas de mareas: entre el nivel de mareas bajas en primavera y con el mar en calma.
0.20
Zona de mareas: entre el valor medio de marea baja y el valor medio de marea alta.
0.09
Zona de salpicadura: desde el valor medio de marea alta hasta una altura en función de la altura de la ola y
la exposición la viento
0.14
Zona atmosférica: por encima de la zona de salpicadura y donde no es frecuente la humectación
por olas o espuma.
0.10
La anchura de fisura máxima será de 0,3 mm. En zona de mareas y de salpicaduras, será aún menor.
1.7 Modelos de estudios de durabilidad de hormigones sometidos a
ambientes marinos y experimentación insitu.
1.7.1 Generalidades. Modelos de Durabilidad.
Se pueden proponer varios modelos durabilísticos que relacionan la degradación por corrosión del acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) en concreto, en función del tiempo. Estos se discuten brevemente a continuación.
El modelo de Tuutti (K., 1982), en el cual se basan la mayoría de los ya existentes, diferencia dos etapas: T1 y T2. Los modelos de Bazant, Browne y Beeby son similares al
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Durabilidad del hormigón.
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propuesto por Tuutti (K., 1982); ya que son modelos que dividen las dos etapas T1 y T2 (Andrés A. Torres Acosta, 2001).
Los modelos de Bazant, y Browne, especifican que T2 finaliza al encontrarse daños visibles en la estructura o elemento estructural. En cambio, el modelo de Beeby especifica que T2 finaliza hasta que se ha alcanzado un nivel inaceptable de la corrosión. Esto quiere decir que el elemento puede estar más allá de su periodo de vida útil y encontrarse en la etapa de su vida residual(Andrés A. Torres Acosta, 2001).
Por tanto, tomaremos como base el modelo de durabilidad considerado por Tutti, ya que es la base de todos los otros modelos encontrados en la literatura. Los otros autores, antes mencionados se basaron en dicho modelo para exponer los suyos. Tutti establece que el tiempo de vida útil (TVU) iba a ser igual a la suma del periodo de iniciación (T1) más
el periodo de propagación (T2). TVU = T1 + T2
La condición de corrosión de acero en el hormigón armado se espera que se altere como una función de tiempo. Es un modelo modificado de aumento de daño cuya primera parte introdujo por Tutti (1982). La vida útil de estructuras de hormigón reforzadas dañadas en corrosión es idealizada aquí como un proceso de dos fases(FERREIRA, 2004). En donde T 1 y T2 son denominados periodos de iniciación y de propagación. Se define al T1 como al lapso de tiempo que tarda el ion cloruro en atravesar el recubrimiento, alcanzar la armadura y provocar su despasivación. En tanto T2 se refiere al periodo entre la pérdida de protección de la película pasiva y la manifestación externa de los daños por corrosión (manchas de óxido, agrietamientos, o desprendimientos de la cobertura del concreto). TVU se define como el periodo de vida útil de la estructura (Andrés A. Torres
Acosta, 2001).
Si en la estructura se observan otros tipos de degradaciones como grietas más anchas de 0.1 mm, de laminaciones, barras de refuerzo expuestas con corrosión visible, etc., dicha estructura se encontrará más allá de su vida útil, o sea, en el periodo de su vida residual. El periodo de la vida residual finaliza hasta un límite inaceptable de durabilidad, el cual se podría expresar en función de la capacidad de carga del elemento estructural (Andrés A. Torres Acosta, 2001).
Capítulo I. Estudio de hormigones sometidos a ambientes marinos agresivos.
Durabilidad del hormigón.
39
1.7.2 Estudios de durabilidad en hormigones sometidos a ambientes
marinos a escala internacional y nacional.
1.7.2.1
Generalidades.
El propósito de establecer estaciones de investigación de campo es ganar conocimiento práctico para lograr un hormigón armado más durable y proteger estructuras concretas en contra del deterioro bajo condiciones naturales diversas. Las condiciones de exposición pueden incluir agua subterránea agresiva, ambiente marino (la zona sumergida, de salpicadura y la zona de marea), y exposición externa en aire. Todas estas estaciones nos ayudan en un futuro al aumento de la vida útil de las estructuras que se encuentren sometidas a ambientes marinos. En Cuba se está haciendo necesaria la fabricación de una zona de esta magnitud por las condiciones que sabemos tiene este país, es una isla rodeada de mar y una gran cantidad de obras se encuentran sometidas a este tipo de ambiente constantemente, por lo que se refieren algunos sitios realizados en distintas partes del mundo para basarnos en sus resultados.
