Estructuras de hormigón: diseño para la durabilidad

En los últimos años ha aumentado el número de estructuras de hormigón armado con problemas de corrosión de las armaduras, como consecuencia del envejecimiento de las edificaciones existentes.

La pérdida de la protección natural que el recubrimiento de hormigón ofrece a la armadura puede ocurrir por varios mecanismos, con predominio de la despasivación por carbonatación y ataque por iones de cloruro. En ambos casos, la mayor parte del tiempo, todo el componente estructural es atacado por el ambiente externo, sin embargo, la manifestación de la corrosión solo ocurre en ciertos puntos muy localizados, debido a la propia naturaleza del proceso de corrosión electroquímica, donde se alternan regiones anódicas. . con regiones catódicas.

En este trabajo se presentan los conceptos adoptados actualmente para evitar la evolución del deterioro de las estructuras de hormigón armado, a través de modelos de comportamiento que permitan diseñar para la durabilidad, a la vez que permitan evaluar la vida útil de las estructuras. concreto que ha estado expuesto durante años a ciertos ambientes agresivos.

Introducción

El estudio de la durabilidad de las estructuras de hormigón armado y pretensado ha evolucionado en los últimos años, gracias a una mejor comprensión de los mecanismos de transporte de líquidos y gases agresivos en el hormigón, lo que permite asociar, a lo largo del tiempo, los modelos matemáticos que expresan cuantitativamente estos mecanismos. y, en consecuencia, permitir evaluar la vida útil de una estructura expresada en número de años y ya no en criterios subjetivos como “más o menos adecuado” para un determinado grado de exposición.

El principio básico no ha cambiado. Es necesario, por un lado, conocer, evaluar y clasificar el grado de agresividad del medio y, por otro lado, conocer el hormigón y la estructura, estableciendo así una correspondencia entre ambos, es decir, entre el agresividad del medio ambiente y la durabilidad del hormigón de la obra.

La resistencia de la estructura de hormigón armado dependerá tanto de la resistencia del hormigón como de la resistencia del refuerzo. Cualquiera de los dos que se deteriore comprometerá la estructura en su conjunto. Los principales agentes agresivos de las armaduras, el dióxido de carbono CO2 y los cloruros Cl-, no son agresivos para el hormigón, es decir, su ataque no es nocivo. Por otro lado, los agentes agresivos para el hormigón, como los ácidos, que contribuyen a la reducción del pH y el consecuente riesgo de despasivación de la armadura, así como los sulfatos y la reacción álcali-árido, que generan expansivos que destruyen el revestimiento del hormigón. y protección de las armaduras, actúan conjuntamente, atacando principalmente al hormigón y secundariamente a las armaduras.

Por lo tanto, aunque no existe una estandarización al respecto, es necesaria y práctica una separación clara y la consiguiente clasificación entre los ambientes predominantemente agresivos para el refuerzo y para el concreto. Asimismo, debe tratarse por separado la composición del hormigón, es decir, la proporción y naturaleza de los materiales que lo componen, cuando sea necesario preparar hormigón resistente a ambientes agresivos para armaduras y hormigón resistente, principalmente, a fluidos agresivos para el concreto uniforme.

concepto de sostenibilidad

En la mayoría de los documentos actuales sobre el tema de la durabilidad, incluyendo los de ACI1, la norma europea ENV2062 y varios artículos de expertos en el tema 5,6,7,8,9, queda claro que el problema de la durabilidad de las estructuras de hormigón debe ser abordado, considerado bajo los siguientes aspectos:

• La clasificación de la agresividad del medio ambiente
• La clasificación de la resistencia al deterioro del hormigón.
• Modelos (preferentemente numéricos) de deterioro y envejecimiento de estructuras de hormigón
• La vida útil deseada, es decir, el período de tiempo durante el cual se desea que la estructura cumpla con ciertos requisitos funcionales con un mínimo de mantenimiento.

La clasificación de la agresividad del medio, en base a las condiciones de exposición de la estructura o de sus partes, debe tener en cuenta el micro y macroclima que actúa sobre la obra en sus partes críticas. Con base en una síntesis de las publicaciones técnicas existentes sobre el tema, la agresividad ambiental puede ser evaluada desde el punto de vista de la durabilidad del refuerzo y la durabilidad del concreto mismo, incluyendo la clasificación presentada en la tabla n° 1.

Una clasificación de la agresividad del ambiente según el punto de vista de la durabilidad del refuerzo se puede realizar con los parámetros que aparecen en la tabla n°2.

La clasificación de la agresividad ambiental según el punto de vista de la durabilidad del hormigón de las obras, puede realizarse según los parámetros enumerados en la tabla n°3, distinguiendo tres mecanismos fundamentales de deterioro:

• Lixiviación por la acción de aguas carbónicas puras, agresivas y ácidas que disuelven y lavan compuestos pastosos hidratados, en particular el hidróxido de calcio.
• Expansión por acción de sulfatos reactivos sobre el aluminato tricálcico de la pasta.
• Expansión debida a las reacciones de los álcalis del cemento con determinados áridos.

