Fisuración previa de recubrimiento y propagación de corrosión de la armadura

Resumen

RESUMEN La durabilidad de las estructuras de hormigón armado está asociada, además de a cargas y solicitaciones para las que están diseñadas, a procesos de degradación del hormigón y del acero [1-3], de ahí la importancia de tener en cuenta todos los posibles mecanismos de degradación, así como los ambientes a los que puedan estar expuestos. La corrosión de las armaduras tiene lugar cuando se altera la protección que les confiere el hormigón al formarse una capa pasiva en la interfase hormigón-acero [4]. Esta capa se genera en unas condiciones de alcalinidad determinadas (pH 12,5-13,5), de manera que, al modificar el valor del pH, se deteriora la capa pasiva y por tanto la protección. Este deterioro del acero de refuerzo, tiene dos causas principales, la carbonatación del hormigón y la presencia de iones despasivantes (generalmente cloruros) [5, 6]. La vida útil de una estructura se compone de dos periodos diferenciados, el de iniciación, hasta que el agresivo llega al acero y se despasiva y el de propagación, en la que la corrosión se intensifica [7]. La llegada de agresivos al refuerzo se ve facilitada por la presencia de fisuras en mayor o menor medida [8-10] . Puesto que las fisuras en el hormigón son inevitables debido a las solicitaciones mecánicas a las que está sometido [11, 12], la penetración de agresivos hasta el refuerzo se facilita siendo mayor en la zona de la fisura que en zonas sin fisura, acortando el periodo de iniciación y propagación. El control del tipo y distribución de las fisuras, así como su influencia en el deterioro de elementos y estructuras de hormigón, se convierte en labor esencial para lograr una adecuada durabilidad. Las zonas con fisura no recubiertas de hormigón, quedan expuestas a la corrosión localizada [13]. Los óxidos que se generan pueden sellar la fisura, en especial si esta es estrecha [14, 15], deteniéndose el proceso de corrosión, o bien pueden presionar al hormigón y ampliar la anchura de fisura, multiplicando los daños progresivamente. La creencia de que cuanto mayor es el ancho de fisura, mayor corrosión se produce, llevó a diversos códigos a establecer límites a la fisuración inducida por las cargas, atendiendo al carácter pasivo o activo del refuerzo y al tipo de ambiente al que queda expuesta la estructura, así la EHE-08 la limita para ambientes poco agresivos a 0,4 mm en hormigón armado (0,2 mm en pretensado) y a 0,2-0,1 en ambiente marino para hormigón armado [16, 17]. Sin embargo, estudios posteriores concluyen que no existe una relación entre el ancho de fisura y el grado de corrosión del refuerzo. Parámetros tales como la relación agua cemento o el espesor de recubrimiento son más determinantes que el ancho de fisura [18]. Fisuras que no superen los 0,4 mm, aunque supongan un camino más corto para la llegada de los agresivos, en especial los cloruros, en términos de vida útil no parece que supongan un factor que la disminuya significativamente [19-21]. Otra variable importante es la difusión de cloruros en el hormigón, la cual ha sido estudiada desde hace varias décadas [7, 22-24] debido a que la llegada hasta la armadura de una cierta concentración, llamada “límite”, produce la corrosión del acero y, por tanto, afecta a la seguridad de la estructura [25-27]. Todos los estudios han llevado a que tanto en la Instrucción española, EHE 08 [16] como en el Código Modelo [17]se hayan incorporado modelos de cálculo para establecer el tiempo de “vida útil” (sin corrosión) de una determinada estructura. Estos modelos son, a día de hoy, bastante genéricos e imprecisos [28] ya que no se conoce todavía como modelar el ambiente exterior y por ello no es posible establecer con exactitud los tiempos hasta corrosión de la armadura. Así, el tiempo hasta corrosión depende de la concentración de cloruros exterior y de un fenómeno llamado “envejecimiento”, “aging” en inglés [27], que produce que el coeficiente de difusión de los cloruros disminuya con el paso del tiempo y sin que se sepa bien cuáles son las leyes que lo rigen [28]. Estas incertidumbres no han impedido, sin embargo, que los modelos de difusión basados en la resolución de la segunda ley de Fick, se empiecen a emplear, precisamente porque es necesario establecer sus límites de aplicación y conocer mejor como se adaptan a casos reales [29]. 