INFLUENCIA DEL ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO EN ELEMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO SOMETIDOS A UN PROCESO DE CORROSIÓN BAJO TENSIÓN

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1 INFLUENCIA DEL ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO EN ELEMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO SOMETIDOS A UN PROCESO DE CORROSIÓN BAJO TENSIÓN R. S. MENESES J. M. MORO Ing. Civil Ing. Civil Universidad Nacional del Sur Universidad Nacional del Sur Bahía Blanca, Argentina Bahía Blanca, Argentina romina.meneses@uns.edu.ar juan.moro@uns.edu.ar N. F. ORTEGA R. R. AVELDAÑO Dr.en Ingeniería Dra. en Ingeniería Universidad Nacional del Sur Universidad Nacional del Sur Miembro de Alconpat Argentina Bahía Blanca, Argentina Bahía Blanca, Argentina ravelda@criba.edu.ar nfortega@criba.edu.ar RESUMEN Cuando se realizan estudios sobre corrosión de elementos de hormigón armado, es importante considerar en la metodología de ensayo, la acción de cargas externas, pues esta situación es la más frecuente en las estructuras resistentes. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos al someter a un proceso de corrosión acelerada a vigas de hormigón armado sometidas a esfuerzos flexionales, materializados con cargas, cuya magnitud se varió de forma tal de producir la misma tensión en las armaduras traccionadas de todas las vigas ensayadas. Las vigas se fabricaron con diferentes espesores de recubrimiento de las armaduras y con un hormigón cuya resistencia característica era de 25 MPa. Este estudio pone en evidencia la influencia del espesor de recubrimiento de las armaduras, sobre el proceso de corrosión y su manifestación externa (fisuración del recubrimiento), frente a las mismas solicitaciones mecánicas. Palabras claves: Corrosión bajo tensión, Recubrimientos, Fisuración. 1. INTRODUCCIÓN El estudio de la durabilidad es un factor muy importante en el funcionamiento de las estructuras de hormigón armado, por ser éste, uno de los materiales más utilizados con fines estructurales en la industria de la construcción. Uno de los motivos de deterioro de este tipo de estructuras es la corrosión de sus armaduras, que inicialmente genera fisuras en el recubrimiento de hormigón, lo que favorece el ingreso y posterior agresión de agentes externos hacia las armaduras, provocando una disminución de la sección del acero y afectando a la adherencia entre ambos materiales. De esta manera, a medida que avanza el deterioro se puede llegar al colapso de la estructura. Las fisuras en el recubrimiento del hormigón se producen como consecuencia de la acción expansiva de los productos de corrosión, que reducen la sección útil del hormigón [1-4]. Esto sumado a la merma de la sección transversal de las armaduras y a la pérdida de la adherencia entre el hormigón y el acero [3-6], hacen que disminuya el momento resistente del elemento estructural, teniendo consecuencias negativas en la capacidad portante de la estructura afectada [7-9]. Las estructuras en servicio, normalmente se corroen bajo la acción de cargas, sin embargo la mayoría de los artículos que abordan este tema, se han centrado solo en las estructuras corroídas en ausencia de carga. El comportamiento que se espera de una estructura que está sometida a los efectos de la corrosión y en simultáneo bajo la acción de cargas 1

2 externas, no es el mismo que el de una estructura con ausencia de las mismas, por estos motivos, algunas investigaciones fueron destinadas al estudio de esta temática [4-6]. En este trabajo, se presentan los resultados de ensayos de vigas de hormigón armado con diferentes espesores de recubrimiento de sus armaduras, sometidas a un proceso de corrosión acelerada y bajo la acción de cargas externas. Dichos ensayos tienen como objeto evaluar el comportamiento de las mismas, desde el punto de vista de la corrosión de sus armaduras y sus efectos externos (fisuración del recubrimiento del hormigón) e internos (potenciales de corrosión). 