Título: Diseño y control del monitoreo de la corrosión en ...
95
1 Título: Diseño y control del monitoreo de la corrosión en puente prefabricado de 32 m Autor: Alexis Cárdenas Dominguez Tutor: Dr. Ing. Iván Machado López Consultante: Dr. Sc. Ing. José Fernando Martirena Hernández Junio,2018 Departamento de Ingeniería Civil
Transcript of Título: Diseño y control del monitoreo de la corrosión en ...
1
Título: Diseño y control del monitoreo de la corrosión en puente prefabricado
de 32 m
Autor: Alexis Cárdenas Dominguez
Tutor: Dr. Ing. Iván Machado López
Consultante: Dr. Sc. Ing. José Fernando Martirena Hernández
Junio,2018
Departamento de Ingeniería Civil
2
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria
“Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica
de la mencionada casa de altos estudios.
Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:
Atribución- No Comercial- Compartir Igual
Para cualquier información contacte con:
Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
Teléfonos.: +53 01 42281503-1419
I
Pensamiento:
“Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una
oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber.”
Albert Einstein
II
Dedicatoria:
A mi familia por los años de dedicación, sacrifico, apoyo y amor incondicional que me han
dado. Por haberme guiado por los mejores caminos y ayudado a superar los obstáculos
presentes en él. Por estar siempre a mi lado y ayudarme a alcanzar mis sueños. Por ser el
mejor ejemplo y la mejor familia que puedo desear.
Muchas Gracias.
III
Agradecimientos
A mi madre Tomasa y mi padre Raúl, por ayudarme, apoyarme y llevarme de la mano en
todo momento
A mis hermanos Tati y Kiki, por haber confiado siempre en mí y haber soportado un
hermano pequeño muy jodedor
A mis cuñadas que me han apoyado mucho y brindado su ayuda
A mis tíos y tías que siempre me han protegido y han amparado
A mi novia Yaile, que en estos casi dos años me ha brindado todo su amor y apoyo
emocional
A mis suegros, Linet y Luis quienes me abrieron la puerta de su casa y de su familia y han
depositado su confianza en mi
A mi tía Mari, que ha sido toda una madre hacia mí y me ha llenado de mucho amor y
cariño
A mi tío Pedri, que es todo un ejemplo a seguir tanto como profesional como persona y por
haberme educado y enseñado como un padre
A mi tutor Iván que siempre estuvo cuando lo necesite y por su gran apoyo
A Martirena, que confió en mi para la realización de este trabajo
A Yanexi Reguera, quien me ha ofrecido su ayuda y tiempo.
En especial a todos mis amigos que me han ayudado, apoyado y me han brindado su
amistad incondicionalmente
GRACIAS
IV
Resumen
El deterioro de las estructuras de hormigón armado ha sido un tema de gran
relevancia para la industria de la construcción en los últimos años, convirtiéndose
en uno de los aspectos que requiere la atención de los ingenieros. La corrosión del
hormigón armado afecta significativamente las características funcionales de las
estructuras, además de inducir la formación de fisuras, grietas y desprendimientos,
lo que compromete la integridad estructural y su vida útil. Este fenómeno trae
consigo grandes pérdidas económicas debido fundamentalmente a los gastos
originados en los costosos trabajos de reparación. Por ello es necesario lograr un
control y monitoreo del avance de la corrosión por las estructuras; para ello se han
desarrollado diversos métodos de medición. Los sensores de pH y cloruros pueden
resultar la alternativa más viable y novedosa en el entorno cubano para evaluar el
efecto de la corrosión.
En el presente trabajo se realiza la propuesta de ubicación de los sensores de pH
y cloruros en una estructura de hormigón fabricada con cemento LC3. Para lograr
este propósito se tienen en cuenta varios factores, como las características que
brinda el aglomerante, el diseño estructural, las especificaciones de los sensores y
el lugar donde van a estar expuestos. Junto con esto, se llevó a cabo la modelación
de la estructura en el SAP2000 para determinar las máximas solicitaciones que se
pueden generar lo que permite seleccionar el lugar de colocación de los sensores,
para un efectivo trabajo en el control y monitoreo de la corrosión.
Palabras claves: hormigón armado, corrosión, fisuras, diseño estructural, sensores
V
Abstrac
The deterioration of reinforced concrete structures has been a topic of great
relevance for the construction industry in recent years, becoming one of the aspects
that requires the attention of engineers. The corrosion of the reinforced concrete
significantly affects the functional characteristics of the structures, as well as
inducing the formation of cracks, cracks and landslides, which compromises the
structural integrity and its useful life. This phenomenon brings with it great economic
losses, mainly due to the expenses originated in the costly repair work. For this
reason, it is necessary to achieve a control and monitoring of the advance of the
corrosion by the structures; For this, several measurement methods have been
carried out. The pH and chloride sensors are the most viable and novel alternative
in the Cuban environment to evaluate the effect of corrosion.
In the present work the proposal of location of the pH and chloride sensors in a
concrete structure made with LC3 cement is made. To achieve this purpose, several
factors must be taken into account, such as the characteristics provided by the
binder, the structural design, the specifications of the sensors and the place where
they will be exposed. Along with this, the modeling of the structure in the SAP2000
was carried out to determine the maximum stresses that can be generated and thus
be able to select the location of the sensors for an effective work in the control and
monitoring of corrosion.
Key words reinforced concrete, corrosion, fissure, the structural design, sensor
VI
Índice
Contenido
Pensamiento: .............................................................................................................................. I
Dedicatoria: ................................................................................................................................ II
Agradecimientos ...................................................................................................................... III
Resumen ................................................................................................................................... IV
Abstrac ....................................................................................................................................... V
Introducción ............................................................................................................................... 1
Capítulo I: Corrosión del acero de refuerzo en el hormigón armado ............................. 8
1.1 Durabilidad de las estructuras de hormigón ................................................................. 8
1.1.1 Dosificación del hormigón. ........................................................................................... 9
1.1.2 Compacidad y homogeneidad. ..................................................................................... 9
1.1.3 Deterioro del hormigón. ................................................................................................. 9
1.2 Fenómeno de la corrosión. ............................................................................................. 10
1 . 2 . 1 Definición de procesos. .......................................................................................... 10
1.3 Corrosión del acero de refuerzo en el hormigón. ...................................................... 15
1.4 Corrosión debido a la penetración de cloruros. ......................................................... 16
1.5 Corrosión del acero por carbonatación ....................................................................... 19
1.6 Diferentes tipos de corrosión......................................................................................... 21
1.6.1 Corrosión electroquímica ............................................................................................ 21
1.6.2 Corrosión uniforme y corrosión localizada .............................................................. 22
1.6.3 Corrosión por picaduras .............................................................................................. 22
1.6.4 Corrosión galvánica ...................................................................................................... 23
1.6.5 Corrosión bajo esfuerzo............................................................................................... 23
1.7 Corrosión de los diferentes materiales en el hormigón. ........................................... 23
1.7.1 Aluminio .......................................................................................................................... 23
1.7.2 Plomo ............................................................................................................................... 24
1.7.3 Cobre ............................................................................................................................... 24
1.7.4 Zinc ................................................................................................................................... 24
1.7.5 Otros metales ................................................................................................................. 25
1.7.6 Plástico ............................................................................................................................ 25
1.7.7 Madera ............................................................................................................................. 26
1.8 Costes económicos producto a la corrosión. ............................................................. 26
VII
1.9 Agresividad y recubrimiento en las estructuras de hormigón armado. ................ 30
1.9.1 Agresividad en las estructuras. .................................................................................. 30
1.9.2 Recubrimientos.............................................................................................................. 33
1.10 Fisuración en las estructuras de hormigón armado ............................................... 33
1.11 Detección y evaluación del estado de corrosión. .................................................... 35
1.11.1 Evaluación del daño por corrosión. ........................................................................ 35
1.11.2 Técnicas de detección y evaluación........................................................................ 36
1.11.3 Inspección visual......................................................................................................... 36
1.11.4 Determinación de la presencia de cloruros. .......................................................... 38
1.12 Métodos para medir el estado de corrosión en las estructuras. ........................... 38
1.12.1 Métodos destructivos ................................................................................................. 39
1.12.2 Métodos no destructivos ........................................................................................... 39
1.12.3 Métodos de laboratorio .............................................................................................. 41
Conclusiones parciales del capitulo ................................................................................... 41
Capítulo 2: Modelación estructural del puente del vial “Viaje infinito” en el SAP2000.
.................................................................................................................................................... 42
2.1 Proyecto Viaje infinito...................................................................................................... 42
2.2 Características del puente del Vial “Viaje infinito’’ .................................................... 43
2.3 Características del Cemento Bajo Carbono (LC3) utilizado en puente .................. 43
2.3.1 El Cemento de Bajo Carbono ...................................................................................... 43
2.3.2 Evaluación de durabilidad de hormigones producidos con cemento LC3 ........ 45
2.4 Modelación estructural del puente del vial “Viaje infinito” en SAP2000 ............... 45
2.4.1 Cargas muertas. Pesos propios ................................................................................. 46
2.4.2 Cargas accidentales móviles y sus acciones .......................................................... 46
2.4.2.1 Características del vehículo Ms-32 ......................................................................... 47
2.4.2.1.1 Colocación del vehículo ........................................................................................ 47
2.4.2.1.2 Carga de carril distribuida sustitutiva ................................................................ 48
2.4.2.2 Características del vehículo NK-80 ......................................................................... 49
2.4.3 Combinaciones de carga para el Estado Límite de Utilización. .......................... 50
2.4.4 Solicitaciones en la estructura ................................................................................... 51
Conclusiones parciales ......................................................................................................... 54
Capítulo 3: Ubicación y colocación de los sensores de pH y de cloruros en la
estructura del puente del vial “Viaje infinito”.................................................................... 55
3.1 Sensores potenciométricos de pH ........................................................................... 55
3.1.1 Acondicionamiento ................................................................................................. 57
VIII
3.1.2 Tiempo de respuesta: ............................................................................................. 57
3.1.3 Sensores de pH en las estructuras de hormigón. ............................................. 57
3.2 Sensores de electrodos selectivos de iones Ag / AgCl (ISE) ............................. 58
3.2.1 Características de ISE Ag / AgCl .......................................................................... 58
3.2.2 Actividad del cloruro:.............................................................................................. 59
3.2.3 Especies interferentes: ................................................................................................ 59
3.2.4 Temperatura: ............................................................................................................ 60
3.2.5 Estabilidad a largo plazo a pH alto ....................................................................... 60
3.2.6 Sensores de electrodos selectivos de iones Ag / AgCl (ISE) en estructuras de
hormigón armado.................................................................................................................... 61
3.3 Colocación y ubicación de los sensores de pH y cloruros. ................................ 61
Conclusiones parciales ......................................................................................................... 65
Conclusiones Generales ....................................................................................................... 67
Recomendaciones .................................................................................................................. 68
Referencias bibliografías ....................................................................................................... 69
Anexos: ..................................................................................................................................... 71
1
Introducción
El cemento, un material de naturaleza inorgánica cuya producción industrial se
inició hacia la mitad del siglo XIX, sigue siendo hoy uno de los principales materiales
de construcción. Pertenece a la categoría de los conglomerantes hidráulicos, es
decir, productos que, mezclados con agua, producen pastas capaces de adherirse
a materiales rocosos y endurecerse progresivamente, incluso sin contacto con el
aire, formando bloques compactos, resistentes a la acción del agua y con
resistencias mecánicas de gran nivel.(Rosa et al., 2017)
El hormigón, material compuesto de la mezcla de un aglomerante (en este caso el
cemento), arena, piedra y agua, posee buenas propiedades mecánicas y de
durabilidad, y aunque resiste tensiones y esfuerzos de compresión apreciables
tiene una resistencia a la tracción muy reducida. Para resistir adecuadamente
esfuerzos de torsión es necesario combinar el hormigón con un esqueleto de acero.
Este esqueleto tiene la misión de resistir las tensiones de tracción que aparecen en
la estructura, mientras que el hormigón resistirá la compresión, de ahí la
denominación de hormigón armado.
El hormigón reforzado con barras de acero es uno de los materiales de construcción
más ampliamente empleados y por tanto la corrosión de este refuerzo es la causa
principal del deterioro de las mismas. El problema del deterioro de las estructuras
de hormigón debido a procesos de corrosión es serio y de implicaciones
económicas mayores, uno de los problemas más importantes para el
mantenimiento de la integridad estructural de las obras civiles (puentes, túneles,
carreteras, muelles, etc.) de un país. La habilidad para evaluar la corrosión de las
barras de refuerzo en estructuras y poder estimar la vida en servicio remanente es
tema de estudios en el ámbito mundial.(Estrella, 2017)
Globalmente existe un enfoque en los estudios sobre la durabilidad de las
estructuras de hormigón armado, ya que son periódicas las inversiones que se
generan por los deterioros que surgen en ellas, afectando su vida útil.(Meyer, 2010)
2
La NC 250:2005 “Requisitos de durabilidad para el diseño y construcción de
edificaciones y obras civiles de hormigón estructural” (NC_250, 2005), define la
durabilidad como la capacidad del hormigón para soportar, durante la vida útil para
la que ha sido diseñado, las condiciones físicas y químicas a las que va a estar
expuesto.
En Cuba puede apreciarse el deterioro de las estructuras que se encuentran
expuestas a la acción de diferentes agentes químicos. Ya sea por las condiciones
geográficas del país, al estar rodeada de mar (isla), donde el ataque por
penetración de cloruros, nitratos y sulfatos en el hormigón se hace inevitable, o por
el proceso de carbonatación, siendo estos una de las condicionantes del proceso
corrosivo del acero de refuerzo en las estructuras de hormigón armado. (Estrella,
2017)
La elevada demanda de aglomerantes en Cuba, debido a las necesidades
constructivas propias de un país en vía de desarrollo y la indisponibilidad de
puzolanas, llevaron a especialistas pertenecientes al Centro de Investigación y
Desarrollo de Estructura y Materiales (CIDEM) de la Universidad Central "Marta
Abreu" de Las Villas, en conjunto con un equipo técnico del Instituto Federal de
Tecnología de Lausana (EPFL), en Suiza a trabajar en una propuesta de cemento
ternario (LC3) que se basa en la sustitución de un elevado por ciento de clínquer
por una combinación de arcilla calcinada y carbonato de calcio en forma de piedra
caliza. La utilización de la arcilla calcinada y la piedra caliza se realiza mayormente
en pequeñas cantidades de hasta un 35% y según el CIDEM, el LC3 está
compuesto por un 48% de clínquer, 30% arcilla calcinada, 15% de piedra caliza y
un 7% de yeso. (Arbona, 2017).
El cemento ternario producido a escala industrial en condiciones tecnológicas no
optimizadas y un contenido de clínquer de aproximadamente 50 % satisface los
requisitos establecidos para los cementos mezclados en la NC 96: 2001 a pesar de
exceder los límites de adición – restringidos al 35 %. La evaluación de las
resistencias mecánicas obtenidas, así como la permeabilidad de los elementos de
hormigón producidos en plantas de prefabricado con este cemento, es catalogada
como adecuada.(Andrés, 2014)
3
El cemento de bajo carbono (LC3) es considerado de gran impacto por su
contribución a la sustentabilidad ecológica y económica del cemento y representa
una oportunidad para poder responder al incremento de la demanda prevista para
los próximos años en el país. Los ahorros en costo en relación al cemento P35
están sobre el 15%, en dependencia de la distancia de la cantera de arcilla, del
medio de transporte y del clínquer que se emplea. Estos son resultados
preliminares aun, que están en vías de perfeccionamiento por la industria.
