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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL REGIÓN XALAPA
“ADAPTACIÓN DE MODELO EUROPEO SEMI-PROBABILÍSTICO PARA CARBONATACIÓN APLICÁNDOLO A DATOS DEL ESTADO DE VERACRUZ “
“TESIS”
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
PRESENTA
LUIS EPIFANIO GARCÍA VERA DIRECTOR Y COODIRECTOR
MALDONADO BANDALA ERICK E. NIEVES MENDOZA DEMETRIO Xalapa, Veracruz
2015
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
INDICE
INTRODUCCIÓN. .............................................................................................................. 1 OBJETIVO. .................................................................................................................... 2 HIPÓTESIS. ................................................................................................................... 2 CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO..................................................................................... 3 1.1
CEMENTO........................................................................................................... 4
1.1.1
CEMENTO PORTLAND. .................................................................................. 4
1.1.2
TIPOS DE CEMENTO...................................................................................... 5
1.2.1
CONCRETO. ................................................................................................... 6
1.2.2 COMPOSICIÓN DEL CONCRTO. ......................................................................... 7 1.2.3
DETERIORO DEL CONCRETO. ...................................................................... 8
1.3 FUNDAMENTOS DE CORROSIÓN. ........................................................................ 9 1.3.1
CORROSIÓN DEL ACERO DE REFUERZO. ................................................ 10
1.3.2 PROTECCIÓN DEL ACERO ANTE LA CORROSIÓN. ....................................... 11 1.3.3 TIPOS DE CORROSIÓN. ................................................................................... 11 1.4 CARBONATACIÓN. ............................................................................................... 13 1.4.1 MECANISMOS CORROSIÓN POR CABONATACIÓN. ...................................... 15 1.4.2 CAMBIOS QUÍMICOS DEL CONCRETO POR CARBONATACIÓN. .................. 17 1.4.3
DIÓXIDO DE CARBONO CONTENIDO EN EL AIRE..................................... 19
1.4.5 DIFERENTES MODELOS DE CARBONATACIÓN. ........................................... 20 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA. ...................................................................................... 25 2.1
LEY DE FICK..................................................................................................... 26
2.2 FÓRMULA GENERAL DE CARBONATACIÓN. ..................................................... 26 2.3
FÓRMULA SEMI- PROBABILÍSTICA. ............................................................... 28
2.4
NORMA MEXICANA NMX- C- 169- ONNCCE- 2009......................................... 31
2.4.1 CRITERIOS DE EVALUACIÓN. .......................................................................... 35 2.4.2 MÉTODO ALTERNATIVO A LA EXTRACCIÓN DE NÚCLEOS. ......................... 36 CAPÍTULO 3. RESULTADOS ......................................................................................... 37 CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES...................................................................................... 73
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INTRODUCCIÓN.
El concreto reforzado como el más popular y desarrollado de los materiales de construcción es porque aprovecha en forma muy eficiente las características de resistencia, compresión, durabilidad, y junto con las altas resistencias de tensión y ductilidad que brinda el acero de refuerzo, hacen un buen papel en el desempeño del campo de la construcción. El ataque y desintegración del concreto bajo la influencia de sustancias agresivas que se pueden encontrar en forma de líquidos, vapores o materia sólida, es aún en nuestros días un fenómeno no del todo bien entendido. El estudio del deterioro de las estructuras de concreto ha tomado un interés particular a partir de los años cincuenta, situación que puede tener diferentes motivos, de entre los cuales se pueden citar la creciente construcción de estructuras de concreto, la necesidad de reparar lo antes construido, la falla de estructuras en forma prematura, etc. Las pérdidas económicas por la corrosión de los metales son tan altas que alcanzan varios puntos porcentuales del Producto Interno Bruto (PIB), que en naciones del primer mundo, como Estados Unidos, Japón o Gran Bretaña, fluctúan entre el 3 y 4 por ciento. Aunque en nuestro país no hay cifras precisas, si se toman en cuenta esas estimaciones internacionales y que el PIB de México en 2012 fue de 9 mil 530 billones de dólares (según datos del Fondo Monetario Internacional), se hablaría de una pérdida por corrosión de entre 285 y 381 billones de dólares en ese año. 1 Los sulfatos, los cloruros y la carbonatación son ataques que el concreto sufre y debido a ello con el paso del tiempo, el acero de refuerzo se corroe. Por lo cual, el descuido de cualquier ataque puede provocar daños afectando la vida útil de un bien o servicio, daños en los cuales el elemento estructural debe ser reemplazado total o parcialmente, daños en los cuales con un método de reparación preventivo es suficiente. La carbonatación es un medio en que cual facilita la corrosión de la varilla, por lo cual no podemos dejar pasar desapercibido por ser un efecto de tiempo largo respectivamente contra otros métodos de corrosión. En el concreto, la corrosión de la varilla de refuerzo se 1
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presenta cuando el concreto al reaccionar con el CO2 atmosférico se carbonata, provocando que el pH disminuya y la varilla de refuerzo se empiece a despasivar.
OBJETIVO. Evaluar por métodos matemáticos y semi probabilísticos la profundidad de carbonatación para determinar la vida útil residual de una estructura de concreto reforzado
HIPÓTESIS. Con la evaluación numérica del método semi-probabilístico se podrá determinar el tiempo en que se despasiva la varilla del refuerzo y así determinar la vida útil del sistema.
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CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO.
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1.1 CEMENTO. Los romanos usaban una ceniza volcánica llamada puzolana como cementante natural, proveniente del monte Vesuvio. Vitruvius señala que para fabricar el mortero se necesitan 2 partes de puzolana por una parte de cal, grasa de animales, leche y sangre. Todavía existen ruinas de estructuras construidas con este cemento romano. La receta se pierde después de esta fecha y es en el año 1756 cuando Smeaton la vuelve a ampliar en la construcción de un faro. La calidad de los cementantes se mejora al reintroducir la técnica de incinerar cal y agregarle puzolana. Un ingeniero británico John Smeaton descubre nuevamente el cemento romano. Al hacer uso de su descubrimiento, reconstruye el faro Eddystone, en Cornwall, Gales, Reino Unido en 1756, mismo que permanecería de pie por 126 años. El maestro de obras Joseph Aspdin patenta la fórmula de cemento, al quemar polvo fino de gis con arcilla en un horno de cal hasta que el dióxido de carbono era retirado. El producto obtenido fue denominado cemento Portland, ya que su color le recordaba el de la piedra de Portland.
1.1.1 CEMENTO PORTLAND. El cemento es un conglomerante hidráulico, es decir, un material inorgánico finamente molido que amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. Dosificado y mezclado apropiadamente con agua y áridos debe producir un concreto o mortero que conserve su trabajabilidad durante un tiempo suficiente, alcanzar unos niveles de resistencias preestablecido y presentar una estabilidad de volumen a largo plazo. Fue inventado en 1824 en Inglaterra por el constructor Joseph Aspdin. El nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Portland, en el condado de Dorset. A diferencia de lo que muchos creen, su origen no está relacionado con Portland, Oregón, EE. UU.. La fabricación del cemento Portland se da en tres fases: 4
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preparación de la mezcla de las materias primas
producción del clinker
preparación del cemento.
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Las materias primas para la producción del portland son minerales que contienen:
óxido de calcio (44 %),
óxido de silicio (14,5 %),
óxido de aluminio (3,5 %),
óxidos de hierro (3 %)
óxido de manganeso (1,6 %).
1.1.2 TIPOS DE CEMENTO.
De acuerdo a la NMX- C-414-2004-ONNCCE los tipos de cemento portland para México está de acuerdo en la Tabla 1.1 Tabla 1.1 Clasificación de diferentes tipos de cemento. CPO:
Cemento Portland Ordinario.
PCP:
Cemento Portland Compuesto.
CPEG:
Cemento Portland con Escoria Granulada de alto horno.
CPS:
Cemento Portland con humo de Sílice.
CEG:
Cemento con Escoria Granulada de alto horno.
En la tabla 1.2 se enuncian las clases resistentes que hay en los diferentes tipos de cemento.
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Tabla 1.2 Clasificación de clases resistentes en el cemento. Resistencia a la compresión N/mm2 Clase
Mínimo a 3 días.
Mínimo a 28 días.
Máximo a 28 días.
20
--------
20
40
30
---------
30
50
30R
20
30
50
40
---------
40
--------
40R
30
40
--------
resistente
En la siguiente tabla 1.3 se muestran las características especiales que tienen el cemento para diferentes ataques al concreto ya fabricado, o un tipo de reacción especial. Tabla 1.3 Características especiales en el cemento. Características especiales RS
Resistente a sulfatos
BRA
Baja reacción Álcali- Agregado
BCH
Bajo calor de hidratación
B
Blanco
1.2.1 CONCRETO.
Hace 5.000 años aparecen al norte de Chile las primeras obras de piedra unidas por un conglomerante hidráulico procedente de la calcinación de algas, estas obras formaban las 6
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paredes de las chozas utilizadas por los indios. Los egipcios emplearon morteros de yeso y de cal en sus construcciones monumentales. En Troya y Micenas, dice la historia que, se emplearon piedras unidas por arcilla para construir muros, pero, realmente el concreto confeccionado con un mínimo de técnica aparece en unas bóvedas construidas cien años A.C. Los romanos dieron un paso importante al descubrir un cemento que fabricaban mezclando cenizas volcánicas con cal viva. En Puteoli conocido hoy como Puzzuoli se encontraba un depósito de estas cenizas, de aquí que a este cemento se le llamase "cemento de puzolana". El siglo pasado el concreto tuvo su desarrollo más notable como se aprecia en las construcciones de complejos industriales, vías de comunicación y edificios en todo el mundo. En todo el mundo se recurre al concreto como material de construcción seguro, resistente y sencillo. Se usa en todo el tupo de construcciones, desde vivienda hasta conjuntos de edificios para oficias y complejos comerciales. A pesar del uso común del concreto, pocas personas están conscientes de las consideraciones involucradas en el diseño de un concreto resistente, durable y de alta calidad. El concreto se hace mezclando: Cemento, agua agregado grueso, agregado fino y aditivos si se requieren. El objetivo de mezclar estos materiales en cantidades medidas para que el concreto sea fácil de transportar, colocar, compactar y dar un acabado y que fragüe y se endurezca, para proporcionar un producto resistente y durable. La cantidad de cada material (es decir, cemento, agua y agregados) afecta las propiedades del concreto fresco y/o endurecido.