Calificaciones:

1. En el caso de suelos, el análisis debe realizarse en la fase acuosa del suelo.
2. El agua en movimiento con temperatura superior a 30°C o suelo agresivo altamente permeable resulta en un aumento de un nivel en la clase de agresividad.
3. Ciertas combinaciones de acciones superficiales físicas, como la abrasión y la cavitación, aumentan la tasa de ataque químico y pueden causar un nivel superior en la clase de agresividad.

Los hormigones se clasifican según sus características y propiedades más interesantes en cuanto a resistencia a la agresividad del medio al que serán sometidos.

Ante la falta de factores probados, obtenidos de ensayos experimentales con el hormigón que efectivamente se utilizará para construir la estructura, se pueden adoptar valores orientativos, tomados de las referencias bibliográficas citadas, y que se presentan en la tabla 4, referente a la corrosión de la armadura y la tabla 5 que se refiere al deterioro del hormigón.

Los modelos numéricos de deterioro o envejecimiento de las estructuras también deben considerarse por separado, ya sea relacionado con la corrosión de las armaduras o el deterioro del hormigón.

Actualmente existen modelos de envejecimiento para la corrosión de las armaduras, mientras que para la degradación del hormigón (tasa de degradación por sulfatos, lixiviación, reacción álcali-árido y otras formas de degradación) aún no existen modelos matemáticos satisfactorios. basar las condiciones de sostenibilidad en criterios cualitativos. calificaciones

La Tabla 6 presenta algunas de las formulaciones más utilizadas en el caso del refuerzo.

anotar: A continuación se enumeran algunos valores de Cs según el tipo de uso de las estructuras de hormigón armado:

• Hormigón para depósitos de salmuera industrial Cs=7%
• Hormigón sujeto a salpicaduras de agua de mar Cs=1,2%
• Hormigón en atmósfera marina (niebla salina) o atmósfera industrial Cs=0,33%
• Hormigón en ambiente rural o urbano no marino Cs=0,03%

En todos los casos, la concentración de cloruros se refiere al contenido de cloruros en peso en el hormigón, en % de la cantidad de cemento en el hormigón.

La correspondencia básica entre la agresividad ambiental y la durabilidad del hormigón se considera en la tabla nº 8. Finalmente, la vida útil deseada, es decir, el tiempo que se espera que la estructura cumpla con ciertos requisitos funcionales, con un mínimo de mantenimiento, puede apreciarse de acuerdo a lo que se explicará a continuación.

Vida útil de las estructuras.

Por vida útil entendemos el período de tiempo durante el cual una estructura puede cumplir con las funciones previstas. fue diseñado. En el caso de deterioro estructural por corrosión de las armaduras, se pueden distinguir al menos tres situaciones:

1. Un período de tiempo hasta la despasivación de la armadura, que a menudo se denomina período de iniciación. A este período de tiempo se le puede asociar el llamado tiempo de vida del proyecto. Normalmente corresponde al tiempo requerido para el frente de carbonatación o frente de cloruro llegar a la armadura.
   • Por frente de carbonatación se entiende la posición de la interfase entre una región carbonatada, de baja alcalinidad debido a la acción del dióxido de carbono sobre los productos alcalinos de hidratación del cemento, y una región contigua no carbonatada y, en consecuencia, de pH elevado.
   • El frente de cloruros se entiende como la posición de la interfaz entre una región contaminada por un cierto nivel de cloruros, suficiente para despasivar el refuerzo en esta condición específica, y una región contigua donde el nivel de cloruros aún no ha alcanzado un nivel suficiente para despasivar. . Este contenido de cloruro varía según diversas condiciones entre 0,05 y 1% del peso del cemento.
   • El hecho de que el frente de carbonatación o un cierto nivel de cloruros haya alcanzado el refuerzo y teóricamente la despasivación no significa necesariamente que a partir de este momento se produzca una corrosión importante. Sin embargo, esta duración es una duración que debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar la estructura, por motivos de seguridad.
2. Un período de tiempo desde que aparecen manchas en la superficie del concreto, o se producen grietas en el concreto de recubrimiento, hasta el momento en que se produce el recubrimiento.
   • La vida útil o uso de la estructura está asociada a este período.
   • Esta duración es muy variable y depende de cada caso particular, pues sucede que, en determinadas construcciones, es inadmisible que la estructura presente puntos de corrosión o grietas.
   • En otros casos, sólo la caída de piezas de hormigón, que pone en riesgo la integridad de las personas, puede considerarse como el momento a partir del cual debe darse por cumplida la vida de la obra.
3. Un período de tiempo que conduce a la falla parcial o total o al colapso de la estructura.
   • Este período de tiempo está asociado con lo que se denomina la vida útil final o total.
   • Corresponde al período de tiempo durante el cual se producirá una reducción significativa de las secciones resistentes de la armadura o una pérdida importante de la adherencia hormigón- armadura, provocando el colapso parcial o total de la estructura.