La introducción del cemento LC3 en la producción nacional de cemento permite
aumentar la producción de cemento entre un 17-45% en dependencia de la
tecnología, para la disponibilidad actual de clínquer. Esto permite abastecer la
creciente demanda de cemento en el corto plazo (2016-2020), y evitar la realización
de importaciones para cubrir el déficit.(Martirena, 2016) Este cemento presenta
grandes ventajas para estructuras que requieran alta resistencia inicial
(prefabricados, puentes, vigas pretensadas), en hormigones masivos y una
sorprendente firmeza a la penetración de cloruros en ambientes agresivos, como
es el caso de la línea costera de Cuba. Los estudios realizados hasta el presente,
demuestran que este tipo de cemento aventaja en resistencia al Portland
ordinario.(Cabrera, 2015)
La corrosión ocasionada por cloruros se inicia cuando la concentración es tan alta
que la alcalinidad del hormigón no es lo suficientemente grande para proteger el
acero. El nivel de cloro que se requiere para que se inicie la corrosión, es el
llamado valor umbral de cloruros. Una vez que este valor se ha alcanzado se puede
decir que la fase de protección ha terminado y la fase de corrosión se
inicia.(Machado & Ríos, 2015)
Las primeras observaciones de corrosión del acero embebido en el hormigón fueron
hechas a principios de este siglo, principalmente en ambientes marinos y plantas
químicas. Sin embargo, sólo a mediados del mismo se inició el estudio sistemático
de este problema que ha llegado a ocupar un lugar muy importante dentro de las
investigaciones sobre corrosión en el nivel mundial, por los problemas y tipos de
estructuras involucrados.(Calderón, Gaona, & Villafañe, 2014)
4
Los efectos de la corrosión se manifiestan de cinco formas diferentes que pueden
ser o no simultáneas: expansión del acero de refuerzo, fisuración interna del
hormigón, disminución de la capacidad mecánica del hormigón, baja adherencia
entre el hormigón y el acero de refuerzo y reducción de la sección transversal del
acero de refuerzo, decreciendo su capacidad mecánica. (Concreto, 2017).
El efecto de la corrosión del acero se ve influenciado por el recubrimiento, debido
a que cuando este es menor (30 mm) presenta una mayor velocidad de corrosión,
este comportamiento se puede atribuir que están expuestos en mayor medida al
efecto de la humedad relativa y temperatura ambiental, factores que influyen
directamente en el grado de corrosión del acero de refuerzo.
Debido a ello se hace necesario estudiar el comportamiento del grado de corrosión
del acero de refuerzo de hormigones armados. Los métodos de ensayos existentes
hasta el momento, constituyen métodos destructivos o resulta difícil la
interpretación de sus resultados. Es por ello que el método basado en el
funcionamiento de sensores embebidos en el hormigón constituye una alternativa
viable y novedosa en el entorno cubano para evaluar el efecto de la corrosión.
En consideración, se asume como problema científico de la investigación: ¿Cómo
determinar el lugar idóneo para la colocación de sensores que evalúan de forma no
destructiva la corrosión del acero de refuerzo en vigas de hormigón elaborados con
cementos LC3 en el puente del vial Viaje Infinito?
Hipótesis:
A partir de la colocación de los sensores en las vigas de hormigón elaborados con
cementos LC3 en el puente del vial Viaje Infinito ubicado en Zaza del Medio, se
logra evaluar la corrosión en dichos elementos mediante técnicas no destructivas.
Objeto de estudio:
Emplazamientos de instrumentos que permitan determinar de forma no destructiva
el avance de la corrosión en estructuras de hormigón armado fabricadas con el
cemento LC3.
5
Campo de acción:
La corrosión del acero en hormigones elaborados con cemento LC3
Objetivo General:
Determinar, sobre la base de la modelación del puente del vial Viaje Infinito ubicado
en Zaza del Medio de hormigón armado producido con LC3, la ubicación idónea de
sensores para la evaluación y monitoreo no destructivo del ataque por corrosión de
la estructura armada.
Objetivos Específicos:
1. Caracterizar desde el punto de vista estructural el diseño realizado al puente de
32 metros.
2. Determinar los puntos de mayor esfuerzo y potencialmente más peligrosos ante
el fallo de la estructura sometida a corrosión.
3. Determinar la ubicación de sensores de pH y de cloruros en estas vigas.
Tareas de investigación:
1. Revisión de la literatura científica publicada acerca del mecanismo de corrosión
debido a los cloruros en hormigones armados, así como los factores que influyen
en este efecto y los principales métodos empleados para determinar el grado de
corrosión.
2. Determinación de los requisitos para la ubicación de los sensores para evaluar
el estado de corrosión del acero en los especímenes fabricados con cemento
LC3.
3. Modelación del puente del vial Viaje Infinito ubicado en Zaza del Medio mediante
el SAP2000
4. Determinación a partir de las variables de diseño de los puntos más vulnerables
de la estructura.
5. Definir el lugar idóneo de ubicación de los sensores para la realización periódica
de las mediciones predictivas de la corrosión, a partir de las características de
los instrumentos de medición y de la estructura.
6
Novedad científica:
Se considera como novedad científica del presente trabajo lo siguiente:
La aplicación de estudios no destructivos de corrosión del acero de refuerzo en
hormigón armado fabricado con LC3, en tiempo real y en relación con las
condiciones ambientales de cada momento al emplear el método de sensores
dentro de la estructura, con objetivos predictivos para la durabilidad del sistema,
contribuyendo de esta forma a la incursión de este tipo de estudio en el país, con
la consiguiente mejora económica y predicción de la corrosión en las estructuras.
Aporte Práctico:
La aplicación del método de sensores dentro de la estructura, en tiempo real para
la evaluación de la corrosión del acero de refuerzo, permite valorar el
comportamiento de hormigones fabricados con un cemento de bajo carbono LC3.
Métodos de Investigación Científica:
Métodos Teóricos:
Histórico- Lógico: se basa en la caracterización de un contexto determinado,
estudiando sus antecedentes mediante la recolección de datos y búsqueda de
información por diferentes vías como son las encuestas, cuestionarios, entrevistas,
entre otros.
Analítico - Sintético: se desarrolla a partir del análisis del objeto o sitio de estudio,
donde se caracterizan las diferentes variables, se conceptualiza y se define el
objeto en cuestión.
Inductivo- Deductivo: método matemático estadístico para el procesamiento de la
información que permite facilitar la definición de conclusiones.
Métodos Empíricos:
Análisis de Documentos: método utilizado para el estudio de legislaciones y
regulaciones cubanas y otras bibliografías para que la investigación realizada
obtenga validez (tesis anteriores relacionadas con el tema).
7
Observación: método que se basa en la observación de la realidad para
constatar la relevancia de determinados indicadores a medir en la investigación.
Criterio de Especialistas: se consultarán especialistas que conozcan la materia.
Realización de experimentos.
Método Matemático:
Estadística y el análisis porcentual.
Estructura del trabajo de diploma
Resumen
Introducción: Se detallan los elementos metodológicos e investigativos de
la presente investigación.
Capítulo I: Corrosión del acero de refuerzo en el hormigón armado
Capítulo II: Modelación estructural del puente del vial “Viaje infinito” en el
SAP2000.
Capítulo III: Ubicación y colocación de los sensores de pH y de cloruros en
la estructura del puente del vial “Viaje infinito”.
Conclusiones
Recomendaciones
Referencias bibliográficas
Anexos
8
Capítulo I: Corrosión del acero de refuerzo en el hormigón armado
1.1 Durabilidad de las estructuras de hormigón
La NC 250: 2005 tiene en cuenta lo que se entiende por durabilidad considerado
como vida útil de una estructura, al intervalo de tiempo durante el cual la misma
mantiene su forma original, sus propiedades resistentes, sus condiciones de
servicio y sus características estéticas, sin necesidad de efectuar reparaciones
capitales, pero con mantenimientos ligeros sistemáticos.
Las obras de hormigón deben proyectarse no sólo para que resistan las cargas o
acciones mecánicas previstas sin que alcancen su estado límite de agotamiento,
sino, también, para que resistan aquellas acciones ambientales de tipo físico o
químico que puedan deteriorarlas reduciendo su vida de servicio o exigiendo para
su conservación un costo importante de mantenimiento o reparación. (Anon., 2012)
Mehta & Monteiro (2006) plantean que los costos de reparación y sustitución de
estructuras se ha convertido en una parte sustancial del presupuesto total de la
construcción, se estima que en los países industrialmente desarrollados alrededor
del 40% de los recursos totales de la industria de la construcción se están aplicando
a la reparación y el mantenimiento de las estructuras existentes, y sólo el 60% a
las nuevas instalaciones. Existe una estrecha relación entre la durabilidad de los
materiales y la ecología. La conservación de recursos naturales hace que se
prolonguen los materiales de la construcción y por consiguiente un paso ecológico.
La durabilidad del hormigón armado es afectada por el transporte o penetración de
iones cloruros a través la matriz cementicia, generando corrosión en el acero de
refuerzo y el consiguiente deterioro en el hormigón (Díaz, 2016)
A la durabilidad del hormigón se le ha prestado, en general, poco interés dejándola
siempre relegada a un segundo o tercer término, frente a las características de
resistencias mecánicas que debía tener el hormigón. Donde en un elemento de
hormigón es un proceso complejo en el cual están involucrados:
Las condiciones ambientales a las que van a estar expuesto.
Los materiales componentes del hormigón y éste mismo.
9
El diseño estructural de la obra.
La calidad de ejecución de la obra, incluyendo compactación y curado.
Los sistemas de protección adoptados.
1.1.1 Dosificación del hormigón.
El hormigón debe ser sólido, homogéneo, compacto, resistente y poco poroso.
Entre los aspectos que se deben garantizar para lograr las condiciones anteriores
están: la manera de proporcionar los agregados y su calidad, de tal manera que se
asegure el menor volumen de vacíos; la influencia del agua en la consistencia del
hormigón fresco, la influencia de la relación agua-cemento, el grado de hidratación
del cemento y la incorporación de aditivos en el cemento.
1.1.2 Compacidad y homogeneidad.
La compacidad está en función de la cantidad y calidad de los materiales y de su
proporción. Quizás, ella, sea lo más importante en cuanto a resistencia del
hormigón a la penetración de los agentes agresivos externos. También es
inversamente proporcional a la porosidad, por lo que entre más alta sea la
compacidad, mayor protección tendrá la armadura a la carbonatación y al ataque
de los cloruros, que son los agentes más agresivos. Aun así, cumpliendo con lo
anterior, el transporte, la colocación y el mal mezclado afectan grandemente la
homogeneidad del hormigón. (Moya, 2008)
1.1.3 Deterioro del hormigón.
Los deterioros del hormigón como grietas, desconchados, fracturas y la corrosión
del propio hormigón son causa de los gradientes de temperatura, el calor de
hidratación del cemento, la reacción álcalis-agregado, el hielo y deshielo en los
países fríos y la deficiente ejecución en la fabricación de los elementos
estructurales.
Los principales procesos de deterioro a los que están expuestas las estructuras de
hormigón son:
Fisuras, grietas y otros defectos
10
Ataque físico
Ataque químico
Corrosión de armaduras y otros metales embebidos en el hormigón
Reacción álcali - agregado
Otros procesos internos de deterioro.
Esto a su vez provoca la penetración de agentes agresivos que atacan tanto al
hormigón como al acero de refuerzo, el aumento de la humedad en el interior del
material y la vulnerabilidad al intemperismo. Debido a que los cloruros existen en
diferentes formas en el hormigón, unidos y libres. El cloruro libre está en la forma
iónica en la solución de los poros y puede difundirse al acero a través de los poros.
(Díaz, 2016). Se conoce que la principal causa de deterioro en hormigón es la
corrosión del acero de refuerzo, siendo la transportación o penetración de iones
cloruros el principal catalizador de este proceso.
1.2 Fenómeno de la corrosión.
La corrosión es el ataque destructivo de un metal por reacción química o
electroquímica con su medio ambiente. Exceptuando los metales nobles, los demás
metales se encuentran en la naturaleza generalmente en forma de compuestos
(óxidos, hidróxidos, sulfatos, etc.). Por ello, la extracción de los elementos metálicos
a partir de tales compuestos requiere el suministro de energía, a través de un
proceso de reducción. Esto significa que los metales tenderán, en su vida de
servicio, de una forma natural a regresar a estados de inferior nivel energético, y
esto es lo que ocurre en los procesos de corrosión, que, oxidando los elementos
metálicos, suponen una conversión del metal a diferentes compuestos, con
disminución de la energía. (ROBLES & ARTURO, 2010)
1 . 2 . 1 Definición de procesos.
Llamamos corrosión a la reacción de un metal o aleación con el medio que le
rodea. Por este proceso los metales pasan de su estado elemental, a su estado
combinado que presentan en la naturaleza, formando compuestos con otros
elementos, como óxidos, sulfuros, etc… Esta reacción, mediante el cual el metal se
transforma, se produce mediante una reacción espontánea. Este proceso, en el
11
que se produce la oxidación del elemento, se conoce como corrosión y representa
la disminución paulatina del volumen metal.
Si la corrosión metálica tiene lugar en un medio acuoso, se trata de un fenómeno
de carácter electroquímico. Es este contexto, se produce una reacción de oxidación
y otra de reducción. Dependiendo del nivel de Fermi del metal, este se oxidará o
reducirá, produciendo un intercambio de electrones en una dirección o en otra. El
nivel de Fermi nos indica la medida de la energía de los electrones más ligados en
un sólido. Cuanto menor es la energía del nivel de Fermi, más ligados están los
electrones, y más fácil será la recepción de electrones.
Dependiendo de la diferencia de este nivel en comparación con otros metales o
disoluciones, un metal se puede comportar como oxidante o como reductor. De
producirse la oxidación del metal, los electrones presentes en su superficie se
separarán del metal (proceso farádico) y se producirá la oxidación de su superficie.
Este proceso también es conocido como proceso anódico, produciéndose la
disolución del acero.
En el ánodo se produce la oxidación del hierro, al estado de óxido ferroso,
desprendiendo electrones, respondiendo a la siguiente reacción:
Fe = Fe2+ + 2e- [1]
Después de producirse la reacción [1], en el cátodo, el oxígeno disuelto en el agua
se combina con los electrones suministrados por el ánodo dando lugar a la
formación de iones hidroxilo:
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- [2]
Los iones hidroxilo son transportados al ánodo combinándose con los cationes
Fe2+, formándose hidróxido de hierro:
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 [3]
Dependiendo del pH y de los potenciales electroquímicos, son posibles también las
siguientes reacciones:
12
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 8H+ + 8e- [4]
2Fe + 3H2O = Fe2O3 + 6H+ + 6e- [5]
Fe + 2H2O = HFeO2 + 3H+ + 2e- [6]
En la figura 1.1 podemos observar el doble proceso que se produce en la corrosión
de una armadura de acero embebida en hormigón armado:
Figura 1.1 Corrosión electroquímica. Proceso anódico y catódico. (Fuente (Bello,
2015a))
Figura 1.2 Corrosión generalizada y localizada en armaduras de acero.