1.2.2 COMPOSICIÓN DEL CONCRTO. Como antes mencionado, el concreto consiste en la mezcla de agregados pétreos graduados (arena y grava), cemento y agua. Los agregados pétreos se clasifican en finos y gruesos. 7
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Los finos son arenas que pueden ser naturales o artificiales cuando son producto de la trituración, los agregados gruesos son los que tienen más de ¼ ‘’, la pasta constituye del 25% al 40% del volumen total del concreto. El concreto es muy utilizado debido a que presenta resistencia mecánica, poca variación volumétrica, baja conductividad térmica y requiere poco mantenimiento si se fabrica adecuadamente. La resistencia mecánica del concreto está en función a la relación agua-cemento, cuanto más baja sea la relación a/c, mayor será la resistencia y menor la permeabilidad que alcance el material.
1.2.3 DETERIORO DEL CONCRETO.
Los científicos, quienes deben comprender las propiedades del material y especialmente el envejecimiento y la durabilidad del concreto, están confundidos por todos los posibles mecanismos usados para explicar la complejidad de muchos procesos. La industria de los materiales y la sociedad esperan muchas cosas de la investigación que se está llevando a cabo. Debemos considerar si existe un equilibrio entre las inversiones y las expectativas que harían que los materiales estén disponibles para usarse como compuestos en el concreto.
Los científicos han implementado nuevos productos con grandes propiedades en resistencia y durabilidad. Esto se ha logrado usando compuestos recientemente desarrollados y comprendiendo el mecanismo del posicionamiento óptimo de las partículas del agregado combinado con fibras y aditivos. Este tipo de conocimiento podría proporcionar una futura herramienta para comprender el desempeño de las estructuras existentes. La humedad juega un papel significativo en la mayoría de las reacciones químicas en el concreto y en partes de los procesos físicos y químicos en varios fenómenos de deterioro. La durabilidad es la resistencia a la acción del clima, a los ataques químicos, a la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro. El deterioro del concreto reforzado se debe principalmente a causas mecánicas, su naturaleza y agentes externos del medio. 8
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Las estructuras pueden estar sometidas a condiciones para las que no se diseñó como es el caso de sobrecargas, impactos accidentales, explosiones, sismos de gran magnitud, huracanes o simplemente fuerzas de tensión ocasionadas por productos de corrosión internos ocasionando fallas que se manifiestan con agrietamientos, deformaciones excesivas, vibraciones, colapsos, etc. El clima influye en las características del concreto al memento de preparado; de este modo, cuando se fabrica en clima muy cálido y sin tomar precauciones necesarias, puede tener los siguientes problemas al endurecer. Menores resistencias a 28 días y a mayor edad. Derivadas ya sean de un mayor consumo de agua y/o de niveles más altos de temperatura del concreto en el momento de la colocación o durante los primeros días. Menor durabilidad derivada del agrietamiento. Mayor propensión a la reacción por secado al agrietamiento por diferencias de temperatura debidas al enfriamiento de toda estructura o a diferenciales de temperatura dentro de la sección transversal del miembro. Mayor variabilidad del acabado superficial. Por la presencia de juntas frías o diferencias de color, debidas a diferentes velocidades de hidratación para distintas relaciones de a/c. Mayor peligro de corrosión del acero de refuerzo. Esto se debe principalmente a un mayor agrietamiento que hace posible el ingreso de soluciones corrosivas. Mayor permeabilidad. Interperismo. Consiste en cambios de apariencia de la superficie del concreto debido a los efectos de la lluvia, el hielo, sol, y contaminación atmosférica. Ataque de sustancias químicas agresivas. El concreto es atacado por sustancias químicas en solución que sobrepasan un determinado nivel de concentración. El concreto es más vulnerable cuando se encuentra bajo el ataque de sustancias agresivas en solución ejerciendo presión sobre algunas de sus superficies, pues la presión tiene a forzar la entrada de la solución agresiva.
1.3 FUNDAMENTOS DE CORROSIÓN. Una definición bastante aceptable de la corrosión es el deterioro que sufre un material a consecuencia de un ataque químico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por reacción química, la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna 9
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medida de la temperatura y de la concentración de los reactivos y de los productos. Otros factores, como el esfuerzo mecánico y la erosión también, pueden contribuir al deterioro. La mayor parte de la corrosión de los materiales concierne al ataque químico de los metales, el cual ocurre principalmente por ataque electroquímico, ya que los metales tienen electrones libres que son capaces de establecer pilas electroquímicas dentro de los mismos. Las reacciones electroquímicas exigen un electrolito conductor, cuyo soporte es habitualmente el agua. De aquí que en ocasiones se le denomine "corrosión acuosa". Muchos metales sufren corrosión en mayor o menor grado por el agua y la atmósfera. Los metales también pueden ser corroídos por ataque químico directo procedente de soluciones químicas. Otro tipo de degradación de los metales que sucede por reacción química con el medio, es lo que se conoce como "corrosión seca", que constituye en ocasiones una degradación importante de los metales especialmente cuando va acompañado de altas temperaturas. Un principio natural en todos los campos de las ingenierías es la degradación de las máquinas y piezas en servicio. Es obvio demostrar que la corrosión constituye una de las fuentes importantes de degradación de los ingenios diseñados por el técnico. Combatir la corrosión significa: prolongar el tiempo de servicio de un ingenio, disminuir su mantenimiento, diseñar con menor costo para un tiempo definido de servicio, o, cuando no, impedir accidentes que pueden provenir de fracturas súbitas, consecuencias del proceso corrosivo.
1.3.1 CORROSIÓN DEL ACERO DE REFUERZO.
Las estructuras de concreto están reforzadas interiormente con varillas de acero, las cuales se cubren de concreto con el objeto de proporcionar resistencia mecánica a la estructura. En condiciones normales, no debe ocurrir nada que afecte a la estructura, ya que el concreto es un medio perfectamente compatible con el acero, precisamente por el alto valor de pH. El concreto es un material discontinuo, duro y de alta densidad, contiene una gran cantidad de poros, los cuales pueden estar interconectados, siendo por tanto permeable a 10
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líquidos y gases. Esto es de gran importancia para el proceso de corrosión del acero de refuerzo, pues tanto el oxígeno como el agua pueden difundirse hacia el acero a través de la masa de concreto. Por ejemplo, cuando la estructura de concreto está en cierto contacto frecuente con agua que contenga iones de cloruro (agua de mar), a través de la propia porosidad del concreto puede llegar a las varillas del concreto. En este momento se inicia la corrosión del acero. La herrumbre que se va formando como resultado del proceso de corrosión en el acero, por una parte disminuye la sección original de la varilla, y por otra, hace perder la adherencia inicial y deseada entre el acero y el concreto. El óxido de hierro formado (herrumbre), ocupa un volumen aproximadamente cuatro veces mayor que el acero sin corroer. A medida que se va formando herrumbre por la corrosión del acero, ésta ejerce una gran presión sobre el concreto que lo rodea. Las fuerzas son de tal magnitud dentro del concreto que provocan gritas que lo fragilizan, perdiendo éste sus buenas propiedades mecánicas. El proceso continúa hasta que la herrumbre llega a aparecer en la superficie del concreto y se pueden observar las estructuras manchadas
1.3.2 PROTECCIÓN DEL ACERO ANTE LA CORROSIÓN.
El concreto es la primera ayuda ante la corrosión del acero de refuerzo tanto física como químicamente. Crea un ambiente alcalino que rodea el acero de refuerzo propiciando la formación de la capa de óxido, llamada capa pasivante, que lo protege de la humedad y de los agentes iniciadores de la corrosión. Este grado de protección depende de la calidad del concreto, del espesor del recubrimiento y de las prácticas constructivas.
