Posibilidades del concreto

Durabilidad

Cinética de corrosión del acero de refuerzo en concreto expuesto

La corrosión en el concreto armado es un fenómeno que desde hace varias décadas ocupa el interés de los investigadores. Múltiples son los daños que provoca en las estructuras, daños que se acentúan con el paso del tiempo; y que comprometen los costos a gran escala.

Se refieren como agentes agresivos de las armaduras en el concreto a los cloruros y sulfatos. Los iones sulfato son iones despasivantes que intervienen en la degradación del concreto, lo que provoca que el acero de refuerzo quede expuesto al medio, originándose así su corrosión. El ión sulfato se encuentra principalmente en las aguas de mar y de residuos industriales. En este documento se evalúa la cinética de corrosión, utilizando la técnica de Resistencia a la Polarización del acero embebido en concretos con diferentes relaciones agua/cemento, expuestos en una solución al 3.5% de sulfato de sodio.

Para el desarrollo del estudio fueron elaborados 12 especímenes cilíndricos de concreto de 30 cm de altura y 15 cm de diámetro, según lo establecido en la ASTM C470-87 y C192-81. 6 especímenes se diseñaron con una relación a/c=0.45 y los otros 6 con a/c=0.65. Los especimenes se expusieron al medio agresivo de dos maneras: La primera, permaneciendo inmersos durante 270 días y la segunda, mediante ciclos de inmersión y exposición a la atmósfera.

En cada muestra se embebieron dos varillas de acero al carbono de ½” de diámetro, una como electrodo de trabajo y la otra como electrodo auxiliar. A todas les fue colocada una franja de 5 cm de cinta de fluorocarbono cubriendo desde los 26 cm a los 31 cm para evitar que se presenten zonas de aeración diferencial, concentración de sales o en algunos casos que esta zona se comporte como hendidura. Se pintaron las varillas con pintura epóxica para tener un área determinada susceptible a la corrosión y fueron colocadas con tres estados previos de exposición: limpias, expuestas al ambiente por 15 días y expuestas en agua con 3.5% de NaCl por 15 días.

El valor de la resistencia a la polarización obtenido por la técnica electroquímica de Resistencia a la Polarización se define como la resistencia de un espécimen a la oxidación durante la aplicación de un potencial externo. Los datos se obtuvieron con un barrido ±20 mV vs. Ecorr; y una velocidad de barrido de 10 mV/min. El equipo que se utilizó para los monitoreos fue el Gill 8 (Potenciostato–Galvanostato). Las pruebas se realizaron durante 377 días, haciéndose las primeras dos lecturas la etapa de curado (Día 14 y 28). Luego se realizaron 13 pruebas más en períodos de 15 y 30 días.

A continuación se exponen las consideraciones reveladas de los ensayos:

• Los valores de la cinética de corrosión en la etapa de curado (día 14) indican un estado activo del material; presentando los especimenes con acero expuesto al ambiente y contaminado los valores más altos comparados con los especimenes reforzados con acero limpio.

• Al paso del tiempo de exposición en la solución de Na2SO4 se presentó un decrecimiento considerable en la cinética de corrosión en todos los especimenes, indicando el estado pasivo del material, lo que está asociado a la formación de una capa pasivadora. • La cinética de corrosión menor las exhiben los especimenes con varillas limpias. • La demanda de corriente (icorr), fue menor para los especimenes con varilla limpia (magnitudes de 0.0016 y 0.0018 mA/cm2), siendo mayores para los restantes (magnitudes de 0.0023 a 0.0045 mA/cm2); valores de icorr que indican un nivel de corrosión bajo. En resumen, en el estudio la icorr en todos los especimenes osciló entre 0.0016 a 0.0045 mA/cm2. El medio agresivo, la relación a/c, así como las diferentes condiciones de las varillas no afectaron de forma importante la cinética de corrosión.

