DURABILIDAD DEL HORMIGON

Transcripción

1 DURABILIDAD DEL HORMIGON

2 BIBLIOGRAFIA "Concrete: Structure, Properties and Materials". Mehta, P. and Monteiro, P. Ed. Prentice Hall "Durabilidad del Hormigón Estructural". Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón "Concrete". Mindess, S. and Young. J. Ed. Prentice Hall "Properties of Concrete". Neville, A. Ed. Pitman Publishing

3 La Durabilidad y el Diseño Estructural En el diseño de una estructura se contempla: - Resistencia: capacidad para soportar las cargas sin que colapse. - Aptitud en servicio: capacidad de absorber deformaciones compatibles con los valores máximos admisibles. - Durabilidad: permanencia de las propiedades de diseño en tiempo, sin costos excesivos de mantenimiento.

4 Por qué se degradan los materiales? Todo lo que existe en la naturaleza y en el universo evoluciona hacia la forma más ordenada de la materia, que es la de menor energía y consecuentemente más estable. (Segundo principio de la termodinámica). Los materiales que utilizamos en la construcción se obtienen de materias primas que en la naturaleza se hallan en un estado de equilibrio.

5 Por qué se degradan los materiales? Materiales Industrializados materia proceso de material prima industrialización resultante equilibrio se entrega energía en mínima energía exceso energía el material tiende a perder el exceso de energía, reacciona con el medio y se transforma, dando lugar al deterioro.

6 La degradación es un proceso inevitable, lo que se pretende es controlar la velocidad de degradación de modo que el deterioro que experimentan los materiales sea suficientemente lento y compatible con la vida útil en servicio.

7 En todo sólido poroso, la resistencia y durabilidad se hallan directamente vinculadas a las características de la estructura de poros.

8 Porosidad Resistencia Durabilidad en el Hormigón Al relacionar la porosidad con la resistencia y la durabilidad surge que: Hormigones de alta resistencia, adecuadamente dosificados y curados, presentan una buena durabilidad. Hormigones de buena durabilidad con niveles medios o relativamente bajos de resistencia. Tal es el caso de los que contienen altos contenidos de adiciones activas (altos contenidos de escoria para ambientes marinos).

9 - Desde el punto de vista de la resistencia interesa la porosidad total del hormigón. - Desde el punto de vista de la durabilidad interesa los poros interconectados entre sí y con el exterior, ya que permiten el acceso de sustancias que resultan agresivas al hormigón o a las armaduras es más resistente que 2. 1 y 2 resultan más durables que 3.

10 Las sustancias agresivas pueden ingresar disueltas en soluciones acuosas o en el aire. Mecanismos de transporte - Permeabilidad - Difusión - Capilaridad El estudio de estos mecanismos, bien definidos mediante leyes físicas, se complica cuando el medio poroso es el hormigón.

11 PERMEABILIDAD El movimiento del fluido se produce debido a un gradiente de presión que actúa como fuerza impulsora. Diferencia de presión hidrostática: presa. Diferencia de presión de gases: avance de un tren de alta velocidad en un túnel.

12 Permeabilidad al Agua El escurrimiento del agua bajo un gradiente hidráulico queda representado por la ley de Poiseuille: Q = π.r 4.ΔP / 8.μ.L Q: caudal de agua que atraviesa el poro para un régimen de escurrimiento laminar. r ΔP L

13 Permeabilidad al Agua La velocidad media de escurrimiento de agua en el capilar: Vm =Q / π. r 2 =(π.r 4.ΔP/8.μ.L) / r 2 π Vm = r 2.ΔP / 8.μ.L Vemos como la permeabilidad depende del tamaño del poro.

14 Permeabilidad al Agua y a Gases En la práctica, para evaluar la permeabilidad al agua y a gases de un material se utiliza la ley de Darcy que involucra un coeficiente de permeabilidad k: Q = -(k / μ).a.dp / dz Q kw = Q/(A. (h/l)) [m/seg] kw hormigón: a m/seg P +dp A dz P kg = ((μ.q.l)/a). 2P/(P 12 -P 22 ) [m 2 ] kg hormigón: a m 2.

15 DIFUSION El ingreso del fluido se produce por diferencia de concentración entre dos puntos. Se da en fases líquidas y gaseosas. Ingreso de sustancias en estado gaseoso (dióxido de carbono presente en el aire) Ingreso de sustancias en estado líquido (sales disueltas en el agua)

16 DIFUSION El parámetro que cuantifica este mecanismo es el coef. de difusión D [longitud 2 /tiempo], definido en la primera ley de Fick: Jx = D. dc/dx Jx: flujo de materia en la dirección x. dc/dx: gradiente de concentración en la dirección x. Para analizar la cinética de la difusión se aplica la segunda ley e Fick: C(x,t) = Cs (1 - erf (x / (2(D.t) 0.5 ))) Vemos como la difusión no depende del tamaño de poros, pero sí de la conectividad de los poros.