1.3.3 TIPOS DE CORROSIÓN.
La corrosión vista de otra forma también es ocurrida por función del tiempo y es conocido por dos estados como periodos de iniciación y periodo de propagación. El periodo de iniciación es cuando el acero comienza a perder la capa de óxido protectora a consecuencia de la reducción de alcalinidad o presencia de iones agresivos en el concreto, tomado lugar a un tiempo de iniciación, tiempo en el cual se inicia la corrosión 11
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del acero. El periodo de propagación, este periodo inicia cuando comienza la despasivación del acero y finaliza con el periodo de propagación, llevándolo hacia un estado final producido, a consecuencia de un rompimiento o agrietamiento entero de la superficie del concreto asumiendo un estado estable. Las causas más frecuentes por las que se produce la corrosión del acero de refuerzo son: la carbonatación del concreto, el ataque de cloruros y de sulfatos, y la acción de medioambientes agresivos. Los cloruros: Se presenta en estructuras al medio marino. Los iones cloruro están presentes en el agua de mar, pero es posible que también los desplace el viento de la brisa marina a la zona costera y los deposite en estructuras de concreto cercanas a la línea de mar. Otra fuente de cloruros es en el agua de amasado, lo cual aumenta el alto riesgo de corrosión; también es necesario que los iones de cloruro avancen desde el exterior hasta llegar al nivel de la varilla. Una vez que llegan al acero, se acumulen hasta alcanzar una concentración crítica, la cual tiene la capacidad de romper la estabilidad de la película pasiva y dar inicio al proceso de corrosión. Los iones cloruro que son dañinos para el acero de refuerzo son los que se hallan disueltos o libres, pero debido a los equilibrios que se presentan es posible que los que están adsorbidos se incorporen a la disolución y se tornen peligros. Cuando se utiliza agua de amasado con cloruros, otra cantidad que se adsorbe la superficie de las paredes de los poros y sólo una parte queda disuelta. Esta distribución depende del tipo la cantidad de cemento con que se dosifique al concreto. Sulfatos: Los sulfatos (
)
son otros agentes que pueden despasivar el acero de
refuerzo en el concreto. Su principal acción destructiva es sobre la masa de concreto, que puede provocar la expansión y fractura del concreto e iniciar la corrosión del acero de refuerzo en el concreto. El ión sulfato (
)
puede estar presente en aguas residuales
industriales, en aguas del subsuelo y en terrenos arcillosos, siendo perjudiciales para el concreto. Las sales más peligrosas para el cemento Portland son los sulfatos potásico, cúprico, y el alumínico, mientras que los báricos y el de plomo son insolubles e inofensivos para el concreto. Una de las causas del deterioro del concreto a través de los iones sulfato es el yeso, formando a partir de la reacción entre el anión sulfato del agua y el Ca(OH)2 liberado por el cemento, el cual es depositado en los poros del concreto donde se cristaliza por la absorción de dos moléculas de agua; este proceso de reacción química 12
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y cristalización es acompañado de un incremento de volumen que ejerce una acción expansiva en los poros del concreto (especialmente en las capas superficiales) y termina por lograr su desmoronamiento. Se ha indicado que este aumento de volumen es el 17.7% y además si existe la formación del hidróxido de magnesio que produce un aumento de volumen del 19.6% aproximadamente. La carbonatación: La carbonatación es un fenómeno que ocurre todos los días para miles de estructuras de concreto en el mundo; este suceso, es una causa más de la corrosión del acero de refuerzo en el concreto, en términos de vida útil y de costos de reparación originada por sus efectos. El aire normal contiene 0.03% en volumen de bióxido de carbono (CO2) que reacciona con los productos alcalinos del concreto debido a la naturaleza alcalina proporcionada por el cemento. La alta alcalinidad del concreto, que promueve la formación de una capa de óxidos pasivantes sobre el acero, es debida principalmente a la portlandita formada durante la hidratación de los compuestos anhidros del cemento y a los hidróxidos de sodio y potasio presentes. Estas sustancias sitúan el pH de la fase acuosa contenida en los poros del concreto en valores entre 12,6 y 14, en el extremo más alcalino de la escala de pH. El descenso de la alcalinidad se produce principalmente por reacción de los compuestos de carácter básico de la fase acuosa del concreto, hidróxidos de sodio, potasio y calcio, con los componentes ácidos de la atmósfera, dióxido de carbono (CO2) y de azufre (SO2), para formar carbonatos, sulfatos y agua. Puesto que el CO2 se encuentra en mayor proporción en el aire que el SO2, este proceso de descenso de la alcalinidad se denomina genéricamente “carbonatación”.
1.4 CARBONATACIÓN.
La carbonatación puede dar lugar a aumentos en las resistencias a tracción y a compresión de las zonas afectadas, así como a tensiones y microfisuración. Asimismo, durante la reacción el CO2 atmosférico se fija de forma irreversible, la carbonatación del concreto es también muy importante desde el punto de vista medioambiental. Las moléculas de CO2 penetran en el concreto a través de los poros capilares no saturados de agua y posteriormente se disuelven en la fase acuosa contenida en esos poros. Los iones CO3-2 generados reaccionan con los iones Ca+2 presentes formando carbonato cálcico 13
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(CaCO3). Esta reacción se puede producir tanto con los iones Ca2+ de la portlandita como con los del gel C‐S‐ H. Las reacciones simplificadas son las siguientes:
……………………………………………………...……(1)
……………………………...............................(2) La carbonatación del C‐S‐H produce una descalcificación del gel y una polimerización de los silicatos, llegando en último término a formar, junto con el carbonato cálcico, un gel de sílice hidratado. Los principales factores que hay que considerar en la carbonatación del concreto son la porosidad, el tipo y la cantidad de cemento, el nivel de compactación, el tipo y el tiempo de curado, la relación agua/cemento, y las condiciones ambientales. La porosidad del concreto es un parámetro fundamental en la carbonatación, puesto que la red de poros constituye el camino de avance del CO2 proveniente del exterior. A su vez, la porosidad está condicionada por el tipo y la cantidad de cemento, el nivel de compactación, el tiempo y tipo de curado y la relación agua/cemento. Un mal curado o una mala compactación del concreto pueden dar lugar a una elevada porosidad, especialmente en la superficie externa del concreto. En general, y dentro de unos límites aceptables de hidratación, una baja relación agua/cemento produce un concreto menos permeable por la formación de poros pequeños no interconectados.
La cantidad de cemento es determinante no sólo por el efecto que tiene sobre la porosidad del concreto sino también por la capacidad que tiene de fijar el CO 2. El tipo de cemento también influye en las condiciones de avance de la carbonatación, ya que el contenido en aluminatos y álcalis de las adiciones puede modificar la velocidad de avance del frente. La cantidad necesaria de CO2 para bajar el pH hasta rangos casi neutros, en los que las armaduras dejan de estar protegidas, variará en función de la reserva alcalina que el cemento aporte al concreto, la cual depende tanto del tipo como de la cantidad de cemento utilizado.
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Las condiciones ambientales determinan el contenido de humedad en el concreto, que a su vez determina el grado de saturación de agua en los poros, parámetro fundamental en el proceso de carbonatación. A humedades bajas, por debajo del 50%, la velocidad de carbonatación se reduce por la necesidad de una presencia mínima de agua para la reacción de la portlandita, mientras que a humedades muy altas el agua de los poros dificulta la difusión del CO2 a través de ellos. Así, la carbonatación presenta un máximo para humedades relativas alrededor del 50-60%. También la temperatura influye en el contenido de humedad del concreto y en la difusión del CO2. Además, la mayor o menor concentración de dióxido de carbono en el ambiente de exposición modifica la velocidad
de reacción y la evolución del agua dentro del concreto, como se verá más adelante en la comparación de la carbonatación natural con la acelerada.
1.4.1 MECANISMOS CORROSIÓN POR CABONATACIÓN.
Para el hierro en un medio alcalino se indica que el acero de metal permanece pasivo en una amplia gama. En acero estructuras de concreto está protegido contra la corrosión por la alta alcalinidad de la solución de poro del concreto resultante en una película pasiva sobre el acero. Además, un denso recubrimiento de concreto actúa como una barrera física entre embebido refuerzo y el entorno externo, lo que limita el acceso de sustancias que pueden desempeñar un papel en la corrosión. Con su sistema de poros continuos y tendencia a formar grietas en la superficie, está lejos de ser una barrera perfecta. La verdadera importancia de la cubierta de concreto está relacionado principalmente a su capacidad de preservar las condiciones de pH alto necesario para mantener el refuerzo en una condición pasiva mediante la prevención de la tasa de entrada de " sustancias ácidas " de la externa ambiente causando una disminución en el pH. Generalmente estos son el dióxido de carbono atmosférico y, en lugares contaminados, otros gases tales como dióxido de azufre. En presencia de agua suficiente para la disolución CO 2 reacciona con la alcalina constituyente de la pasta de cemento para formar una zona carbonatada que penetra gradualmente en concreto a la vista, reduciendo el pH de la región afectada a un valor donde se produce corrosión. Esta carbonatación del concreto se caracteriza por 15
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un cambio de pH de alrededor de 4 unidades a los valores más bajos. La secuencia de reacción para la conversión de portlandita es como sigue: ………………………………………………………......(3) ……………………………………………….. (4)
Debido a la limitada solubilidad de los hidratos de silicato de calcio y aluminato de calcio hidratos, estos también se pueden descomponer a carbonato de calcio y sílice amorfa de aluminio hidróxido después de: ………………………...(5) Y …………….. (6)
La capacidad de unión para el dióxido de carbono será proporcional a la cantidad de la alcalina constituyente en el concreto, que en realidad significa proporcional al contenido de cemento (criterio termodinámico). Por otra parte, la tasa de carbonatación depende de muchos otros factores, la mayoría de ellos que describe propiedades de transporte de concreto (criterio cinética). Schieß mencionó los siguientes parámetros de influencia:
Composición de cemento
Contenido de cemento
Mezclar proporciones del concreto
Compactación del concreto
Tiempo de curado
La humedad relativa durante el tiempo de curado
La temperatura durante el tiempo de curado
Tiempo de exposición
La humedad relativa durante el tiempo de exposición
La temperatura durante el tiempo de exposición 16
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Sin embargo, las condiciones de humedad que cambian con el tiempo, también se pueden tomar en consideración. Saturado concreto no sufre ninguna carbonatación significativa, ya que hay una gran diferencia entre el difusión de CO 2 a través del aire y por el agua, que es cerca de 104 veces mayor en el aire. Por otra mano, concreto muy seco es muy permeable para la difusión de gas, pero la tasa de carbonatación será baja, debido a la reacción entre el CO2 y los componentes alcalinos requieren algún mínimo contenido de humedad para las reacciones químicas. Las tasas más altas de carbonatación para se observan en humedad relativa ambiente de aproximadamente 50 a 80%. Normalmente, tales condiciones se encuentran en externamente elementos de las estructuras o edificios expuesta. La penetración de dióxido de carbono del medio ambiente en el concreto puede acelerarse si el concreto es poroso o grietas están presentes. La carbonatación es poco probable que conduzca a los problemas de estructuras que cumplan con las especificaciones modernas con buena mano de obra y es raramente catastrófico. Wallbank informó en una encuesta de 200 puentes de carreteras del Reino Unido de que el 90 % de todas las lecturas de profundidad de carbonatación no fueran más de 5 mm. Sin embargo, los efectos habituales son una reducción en mantenimiento (desprendimiento), estética y económicamente significativa en propiedad a gran escala propietarios.
