Implementación de metodologías de protección frente a la corrosión para extender la vida útil de estructuras de hormigón armado

Resumo

RESUMEN INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS La vida útil de una estructura de hormigón armado es el tiempo desde su puesta en uso hasta que dicha estructura alcanza un cierto estado límite definido [1] que, en ambientes contaminados con cloruros, suele ser la despasivación de armaduras a consecuencia de la corrosión. El tiempo hasta la despasivación se conoce como periodo de iniciación de la corrosión, y depende fundamentalmente de la resistencia que ofrece el hormigón al transporte de los cloruros y de la resistencia al inicio de corrosión de las armaduras. Es por ello que las formas de erradicar o retardar la corrosión actúan sobre el hormigón o las armaduras. Entre las primeras, debe citarse el empleo de cementos con adiciones minerales capaces de retener los cloruros, como las escorias. Entre las segundas, se encuentran la protección de las armaduras con algún tipo de recubrimiento, como el galvanizado [2], o su sustitución por armaduras fabricadas con materiales más resistentes a la corrosión, como los aceros inoxidables [3]. Sin embargo, a pesar de que es bien conocida la mayor cantidad de cloruros que soportan las armaduras de acero galvanizado e inoxidable respecto a los valores soportados por las convencionales [4], y el retraso en la entrada de cloruros cuando se emplean escorias, existe una carencia de conocimiento acerca de la cuantificación que supone el empleo de estos materiales en la extensión de la vida útil de una estructura. En el caso de las armaduras galvanizadas, existe además un debate acerca de si su adherencia con el hormigón es suficiente [5], debido a la elevada disparidad entre los resultados de la literatura. Por todo lo anterior, el principal objetivo de la tesis doctoral ha sido cuantificar la extensión de la vida útil de las estructuras de hormigón armado cuando se emplean armaduras de acero galvanizado e inoxidable. Para ello, se establecieron unos objetivos parciales, para cada método de protección: • Definir el estado límite de durabilidad que marcará la vida útil de la estructura de hormigón • Determinar el contenido de cloruros que hace que se alcance el estado límite de durabilidad • Determinar la respuesta frente a la entrada de cloruros del hormigón fabricado con cemento Portland puro y del hormigón con adición de escorias de alto horno y filler calizo • Con los datos anteriores, y otros de la literatura, predecir el tiempo que tarda en alcanzarse el estado límite de durabilidad en cada alternativa de hormigón armado • Determinar el coste del ciclo de vida de las diferentes alternativas de hormigón armado Además, un segundo objetivo de la tesis ha sido conocer el comportamiento adherente entre las armaduras de acero galvanizado y el hormigón e identificar las razones de la controversia existente. METODOLOGÍA Para llevar a cabo el objetivo de clarificar el efecto de la galvanización en la adherencia de las armaduras, en primer lugar, se comprobó si la geometría superficial de las mismas cumplía los requisitos que se les exigen para poder ser embebidas en el hormigón. Adicionalmente, se evaluaron las curvas de tensión de adherencia-deslizamiento y las tensiones crítica y última de adherencia, obtenidas a partir de ensayos de arrancamiento de armaduras de acero corrugado convencional galvanizado y sin galvanizar embebidas en un hormigón referencia a base de cemento Portland, denominado OPC, y un hormigón más resistente a la entrada de cloruros, y también más sostenible, a base de cemento Portland (64%), escorias de alto horno (30%) y filler calizo (6%), denominado SL. Los ensayos se realizaron a varias edades de curado, con objeto de averiguar si este aspecto podría ser determinante en la adherencia de las armaduras galvanizadas y su comparación con las de acero convencional. Para alcanzar el objetivo de cuantificar la extensión de la vida útil de las estructuras como consecuencia del empleo de armaduras de acero galvanizado e inoxidable, el primer paso fue predecir la vida