Referencia: Baltazar Zamora M. A.; Almeraya Calderón F., et. al. “Evaluación de la cinética de corrosión del acero de refuerzo en hormigón expuesto en solución de Na2SO4 al 3.5%”, Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales, Habana, Cuba, Octubre 8 de 2006. Págs. 151–157.

RESISTENCIA DEL CONCRETO
Mecanismos de fracturas en concretos reforzados sometidos a altas temperaturas

La durabilidad del concreto ha sido clave en el comportamiento a largo plazo de las estructuras; estando condicionada tanto por la química del cemento como por su interacción con el acero de refuerzo. Cuando el concreto reforzado es sometido a ambientes con carga térmica severa, el aumento de la presión interna del agua ante temperaturas por encima de la de ebullición, genera tensiones locales elevadas que puede producir una rotura explosiva.

Durante un incendio, la pérdida de concreto producida por la rotura explosiva ocasiona que las capas más profundas se expongan al fuego, aumentando así el acceso de calor a las capas internas de la estructura. Algunos investigadores proponen incorporar fibras de polipropileno al concreto para evitar la rotura explosiva en presencia del fuego, reduciéndose también la tendencia al desconchamiento.

El comportamiento de las fibras varía según el intervalo de temperaturas en que se encuentra. Hasta el rango entre 180º y 360ºC, las fibras mantienen la suficiente cohesión para evitar el desmoronamiento de la masa de concreto agrietada, mientras que por encima de esta temperatura el polipropileno arde dejando huecos, pues permanece tan solo hollín con un 5% del volumen original, lo que permite que el vapor de agua escape. Asimismo, el concreto presenta una amplia variabilidad en la temperatura, esta temperatura es función del contenido de agua, porosidad de la matriz, velocidad de calentamiento y temperatura máxima alcanzada.

La variabilidad de todos estos fenómenos requiere de una técnica que permita determinar cuándo realmente están apareciendo grietas durante la vida de servicio del concreto, pero antes de la pérdida de resistencia. Al fijar esta temperatura se pueden determinar las diferentes regiones de comportamiento resistente modelando de forma apropiada cada una de ellas y pudiendo establecer las bases de cálculo para concretos reforzados con fibras de polipropileno en su sensibilidad al daño estructural por fuego. Con este fin se parte de una tipología industrial de baldosa de concreto reforzada con polipropileno. Sobre éstas se plantea una secuencia de ensayos de flexión para distintos niveles de temperatura, entre la temperatura ambiente y los 500ºC. Simultáneamente al ensayo se adquiere la información de emisión acústica a través de dos canales para determinar el agrietamiento en la probeta al ser sometida a flexión. Las probetas fracturadas son analizadas por microscopía electrónica de barrido a fin de determinar el daño en la matriz y la situación del polipropileno. Por último, se analizan estadísticamente los datos microestructurales tras distintas temperaturas de ensayo a fin de introducirlos como parámetros de un modelo de elementos finitos del proceso de fractura.

Puede concluirse de este estudio que:

• La resistencia a flexión de las baldosas comienza a ser señalada a partir de los 300ºC. Esta temperatura depende de la compacidad del concreto, tipo de refuerzo, temperatura máxima alcanzada y velocidad de calentamiento.

• El daño residual tras el fuego es inaceptable también a partir de 300ºC dada la presencia extensiva de microfisuras debidas a la acción de las altas temperaturas.

• La presencia de fibras de polipropileno tiene un efecto mecánico de contención pero no reducen el daño que se genera debido a la acción de las altas temperaturas.

• Los poros y las microfisuras son los elementos determinantes para predecir el comportamiento resistente tras el fuego.