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Materiales utilizados Los materiales utilizados en las mezclas fueron los siguientes: Cemento: Se usó Cemento Pórtland Normal (CPN40) proveniente de una fábrica ubicada en la Provincia de Buenos Aires. (zona central de Argentina). Agregado Fino: constituido por arena natural silícea procedente de un yacimiento ubicado al sur de la Provincia de Buenos Aires, que cumple con las especificaciones de calidad dadas por la Norma IRAM 1627 [10]. Agregados gruesos: constituido por canto rodado cuyo Tamaño Máximo Nominal era 25 mm, que cumple con los límites granulométricos indicados en la Norma IRAM 1627 [10]. El hormigón fue elaborado manteniendo constante la relación agua/cemento (a/c) en 0,50, valor adoptado por la normativa argentina [12], para estructuras resistentes que se encuentren a más de 1 Km de la costa, en zona influenciada por vientos con sales marinas. Un detalle de la dosificación usada se muestra en la Tabla Elaboración de muestras Tabla 1 - Composición y características del hormigón Materiales constitutivos Se fabricaron 4 vigas de hormigón armado en las que se varió la relación recubrimiento / diámetro de las barras, para simular distintos grados de protección de las armaduras, y se moldearon probetas cilíndricas, con el objeto de caracterizar su comportamiento mecánico (compresión y tracción) y físico (ensayo de absorción capilar). Las vigas constaban de sección rectangular de 8 x 16 cm y 220 cm de longitud, armadas longitudinalmente con barras de acero de dureza natural (ADN 420, IRAM-IAS U ) [11], de 4,2 mm de diámetro nominal (dos en el cordón superior y dos en el inferior), y estribos cerrados de acero liso de 2,1 mm de diámetro, separados cada 10 cm, con un recubrimiento que varió entre 10 mm y 25 mm. Se exponen en la Tabla 2, las características del acero empleado. Tabla 2 - Características de las armaduras Kg/m 3 de hormigón Cemento Portland Normal 350 Agregado fino (arena natural silícea) 895 Agregado grueso (canto rodado) 920 Agua potable de red 190 Relación agua/cemento: 0,50 Tipo de acero Diámetro (mm) Límite Elástico (MPa) Tensión de rotura (MPa) Armadura Long. Dureza natural 4 x 4, Estribos Liso 2, El hormigón fue colado en los encofrados y vibrado mecánicamente, humectándolo durante los primeros 7 días. Posteriormente, el fraguado continuó en ambiente de laboratorio (temperatura 20ºC, humedad relativa 50%) por aproximadamente 60 días. También se elaboraron probetas cilíndricas de hormigón (15 x 30 cm), empleadas en los 2

3 ensayos físicos de capacidad y velocidad de succión capilar (IRAM 1871) [12] y mecánicos: resistencia a compresión (IRAM 1546) [13] y a tracción indirecta (IRAM 1658) [14]. Se moldearon y curaron de acuerdo con la norma IRAM 1534 [15]. 2.3 Proceso de corrosión acelerada A los efectos de solicitar con esfuerzos de tracción, a las armaduras superiores de las vigas (que serían las que posteriormente iban a ser sometidas a un proceso de corrosión acelerada), se colocaron cargas en sus extremos, siendo adoptada como zona a corroer una zona intermedia, dejando voladizos en los dos laterales. En la Figura 1, puede verse un esquema de las vigas cargadas, durante el ensayo. Figura 1: Esquema del ensayo Con el esquema estructural adoptado, la zona comprendida entre los apoyos, posee una solicitación a flexión aproximadamente constante, por lo que, toda la zona de las barras afectadas por la corrosión, está sometida a una tensión prácticamente de igual intensidad, al estar sometidas en cada caso, a su peso propio, más la acción de distintas cargas que variaron desde 90kg a 100kg. Los elementos fueron sometidos a corrosión acelerada a lo largo de aproximadamente 160 días, mediante la aplicación de una corriente externa, provista por un galvanostato. Ésta fue aplicada a través de un contraelectrodo formado por una malla de acero inoxidable (de 50 cm de largo e igual ancho que la viga) ubicado sobre la superficie del hormigón en la parte superior de la viga. Sobre el mismo se dispuso una esponja (de iguales dimensiones), que se mantuvo humectada con una cantidad controlada de una solución de 0,3 % (en peso) de cloruro de sodio (NaCl). Con el fin de asegurar que esa humectación fuera constante (para reducir la evaporación), se las cubrió con una placa de acrílico y luego una cobertura de nylon. La densidad de corriente aplicada fue de 100 A/cm 2, que es alrededor de diez veces la medida en estructuras de hormigón armado altamente corroídas [16], fue elegida por haber sido adoptada en distintos trabajos sobre el tema [17-20], con el objeto que al finalizar el proceso en estudio se obtengan penetraciones de la corrosión superiores a 0,30 mm en las barras, sin producirse alteraciones significativas respecto del proceso electroquímico que ocurre en una corrosión natural. En la Tabla 3 se identifican las vigas ensayadas, de acuerdo al espesor de recubrimiento de las armaduras adoptado en cada caso y a la carga aplicada en cada extremo (P), cuya magnitud se varió de forma tal de producir la misma tensión en las armaduras traccionadas en todos los casos. Denominación Tabla 3 - Denominación de las vigas Relación recubrimiento/diámetro (r/ Carga aplicada (P) (Kg) V90 6,0 90 V93 4,8 93 V97 3,6 97 V100 2,

