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ACADEMIA NACIONAL DE INGENIERÍA

CORROSIÓN DE ARMADURAS INDUCIDA POR CLORUROS.ANÁLISIS DE LA ETAPA DE PROPAGACIÓN Y SU IMPACTO EN LA

VIDA ÚTIL DE LAS ESTRUCTURAS

Ing. Guillermo D. Di PaceAcadémico Correspondiente

2017

BUENOS AIRESREPÚBLICA ARGENTINA

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2017

BUENOS AIRESREPÚBLICA ARGENTINAA

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2017


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2017


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PRESIDENTE HONORARIOIng. ARTURO J. BIGNOLI

MESA DIRECTIVA (2016-2018)

PresidenteIng. OSCAR A. VARDÉ

Vicepresidente 1°Ing. LUIS U. JÁUREGUI

Vicepresidente 2°Ing. ISIDORO MARÍN

SecretarioIng. RICARDO A. SCHWARZ

ProsecretarioIng. MAXIMO FIORAVANTI

TesoreroIng. GUSTAVO A. DEVOTO

ProtesoreroIng. ALBERTO GIOVAMBATTISTA

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ACADÉMICOS TITULARES

José Pablo Abriata

Patricia L. Arnera

Eduardo R. Baglietto

Conrado E. Bauer

Raúl D. Bertero

Miguel A. Beruto

Rodolfo E. Biasca

Arturo J. Bignoli

Juan S. Carmona

Rodolfo F. Danesi

Tomás A. del Carril

Luis A. de Vedia

Gustavo A. Devoto

Arístides B. Domínguez

René A. Dubois

Javier R. Fazio

Máximo Fioravanti

Alberto Giovambattista

Luis U. Jáuregui

Raúl A. Lopardo

Isidoro Marín

Augusto C. Noel

Ezequiel Pallejá

Eduardo A. Pedace

Osvaldo J. Postiglioni

Antonio A. Quijano

Ricardo A. Schwarz

Francisco J. Sierra

Manuel A. Solanet

Carlos D. Tramutola

Oscar A. Vardé

Oscar U. Vignart

Noemí E. Zaritzky

5

ACADÉMICOS CORRESPONDIENTES NACIONALES

Ramón L. Cerro - Provincia de Santa Fe

Máximo E. Valentinuzzi - Provincia de Tucumán

Aldo J. Viollaz - Provincia de Tucumán

Antonio Introcaso - Provincia de Santa Fe

Jorge Santos - Bahía Blanca - Provincia de Buenos Aires

Jorge F. Rivera Prudencio - Provincia de San Juan

Francisco L. Giuliani - Provincia de Río Negro

Carlos Ricardo Llopiz - Provincia de Mendoza

Roberto J. J. Williams - Mar del Plata, Provincia de Buenos Aires

Bibiana María Luccioni - Provincia de Tucumán

Ricardo D. Ambrosini - Provincia de Mendoza

Alejandro P. Giuliano - Provincia de San Juan

Oscar R. Velez - Provincia de Mendoza

Ricardo J. Rocca - Provincia de Córdoba

6

ACADÉMICOS CORRESPONDIENTES EN EL EXTERIOR

Gunnar Hambraeus (Suecia)

Joaquim Blessmann (Brasil)

Luis D. Decanini (Italia)

Wolfgang Torge (Alemania)

David I. Blockley (Reino Unido)

Jorge D. Riera (Brasil)

Luis Esteva Maraboto (México)

Piero Pozzati (Italia)

Angelo Miele (Estados Unidos)

Giovanni Lombardi (Suiza)

Massimo Majowiecki (Italia)

Thomas Paulay (Nueva Zelanda)

José A. Maza Alvarez (México)

Alberto Bernardini (Italia)

Carlos I. Zamitti Mammana (Brasil)

Jorg Imberger (Australia)

Song Jian (China)

Patrick J. Dowling (Reino Unido)

John M. Davies (Reino Unido)

Héctor Gallegos Vargas (Perú)

Daniel H. Fruman (Francia)

Guillermo Di Pace (Ecuador)

Marcelo H. García (Estados Unidos)

Jorge G. Karacsonyi (España)

Juan C. Santamarina (Estados Unidos)

Morton Corn (Estados Unidos)

Jorge E. Alva Hurtado (Perú)

Alberto Sagües (Estados Unidos)

Bayardo Materón (Brasil)

Juan Bernardo Valdés (Estados Unidos)