Creación de micropilas y macropilas de corrosión. (Fuente (Bello, 2015a))
En el caso de corrosión por cloruros, la película pasiva se rompe sólo en
áreas pequeñas (corrosión por picaduras, ver figura 1.2). Esto sucede en las
zonas de mayor concentración de electrones, como son las soldaduras, fisuras o
13
uniones de barra.
Los diagramas de Pourbaix nos dan idea del estado en el que se encuentran los
metales y disoluciones, en función de los cambios en el pH y el potencial. En las
figuras 1.3 y 1.4, podemos observar los diagramas de transformación del H2O y el
Fe:
Figura 1.3 Diagrama de Pourbaix del Fe a 25ºC.(Fuente (Bello, 2015a))
En la figura 1.3 se definen las zonas en las que las especies químicas pueden estar
como sólidos insolubles (Fe, Fe(OH)2 y Fe(OH)3) y solubles, como iones (Fe2+ y
Fe+3).
Las líneas horizontales separan semireacciones donde el potencial no varía en
función del pH del medio. Si en el sistema existe una especie con un potencial
de reducción mayor que el que determina la línea, la especie oxidada permanecerá
estable.
Las líneas verticales separan reacciones que no son de tipo redox y son
independientes de cualquier par redox (oxidación-reducción) que esté presente.
Estas reacciones son dependientes del pH del medio, por lo que la línea de
separación será vertical.
Las líneas inclinadas dividen zonas de reacciones redox donde intervienen
protones. Por lo tanto, el potencial depende del pH de la disolución.
14
La distribución de zonas es la siguiente:
Zona de pasividad: Los hidróxidos de hierro forman una capa protectora en
la superficie del metal, que reduce su actividad química y por lo tanto su
velocidad de corrosión, por ello se le denomina zona de pasividad.
Zona de inmunidad: En esta región del diagrama la especie
termodinámicamente estable es el Fe0 (metálico), por lo tanto, el metal es
inmune y no sufre corrosión.
Zona de corrosión: Las especies estables del hierro se encuentran como
iones, por lo tanto, es una condición propicia para la disolución del metal.
En la figura 1.4 podemos comprobar los cambios en la composición del H2O en
función del potencial aplicado y del pH. Las diagonales paralelas limitan la región
de pH y potencial entre los cuales el agua se mantienen como un compuesto
estable.
Por debajo de la línea inferior, se produce la reducción del H2O, según la siguiente
reacción:
H2O + 2e- = ½ H2 + OH- [7]
Por encima de la línea superior, se produce la oxidación del H2O, según la siguiente
reacción:
2H2O =O2 + 4H+ + 4e- [8]
15
Figura 1.4 Diagrama de Pourbaix del agua a 25ºC.(Fuente: (Bello,
2015a))
Los diagramas de Pourbaix sólo nos ofrecen una descripción termodinámica del
sistema metal/solución, sin permitir la predicción de las velocidades de reacción.
Son útiles para:
1. Conocer la dirección espontánea de las reacciones.
2. Estimar los estados de equilibrio a los que atienden.
3. Predecir los cambios ambientales que pueden evitar o reducir la
corrosión.(Bello, 2015a)
1.3 Corrosión del acero de refuerzo en el hormigón.
La corrosión del acero de refuerzo consiste en su oxidación destructiva debido al
medio que lo rodea. Esta se da por la destrucción de la capa pasivadora que se
forma naturalmente sobre el acero embebido dentro del hormigón. Las
consecuencias de la acción destructiva de la oxidación se presentan como una
disminución de la sección de la barra, fisuramiento en el hormigón e incluso
laminación del hormigón, debido a las presiones que ejerce el óxido expansivo y a
la disminución o desaparición de la adherencia entre el refuerzo y el hormigón. Se
puede presentar una serie de factores que permite el desencadenamiento de la
oxidación, la cual se exponen a continuación de manera resumida.
Este fenómeno se debe a la alcalinidad del hormigón cuando reacciona con
sustancias ácidas o la presencia de una cantidad suficiente de cloruros. Sin
16
embargo, uno de los factores que mayor incidencia tiene para que se presente
corrosión es la permeabilidad del recubrimiento, influenciado por procesos de
difusión, que generan carbonatación, reducen el pH del hormigón y/o también
aceleran la corrosión del acero de refuerzo.
Son especialmente sensibles a la corrosión aquellas zonas sometidas a ciclos de
humedecimiento y secado. Varios estudios han demostrado que cuando la relación
agua/material cementante excede 0.6, la hermeticidad se disminuye y la
permeabilidad a los fluidos e iones aumenta considerablemente debido al
incremento en la porosidad capilar. La permeabilidad de la capa superficial del
hormigón puede afectarse a causa de un curado insuficiente con secado prematuro
de la superficie del hormigón. Por esto, las medidas de curado deben iniciar
inmediatamente después de que se haya presentado el fraguado final y no deben
ser interrumpidas durante mínimo siete días.(Concreto, 2017)
1.4 Corrosión debido a la penetración de cloruros.
La corrosión inducida por cloruro se presenta en estructuras expuestas al medio
marino, las cuales se ven afectadas por varios periodos en su vida útil (ver figura
1.5). Los iones cloruro están presentes en el agua de mar, pero es posible que
también los desplace el viento de la brisa marina a la zona costera y los deposite
en estructuras de hormigón cercanas a la línea de mar. Otra fuente de cloruros es
en el agua de amasado, lo cual aumenta en alto grado el riesgo de corrosión.
Figura 1.5 Representación del modelo de vida útil indicando los principales
factores que afectan a cada periodo. (Fuente (Moreno, López, & Madrid, 2001a)
17
También es necesario que los iones cloruro avancen desde el exterior hasta llegar
al nivel de la barra. Una vez que llegan al acero, se acumulan hasta alcanzar una
concentración crítica, la cual tiene la capacidad de romper la estabilidad de la
película pasiva y dar inicio al proceso de corrosión.
Los iones cloruro pueden estar presentes en el hormigón de tres maneras:
enlazados, adsorbidos y disueltos en el agua que se conserva en los poros, lo que
constituye la disolución poro. Los iones cloruro que son dañinos para el acero de
refuerzo son los que se hallan disueltos o libres, pero debido a los equilibrios que
se presentan es posible que los que están adsorbidos se incorporen a la disolución
y se tornen peligrosos. Cuando se utiliza agua de amasado con cloruros, cierta
cantidad reacciona con los compuestos hidratados del hormigón para formar las
sales de Friedel, otra cantidad se adsorbe en la superficie de las paredes de los
poros y sólo una parte queda disuelta. Esta distribución depende del tipo y la
cantidad de cemento con que se dosifique al hormigón.
En el caso de una fuente externa de iones cloruro, el acceso es a través de los
poros del hormigón. Al avanzar al interior una cantidad reacciona, otra se adsorbe
y otra fracción queda disuelta. El medio de exposición es determinante para el
ingreso de los iones cloruro. En una estructura sumergida en agua de mar, el
mecanismo lo determina la diferencia de concentración entre el exterior y el interior
del hormigón, es decir, se favorece un proceso difusivo. En obras que se hallan a
la intemperie, durante el día, por efecto de la humedad relativa del ambiente, se
evapora una cierta cantidad de agua contenida en los poros, quedando
parcialmente llenos. Si la brisa marina deposita sal sobre su área superficial, el
ingreso del ion es por succión capilar, o sea cuando que la humedad relativa permite
la formación de una película superficial de agua (punto de rocío) que es succionada
por los poros capilares para llenarse nuevamente. En la succión, la sal que se
depositó durante el día es arrastrada por el agua condensada y penetra al interior
del hormigón. Una combinación de las dos formas de ingreso de cloruro se observa
en la zona de variación de marea, en la que los poros eliminan agua durante marea
baja y se saturan en marea alta. En el caso de los cloruros que pudieran ser
adicionados durante el amasado del hormigón, los códigos de fabricación y de
cálculo de estructuras de hormigón de todos los países limitan su contenido en
18
proporciones variables, tal como se muestra en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1 Valor crítico de cloruros en hormigones reforzados. (Fuente: (Moreno,
et al., 2001a))
Tres son los aspectos relevantes a tener en cuenta en el caso de los cloruros que
penetran desde el exterior:
• El tiempo que tardan en llegar hasta la armadura.
• La proporción que induce la despasivación.
• La velocidad de corrosión que provocan una vez desencadenada la
corrosión. (Moreno, et al., 2001a)
País Norma Limite MAS de C1 Referido a
USA ACI 318 ≤ a 0.15% en ambiente de C1 cemento
USA ACI 318 ≤ a 0.3% en ambiente normal Cemento
USA ACI 318 ≤ a 1% en ambiente seco
cemento
Cemento
INGLATERRA CP-110 ≤ a 0.35% al menos en un 95% Cemento
AUSTRALIA AS 3600 ≤ al 0.22% Cemento
NORUEGA NS 3474 ≤ al 0.6% Cemento
ESPAÑA EH 91 ≤ al 0.40% Cemento
EUROPA EUROCODIGO
2
≤ al 0.22% Cemento
JAPON JSCE-SP 2 ≤ al 0.6 Kg/m3% Hormigón
BRASIL NBR 6118 ≤ al 0.05% agua
Cuba NC 120:2013 ≤ al 0,20% Hormigón
19
1.5 Corrosión del acero por carbonatación
La carbonatación trata de la reacción que se produce entre el dióxido de carbono
(CO2) del aire y el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) resultante de la hidratación del
cemento. Este proceso provoca una disminución del pH, desplazando a las
armaduras de acero de la zona de pasivación a la zona de corrosión. Los hidróxidos
de calcio (Ca(OH)2), sodio (NaOH) y potasio (KOH) disueltos en la solución acuosa
de la red de poros del hormigón (disolución de poros), provocan un pH de entre 12,5
y 13,5. El hormigón al ser poroso, permite la entrada y difusión del CO2
reaccionando con la fase líquida intersticial saturada de hidróxido cálcico del
hormigón y de los compuestos hidratados del cemento (disolución de poro)-
En términos simplificados, se produce la siguiente reacción:
Cuando la totalidad del Ca(OH)2, NaOH y KOH presentes en los poros ha sido
carbonatado, el pH comienza a decrecer. Al mismo tiempo los silicatos de calcio
también reaccionan con el CO2 del aire, prosiguiendo el descenso del pH del
hormigón.
La velocidad de carbonatación del hormigón depende de múltiples factores como
son la relación agua/cemento utilizada en su fabricación, la cantidad de cemento
utilizado en la dosificación o de la humedad relativa del ambiente en el que se
encuentra la estructura.
Hay que indicar que la carbonatación del hormigón no provoca, por sí misma, una
corrosión apreciable de las armaduras. Para producir una velocidad de corrosión
notable, es necesario que la humedad relativa ambiental sea superior a un mínimo
crítico del 50%.
La naturaleza del cemento empleado influye en la cantidad de CO2 combinado por
la materia carbonatable del hormigón, pero no tiene influencia en el progreso
posterior de la cinética de la corrosión.
20
El avance del proceso de carbonatación se puede aproximar a la raíz cuadrada del
tiempo.
Xc= Kc. √𝑡 Ecuación 1
donde:
Xc: Profundidad de la capa carbonatada (mm). Kc: Constante de carbonatación
(mm/año 0.5). t: Tiempo (años).
Es importante señalar que el avance de la carbonatación se verá limitado por la
humedad del ambiente, de manera que la ecuación anterior será válida para
ambientes con humedad baja ya que en escenarios donde se tengan humedades
altas y valores próximos a la saturación no se produce la corrosión, esta condición
sugiere una profundidad límite para el frente carbonatado (Villanueva, 2012).
El desarrollo de la carbonatación depende de diversos factores, entre los que se
encuentra:
Contenido de CO2 en la atmósfera.
Permeabilidad de hormigón.
Cantidad de sustancia carbonatable (contenido y tipo de cemento).
Humedad relativa del ambiente.
Otras consideraciones que influyen en la carbonatación son que: un aumento en la
relación agua/cemento favorece el proceso de carbonatación al aumentar la
permeabilidad de los hormigones; por lo contrario, un aumento en la dosificación del
cemento dificultaría el proceso. Por otro lado, humedades relativas entre el 50 y el
60% favorecen al máximo la reacción de carbonatación, pero a partir de estos
valores se presenta un descenso que llega a valores nulos cuando se tienen
hormigones completamente saturados. De igual manera ambientes con alta
polución afectan a la calidad del recubrimiento, causa directa para que se origine la
corrosión por carbonatación.
21
1.6 Diferentes tipos de corrosión.
1.6.1 Corrosión electroquímica
El paso de corriente eléctrica directa a través del hormigón o del refuerzo puede
crear corrosión. Este tipo de corriente es producida frecuentemente por fugas de
sistemas eléctricos o por no haber dispuesto de un medio permanente para
conectar los sistemas eléctricos a tierra. La corrosión de los metales embebidos
también puede ser causada por una corriente eléctrica generada dentro del mismo
hormigón, debido a que se pueden provocar diferencias de potencial eléctrico en
diversos puntos, ocasionados por los distintos contenidos de humedad,
concentración de oxígeno, concentración de electrolitos o por contenido de metales
diferentes (ver figura 1.6).
(a)
(b)
Figura 1.6 Mecanismos de corrosión: a) Mecanismo de corrosión electroquímica,
b) Mecanismo de corrosión electroquímica en presencia de cloruros.
Fuente:(Concreto, 2017)
22
1.6.2 Corrosión uniforme y corrosión localizada
La corrosión uniforme es el resultado de una pérdida generalizada de la capa
pasivadora, como consecuencia de los fenómenos de carbonatación y/o la
presencia excesiva de iones cloruro. También puede ser el resultado de la
lixiviación de la pasta de cemento de un hormigón, por la acción de aguas puras o
ligeramente ácidas. La corrosión localizada actúa solamente en determinadas
áreas de la superficie (ver figura 1.7). Esto puede deberse al acceso discontinuo de
oxígeno. También, si hay iones cloruro en el hormigón, ellos mismos pueden
acumularse en el intersticio que resulta entre el recubrimiento y el acero
fomentando la corrosión localizada.
Figura 1.7 Esquema de la morfología de la corrosión uniforme y localizada.
(Fuente:(Concreto, 2017)
1.6.3 Corrosión por picaduras
Se presenta en forma de picaduras estrechas y profundas como consecuencia de
una zona anódica que se corroe. Es un tipo de corrosión localizada, en la que la
capa pasivadora se destruye por alguna heterogeneidad, como diferencias de
composición del metal, corrosión bajo esfuerzo o el ingreso de iones cloruro (ver
figura 1.8).