4 2.4 Ensayos Los potenciales de corrosión, se midieron con un voltímetro CANIN (PROCEQ) que posee un electrodo de referencia de Cu/CuSO 4 (CSC) [21]. Primero, se efectuó la medición en seco para tener una referencia inicial del estado general de la viga, en los puntos que se iban a controlar a lo largo del ensayo. Luego se humectó durante dos días hasta alcanzar un estado de humectación constante con la solución de NaCl y posteriormente, se aplicó galvanostáticamente la densidad de corriente antes mencionada. Bajo estas condiciones, se siguió durante 160 días la evolución del potencial de corrosión, en diversos puntos característicos de la viga, sobre las zonas seca y húmeda sometidas a corrosión acelerada, en coincidencia o no con los estribos. Además, se efectuó un seguimiento del proceso de fisuración, detectando el momento de aparición de las primeras fisuras, para luego registrar periódicamente el largo y el ancho de las mismas. Las mediciones se realizaron con una escala graduada, cuya precisión era de 0,05 mm, y su evolución se registró mediante gráficos, que muestran la forma en que discurrían. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Caracterización En la Tabla 4 se puede apreciar un detalle de los resultados obtenidos en los ensayos de caracterización de las propiedades del hormigón. Tabla 4 - Características del hormigón empleado en las vigas ensayadas Compresión [MPa] Tracción Indirecta [MPa] Capacidad de Succión Capilar [g/m²] Velocidad de Succión Capilar [g/m².s 1/2 ] 27,0 2, ,45 De acuerdo a los resultados experimentales, la velocidad de succión capilar, es inferior a 4 g/m².s 1/2, valor máximo de velocidad de succión capilar permitido por la normativa argentina [12]. 3.2 Seguimiento electroquímico En la Figura 2 se muestra el comportamiento electroquímico de las armaduras, mediante la representación de la evolución de los Potenciales de Corrosión en el Tiempo, tomándose un promedio de los valores obtenidos para los 5 puntos de la zona central afectada, en cada una de las 4 vigas ensayadas. Figura 2 - Potenciales de corrosión promedio (zona humectada), en función de la Penetración Teórica / Tiempo 4

5 Cabe acotar, que si bien el ensayo se prolongó por aproximadamente 160 días, al arribar a los 140, la viga V96 llegó al colapso, debido a la debilitación de su armadura, por las picaduras generadas por la corrosión. Mientras que la viga V100 rompió los a 160 días. El comportamiento electroquímico analizado en las cuatro vigas, a través del seguimiento de los Potenciales de Corrosión, mostró una diferencia entre los distintos casos: las vigas con menor recubrimiento (V96 y V100) completaron con anterioridad su período de activación (con potenciales mínimos entre -478 y -531mV). Posteriormente, se encontró un proceso de pseudo-pasivación y generalización de la fisuración, que fue similar en todas las vigas. Este proceso también se encontró en trabajos anteriores [6]. 3.3 Seguimiento de las Áreas de Fisuración Es sabido, que en estructuras de hormigón armado sometidas a flexión, cuando las tensiones, en la zona de tracción, superan la resistencia del mismo, se generan fisuras, que son denominadas fisuras por flexión, identificables por su dirección transversal a la armadura principal de la viga. Cabe aclarar que, la presencia de fisuras por flexión hace que se acelere la penetración de oxígeno y cloruros hacia las armaduras, favoreciendo así el proceso de corrosión de las mismas (favorece al aumento de las áreas de fisuras por corrosión). Por otra parte, al ser las fisuras por flexión vías de egreso, de parte de los productos de corrosión, pueden llegar a incrementarse sus dimensiones. En este trabajo se muestran las Áreas de Fisuración Totales, es decir las obtenidas mediante la suma de las áreas de fisuración por flexión, más las de fisuración por corrosión (de igual dirección que la armadura principal de la viga). Cabe aclarar, que se denomina Área de Fisuración al producto de la longitud por el ancho de cada fisura. En la Figura 3 se aprecia el avance del Área de Fisuración Total de cada viga, en función del tiempo. Figura 3 - Área de Fisuración Total, en función del Tiempo. Se observa que el Área de Fisuración resultó menor para aquellas vigas con una relación r/ superior. Además, como era previsible, el inicio de la fisuración por corrosión se manifestó más tarde en las vigas con mayor recubrimiento. Las vigas V90 y V93, tuvieron una variación similar en el incremento del Área de Fisuración Total en el tiempo, mientras que las vigas V96 y V100, mostraron un comportamiento diferenciado, con Áreas de Fisuración Total superiores a las anteriores. En primera instancia podría pensarse que esta diferencia se debe a la menor relación r/ de las armaduras, en dichas vigas. Sin embargo, si se analiza por separado el Área de Fisuración por Flexión (Figura 4), se observa que la viga V96 presentó valores superiores al resto. Esto se observó claramente en la visualización del estado de dicha viga, donde el deterioro por corrosión se dio en mayor medida en la zona de las fisuras por flexión, agravándose esta situación en el tiempo, mientras que el resto de las vigas, presentó una fisuración más generalizada. 5

