Durabilidad en estructuras de hormigón armado situadas en ambientes con presencia de cloruros.

Transcripción

1 Introducción El hormigón armado por sus características mecánicas aporta un alto nivel de seguridad en las estructuras construidas bajo sus especificaciones. Sin embargo, se han puesto de manifiesto sus limitaciones respecto al comportamiento durable en ambientes agresivos, a fin de poder amortizar sus elevados costes. El hormigón en sí mismo se considera un material durable, pero su estructura porosa deja acceso a la penetración de iones agresivos que pueden llegar a comprometer su comportamiento estructural. Medio ambientes naturales como el entorno marino y el de alta montaña, se consideran potentes detonadores de la degradación en el hormigón armado debido a la presencia del ion cloruro (Cl - ) en altas concentraciones. La presencia del ion Cl - basa su agresividad en su capacidad de despasivar el acero embebido en el hormigón e iniciar el proceso de corrosión limitando la vida de servicio de la estructura. La mayoría de los estudios de penetración de cloruros en el hormigón, se centran en el proceso de difusión en hormigones saturados, con el objetivo de simplificar los mecanismos de penetración. Sin embargo en una amplia casuística de situaciones reales, la difusión no es el único mecanismo de penetración. Es el caso de hormigones parcialmente saturados en contacto con una solución o localizados en entornos con humedades relativas elevadas, donde la penetración por succión capilar no puede considerarse despreciable. La optimización del análisis se obtiene con un estudio acoplado de los diferentes mecanismos de penetración de cloruros, tomando en cuenta la influencia de las variaciones de las condiciones ambientales y de las características intrínsecas del hormigón. A partir de un modelo numérico basado en la teoría de elementos finitos desarrollado por el grupo de investigación del Departamento de Materiales de Construcción en la E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid, se muestran simulaciones acoplando procesos de difusión y succión capilar. El modelo considera las características microestructurales del material, la interacción química de los iones agresivos con la matriz y las diferentes condiciones medioambientales. Bajo estas consideraciones se obtienen perfiles de penetración de cloruros que permiten considerar diferentes situaciones ambientales en que puede encontrase el material.

2 La caracterización del hormigón es uno de los objetivos principales establecidos en la presente investigación. Valores de parámetros higroscópicos, microestructurales y de transporte de cloruros serán definidos experimentalmente para la correcta implementación del modelo numérico. Materiales y desarrollo experimental Se diseñaron 3 mezclas diferentes de hormigón, una dosificación patrón y 2 utilizando adiciones de humo de sílice y escoria de alto horno como sustitución parcial del cemento. El cemento empleado corresponde a un CEM I 2. R (UNE-EN 197-1, 2). El diseño de mezclas se realizó utilizando los métodos de dosificación De la Peña y Bolomey (Cánovas, 211), en las mezclas con adiciones se siguieron las recomendaciones dictadas por la EHE (EHE, 28). Las dosificaciones utilizadas se muestran en la Tabla 1. La elaboración del hormigón, dimensiones de probetas y el proceso de curado bajo agua se realizó según la normativa UNE-EN-1239 (UNE-EN- 1239,21). Para acelerar la madurez del material se empleó la función de madurez apoyada en la ley de Arrhenius (Cánovas, 211), la cual acelera la hidratación sumergiendo las probetas en disolución de hidróxido cálcico a 4ºC. Materiales Tabla 1. Dosificación de hormigones. M1 M2 M3 Unidad CP CPHS CPEAH Cemento Portland (c) kg/m Humo de sílice (1 % y K=2) kg/m 3 4 Escoria de Alto Horno (2% y K=1) kg/m 3 8 Agua kg/m Arena kg/m ,8 846 Gravilla kg/m , Grava kg/m ,97 38 SP (%)* % 1, 1, 1,1 agua/cementante** ----,4,4,4 (*): % respecto al peso del material cementante (**): M1= a/c, para M2 y M3= a/(c+kf), donde F= adición Los hormigones elaborados se han sometido a caracterización mecánica: resistencia a compresión (UNE-EN :23), módulo de elasticidad (UNE 83316: 1996) y resistencia a tracción indirecta (UNE-EN : 21). Las características microestructurales se estudiaron mediante porosimetría por intrusión de mercurio (ASTM-D444:24 adaptada), análisis térmico diferencial (ASTM-E1131:23,