Gabriel Fernández (Estados Unidos)

Luis Valenzuela Palomo (Chile)

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CORROSIÓN DE ARMADURAS INDUCIDA POR CLORUROS. ANÁLISIS DE LAETAPA DE PROPAGACIÓN Y SU IMPACTO EN LA VIDA ÚTIL DE LAS

ESTRUCTURAS

Ing. Guillermo D. Di PaceAcadémico Correspondendiente

Consultor. Profesor Invitado USF, USAe-mail: [email protected]

Resumen

Entre los fenómenos que limitan la vida útil de las estructuras de hormigón, la corrosión de lasarmaduras muestra la incidencia más alta; sobre todo en estructuras offshore o estructurasconstruidas cerca o en la costa de zonas tropicales, donde se registra la mayor tasa de deterioro.La Universidad del Sur de la Florida (USF) ha desarrollado un laboratorio especializado en el estudiode los muchos factores que influyen en la corrosión delasarmaduras en el hormigón que muestra unadestacada trayectoria en este campo.Sobre la base de la amplia labor llevada a cabo por la USF, se realizó un estudio para evaluar elperíodo de propagación de la corrosión, el que se debe añadir al periodo de iniciación para uncálculomás realista de la vida útil de una estructura.Este documento propone una optimización delcálculo del tiempo de propagación, teniendo en cuentalos principales factores que intervienen y la incidencia de cada uno. Se presenta un conjunto deecuaciones para estimar con mayor precisión el periodo de propagación de la corrosión en unaestructura nueva a ser construida en un entorno marino.

Palabras Clave:Hormigón armado, durabilidad, corrosión, propagación

Abstract

Among phenomena limitingservice life of concrete structures, reinforcement corrosion shows thehighest incidence, particularly in offshore structures or structures built near or on the coastline intropical areasthat show the highest rate of deterioration.The University ofSouth Florida (USF) has developed a dedicated laboratory for the study of the manyfactors affecting the corrosion of concrete reinforcement that shows an outstanding background in thisfield.Based on the extensive work carried out by the USF, a study was conducted to assess thepropagation period of corrosion that must be added to initiation period for a more realisticdetermination of service life.This paper proposes an optimization of the propagation period calculation taking into account mainfactors involved and the incidence of each one. A set of equations is presented to more accuratelyestimate the propagation period for a new structure in marine environment.

Keywords: Reinforced concrete, durability, corrosion, propagation

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1. Introducción

Dentro de los fenómenos que limitan la vida útil de las estructuras de hormigón armado, la corrosiónde armaduras en general presenta la mayor incidencia, particularmente en las estructurasconstruidas off-shore o en el litoral marítimo de las zonas tropicales, donde se registra el mayordeterioro. Por ejemplo, la Dirección de Vialidad de EEUU lleva desde hace años estadísticas muycompletas que demuestran que el presupuesto anual de reparación de estructuras viales pararemediar los efectos de la corrosión de armaduras en el hormigón armado es de 8.300 millones dedólares, con un inventario total de 605.000 puentes. En particular, en zonas climáticas de altastemperaturas como el estado de Florida, este hecho es más marcado; esto llevó a que la Universidaddel Sur de la Florida (USF) con sede en Tampa, desarrollara un laboratorio especializado enCorrosión que resulta muy activo en investigación y servicios en este campo.

2. Corrosión de las Armaduras

Los cloruros afectan la película de pasivación del acero de refuerzo causando su pérdida o bienlocalizada o extendida a cierta zona de las armaduras del hormigón. Después que la corrosiónlocalizada o generalizada se ha iniciado en ciertos elementos estructurales de hormigón, lasestructuras pueden soportar cargas sin perder su capacidad de soporte, hasta que se alcanza unpunto en el que la corrosión es evidente. A pesar de que no existe un acuerdo absoluto respecto acuál es el estado final límite antes de que se necesite una reparación o reconstrucción importante,algunos autores han seleccionado la aparición de las primeras fisuras de 0,1 mm como el EstadoFinal Límite a partir del cual se termina la vida de servicio de una estructura o se alcanza la etapa denecesidad de mantenimiento y reconstrucción importante [18][26]. Este enfoque fue previamentepropuesto por Tuuti [27]. La Fig. 1 ilustra acerca del enfoque de Tuuti [10].