17 [Cl-] (Kg/m3 de hormigón) DIFUSION Perfil de Cloruros Hormigón con CPN y a/c = 0.50 La segunda ley de Fick se utiliza para evaluar el ingreso de cloruros en el hormigón Hormigón elaborado con un CPN a/c = 0.37 D = 2.92 x10-12 m 2 /s a/c = 0.50 D = 9.64 x10-12 m 2 /s a/c = 0.66 D = 15.1 x10-12 m 2 /s X(mm)

18 ABSORCION CAPILAR Tensión superficial (γ): es la fuerza que provoca un desplazamiento de la superficie del líquido. Por efecto de la tensión superficial es que la superficie de un líquido, en un tubo capilar, forma meniscos. La Ley de Jurín rige el ascenso del líquido en un tubo capilar: h = (2. γ.cos ө) / r.g.ρ h

19 ABSORCION CAPILAR Cuando el transporte de líquidos en sólidos porosos se debe a la tensión superficial que actúa en los capilares, en base a las ecs. de Darcy y Laplace se puede calcular la velocidad de ascenso del líquido en el tubo capilar. Para un tubo horizontal de longitud L, despreciando el peso del agua, la velocidad es: V = dl / dt L = [(r.γ.cos ө) / 2.μ] 0.5.t 0.5 La velocidad de ascenso es directamente proporcional al radio del capilar.

20 ABSORCION CAPILAR L = [(r.γ.cos ө) / 2.μ] 0.5.t 0.5 L = S. t 0.5 S: capacidad de absorción capilar [g/m 2.seg 0.5 ]. W / A = S. t 0.5 El volumen de agua por unidad de superficie. La absorción capilar depende del tamaño del poro, de los mecanismos de transporte es el que conduce líquidos en forma más rápida.

21 ABSORCION CAPILAR La absorción capilar es una herramienta útil para caracterizar la estructura porosa en forma comparativa. Según experiencias propias, en hormigones con CPN y distintas a/c: a/c S [g/m 2.seg 0.5 ]

22 CONSIDERACIONES RESPECTO DE LOS MECANISMOS DE TRANSPORTE EN EL HORMIGON 1) Las sustancias ingresan al hormigón mediante más de un mecanismo de transporte. 2) El mecanismo de transporte depende del contenido de humedad en el hormigón. zona expuesta al aire (capilaridad y difusión) zona de marea (capilaridad y difusión) zona sumergida (difusión)

23 3) Las sustancias agresivas ingresan por los poros conectados con el exterior y la circulación dentro del hormigón depende de: - El tamaño de los poros - La conectividad poros muertos poros aislados poros interconectados

24 Parámetros que Influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia de la cantidad de agua y razón a/c Actúan directamente sobre el tamaño de poros y la conectividad. La permeabilidad se reduce a medida que disminuye el tamaño de los poros, porque el Q depende de r. La difusividad se torna lenta cuando los capilares están segmentados con productos de hidratación.

25 Grado de hidratación necesario para obtener la segmentación de capilares

26 Coeficiente de permeabilidad al agua de pastas en función de la razón a/c

27 Parámetros que Influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia de los Agregados A mayor Tmáx se magnifican las características adversas de la zona de interfase, aumenta la exudación, la permeabilidad y la difusividad. Resistencia cuc[kg/m 3 ] a/c Tmáx[mm] kw [cm/s] moderada x10-10 baja a x10-10

28 Parámetros que Influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia de los Agregados Variación de kw en función de la razón a/c para hormigones de distinto tamaño máximo, mortero y pasta.

29 Parámetros que Influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia de las Adiciones Minerales Activas pasta sin AMA pasta con AMA - refinan la estructura de poros capilares. - disminuyen la conectividad. (CSH)p (CSH)s - reducen el espesor de la interfase pasta-agregado. El efecto combinado de todas estas modificaciones se traduce en una disminución notable del transporte de sustancias, cualquiera sea el mecanismo. HC

30 Parámetros que Influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia del Hormigón de Recubrimiento En una estructura las propiedades del hormigón no son homogéneas en todo el volumen del elemento, se diferencian dos zonas: - el núcleo del elemento, de mejor calidad, vinculada a la resistencia. - el recubrimiento, de menor calidad, asociada a la durabilidad.

31 Parámetros que Influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia del Hormigón de Recubrimiento - la segregación. El recubrimiento se ve afectado por: - el tiempo y tipo de compactación. - la terminación superficial. - el tiempo y tipo de curado. Estas variables producen un aumento local de la a/c y de la porosidad.

32 Reducción del Transporte de Fluidos Medidas a Tomar - Reducir el tamaño de los grandes capilares en la matriz de cemento (mayores a 100nm). - Reducir la conectividad de la red de capilares. - Reducir los efectos adversos de la interfase pasta-agregado. disminuir la a/c. aumentar el cuc. considerar Tmáx y granulometría de los agregados. compactación y curado adecuados. utilizar AMA. reducir la fisuración.