3 Condiciones de contorno Fases experimentales (días) Adaptada) y difracción de rayos X. Se realizaron ensayos para identificar parámetros de transporte de cloruros calculando el coeficiente de difusión natural de cloruros (NT BUILD 443), coeficiente de migración de cloruros (NT BUILD 492) y resistividad eléctrica (UNE ). Las propiedades higroscópicas del hormigón se estudiaron mediante ensayos de propiedades de sorción higroscópica (UNE-EN ISO 1271), velocidad de absorción (ASTM C-8-4) y penetración de agua bajo presión (UNE- EN ) Se diseñó un programa experimental que simula el entorno de alta montaña con presencia de sales fundentes con la finalidad de estudiar los hormigones bajo condiciones reales. El programa consta de fases en las que se varían los parámetros medio ambientales: temperatura, humedad relativa, concentración superficial de cloruros y ciclos de humectación y secado. La Tabla 2 muestra los parámetros ambientales y la duración de las distintas fases Temperatura ambiente( C) Humedad relativa ambiente (%) Concentración superficial de cloruros (g/litro) *** *** 16 *** *** *** 16 8 Lavado superficial de las probetas (hr) *** *** *** c/sem *** *** *** Curado Acelerado Acondicionamiento Simulación del entorno de alta montaña. Tabla 2. Programa experimental de simulación en entorno de alta montaña. Con el objetivo de estudiar las variaciones de humedad relativa en el interior del hormigón, se han embebido sensores de humedad relativa y temperatura a diferentes profundidades. Estos determinarán la existencia de un gradiente de humedad relativa, que influiría sustancialmente en el transporte de cloruros. La Figura 1 muestra las probetas acondicionadas y los sensores empleados. Figura 1 Acondicionamiento de probetas y colocación de sensores

4 Logaritmo de la intrusión diferencial (ml/g) Logaritmo de la intrusión diferencial (ml/g) Resistencia a compresión (MPa) Durabilidad en estructuras de hormigón armado situadas en ambientes con presencia de cloruros. Resultados Para evaluar la validez del proceso de hidratación acelerado se ensayaron mecánicamente las probetas sometidas a un curado normalizado (N) y las correspondientes al mismo período de hidratación según la función de madurez (A). La Figura 2 muestra los resultados más representativos de compresión mecánica. 7d-A 7d-N 28d-A 28d-N CP-M1 CPHS-M2 CPEAH-M3 Figura 2. Resistencia a compresión en hormigones bajo curado normalizado y acelerado. En cuanto a caracterización microestructural, se muestra en las figuras siguientes la porosidad total y distribución de tamaño de poro y valores de resistividad.,11,1,9,8,7,6,,4,3,2,1 M1-28d-A M1-28d-N Mezclas Porosidad (%) M1-28d-A 7,6 M1-28d-N 8,1,1,1, Diámetro de poro (μm),11,1,9,8,7,6,,4,3,2,1 M2-28d-A M2-28d-N Mezclas Porosidad (%) M2-28d-A 1,9 M2-28d-N 9,6,1,1, ,11,1,9,8,7,6,,4,3,2,1 M3-28d-A M3-28d-N Mezclas Porosidad (%) M3-28d-A 8,9 M3-28d-N 8,8,1,1, Diámetro de poro (μm) Figura 3. Porosidad total y distribución de tamaño de poro.

5 Mezclas Resistividad (KΩ.cm) Penetración de Cl - M1-18d-A 8 Moderada M2-18d-A 9 Muy Baja M3-18d-A Baja Tabla 3. Resistividad en hormigones y su clasificación referida a penetración de Cl - (ASTM C122, 212). El análisis de parámetros de transporte de cloruros se llevó a cabo mediante ensayos de migración de cloruros en el interior del hormigón. En la Tabla 4 se muestran valores correspondientes de los coeficientes de migración obtenidos para cada mezcla, el ensayo de difusión natural está en desarrollo. Mezclas Coeficiente de migración ( x 1-12 m 2 /s) Resistencia a penetración de Cl - M1-18d-A 13,68 Moderada M2-18d-A 3,2 Buena M3-18d-A 6,19 Buena Tabla 4. Resultados del ensayo de migración de cloruros (Tang, 1996) El estudio de las propiedades higroscópicas permite conocer el comportamiento de la red porosa ante la presencia de agua y la humedad relativa del entorno. Los resultados de penetración al agua bajo presión en los hormigones se muestran en la Tabla. Los ensayos referentes a las curvas y velocidad de sorción se están llevando a cabo. Mezclas Profundidad de penetración (mm) Media Máxima Limitaciones EHE-8 M1-18d-A 8,2 12,4 Profundidad Media 3 mm M2-18d-A 4,91 6,7 Profundidad Máxima mm M3-18d-A 6, 9,6 Tabla. Profundidad de penetración de agua bajo presión. Se presentan una serie de simulaciones utilizando el modelo numérico antes mencionado y estableciendo las condiciones de las fases descritas previamente. Los datos de las características del material corresponden a 2 hormigones previamente caracterizados, las condiciones iniciales de las muestras son en estado saturado. A continuación se muestran los perfiles obtenidos.