Fig. 1

La corrosión causa la expansión del acero de refuerzo debido al incremento de volumen asociadocon la transformación del hierro en óxidos de hierro; esta expansión está en el rango de entre uno aseis veces el volumen inicial [19]. La formación de óxidos de hierro está asociada con la constanteprovisión de oxígeno y humedad por lo que este tipo de corrosión ocurre en estructuras expuestas alaire. La corrosión sumergida de las armaduras es un tópico de creciente discusión y preocupación yno debería ser minimizado, pero el daño resultante en las estructuras sujetas a medioambientes concloruros es diferente y no se incluye en el presente trabajo.La penetración de los productos de la corrosión en el hormigón fue investigada por muchos autores.Recientemente [29], elanálisis de imágenes mostró que los productos de la corrosión penetran en losporos capilares y vacíosdel hormigón. Una vez que los poros y vacíos se llenan, los productos de lacorrosión son forzados a acumularse en la zona de lainterfase acero-hormigón. En presencia depequeñas fisuras existentes, los productos de corrosión pueden nuclearse en los vértices de la fisura.El avance de la corrosión puede inducir el incremento de las fisuras existentes hasta que finalmenteconsiguen llegar a la superficie expuesta de la estructura de hormigón, alcanzado así el EstadoLímite.La Figura 2 muestra un esquema indicando la cantidad de pérdida del radio de la armaduranecesaria para que se produzca fisuración, Xcrit, (también conocida como penetración crítica).

PERIODO DEINICIACION

PERIODO DEPROPAGACION

PASIVO ACTIVO

CORROSIONDE LAARMADURA

COLAPSOESTRUCTURAL

DESCASCARAMIENTOY DELAMINACION

FISURACION DELRECUBRIMIENTO DEHORMIGON

NIV

EL D

E D

ETER

IORO

TIEMPO DEEXPOSICION

9

Fig. 2

3. Efecto de la Corrosión Localizada

Al principio de la vida de servicio de estructuras con grandes recubrimientos de hormigón [ACI 224]es muy probable la aparición de fisuras transversales no relacionadas con la corrosión. Cuando seinterceptan armaduras embebidas en el hormigón, esas fisuras puede provocar corrosión localizada,agravada por la presencia de abundantes iones cloruro libres. Se demostró que la corrosión en lasintersecciones fisura-acero puede localizarse fuertemente en la zona de intersección, con lacaracterística de distribuirse uniformementeen el perímetro de la barra. [12][13][26]. En este caso Lapenetración de los productos de corrosión es básicamente similar; se focaliza en una pequeña partedel acero de refuerzo.Generalmente, se puede considerar que la corrosión uniformemente distribuidasobre el acero de refuerzo es el peor caso de corrosión localizada.El trabajo de Torres-Acosta fue el primero en investigar experimentalmente el efecto de la corrosiónlocalizada de la armadura en la cantidad de penetración de corrosión del acero necesaria para quese fisure el recubrimiento [26]. De datos experimentales, se propuso un modelo numérico para elcálculo de Xcrit como una función de los radios de C/Ø y C/L de acuerdo a la formula siguiente:/ ≈ 0.011 ∅ + 1 {1}: Pérdida crítica del radio de la armaduraC :RecubrimientoØ: Diámetro de la armadura de refuerzo.L:Longitud del ánodo.

La correlación fue mejorada por la investigación de SagüésyBusba en el Laboratorio de Corrosión dela Universidad de South Florida [12][13][10]. La siguiente relación modificada fue propuesta comouna herramienta empírica para estimar penetraciones críticas en casos afectados por corrosiónlocalizada o uniforme: / ≈ 0.011 ∅ + 1 .

{2}Lamentablemente esta expresión no tiene en cuenta las características del hormigón delrecubrimiento, en particular su habilidad para oponerse a la propagación de la fisura. Por ello seconsidera que se puede mejorar este enfoque incorporando los principios de la Mecánica de Fracturadel Hormigón.