6 Figura 4 - Área de Fisuración por flexión, en función del Tiempo. Este comportamiento observado en la viga V96, explica su colapso previo a la viga V100, y pone en evidencia, por un lado, la influencia de la menor relación r/ de la viga V100, la cual, teniendo una fisuración por flexión menor, presentó una fisuración por corrosión superior al resto; y por otro lado, la importancia que pueden tener las cargas (fisuras por flexión) en el deterioro de una estructura sometida a corrosión, como es el caso de la viga V96. Por otra parte, pudo observarse que el inicio de la fisuración se manifestó más tarde en las vigas con mayor recubrimiento. En la Figura 5 se representa la relación entre la profundidad media de ataque a las armaduras que produjo la primer fisura visible (e = 0,05mm) y la Relación Recubrimiento de hormigón / Diámetro de la barra. Figura 5 - Relación entre la Penetración Teórica Media de Ataque a las Armaduras que produce la primera fisura visible (e = 0,05mm) y la relación recubrimiento de hormigón/ diámetro de la barra. Como se puede apreciar en las figuras anteriores, la aparición de las primeras fisuras visibles, se ve demorada con el incremento del espesor del recubrimiento (aumento de la relación r/ ), por lo que el crecimiento del espesor del recubrimiento de una estructura de hormigón, no sólo hace que los elementos agresivos provenientes del exterior (cloruros, oxígeno y agua) requieran más tiempo en llegar a las armaduras, sino que una vez despasivadas las mismas, tardan más en aparecer las primeras fisuras y su evolución es más lenta. 6

7 Esta ecuación (y = a + b x), puede compararse con la obtenida en otras investigaciones [22] donde se utilizaron hormigones elaborados con relaciones agua / cemento entre 0,52 y 0,65 y cuyos resultados fueron: a = 7,53, b = 9,32 y R 2 = 0,92 Como puede apreciarse la pendiente de la recta es inferior a la obtenida en el presente trabajo, por lo tanto, podemos decir que, en las estructuras en servicio (presencia de cargas externas) se puede acelerar la degradación generada por un proceso de corrosión de sus armaduras, aún para hormigones elaborados con una relación agua / cemento inferior (0,50). Una vez finalizado el ensayo, se descubrieron las armaduras, retirando sus recubrimientos. En la inspección visual de las mismas, pudo observarse que, debido a la acción de los cloruros (a pesar de la baja concentración adoptada), la corrosión sobre las barras no fue solamente generalizada, sino que se observaron zonas de corrosión localizada (picaduras), en especial, en las zonas cercanas a las fisuras por flexión, como es el caso de la viga V Seguimiento de los Anchos Máximos de Fisuras En la Figura 6, se muestra la variación del Ancho Máximo de Fisuración, en función del Tiempo. Se pudo observar que el Ancho Máximo de Fisuración, durante la mayor parte del ensayo, fue superior en la viga V96, por lo explicado anteriormente (fisuración por flexión). En el resto de las vigas no se apreciaron grandes diferencias, debido a que la distribución de la fisuración se desarrolló en formas diferentes en cada viga, ya sea en forma más generalizada o más localizada, sin generar diferencias evidentes entre las distintas muestras ensayadas. Figura 6 - Ancho Máximo de Fisuración, en función del Tiempo. 4. CONCLUSIONES En las vigas de mayor r/, la aparición de las primeras fisuras visibles, demoró más que en aquellas de menor r/. Con esto se puede afirmar que el incremento del espesor del recubrimiento de una estructura de hormigón, no sólo hace que los elementos agresivos provenientes del exterior (cloruros, oxígeno, agua) requieran más tiempo para llegar a las armaduras, sino que una vez despasivadas las mismas, las primeras fisuras tardan más en aparecer y su evolución es más lenta. Las fisuras por flexión, producida por cargas externas, pueden tener gran influencia en el comportamiento e incrementándose el deterioro externo (fisuración del recubrimiento del hormigón) e interno (deterioro de las armaduras), de estructuras de hormigón armado sometidas a corrosión de sus armaduras. El estudio del comportamiento de elementos de hormigón armado frente a procesos de corrosión, bajo la acción de cargas externas, es de suma importancia, puesto que el deterioro de los mismos puede ser muy diferente, si se analizan las distintas variables por separado. 7