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. Pocos autores, como se ha mencionado, han abordado este problema y los que lo han hecho han adoptado técnicas experimentales diversas y variados objetivos [30-35]. Unos han medido la influencia del ancho de fisura observando casos reales [30, 36] pero sin cuantificar el proceso, y otros han tratado de simular las fisuras mediante elementos finitos [32] o han medido como se distribuyen los cloruros aportando los perfiles en profundidad y laterales [33]. Unos pocos han tratado de acelerar el proceso mediante ensayos de migración iónica y han establecido relaciones entre el ancho de fisura y los coeficientes de difusión medidos. [34, 36]. En este trabajo se determina precisamente el coeficiente de difusión en probetas con anchos de fisuras controladas siguiendo el método propuesto por Baroghel-Bouny et al. [35]. A los resultados obtenidos se han aplicado con intención ilustrativa los modelos sugeridos en la EHE-08, con los que se ha obtenido la variación del periodo de iniciación con el ancho de fisura. Además, se han estudiado aspectos como la posible relación entre el ancho de fisura y la corrosión producida por carbonatación y cloruros. Los resultados obtenidos se analizan desde los periodos de iniciación y propagación de la corrosión de las que está formada la vida útil de un elemento. Se ha completado, con el cálculo de las velocidades de carbonatación, comparando los ambientes natural y forzado al 3% estudiados en este trabajo. La corrosión no solo se ha analizado a través de medidas electroquímicas, sino también con la inspección visual de los aceros tras su ensayo, comparando áreas fisuradas y pérdidas de sección debidas a la localización de la corrosión. CONCLUSIONES Viguetas fisuradas Las principales conclusiones obtenidas en esta parte de la tesis se resumen a continuación: La existencia de fisuras de ancho mayor a 0,05 mm, hace aumentar la penetración de agresivos, facilitando así la corrosión localizada por picadura en la zona de encuentro entre fisura y refuerzo. Las fisuras transversales con anchos comprendidos entre 0,05 mm y 0,5 mm en hormigón de alta calidad, representan riesgo de corrosión cuando la fuente de ataque son los cloruros suministrados de forma continua, mientras que la carbonatación tiene una influencia menor. Para el rango de ancho de fisura estudiado no se encuentra ningún límite por debajo del cual la corrosión sea despreciable. No parece existir una relación clara entre el grado de corrosión y el ancho de fisura. Probetas prismáticas Las principales conclusiones obtenidas en esta parte de la tesis se resumen a continuación: La llegada del CO2 de manera natural o forzada, así como la del cloruro a través las fisuras hasta el acero, es independiente del ancho de fisura estudiado, la disminución de la etapa de iniciación es evidente ya que la despasivación se ve facilitada generando corrosión. La calidad del hormigón es independiente una vez fisurado el hormigón en cualquiera de los ambientes estudiados, aunque en los menos agresivos esta independencia parece no ser total. La existencia de un límite a partir del cual la corrosión no es despreciable depende del ambiente de exposición, así en ambientes de carbonatación natural parece situarse en torno a los 0,2 mm, mientras que en la carbonatación forzada al 3% y en ambiente de cloruros, parecería situarse en tamaños menores a 0,05 mm. La posible relación entre la corrosión con el ancho de fisura no se ha visto clara durante el estudio, parece entreverse que según aumenta el ancho lo hace también la corrosión, pero no se ha llegado a ninguna relación matemática. La aplicación