23
Figura 1.8 Representación de corrosión por picadura. Fuente:(Concreto, 2017)
1.6.4 Corrosión galvánica
También conocida como corrosión bimetálica, ocurre cuando existen dos metales
diferentes embebidos en el mismo medio electrolítico. Este tipo de corrosión
también puede presentarse cuando las barras que están más cercanas a la
superficie empiezan a corroerse por acción de los cloruros, mientras que las
internas permanecen pasivas; es decir, se forma una macro celda de corrosión.
1.6.5 Corrosión bajo esfuerzo
Es un fenómeno que suele suceder en el hormigón preesforzado, donde se usan
aceros de alta resistencia. La corrosión bajo esfuerzo se da cuando se conjugan
dos factores fundamentales: los esfuerzos de tracción sobre el acero y un medio
agresivo. Si el acero empleado es sensible a las fallas de naturaleza, los procesos
anódicos muy localizados pueden llevar a la fisuración del acero debido a tensiones
elevadas permanentes. (Concreto, 2017)
1.7 Corrosión de los diferentes materiales en el hormigón.
1.7.1 Aluminio
El aluminio embebido en hormigón se puede corroer y provocar la fisuración del
hormigón. Se generan condiciones que favorecen la corrosión cuando el hormigón
contiene acero en contacto con el aluminio, cuando hay cloruros presentes en
concentraciones significativas, o cuando el cemento tiene un elevado contenido de
álcalis. Aumentar la cuantía de acero (cuando los metales están acoplados),
24
particularmente en presencia de cantidades significativas de cloruros, aumenta la
corrosión del aluminio. Además, cuando el hormigón fresco entra en contacto con
el aluminio puede haber evolución de hidrógeno gaseoso. Esto puede aumentar la
porosidad del hormigón y la penetración futura de agentes corrosivos. Algunas
aleaciones de aluminio son más susceptibles a este problema que otras. Se ha
comprobado que los inhibidores de la corrosión (por ejemplo, el nitrito de calcio)
mejoran la resistencia a la corrosión del aluminio en el hormigón.
1.7.2 Plomo
El hidróxido de calcio puede atacar el plomo presente en un hormigón fresco o
destruirlo en pocos años. El contacto entre el plomo y el acero de las armaduras
puede acelerar el ataque. Se recomienda utilizar sobre los elementos de plomo
embebidos en hormigón un plástico o camisa protectora que no sea afectada por el
hormigón húmedo. Es poco probable que la corrosión del plomo embebido
provoque daños al hormigón.
1.7.3 Cobre
Normalmente el cobre no es corroído por el hormigón, tal como lo demuestra el
difundido y exitoso uso de tapajuntas de cobre y tuberías de cobre embebidas en
hormigón. Sin embargo, se ha informado corrosión de las tuberías de cobre cuando
hay amoníaco presente. Además, se conocen informes que indican que pequeñas
cantidades de amonio y posiblemente de nitratos pueden provocar fisuración bajo
tensión inducida por la corrosión del cobre embebido. También se debe observar
que se generan circunstancias desfavorables si el hormigón contiene acero
conectado al cobre. En este caso se produce la corrosión del acero.
1.7.4 Zinc
El zinc reacciona con los materiales alcalinos que se encuentran en el hormigón.
Sin embargo, en el hormigón algunas veces intencionalmente se embebe zinc en
forma de recubrimientos galvanizados sobre las armaduras. Los datos disponibles
son contradictorios en lo que se refiere a los beneficios que se obtienen, si es que
se obtienen, del uso de estos recubrimientos. Se recomienda utilizar un baño
cromado sobre las barras galvanizadas o agregar 400 ppm de cromato en el agua
25
de mezclado para evitar la evolución de hidrógeno en el hormigón fresco. Al utilizar
sales de cromo es necesario extremar los cuidados, ya que podrían provocar
alergias en la piel. Además, se advierte a los usuarios que no deben permitir que
dentro de la estructura los elementos de acero galvanizado entren en contacto con
elementos de acero no galvanizado, ya que la teoría indica que el uso de metales
diferentes puede provocar corrosión galvánica. Se ha demostrado que los
inhibidores de la corrosión, como por ejemplo el nitrito de calcio, mejoran la
resistencia a la corrosión del zinc embebido en hormigón. Se han informado casos
de corrosión y perforación de las planchas corrugadas galvanizadas utilizadas
como encofrados permanentes en cubiertas y tableros de puentes de hormigón.
Los daños reportados se limitan principalmente a los hormigones con cantidades
apreciables de cloruros y a las regiones en las cuales está permitido drenar
soluciones que contienen cloruros sobre las planchas galvanizadas.
1.7.5 Otros metales
Los metales con aleaciones de cromo y níquel tienen una buena resistencia a la
corrosión dentro del hormigón, al igual que la plata y el estaño. Sin embargo, la
resistencia a la corrosión de algunos de estos metales puede ser gravemente
afectada por la presencia de cloruros solubles en agua de mar o sales
descongelantes. Ciertas circunstancias especiales podrían justificar el uso de acero
inoxidable Monel o Tipo 316 en ubicaciones marítimas si hay datos disponibles que
documenten su comportamiento superior en hormigón que contiene humedad y
cloruros u otros electrolitos. Sin embargo, los aceros inoxidables de la Serie 300
son susceptibles a la fisuración bajo tensión que induce la corrosión si la
temperatura es superior a 140ºF (60ºC) y el material está en contacto con
soluciones que contienen cloruros. Los elementos de acero expuestos que se
encuentran próximos a un elemento de hormigón pueden descargar óxido y
manchar las superficies de hormigón.
1.7.6 Plástico
El plástico es cada vez más utilizado para fabricar tuberías, escudos, tapajuntas,
apoyos y soportes para las armaduras del hormigón, y también como un
componente de la mezcla del hormigón. Muchos plásticos son resistentes a los
26
álcalis fuertes y se espera que su comportamiento en el hormigón sea satisfactorio.
Sin embargo, debido a la gran variedad de plásticos y materiales compuestos que
con ellos se utilizan, para cada aplicación se deberían desarrollar datos de ensayo
específicos. Ciertos epoxis especiales se utilizan con gran éxito como recubrimiento
para las barras de armadura.
1.7.7 Madera
Durante mucho tiempo se ha utilizado madera en o cerca del hormigón. La madera
se utiliza en forma de aserrín, pulpa y fibras de madera incorporadas en el hormigón
y/o como elementos de madera directamente embebidos en hormigón. El uso de
aserrín, astillas o fibras de madera sin tratar generalmente da por resultado
hormigones de fraguado lento y baja resistencia. La incorporación de cal hidratada
en una proporción de 1/3 a 1/2 del volumen de cemento generalmente minimiza
estos efectos en forma efectiva. La incorporación adicional de cloruro de calcio
dihidratado en una proporción de hasta 5% en peso del cemento también contribuye
a minimizar estos efectos. Sin embargo, estas cantidades de cloruro de calcio
pueden tener efectos adversos importantes sobre el propio hormigón. Otro
problema con estos hormigones es su susceptibilidad a los cambios volumétricos,
los cuales pueden ser provocados incluso por variaciones de la humedad
atmosférica. Estos cambios volumétricos pueden producir fisuración y deformación.
En algunos casos en los cuales se han embebido elementos de madera en
hormigón se ha informado el deslave de la madera por parte del hidróxido de calcio,
con el consiguiente deterioro. Para este tipo de aplicaciones serían más adecuadas
las maderas blandas, preferentemente con elevados contenidos de resina (O'Neill,
2001)
1.8 Costes económicos producto a la corrosión.
La cuantificación de las pérdidas económicas directas e indirectas que se derivan
del deterioro de las estructuras de hormigón armado provocado por el fenómeno de
la corrosión atmosférica del acero de refuerzo embebido en el hormigón armado,
ha resultado muy difícil en la actualidad. No obstante, se demuestra que es posible
cuantificar las pérdidas debido a la ocurrencia del fenómeno. Las mayores pérdidas
por corrosión se deben fundamentalmente a los gastos originados en los costosos
27
trabajos de reparación. Esto se corresponde con la falta de estudios basados en
demostrar que prevenir el fenómeno a partir un estudio que permita establecer los
niveles de agresividad corrosiva de la atmósfera para el acero de refuerzo resulta
mucho menos costoso que combatirlo, lo cual permite demostrar que la extensión
en el tiempo de los trabajos de reparación conduce a un incremento estimado de
los ahorros, así como de una disminución de las pérdidas económicas basadas en
los costos de reparación.
El coste de la corrosión de los metales se estima en torno al 6% del PIB mundial
(un 3% de coste directo y otro 3% de coste indirecto). Evaluaciones llevadas a cabo
por comités de expertos, en corrosión y protección contra la corrosión, fijan las
pérdidas anuales causadas por la corrosión en torno al 3.5 % del producto interno
bruto (PIB) de un país.
Las pérdidas en la ejecución de los estudios de diagnóstico y trabajos de reparación
en las estructuras pueden considerarse directas. Estas pérdidas se basan en el
costo de la mano de obra, la tecnología utilizada, la inversión en los productos e
insumos de protección, así como el recambio de elementos o partes de la estructura
muy afectada por el fenómeno con el fin de devolverle su vida útil de proyecto. No
obstante, el deterioro en las estructuras de hormigón armado debido a la corrosión
atmosférica del acero de refuerzo, origina un incremento en las pérdidas indirectas
relacionadas con la extracción y elaboración de áridos destinados a la fabricación
de hormigones, así como en la producción de cemento. Esto trae como resultado
un incremento en los costos de producción debido a un mayor consumo de
combustibles fósiles sin la renovación de la energía utilizada.
Las pérdidas directas debido a los costosos trabajos de mantenimiento y
fundamentalmente de reparación en las estructuras a nivel mundial han sido
económicamente muy elevadas, sobre todo en países del primer mundo.
La distribución de costes directos por sectores y el ahorro potencial que se podría
producir se indican en la tabla 1.2.
Aproximadamente, una cuarta parte de la producción mundial de aceros se destina
a la reposición de estructuras afectadas por la corrosión.
28
Como podemos ver en la tabla 1.3 la producción anual de acero, en el año 2010,
fue de 1.417.266 miles de toneladas. (Bello, 2011)
Con el cálculo de la cuarta parte de la cantidad indicada, obtenemos que se
utilizaron, para la reposición o reparación de elementos de acero afectados por la
corrosión, aproximadamente 3.000.000 de toneladas de acero durante el año 2010.
Tabla 1.2 Costes estimados por daños de corrosión. Fuente: (Bello, 2011)
Industria o sector Costes estimados (%) Ahorro potencial (%)
Construcción 18 20
Alimentación 3 10
Ingeniería en general 8 30
Administración 4 40
Marina 21 20
Afino met y semi elaborados 2 13
Petróleo y productos químicos 13 8
Energía 4 25
Transporte 25 25
Agua 2 15
Total 100% Promedio 23%
Tabla 1.3 Producción mundial de acero, años 2010 y 2011. Fuente: (Bello, 2011)
El costo anual de reparación en las estructuras de hormigón armado ubicadas en
29
zonas costeras deterioradas por la corrosión atmosférica del acero de refuerzo en
el Reino Unido es alrededor de 755 000 000 de libras esterlinas.35 Del mismo modo
que, de acuerdo con un reporte de la Sociedad Americana de Ingeniería Civil, se
necesitan invertir alrededor de 660 000 000 de dólares en trabajos de
mantenimiento y reparación para que la infraestructura costera norteamericana
alcance un estado favorable.
En el caso de España, según datos del año 2007, el coste directo supera los 48.000
millones de euros. Centrándonos sólo en el acero, los costes suponen en España
el 2,2% del PIB, lo que supone más de 25.000 millones de euros, según los datos
de la Asociación Técnica Española de Galvanización. En los países de nuestro
entorno, esta cifra desciende al 0,8 por ciento del PIB.
En un estudio realizado sobre los daños ocasionados por la corrosión de armaduras
en puentes de autopista de Estados Unidos en 1998, más del 40% de los éstos
eran deficientes estructuralmente u obsoletos funcionalmente. El coste de las
reparaciones y sustituciones se estimaba en 70.000 millones de dólares, siendo
aproximadamente el 20% de los costes debidos a la corrosión de las armaduras,
por el empleo de sales de deshielo. El costo directo de los trabajos de
mantenimiento y reparación en las estructuras de hormigón armado intensamente
afectadas por la corrosión atmosférica del acero de refuerzo en zonas costeras de
Estados Unidos, ha sido aproximadamente de 276 000 000 de dólares,
representando el 3,1% del producto interno bruto de ese país.
En relación con Iberoamérica, no se dispone de información económica definida en
cuanto a las pérdidas económicas vinculadas a los trabajos de mantenimiento y
reparación ejecutados en las estructuras de hormigón armado localizadas en zonas
costeras y muy afectadas por el fenómeno.
En Cuba, existe la misma problemática que a nivel mundial, basado en lo difícil que
ha sido cuantificar y demostrar las pérdidas directas o indirectas, relacionadas con
el deterioro de las estructuras debido al fenómeno de la corrosión atmosférica del
acero de refuerzo embebido en el hormigón armado. Sin embargo, el costo total de
los trabajos de reparación en ocho estructuras en la capital y otras zonas costeras
del país de elevado potencial constructivo fue de $ 2 667 055,53 en moneda
30
nacional (CUP) y pesos convertibles (CUC), manteniéndose casi esta misma
tendencia durante años anteriores. (Valdéz & Rodriguez, 2014)
1.9 Agresividad y recubrimiento en las estructuras de hormigón armado.
La protección que le brinde el hormigón a la armadura dependerá del grado de
impermeabilización que éste le proporcione, por lo que el espesor del recubrimiento
es muy importante. El recubrimiento de hormigón es la distancia entre la superficie
exterior de la armadura (incluyendo cercos y estribos) y la superficie del hormigón
más cercana.(Anon., 2012)
El recubrimiento a utilizar esta en función de la agresividad del ambiente y de la
calidad del hormigón, así también del tamaño máximo del agregado grueso
(ROBLES & ARTURO, 2010)
1.9.1 Agresividad en las estructuras.
Para las estructuras o elementos de hormigón armado o pretensado expuestos a la
atmósfera, al agua (de mar, salobre, dulce o freática) y a suelos comunes, se
establecen 4 categorías de agresividad.
Muy alta
Elementos de estructura marinos por encima del nivel de la marea alta y en
zonas de recorridos de mareas.
Estructuras situadas en las proximidades de la línea costera hasta 500 m.
del mar en la costa norte y hasta 100 m en la sur.
Estructuras no impermeabilizadas en contacto con aguas que presenten
un contenido elevado de cloruros no necesariamente relacionados con el
ambiente marino.
Edificaciones y otras estructuras situadas en las proximidades indicadas de
las costas y cayos.
Ejemplos:
Puentes en las proximidades indicadas de la costa y pedraplenes.
31
Zonas aéreas de diques y otras obras de defensa del litoral.
Instalaciones de los puertos.
Piscinas, estanques de acuarios y tanques, con aguas de mar o salobres,
etc.
Alta
Elementos de estructuras marinas sumergidos permanentemente.
Estructuras situadas en la franja costera a más de 500 m y hasta 3 km del
mar en la costa norte y a más de 100 m y hasta 1 km en la costa sur.
Estructuras soterradas bajo la influencia total ó parcial de agua de mar o
salobre.