1.7.2.2
Formulación e importancia de los sitios de pruebas más
reconocidos.
Los sitios de prueba de exposición al campo han estado establecidos alrededor del mundo con el objetivo de ganar conocimiento práctico en cómo desarrollar y proteger estructuras concretas bajo la exposición natural y de largo plazo aumentando su durabilidad.
La estación de campo en Khaleej Mardomah es la primera de su tipo en la región. Las condiciones de exposición incluyen agua subterránea agresiva, ambiente marino (la zona sumergida, de salpicadura y la zona de mareas), y exposición externa en aire. El estudio involucra la fundición de especímenes de concreto de diferente diseño y los parámetros de protección incluyendo tipo de cemento (Mesfer M. Al-Zahrani, 2002).
La proporción del agua/cemento, aditivos puzolánicos, el tipo del refuerzo, el tipo de agua, condición de curando, corrosión, y recubrimientos del concreto son factores que se encuentran en constante monitoreo en los especímenes y se establecieron sus
Capítulo I. Estudio de hormigones sometidos a ambientes marinos agresivos.
Durabilidad del hormigón.
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condiciones y cantidades con anterioridad en la preparación del sitio (Mesfer M. Al- Zahrani, 2002).
El estudio incluye durabilidad probando y monitoreado de especímenes concretos reforzados bajo las exposiciones agresivas del campo para evaluar el desempeño a largo plazo y determinar las causas de deterioro para las mezclas concretas diferentes. La corrosión del refuerzo está siendo monitoreada por la medida periódica de los potenciales de corrosión. El cloruro, el sulfato y las reseñas de alcalinidad en los especímenes van a estar establecidos. Además, disminución de propiedades, permeabilidad de cloruros, fuerza compresiva, pérdida de peso debido al ataque de sulfato, y la carbonatación son también determinados a los 28 días después de hacer una fundición, y en los períodos específicos de término largo, la exposición para las mezclas concretas principales (Mesfer M. Al-Zahrani, 2002).
Por otra parte, un estudio similar se realizó en Noruega con el propósito de reportar una visión general de la exposición al campo a la que están sometidas muchas de las estructuras y sobre todo para poder lograr producir hormigón armado durable bajo las condiciones diversas de exposición (Ivar Holand).
Dieciocho proyectos diferentes desde 1950 y hacia adelante hay realizados (Refuerzo galvanizado. Slemmestad 1967, Vigas reforzadas sumergidas en el mar. Bergen 1976, Columnas reforzadas: Sumergidas, zona de salpicaduras, zonas por encima del nivel del mar. Bergen 1985, Vigas con refuerzo doblado. Orkanger 1985, Especímenes grandes de concreto en la zona de mareas. Østmarkneset 1983 y 1991 entre otros), dónde los especímenes de composición adecuadamente conocida están expuesto al ambiente agresivo natural. Las condiciones de exposición incluyen ambiente agresivo de aguas subterráneas, y ambiente marino (la zona sumergida, de salpicadura y la zona de mareas), y exposición externa al aire.
La mayor parte de los recientes proyectos tienen la intención de mejorar resistencia para la corrosión inducida en cloruro del refuerzo en el ambiente marino.
Capítulo I. Estudio de hormigones sometidos a ambientes marinos agresivos.
Durabilidad del hormigón.
41
1.7.2.3
Limitaciones de los estudios y posibilidades de la experimentación
en Cuba.
La creación de una zona de exposición lleva consigo una variedad de estudios y condiciones que hay que evaluar antes de contar con las posibilidades de experimentación. Debemos considerar que para la creación de una estación de evaluación de especímenes de hormigón en la costa norte de la región central de Cuba, por las características y exigencias que factura esta, hay que tener en cuenta las peculiaridades de la isla para de ahí poder lograr un buen resultado. El archipiélago cubano tiene un área de 110 922 km2 con aproximadamente 6000 km de costas. Esto implica que prácticamente la mayoría del territorio está bajo la influencia del aerosol marino, por lo que el contaminante natural más importante en las condiciones cubanas (con respecto a la corrosión) es la salinidad. Existen también otros contaminantes de importancia regional, como son los compuestos de azufre que vienen acompañando a los aerosoles de cloruro y además se producen por industrias, motores de combustión interna y otros.
Resulta de mucho interés conocer el comportamiento de la salinidad ambiental en las diferentes regiones cubanas; debido a la gran influencia que tiene la salinidad en el proceso de corrosión atmosférica de los metales. De esta forma se puede pronosticar el posible comportamiento corrosivo de los materiales y decidir las medidas de protección anticorrosiva más adecuadas.