4. Período de Propagación

El período de propagación es corto comparado con el período de iniciación. Debido a que es muydifícil de calcular y que es considerablemente más corto que el período de iniciación, generalmentese lo descarta y se asume el final del periodo de iniciación como el final de la vida de servicio. Esteenfoque, ampliamente utilizado en los más importantes proyectos de construcción en el mundodurante el siglo XX, es considerado hoy en día excesivamente conservador y anti-económico.El periodo de propagación ha sido vastamente investigado por muchos autores [10]; algunos autoresinclusive han propuesto modelos numéricos muy refinados [15], pero ninguno cuenta con unaaceptación generalizada.Algunos Software considerados como el estado del arte[Stadium] [Life 365] ofrecen un atajo para laestimación del periodo de propagación asumiendo un valor del tiempo fijo (Ej. 6 a 10 años), que esdirectamente sumado al periodo de iniciación resultando en el lapso de vida útil. Pero como este

RECUBRIMIENTODE HORMIGON

DIAMETROINICIAL DELAARMADURA

CAPA DEPRODUCTOS DECORROSION

PERDIDA CRITICADEL RADIO (Xcrit)

FISURA DE CORROSIONINDUCIDA

0.1 mm

10

valor fijo es independiente delas características del hormigón, de la geometría de la estructura y delas condiciones medioambientales, no resulta confiable.Busba [10] ofrece un enfoque dela Modelación del Periodo de Propagación muy interesante,sintetizado en los siguientes párrafos.El periodo de propagación de la corrosión, en términos de fisuración del recubrimiento(Tcr), puede serdeterminado si se conocen tanto la tasa promedio de corrosión proyectada (CR) como el radio depérdida crítica de la armadura Xcrit.Tcr, CR y Xcrit se relacionan en la ecuación {3} [30].( ) = ( )/ ( / ){3}

Desarrollar modelos separados para predecir las tasas de Xcrity de velocidad de corrosión podría sermás confiable para determinar sus contribuciones individuales en el proceso de fisuración; de estamanera los modelos para calcular la tasa de corrosión y deXcritpueden incorporarse en un enfoque depredicción de la durabilidad más globalizador para estimar razonablemente el momento de lafisuración.Desafortunadamente, no existen modelos simples y confiables para la predicción de la tasa decorrosión versus el tiempo [21][28].El objetivo de esta contribución es proponer una ecuación más refinada pero a la vez simple para ladeterminación de Xcrity otra para la estimación de CR y de esta forma poder calcular la longitud delperiodo de propagación, con mayor exactitud.

5. Pérdida Crítica del Radio de la Armadura (Xcrit)

Todos los fenómenos expansivos en el interior del hormigón pueden ser matemáticamente descriptosmediante los principios de la Mecánica de Fractura [9]. La expansión por corrosión en las estructurasde hormigón en ambientes marinos es un caso particular de esta regla general [7].Aplicando los principios de la mecánica de fractura y aceptando la validez dela mecánica de fracturalineal elástica [16], se puede realizar una mejor estimación del Xcritmediante la siguiente ecuación{4}. / ≈ 0.011 ∅ + 1 .

{4}

K1C: Tenacidad a la Fractura del hormigón.K1C debería ser medido (o estimado) para la mezcla dehormigón que está siendo investigada.

K1Cref es la K1Cde referencia considerada (implícitamente) para el desarrollo de la ecuación {2}.K1Creffue calculado como el valor promedio de las mezclas de hormigón utilizadas por Busbaen eldesarrollo de su ecuación [10]. La Tabla 1 reproduce los valores de referencia del hormigóncalculados y medidos.De acuerdo a la tabla 1K1Cref = 35.89 N/mm3/2.

Cemento, kg/m3 (ASTM C150 Tipo I) 426Agua, kg/m3 201

Agregado Grueso, kg/m3

(Caliza- ASTM C33 #89) 949

Agregado Fino, kg/m3

(Arena Silicea) 676

Resistencia a Compresión a 28 días, MPa(ASTM C39) 42.40

K1C, N/mm3/2 35.89

Tabla1. Valores de referencia del hormigón, calculados y medidos

La dificultad del refinamiento de esta ecuación se debe a que es muy difícil medir mediante ensayosel valor de K1C[8][22] K1Cestá fuertemente influenciado por efectos de tamaño y deben realizarse ungran número de ensayos con especímenes de diferentes tamaños, lo que dificulta su medición. Peropara un caso especial, se puede obtener un valor particular de K1Cy este valor permanecerá válido amenos que se modifique la forma del ensayo o el tamaño del espécimen. En ese caso particular, K1Cse convierte en K1NU, llamado TenacidadAparente a la Fractura.Para la determinación de K1NUse puede adoptar un ensayo muy simple como se muestra en la figura3 [23].