6 Cloruros totales (kg/m 3 de hormigón) Cloruros totales (kg/m 3 de hormigón) 2 1 Durabilidad en estructuras de hormigón armado situadas en ambientes con presencia de cloruros. Cloruros totales (kg/m 3 de hormigón) 2 1 Tiempo experimental (días) 2 Tiempo experimental (días) 7 2 Tiempo experimental (dias) difusion pura (difusion pura) 18 difusion pura Cloruros totales (kg/m 3 de hormigón) Mat.1 = Hormigón (Cem I 42, R/SR) Porosidad= 14, % Kw= 2e-21 m 2 De= 4,e-11 m 2 /s 1 Mat.1 = Hormigón (Cem I 42. R/SR) Mat.3 = Hormigón (Cem I 42.+1%HS) Cloruros totales (kg/m 3 de hormigón) 1 Porosidad= 14. % Porosidad= 12. % =.2e-21 m 2 =2e-21 m 2 Tiempo experimental (días) difusion pura Mat.2 = Hormigón (Cem I 42, + 1% H.S.) Porosidad= 12, % Kw=,2e-21 m 2 De= 1,2 e-11 m 2 /s Tiempo experimental (dias) Tiempo experimental 17 (dias) (difusion pura) 18 (difusion pura) Mat.3 = Hormigón (Cem I 42.+1%HS) Mat.3 = Hormigón (Cem I 42.+1%HS) Porosidad= 12. % Porosidad= 12. % =.2e-21 m 2 =.2e-21 m 2 Mat.1 = Hormigón (Cem I 42. R/SR) D D e =4.e-11 m 2 /s e =1.2e-11 m 2 /s Mat.1 = Hormigón (Cem I 42. R/SR) D e =1.2e-11 m 2 /s D e =1.2e-11 m 2 /s Porosidad= % 2 Porosidad= % =2e-21 m 2 =2e-21 m 2 Figura 4 Perfiles de penetración de cloruros obtenidos de simulación numérica. D e =4.e-11 m 2 /s D e =4.e-11 m 2 /s Análisis de resultados y conclusiones Las mezclas de hormigón diseñadas se identifican como hormigones de alta resistencia > a MPa, coherente con las dosificaciones empleadas. Destaca el buen comportamiento de la mezcla M2 con valores de 6 MPa a 28 días con una relación a/(c+kf) =.4. En referencia a los métodos de curado, los resultados en ensayos de caracterización mecánica y microestructural para edades equivalentes en hormigones con hidratación acelerada, ofrecen valores con dispersión baja, otorgando fiabilidad al proceso de curado acelerado implementado. La microestructura de los hormigones muestra valores de porosidad total correspondientes a un material compacto (alta densidad) con valores inferiores al 1% y un dominio de poros capilares medianos (1<Ø< nm) en todas las mezclas. Lo que aporta una mayor tortuosidad y una menor conectividad de la red porosa, que en principio aumentará la resistencia a penetración de agentes agresivos. La mezcla M2 muestra una mayor proporción de poros de menor diámetro respecto a las muestras M1 y M3. El ensayo de resistividad eléctrica clasifica los hormigones en 3 rangos de penetración de Cl -, la mezcla M1 se muestra con penetración moderada, mientras M2 y M3 manifiestan mejores resultados con muy baja y baja penetración, respectivamente. Valores obtenidos de penetración de agua bajo presión presentan buena correspondencia con los ensayos de resistividad y migración de cloruros, quedando de manifiesto la gran influencia de la distribución de tamaño de poro en esta variable, capaz de generar resultados distintos en porosidades del mismo orden.

