El diseño de estructuras de hormigón armado para su durabilidad se ha introducido recientemente en la normativa nacional e internacional. Se exige que las estructuras se diseñen de forma que conserven sus características durante su vida útil, evitando fallos prematuros y la necesidad de trabajos extraordinarios de mantenimiento y restauración. Por ello, en las últimas décadas [ ¿cuándo? ] se han realizado considerables esfuerzos para definir modelos útiles que describan los procesos de degradación que afectan a las estructuras de hormigón armado , para ser utilizados durante la fase de diseño con el fin de evaluar las características del material y la disposición estructural de la estructura. [1]
Inicialmente, las reacciones químicas que ocurren normalmente en la pasta de cemento, generan un ambiente alcalino , llevando la solución en los poros de la pasta de cemento a valores de pH alrededor de 13. En estas condiciones, se produce la pasivación de las barras de acero, debido a una generación espontánea de una fina película de óxidos capaces de proteger al acero de la corrosión. Con el tiempo, la fina película puede dañarse y comenzar la corrosión de las barras de acero. La corrosión de las barras de acero es una de las principales causas de fallo prematuro de estructuras de hormigón armado a nivel mundial, [4] principalmente como consecuencia de dos procesos de degradación, la carbonatación y la penetración de cloruros . [1] En cuanto al proceso de degradación por corrosión , un modelo sencillo y acreditado para la evaluación de la vida útil es el propuesto por Tuutti, en 1982. [5] Según este modelo, la vida útil de una estructura de hormigón armado se puede dividir en dos fases distintas.
La identificación del tiempo de iniciación y del tiempo de propagación es útil para identificar además las principales variables y procesos que influyen en la vida útil de la estructura que son específicos de cada fase de vida útil y del proceso de degradación considerado.
El tiempo de iniciación está relacionado con la velocidad a la que se propaga la carbonatación en el espesor de la capa de hormigón . Una vez que la carbonatación alcanza la superficie del acero, alterando el valor de pH local del entorno, la fina película protectora de óxidos sobre la superficie del acero se vuelve inestable y se inicia la corrosión que afecta a una porción extendida de la superficie del acero. Uno de los modelos más simplificados y acreditados que describen la propagación de la carbonatación en el tiempo es considerar la profundidad de penetración proporcional a la raíz cuadrada del tiempo, siguiendo la correlación
donde es la profundidad de carbonatación, es el tiempo y es el coeficiente de carbonatación. El inicio de la corrosión se produce cuando la profundidad de carbonatación alcanza el espesor de la capa de hormigón y, por tanto, se puede evaluar como
¿Dónde está el espesor de la cubierta de hormigón ?
es el parámetro de diseño clave para evaluar el tiempo de iniciación en el caso de corrosión inducida por carbonatación. Se expresa en mm/año 1/2 y depende de las características del hormigón y de las condiciones de exposición. La penetración de CO 2 gaseoso en un medio poroso como el hormigón se produce por difusión . El contenido de humedad del hormigón es uno de los principales factores que influyen en la difusión de CO 2 en el hormigón. Si los poros del hormigón están completa y permanentemente saturados (por ejemplo en estructuras sumergidas) se impide la difusión de CO 2 . Por otro lado, para el hormigón completamente seco, no puede producirse la reacción química de carbonatación . Otro factor que influye en la velocidad de difusión de CO 2 es la porosidad del hormigón. El hormigón obtenido con una relación a/c más alta o obtenido con un proceso de curado incorrecto presenta una mayor porosidad en estado endurecido y, por tanto, está sujeto a una mayor velocidad de carbonatación. Los factores que influyen en las condiciones de exposición son la temperatura ambiental, la humedad y la concentración de CO 2 . La tasa de carbonatación es mayor en ambientes con mayor humedad y temperatura, y aumenta en entornos contaminados como centros urbanos y dentro de espacios cerrados como túneles. [1]
Para evaluar el tiempo de propagación en el caso de corrosión inducida por carbonatación , se han propuesto varios modelos. En un método simplificado pero comúnmente aceptado, el tiempo de propagación se evalúa como función de la velocidad de propagación de la corrosión. Si la velocidad de corrosión se considera constante, t p se puede estimar como:
donde es la penetración límite de corrosión en el acero y es la velocidad de propagación de la corrosión . [1] debe definirse en función del estado límite considerado. Generalmente para la corrosión inducida por carbonatación, el agrietamiento de la cubierta de hormigón se considera como estado límite, y en este caso se considera un igual a 100 μm. [6] depende de los factores ambientales en la proximidad del proceso de corrosión , como la disponibilidad de oxígeno y agua en la profundidad de la cubierta de hormigón. El oxígeno está generalmente disponible en la superficie del acero, excepto para estructuras sumergidas. Si los poros están constantemente completamente saturados, una cantidad muy baja de oxígeno alcanza la superficie del acero y la velocidad de corrosión puede considerarse insignificante. [7] Para hormigones muy secos es insignificante debido a la ausencia de agua que impide la reacción química de corrosión . Para un contenido de humedad intermedio del hormigón, la velocidad de corrosión aumenta con el aumento del contenido de humedad del hormigón. Dado que el contenido de humedad en un hormigón puede variar significativamente a lo largo del año, en general no es posible definir una constante . Un enfoque posible es considerar un valor medio anual de .