Edificaciones y otras estructuras situadas en las proximidades indicadas
de las costas.
Ejemplos
Puentes en las proximidades indicadas de la costa.
Zonas de diques y otras obras de defensa costera sumergidas
permanentemente.
Cimentaciones y zonas sumergidas de pilas de puentes en el mar.
Cimentaciones y estructuras soterradas en general bajo las influencias
Media
Estructuras situadas en la franja costera a más de 3 km y hasta 20 km de
la costa norte y a más de 1 km y hasta 20 km de la costa sur.
Estructuras soterradas bajo la influencia total o parcial de aguas y suelos
comunes.
Depósitos de agua dulce.
Interiores de edificaciones aisladas del medio exterior y sometidas a
humedades altas o condensaciones.
Estructuras situadas en zonas de humedades relativas medias anuales
mayores de 65%.
Edificaciones y otras estructuras situadas en las proximidades indicadas de
las costas.
32
Ejemplos
Cimentaciones en general bajo los requerimientos indicados.
Piscinas, cisternas, tanques, conductoras y otros depósitos en general, que
contienen agua dulce.
Sótanos no ventilados.
Locales destinados a saunas, lavanderías, fregados, etc. que posean altas
humedades con altas frecuencias de ocurrencia.
Todos los casos de estructuras situadas en las franjas costeras indicadas
o a mayores distancias, pero sometidas a humedades relativas superiores
al 65%.
Baja
Estructuras situadas a más de 20 km de ambas costas.
Interiores de edificaciones no sometidos a condensaciones.
Estructuras soterradas no afectadas por las aguas subterráneas o freáticas
en suelos comunes.
Estructuras situadas en zonas de humedades relativas medias anuales
iguales o menores del 65%.
Ejemplos
Edificaciones y otras estructuras situadas en las franjas costeras y bajo las
condiciones indicadas.
Interiores de edificios protegidos de la intemperie.
Sótanos y obras soterradas ventiladas o sometidas a humedades inferiores
al 65%.
Cimentaciones en general bajo los requerimientos indicados.
(NC-250, 2005)
También existe otras categorías de agresividad en las estructuras donde la
podemos observar en el anexo I, las cuales se dividen varias clases y subclases
según la exposición de las estructuras y en el que nos describe el tipo de proceso,
su descripción y nos ejemplifica cada uno.
33
1.9.2 Recubrimientos.
El recubrimiento del hormigón es la distancia entre la superficie exterior de la
armadura más externa (incluyendo cercos y estribos) y la superficie exterior de
hormigón más cercana. Esta disposición modifica el uso común en Cuba de
considerar el recubrimiento a la superficie de la armadura principal, buscando por
tanto la protección de todo el refuerzo del elemento, lo que provoca un incremento
del recubrimiento efectivo del acero longitudinal.
Importante papel desempeña el recubrimiento en las barras, que se seleccionan
siguiendo criterios de protección de estas ante la agresividad del medio (ver tabla
1.4). En resumen, las funciones del recubrimiento son:
Protección ante el intemperismo
Protección ante el fuego
Protección ante la corrosión
Garantizar una adecuada adherencia hormigón acero
Evitar oquedades y grietas, al facilitar el hormigonado\
Tomando en consideración estos requerimientos, los valores de recubrimientos
dependerán de:
Medio ambiente
Diámetro de barras
Características de las barras
Tipo de elemento
Características del elemento (áridos, forma de vertido del hormigón, etc.)
En ningún caso el recubrimiento podrá ser inferior al diámetro mayor de la barra
longitudinal ni a 1.25 veces el tamaño máximo del árido.
1.10 Fisuración en las estructuras de hormigón armado
El riesgo de corrosión en el acero has sido continuamente relacionado al ancho o
tamaño de las fisuras en el hormigón. En años pasados, las normativas solo
recomendaban un límite máximo para este parámetro que variaba, desde 0.3 mm
para elementos interiores en ambiente no agresivo, hasta 0.1 mm para exposición
34
en ambientes agresivos. Tiempo después, otros estándares más detallados fueron
publicados para tomar en cuenta el tipo de acero de refuerzo y el hecho que el
tamaño de la agrieta podría variar con el tiempo. Se debe comprender que las
fisuras o grietas en las estructuras de hormigón pueden tener diferentes orígenes
y características. (ROBLES & ARTURO, 2010)
Tabla 1.4 Valores mínimos de recubrimientos por elementos estructurales (mm).
Fuente: Libro de texto Hormigón I
La durabilidad es, junto a consideraciones funcionales y de aspecto, uno de los
criterios en los que se basa la necesidad de limitar la abertura de fisura. Los valores
máximos a considerar, en función de la clase de exposición ambiental, serán los
indicados en la tabla.(Anon., 2012)
Categoría de agresividad
Muy alta Alta Media Baja
Pilotes hormigonados in situ contra el suelo 75 75 75 75
Pilotes prefabricados 50 50 50 50
Cimientos sin sellos 70 70 70 70
Cimientos con sellos 50 50 50 50
Muros (paredes) hormigonados contra terreno 70 70 70 70
Muros (paredes) hormigonados contra cofre 50 40 40 40
Zapatas hormigonadas contra terreno 40 35 35 35
Zapatas hormigonadas contra cofre 50 50 40 40
Zapatas Prefabricadas 45 45 35 35
Tímpanos y muros, hormigonados in situ 40 40 30 30
Tímpanos y muros, hormigonados prefabricados 50 40 30 25
Losas, elementos laminares, nervios y viguetas, hormigonados in
situ 40 25 30 25
Losas, elementos laminares, nervios y viguetas, prefabricados 35 30 25 20
Pilotes hormigonados in situ contra el suelo 75 75 75 75
Columnas y vigas, hormigonadas in situ 50 40 40 30
Columnas y vigas, prefabricadas 35 35 30 25
35
Tabla 1.5 Valores máximos de la abertura (Wmax) de fisura en función de la clase de
exposición ambiental. Fuente: (Anon., 2012)
Donde:
I: no agresiva
IIa: normal con alta humedad
IIb: normal con humedad media
IIIa: marina aérea
IIIb: marina sumergida
IV: con cloruros de origen diferente al medio marino
IIIc: marina en zona de mareas
Qa: agresividad química débil
Qb: agresividad química media
Qc: agresividad química fuerte
1.11 Detección y evaluación del estado de corrosión.
1.11.1 Evaluación del daño por corrosión.
Hemos descrito anteriormente los principales mecanismos de corrosión. Pero si
se desea realizar una reparación efectiva debemos entender las causas y
extensión del daño, y aún más, el riesgo del desperdicio innecesario de recursos
al efectuar una inadecuada y cara reparación. Se explicará cómo evaluar la
condición de la corrosión en estructuras de hormigón reforzado.
Una evaluación de la condición de la corrosión no es una supervisión de tipo
Clase de exposición Hormigón armado
(Wmax)
Hormigón pretensado
(Wmax)
I 0.4 0.2
IIa, IIb 0.3 0.2
IIIa, IIIb, IV, 0.2 Descompresión
IIIc, Qa, Qb, Qc 0.1 Descompresión
36
estructural. Cualquier tipo de rupturas, deflexiones o pérdidas excesivas requieren
una evaluación estructural antes de ser reparadas por el daño de la corrosión.
1.11.2 Técnicas de detección y evaluación.
Esta sección explica las técnicas de evaluación más importantes, así como, sus
alcances, limitaciones y los recursos necesarios para llevarlas a cabo. A
continuación, se presenta la tabla 1.6 donde se muestran las principales técnicas
de evaluación.
Tabla 1.6 Técnica de detección y evaluación más comunes. Fuente: (ROBLES &
ARTURO, 2010)
Información buscada Técnicas de evaluación Persona que ejecuta
Extensión e importancia
de la fisura. Otros
defectos
Inspección visual General
Profundidad de
carbonatación
Fenolftaleína General
Presencia de cloruros Extracción de muestras
para análisis de
laboratorio
General/Especialista
Estado de corrosión del
acero
Medición del potencial General/Especialista
1.11.3 Inspección visual.
La inspección visual es el primer paso de cualquier investigación. Puede
comenzar como un “vistazo” que ayuda a localizar algún pequeño problema y
puede terminar como un riguroso chequeo o registro de cada defecto encontrado
en la superficie del hormigón.
Cuando se identifica algún problema, hay que registrar los defectos y los puntos
en los que habrá que realizar pruebas y ensayos.
El equipo principal a utilizar es obviamente el ojo humano, auxiliado por un libro
de notas o computadora de bolsillo y una cámara fotográfica. Una supervisión
37
sistemática puede ser planeada en un futuro. Muchas compañías que se
dedican a este tipo de supervisión, tienen sistemas estandarizados de indicación
de la naturaleza y extensión de los daños.
Es común registrar la fecha, hora y condiciones climáticas donde se esté haciendo
la inspección, así también anotar otras observaciones como escurrimiento de agua
o presencia de musgos.
Los principales indicios del daño por corrosión a inspeccionar pueden ser (ver
figura1.9):
Fisuración
Desconchado de la superficie del hormigón. Manchas de cal en la superficie
del hormigón. Presencia de salitre.
Manchas de óxido.
Cambios de propiedades: color, textura o resistencia. Filtraciones en juntas:
por agua o agua contaminada.
Abrasión: pérdida de masa progresiva de la superficie del hormigón.
Exposición a malas condiciones ambientales.
Figura 1.9 Principales daños a detectar: oxidación, humedad, fisuras. Fuente:
(ROBLES & ARTURO, 2010)
La interpretación de los datos registrados en la inspección está comúnmente basada
en la experiencia del ingeniero o técnico a cargo.
La principal limitación es la habilidad de efectuar la inspección. Algunos daños o
defectos pueden ser no tomados en cuenta por otros. Hay diferentes manuales
38
que catalogan y ayudar a diferenciar los diferentes daños en la estructura.
1.11.4 Determinación de la presencia de cloruros.
La cantidad de cloruros es usualmente determinada disolviendo muestras de polvo
del hormigón en acido. Las muestras son tomadas con taladro, o del hormigón
quebradas o molidas. Es preferible recolectar una serie de muestras a diferentes
profundidades, así, el perfil de cloruros puede ser hecho correctamente. El
hormigón también puede ser cortado en rodajas y después molido. Así como la
prueba de la profundidad de carbonatación, el perfil de cloruros debe ser relativo al
recubrimiento, entonces la profundidad del acero respecto a los cloruros puede ser
determinada.
Los perfiles de cloruros también pueden ser usados para determinar el coeficiente
de difusión y para predecir el progreso del ingreso al hormigón.
Es importante reconocer que estos perfiles y rangos son aproximados. También
es importante entender que los niveles de cloruro en el acero determinan la
extensión de la corrosión, pero el perfil determina la tasa futura.
La cantidad de cloruros puede ser medida por diversos métodos. En el laboratorio,
muestras de polvo se disuelven en ácido y luego tratadas para hallar la
concentración de cloruros.(ROBLES & ARTURO, 2010)
1.12 Métodos para medir el estado de corrosión en las estructuras.
Por las características del hormigón de ser una masa de apariencia homogénea y
compacta, se podría pensar que es impermeable al paso de líquidos y gases e
inerte químicamente. Pero los daños observados en obras civiles demuestran lo
contrario, registrándose agrietamientos y elementos metálicos fuertemente
oxidados en el interior del hormigón. La estimación del estado de corrosión de la
armadura metálica ha sido estudiada colocando muestras en diferentes
condiciones de temperatura, concentración salina, intemperismo, etc., conocidas
mediante el análisis del estado superficial de las barras.(Moreno, López, & Madrid,
2001b)
39
Debido a la importancia del conocimiento del proceso de corrosión para evitar el
degradado de las estructuras armadas de hormigón, con el transcurso de estas
investigaciones se han desarrollado diversas técnicas analíticas de ensayo para
poder emitir criterios acerca de la calidad y avance de este efecto que corroe al
acero de refuerzo.
Son múltiples la cantidad de ensayos y estudios que se desarrollan en el tema de
la explicación y caracterización de los fenómenos y procesos que intervienen en los
mecanismos de transporte de iones cloruros a través del hormigón hidráulico, ya
que es una de las principales causas que desencadena la corrosión del acero de
refuerzo. Existen los métodos de evaluación in situ de cloruros, destructivos y no
destructivos”, también existen los métodos de laboratorio, siendo los ensayos de
migración de cloruros por potencial eléctrico uno de los más empleados, ya que
permite obtener resultados de la penetración de iones cloruros a través de
especímenes de hormigón en períodos de tiempo corto.
1.12.1 Métodos destructivos
Estos métodos para la determinación de iones cloruros, ya que requieren de la
extracción de la solución de poros del hormigón, en estos pueden resultar
significativos los errores de medición, con resultados por debajo o por encima de lo
estimado. Estas técnicas son usadas principalmente para decisiones a corto plazo
con respecto al mantenimiento y actualización del modelo.
Método Volhard
Método de mediciones potenciometrica de la solución de poros
1.12.2 Métodos no destructivos
En las últimas dos décadas son diversos los estudios y los avances que se han
alcanzado en las técnicas no destructivas de medición in situ de la penetración de
iones cloruros en el hormigón, obteniendo resultados de la concentración del
cloruro. Dentro del campo de aplicación de las técnicas de medición no destructivas
in situ, se utilizan dos técnicas fundamentales las electroquímicas y las
electromagnéticas.
40
- Técnicas electromagnéticas.
Las técnicas electromagnéticas basan su estudio en los campos eléctricos y
magnéticos (sensores, espectroscopia, resonancia magnética) con un gran
desarrollo de sus instrumentos para medir índices y concentraciones dentro de las
muestras de hormigón que a simple vista sería imposible determinar.
Sensor óptico basado en la fluorescencia
Espectroscopia laser
Sensor óptico basado en el índice de refracción
Espectroscopia laser desglose
Sensor de fibra óptica
- Técnicas electroquímicas.
Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica
(oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la
temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de
los metales en cuestión.
Método de corriente impuesta (lollipods)
Medición potenciometrica
La resistividad eléctrica (ER) y el análisis de impedancia
Medición cronopotenciométrica
- Sensores para monitorear la corrosión en estructuras
Sensor de transpondedores. (Meyer, 2010)
Sistema de sensores. (Bello, 2015b)
Sensor de pH y de cloruro.(Femenias & Angst, 2017; Femenias & Caruso,
2015)
Sensor para múltiples profundidades. (Systems, 2017)
Sensores electroquímicos.
41
1.12.3 Métodos de laboratorio
Ensayo de permeabilidad de cloruro
Ensayo de migración eléctrica
Ensayo de Ponding
Ensayo de difusión de estado no estacionario (Díaz, 2016)
Conclusiones parciales del capitulo
1. El hormigón reforzado con barras de acero, es uno de los materiales de
construcción más empleados en la actualidad, sin embargo, las estructuras
de hormigón armado tienen el inconveniente de ser susceptibles al deterioro
de los refuerzos por el ataque de la corrosión, afectando con ello el período
de vida útil para el cual está destinada la estructura.
2. La corrosión del acero en estructuras de hormigón sucede por un proceso
electroquímico de oxidación seguido por el desgaste de la película pasiva
del acero, producto de la entrada de iones cloruros o por el proceso de
carbonatación.