• La técnica de emisión acústica aporta valiosos datos sobre la dinámica de fractura. Con esta información se complementa un modelo matemático de elementos finitos para incluir datos sobre la evolución de la microfisuración. Dicho modelo puede aportar una herramienta de valoración para el comportamiento de una estructura sometida al fuego con un margen de error no mayor al 10%

Referencia: J. Orozco; M. García; C. Ferrer; F. Salas; A. Hospitaler; P. Maita, “Estudio sobre los mecanismos de fractura en hormigones sometidos a Spalling”, Instituto de Tecnología en Materiales, Departamento de Ingeniería de la Construcción, ETS de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Valencia, Departamento de Tecnología Mecánica, IUTJAA, Venezuela.

PISOS INDUSTRIALES
Juntas, selladores y revestimientos superficiales

Las juntas son necesarias en los pisos industriales por dos razones: para permitir que el concreto se “acomode” a las restricciones que le impone el sistema y para definir un punto de terminación durante la jornada de trabajo. En el primer caso se ubican las juntas de aislamiento y las juntas de contracción, mientras que en el segundo se encuentran las juntas de construcción o de trabajo.

Las juntas de aislamiento sirven para independizar el movimiento de losas y columnas, evitando así la generación de esfuerzos internos. Este tipo de juntas, por lo general, se disponen en los extremos de las losas y en entrantes de losas. Al perder humedad durante el secado, el concreto tiende a contraerse. Al estar restringido por la base de apoyo y el concreto contiguo aparecen esfuerzos de tensión y consecuentemente, la fisuración del mismo. Para evitar que el concreto se “rompa”, en forma aleatoria se establecen las juntas de contracción; que no son más que una reducción de la sección en la parte superior de la losa, con el fin de inducir la fisura. Estas juntas pueden ejecutarse mediante el aserrado de la superficie o aplicando elementos embebidos en el concreto.

Las juntas de construcción o de trabajo se aplican en pisos de gran envergadura o donde no es posible la colocación del concreto en un sólo día. La misma se materializa empleando un molde metálico o de madera. Es importante establecer la separación entre juntas, lo cual depende de factores tales como: el método de diseño de la losa, el refuerzo empleado, el espesor de la losa, el nivel de contracción del concreto y la fricción que le transmite la base.

En losas sin refuerzo (o con poco nivel de reforzamiento) la separación entre juntas, dependiendo del espesor del piso, es de aproximadamente 4.5 metros; sin embargo en otros sistemas de diseño puede ser mucho mayor. Por ejemplo, en los concretos de contracción compensada se pueden lograr separaciones desde 30 a 45 metros, y en concretos postensados, dicha separación puede llegar a alcanzar los 150 metros; lo que se puede alcanzar debido a que en ambos casos el concreto se encuentra “comprimido”.

Otro elemento relevante son los selladores de juntas. Estos deben permitir el libre movimiento de la losa y evitar que dentro de la junta ingresen sustancias perjudiciales. Cualquier elemento rígido podría impedir el libre movimiento de la losa, lastimando en primer lugar los labios de la junta. Los líquidos, por su parte, podrían socavar la base granular, haciendo que la misma pierda apoyo y se fisure.

Los selladores de junta deben tener buena adherencia, adecuada resistencia a la tensión y extensibilidad. Los materiales más empleados son los epoxis semirígidos, las siliconas y los polímeros modificados (polyurea).

Si bien el sustrato de concreto posee la resistencia física y química que se necesita, existen diversos factores que influyen en el uso de los revestimientos de superficie. Entre estos factores están: estéticos (color y/o brillo en la superficie), protección contra algunos agentes químicos o contra la abrasión y la sanidad; en el caso de pisos de laboratorios químicos e industrias alimenticias. Para estos casos existen distintos tipos de recubrimientos según sea el caso: selladores líquidos de superficie, endurecedores espolvoreados, toppings y recubrimientos poliméricos.

Referencia:Balzamo, H; BASF Argentina, “¿Que hay debajo de nuestros zapatos?”, publicado en Hormigonar, Revista de la Asociación Argentina del Hormigón Elaborado, año 5, no. 15, septiembre 2008.