1.4.2
CAMBIOS
QUÍMICOS
DEL
CONCRETO
POR
CARBONATACIÓN.
La protección proporcionada por el concreto contra la corrosión de acero se basa en la alcalinidad del concreto. En un ambiente alcalino una capa de óxido apretado se produce alrededor del acero, evitando además la corrosión. El pH del agua de los poros en el concreto que contiene hidróxido de calcio sólido es siempre al menos 12.5, que es adecuada para pasivar acero. Sin embargo, normalmente el pH del agua de los poros es incluso más alto, sobre 13 - 14, en hidróxidos alcalinos que contienen las pastas de 17
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cemento. Carbonatos cuando el concreto su pH se reduce a aproximadamente 9. A continuación, la capa pasiva alrededor del acero es destruida y la corrosión es iniciada.
El hecho de que la profundidad de carbonatación es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo puede ser teóricamente derivada aplicando la teoría de la difusión de una "frontera de movimiento en este teoría, el dióxido de carbono se difunde en el concreto y reacciona con el calcio no carbonatadas minerales en la "frontera en movimiento ', que está en la profundidad de carbonatación de la superficie de una estructura. El contenido de dióxido de carbono entre la superficie y el límite de movimiento se supone que es lineal. A continuación, el flujo de dióxido de carbono hacia el límite de movimiento puede ser evaluado como el flujo de dióxido de carbono que es igual a un coeficiente de difusión del concreto respecto al CO2 por la diferencia de el contenido del CO2 del concreto menos el contenido de CO2 del aire entre la profundidad de carbonatación. El flujo de dióxido de carbono en concreto debe estar en equilibrio con la velocidad de reacción que ocurre en el límite. La velocidad de reacción depende de la cantidad de calcio no carbonatada en concreto. El modelo es un ejemplo de una sencilla degradación analítica modelo, que se puede suponer que se aplica en condiciones constantes. Puede ser utilizado en el estudio de diversos efectos relacionados con materiales sobre la velocidad de carbonatación mediante pruebas de laboratorio. También los efectos de temperatura, humedad relativa y el contenido de CO2 pueden ser estudiados mediante pruebas de laboratorio. El coeficiente de carbonatación depende, por ejemplo, sobre la permeabilidad del concreto, la calidad del cemento, posibles sustitutos de cemento (escoria de alto horno, humo de sílice, etc.) y el medio ambiente condiciones. Un concreto menos permeable tendrá una tasa de carbonatación más lento. En concreto húmedo, carbonatación es mucho más lento que en concreto sólo ligeramente húmeda. Otro fenómeno químico en el concreto que puede iniciar la corrosión del refuerzo es penetración de cloruros. Cloruros en concentraciones suficientemente ricos pueden romper la película pasiva alrededor del refuerzo, incluso en soluciones muy alcalinas.
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1.4.3 DIÓXIDO DE CARBONO CONTENIDO EN EL AIRE.
En el ambiente al aire libre la concentración media de CO2 es de alrededor de 350 ppm. Sin embargo en una escala ambiental micro estos valores pueden cambiar considerablemente. Los valores pueden ser inferiores debido a "dips" naturales (procesos que reducen el contenido de CO2: por ejemplo, la absorción del mar, de la fotosíntesis vegetación) o más cerca de las zonas de tráfico, la industria o en el interior de los tipos de cambio bajo de aire (por ejemplo, en túneles). En los edificios del contenido de CO2 suele estar elevada debido a las personas en el interior. La respiración promedio de adulto contiene aproximadamente 35.000 a 50.000 ppm de CO2 (aproximadamente 100 veces mayor que aire exterior). La concentración de CO2 ha sido ampliamente utilizado como un indicador (aunque no como el único) para la calidad del aire interior (IAQ) y el uso de CO2 medidas como una herramienta de diagnóstico para evaluar el rendimiento de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado se está expandiendo. De acuerdo con la Sociedad Americana de Ingenieros
de
Calefacción,
Refrigeración
y
Aire
Acondicionado
(ASHRAE)
la
concentración de CO2 no debe superar los 1800 mg / m³ (1.000 ppm) en las escuelas y las oficinas. Suponiendo que la concentración en el frente de carbonatación en el concreto para ser cero la concentración en el medio ambiente puede ser igual a la diferencia de concentración CS, que entra en el servicio modelo de vida para la predicción de la profundidad de penetración. Una cuantificación estadística de esta entrada parámetro para ambientes al aire libre regulares, que también considera la tendencia actual de aumento en la atmósfera. Cuando se mide la profundidad de carbonatación en concreto las acciones ambientales y así el CO2 concentración es inherente a este parámetro. Sin embargo, más información sobre los parámetros dentro de un modelo se recoge el más es la incertidumbre del modelo reducido. Dispositivos de medición
para supervisar el contenido de CO 2 se
encuentran disponibles comercialmente en relación con los registradores de datos. Algunas de estas medidas sólo contenido de CO2, mientras que otros también miden la temperatura, humedad relativa y otros gases. Normas y manuales para la evaluación del contenido de CO2 se centran principalmente en los sistemas de ventilación Las fuentes 19
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de error en la interpretación de datos incluyen: Los sistemas de ventilación que modulan la cantidad de aire exterior permite en un edificio de más de el transcurso de un día Las tasas de ocupación y de tránsito que fluctúan significativamente Medición (calibración) errores ubicación inadecuada para la medición y / o mala mezcla del aire dentro del espacio.
1.4.5 DIFERENTES MODELOS DE CARBONATACIÓN.
1. El modelo de Tuutti, basado en la difusión de fronteras móviles, considera que el frente de carbonatación avanza según el modelo de la raíz del tiempo y supone que todo el CO 2 reacciona con las fases sólidas de forma que detrás del frente de carbonatación, la concentración de CO2 es cero, mientras que delante de él es 100%. Según Tuutti la zona de reacción está bien definida por un ‘frente abrupto’. La expresión propuesta para hacer predicciones de la ‘profundidad’ de carbonatación a diferentes tiempos es la siguiente:
……………………………………………….. (7)
Cs es la concentración ambiental de CO2 (kmol/m3), Cx es la concentración de CO2 ligado en el concreto (kmol/m3), x es la profundidad de carbonatación (m), t es el tiempo (s) y D es el coeficiente de difusión (m2 /s). Para calcular el CO2 ligado en el concreto Tuutti utiliza la:
Donde Ca es la concentración de CaO en el cemento (kg CaO/kg cemento), HD es el grado de hidratación, c es la cantidad de cemento por m3 de concreto (kg/m3) y 56 es el peso molecular del CaO. Para calcular el grado de hidratación Tuutti propone una tabla en la cual relaciona el grado de hidratación con la relación a/c. Tuutti asume que la difusión tiene lugar en estado no estacionario y que el coeficiente de difusión es constante y función únicamente del contenido de humedad del concreto. Para estimar el coeficiente de difusión propone unos diagramas de la difusión efectiva del oxígeno en función de la relación a/c y de la humedad relativa para diferentes tipos de cementos y de relaciones a/c. Aunque los coeficientes de difusión del CO2 y del O2 no son idénticos, Tuutti 20
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establece que, dado que el contenido en humedad del concreto es el parámetro determinante para la difusión de ambos gases, se pueden obtener medidas relativas satisfactorias. 2. El modelo propuesto por Bakker considera que la carbonatación solo progresa si el concreto está seco. Combinando los dos procesos, secado y carbonatación, la formulación del modelo es la siguiente:
…………………………………………………………………………. (9) En esta ecuación Xn es la profundidad de carbonatación después del ciclo n‐ésimo (n) y , el tiempo efectivo de carbonatación, es igual a la suma de los períodos secos menos el tiempo que tarda el concreto en secarse después de cada período húmedo, es decir:
Donde
es la duración del período n-ésimo (s), y A y B son funciones que definen la
‘velocidad’ de carbonatación y secado, respectivamente ………………………………………………………………. (11)
………………………………………………………………. (12)
En la ecuación de la carbonatación Dc es el coeficiente de difusión del CO2 para una distribución determinada de humedad en los poros (m2 /s),
es la diferencia de
concentración de CO2 entre el aire y el frente de carbonatación (kg/m3), y a es la cantidad de sustancia alcalina en el concreto (kg CaO/m3 concreto) que puede calcularse mediante la expresión siguiente: ………………………………………………………………. (13)
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Donde Ca es la concentración de CaO en el cemento (kg CaO/100kg cemento), HD es el grado de hidratación, c es la cantidad de cemento por m3 de concreto (kg/m3) y son las masas moleculares del CO2 y el CaO respectivamente. En la ecuación del secado Dv es el coeficiente de difusión efectivo del vapor de agua para una distribución de humedad en los poros determinada (m2 /s), b es la cantidad de agua libre que puede evaporarse del concreto (kg/m3), y
es la diferencia de concentración de
vapor de agua entre el frente de secado y el exterior del concreto (kg/m3). 3. Papadakis propone un modelo basado en la raíz cuadrada del tiempo en el cual la constante de proporcionalidad se relaciona con las cantidades de portlandita, gel C‐S‐ H y silicatos dicálcico y tricálcico, así como con la concentración de CO2 y con su coeficiente efectivo de difusión. La fórmula general para calcular la ‘profundidad de carbonatación es la siguiente:
El denominador de esta expresión es la concentración molar total de CaO en forma de materiales carbonatables. Considerando un material completamente hidratado
y
serían cero. Para calcular el coeficiente de difusión efectivo del CO2 Papadakis utiliza la siguiente expresión: ……………………………………………....(15) Donde RH es la humedad relativa y Ep es la porosidad de la pasta. Papadakis propone algunas expresiones simplificadas para calcular las concentraciones de los constituyentes carbonatables y la porosidad de la pasta, a partir de las cuales se obtiene la siguiente fórmula para calcular la ‘’profundidad’’ de carbonatación, utilizando las relaciones agua/cemento, árido/cemento, sus respectivas densidades, la humedad relativa y la concentración de CO2: ……………. (16)