3. Las afectaciones por corrosión en las estructuras de hormigón armado
representan grandes pérdidas económicas a nivel mundial
4. Los estudios existentes para determinar el grado de corrosión del acero de
refuerzo son en su mayoría, métodos destructivos y no predictivos, al
presentar una interpretación compleja de los resultados. Es por ello que la
metodología basada en los sistemas de sensores de pH y cloruros,
embebidos dentro de la estructura, resulta el método más viable para
determinar el grado de corrosión en la estructura.
5. La determinación de los lugares más sensibles a la corrosión dentro de las
estructuras depende de varios factores y puede ser complejo su
esclarecimiento, por lo tanto, la selección óptima de los lugares de control
requiere de análisis profundos.
42
Capítulo 2: Modelación estructural del puente del vial “Viaje
infinito” en el SAP2000.
2.1 Proyecto Viaje infinito
Este proyecto se llevará a cabo en la provincia de Sancti Spiritus, en el municipio
de Zaza del Medio y fue aprobado por las autoridades de la provincia. El MINCULT
le asigna un presupuesto para su construcción e incluye la adquisición de
materiales. El proyecto constituye una obra de arte del artista de la plástica Wilfredo
Prieto.
Viaje infinito es una escultura de grandes dimensiones y de carácter funcional: es
una carretera que se construirá según las normativas vigentes para la construcción
de viales y de acuerdo con los diseños más actuales en este campo. La forma de
la carretera reproduce el símbolo matemático de infinito, por lo que tendrá la forma
de un lazo o de un número ocho alargado (ver figura 2.1).
Tendrá 1 kilómetro y 200 metros de longitud y, transversalmente, 200 metros en su
parte más ancha. Contará con cuatro vías de circulación de 3 metros cada una. En
la intersección de los viales se construirá un paso elevado para permitir la
circulación en ambas direcciones.
El vial carecerá de entradas o salidas, no tendrá un ramal o un paso que la
comunique con otras vías; para acceder a ella deberá transitarse sobre la tierra y
la vegetación y el viaje podrá comenzar en el punto donde lo desee el transeúnte.
Figura 2.1 Diseño del vial “Viaje infinito”. Fuente:(Martirena, 2017)
43
La zona donde se levante podría convertirse en un área reservada, un parque con
protección especial por sus valores estéticos y naturales.(Martirena, 2017)
2.2 Características del puente del Vial “Viaje infinito’’
Los elementos estructurales del puente se construirán de forma prefabricada
utilizando el cemento LC3-50. Tendrá una longitud de 32,00 m y sus principales
elementos estructurales están compuestos por: columnas, vigas cabezal, vigas
longitudinales y losa (ver anexo II). Los estribos del puente serán cerrados
Las columnas están constituidas por un grupo de cinco pilas en el centro de la vía
(ver anexo III). Tienen 4,20 m de alto y una sección de 0,60 m x 0,60 m (ver anexo
IV).
Las vigas cabezal están divididas en dos: interiores y exteriores. Los dos interiores
tienen una longitud de 4,20 m y su sección es de 0,70 m x 70 m. Los dos exteriores
presentan una longitud de 6,45 m y su sección es de 0,70 m x 0,70 m, excepto a
1,05 m de su extremo que se reduce su sección a 0.35 m x 0.30 m (ver anexo V).
Las vigas longitudinales tendrán un largo de 16 m y su sección será de 0,85 m x
0,40 m (ver anexo VI) y serán 14 vigas a cada lado del grupo de pilas (ver anexo
VII).
Todo el diseño de los elementos del puente se realizó por el catálogo de Proyectos
típicos cubano-soviético para puentes de carretera.
2.3 Características del Cemento Bajo Carbono (LC3) utilizado en puente
Los elementos estructurales del puente se realizarán con la utilización del cemento
bajo carbono LC3. Estos elementos requieren una resistencia de 30 MPa y las
barras de acero utilizadas serán de G-40.
2.3.1 El Cemento de Bajo Carbono
El Cemento de Bajo Carbono es un cemento que utiliza el matekaolin (MK) como
material cementicio suplementario. El MK es un aluminosilicato activado
térmicamente, que se produce al calcinar el caolín a temperaturas alrededor de
44
650°C y 800°C; con esta temperatura se hace una transformación de su estructura
cristalina que al perder el agua combinada por la acción térmica destruye la
estructura cristalina del caolín. Al realizar reemplazos de cemento por MK con
porcentajes cercanos al 30% se logra, desde edades tempranas, valores de
resistencia a compresión muy superiores que los del CPO, incluso superiores a
otros cementos con fines específicos que se producen en el mundo.
En la figura 2.2 se muestra la comparación de las resistencias entre el cemento con
adición de MK en un 30% (denominado SIG B45) y otros cementos como el
cemento portland ordinario (CPO).
Figura 2.2 Comparación entre la resistencia a la compresión de varios cementos.
(Hernández., 2014)
También se ha probado que los hormigones adicionados con MK tienen mejor
laborabilidad pues se acorta el tiempo de fraguado inicial y ayuda a controlar la
reacción álcali agregado que reduce el riesgo de corrosión del refuerzo, la
hidratación del cemento y mejora la durabilidad del hormigón por la disminución
significativa de la permeabilidad a los agentes agresivos a través de la matriz. La
incorporación de porcentajes mayores del 20%, muestra una importante reducción
del volumen y tamaño de los poros en las pastas, disminuyéndolos hasta un 15%,
evitando la penetración de los agentes agresivos. Por lo que uso directo o el uso
del CBC para hacer hormigones debe tener efectos positivos en la durabilidad y
resistencia de las estructuras.(Hernández., 2014)
45
En estudios realizados anteriormente, se ha demostrado que el LC3 posee
excelentes propiedades. En pruebas de resistencia a las 24 horas alcanzó el 15 %
de la resistencia que se alcanza en 28 días. No incrementa la demanda de agua, y
tiene un fraguado normal, similar a los cementos comerciales P-35 y PP-25. Esta
nueva tecnología permite triplicar los niveles actuales de sustitución de clínquer que
logra la industria de cemento en Cuba, para producir un cemento de similar
resistencia y con una sorprendente firmeza a la penetración de cloruros en
ambientes agresivos (Manso, 2016), gracias al uso de la arcilla calcinada en la
producción del LC3 permite disminuir sustancialmente la emisión de CO2 a la vez
que reduce el contenido de clínquer. (Andrés, 2014)
2.3.2 Evaluación de durabilidad de hormigones producidos con cemento LC3
Para poder comparar el cemento LC3 con los cementos tradicionales es necesario
realizar pruebas de durabilidad en especímenes de hormigón producidos con los
materiales en cuestión. Para este objetivo se decidió construir un sitio de exposición
en condiciones reales, en el que especímenes de hormigón producidos con
cemento LC3 y con cemento P35 fueron colocados desde principios de 2014 para
que soporten las duras condiciones costeras en la zona. El programa de
investigación considerado fue: (i) Ensayo de carbonatación; (ii) Ensayo de
migración de cloruros, y (iii) Medición de la permeabilidad de aire.
En el estudio de carbonatación los resultados evidencian un mejor comportamiento
de las series producidas con el cemento LC3. Los valores más altos del factor de
formación de las series estudiadas se corresponden con las matrices donde se
produce la menor migración de iones, corresponden a las series producidas con el
cemento de bajo carbono. Los resultados de permeabilidad indican un realce de la
actividad puzolánica posterior a los 28 días y su efecto en el refinamiento de la
estructura de poros de la matriz cementicia en el cemento LC3.(Martirena, 2015)
2.4 Modelación estructural del puente del vial “Viaje infinito” en SAP2000
En este epígrafe se realiza el análisis estructural del puente, sin embargo, el
objetivo principal es confrontar y aplicar los criterios de diseño con respecto a los
aspectos de durabilidad referidos a la corrosión, es conocido que problemas
46
estructurales de diseño pueden provocar diversos fenómenos, en ese sentido por
ejemplo altos niveles de concentración de tensiones y con ello la aparición de
fisuras y grietas antesala de la corrosión. De igual modo soluciones inadecuadas
con respecto a las juntas, densidad inadecuada de los refuerzos, o recubrimientos
insuficientes pueden desatar la pérdida de durabilidad de los elementos.
Las cargas utilizadas para la modelación del puente en el SAP2000 se llevaron a
cabo según la NC 733:2009 Carreteras- Puentes y alcantarillas- Requisitos de
diseño y método de cálculo.
El anexo II nos brinda la numeración de las vigas longitudinales de 16 m y las vigas
cabezales, ya que es donde se centra el análisis más importante para esta
investigación
2.4.1 Cargas muertas. Pesos propios
Las cargas muertas de la estructura se tienen en cuenta en el programa al
ingresarle los datos de los elementos, excepto el peso propio del asfalto, las losas
y la carpeta de hormigón que recubre todo el puente que se colocaron como una
carga distribuida en todas las vigas de la estructura.
PP(asfalto)= 2400*1,535*0.06= 221,04Kg/m
PP(losa)= 2500*1,535*0,10= 383,75Kg/m
PP(carpeta)= 2400*1,535*0,07= 257,88 Kg/m
PP(total)= 862,67 Kg/m =8,6267 Kn/m
2.4.2 Cargas accidentales móviles y sus acciones
Para los puentes de autopistas, carreteras y urbanos el diseño se deberá realizar
con el vehículo MS-32 y con el vehículo NK-80 de acuerdo a las disposiciones
establecidas en la norma NC 733:2009.
47
2.4.2.1 Características del vehículo Ms-32
2.4.2.1.1 Colocación del vehículo
Colocación transversal
Se realizará en todo el ancho útil de la calzada situando cualquier número de
vehículos (camión MS-32, ver figura 2.3 y 2.5) o carga de carril o carga distribuida
sustitutiva, paralelos al eje del puente y en el mismo sentido de circulación
longitudinal, con el objetivo de obtener los efectos más desfavorables.
No se colocarán al mismo tiempo el vehículo MS-32 y la carga de carril distribuida
sustitutiva, su ubicación se realizará de forma alternativa, tomándose la solicitación
mayor del resultado de la aplicación por separado de cada una de ellas en su valor
característico.
La distancia transversal de un eje al borde interior de la guarnición no deberá
ser menor de 0,60 m, para los puentes de losa deberá de disminuirse esta
distancia hasta 0,30 m.
Colocación longitudinal
Se deberá colocar un vehículo por carril de circulación en el mismo sentido (ver
figura 2.4), o la carga de carril distribuida sustitutiva, con los valores de carga
concentrada de momento y cortante según la solicitación que se desea
determinar. No se puede aplicar más de una carga concentrada de momento.
La carga de carril distribuida sustitutiva, se permite no aplicarla de forma continua,
cargando de esta manera sólo los tramos de igual signo en las líneas de influencia.
Las cargas concentradas de cortante se permiten aplicar más de una con el
objetivo de obtener la solicitación más desfavorable, estas se aplicarán en los
tramos de igual signo en las líneas de influencia.
48
Figura 2.3 Disposición y dimensiones longitudinales. Fuente: (NC-733, 2009)
Figura 2.4 Disposición y dimensiones transversales. Fuente: (NC-733, 2009)
Figura 2.5 Vista en Planta del vehículo. Fuente:(NC-733, 2009)
2.4.2.1.2 Carga de carril distribuida sustitutiva
La carga MS-32 se permite considerarla como un solo camión tipo en el tramo
analizado o una carga de carril o carga distribuida sustitutiva que incluye una carga
concentrada para el cálculo de momento y una concentrada para el cálculo de
cortante, estas cargas se observan en la figura 2.6.
49
Figura 2.6 Esquemas de las cargas distribuidas y concentradas para el
vehículo normativo MS-32. Fuente:(NC-733, 2009)
En la colocación de las cargas vivas en el programa para este vehículo se utilizó
esta carga carril distribuida sustitutiva para el momento y para el cortante.
2.4.2.2 Características del vehículo NK-80
2.4.2.2.1 Colocación del vehículo
Colocación transversal
El vehículo NK-80 transmite una carga de 200 KN por cada eje (ver figura 2.7) y su
colocación se realizará en cualquier posición del ancho útil de la calzada, paralelo
al eje del puente. En posición tal que genere los efectos más desfavorables.
No se admite la circulación simultánea con el vehículo MS-32 y la carga de
carril distribuida sustitutiva que se establece en la presente norma.
El espaciamiento entre ejes es de 1.20 m, tiene un ancho de 2.70 m como lo
muestra la figura 2.8. La distancia transversal de un eje al borde interior de la
guarnición no deberá ser menor de 0,65 m (ver figura 2.9).
Figura 2.7 Disposición longitudinal de la carga NK-80. Fuente: (NC-733, 2009)
50
Figura 2.8 Vista en planta de la carga NK-80. Fuente:(NC-733, 2009)
Figura 2.9 Disposición transversal respecto al borde de la carga NK-80. Fuente:
(NC-733, 2009)
Colocación longitudinal
Se deberá colocar el vehículo en la posición longitudinal que genere las
solicitaciones más desfavorables. No se admite carga de carril distribuida
sustitutiva para el vehículo NK-80
Se deberán aplicar las siguientes consideraciones para la carga NK-80
No se le considerará acción dinámica o de impacto.
No se considerará en los cálculos de fatiga.
2.4.3 Combinaciones de carga para el Estado Límite de Utilización.
Las combinaciones de cargas y sus acciones que habrá de considerarse en el
cálculo, dependerán de la probabilidad de ocurrencia simultánea de estas. En la
51
modelación de la estructura se asignaron dos combinaciones de cargas distintas
según lo expresado en la NC 733:2009, las cuales, se enuncian en la tabla 2.1.
PP: carga permanente
CA: Acción vertical debida a la carga accidental móvil.
(NC-733, 2009)
Tabla 2.1 Combinaciones de carga para el vehículo MS-32 y NK-80. Fuente:(NC-
733, 2009)
Vehículo MS-32 o carga de carril. Vehículo NK-80
1,2 PP + 2,2 CA 1,20 PP + 1,10 CA
2.4.4 Solicitaciones en la estructura.
En el cálculo de las solicitaciones originadas por las cargas deberán determinarse
en las posiciones y combinaciones más desfavorables posibles, durante la
explotación y construcción de la obra para cada uno de los elementos y partes
componentes de la misma. Para lograr las mayores solicitaciones en la estructura
los vehículos MS-32 y NK-80 se colocaron de acuerdo a sus características.
El vehículo MS-32 se colocó la carga distribuida sustitutiva y una carga concentrada
en el centro de luz de la viga de 81.70 KN para el momento (ver figura 2.10). Para
analizar el cortante se situó una carga concentrada en uno de los apoyos de la viga
con un valor de 118 KN (ver figura 2.11)
52
Figura 2.10 Colocación de la carga distribuida sustitutiva y de la carga concentrada
del MS-32 el momento. Fuente: Programa SAP2000
Figura 2.11 Posición de la carga distribuida sustitutiva y de la carga concentrada
del MS-32 para el cortante. Fuente: Programa SAP2000
El vehículo NK-80 se ubicó en dos posiciones diferentes uno en el centro de la luz
de las vigas para el momento (ver figura 2.12) y otro en el extremo para el cortante
(ver figura 2.13).