de los tratamientos estudiados en las fisuras, (inhibidor, hidrofugante y sellador) no parecen funcionar de manera eficiente en los ambientes agresivos, sobre todo a anchos de fisura superiores a 0,6 mm, destacando entre ellos el inhibidor como mejor tratamiento. Probetas circulares Las principales conclusiones obtenidas en esta parte de la tesis 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: D_ns=〖8,25∙10〗^(-8)∙e^(13,1∙w) 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: t_w/t_(w=0) =e^(-14,87w) Se han encontrado discrepancias en el ancho de fisura crítico para los coeficientes en estado no estacionario publicados (en torno a 0,1mm) y el obtenido en esta tesis de 0,04 mm, lo que lleva a indicar la necesidad de seguir ensayando nuevos hormigones hasta encontrar relaciones entre la variación del coeficiente de difusión con el ancho de fisura que puedan ser generalizables con garantías de tipo estadístico. BIBLIOGRAFÍA 1. Bertolini, L., et al., Corrosion of steel in concrete. Vol. 392. 2013: Wiley Online Library. 2. Glasser, F.P., J. Marchand, and E. Samson, Durability of concrete—degradation phenomena involving detrimental chemical reactions. Cement and Concrete Research, 2008. 38(2): p. 226-246. 3. Papadakis, V.G., C.G. Vayenas, and M.N. Fardis, Physical and chemical characteristics affecting the durability of concrete. Materials Journal, 1991. 88(2): p. 186-196. 4. Gonzalez, J., et al., Comparison of rates of general corrosion and maximum pitting penetration on concrete embedded steel reinforcement. Cement and concrete research, 1995. 25(2): p. 257-264. 5. Bautista, A. and J. Gonzalez, Analysis of the protective efficiency of galvanizing against corrosion of reinforcements embedded in chloride contaminated concrete. Cement and Concrete Research, 1996. 26(2): p. 215-224. 6. Gonzalez, J.A., J. Algaba, and C. Andrade, Corrosion of reinforcing bars in carbonated concrete. British Corrosion Journal, 1980. 15(3): p. 135-139. 7. Tuutti, K., Corrosion of steel in concrete. 1982: Cement-och betonginst. 8. Schießl, P. and M. Raupach, Corrosion of Steel Bars in Cracked Concrete under Marine Environment. Journal of Materials in Civil Engineering, 2003. 15(5). 9. Okada, K., W. Koyanagi, and T. Miyagawa, Chloride corrosion of reinforcing steel in cracked concrete, in International symposium on offshore structure. 1979: brasil. 10. De Schutter, G., Quantification of the influence of cracks in concrete structures on carbonation and chloride penetration. Magazine of Concrete Research, 1999. 51(6): p. 427-435. 11. Petersson, P.-E., Crack growth and development of fracture zones in plain concrete and similar materials. 1981. 12. Roumaldi, J. and G.B. Batson, Mechanics of crack arrest in concrete. 2008. 13. Vidal, T., A. Castel, and R. Francois, Analyzing crack width to predict corrosion in reinforced concrete. Cement and concrete research, 2004. 34(1): p. 165-174. 14. Li, V.C. and E.-H. Yang, Self healing in concrete materials, in Self healing materials. 2007, Springer. p. 161-193. 15. Jacobsen, S., J. Marchand, and L. Boisvert, Effect of cracking and healing on chloride transport in OPC concrete. Cement and Concrete Research, 1996. 26(6): p. 869-881. 16. Ministerio_de_fomento, EHE – 08 Instrucción de hormigón estructural 2008. 17. Fib, Model Code 2010. 2012. 18. U., M.T., et al., Chloride-induced corrosion of steel bars in concrete with the presence of gap at the steel-concrete interface. ACI Mater. J., 2002. 99: p. 149. 19. Schießl, P. and M. Raupach, Laboratory studies and calculations on the influence of crack width on chloride-induced corrosion of steel in concrete. ACI Materials Journal, 1997. 94(1): p. 56-62. 20. Nürnberger, U., Chloride corrosion of steel in concrete, part 2. Betonwerk Fertigteil-technik, 1984. 10: p. 697-704. 21. Hartl, G. and W. Lukas, Investigations on the penetration of chloride into concrete and on the effect of cracks on chloride-induced corrosion of reinforcement. Betonwerk Fertigteil-technik, 1987. 7: p. 497-506. 