Durabilidad de las estructuras de hormigón armado - Reinforced concrete structures durability

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 del material y la disposición estructural de la estructura.

Vida útil de una estructura de hormigón armado

Períodos de inicio y propagación de la corrosión de las barras de acero en 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 acero barras de refuerzo es una de las principales causas de fallo prematuro del hormigón armado estructuras en todo el mundo, principalmente como consecuencia de dos procesos de degradación, carbonatación y penetración de los cloruros . En cuanto al proceso de degradación por corrosión , un modelo sencillo y acreditado para la evaluación de la vida útil es el propuesto por Tuutti, en 1982. Según este modelo, la vida útil de una estructura de hormigón armado se puede dividir en dos fases diferenciadas .

${\ Displaystyle t_ {i}}$ , tiempo de inicio : desde el momento en que se construye la estructura, hasta el momento en que se inicia la corrosión en las barras 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.
${\ Displaystyle t_ {p}}$ , 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 iniciación 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 fina película protectora de óxidos sobre 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

${\ Displaystyle x = K {\ sqrt {t}}}$

donde es la profundidad de carbonatación, es el tiempo 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 tanto, se puede evaluar como ${\ Displaystyle x}$ ${\ Displaystyle t}$ ${\ Displaystyle K}$

${\ Displaystyle t_ {i} = \ left ({\ frac {c} {K}} \ right) ^ {2}}$

donde es el espesor de la cubierta de hormigón . ${\ Displaystyle c}$

${\ Displaystyle K}$ es el parámetro de diseño clave para evaluar el tiempo de iniciación 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 total y permanentemente saturados (por ejemplo, en estructuras sumergidas ) se evita la difusión de CO ₂ . Por otro lado, para el hormigón completamente seco, no puede ocurrir la reacción química de carbonatación . 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, por lo que se somete 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 mayor para ambientes con mayor humedad y temperatura, y aumenta en ambientes contaminados como centros urbanos y dentro de espacios cerrados como túneles.

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:

${\ Displaystyle t_ {p} = {\ frac {p_ {lim}} {v_ {corr}}}}$

donde es el límite de penetración de la corrosión en el acero y es la tasa de propagación de la corrosión . debe definirse en función del estado límite considerado. Generalmente, para la corrosión inducida por carbonatación, la fisuración del recubrimiento de hormigón se considera como estado límite, y en este caso se considera igual a 100 μm. 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. Para hormigones muy secos es 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, por lo general no es posible definir una constante . Un posible enfoque es considerar un valor anual medio de . ${\ displaystyle p_ {lim}}$ ${\ Displaystyle v_ {corr}}$ ${\ displaystyle p_ {lim}}$ ${\ displaystyle p_ {lim}}$ ${\ Displaystyle v_ {corr}}$ ${\ Displaystyle v_ {corr}}$ ${\ Displaystyle v_ {corr}}$ ${\ Displaystyle v_ {corr}}$

Corrosión inducida por cloruros

La presencia de cloruros en la superficie del acero, por encima de una cierta cantidad crítica, puede romper localmente la fina 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. Se trata de una tarea compleja, porque las soluciones de cloruro penetran en el hormigón mediante 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 acero capaces de penetrar en el hormigón). La capacidad de un hormigón para aglutinar el cloruro 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 particularmente complejo el modelado de la penetración de cloruros en el hormigón, generalmente se adopta una correlación simplificada, que fue propuesta por primera vez por Collepardi en 1972

${\ Displaystyle C (x, t) = C_ {s} \ left [1- \ mathrm {erf} \ left ({\ frac {x} {2 {\ sqrt {Dt}}}} \ right) \ right] }$

Donde 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. ${\ Displaystyle C_ {s}}$

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, que es 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 conocidos, 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 se alcanza el umbral crítico de cloruro ( ) a la profundidad de la barra de acero. ${\ Displaystyle C_ {s}}$ ${\ Displaystyle C_ {s}}$ ${\ Displaystyle C_ {cl}}$

Sin embargo, existen muchas cuestiones críticas relacionadas con el uso práctico de este modelo. Para las estructuras de hormigón armado existentes en un entorno que contiene cloruro, se puede identificar D 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 _sy D para la evaluación de la vida útil residual. Por otro lado, para estructuras nuevas es más complicado definir y 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 que y 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 problema es la evaluación de . Hay varios factores que influyen, como el potencial de las barras 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 también puede definirse solo sobre una base estadística. ${\ Displaystyle C_ {s}}$ ${\ Displaystyle C_ {s}}$ ${\ Displaystyle C_ {s}}$ ${\ Displaystyle C_ {cl}}$ ${\ Displaystyle C_ {cl}}$

Prevención de la corrosión

La evaluación de durabilidad se implementó 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 tratar 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 completamente 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.

Enfoque basado en el desempeño

Figura 2 - Probabilidad de falla y vida útil prevista en modelos de vida útil basados en el rendimiento para estructuras de hormigón armado

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, y por FIB Model Code for Service Life Design, 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 de los materiales, 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. rendimientos 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 como curvas de distribución de probabilidad en el tiempo. 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. 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 todavía 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.

Languages

In other projects