53
Figura 2.12 Posición del vehículo Nk-80 para el momento.
Fuente: Programa SAP2000
Figura 2.13 Posición del vehículo NK-80 el cortante. Fuente: Programa SAP2000
El programa SAP2000, de acuerdo a las combinaciones de carga y a la posición de
las distintas cargas que se le asignaron, nos brinda todos los valores de
solicitaciones existente en cada elemento del puente (ver hoja Excel en anexos).
Acorde a estos resultados se escogieron los valores de momentos y cortantes más
críticos existentes en las vigas de 16m de longitud y en las vigas cabezales, en la
54
tabla 2.2 quedaron registrados.
Tabla 2.2 Valores máximos de cortante y momentos en la estructura. Fuente:
Programa SAP2000
Vehículo NK-80 Vehículo MS-32
Momento Cortante Momento Cortante
Vigas
interiores 5 y 7
2452,61 KN-m 762,65,15 KN 2033,78 KN-m 586,68 KN
Vigas
exteriores
478,98 KN-m 119,74 KN 1868,14 KN-m 545,27 KN
Cabezal
interior
435,91 KN-m 257,33 KN 608,66 KN-m 476,47 KN
Cabezal
exterior
401,92 KN-m 270,61 KN 1055,11 KN-m 696,14 KN
Conclusiones parciales
Según la modelación estructural, dados los diagramas de momentos, se
evidencia una gran concentración de tensiones en las vigas interiores 5 y 7
por lo que supone un lugar de alto riesgo, lo que amerita su control detallado
en el tiempo para detectar la aparición de corrosión.
En los extremos de las vigas 5 y 7 se detecta igualmente una alta
concentración de tensiones, por lo tanto, requiere una alta densidad de
barras de acero, de ahí la necesidad de controlar y monitorear el estado de
la estructura.
Las vigas exteriores no presentan grandes valores de momento ni cortante
como las interiores, sin embargo, son las más expuestas a los agentes
corrosivos dándoles gran significatividad para monitorear su estado de
corrosión.
55
Capítulo 3: Ubicación y colocación de los sensores de pH y de
cloruros en la estructura del puente del vial “Viaje infinito”.
Los sensores de pH y de cloruros resulta el método más viable para determinar el
grado de corrosión en las estructuras de hormigón armado, producto a que métodos
de mediciones anteriores en su mayoría son destructivos y requieren una
interpretación compleja de los resultados.
3.1 Sensores potenciométricos de pH
Un sensor de pH para ser utilizado en medios altamente alcalinos en condiciones
de inmersión continua a largo plazo es crucial en diversas aplicaciones de
ingeniería. Se ha llevado a cabo el desarrollo del protocolo de producción y el
acondicionamiento posterior de electrodos de iridio térmicamente oxidados (IrOx)
para ser utilizados como sensores potenciométricos de pH incrustados en entornos
altamente alcalinos, como el hormigón o el acero protegido catódicamente en el
suelo (Ver Figura 3.1). Cuando se producen, acondicionan y precalibran
adecuadamente, los electrodos permiten medir el pH con un error máximo de 0,5
unidades de pH en un rango de pH mínimo de 9-13,5. Los resultados preliminares
muestran que los electrodos estudiados son sensores prometedores para
monitorear los cambios de pH en el hormigón.
Figura 3.1 Representación esquemática e imagen estereoscópica del electrodo
IrOx. Fuente:(Femenias & Angst, 2017)
Las aplicaciones en ingeniería de corrosión requieren el monitoreo permanente a
largo plazo del pH (en el orden de los años) en medios altamente alcalinos (pH
56
hasta 13.5). En estas aplicaciones, la estabilidad a largo plazo del método es de
suma importancia. Por otro lado, ya que los procesos que conducen a un cambio
en el pH son relativamente lentos, los requisitos para el tiempo de respuesta del
sensor son mucho menos estrictos que en la química analítica.
La aplicación de ingeniería de corrosión más importante para la medición de pH a
largo plazo in situ es el hormigón armado, que es el material de construcción hoy
en día más utilizado en el mundo. En la solución de poros altamente alcalina del
hormigón (pH 12.5-13.5), el acero está protegido de la corrosión por la formación
de una capa de óxido (película pasiva). Debido a la reacción de los componentes
alcalinos en la solución de poro de hormigón con el CO2 de la atmósfera, se inicia
un proceso llamado carbonatación, el pH disminuye a niveles inferiores a 9 y el
refuerzo de acero es despasivado.
En presencia del oxígeno y la humedad, la corrosión del refuerzo se produce, lo
que lleva a la pérdida de durabilidad y, finalmente, el deterioro estructural. Por lo
tanto, el conocimiento del pH en el hormigón es esencial. Los diferentes métodos
probados y utilizados para las mediciones de pH en hormigón se presentan en una
revisión reciente. De esta revisión, surge que la mayoría de los métodos disponibles
son destructivos, lentos y no permiten la monitorización continua del pH. Con
respecto a este último, los sensores de fibra óptica se probaron, pero mostraron
serias limitaciones, como la inestabilidad química a pH alto, la lixiviación del
colorante y la corta vida útil. También se estudiaron electrodos potenciométricos
integrados basados en varios óxidos metálicos para medir el pH en el hormigón.
Entre ellos, los electrodos de iridio / óxido de iridio (IrOx) fueron los más
prometedores.
Los electrodos de óxido de iridio térmicamente oxidado (IrOx) se prepararon y
probaron como sensores potenciométricos de pH en soluciones altamente alcalinas
(pH entre 9 y 13,5) hasta casi 2 años de tiempos de inmersión. Las principales
características estudiadas son la respuesta a los cambios de pH, junto con la
reproducibilidad y la precisión de la respuesta potencial para los electrodos IrOx
individuales. También se estudió la influencia del contenido de oxígeno en las
soluciones y la estabilidad a largo plazo cuando se sumerge de forma continua en
una solución alcalina.
57
3.1.1 Acondicionamiento
Con el fin de proporcionar información precisa y reproducible, los electrodos de IrOx
producidos necesitan un acondicionamiento previo en una solución alcalina para
proporcionar tanto una respuesta potencial de pH reproducible como un tiempo de
respuesta relativamente corto. Los electrodos deben sumergirse durante al menos
3-4 meses hasta que proporcionen potenciales totalmente reproducibles a un pH
dado.
Cuando no está adecuadamente acondicionado, la respuesta potencial de los
electrodos cambia con el tiempo, pero después del tiempo de acondicionamiento
los electrodos IrOx muestran una respuesta potencial reproducible,
independientemente de la exposición previa
3.1.2 Tiempo de respuesta:
Con un suficiente acondicionamiento, el tiempo de respuesta de los electrodos varía
entre unas pocas horas y unos pocos días. Esto es lo suficientemente rápido para
controlar los cambios de pH en el hormigón o el suelo.
3.1.3 Sensores de pH en las estructuras de hormigón.
Como el método no es destructivo, los electrodos incrustados permiten mediciones
a lo largo del tiempo (con una alta resolución de tiempo) para ubicaciones
determinadas en el hormigón, lo que no es posible con medidas destructivas. Estas
se consideran ventajas importantes para diversas aplicaciones. Un ejemplo es toda
investigación que apunta a estudiar la penetración del frente de carbonatación a
través de la cubierta de hormigón. Si están incrustados a ciertas profundidades, los
electrodos IrOx pueden proporcionar información detallada sobre la cinética de la
carbonatación y la evolución temporal del pH de la solución, que está, dependiendo
del tipo y las cantidades de fases sólidas, a diferentes niveles de pH.
Además, los electrodos IrOx permiten medir el pH en el hormigón en las
condiciones de exposición favorables para la carbonatación, que están por debajo
del estado de saturación. Estos electrodos se pueden aplicar en principio también
en la monitorización de estructuras de ingeniería, es decir, incrustadas en el
58
hormigón a diferentes profundidades, esto permitiría medir el pH como una función
del tiempo y la profundidad. Sobre esta base, el tiempo hasta que el pH se reduzca
a un cierto valor en la superficie del acero podría extrapolarse y permitir una
predicción del tiempo hasta la despasivación.
Otra posible aplicación de los sensores podría ser la validación de los modelos de
carbonatación existentes; estos modelos suelen calibrarse contra datos
experimentales determinados con la prueba de spray de solución indicadora. En
este sentido el conocimiento detallado del pH como una función de ambos,
la profundidad y el tiempo, permite refinar y validar modelos de carbonatación para
diferentes condiciones de exposición y para diferentes aglutinantes.(Femenias &
Angst, 2017)
3.2 Sensores de electrodos selectivos de iones Ag / AgCl (ISE)
Los sensores de electrodos selectivos de iones Ag / AgCl (ISE) (Ver Figura 3.2) tiene la
aplicabilidad del control de concentraciones de cloruro en estructuras construidas de
hormigón y expuestos a ambientes con cloruros, como el agua de mar. Por lo tanto, la
estabilidad a largo plazo del ISE Ag / AgCl a valores altos de pH y la posible interferencia
derivada de la presencia de bromuro, sulfato, sulfuro, fluoruro e hidroxilo. De ahí la
capacidad del ISE Ag/AgCl para controlar el contenido local de cloruro en las soluciones
de poro del hormigón.
Figura 3.2 Imagen estereomicroscópica del ISE Ag / AgCl utilizado, consiste en un
alambre Ag recubierto con AgCl. Fuente: (Femenias & Caruso, 2015)
3.2.1 Características de ISE Ag / AgCl
Los ISE (Electrodos selectivos de iones) Ag / AgCl utilizado pertenece a la categoría
de electrodos selectivos de iones con ion sólido intercambiadores. El ISE Ag / AgCl
59
utilizado consiste en plata cubierta por una capa de cloruro de plata. Dado que el
recubrimiento de AgCl tiene una baja solubilidad, el electrolito alrededor del ISE se
satura fácilmente con él y el potencial E del ISE es dado por la ecuación de Nernst:
E = E°Ag=AgCl – (RT/F) * lnaCl-
donde R es la constante de gas, F la constante de Faraday, T la temperatura
absoluta, aCl la actividad de cloruro y E° Ag=AgCl expresa el potencial estándar del
electrodo Ag / AgCl. E°Ag=AgCl está definido por la siguiente ecuación:
E°Ag/AgCl = E° Ag/Ag+ + (RT/F) *lnKS - AgCl
Dónde: E°Ag/Ag+ es el potencial estándar de Ag/Ag+ electrodo y KS AgCl es el
producto de solubilidad de AgCl.
3.2.2 Actividad del cloruro:
El potencial E de ISE depende de la actividad del cloruro, la temperatura y la
sensibilidad a otras especies. En soluciones concentradas, la alta fuerza iónica
causa grandes diferencias entre actividad y concentración. Este fenómeno se tiene
en cuenta para el uso de la actividad iónica aX, que está relacionada con la
concentración cX de una especie X por la actividad del coeficiente zY
aX = γx * cx/c0
Donde:
c0 es la composición de estado estándar (elegida como 1 mol L -1).
3.2.3 Especies interferentes:
Muchas sales de plata tienen solubilidades muy bajas; por lo tanto, en su presencia,
es probable que el ISE sea afectado. La membrana AgCl responde principalmente
a Cl-, Br-, I-, OH- y S2- Éstas son consideradas la principal especie que podría afectar
a la respuesta del ISE Ag / AgCl en hormigón. De acuerdo con la ecuación el
potencial del ISE exhibe un comportamiento Nernstian cuando la siguiente relación
está satisfecha
60
aCl_ =∑ (Kpot
Cl;Y * aY-1=zY)
Aunque se encontró una interferencia insignificante para fluoruro, sulfato e hidroxilo,
la interferencia es relativamente severa para bromuro y sulfuro. Sin embargo,
debido a la alta relación de concentración de cloruro / bromuro en agua de mar, se
considera la interferencia del bromuro insignificante para aplicaciones en
exposición al agua de mar.
3.2.4 Temperatura:
El potencial estándar del electrodo EoAg / AgCl y el término RT/F en la ecuación
depende de la temperatura. Por lo tanto, se realiza el potencial de tanto el cloruro
ISE como el electrodo de referencia contra el cual se realiza la medición, dependa
en la temperatura. Cuando una diferencia de temperatura entre el ISE y el electrodo
de referencia existe, errores en la medición surgen. Las pequeñas diferencias de
temperatura pueden conducir a errores significativos. Por lo tanto, se recomienda
que ISE y el electrodo de referencia se coloquen lo más cerca posible
3.2.5 Estabilidad a largo plazo a pH alto
La estabilidad de los ISEs de Ag / AgCl a pH alto en la ausencia de cloruro se
investigó durante un período de 60 días. Los matraces de Erlenmeyer se llenaron
hasta la parte superior con soluciones de hidróxido de sodio y se cerró con un tapón
de goma a través del cual se insertaron los ISE a través de agujeros perforados.
Los matraces fueron sellados adicionalmente con grasa de silicona para evitar la
evaporación y / o la carbonatación de la solución.
Las soluciones utilizadas para la estabilidad a largo plazo fueron: 0.01 mol L-1
NaOH, 0.1 mol L-1 NaOH, y 1 mol L-1. Para la comparación, 0.1mol L-1. Solución de
NaOH que siempre contenía 0.1 mol L -1. NaCl también se usó en este
experimento. Después de 60 días de inmersión, el cloruro de sodio era añadido a
las soluciones alcalinas libres de cloruro hasta una concentración de 0.1 mol L -1.
61
3.2.6 Sensores de electrodos selectivos de iones Ag / AgCl (ISE) en
estructuras de hormigón armado
Los ISEs de Ag / AgCl son factibles para controlar el ingreso de cloruro en el
hormigón para el propósito de los estudios de corrosión. Permitirá detectar
concentraciones de cloruro muy por debajo de los niveles considerados críticos
para el inicio de la corrosión incluso a pH alto. Una excepción notable es en los
hormigones con alto contenido de escoria de alto horno, donde la presencia de
sulfuros podría perturbar fuertemente las mediciones.(Femenias & Caruso, 2015)
3.3 Colocación y ubicación de los sensores de pH y cloruros.
Los sensores de pH y cloruros se colocan en un pequeño bloque de hormigón,
cuyas dimensiones se pueden apreciar en la figura 3.3, para facilitar una mejor
colocación en los elementos a los que están destinado para su uso. Estos sensores
presentan un espaciamiento entre ellos y el bloque de hormigón para facilitar las
mediciones de la corrosión a diferentes profundidades de los elementos
Figura 3.3 Esquema de los sensores de pH y cloruros. Fuente: (Femenias &
Caruso, 2015).
En la estructura del puente del vial “Viaje infinito” se colocarán cuatro sensores de
pH y cloruros y una caja que registra y almacena los datos que los sensores captan
(ver anexo XVIII). Estos sensores se distribuirán por varios de los elementos que
componen el puente, como: viga cabezal y las vigas de 16 m de longitud. Todos se
62
instalarán en los bordes de los elementos correspondientes. Para su colocación se
tuvo en cuenta las máximas solicitación que se tomaron del SAP2000, por ser
donde más esforzada se encontrará y producto a las acciones de cargas pueden
aparecer fisuras y grietas en los elementos y con ello la potencial corrosión.