22. Sergi, G., S. Yu, and C. Page, Diffusion of chloride and hydroxyl ions in cementitious materials exposed to a saline. Magazine of Concrete Research, 1992. 44(158): p. 63-69. 23. Saetta, A.V., R.V. Scotta, and R.V. Vitaliani, Analysis of chloride diffusion into partially saturated concrete. Materials Journal, 1993. 90(5): p. 441-451. 24. Climent, M.A., et al., A test method for measuring chloride diffusion coefficients through nonsaturated concrete: Part I. The instantaneous plane source diffusion case. Cement and concrete Research, 2002. 32(7): p. 1113-1123. 25. Izquierdo, D., et al., Potentiostatic determination of chloride threshold values for rebar depassivation: experimental and statistical study. Electrochimica Acta, 2004. 49(17-18): p. 2731-2739. 26. Pachón-Montaño, A., et al., Threshold concentration of chlorides in concrete for stainless steel reinforcement: Classic austenitic and new duplex stainless steel. Construction and Building Materials, 2018. 186: p. 495-502. 27. Bamforth, P.B. and J. Chapman-Andrews. Long term performance of RC elements under UK coastal exposure conditions. in International Conference on Corrosion and Corrosion Protection of Steel in Concrete, Sheffield Academic Press, Ed. N. Swamy Ed. 1994. 28. Andrade, C., 2013 WR Whitney Award Lecture: Probabilistic Treatment of the Reinforcement Corrosion. Corrosion, 2014. 70(6): p. 643-651. 29. Andrade, C., Especificaciones de cálculo de la vida útil y estado límite de corrosión. Revista de la Asociación Latinoamericana de Control de Calidad, Patología y Recuperación de la Construcción, 2013. 3(2): p. 82-101. 30. Beeby, A., Cracking, Cover, and Corrostion of Reinforcement. Concrete international, 1983. 5(2): p. 35-40. 31. Jang, S.Y., B.S. Kim, and B.H. Oh, Effect of crack width on chloride diffusion coefficients of concrete by steady-state migration tests. Cement and Concrete Research, 2011. 41(1): p. 9-19. 32. Gérard, B. and J. Marchand, Influence of cracking on the diffusion properties of cement-based materials: Part I: Influence of continuous cracks on the steady-state regime. Cement and Concrete research, 2000. 30(1): p. 37-43. 33. Šavija, B., et al., Cracking of the concrete cover due to reinforcement corrosion: a two-dimensional lattice model study. Construction and Building Materials, 2013. 44: p. 626-638. 34. Tognazzi, C., et al., Coupling between diffusivity and cracks in cement-based systems. MRS Online Proceedings Library Archive, 1999. 608. 35. Djerbi, A., et al., Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete. Cement and Concrete Research, 2008. 38(6): p. 877-883. 36. Jin, W., Y. Yan, and H. Wang, Chloride diffusion in the cracked concrete. Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures-Assessment, Durability, Monitoring and Retrofitting, 2010: p. 880-886. 37. Beeby, A.W., Corrosion of reinforcing steel in concrete and its relation to cracking. the structuralengineer, 1978. 56A(3): p. 77-81. 38. Beeby, A.W., Cracking, Cover, and corrosion of reinforcement. concrete international, 1983. 5: p. 35-40. 39. Askheim, N.E. and B. Roland, The relevance of present criteria for corrosion resistance of marine RC structures, in corrosion of reinforcements in concrete construction. 1983: london. 40. Schiessl, P. Cracking of concrete and durability of concrete structures. in European Conference on cracking of concrete and durability of construction, Paris. 1988. 41. Nürnberger, U., Corrosion problems of reinforcing steel in concrete off-shore structures. otto graf journal, 1990. 1: p. 164-180. 42. Schießl, P. and M. Raupach, Investigation of the mechanisms of corrosion affecting reinforcing steel in the crack zone. 1992. 43. Sakai, K. and S. Sasaki, Ten year Exposure test of precracked reinforced concrete in a marine enviroment, in Durability of concrete ACI SP 145, S.N. Malhotra, Editor. 1994: Nice. p. 353-369. 44. Arya, C. and F. Ofori-Darko, Influence of crack frequency on reinforcement corrosion in concrete. Cement and Concrete Research, 1996. 26(3): p. 345-353. 45. Aldea, C.