La presencia de cloruros en la superficie del acero, por encima de una cierta cantidad crítica, puede romper localmente la fina película protectora de óxidos sobre la superficie del acero, incluso si el hormigón sigue siendo alcalino, provocando una forma muy localizada y agresiva de corrosión conocida como picaduras . Las regulaciones actuales prohíben el uso de materias primas contaminadas con cloruros, por lo tanto, un factor que influye en el tiempo de iniciación es la velocidad de penetración de cloruros desde el medio ambiente. Esta es una tarea compleja, porque las soluciones de cloruros penetran en el hormigón a través de la combinación de varios fenómenos de transporte, como la difusión , el efecto capilar y la presión hidrostática . La unión de cloruros es otro fenómeno que afecta a la cinética de penetración de cloruros. Parte de los iones cloruro totales pueden absorberse o pueden reaccionar químicamente con algunos constituyentes de la pasta de cemento, lo que lleva a una reducción de cloruros en la solución de poros (cloruros libres que son capaces de penetrar en el hormigón). La capacidad de un hormigón para unirse a los cloruros está relacionada con el tipo de cemento, siendo mayor para los cementos mezclados que contienen humo de sílice, cenizas volantes o escorias de horno.
Siendo particularmente complejo el modelado de la penetración de cloruros en el hormigón, generalmente se adopta una correlación simplificada, propuesta por primera vez por Collepardi en 1972 [8].
Donde es la concentración de cloruro en la superficie expuesta, x es la profundidad de penetración del cloruro, D es el coeficiente de difusión del cloruro y t es el tiempo.
Esta ecuación es una solución de la ley de difusión de Fick II en la hipótesis de que el contenido inicial de cloruro es cero, es decir, constante en el tiempo en toda la superficie, y D es constante en el tiempo y a través de la capa de hormigón. Conociendo y D, la ecuación se puede utilizar para evaluar la evolución temporal del perfil de concentración de cloruro en la capa de hormigón y evaluar el tiempo de iniciación como el momento en el que se alcanza el umbral crítico de cloruro ( ) en la profundidad de la varilla de acero.
Sin embargo, hay muchos problemas críticos relacionados con el uso práctico de este modelo. Para estructuras de hormigón armado existentes en un entorno con cloruros , y D se pueden identificar calculando la curva de mejor ajuste para los perfiles de concertación de cloruros medidos. Por lo tanto, a partir de muestras de hormigón recuperadas en el campo es posible definir los valores de C s y D para la evaluación de la vida útil residual. [9] Por otro lado, para estructuras nuevas es más complicado definir y D. Estos parámetros dependen de las condiciones de exposición, las propiedades del hormigón como la porosidad (y por lo tanto la relación a/c y el proceso de curado ) y el tipo de cemento utilizado. Además, para la evaluación del comportamiento a largo plazo de la estructura, un problema crítico está relacionado con el hecho de que y D no pueden considerarse constantes en el tiempo, y que la penetración de transporte de cloruros puede considerarse como difusión pura solo para estructuras sumergidas. Otro problema es la evaluación de . Hay varios factores influyentes, como el potencial de las barras de refuerzo de acero y el pH de la solución incluida en los poros del hormigón. Además, la iniciación de la corrosión por picaduras es un fenómeno de naturaleza estocástica, por lo tanto, también puede definirse solo sobre una base estadística. [1]
La evaluación de la durabilidad se implementó en los códigos de diseño europeos a principios de los años 90. Es necesario que los diseñadores incluyan los efectos de la corrosión a largo plazo de las barras de refuerzo de acero durante la etapa de diseño, con el fin de evitar daños inaceptables durante la vida útil de la estructura. Por lo tanto, existen diferentes enfoques para el diseño de la durabilidad.