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Fig. 3

En este caso particular, se proponen los siguientes valores de acuerdo con la figura 3.B = 75 mm; D = 100 mm; P = carga de rotura (N); h = 1/5 to 1/3 D; S = 350 mm; L = 400 mm= √ √∝ (∝)( ∝)( ∝) / {5}α = h/DFunc(α) = polinomio de cuarto grado [8]

De acuerdo a la experiencia del autor, para este ensayo particular, K1NU ≈ 0.85 K1C [13][14]. Laecuación {7} puede ser modificada como se expresa en la ecuación {6}/ ≈ 0.011 ∅ + 1 .

{6}K1NUref= 30.50 N/mm3/2

La exactitud de esta ecuación refinada fue verificada mediante la revisión de literatura [25][26]]. Loscálculos están sintetizados en la tabla 2 (cilindros) y en la tabla 3 (prismas). El parámetroseleccionado para la comparación de exactitud fue la sumatoria de los cuadrados de las diferenciasentre los valores medidos y los calculados.

Especim #Tipo

HormigonK1C

(N/mm3/2)C/φ C/L Medido

Calculadoeq [2]

Diferenciasal

cuadrado

Calculadoeq [4]

Diferenciasal

cuadradoCPA1 CON 13 49.08 1.31 0.87 0.049 0.0346132 0.000207 0.0473208 2.82E-06CPA2 CON 13 49.08 1.31 0.87 0.065 0.0346132 0.0009234 0.0473208 0.0003126CPB1 CON 09 54.55 1.92 0.97 0.087 0.0545691 0.0010518 0.0829176 1.667E-05CPB2 CON 09 54.55 1.92 0.97 0.068 0.0545691 0.0001804 0.0829176 0.0002225CPC1 CON 13 49.08 3.13 0.97 0.075 0.088959 0.0001949 0.1216186 0.0021733CPC2 CON 13 49.08 3.13 1.03 0.12 0.0927751 0.0007412 0.1268357 4.673E-05CPD1 CON 19 48.74 1.92 0.96 0.054 0.0541817 3.301E-08 0.0735603 0.0003826CPD2 CON 19 48.74 1.92 0.97 0.069 0.0545691 0.0002083 0.0740863 2.587E-05CPE1 CON 13 49.08 1.92 2.12 0.137 0.1038748 0.0010973 0.1420105 2.511E-05CPF1 CON 13 49.08 1.92 0.97 0.8 0.0545691 0.5556673 0.0746031 0.5262007CPF2 CON 13 49.08 1.92 0.97 0.063 0.0545691 7.108E-05 0.0746031 0.0001346CPG1 CON 13 49.08 1.92 0.42 0.032 0.0345062 6.281E-06 0.0471745 0.0002303CPG2 CON 13 49.08 1.92 0.97 0.062 0.0545691 5.522E-05 0.0746031 0.0001588CP1 CON 13 49.08 1.31 1.13 0.032 0.0415332 9.088E-05 0.0567813 0.0006141CP2 CON 13 49.08 1.9 1.67 0.064 0.0826537 0.000348 0.1129984 0.0024008

Σ 0.5608428 Σ 0.5329476

Especimenes Tipo CP: CILINDROS Xcrit (mm)

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Tabla 2. Síntesis de cálculos de cilindros

Tabla 3. Síntesis de cálculos de prismasComo puede observarse en las tablas 2 y 3, la sumatoria de las diferencias cuadradas muestraunamejor exactitud de la ecuación {4} vs.la ecuación {2}.La mejora en la exactitud puede visualizarse mediantes las figuras 4 y 5. La figura 4 muestra latendencia lineal de los valores calculados para los cilindros y la figura 5 muestra lo mismo pero paralos prismas. En ambos casos, la pendiente de regresión lineal es más cercana a 1 con la ecuación{4} que usando la ecuación {2}.

Fig. 4

Especim #Tipo

Hormigon

K1C

(N/mm3/2)C/φ C/L Medido

Calculadoeq [2]

Diferenciasal

cuadrado

Calculadoeq [4]

Diferenciasal

cuadrado

B4 CON 09 39.2 3.46 0.45 0.087 0.0640301 0.0005276 0.0703075 0.0002786B6 CON 09 39.2 2.92 0.38 0.052 0.0504204 2.495E-06 0.0553636 1.131E-05B7 CON 09 39.2 2.92 0.38 0.052 0.0504204 2.495E-06 0.0553636 1.131E-05B8 CON 09 39.2 1 0.13 0.032 0.0130528 0.000359 0.0143324 0.0003121B9 CON 09 39.2 1 0.52 0.04 0.0197685 0.0004093 0.0217066 0.0003346