Como nos muestra la figura 3.3 la primera fila de dichos sensores nos brindara los
datos en la primera parte del elemento, el recubrimiento. El segundo grupo muestra
el estado de corrosión que pueda existir en las barras de acero de esta zona. Por
último, el tercero nos da la información en la segunda camada de acero y con ello
se puede sacar pronósticos de cuan corroído pudiese estar el elemento. Con la
información que nos aporta cada medición se pueden llevar a cabo pronósticos del
grado de deterioro que presenta y las medidas que se deben ir adoptando. De esta
forma, se asegura el monitoreo continuo de la penetración de cloruro, la
carbonatación y la velocidad de corrosión.
El primer sensor se posicionó en una de las vigas longitudinales exteriores en el
centro de su luz y en su la parte inferior de la cara exterior donde la viga presenta
mayor flexión (ver figura 3.4), al encontrarse esta más expuesta a la acción de
penetración de los agentes agresivos externos como cloruros, nitratos, sulfatos y a
el proceso de carbonatación. Sufrirá grandes procesos de humedecido y secado
producto a las lluvias.
Figura 3.4 Sensor 1 en la viga exterior. Fuente: Elaboración propia.
El segundo sensor se situó en una viga interior (ver figura 3.5) y con semejanza al
anterior en el inferior del elemento (viga número 5, anexo II). El centro de la luz fue
63
el lugar para su colocación producto a las grandes solicitaciones generadas por los
vehículos según la modelación realizada. El lugar seleccionado presenta los
máximos valores de momento siendo estos uno de los factores que podrían desatar
las condiciones para la aparición de la corrosión.
Figura 3.5 Sensor número 2 en la quinta fila de vigas. Fuente: Elaboración propia.
El sensor número tres se propone para su instalación otra de las vigas interiores
(viga número 7, ver anexo II) y al igual que los dos anteriores en la parte inferior de
una de las caras laterales; en uno de los extremos de dicha viga (ver figura 3.6). En
esta posición se halla el cortante máximo generado por los vehículos, al existir un
gran cortante se encuentra una gran concentración de aceros tanto cercos como
longitudinales. También puede tener gran concentración de humedad producto a la
presencia de la junta de dilatación del puente o a un deterioro de la misma, la cual
puede albergar concentraciones de agua y otros desechos.
Por último, el cuarto sensor se fijó en una de las vigas cabezales exteriores (viga
numero I, ver anexo II) en el centro de las dos columnas correspondientes (ver
figura 3.7). A diferencia del lugar de colocación de los sensores anteriores, este se
encuentra en la parte superior de dicha viga; la cual trabaja a comprensión. En este
cabezal se corresponde el mayor momento generado por los vehículos de
modelación. Aquí puede penetrar la humedad si existe una errónea construcción
en la junta de dilatación de los tableros del puente, por daños o desgastes en el
futuro.
64
Figura 3.6 Sensor número 3 en el extremo de la viga. Fuente: Elaboración propia.
Figura 3.7 Cuarto sensor ubicado en la viga cabezal exterior. Fuente: Elaboración
propia.
Los datos que recopilan de los cuatros sensores, se registran en una caja que está
unida a ellos mediante cables. Esta también tiene una posición especifica en la
estructura (ver figura 3.8), debido a que no debe mojarse y evitar la mayor
65
exposición a los rayos del sol para impedir su deterioro, se incrustó en una columna
lo más equidistante posible con los sensores. Dicha caja se situó a una altura
elevada del terreno para evitar actos vandálicos y sabotajes, por lo que su acceso
se debe realizar mediante una escalera.
Figura 3.8 Ubicación de la caja recopiladora. Fuente: Elaboración propia.
Conclusiones parciales
El uso de los sensores potenciométricos de pH y de electrodos selectivos de
iones Ag / AgCl (ISE) puede ser una adecuada solución para el control de la
corrosión, sin embargo, su colocación debe prestar atención a un grupo de
factores, sobre todo los relacionados con las condiciones desencadenantes
del fenómeno.
En relación con las condiciones ambientales de exposición, y las
especificaciones del diseño referidas a los lugares de mayores solicitaciones
se podrá seleccionar el lugar de colocación de los sensores para su más
efectivo trabajo en el control y monitoreo de la corrosión.
66
Para la selección de los sensores es necesario prestar atención a sus
especificaciones en cuanto pequeñas interferencias que pueden generar los
sulfatos, fluoruro e hidroxilo, pero para los bromuros y los sulfuros es
relativamente severa. Sin embargo, debido a la alta relación de
concentración de cloruro / bromuro en agua de mar, se considera la
interferencia del bromuro insignificante para aplicaciones en exposición al
agua de mar.
67
Conclusiones Generales
Los sensores potenciométricos de pH y de electrodos selectivos de iones Ag
/ AgCl (ISE) es el método más viable para la determinación del grado de
corrosión en las estructuras producto a su efectividad en periodos largos de
tiempo, otros métodos existentes resultan ser destructivos y no predictivos
al expresar los resultados de una manera muy compleja, con inestabilidad
química a pH alto y corta vida útil.
En la utilización de los sensores potenciométricos de pH y de electrodos
selectivos de iones Ag / AgCl (ISE) se debe tener en cuenta las mediciones
falsas que pueden producir los fluoruro, sulfato e hidroxilo, bromuro y sulfuro,
por otro lado, sin embargo, no afecta su utilización en lugares expuestos al
agua de mar.
Los sensores deben colocarse en los lugares más críticos que presenta la
estructura, teniendo en cuenta el lugar de mayores solicitaciones de
momento y cortante, y las exposiciones que pueden presentar los elementos
a los agentes químicos externos y a los ciclos de humedecido y secado.
En la ubicación de los sensores de pH y cloruro es necesario tener en cuenta
además otros parámetros como son, las condiciones ambientales a las que
se exponen, el recubrimiento de los elementos, el cemento utilizado y la
resistencia.
68
Recomendaciones
Se recomienda hacer un análisis específico para cada construcción donde se
empleen los sensores potenciométricos de pH y de electrodos selectivos de
iones Ag / AgCl (ISE) en cuanto a su exposición y el diseño de los elementos
estructurales
Realizar una modelación de las estructuras que permita determinar las
solicitaciones que producen las distintas cargas que actúan sobre ella para
determinar el probable lugar de ubicación de sensores.
69
Referencias bibliografías
Andrés, L. M. V. (2014). CEMENTO DE BAJO CARBONO A PARTIR DEL SISTEMA CEMENTICIO TERNARIO CLÍNQUER–ARCILLA CALCINADACALIZA. UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS, Santa Clara.
Anon., C. O. (2012). Materiales de la construccion Arbona, C. (2017). Montaje del protocolo de evaluación de la corrosión del acero de refuerzo en
hormigones de LC3, mediante el método de corriente impuesta. . Bello, P. M. (2011). Repercusión económica de la corrosión. Bello, P. M. (2015a). Determinación de la Velocidad de Corrosión en Armaduras Mediante Técnicas
Cuantitativas de Análisis Electroquímico. Universitat Politecnica Valencia Valencia Bello, P. M. (2015b). Sensores detectan la corrosión del hormigón y miden su velocidad de
deterioro. CVA-INFRAESTRUCTURAS CONSTRUCCIÓN. Retrieved from Cabrera, Á. F. P. (2015). Inician pruebas de durabilidad del cemento de bajo carbono. 1. Retrieved
from www.granma.cu Calderón, F. A., Gaona, T. C., & Villafañe, A. M. (2014). monitoreo y control de la corrosión en
estructuras de concreto. Retrieved from Concreto, A. C. d. P. d. (2017). Corrosión del acero de refuerzo. BLOG 360° EN CONCRETO. Díaz, A. G. N. (2016). Evaluacion del transporte de iones cloruros en especimenes de hormigon
hidraulico producidos con cemento LC3. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara.
Estrella, A. (2017). Montaje del protocolo de la Macrocelda para evaluar, en tiempo real, la corrosión del acero de refuerzo en hormigones fabricados con cemento LC3-50 Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas
Femenias, Y. S., & Angst, U. (2017). Monitoring pH in corrosion engineering by means of thermally produced iridium oxide electrodes. Materials and Corrosion, 13.
Femenias, Y. S., & Caruso, F. (2015). Ag/AgCl ion-selective electrodes in neutral and alkaline environments containing interfering ions. Materials and Structures, 15.
Hernández., R. Y. L. (2014). Evaluación de la eco-eficiencia en los hormigones hidráulicos
producidos en la provincia de Villa Clara en los últimos 10 años. UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS, Santa Clara.
Machado, J. A. C., & Ríos, H. B. (2015). PERFILES DE PENETRACIÓN DE CLORURO EN ESTADO IÓNICO EN CONCRETOS DEL RANGO A/C 045 A 0,65
Manso, L. P. (2016). Evaluación de cementos de bajo carbono producidos localmente con sustitución del 50% de cemento P-35 por adiciones de polvo de cerámica roja y caliza.
Martirena, D. F. (2015). Desarrollo y producción industrial de un cemento de bajo carbono en Cuba. Martirena, D. F. (2016). Desarrollo y producción industrial de un cemento de bajo carbono en Cuba Martirena, D. F. (2017). Prueba industrial Siguaney. Meyer, F. (2010). DESARROLLAN SENSOR PARA MONITOREAR LA CORROSION EN ESTRUCTURAS DE
CONCRETO. Moreno, A. d. V., López, T. P., & Madrid, M. M. (2001a). EL FENOMENO DE LA CORROSION EN
ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO. Instituto mexicano transporte, Publicación Técnica No. 182.
Moreno, A. d. V., López, T. P., & Madrid, M. M. (2001b). EL FENOMENO DE LA CORROSION EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO. SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE.
Moya, G. R. (2008). Evaluación de estructuras de concreto por corrosión. Tecnología en Marcha, Vol. 21.
70
NC-250. (2005). REQUISITOS DE DURABILIDAD PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EDIFICACIONES Y OBRAS CIVILES DE HORMIGÓN ESTRUCTURAL (pp. 21).
CARRETERAS — PUENTES Y ALCÁNTARILLAS — REQUISITOS DE DISEÑO Y MÉTODO DE CÁLCULO (2009).
O'Neill, R. C. (2001). Guía para la Durabilidad del Hormigón. In A. 201.2R-01 (Ed.). ROBLES, R., & ARTURO, J. (2010). ESTUDIO DEL EFECTO DE LA CORROSIÓN EN EL CONCRETO
REFORZADO”. Universidad Veracruzana. Rosa, Y. R., Domínguez, E. R. R., Berriel, S. S., Hernández, L. C., Hernández, J. F. M., & Reynaga, N. S.
(2017). ANÁLISIS DE ECOEFICIENCIA DE LA PRODUCCIÓN DE CEMENTOS DE BAJO CARBONO MEDIANTE LA SUSTITUCIÓN DE CLINKER. Centro Azucar, 44, 12.
Systems, R. C. (2017). SENSOR PARA MÚLTIPLES PROFUNDIDADES DE HORMIGÓN. Retrieved from Valdéz, A. C., & Rodriguez, M. R. (2014). Las pérdidas económicas causadas por el fenómeno de la
corrosión atmosférica del acero del refuerzo embebido en el hormigón armado. CENIC Ciencias Químicas, Vol. 45.
71
Anexos:
Anexo I: Otras categorías de agresividad a las estructuras
Clases generales de exposición relativas a la corrosión de las armaduras. Fuente:
(Anon., 2012)
Clase general de exposición
Clase Subclase Designación Tipo de
proceso
Descripción Ejemplos
no agresiva
I Ninguno -interiores de edificios,
no sometidos a
condensaciones
-elementos de
hormigón en masa
- interiores de
edificios,
protegidos de la
intemperie
normal
Humedad
alta
IIa
corrosión de
origen
diferente de
los coluros
-interiores sometidos a
humedades relativas
medias altas (>65%) o
condensaciones
- -Elementos enterrados
o sumergidos
-sótanos no
ventilados
-cimentaciones
- tableros y pilas
de puentes en
zonas con
precipitaciones
(> 600 mm)
- elementos de
hormigón en
cubiertas de
edificios
Humedad
media
Ilb
corrosión de
origen
diferente de
los coluros
-exterior en ausencia de
cloruros, sometidos a la
acción del agua de
lluvia, en zonas con
precipitaciones media
anual inferior a 600 mm
-construcciones
exteriores
protegidas de la
lluvia
- tableros y pilas
de puentes en
zonas con
72
precipitaciones
(< 600 mm)
marina
aérea
llla
corrosión
por cloruros
-elementos de
estructuras marinas,
por encima del nivel de
pleamar
-elemento exterior de
estructuras situadas en
las proximidades de la
línea costera (a menos
de 5 km)
- edificaciones
en las
proximidades de
la costa
- puentes en las
proximidades de
la costa
- instalaciones
portuarias
sumergida
lllb
corrosión
por cloruros
-elementos de
estructuras marinas
sumergidas
permanentemente, por
debajo del nivel mínimo
de bajamar
- cimentaciones
y zonas
sumergidas de
pilas de puentes
en el mar
en zona
de mareas
lllc
corrosión
por cloruros
-elementos de
estructuras marinas
situadas en la zona de
carreras de mareas
- zonas de pilas
de puentes
sobre el mar,
situadas en el
recorrido de las
marea
con cloruros de
origen diferente del
medio marino
IV
corrosión
por cloruros
-instalaciones no
impermeabilizadas en
contacto con el agua
que presente un
contenido elevado de
cloruros, no
relacionados con el
ambiente marino
- piscina
- estaciones de
tratamientos de
agua
73
-superficies expuestas
a sales de deshielo no
impermeabilizadas
Anexo II: Elementos componentes del puente.
>:
:
Anexo III: Sección de las de las columnas.
74
Anexo IV: Cabezal intermedio
Anexo V: Cabezal exterior
75
Anexo VI: Sección de las vigas de 16 m de longitud.
Anexo VII: Vista aérea de las vigas del puente.
76
Anexo VIII: Numeración de las vigas longitudinales de 16 m y de las vigas cabezal
del puente.
Anexo IX: Hoja Excel con los valores de las solicitaciones de toda la estructura del
puente.
resultados del sap2000.xlsx
Anexo X: Valor máximo de momento del vehículo NK-80 en las vigas interiores.
77
Anexo XI: Valor máximo de cortante del vehículo NK-80 en las vigas interiores.
Anexo XII: Valor máximo de momento del NK-80 en las vigas exteriores.
78
Anexo XIII: Valor máximo de cortante del NK-80 en las vigas exteriores.
Anexo XIV: Valor máximo de momento del MS-32 en las vigas interiores de
puente
79
Anexo XV: Valor máximo de cortante del MS-32 en las vigas interiores del puente
Anexo XVI: Valor máximo de momento del MS-32 en las vigas exteriores del
puente
80
Anexo XVII: Valor máximo de cortante del MS-32 en las vigas exteriores del
puente
Anexo XIII: Ubicación de los sensores de pH y cloruros en la estructura del puente
1)
81
2)
3)
82
4)
5)
83
6)
7)
84
8)
9)
85
10)