Se trata del método estandarizado para abordar la durabilidad, también conocido como enfoque de "deem-to-satisfy" y previsto en la normativa europea vigente EN 206. Se requiere que el diseñador identifique las condiciones de exposición ambiental y el proceso de degradación esperado, evaluando la clase de exposición correcta. Una vez definido esto, el código de diseño proporciona prescripciones estándar para la relación agua/cemento, el contenido de cemento y el espesor de la cubierta de hormigón.
Este enfoque representa un paso adelante en el diseño de la durabilidad de las estructuras de hormigón armado, es adecuado para el diseño de estructuras ordinarias diseñadas con materiales tradicionales (cemento Portland, varillas de acero al carbono) y con una vida útil esperada de 50 años. Sin embargo, se considera que no es completamente exhaustivo en algunos casos. Las prescripciones simples no permiten optimizar el diseño para diferentes partes de las estructuras con diferentes condiciones de exposición local. Además, no permiten considerar los efectos sobre la vida útil de medidas especiales como el uso de protecciones adicionales. [6]
Los enfoques basados en el rendimiento permiten realizar un diseño real de la durabilidad, basado en modelos que describen la evolución en el tiempo de los procesos de degradación y la definición de los momentos en los que se alcanzarán los estados límite definidos. Para tener en cuenta la amplia variedad de factores que influyen en la vida útil y su variabilidad, los enfoques basados en el rendimiento abordan el problema desde un punto de vista probabilístico o semiprobabilístico.
El modelo de vida útil basado en el rendimiento propuesto por el proyecto europeo DuraCrete, [10] y por el Código Modelo FIB para el Diseño de Vida Útil, [11] se basa en un enfoque probabilístico, similar al adoptado para el diseño estructural. Los factores ambientales se consideran como cargas S(t), mientras que las propiedades del material, como la resistencia a la penetración de cloruro, se consideran como resistencias R(t), como se muestra en la Figura 2. Para cada proceso de degradación, se establecen ecuaciones de diseño para evaluar la probabilidad de falla de los rendimientos predefinidos de la estructura, donde la probabilidad aceptable se selecciona sobre la base del estado límite considerado. Los procesos de degradación aún se describen con los modelos previamente definidos para la corrosión inducida por carbonatación y por cloruro, pero para reflejar la naturaleza estadística del problema, las variables se consideran como curvas de distribución de probabilidad a lo largo del tiempo. [6] Para evaluar algunos de los parámetros de diseño de durabilidad, se sugiere el uso de pruebas de laboratorio aceleradas, como la llamada Prueba de Migración Rápida de Cloruro para evaluar la resistencia a la penetración de cloruro del hormigón [11] . A través de la aplicación de parámetros correctivos, se puede evaluar el comportamiento a largo plazo de la estructura en condiciones reales de exposición.
El uso de modelos probabilísticos de vida útil permite implementar un diseño de durabilidad real que podría implementarse en la etapa de diseño de estructuras. Este enfoque es de particular interés cuando se requiere una vida útil prolongada (>50 años) o cuando las condiciones ambientales de exposición son particularmente agresivas. De todos modos, la aplicabilidad de este tipo de modelos aún es limitada. Los principales problemas críticos aún se refieren, por ejemplo, a la individualización de pruebas de laboratorio aceleradas capaces de caracterizar el desempeño del hormigón, factores correctivos confiables que se utilizarán para la evaluación del desempeño de durabilidad a largo plazo y la validación de estos modelos en función del desempeño real de durabilidad a largo plazo. [6] [9]
![{\displaystyle C(x,t)=C_{s}[1-\mathrm {erf}({\frac {x}{2{\sqrt {Dt}}}}\right)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/187d087f576d4b957d6f5d61b166e20c91e33cca)