B10 CON 09 39.2 1 0.52 0.045 0.0197685 0.0006366 0.0217066 0.0005426B11 CON 09 39.2 1 0.13 0.033 0.0130528 0.0003979 0.0143324 0.0003485

B11a CON 13 49.08 2.21 0.67 0.2 0.0498411 0.0225477 0.0685211 0.0172867B11b CON 13 49.08 2.33 0.88 0.115 0.0620254 0.0028063 0.0852719 0.0008838B12a CON 13 49.08 3 0.1 0.036 0.0377106 2.926E-06 0.0518442 0.000251B12b CON 13 49.08 3 0.1 0.032 0.0377106 3.261E-05 0.0518442 0.0003938B13a CON 13 49.08 3 0.8 0.151 0.0751442 0.0057541 0.1033075 0.0022746B13b CON 13 49.08 3 0.84 0.159 0.0774924 0.0066435 0.1065357 0.0027525B14a CON 13 49.08 3 1.91 0.259 0.1472191 0.012495 0.2023953 0.0032041B14b CON 13 49.08 3 2.09 0.268 0.1601238 0.0116373 0.2201365 0.0022909B15a CON 13 49.08 4.3 0.58 0.057 0.089739 0.0010718 0.1233722 0.0044053B15b CON 13 49.08 4.14 0.53 0.093 0.0825964 0.0001082 0.1135527 0.0004224B16a CON 09 39.2 3 0.81 0.272 0.0757293 0.0385222 0.0831537 0.0356629B16b CON 09 39.2 3 0.89 0.188 0.0804564 0.0115656 0.0883443 0.0099313B17a CON 19 48.74 3 0.94 0.16 0.0834519 0.0058596 0.1139341 0.0021221B17b CON 19 48.74 3 0.98 0.149 0.0858707 0.0039853 0.1172364 0.0010089

Σ 0.1253676 Σ 0.0847293

Especimenes Tipo B: PRISMAS Xcrit (mm)

y = 0.8287x

y = 1.1485x

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

Pred

icci

on X

crit

(mm

)

Valores Medidos Xcrit (mm)

Prediccion Xcrit vs Valores Medidos

Ecuacion 2 Ecuacion 4 Linear (Ecuacion 2) Linear (Ecuacion 4)

13

Fig. 5

La exactitud fue también contrastada o verificada con otros trabajos sobre el tema de corrosiónencontrados en la literatura [2][3][15]. La tendencia general es alentadora pero debido a la falta desuficiente información de datos de ensayo, se deben realizar muchas suposiciones, lo quedesmerece la conclusión final.

6. Velocidad de Corrosión Promedio Proyectada (CR)

La velocidad de corrosión promedio proyectada ha sido estudiada por muchos autores, siguiendo lainvestigación de Tuuti[27]. La velocidad de corrosión depende de muchos factores, siendo los másimportantes los siguientes:

Conductividad de los electrolitos Suministro de O2 originada en la permeabilidad del hormigón Contenido de humedad Temperatura

La influencia del contenido de humedad puede omitirse considerando que el hormigón modeladoestará en el peor escenario posible: zonas de salpicaduras y mareas en ambiente marino. Lainfluencia de la temperatura puede considerarse como de segundo orden comparada con los otrosfactores.

6.1. Conductividad

La conductividad de los electrolitos puede evaluarse mediante el método de Resistividad, de acuerdocon la Norma AASHTO T385-15. Andrade probó que la velocidad de corrosión es inversamenteproporcional a la resistividad [4][5][6].

6.2. Suministro de O2

El suministro de O2 puede evaluarse mediante la permeabilidad al aire del hormigón, de acuerdo conla Norma EN-SIA 262/1. La permeabilidad al aire del hormigón (kT) se interpreta como el área de unporo equivalente a la porosidad del hormigón, a igualdad de Permeabilidad, en m2 . La disponibilidadde aire y consecuentemente el suministro de O2depende del log kT. Sagüés demostró [24] que elsuministro de O2 alcanza rápidamente un punto de saturación donde a partir del cual ya no esnecesaria la provison de O2adicional para alcanzar la máxima corrosión del acero. Este valor umbralpuede asumirse como un hormigón de baja permeabilidad, donde kT = 0.1·10-16 m2. Parahormigones de menor permeabilidad, la disponibilidad de O2 se reducirá como una función de (log(kT0/kT) + 1), donde kT0 = 0.1·10-16 m2; válido solo cuando kT ≤ 0.1·10-16 m2. Esta relación debe serconsiderada como una primera aproximación; se necesitará investigación adicional para mejorarla.