8 5. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento a la Dra. Ing. Carla Priano, Ing. Lilia Señas y a los técnicos Juan P. Gorordo del Laboratorio de Modelos Estructurales y Diego Smith del Laboratorio de Estudio y Ensayos de Materiales, U.N.S., por la amplia colaboración prestada para la elaboración de los ensayos de este trabajo. Además, se agradece a las Secretarías de Ciencia y Tecnología de la Universidad Nacional del Sur y al Departamento de Ingeniería por su aporte económico e institucional necesarios para la materialización de estas investigaciones. 6. REFERENCIAS [1] Alonso, M.C., et al, Cover cracking and amount of rebar corrosion: Importance of the current applied in accelerated test. IV Congress on concrete in the service mankind, Vol.: Concrete, repair, rehabilitation and protection; Dundee, U.K., [2] Al-Sulaimani J., et al, Influence on corrosion and cracking on bond behaviour and strength of reinforced concrete members, ACI Structural Journal, 1990, pp [3] Andrade M.C. et al, Cover cracking as a function of bar corrosion: Part I Experimental test, Materials and Structures, n.º26, 1993, pp [4] Ortega, N.F. et al, Análisis de la fisuración ocasionada por la corrosión de las armaduras activas de elementos pretensados, Coloquia,,Madrid, [5] Rodríguez, J. et al, Disminución de la adherencia entre hormigón y barras corrugadas debido a la corrosión, Hormigón y Acero, n.º189, 1993, pp [6] Almusallam, A.A.. et al, Effect of reinforcement corrosion on bond strength, Construction and Building Materials, n.º10, 2, 1996, pp [7] Rodríguez, J. et al, Comportamiento estructural de vigas de hormigón con armaduras corroídas, Hormigón y Acero, n.º 200, 1996, pp [8] Rodríguez, J. et al, La corrosión de armaduras y la vida residual de las estructuras de hormigón, Hormigón y Acero, n.º 208, 1998, pp [9] Melchers R., Assessment of existing structures, approaches and research needs, Journal of Structural Engineering, ASCE, 2001, pp [10] Instituto Argentino de Normalización y Certificación IRAM 1627: Agregados. Granulometría de los agregados para hormigón, Buenos Aires, [11] Instituto Argentino de Racionalización de Materiales Instituto Argentino de Siderurgia, Norma U : Barras de acero conformadas de dureza natural, para armadura en estructuras de hormigón, Buenos Aires, [12] Instituto Argentino de Normalización y Certificación IRAM 1871: Método de ensayo para determinar la capacidad y la velocidad de succión capilar de agua del hormigón endurecido, Buenos Aires, [13] Instituto Argentino de Normalización y Certificación IRAM 1546: Hormigón de cemento portland. Método de ensayo de compresión, Buenos Aires, [14] Instituto Argentino de Normalización y Certificación IRAM 1658: Hormigón. Método de ensayo de tracción simple por compresión diametral, Buenos Aires, [15] Instituto Argentino de Normalización y Certificación IRAM 1534: Hormigón de cemento portland. Preparación y curado de probetas para ensayos en laboratorio, Buenos Aires, [16] Rodríguez J. et al, Medida de la velocidad de corrosión de las armaduras en estructuras de hormigón, mediante un equipo desarrollado dentro del proyecto Eureka EU 401, Hormigón y Acero, 189, 1993, pp [17] Alonso C., et al, Factors controlling cracking in concrete affected by reinforcement corrosion, Materials and Structures, n.º31, 1998, pp [18] Acosta A.T., Sagüés A. Concrete cover cracking and corrosion expansion of embedded reinforces steel, 3rd. NACE Latin American Corrosion Congress, [19] Aveldaño R.R., Ortega N.F., Characteruzation of Concrete Cracking due to Corrosion of Reinforcements in Different Environments. Contruction & Building Materials, n.º25, 2011, pp [20] Alonso M.C., Andrade M.C., Rodríguez J., Casal J., García A.M. Evaluación experimental de la fisuración del hormigón producida por la corrosión de las armaduras, Hormigón y Acero n.º194, 1994, pp [21] American Society for Testing and Materials: ASTM C876, Standard test method for half cell potencial of reiforcing steel in concrete, Philadelphia, U.S.A, [22] Alonso, C. et al, Factors controlling cracking of concrete affected by reinforcement corrosion, Materials and Structures / Matériaux et Constructions, Vol. 31, 1998, pp