CONCRETO DE ALTA RESISTENCIA
Tamaño del espécimen y magnitud de la resistencia a la compresión

La resistencia del concreto a la compresión y su módulo elástico son dos de los parámetros más importantes a la hora de desarrollar el proceso de análisis y diseño estructural de una determinada edificación. La medición de estos parámetros se desarrolla en especimenes cilíndricos de longitud oscilante entre 15.0 y 30.0 cm y en ocasiones en especimenes cúbicos. Sin embargo una duda siempre latente es el cuestionamiento acerca de que si con los diferentes tamaños de muestras y con los varios modelos de equipos de pruebas actualmente existentes en el mercado, se obtienen resultados consistentes durante la estimación del módulo elástico a nivel de laboratorio.

Es conocido que durante la estimación del módulo de elasticidad a nivel de laboratorio es necesario registrar simultáneamente, durante la aplicación de escalones de cargas constantes, los niveles de deformaciones y de esfuerzos, asociados a un mismo período. Graficando la curva que relaciona esfuerzos con deformaciones, es posible estimar el módulo elástico como la zona de curva en donde se manifiesta el comportamiento elástico del material (zona de curva en donde la relación entre el esfuerzo y la deformación tiene una relación lineal).

Con el objetivo de verificar la influencia que tiene el tamaño del espécimen en la magnitud de la resistencia a la compresión y del módulo elástico, se desarrolló en el Departamento de Ingeniería Civil de Sherbrook, Canadá, un estudio de especímenes de concreto de alta resistencia, con la misma relación de aspecto (relación entre el tamaño y el diámetro del espécimen). En este caso se consideraron dos tipos de probetas: probeta de 10.0 cm de diámetro x 20.0 cm de alto, y probeta de 15.0 cm de diámetro x 30.0 cm de alto. Las muestras de concreto se fabricaron con las mismas materias primas, con excepción del agregado grueso que en este caso se consideraron muestras elaboradas con 7 tipos de agregados gruesos con tamaño máximo de 10.0 mm diferentes (calizas metamórficas y dolomítica, areniscas silícea y silícea calcárea, granito cuarzo y cuarcita). Los ensayos se desarrollaron para edades de 28 y 91 días. Luego de desarrollar el estudio se encuentra que las magnitudes de la resistencia del concreto a la compresión y del módulo de elasticidad están influenciadas por el tamaño del espécimen de estudio. En el caso del módulo elástico, la relación con el tamaño es directamente proporcional (cuanto mayor sea el tamaño de la muestra mayor será el módulo elástico y viceversa); y en el caso de la resistencia a la compresión, la relación es inversamente proporcional (cuanto mayor sea el tamaño del espécimen menor será la resistencia del concreto a la compresión).

Respecto a la relación directamente proporcional que existe entre el módulo elástico y el tamaño del espécimen, se refiere que existen dos situaciones que influyen sobre la misma, la primera de ella es el efecto de la escala y la segunda la fricción que se genera entre los componentes de la máquina de ensayo y las caras del espécimen en estudio (cuanto mayor es el diámetro del espécimen mayor será también la fuerza de fricción y menor serán las deformaciones unitarias transversales y longitudinales; magnitudes que están inversamente ligadas al módulo elástico). El efecto de la escala o efecto de superficie está relacionado con el cambio de las propiedades de la superficie externa de la muestra durante el proceso de carga y de consolidación de la muestra durante el ensayo; la superficie externa por unidad de volumen es inversamente proporcional al diámetro del espécimen, por lo tanto, la variación en las características de la superficie exterior tendrá un mayor impacto sobre los especimenes más pequeños.

Referencia:“Baalbaki, W.; Baalbaki, M.; Benmokrane, B.; Aitcin, P. C., “Influence of specimen size on compressive strenght and elastic modulus of high-performance concrete”, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Sherbrooke, Canadá, Publicado en Cement, Concrete and Agregate (Publicación ASTM), Vol. 14, no. 2, in-vierno de 1992.

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