útil de dichas estructuras y de aquellas que embebían acero convencional. Las configuraciones para las que se predijo su vida útil fueron el resultado de combinar armaduras galvanizadas y de acero inoxidable con los hormigones OPC y SL descritos anteriormente. Las armaduras galvanizadas tenían un espesor de recubrimiento de 229±37 µm. En cuanto a las armaduras de acero inoxidable, se emplearon 3 tipos de acero dúplex con un contenido similar en Cr (20-23%) pero distinto en Ni, Mo y Mn, y que fueron el tipo 1.4462 (Ni/Mo/Mn 4,7/3,4/1,7 %), 1.4362 (Ni/Mo/Mn 4,2/0,1/1,6 %) y 1.4482 (Ni/Mo/Mn 1,8/0,2/4,1 %). Para la determinación del final de la vida útil se empleó el método del estado límite de durabilidad (ELD). El primer ELD se asocia al inicio de la corrosión. En el caso del acero galvanizado, se planteó un segundo ELD, la destrucción total del recubrimiento en alguna parte de la armadura. La tesis incluye ensayos orientados a determinar los parámetros del hormigón y de las armaduras que influyen en el tiempo que tarda en alcanzarse el ELD considerado, y que, conocidos, permiten determinar la vida útil. Dichos parámetros son el coeficiente de difusión de cloruros y el contenido de cloruros que inicia la corrosión en ambos tipos de armado, en el caso de las armaduras galvanizadas, también el contenido de cloruros que conlleva a la destrucción total del recubrimiento en alguna parte. Para favorecer el transporte natural de los cloruros a través de los hormigones se realizaron ensayos de difusión unidireccional y para favorecer el transporte acelerado, ensayos de migración alcanzando el estado estacionario. Los ensayos se realizaron sobre los hormigones OPC y SL, sometidos a distintos tiempos de curado y, en el caso de los ensayos de penetración natural, a distintos periodos de exposición a los cloruros. Para la detección de los dos ELD definidos para las armaduras galvanizadas se realizaron dos ensayos: 1) Para el primer ELD, se consideró la interacción de los cloruros con el recubrimiento galvanizado sin presencia de capa pasiva, mediante la adición de estos iones en el amasado (en contenidos de 0,6, 1,5 y 3% spc) y 2) Para el segundo ELD, se consideró la interacción de los cloruros que penetran de forma natural en el hormigón con las armaduras galvanizadas ya pasivas. La detección del inicio de corrosión del recubrimiento se realizó mediante medidas de Ecorr e icorr y, en el caso de los ensayos de penetración natural, se determinó la cantidad de cloruros acumulados al nivel de las armaduras. En el caso de las armaduras de acero inoxidable, el ELD se asoció al inicio de corrosión que provocan los cloruros en las armaduras ya pasivas cuando éstos penetran de forma natural por difusión en el hormigón. A partir de los resultados obtenidos, se realizaron las predicciones de la vida útil siguiendo el Model Code for service life design preparado por la Fédération International du Béton (FIB) considerando tres clases de exposición según la clasificación de ambientes de la EN 206:2013. Finalmente se realizó un análisis del coste del ciclo de vida de cada alternativa con objeto de valorar la idoneidad económica de la implementación, en estructuras de hormigón, de los métodos de protección frente a la corrosión analizados en la presente tesis. Para ello, se consideró un determinado volumen de estructura, resultante de la combinación de hormigón OPC o SL y armaduras de acero convencional, galvanizado o inoxidable, sumergido permanentemente en agua de mar. El coste del ciclo de vida se calculó, para un periodo de 100 años, como la suma del coste de construcción y de reparación o reemplazo por cada vez que se alcanzaba el ELD, y se presenta relativizado al coste de construcción de una estructura de hormigón OPC con armaduras convencionales. CONCLUSIONES Los resultados de la tesis han revelado, para los materiales objeto de estudio, que: - El estudio realizado sobre la geometría superficial de las armaduras, inexistente en la literatura hasta ahora, ha demostrado que la galvanización modifica ligeramente la geometría superficial de las armaduras pero que éstas cumplen los requisitos