6.3. Velocidad de CorrosiónBásica

La velocidad de corrosión básica Icr para armaduras sin recubrimiento (acero de construcción común)en el hormigón pueden considerarse como 10-4 gr/cm2/día [20][15]. Considerando que la densidad de

y = 0.4936x

y = 0.6465x

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Pred

icci

on X

crit

(mm

)

Valores Medidos Xcrit (mm)

Prediccion Xcrit vs Valores Medidos

Ecuacion 2 Ecuacion 4 Linear (Ecuacion 2) Linear (Ecuacion 4)

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la armadura es alrededor de 7.85 gr/cm3, la velocidad de corrosión básica puede expresarse como Icr= 4.65·10-2 mm/año. Este valor está dentro del rango reportado por Tuuti[27] de 2 a 20·10-2 mm/ año.De acuerdo con C. Andrade, una determinación más precisa se puede obtener mediante lassiguientes ecuaciones: = {7}

= . {8}Icorr: Intensidad de corrosión (μA/cm2)Vcorr: Velocidad de corrosión (mm/año)ρ: Resistividad(KΩ·cm)

Las ecuaciones {7}{8} están de acuerdo con los valores deIcr para clases de hormigón de moderada-alta penetración del ion cloruro (i.e. 50/100 Ω·m), típico de hormigones de laboratorio parainvestigación de corrosión.

6.4. Ecuación de la Velocidad de Corrosión

Integrando las secciones 5.1 a 5.3, se propone lasiguiente ecuación para medir la velocidad decorrosión. CR = ∙ {9}

CR: Velocidad de corrosión (mm/año)Vcorr: Velocidad de Corrosión Básica = 3.016ρ: Resistividad (Ω·m)kT:Permeabilidad al Aire (10-16 m2)kT0:Umbral de Permeabilidad al Aire (0.1·10-16 m2)

La ecuación {9} el válida para kT ≤ 0.1·10-16 m2. Para kT>0.1·10-16 m2, la disponibilidad de O2 estáasegurada, de modo que la ecuación de velocidad de corrosión puede simplificarse como se muestraen la ecuación {10}. CR = {10}

7. Tiempo para que se fisure el Recubrimiento (Tcr)

Después de calcular la Pérdida Critica de Radio de la Armadura (Xcrit) y la Velocidad Promedio deCorrosión Proyectada (CR), se puede obtener Tcrutilizando la ecuación {3}.

8. Cálculo de la Vida Util para Estructuras Nuevas

En los siguientes párrafos se esbozan los lineamientos para el cálculo de la vida útil de estructurasnuevas en medioambientes con cloruros, en especial agua de mar. Este cálculo sólo es válido en laszonas de la estructura expuestas a salpicaduras y movimiento de mareas en contacto directo conagua de mar, o sea, la situación más desfavorable..

8.1. Tiempo para la Iniciación de la Corrosión (Tin)

El tiempo para la iniciación de la corrosión debe ser calculado independientemente, manualmente outilizando software disponible (e.g. Life 365, Stadium, LifePred). La difusividad de Cl-en el hormigón,la geometría estructural y las condiciones medioambientales deben ser consideradas en esta etapa.

C: Recubrimiento Real (recubrimiento nominal – tolerancia). Deff: Difusividad de Cl-en el hormigón Real Condicionesmedioambientales

Tindebe expresarse en años.

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8.2. Características del Hormigón

Las características del hormigón deben ser medidas en laboratorio o modeladas. Los ensayos debenrealizarse después de 90 días de curado normal para permitir la formación de productos dehidratación en los cementos compuestos. Las mejoras en las características del hormigón despuésde los 90 días pueden despreciarse, como un factor adicional de seguridad.

8.2.1. Resistividad Superficial del Hormigón

La resistividad superficial del hormigón a los 90 días debe medirse utilizando la norma AASHTOT385-15 [1].

8.2.2. Permeabilidad al Aire

La permeabilidad al aire debe determinarse a los 90 días de acuerdo con la norma EN-SIA 262/1[30].

8.2.3. Tenacidad Aparente a la Fractura

La Resistencia a la fractura aparente debe ser determinada de acuerdo a lo detallado en el apartado4, con vigas curadas normalmente durante 90 días. La tenacidad aparente puede ser modelada enforma aproximada utilizando las ecuaciones {11}, {12} y{13}.