4. El modelo de Castellote se basa en los principios de los sistemas de ‘núcleo no reaccionado utilizados en procesos de ingeniería química, en los cuales el producto 22
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reaccionado permanece en el sólido como una capa de ceniza inerte. Aplicado a la carbonatación, el modelo considera que la etapa controlante es la difusión del CO2 a través de la parte carbonatada de la muestra. La primera ecuación del modelo, expresado en coordenadas cilíndricas, calcula la fracción convertida del sólido reactivo en un tiempo t: …………………………………………………………………………………. (17) Donde r es el radio del núcleo no reaccionado (cm) y R es el radio del cilindro considerado (cm). El tiempo para la conversión completa del reactivo
(s), es decir, para
carbonatación completa, se calcula de la siguiente forma: …………………………………………………………………(18) El coeficiente de difusión D (cm2 /s) se calcula mediante la siguiente ecuación:
………………………………………………………………….… (19) Donde b es el coeficiente estequiométrico para la reacción bS(s) + CO2 ‐>…., y Ps es la fracción molar del reactivo en el sólido (mol/cm3). Castellote propone una expresión simplificada para la relación entre b y Ps ………………………………(20) Donde RF es un factor de reducción dependiente de la concentración de CO2: …………………………………………………………………....(21) Y CFP es un factor de corrección por fracciones volumétricas para muestras que no sean de pasta. Por último, relacionando la cantidad de calcita formada en carbonatación total al 100% de CO2 con la cantidad de CaO en la pasta, la expresión resultante es la siguiente:
………………………………………………(22) 5. El modelo de Parrott está basado en el coeficiente de permeabilidad al aire. En este caso el exponente del tiempo no es siempre 0,5 sino que puede variar. La expresión matemática que lo describe es la siguiente: 23
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…………………………………………………………………(23) Donde K es el coeficiente de permeabilidad al oxígeno (10‐16 m2), x es la profundidad de carbonatación (m), t es el tiempo (años), y c es el material alcalino en el concreto (kg CaO/m3 matriz cementicia), es decir, el CaO en la matriz de cemento hidratado que puede reaccionar con el CO2 y retrasar su velocidad de penetración. Este parámetro, dependiente de la composición del cemento, las proporciones de la mezcla de concreto, las condiciones de exposición y la cantidad de cemento reaccionado, se puede deducir de las tablas propuestas por Parrott en función del tipo de cemento y de la HR, o bien se puede calcular mediante la siguiente expresión:
…………………………………………………………....(24) Siendo C los kg de cemento por m3 de concreto, Ca los kg de CaO por kg de cemento, w los kg de agua por m3 de concreto, y HD el grado de hidratación. El diferente contenido en humedad en los hormigones es tenido en cuenta en este modelo de dos formas, por un lado, calculando el coeficiente de permeabilidad al aire para humedades distintas del 60% y, por otro, haciendo evolucionar el exponente del tiempo n en función de la HR. Basándose en medidas experimentales, Parrott propone una expresión que relaciona el coeficiente de permeabilidad con el de difusión: …………………………………………………………………………(25) Aparte de estos modelos empíricos, algunos autores han propuesto modelos más complejos para predecir la profundidad de carbonatación, los cuales requieren el uso de métodos numéricos y programas de elementos finitos para su resolución.
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CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA.
25
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2.1
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LEY DE FICK.
La ley de Fick es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial que describe diversos casos de difusión de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Recibe su nombre del médico y fisiólogo alemán Adolf Fick (1829-1901), que las derivó en 1855. En situaciones en las que existen gradientes de concentración de una sustancia, o de temperatura, se produce un flujo de partículas o de calor que tiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o la temperatura. El flujo homogeneizador es una consecuencia estadística del movimiento azaroso de las partículas que da lugar al segundo principio de la termodinámica, conocido también como movimiento térmico casual de las partículas. Así los procesos físicos
de
difusión
pueden
ser
vistos
como
procesos
físicos
o
termodinámicos irreversibles. Al existir una alta concentración de CO2 exterior en comparación con el interior del concreto, este lo invadirá en busca de un equilibrio, como lo haría la temperatura, siendo el proceso inverso imposible de modo natural, es decir, es irreversible. La ley de Fick señala que a mayor gradiente se acelera la difusión. Por ello, mayor concentración de CO2 también tendremos mayor velocidad de carbonatación. Para hacernos la idea de las diferencias de concentración de CO 2 según donde nos encontremos, en un ambiente urbano puede encontrarse 10 veces más CO2 que uno rural.
2.2 FÓRMULA GENERAL DE CARBONATACIÓN.
Uno de los modelos más sencillos que permite predecir la velocidad de carbonatación del concreto armado es el que relaciona la profundidad de carbonatación con la raíz cuadrada del tiempo de exposición. 26
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……………………………………………………………………………….. (26)
XCO2 = Profundidad de carbonatación, mm KCO2 = Constante de carbonatación, mm.año-0.5 t = tiempo en años
Con los resultados de una determinación de profundidad de carbonatación es posible predecir la progresión de la misma y el tiempo en el cual la carbonatación alcanzará el refuerzo del concreto si se conoce la profundidad de éste.
………………………………………………………………………………………(27)
……………………………………………………………………………………. (28)
Se calcula la constante KCO2 de la primera determinación y el tiempo en que ocurrió la carbonatación. Se utiliza esa constate junto con la profundidad de la armadura ec. y se determina el tiempo en que la carbonatación alcanzará el acero de refuerzo. Este modelo no debe ser aplicado directamente a estructuras con menos de 3 años de vida, cuyo caso se recomiendan dos o más medidas con un intervalo mínimo de 6 meses. Siempre es recomendable hacer más de una evaluación para aumentar la certeza de la información obtenida para poder predecir el comportamiento de la carbonatación, con un desfase de al menos 6 meses. Adicionalmente, se ha indicado que valores de KCO2 de 2 a 3 mm/año0.5 (en función del recubrimiento) pueden ser considerados como indicativos de elevada 27
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resistencia a la carbonatación, mientras que valores de K CO2 > 6mm/año0.5 indican concretos de muy baja resistencia.
2.3
FÓRMULA SEMI- PROBABILÍSTICA.
La mayoría de los modelos actuales sobre la carbonatación del concreto se basan en primera ley de difusión de Fick. La cantidad de CO2 que penetra en el concreto debido a que el CO2 - gradiente entre el aire exterior del medio ambiente y el contenido en el concreto pueden ser equilibrados:
………………………………………………………………. (29)
Dm: Incremento de la masa de CO2 transportado por difusión durante el intervalo de tiempo dt [kg/CO2]
D: Coeficiente de difusión de CO2 concreto carbonatado [m2/s]
A: Área de superficie respetada [m2] C1: Concentración de Co2 en el ambiente [kgCO2/m3] C2: Concentración de CO2 en el frente de carbonatación del concreto. [kgCO2/m3]
Dt: Intervalo de tiempo [s] X: Profundidad de carbonatación del concreto [m]
28
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Al frente de carbonatación CO2 reacciona con los álcalis de la solución de agua de los poros para formar diversos tipos de las fases de carbonato, que se puede equilibrar de la siguiente manera:
……………………………………………………………..….. (30) Dm: masa de CO2 necesario para la completa carbonatación del incremento de la profundidad [kg/CO2] a: Capacidad CO2 vinculante de concreto no carbonatado [kgCO2/m3] A: Área de superficie respetada [m2] Dx: Incremento de profundidad [m]
Los saldos de la difusión y el proceso de reacción se pueden combinar:
………………………………………………………(31 ) Suponiendo que D, A y (C1-C2) a ser ni la integración de tiempo ni dependiente de la profundidad conduce a: ………………………………………………………………...(32) La combinación de las concentraciones individuales C1 y C2 en el gradiente de concentración CS y resolución para la profundidad de penetración da:
………………………………………………………………... (33) La combinación de los parámetros de materiales D y a con el parámetro ambiental y CS expresando el tiempo de exposición t’ como la diferencia de la edad t y el 29
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momento una vez que la superficie fue expuesto a CO2 finalmente conduce a una simple raíz cuadrada de enfoque de tiempo incluyendo sólo la velocidad de carbonatación K, que puede ser determinada por la estructura sin más investigaciones conocimiento de las condiciones ambientales o las propiedades del material.
................................................................................................... ....(34)
K: Velocidad de Carbonatación (mm/
)
t: Edad del concreto a la hora de la inspección. (s) texp: Duración que tuvo la superficie a la exposición de CO2 (s)
Por lo general, el tiempo hasta que texp exposición se puede ajustar a cero, ya que es insignificante en comparación con el corto vida de servicio. Pero para superficies recubiertas texp es igual a la hora a la que no
recubrimiento. De
estructura investigaciones de alcance bajo la muestra (por ejemplo, tres lecturas) el valor medio de la carbonatación Xc profundidad en la respectiva superficie de concreto se puede medir. Con el conocimiento de la estructura la edad y el tiempo de exposición de la ecuación pueden resolverse para K. Para superficies de concreto en un ambiente seco, al abrigo de la lluvia (por ejemplo, el clima de laboratorio T = 20 ° C, HR = 65 %) el proceso de carbonatación está en bastante bien de acuerdo con la raíz cuadrada de ley de tiempo. Las variables D, CS y se puede considerar que sean más o menos independiente del tiempo y el sitio. Las precipitaciones de las superficies de concreto obstaculizará el proceso de carbonatación de un cierto período. Teniendo esto en cuenta la t - ley es un modelo sencillo, que siempre está en el lado seguro
30
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2.4
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NORMA MEXICANA NMX- C- 169- ONNCCE- 2009.