7 Los hormigones con edades de 18d-A sometidos a ensayos de migración se clasifican con buena y moderada resistencia a la penetración de cloruros, siendo M2 quien ofrece una mayor resistencia. Este hecho puede ser debido a su menor tamaño de poro y la menor conectividad de los mismos, provocado por la finura de la partícula de humo de sílice. El aumento del contenido en gel de sílice hidratado en este material determina una mayor capacidad de absorber físicamente Cl - retardando su avance. La mezcla M3 presenta una reducción en el tamaño de poro medio respecto al hormigón patrón (M1). La adición de escoria aumenta la generación de gel C-S-H y su composición permite una mayor interacción química con el ion cloruro. La mezcla M1 se clasifica con resistencia a penetración de cloruros moderada siendo más susceptible al ataque de cloruros. Los perfiles de penetración revelados por las simulaciones numéricas para las diferentes fases exponen el efecto de cada proceso. Al final de la fase 1 se observa claramente un proceso de difusión pura. La fase 2 genera un lavado superficial provocando la extracción de cloruros del interior de la muestra e invirtiendo el gradiente de concentración en los primeros mm. Las fases 3 y 4 ocasionan un secado superficial y el acumulamiento de cloruros en zona superficiales de la probeta. La fase modifica el perfil en los primeros milímetros por succión capilar, debido al rápido avance del frente de concentración. Cuando este frente llega a profundidades con una mayor cantidad de agua, disminuye la succión y propicia el aumento de la difusión al interior. Por último observamos un perfil de difusión pura generado en 18 días con una concentración superficial igual a la empleada en el Fase 1, la simulación muestra un perfil con valores muy superiores a los generados durante el desarrollo de las fases ya mencionadas. Los valores mostrados por simulaciones numéricas con acoplamiento de los procesos de transporte y consideración de los principales parámetros en la penetración de cloruros, permiten analizar tanto de forma aislada como acoplada los fenómenos presentes en estructuras de hormigón y estudiar la influencia de cada parámetro en el transporte de cloruros. La implementación de modelos numéricos limitados al estudio del proceso de difusión revelan valores muy distintos a los encontrados en estructuras reales provocando proyecciones erróneas de vida útil.

8 Bibliografía ASTM C122. (212). Standard test method of electrical indication of concrete's ability to resist chloride ion penetration. American Society for Testing Materials (ASTM). ASTM C8. (24). Standard Test Method for Measurement of Rate of Absorption of Water by Hydraulic-Cement Concretes. American Society for Testing Material (ASTM). ASTM E1131. (23). Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry. American Society for Testing Materials (ASTM). ASTM-D444. (24). Standard Test Method for Determination of Pore Volume and Pore Volume Distribution of Soil adn Rock by Mercury Intrusion Porosimetry. American Society for Testing Materials (ASTM). Cánovas, M. F. (211). Hormigón (9 ed.). Madrid, España: Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. EHE. (28). Instrucción de Hormigón estructural. Madrid, España: Ministerio de fomento. NT BUILD 443. (199). Concrete, hardened: Accelerated chloride penetration. Nordtest. NT BUILD 492. (1999). Concrete, mortar and cement-based repair material: Chloride migration coefficiente from non-steady-state migration experiments. Nordtest. Tang, L. (1996). Chloride transport in concrete-measurement and predictions. Gothenburg, Swedem: Dept. of Building Materials,Chalmers University of Technology. UNE (1996). Ensayos de hormigón endurecido: Determinación del módulo de elasticidad en compresión.. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE (28). Durabilidad del hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de la resistividad eléctrica. Parte 1: Método directo (método de referencia). Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE-EN (21). Ensayos de hormigón endurecido. Parte 2: Fabricación y curado de probetas para ensayos de resistencias. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE-EN (23). Ensayos de hormigón endurecido. Parte 3: Determinación de la resistencia a compresión de probetas. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE-EN (21). Ensayos de hormigón endurecido. Parte 6: Resistencia a tracción indirecta de probetas. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE-EN (21). Ensayos de hormigón endurecido. Parte 8: Profundidad de penetración de agua bajo presión. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE-EN (2). Cemento. Parte 1: Composición, especificaciones y criterios de conformidad de los cementos comunes. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). UNE-EN ISO (2). Determinación de las propiedades de sorción higroscópica. Madrid, España: Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR).