El transporte de cloruro en el hormigón por difusión es un problema extensamente estudiado para determinar la vida útil de las estructuras en ambientes marinos. Sin embargo, cuando el hormigón se encuentra fisurado no existe un procedimiento que permita calcular el transporte de los cloruros. Los Códigos limitan el ancho de las fisuras según el tipo de ambiente de exposición. En este trabajo se estudia la relación del ancho de fisura con el coeficiente de difusión y se estima el periodo de iniciación de la corrosión por cloruros en hormigones fisurados. Se ha obtenido una ley que permite predecir la variación del tiempo de iniciación de la corrosión en función del ancho de la fisura.
The transport of chloride in concrete by diffusion is a problem widely studied to determine the service-life of structures in marine environments. However, there is no procedure to calculate the chlorides transport when the concrete is cracked. The standards limit the width of the cracks according to the type of exposure environment. In this paper, the relation of the crack width with the diffusion coefficient is studied and the initiation time of chloride-induced corrosion in fissured concrete is estimated. A law has been obtained that allows to predict the variation of the corrosion initiation time according to the width of the crack.
La difusión de cloruros en el hormigón ha sido estudiada desde hace varias décadas
Los modelos disponibles hasta el momento siempre se han ensayado sobre estructuras o probetas no fisuradas y son muy escasos, debido a las dificultades experimentales, los trabajos en elementos fisurados. En una estructura real habrá elementos fisurados y otros no, sin que hasta ahora se haya detectado que las zonas fisuradas se corroan antes o más rápidamente que las no fisuradas, tal vez porque las zonas que se corroen antes dependen también de la concentración exterior y los espesores de recubrimiento que pueden ser diferentes en los diferentes elementos. En todo caso es muy útil conocer si existe alguna relación constante entre el ancho de fisura y el coeficiente de difusión de los cloruros a nivel de laboratorio y tratar de comprobar después su validez en estructuras reales.
De forma conceptual, la aparición de fisuras en el hormigón reduce la barrera que supone la presencia de un recubrimiento y cabe esperar que modifique la vida útil de la estructura, tanto el periodo de iniciación como el de propagación
Para estudiar el efecto de las fisuras en el transporte de cloruros, se fabricaron probetas de hormigón de tres composiciones diferentes que se fisuraron a tracción indirecta y se sometieron a ensayos acelerados de cloruros. Estos ensayos acelerados utilizan corriente eléctrica
Se fabricaron probetas cilíndricas, de 75 mm de diámetro y de 150 mm de altura, con 3 tipos de hormigón, con tres cantidades de cemento diferentes. En la
300 kg | 360 kg | 400 kg | |
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Agua (kg) | 150 | 180 | 200 |
Cemento I 52,5R (kg) | 300 | 360 | 400 |
a/c efectiva | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Grava (4/8) (kg) | 800 | 743 | 707 |
Arena (0-4) (kg) | 1062 | 986 | 938 |
Arena Fina (0-0,3) (kg) | 99 | 92 | 87 |
Aditivo Rhebouildt 1000 (%) | 1,20 | 1,80 | 2,80 |
Se han fabricado 4 probetas de cada dosificación que se han curado durante 28 días en cámara húmeda a 25 ºC y 90% de humedad.
De las probetas cilíndricas anteriores, se realizan por corte, rodajas de 20 mm de espesor. Estas rodajas se fisuran con una máquina universal de ensayos aplicando una carga de compresión en dos generatrices opuestas por control de desplazamiento,
El ancho de fisura obtenido después de retirar la carga se encuentra entre los 0,03 y 0,7 mm,
300 kg | 360 kg | 400 kg | |||
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Muestra | Fisura (mm) | Muestra | Fisura (mm) | Muestra | Fisura (mm) |
REF 300 | 0,00 | REF 360 | 0,00 | REF 400 | 0,00 |
300-1 | 0,06 | 360-1 | 0,03 | 400-1 | 0,07 |
300-2 | 0,09 | 360-2 | 0,05 | 400-2 | 0,12 |
300-3 | 0,40 | 360-3 | 0,18 | 400-3 | 0,25 |
300-4 | 0,45 | 360-4 | 0,35 | 400-4 | 0,30 |
360-5 | 0,45 | 400-5 | 0,30 | ||
360-6 | 0,50 | 400-6 | 0,40 | ||
360-7 | 0,70 |
Tanto las muestras fisuradas como las de referencia no fisuradas, se ensayan según la norma UNE 83987 “Determinación de los coeficientes de difusión de los iones cloruro en el hormigón endurecido. Método multirrégimen”,
Los iones cloruros al atravesar el hormigón lo hacen en dos fases, primero mediante un estado no estacionario, en el cual, los iones cloruro pueden reaccionar con componentes del hormigón y, por tanto, su paso es más lento, y después mediante un estado estacionario, en el que el cloruro que debía reaccionar ya lo ha hecho y su paso ya solo es controlado por el impedimento que se encuentre (porosidad, rugosidad, etc).
Los coeficientes de difusión obtenidos a través del método expuesto en la norma
El coeficiente de difusión estacionario se calcula a través de la siguiente ecuación
Donde:
γ es el coeficiente de actividad de la disolución del catolito (0,657)
Y el no estacionario según las ecuaciones
Donde:
Una vez obtenidos los coeficientes de difusión se pueden aplicar las ecuaciones propuestas en la normativa, en este caso en la EHE-08
A modo de ejemplo, se muestra uno de los resultados del ensayo multirégimen para las muestras fisuradas y no fisurada de la amasada de 360 kg de cemento por m3 de hormigón,
Los valores de los coeficientes de las dos fases para los tres hormigones y los anchos de fisura ensayados se dan en la
En la
Este comportamiento permite deducir que para tamaños menores a la fisura crítica, el comportamiento de la difusión no estacionaria depende del tamaño, mientras que cuando la fisura es mayor que la crítica, los coeficientes no dependen del ancho y penetran los cloruros libremente. Para ambos coeficientes, estacionario y no estacionario, se han encontrado relaciones con el ancho de fisura. Así, el ajuste de la línea de tendencia a estas representaciones da como resultado las siguientes ecuaciones
Coeficiente estacionario:
Coeficiente no estacionario:
Los resultados obtenidos permiten diversas consideraciones, de las que en el presente trabajo se abordaran solo algunas, las más relacionadas con el uso de los valores para el cálculo de la vida útil según indican los modelos disponibles. También, a título de ejemplo, se abordará una comparación con los resultados obtenidos por Baroghel-Bouny et al
A la vista de los resultados una primera cuestión es cuál de los coeficientes obtenidos es el más adecuado para aplicarlo al cálculo de la vida útil. Normalmente el utilizado es el no estacionario D
El periodo de iniciación debido a la penetración de cloruros, viene regido por un proceso difusivo a través del hormigón que según la EHE-08 puede modelizarse a través de la siguiente ecuación
Donde:
Este periodo de tiempo es el necesario para que la concentración de cloruros a la altura del refuerzo, tome un valor crítico que haga que se despasive el acero y comience la corrosión.
Para el cálculo de este tiempo, ecuación
Donde:
En este estudio se ha tomado como coeficiente de difusión no estacionario,
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300 kg | ||||
|
0,00 | 0,06 | 0,09 | 0,40 | 0,45 |
|
4,44E-08 | 1,90E-07 | 2,25E-07 | 2,82E-05 | 7,32E-05 |
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360 kg | |||||||
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0,00 | 0,03 | 0,05 | 0,18 | 0,35 | 0,45 | 0,50 | 0,70 |
|
2,89E-08 | 6,02E-08 | 1,58E-07 | 6,43E-07 | 3,18E-05 | 2,02E-05 | 2,14E-05 | 4,69E-05 |
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400 kg | ||||||
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0,00 | 0,07 | 0,12 | 0,25 | 0,30 | 0,30 | 0,40 |
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3,04E-08 | 2,42E-07 | 6,64E-07 | 8,10E-07 | 2,03E-05 | 4,59E-05 | 7,36E-05 |
Ambiente marino IIIa según EHE-08 | |||
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Recubrimiento (mm) 50 años vida útil | Recubrimiento (mm) 100 años vida útil | |
300 kg | 1,092 | 45 | 65 |
360 kg | 0,894 | 45 | 65 |
400 kg | 0,802 | 45 | 65 |
Los resultados de la duración de los periodos de iniciación según el ancho de fisura, para el ambiente considerado, se observa en la
Partiendo de las ecuaciones
En la
Por tanto, un elemento fisurado en ambiente marino con ancho máximo permitido según la EHE-08 de 0,4 mm, ve reducida su vida útil en un 99 %.
Con el objetivo de explorar la posibilidad de generalizar los resultados con los obtenidos es necesario compararlos con los de otros autores. Aquí, se van a comparar con lo realizado por el equipo de Baroguel Bouny
Una diferencia que surge inmediatamente es que en su caso aparece una fisura critica (véase
Las principales conclusiones obtenidas en este estudio se resumen a continuación:
La relación entre el coeficiente de difusión del ion cloruro en hormigones fisurados y no fisurados es independiente del contenido en cemento del hormigón tal vez porque la relación a/c es la misma en las tres dosificaciones.
La relación entre el ancho de fisura y el coeficiente de difusión no estacionario encontrada se ajusta a la ecuación
Aplicando estos valores a las formulas de la EHE 08 y suponiendo el resto de valores de los parámetros constitutivos de esas ecuaciones, resulta que la vida útil en elementos fisurados respecto a los no fisurados se puede ajustar a la expresión
Se han encontrado discrepancias en el ancho de fisura crítico para los coeficientes en estado estacionario publicados en