“industria de la construcción – concreto- extracción de especímenes cilíndricos o prismáticos de concreto hidráulico endurecido”
Esta norma establece el procedimiento para la extracción y preparación de espécimen cilíndrico y prismático de concreto endurecido, para los ensayos que se requieran. Equipo: Extractor de especímenes cilíndricos. Consiste en pedestal, motor eléctrico o de gasolina, un taladro equipado con broca hueca de corona de diamantes, o carburo de silicio (debe disponer o no de sistema de enfriamiento) Extracción para la obtención de especímenes prismáticos Con las dimensiones requeridas para obtener los especímenes con las medidas de acuerdo a los indicado por el método de ensayo, que cuente con sierra o disco de corona de diamantes o carburo de silicio (debe de disponer o no de sistema de enfriamiento). Cortadora para espécimen de concreto Disco de corona de diamantes o carburo de silicio de espesor proporcional a las dimensiones del espécimen, para cortar los especímenes sin provocar alteraciones en el concreto por calentamiento, impactos o sacudidas. Escala graduada o calibrador. Con divisiones de 1mm. Materiales auxiliares
Estopa
Franela
Desarmadores
Pinzas 31
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Llaves de tuercas
Marcadores de tinta indeleble
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Condiciones ambientales. Las condiciones ambientales no afectan este procedimiento. Procedimiento. Generalidades. La extracción de las muestras de concreto endurecido se lleva a cabo una vez que se cumpla la edad especificada. Las muestras deben extraerse de zonas de concreto muy dañadas; aquellas que presenten alteraciones o que se obtengan con acero de refuerzo o algún otro material deben ser desechadas. El número de especímenes que componen a la muestra se determinan en función al uso que se le dé, ya sea para medir espesores, para conocer la resistencia de estructuras antiguas, para evaluar un producto una vez alcanzada la edad especificada, para conocer la tendencia de adquisición de la resistencia del material con relación al tiempo, etc. Nota 1: No es posible determinar una edad mínima cuando el concreto no es lo suficiente mente resistente para no sufrir daños durante la extracción debido a que la resistencia a cualquier edad depende de la historia del curado y el nivel de resistencia del concreto. Si esto no es práctico la extracción del núcleo de concreto puede realizarse si la superficie de corte no muestra erosión del mortero y del agregado grueso expuesto está embebido firmemente en el concreto. Extracción de especímenes cilíndricos. La extracción de los especímenes que se utilicen para determinar la resistencia a la compresión debe de ser 3 veces el tamaño máximo nominal del agregado grueso, nunca debe ser menor a 48mm. Los especímenes ya preparados para su ensayo (ya cabeceados), deben tener una relación altura/diámetro entro 1.0 y 2.1. Transporte 32
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Deben protegerse ya sea en cajas de madera u otro depósito; el espacio que queda entre las paredes del espécimen y del recipiente debe contener un material que amortigüe los impactos (neopreno, corcho, etc.) Condiciones de humedad y curado. Previo al proceso de curado, las bases de los especímenes deben de ser cortados por lo menos 10 mm para remover zonas dañadas o defectuosas. Los especímenes que se hayan extraído de un elemento que va a estar seco, en sus condiciones servicio, se deben curar en seco durante 7 días previos a su ensayo a una temperatura que oscile entre 288K y 299K (16°C y 27°C) y a una humedad relativa menor a 60%. Los especímenes que se hayan extraído de un elemento que está sujeto durante su servicio a una completa saturación, deben sumergirse en agua con cal como lo indica la NMX-C- 148- ONNCCE por lo menos 40 h antes de someterlos a su ensayo y ensayarse húmedos. El agua de curado debe mantenerse a una temperatura de 296K más menos 2K (23°C más menos 2°C) Preparación de las bases. Las bases de los especímenes deben pulirse o ser cabeceadas y cumplir con los requisitos de planicidad y perpendicularidad establecidos en la norma NMX- C- 109ONNCCE Preparación de las superficies de apoyo. La línea de contacto entre el espécimen y las tiras para la distribución de carga, debe ser recta y libre de depresiones o protuberancias; cuando las dimensiones de éstas sean mayores de 0.2 mm y no excedan de 2.0 mm se prepara el elemento de ensayo, lijando o puliendo la superficie o colocando una capa de material cementante sobre esta, a fin de cumplir con la desviación mínima, de lo contrario, los especímenes deben ser desechados.
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Cuando se emplee una capa de material cementante para la preparación de la superficie de contacto entre el espécimen y el mecanismo de aplicación de carga, esta debe ser lo más delgada posible. Par tal efecto, se hace uso del dispositivo mostrado
Extracción del espécimen prismático. Espécimen prismático de concreto cortado con sierra para ensayo de flexión. La extracción se efectúa en la dirección en que el concreto fue colocado en una zona alejada de aristas o juntas coladas, de tal modo que el espécimen no se debilite por golpes o calentamiento. Características del espécimen. El peralte y el ancho deben determinarse en función del espesor de la losa; la longitud debe ser igual a 3.5 peraltes como mínimo, ya preparado su ensayo. Cuando se efectúen dos ensayos en un solo espécimen, este debe tener una longitud de por lo menos 5.5 peraltes. Transporte. Se envuelve el espécimen con tela húmeda, yute u otro material que conserve la humedad durante su traslado. Debe transportarse en forma vertical en depósitos rellenos de algún material (arena, hule espuma aserrín, etc.) que amortigüe los impactos. Condiciones de humedad y curado. Las condiciones de humedad y curado deben cumplir con lo establecido en la norma NMX- C – 191- ONNCCE Preparación de las caras. Las caras del espécimen deben cumplir con los requisitos establecidos en la norma NMX- C- 191- ONNCCE INFORME 34
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Espécimen cilíndrico para el ensayo de compresión simple y de tensión por compresión diametral.
Identificación y edad del espécimen
Fecha y localización de la extracción, así como la dirección de la perforación
Características del concreto.
Tamaño máximo nominal del agregado y relación diámetro a tamaño nominal del agregado.
Relación altura- diámetro.
Espécimen prismático cortado con sierra. Número de identificación, localización del lugar y posición de la cara sujeta a tensión con respecto a la dirección en que el concreto fue colocado
Defectos en el espécimen
Edad del espécimen.
2.4.1 CRITERIOS DE EVALUACIÓN. El indicador de pH de fenolftaleína permite diferenciar tres zonas de pH, inferior a 8, donde la disolución se torna incolora, entre 8 y 9,5, donde adquiere una tonalidad rosa suave, y mayor de 9,5, donde adquiere un color rojo púrpura intenso (Figura 2.1). En la prevención de la corrosión del concreto reforzado la coloración por fenolftaleína es una técnica muy utilizada ya que a pH por debajo de 8 el acero se puede corroer, mientras que a pH muy alcalinos se encuentra pasivo. A la profundidad que alcanza la zona de pH inferior a 8, zona incolora, se le suele llamar ‘profundidad de carbonatación’. A continuación en la figura 2.1 se muestra el color que tiñe la fenolftaleína al concreto dependiendo del pH de dicho concreto. Figura 2.1 Tonalidad del concreto obtenida por la fenolftaleína.
35
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2.4.2 MÉTODO ALTERNATIVO A LA EXTRACCIÓN DE NÚCLEOS. Un perfil de pH de una estructuras de concreto se puede determinar midiendo el pH del concreto lechadas de polvo / agua. Para este propósito polvo de concreto tomado de distintas profundidades se agita en agua y el pH de la solución medido. Se propone utilizar 10 ml de agua destilada para 1 g de concreto polvo, pH se determina entonces usando un electrodo de pH. Debido a la baja solubilidad de portlandita (Ca (OH)2) y calcita (CaCO3) el pH de la solución será similar a la del pH en el concreto poro agua en la profundidad de la muestra de polvo de lista una serie de nuevas alternativas
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Capítulo 3. Resultado
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La figura 3.1 a la figura 3.9 nos muestra los ensayes cilíndricos que fueron extraídos de la terminal marítima de “pajaritos” ubicado en la ciudad de Coatzacoalcos, Veracruz; consecuentemente, de la tabla 3.1 a la tabla 3.9 se incluye una tabla en la cual nos muestra el número de ensaye, coordenadas “x” y “y” del muelle en el que fueron extraídos, la profundidad de carbonatación, pH del núcleo, la utilización que tenía el elemento de donde se extrajo dicho ensaye y el número de foto. Por consiguiente los datos necesarios para desarrollar el modelo semi-probabilístico. Podemos observar que los resultados que tengan una profundidad de carbonatación son más confiables cuando los resultados que menor diferencia tienen entre el modelo general de carbonatación, dicho eso no se puede deducir que cuando se tenga una mínima carbonatación esté erróneo o desconfiable el resultado. Por último tenemos el resultado que podemos obtener de la imagen 3.13, teniendo los datos de profundidad de carbonatación, años de construcción y el recubrimiento del concreto. Por lo cual tenemos los datos en las tablas 3.1 a 3.9
Figura 3.1 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M101. (6mm).
Tabla 3.1 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M1-01.