que se les exigen en cuanto a la adherencia. - Los ensayos de arrancamiento han permitido comprender la disparidad de resultados encontrados en la literatura y conocer las variables que determinan si la adherencia de las armaduras galvanizadas es mayor o menor respecto las de acero convencional. Los resultados revelaron que la adherencia de las armaduras galvanizadas con el hormigón con cemento Portland es menor que la de las de acero convencional si el curado es de 7 días pero mayor cuando se extiende a 28 días, y que con el hormigón con adiciones siempre es menor. Además, se ha demostrado, y reflejado en la literatura por primera vez, que el análisis de la adherencia en el ELU produce el mismo resultado relativo para los dos armados que el análisis ELS pero mayor diferencia en valor absoluto. - Se ha confirmado que el empleo del cemento con adiciones reduce la porosidad del hormigón con respecto al fabricado con cemento Portland y que ralentiza la velocidad de entrada de los cloruros a la mitad, y se ha demostrado que la extensión del curado de 28 a 90 días como posible medida para el retardo de la entrada de cloruros en el hormigón no es efectiva cuando se emplean escorias. - Los ensayos de corrosión sobre las armaduras galvanizadas permiten comprender la disparidad de resultados encontrados en la literatura en cuanto a su resistencia a la corrosión. Se ha detectado el estado límite como uno de los factores que contribuyen a estas diferencias, revelándose que, mientras que contenidos de cloruros entre 0.6 y 1.5% sobre el peso de cemento inician la corrosión del recubrimiento, se necesitan valores un orden de magnitud superiores para descubrir el acero base en algún área de las armaduras galvanizadas. - El estudio complementario de los ensayos de transporte de cloruros y de corrosión de las armaduras galvanizadas ha permitido demostrar que, aunque la cinética de corrosión y el ataque es más pronunciado cuando se emplea el cemento con adiciones, incluso para menores cantidades de cloruros, el retardo producido en la penetración de estos iones por el cemento con adiciones hace que la vida útil de estas estructuras sea mayor cuando se emplea el cemento adicionado. - El estudio de vida útil de las estructuras con acero galvanizado ha permitido revelar la importancia de la adopción del ELD como inicio de corrosión del recubrimiento o del acero base, puesto que uno y otro conllevan a vidas útiles muy diferentes. El coste del ciclo de vida de una estructura con armaduras galvanizadas es al menos la mitad de una que embebe armaduras de acero convencional. - El estudio de corrosión de los aceros inoxidables ha mostrado que el tipo 1.4462 soporta mayores contenidos de cloruros que el tipo 1.4362 y 1.4482 antes del inicio de corrosión, revelando la importancia del Ni y el Mo en la protección frente al inicio de corrosión de los aceros dúplex. Además, han permitido conocer la influencia del cemento con adiciones en los contenidos de cloruros que son capaces de tolerar los aceros inoxidables dúplex analizados antes del inicio de corrosión, no estudiado en la literatura, encontrándose que cuando se emplea el cemento con adiciones, los contenidos críticos son del orden del 50% menores que para el caso del cemento Portland. Otro resultado novedoso ha sido la demostración de que la corriente de pasivación de cada tipo de acero inoxidable depende del tipo de cemento y contenido de los elementos de aleación, siendo más alta para los tipos con más contenido en Ni y Mo. -El estudio de vida útil de las estructuras con aceros inoxidables ha demostrado que las estructuras que incorporan estos aceros satisfacen vidas útiles de 100 años incluso si se construyen con el recubrimiento mínimo exigido por las normativas, el requerido por adherencia. Además, el análisis del coste del ciclo de vida de las estructuras de hormigón con armaduras de acero inoxidable dúplex ha permitido demostrar que la inversión inicial de incorporar este método de protección puede verse justificada, puesto que el coste del ciclo de vida se estima en más de 25 veces inferior al de aquéllas con armaduras convencionales.