33 DURABILIDAD Diseño Materiales Ejecución Curado Naturaleza y distribución de poros Mecanismos de transporte Deterioro del hormigón Deterioro de las armaduras Físico Químico Corrosión Resistencia Condiciones superficiales Rigidez Seguridad Aspecto Funcionalidad

34 Deterioro del Hormigón por Acciones Físicas Desgaste de la superficie Fisuración Abrasión Cavitación Cambios de volumen Erosión Carga estructural - Sobrecarga e impacto - Carga cíclica - Gradientes de humedad. Temperatura normal - Presión por cristalización de sales en los poros Exposición a temperaturas extremas - Acción de congelación y deshielo. - Fuego

35 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Desgaste Superficial - Abrasión - Erosión - Cavitación Fisuración - Presión por cristalización de sales en los poros. - Acción de congelación y deshielo del agua.

36 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Abrasión: desgaste en seco por fricción de elementos y partículas sólidas (pisos industriales, pavimentos). Erosión: desgaste por la acción de fluidos que contienen partículas sólidas en suspensión (conductos para transporte de agua, vertederos). - Se desgasta la pasta, se exponen el agregado fino y grueso, se debilita la adherencia pasta-agregado.

37 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Cavitación: asociada a la formación de burbujas de vapor que colapsan debido a un cambio brusco de presión, producido por cambios de dirección en el agua que fluye a velocidades altas (vertederos, túneles). - El deterioro se manifiesta como picaduras locales.

38 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Medidas a Considerar - Hormigón resistente, baja razón a/c. - Agregados con granulometría adecuada, Tmáx no mayor que 37,5 mm. - Buena adherencia pasta-agregado. - Superficies de terminación lisas. - Curado adecuado. - Diseño adecuado del conducto, evitar desniveles de la superficie, cambios bruscos de pendiente.

39 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Desgaste Superficial - Abrasión - Erosión - Cavitación Fisuración - Presión por cristalización de sales en los poros. - Acción de congelación y deshielo del agua.

40 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Fisuración por Cristalización de sales El agua con sales disueltas ingresa a través de los poros interconectados. El agua se evapora, por cambio de temperatura o humedad, la solución salina se satura y se produce la cristalización. La presión de cristalización de NaCl puede superar los 2000 Kg/cm 2. Cuanto menor es el tamaño de los poros, mayor es la magnitud del deterioro.

41 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Fisuración por Cristalización de sales Secuencia del daño - En primer lugar se ve afectada la pasta, la presión de cristalización de las sales supera la resistencia a tracción de la pasta, se fisura y luego se desprende. - Los agregados gruesos quedan expuestos y el deterioro avance en la zona de interfase pastaagregado. - Se debilita la adherencia del agregado con la pasta y el agregado se desprende.

42 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Fisuración por Cristalización de sales Deterioro de una alcantarilla

43 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Desgaste Superficial - Abrasión - Erosión - Cavitación Fisuración - Presión por cristalización de sales en los poros. - Acción de congelación y deshielo del agua.

44 DETERIORO POR ACCIONES FISICAS Fisuración por Congelamiento El agua al congelarse aumenta su volumen un 9%. El deterioro se origina en la superficie y puede alcanzar varios cm de profundidad. El daño está relacionado con: - la estructura de poros capilares de la pasta. - las características de los agregados. - grado de saturación del hormigón, mayor 85%, la resistencia a la congelación se reduce.

45 Congelación - Deterioro de la Pasta Independientemente de la teoría, se admite: - Cuando el poro se llena de hielo producirá presiones que pueden causar la rotura de la pasta. - El agua fluye de los poros más pequeños a los más grandes, razón por la cual resulta beneficioso la incorporación intencional de aire.

46 Congelación - Deterioro del Agregado Los agregados porosos, con poros pequeños (0,5 μm), retienen agua y se saturan fácilmente.

47 Deterioro por congelación y deshielo Estructuras de hormigón con alto grado de humedad: pavimentos, tableros de puentes, revestimientos de canales, diques de hormigón. Fisuras en el mortero Pavimento deteriorado en coincidencia con zonas de acumulación de agua.

48 Incorporación intencional de aire - Las pequeñas burbujas de aire, con diámetro comprendido entre 50 y 300 μm, actúan como vasos de expansión permitiendo que el agua se congele si ejercer presión sobre el hormigón. - El contenido de aire varía entre el 3-6% del volumen del hormigón, depende del contenido de pasta, a mayor Tmáx del agregado menor contenido de aire. - Interesa el volumen total de aire, el tamaño y la separación entre las burbujas (factor de espaciamiento de 0.2 mm).

49 Incorporación intencional de aire Burbujas pequeñas y bien distribuidas Burbujas grandes y más separadas