-M., S.P. Shah, and A. Karr, Effect of cracking on water and chloride permeability of concrete. Journal of materials in civil engineering, 1999. 11(3): p. 181-187. 46. Nurnberger, U. and W. Beul, Corrosion of stainless steel reinforcement in cracked concrete. Otto-Graf-Journal, 1999. 10: p. 23. 47. Castel, A., R. Francois, and G. Arliguie, Effect of loading on carbonation penetration in reinforced concrete elements. Cement and Concrete Research, 1999. 29(4): p. 561-565. 48. Mohammed, T.U., et al., Effect of Crack Width and Bar Types on Corrosionof Steel in Concrete. Journal of Materials in Civil Engineering, 2001. 13(3): p. 194-201. 49. Lindquist, W.D., et al., Effect of cracking on chloride content in concrete bridge decks. ACI Materials Journal, 2006. 103(6): p. 467. 50. Şahmaran, M. and İ.Ö. Yaman, Influence of transverse crack width on reinforcement corrosion initiation and propagation in mortar beams. Canadian Journal of Civil Engineering, 2008. 35(3): p. 236-245. 51. Otieno, M., M. Alexander, and H.-D. Beushausen, Corrosion in cracked and uncracked concrete–influence of crack width, concrete quality and crack reopening. Magazine of Concrete Research, 2010. 62(6): p. 393-404. 52. Raupach, M., Chloride-induced macrocell corrosion of steel in concrete—theoretical background and practical consequences. Construction and building materials, 1996. 10(5): p. 329-338. 53. Francois, R., et al., Study of the impact of localised cracks on the corrosion mechanism. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2012. 16(3-4): p. 392-401. 54. Yu, L., et al., Development of chloride-induced corrosion in pre-cracked RC beams under sustained loading: Effect of load-induced cracks, concrete cover, and exposure conditions. Cement and Concrete Research, 2015. 67: p. 246-258. 55. Otieno, M., H. Beushausen, and M. Alexander, Chloride-induced corrosion of steel in cracked concrete – Part I: Experimental studies under accelerated and natural marine environments. Cement and Concrete Research, 2016. 79: p. 373-385. 56. Otieno, M., Sensitivity of chloride-induced corrosion rate of steel in concrete to cover depth, crack width and concrete quality. Materials and Structures, 2017. 50(1): p. 9. 57. Sarría, J.J., Efecto de los parámetros ambientales en la velocidad de corrosión del acero embebido en el hormigón. incidencia de la fisuración del recubrimiento, in escuela técnica superior de arquitectura. 1997, universidad politecnica de madrid. 58. AENOR, UNE 83988-2. Durabilidad del hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de la resistividad eléctrica. Parte 2: Método de las cuatro puntas o de Wenner. 2014. 59. AENOR, UNE 83988-1. Durabilidad del hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de la resistividad eléctrica. Parte 1: Método directo (método de referencia). 2008. 60. AENOR, UNE 112072. Determinación de la velocidad de corrosión de armaduras en laboratorio mediante medida de la resistencia a la polarización. . 2011. 61. Andrade, C., et al., Nuevas técnicas avanzadas para la medida in situ de la corrosión en hormigón armado. 2001. 62. AENOR, UNE 83987 Durabilidad del hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de los coeficientes de difusión de los iones cloruro en el hormigón endurecido. Método multirrégimen. 2014. 63. Hidalgo, A., et al., Measurements of chloride activity coefficients in real Portland cement paste pore solutions. Journal of the American Ceramic Society, 2001. 84(12): p. 3008-3012. 64. AENOR, Corrosión en armaduras. Determinación de la profundidad de carbonatación en hormigones endurecidos y puestos en servicio. 2011. 65. AENOR, Métodos de ensayo de cementos. Determinación potenciométrica de cloruros. 2010. 66. ASTM, D4404, Standard Test Method for Determination of Pore Volume and Pore Volume Distribution of Soil and Rock by Mercury Intrusion Porosimetry. 2010. 67. Marsavina, L., et al., Experimental and numerical determination of the chloride penetration in cracked concrete. Construction and Building Materials, 2009. 23(1): p. 264-274.