Consideraciones finales

La Figura 11 1 presenta los conceptos de vida útil expuestos anteriormente, basados ​​en las dos etapas principales del proceso de deterioro del hormigón armado (iniciación y propagación) desde el punto de vista de la corrosión de las armaduras.

En este modelo se introdujo la noción de vida útil residual, que corresponde al período de tiempo durante el cual la estructura aún puede cumplir sus funciones, contado en este caso a partir de la fecha de valuación. Esta evaluación y el diagnóstico correspondiente se pueden realizar en cualquier momento de la vida de una estructura. El plazo, en este caso, puede ser el límite de condición de servicio o el límite de ruptura, dando lugar a dos “vidas útiles remanentes”; uno de menor duración hasta la aparición de puntos de corrosión, fisuras o desprendimiento del hormigón y otro de mayor duración hasta la pérdida significativa de la capacidad resistente del elemento estructural o su eventual colapso.

Desde el punto de vista del hormigón, los sulfatos presentes en el agua de mar pueden dar lugar a reacciones de expansión nocivas con la formación de compuestos expansivos como la etringita y reacciones secundarias como el yeso o los áridos alcalinos, que conducen al agrietamiento del hormigón. . estructuras

El contenido de sulfato del hormigón depende de la cantidad de cemento y del contenido de yeso primario de dicho cemento. Así, por ejemplo, un hormigón de 2.300 kg/m3 de densidad, mezclado con 350 kg/m3 de un cemento cuyo contenido en yeso sea como máximo el 3%, dará lugar a un contenido total máximo en sulfatos del orden del 0,46%. del peso del hormigón. Si las cantidades de yeso encontradas son mayores, significa contaminación. El exceso será causado por los sulfatos que han penetrado en el hormigón endurecido, generalmente del agua de mar.

En general, el valor de referencia de la vida útil del proyecto, para obras en curso, puede ser de 50 años. Algunas obras de mayor importancia social y estructural pueden planificarse para una vida útil de 100 años o quizás más. Una aplicación práctica de estos conceptos la pueden constituir los gráficos 2 y 3, desarrollados según el espesor del revestimiento en función del entorno de obra, la calidad del hormigón y la vida útil prevista.

Referencias

• INSTITUTO AMERICANO DEL CONCRETO. Corrosión de metales en el hormigón. Comité ACI 222.
• NORMALIZACIÓN EUROPEA VOLUNTARIA. ENV-206 Criterios de Desempeño, Producción, Instalación y Cumplimiento del Concreto. 1992
• ROSTAM, Ste. Proyecto de vida. El enfoque europeo. Concreto Internacional. Vol.15, n.7, julio 1993. Págs. 24-32.
• ANDRADE, C.; GONZALEZ, JA Tendencias actuales en la investigación de la corrosión de las barras de refuerzo. Informes de construcción, c. 40, nº 398, pág. 7-14 de noviembre Diez. 1988.
• ANDRADE, C. Manual de diagnóstico de estructuras con refuerzo corroído.
• HELENE, Paulo RL La agresividad del medio y la durabilidad del hormigón. Concrete, AATH, n.10, p.25-35, mayo/agosto 1983.
• Vida útil de estructuras de hormigón armado desde el ángulo de corrosión o refuerzo. En: Seminario Figura 3. Ábaco para determinar el espesor del recubrimiento de armadura en función del entorno (zona de proyección de agua de mar), del hormigón (resistencia entre 10 y 50 MPa) y vida útil deseada (1 a 100 años). Dosificación y control de dos estructuras de hormigón, varias ciudades, julio a septiembre de 1993. Anaïs ENCOL/SENAI, Brasilia, 1993.
• AL-SULAIMANI, GJ; KALEEMULAH, M.; BASUNBUL, IA; RASHEEDUZZAFAR. Influencia de la corrosión y fisuración en el comportamiento de adherencia y resistencia de elementos de hormigón armado. Diario Estructural de ACI, p. 220-31, marzo-abril de 1992.
• HELENE, PRL Diagnóstico de corrosión de armaduras y vida residual de estructuras de hormigón. Seminario FOSROC/RENA sobre la patología de las estructuras de hormigón. Una Mirada Moderna, Salvador, diciembre de 1992.

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Autor: Dr. Paulo Roberto do Lago Helene (Profesor de la Universidad de São Paulo, Brasil) Traducido del portugués por el ingeniero Carlos A. Arcila López, miembro de la junta directiva de la sección colombiana del ICA