Desde el año 1979 se han realizado evaluaciones sistemáticas de la velocidad de deposición de cloruros en diferentes puntos y regiones del país. Estos estudios han dado como resultado que los mayores valores de salinidad corresponden a la costa norte, ya sea de la región oriental o de la occidental. Al mismo tiempo vemos que durante la etapa invernal (período durante el cual penetran en el territorio los frentes fríos) se alcanzan valores superiores de salinidad para las zonas de la costa norte y del centro. Por el contrario, en los puntos correspondientes a las cercanías de la costa sur, donde la salinidad es notablemente más baja en comparación con la costa norte, los valores superiores corresponden al verano. Esto pudiera deberse al hecho de que estos puntos son más susceptibles de sufrir la influencia de ondas tropicales por encontrarse más al sur, las cuales son más frecuentes durante el verano. Los resultados muestran también
Capítulo I. Estudio de hormigones sometidos a ambientes marinos agresivos.
Durabilidad del hormigón.
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que la salinidad es generalmente mayor en la región occidental con respecto a la oriental debido a una entrada más frecuente y con mayor intensidad de frentes fríos, estudios como estos se deberán hacer en la actualidad para la realización de un sitio experimental.
1.8 Conclusiones parciales.
1. La durabilidad de las estructuras debe ser estudiada con mayor detenimiento y perseverancia con el fin de lograr aumentos en los tiempos de vida útil de los hormigones. Obras sometidas al ambiente marino prescinden de diseños por durabilidad para predecir los tiempos de corrosión y tipos desgastes que pudieran aportar los agentes agresivos.
2. Los cloruros pueden penetrar en el hormigón mediante diferentes mecanismos: permeabilidad, capilaridad, absorción y difusión. La permeabilidad y la absorción son mecanismos de penetración muy rápidos mientras que la capilaridad y la difusión son más lentos, la velocidad de penetración dependerá de la zona de exposición, la humedad del hormigón y la estructura de poros.
3. El riesgo de corrosión dependerá del período de iniciación y del período de propagación. El mayor riesgo ocurre en la zona atmosférica y de salpicadura, en la zona de mareas el hormigón se encuentra prácticamente saturado por lo que no se produce acceso fácil del oxigeno a la armadura y esto lo hace menos riesgoso y la zona sumergida es la de menor riesgo de corrosión.
4. Los modelos de durabilidad aseguran condiciones de fácil manejo para la práctica y diseño de estructuras de hormigón con criterios de durabilidad, estos se basan en los principales mecanismos de degradación de las estructuras de hormigón en ambientes marinos.
5. Las estaciones de investigación situadas en las cercanías del mar llevan consigo en su creación un mesurado estudio de toda la zona que se pretenden evaluar, posiciones donde colocar las muestras, extensiones, sección transversal y dimensiones de los especímenes, dosificaciones de la mezcla, adiciones, el cumplimiento correcto de todos estos factores nos permitiría una buena investigación y conocimiento futuro sobre durabilidad.
Capítulo II .Características de los sitios experimentales a escala internacional.
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CAPÍTULO II. Características de los sitios experimentales a escala
internacional.
2.1 Valoración de muestras de hormigón sometidas a la interacción con el
mar.
2.1.1 Generalidades.
Las estructuras de hormigón armado en el ambiente marino a menudo se deterioran en los inicios de las etapas de su vida útil, siendo la causa principal de este inconveniente la corrosión del acero de refuerzo en el hormigón armado, lo cual puede influir adversamente en la durabilidad de las estructuras. El deterioro puede ser influenciado por factores diversos, como las proporciones de las mezclas, la profundidad de los recubrimientos, las condiciones ambientales y otros, que pueden dañar en gran medida a los hormigones que son sometidos a ambientes marinos agresivos. Los resultados han demostrado que todos estos factores traen consigo daños provocados por la penetración y la difusión de sustancias como los iones cloruro, dióxido de carbono y sulfatos. Todos estos factores e inconvenientes que están atacando y dañando la durabilidad de los hormigones en la actualidad son tratados en los sitios experimentales creados a lo largo del mundo. La variedad de estaciones de estudio tienen como principal propósito evitar la corrosión prematura de las estructuras, estudiando el comportamiento de especímenes en las diferentes zonas de exposición que pudieran ser de mayor agresividad en condiciones reales.
Capítulo II .Características de los sitios experimentales a escala internacional.
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2.1.2 Sitios de pruebas reconocidos a escala internacional en el mar.
Por la seriedad que ocupa la durabilidad de las estructuras en la actualidad, existen un