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de
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Coordenadas
Profundidad
ensaye x
de
pH del resto
carbonatación
del
pH 9.5
Pasarela vehicular
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
6mm
Τ
1210.96
Profundidad
de
carbonatación Constante Coeficiente de variación
2 |
52.83 CoVXc
de carbonatación Factor de seguridad
2.33>1.8 B
Resultado del método semiprobabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación.
Resultado
146 años
Resultado
55 años
Resultado por el método Resultado semi-probabilístico con el
155 años
uso de gráfica.
39
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Figura 3.2 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M202. (16mm).
Tabla 3.2 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M2-02. No.
de
Coordenadas
Profundidad
ensaye
de
pH del resto del
Elemento
Fotografía
Pasarela
10
carbonatación x
núcleo de
y pH 9.5
vehicular
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
16mm
Τ
1210.96
Profundidad carbonatación Constante
de
Coeficiente de variación CoVXc
36.72
40
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de carbonatación Factor de seguridad
0.961.8 B
Resultado del método semiprobabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación.
Resultado
112 años
Resultado
55 años
Resultado por el método semi-probabilístico con el
125 años
uso de gráfica.
42
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Figura 3.4 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M401. (1 mm).
Tabla 3.4 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M4-01. No.
de
Coordenadas
Profundidad
ensaye
de
pH del resto del
Elemento
Fotografía
Pasarela
30
carbonatación x
núcleo de
y pH 9.5
vehicular
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
1 mm
Τ
1210.96
Profundidad carbonatación Constante
de
Coeficiente de variación CoVXc
124.39 43
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
de carbonatación Factor de seguridad
3.53>1.8 B
Resultado del método semiprobabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación.
Resultado
2336 años
Resultado
2700 años
Resultado por el método
Resultado muy amplio
semi-probabilístico con el Resultado uso de gráfica.
Figura 3.5 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M502. (10 mm).
Tabla 3.5 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M5-02. No.
de
Coordenadas
Profundidad
ensaye
carbonatación x
de
pH del resto
Elemento
Fotografía
del
y
44
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO pH 9.5
Plataforma
36
de operaciones
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
10 mm
Τ
1210.96
Profundidad
de
carbonatación Constante Coeficiente de variación
45.16 CoVXc
de carbonatación Factor de seguridad
1.82>1.8 B
Resultado del método semi-
Resultado
60 años
Resultado
27 años
semi-probabilístico con el Resultado
63 años
probabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación. Resultado por el método
uso de gráfica.
45
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Figura 3.6 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M601. (2 mm).
Tabla 3.6 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M6-01. No.
de
Coordenadas
Profundidad
ensaye x
de
pH
del
carbonatación
del
pH 9.5
de operaciones
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
2 mm
Profundidad carbonatación
de
46
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Τ
Constante Coeficiente de variación
1210.96 91.69
CoVXc
de carbonatación Factor de seguridad
3.31>1.8 B
Resultado del método semiprobabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación.
Resultado
835 años
Resultado
675 años
Resultado por el método semi-probabilístico con el Resultado
Resultado muy amplio
uso de gráfica.
Figura 3.7 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M6a-04. (15 mm).
Tabla 3.7 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M6a-04. 47
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL No.
de
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Coordenadas
ensaye X
Profundidad de
pH del resto
carbonatación
del
pH 9.5
de M6A-04
operaciones
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
15 mm
Τ
1210.96
Profundidad
de
carbonatación Constante Coeficiente de variación
37.78 CoVXc
de carbonatación Factor de seguridad
1.09>1.8 B
Resultado del método semi-
Resultado
30 años
Resultado
12 años
semi-probabilístico con el Resultado
31 años
probabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación. Resultado por el método
uso de gráfica.
48
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Figura 3.8 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M7LE-02. (20 mm).
Tabla 3.8 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M7-LE-02. No.
de
Coordenadas
ensaye X
y
Profundidad
pH
de
del
del
resto
Elemento
Fotografía
Plataforma
52
carbonatación núcleo de pH 9.5
de operaciones
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
20 mm
Τ
1210.96
Profundidad carbonatación Constante
de
49
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Coeficiente de variación
33.29 CoVXc
de carbonatación Factor de seguridad
0.481>1.8 B
Resultado del método semiprobabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación.
Resultado
18 años
Resultado
7 años
Resultado por el método semi-probabilístico con el Resultado
19 años
uso de gráfica.
Figura 3.9 Determinación de la profundidad de carbonatación del núcleo M908. (5 mm).
Tabla 3.9 Datos informativos del corazón extraído del núcleo M9-08. No.
de
Coordenadas
Profundidad
de
pH del resto del
Elemento
Fotografía
50
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL ensaye
x
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Y
carbonatación
núcleo de
pH 9.5
Duque
2
64
noreste 264
CO2 en el ambiente
400ppm
0.000775
Cubierta de concreto
μcover
30mm
Xc
5 mm
Τ
1210.96
Profundidad
de
carbonatación Constante Coeficiente de variación
61.27 CoVXc
de carbonatación Factor de seguridad
2.7>1.8 B
Resultado del método semi-
Resultado
195 años
Resultado
108 años
semi-probabilístico con el Resultado
205 años
probabilístico Resultado
del
método
general de carbonatación. Resultado por el método
uso de gráfica.
51
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
A continuación se mostrará una tabla en la cual compararemos los resultados obtenidos con el modelo semi-probabilístico de lifecon con el modelo general de carbonatación del concreto reforzado. Dichos datos se obtuvieron al sustituir los valores correspondientes a la terminal marítima, así adaptándolo con la contaminación presente en la ciudad. Tabla 3.10 Recopilación y comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en los ensayes seleccionados. Número de ensaye
Resultado de el modelo Resultado
del
lifecon en años
general en años
M1-01
145.0
75
M2-02
27.0
11
M3-06
112
55
M4-01
2336
2700
M5-02
60
27
M6-01
835
675
M6a-04
30
12
M7-LE-02
18
7
M9-08
195
108
modelo
A continuación se observa que de la tabla 3.11 a la tabla 3.19 la mayor diferencia de años que se obtiene entre los coeficientes de contaminación es cuando se tiene una mínima profundidad de carbonatación entre 0 y 25 % de el recubrimiento del concreto, igualmente la mayor diferencia en años entre el modelo semi probabilístico y el modelo general de carbonatación es cuando la profundidad de carbonatación está entre 0 y 25 % a la cubierta del concreto.
52
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
Cuando la profundidad de carbonatación está entre 25 y 75 % del recubrimiento concreto los resultados con el factor de contaminación en ppm varían ligeramente. Y por último cuando la profundidad de carbonatación está entre el 75 y 100 % al recubrimiento del concreto la diferencia entre los años que se obtienen con la variable de contaminación es mínima igualmente a los resultados obtenidos entre los modelos de carbonatación. Tabla 3.11 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 20 mm y 40 años de construcción de estructura.
Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 64
5mm
100
41
5mm
200
38
5mm
300
36
5mm
400
35
5mm
500
34
10mm
100
11
10mm
200
11
10mm
300
10
10mm
400
10
10mm
500
10
15mm
100
5
16
7.1
53
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
15mm
200
5
15mm
300
4
15mm
400
4
15mm
500
4
20mm
100
2.92
20mm
200
2.85
20mm
300
2.8
20mm
400
2.76
20mm
500
2.73
4
Tabla 3.12 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 30 mm y 40 años de construcción de estructura. Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 144
5mm
100
246
5mm
200
222
5mm
300
207
5mm
400
207
5mm
500
189
10mm
100
72
10mm
200
67
36
54
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
10mm
300
64
10mm
400
61
10mm
500
59
15mm
100
35
15mm
200
32
15mm
300
31
15mm
400
30
15mm
500
29
20mm
100
20
20mm
200
19
20mm
300
18
20mm
400
18
20mm
500
17
25mm
100
13
25mm
200
12
25mm
300
12
25mm
400
12
25mm
500
11
30mm
100
9
30mm
200
9
30mm
300
9
30mm
400
8
16
9
6
4
55
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
30mm
500
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
8
Tabla 3.13 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 40 mm y 40 años de construcción de estructura. Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 256
5mm
100
573
5mm
200
508
5mm
300
470
5mm
400
444
5mm
500
423
10mm
100
174
10mm
200
159
10mm
300
150
10mm
400
143
10mm
500
138
15mm
100
85
15mm
200
78
15mm
300
74
15mm
400
72
64
28.4
56
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
15mm
500
70
20mm
100
50
20mm
200
47
20mm
300
45
20mm
400
43
20mm
500
42
25mm
100
33
25mm
200
31
25mm
300
30
25mm
400
29
25mm
500
28
30mm
100
24
30mm
200
22
30mm
300
21
30mm
400
21
30mm
500
20
35mm
100
18
35mm
200
17
35mm
300
16
35mm
400
16
35mm
500
15
40mm
100
14
16
10.2
7.1
5.2
4 57
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
40mm
200
13
40mm
300
12
40mm
400
12
40mm
500
12
Tabla 3.14 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 20 mm y 30 años de construcción de estructura.
Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 42
5mm
100
30
5mm
200
28
5mm
300
27
5mm
400
26
5mm
500
25
10mm
100
8
10mm
200
8
10mm
300
7
10mm
400
7
14
58
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
10mm
500
6
15mm
100
4
15mm
200
4
15mm
300
4
15mm
400
4
15mm
500
3
20mm
100
2.1
20mm
200
2
20mm
300
2
20mm
400
1.99
20mm
500
1.98
5.3
4
Tabla 3.15 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 30 mm y 30 años de construcción de estructura. Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 108
5mm
100
185
5mm
200
166
5mm
300
155
5mm
400
147
5mm
500
141
59
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
10mm
100
55
10mm
200
50
10mm
300
48
10mm
400
46
10mm
500
44
15mm
100
26
15mm
200
24
15mm
300
23
15mm
400
22
15mm
500
21
20mm
100
15
20mm
200
14
20mm
300
14
20mm
400
13
20mm
500
13
25mm
100
10
25mm
200
9
25mm
300
9
25mm
400
9
25mm
500
8
30mm
100
7
30mm
200
6
27
12
6.7
4.3
3
60
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
30mm
300
6
30mm
400
6
30mm
500
6
Tabla 3.16 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para una cubierta de 40 mm y 30 años de construcción de estructura.
Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 192
5mm
100
430
5mm
200
381
5mm
300
352
5mm
400
332
5mm
500
316
10mm
100
131
10mm
200
119
10mm
300
112
10mm
400
107
10mm
500
103
15mm
100
63
15mm
200
59
15mm
300
56
48
21.3
61
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
15mm
400
54
15mm
500
52
20mm
100
38
20mm
200
35
20mm
300
34
20mm
400
32
20mm
500
32
25mm
100
25
25mm
200
23
25mm
300
22
25mm
400
22
25mm
500
21
30mm
100
18
30mm
200
17
30mm
300
16
30mm
400
16
30mm
500
15
35mm
100
13
35mm
200
12
35mm
300
12
35mm
400
12
35mm
500
11
12
7.6
5.3
3.9
62
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
40mm
100
10
40mm
200
10
40mm
300
10
40mm
400
9
40mm
500
9
3
Tabla 3.17 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 20 mm y 20 años de construcción de estructura. Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 32
5mm
100
20
5mm
200
19
5mm
300
18
5mm
400
17
5mm
500
17
10mm
100
6
10mm
200
5
10mm
300
5
10mm
400
5
10mm
500
4
15mm
100
2.5
8
3.5
63
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
15mm
200
2.4
15mm
300
2.3
15mm
400
2.3
15mm
500
2.2
20mm
100
1.46
20mm
200
1.42
20mm
300
1.4
20mm
400
1.38
20mm
500
1.36
2
Tabla 3.18 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para un recubrimiento de concreto de 30 mm y 20 años de construcción de estructura.
Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 72
5mm
100
123
5mm
200
110
5mm
300
103
5mm
400
98
5mm
500
94
10mm
100
36
64
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
10mm
200
33
10mm
300
32
10mm
400
31
10mm
500
30
15mm
100
17
15mm
200
16
15mm
300
15
15mm
400
15
15mm
500
14
20mm
100
10
20mm
200
9
20mm
300
9
20mm
400
9
20mm
500
10
25mm
100
6.7
25mm
200
6.41
25mm
300
6.22
25mm
400
6.07
25mm
500
5.94
30mm
100
4.7
30mm
200
4.5
30mm
300
4.45
18
8
4.5
2
65
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
30mm
400
4.354
30mm
500
4.27
Tabla 3.19 Comparación de los resultados de lifecon y del modelo general, en casos controlados para una cubierta de 40 mm y 20 años de construcción de estructura.
Carbonatación
Contaminación ppm
en Resultado
del Resultado
del
modelo lifecon en modelo general en años
años 128
5mm
100
286
5mm
200
254
5mm
300
235
5mm
400
221
5mm
500
212
10mm
100
87
10mm
200
80
10mm
300
75
10mm
400
71.6
10mm
500
69
15mm
100
42
32
66
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
15mm
200
39
15mm
300
37
15mm
400
36
15mm
500
35
20mm
100
25
20mm
200
24
20mm
300
23
20mm
400
22
20mm
500
21
25mm
100
16
25mm
200
15
25mm
300
15
25mm
400
14
25mm
500
14
30mm
100
12
30mm
200
11
30mm
300
11
30mm
400
11
30mm
500
10
35mm
100
9
35mm
200
9
35mm
300
8
14.2
8
5.1
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GARCÍA VERA LUIS EPIFANIO
35mm
400
8
35mm
500
7
40mm
100
7
40mm
200
7
40mm
300
7
40mm
400
6
40mm
500
6
3.5
La figura 3.10 se tiene un recubrimiento de concreto de 20 mm del cual obtenemos que, los valores de 0 mm y 1 mm no sean considerados ya que el resultado obtenido es alto, lo cual no es necesario obtenerlo ya que en menos de la cantidad de años esperados para que exista carbonatación, se necesitará otro muestreo para conocer nuevos valores de profundidad de carbonatación. La figura 3.11 se tiene un recubrimiento de concreto de 30 mm de la cual obtenemos que, los valores de 0 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm y posiblemente 4 mm no sean considerados ya que el resultado obtenido es alto lo cual no sean considerados ya que el resultado obtenido es alto, lo cual no es necesario obtenerlo ya que en menos de la cantidad de años esperados para que exista carbonatación, se necesitará otro muestreo para conocer nuevos valores de profundidad de carbonatación. De la figura 3.12 se tiene un recubrimiento de concreto de 40 mm de la cual obtenemos que, los valores de 0 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, y posiblemente 6 mm y 7 mm no sean considerados ya que el resultado obtenido es alto, lo cual no es necesario obtenerlo ya que en menos de la cantidad de años esperados para que exista carbonatación, se necesitará otro muestreo para conocer nuevos valores de profundidad de carbonatación. 68
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Figura 3.10
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Gráfica comparativa de resultados, para un recubrimiento de
concreto de 20mm. Años de construcción 40,30, 20 años.
Figura 3.11
Gráfica comparativa de resultados, para un recubrimiento de
concreto de 30mm. Años de construcción 40,30, 20 años.
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Figura 3.12
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Gráfica comparativa de resultados, para un recubrimiento de
concreto de 40mm. Años de construcción 40,30, 20 años.
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De figura 3.13 podemos obtener los años de proyección para el modelo semiprobabilístico de lifecon teniendo los datos necesarios que son los años de construcción, la profundidad de carbonatación, y el recubrimiento del concreto. El modelo original nos incluye una variable de concentración de CO2, por consiguiente se hizo una gráfica “general”, en el cual se incluyó una constante para el CO2 de 300 partes por millón (ppm) la cual se determinó así, por ser una contaminación media.
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Figura 3.13
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Gráfica para obtener el tiempo de proyección
en años
para la
carbonatación del concreto para una contaminación de 300ppm en el ambiente.
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Capítulo 4. Conclusiones
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El modelo semi- probabilístico de lifecon presenta unos resultados muy altos comparados con los resultados obtenidos del modelo general de carbonatación, el modelo de lifecon explica que el resultado obtenido nos indica los años en que el concreto tiene una profundidad de carbonatación igual o mayor a el recubrimiento del concreto y además cuando la varilla ya se empieza a corroer. Por lo tanto el resultado del modelo general de carbonatación nos indica sólo cuando la profundidad de carbonatación es igual o mayor a el recubrimiento del concreto. Los resultados muy elevados se presentan cuando se tiene una profundidad de carbonatación muy pequeña, por ejemplo de 1 a 5 mm, independientemente el recubrimiento del concreto y la edad de construcción, por lo que no se debe desconfiar de los resultados de ningún método, los resultados anteriores no serán tomados en cuenta debido a que antes de cumplir con el tiempo de proyección es preferible hacer un nuevo muestreo. Y muy recomendable solo unas décadas después y no esperar el tiempo de proyección. En la figura 3.13 no se muestran los valores para una profundidad de carbonatación mínima debido a que son valores muy elevados, como se dijo en el párrafo pasado, antes de que culminen los años de proyección se recomienda un nuevo muestreo. Se recomienda que para tener un mayor rango de evaluación se deberá hacer un número mayor de gráficas como la figura 3.13 para diferentes tipos de contaminación.
BIBLIOGRAFÍA O REFERENCIAS.
“Carbonatación del concreto: combinación de CO2 con las fases hidratadas del cemento y frente de cambio de pH”. Tesis de Doctorado, Universidad Complutence de Madrid, 2011. “Durabilidad en estructuras de concreto armado, localizadas frente a la costa”. Tesis de Maestría, Universidad Autónoma de México, 2009. IMCYC (2011) “Corrosión en acero de refuerzo”. [en línea] http://www.imcyc.com/revistacyt/oct11/artingenieria.html IMCYC (2004) “Conceptos básicos del concreto”. [en línea] http://www.imcyc.com/cyt/junio04/CONCEPTOS.pdf Universidad Iberoamericana Ciudad de México (2013) “Corrosión produce pérdidas millonarias al PIB de México y el mundo”. [en línea] 74
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https://journalmex.wordpress.com/2013/06/21/corrosion-produce-perdidas-millonarias-alpib-de-mexico-y-el-mundo/ Pedro Castro Borges (2005). “Consideraciones sobre durabilidad en la Consideraciones sobre durabilidad en la Normativa”. IMCYC [ en línea] http://imcyc.com/50/ponencia/Dr.Castro.pdf Dr.Ir. Georgios Katalagarianakis, (2001). “Life Cycle Management of Concrete Infrastructures for Improved Sustainability”, [en línea] www.lifecon.vtt.fi Juan Luis Cottier Caviedes, Art. La corrosión del concreto en masa y armado, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto (IMCYC). Instituto de Ingeniería, UNAM (1997). Comisión Federal de Electricidad: Manual de tecnología del concreto sección 4, Limusa. México. Jiménez M, García M, Morán C. (1998). Hormigón Armado, Gustavo Gill, España. Sanjuán B. M. A. y Castro B. P. (2001) Acción de los ataques químicos y físicos del concreto, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. México.
Alcocer I, Almerya F, Castro P, Ceh W (2001) Infraestructura del concreto armado: deterioro y opciones de preservación. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. México. Esqueda H. H. y Huerta M. R. (1999) Tecnología del concreto. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. México.
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