= /{11}≈ (3.1 ∙ + 2.7) ∙ ( ) ∙ {12}≈ 0.85 {13}K1C, K1NU: (N/mm3/2)Gf: (N/mm)E: (MPa) a 90 díasft: Resistencia a la Tracción por Compresión diametral (ASTM C496-11) en MPa a 90 díasda : Tamaño máximo del agregado (mm)

8.3. Cálculo de la Pérdida Crítica del Radio de la Armadura(Xcrit)

8.3.1. CorrosiónLocalizada

Si se modela la corrosión localizada, deben utilizarse las ecuaciones {4} o {5} dependiendo del valordisponible de Tenacidad a la fractura.Si se usa la ecuación {4}, K1Cref = 35.89 N/mm3/2; si se usa la ecuación {5}, K1NUref = 30.50 N/mm3/2.L: Longitud el ánodo (mm). Como una primera aproximación, la longitud del ánodo debeconsiderarse = diámetro de la armadura de refuerzo.Ø: Diámetro de la armadura de refuerzo (mm).

8.3.2. CorrosiónGeneralizada

Si se modela la corrosión generalizada, en ambas ecuaciones {4} y {5} L → ∞, entonces se debecalcular Xcritmediante las ecuaciones {14} o {15}./ ≈ 0.011 ∅ {14}

/ ≈ 0.011 ∅ {15}

8.4. Velocidad de Corrosión

La velocidad de corrosión puede calcularse mediante las ecuaciones {9} y {10}.

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8.5. Tiempo para la Fisuración del Recubrimiento

El tiempo para que ocurra la fisuración del recubrimiento puede calcularse mediante la ecuación {3}.

8.6. Vida Útil

Finalmente la vida útil (SL) o Vida de Servicio puede calcularse (en años) como:= ( ) + ( ) {16}

9. Ejemplo de Cálculo

Se construirá un puente suspendido en ambiente marino. Se centró la atención en la corrosióninducida por cloruros en las armaduras más externas en las zonas de salpicaduras/mareas.En el anteproyecto se diseñó un hormigón para que el tiempo de iniciación de la corrosión de laarmadura sea Tin = 100 años. Se consideró el uso de acero común de construcción como armaduray el peor escenario de humedad y exposición posibles. Solo se consideró la corrosión localizadacon L = 25mm.La tabla 4 resume las propiedades del hormigón.

Tabla 4. Datos base de un proyecto de puente

La tabla 5 muestra el detalle del cálculo del periodo de propagación. Introduciendo en una hoja Exceldonde se han incorporado las fórmulas correspondientes, los valores de C, K1C, Ø, ρ y kT. Comopuede apreciarse, el incremento de vida útil tomando en cuenta la propagación de la corrosión es de27,1 años, por lo que la vida útil final estimada resulta ser de 12,1 años.

Tabla 5. Efecto de los diferentes factores sobre el periodo de propagación y la vida útil total.

10. Conclusiones

Para los hormigones de alto desempeño que se están utilizando actualmente en obras deingeniería, cuyo hormigón fue diseñado para vidas útiles de 100 años o más, el incrementode vida útil al considerar la propagación de la corrosión de las armaduras es considerablerespecto a la vida útil calculada considerando solamente la iniciación de la corrosión.

Los software de mayor difusión disponibles estiman un periodo de propagación de solo entre5 y 10 años. Este cálculo resulta inexacto y demasiado conservador cuando se utilizanhormigones de alto desempeño.

Mediante la incorporación del cálculo del periodo de propagación, se puede demostrar que lavida útil de estructuras resulta bastante mayor que lo comúnmente aceptado.

Incorporando este método de cálculo se podrán obtener estructuras de mayor vida útil oestructuras de igual vida útil, pero más económicas.

C (mm) 100Ø (mm) 25

kT (10-16m²) 0.1 @ 90 d

ρ (Ω.m) 100 @ 90 d

K1C (N/mm3/2) 70 @ 90 d

L (mm) 25

K1C C φ L C/φ C/L Xcrit Resistividad kT Vel corros ΔtVidaUtil

Total

(N/mm3/2) mm mm m - - mm Ω.m m2 mm/a a a

EjemploPuente

70.00 100 25 25 4 4 0.8166 100 1.00E-17 3.02E-02 27.1 127.1

CALCULOVIDA UTIL

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Referencias

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