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Miércoles, 09 Septiembre 2020 07:00

Periodo de iniciación de la corrosión por ión cloruro según la EHE 08 en elementos de hormigón fisurados

Sistema de fisuración de rodajas de hormigón empleado. Fisurómetro Mitutoyo usado para medida de ancho de fisura Sistema de fisuración de rodajas de hormigón empleado. Fisurómetro Mitutoyo usado para medida de ancho de fisura Informes de la Construcción

El transporte de cloruro en el hormigón por difusión es un problema extensamente estudiado para determinar la vida útil de las estructuras en ambientes marinos. Sin embargo, cuando el hormigón se encuentra fisurado no existe un procedimiento que permita calcular el transporte de los cloruros. Los Códigos limitan el ancho de las fisuras según el tipo de ambiente de exposición. En este trabajo se estudia la relación del ancho de fisura con el coeficiente de difusión y se estima el periodo de iniciación de la corrosión por cloruros en hormigones fisurados. Se ha obtenido una ley que permite predecir la variación del tiempo de iniciación de la corrosión en función del ancho de la fisura.

Torres, J.; Andrade, C.; Sánchez, J. (2020). Periodo de iniciación de la corrosión por ión cloruro según la EHE 08 en elementos de hormigón fisurados. Informes de la Construcción, 72(557): e331. https://doi.org/10.3989/ic.70275

Julio Torres Martín, Dr ingeniero de materiales, Instituto Eduardo Torroja de la construcción (CSIC). Contacto: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Este artículo se ha realizado por un grupo multidisciplinar de expertos con más de 15 años de trayectoria investigadora y técnica, que forman parte del grupo de investigación "corrosión de armaduras y seguridad estructural" del Instituto Eduardo Torroja de la Construcción (CSIC). En este grupo no solo se realiza la investigación más puntera, sino que se trabaja codo con codo con empresas que necesitan estudios complejos o soluciones específicas.
Para saber más:
https://www.ietcc.csic.es/dpto-construccion/corrosion-de-armaduras-y-seguridad-estructural/
http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/informesdelaconstruccion/article/view/5996

1. INTRODUCCIÓN

La difusión de cloruros en el hormigón ha sido estudiada desde hace varias décadas (1, 2, 3, 4, 5) debido a que la llegada hasta la armadura de una cierta concentración llamada “límite” produce la corrosión del acero y por tanto afecta a la seguridad de la estructura (7, 8). Todos los estudios han llevado a que tanto en la Instrucción española, EHE 08 (9) como en el Código Modelo (10) se hayan incorporado modelos de cálculo para establecer el tiempo de “vida útil” (sin corrosión) de una determinada estructura. Estos modelos son todavía bastante genéricos e imprecisos (11) ya que no se conoce todavía como modelar el ambiente exterior y por ello no es posible establecer con exactitud los tiempos hasta corrosión de la armadura. Así, el tiempo hasta corrosión depende de la concentración de cloruros exterior y de un fenómeno llamado “envejecimiento”, “aging” en inglés (6), que produce que el coeficiente de difusión de los cloruros disminuya con el paso del tiempo y sin que se sepa bien cuáles son las leyes que lo rigen (11). Estas incertidumbres no han impedido, sin embargo, que los modelos de difusión basados en la resolución de la segunda ley de Fick, se empiecen a emplear, precisamente porque es necesario establecer sus límites de aplicación y conocer mejor como se adaptan a casos reales (12, 13).

Los modelos disponibles hasta el momento siempre se han ensayado sobre estructuras o probetas no fisuradas y son muy escasos, debido a las dificultades experimentales, los trabajos en elementos fisurados. En una estructura real habrá elementos fisurados y otros no, sin que hasta ahora se haya detectado que las zonas fisuradas se corroan antes o más rápidamente que las no fisuradas, tal vez porque las zonas que se corroen antes dependen también de la concentración exterior y los espesores de recubrimiento que pueden ser diferentes en los diferentes elementos. En todo caso es muy útil conocer si existe alguna relación constante entre el ancho de fisura y el coeficiente de difusión de los cloruros a nivel de laboratorio y tratar de comprobar después su validez en estructuras reales.

De forma conceptual, la aparición de fisuras en el hormigón reduce la barrera que supone la presencia de un recubrimiento y cabe esperar que modifique la vida útil de la estructura, tanto el periodo de iniciación como el de propagación (1, 2, 3, 4, 5). Pocos autores, como se ha mencionado han abordado este problema y los que lo han hecho han adoptado técnicas experimentales diversas y variados objetivos (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21). Unos han medido la influencia del ancho de fisura observando casos reales (14, 15) pero sin cuantificar el proceso, y otros han tratado de simular las fisuras mediante elementos finitos (16) o han medido como se distribuyen los cloruros aportando los perfiles en profundidad y laterales (17). Unos pocos han tratado de acelerar el proceso mediante ensayos de migración iónica y han establecido relaciones entre el ancho de fisura y los coeficientes de difusión medidos (18, 19, 20, 21). En este trabajo se determina precisamente el coeficiente de difusión en probetas con anchos de fisuras controladas siguiendo el método propuesto por Baroghel-Bouny et al. (19), siempre simulando fisuras que llegan hasta la armadura de refuerzo, que son las más dañinas desde un punto de vista de la vida útil.A los resultados obtenidos se han aplicado con intención ilustrativa los modelos sugeridos en la EHE-08, con los que se ha obtenido la variación del periodo de iniciación con el ancho de fisura.

2. METODOLOGÍA

Para estudiar el efecto de las fisuras en el transporte de cloruros, se fabricaron probetas de hormigón de tres composiciones diferentes que se fisuraron a tracción indirecta y se sometieron a ensayos acelerados de cloruros. Estos ensayos acelerados utilizan corriente eléctrica (22).

2.1. Materiales

Se fabricaron probetas cilíndricas, de 75 mm de diámetro y de 150 mm de altura, con 3 tipos de hormigón, con tres cantidades de cemento diferentes. En la Tabla 1 se muestra su dosificación.

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

Se han fabricado 4 probetas de cada dosificación que se han curado durante 28 días en cámara húmeda a 25 ºC y 90% de humedad.

2.2. Preparación y fisuración de las muestras

De las probetas cilíndricas anteriores, se realizan por corte, rodajas de 20 mm de espesor. Estas rodajas se fisuran con una máquina universal de ensayos aplicando una carga de compresión en dos generatrices opuestas por control de desplazamiento, Figura 1-izquierda.

El ancho de fisura obtenido después de retirar la carga se encuentra entre los 0,03 y 0,7 mm, Figura 1-derecha, las cuales se han medido con un fisurómetro Mitutoyo, 1-centro. En la Tabla 2 se resume la relación de muestras con su referencia y el ancho de la fisura.

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

2.3. Procedimiento de ensayo

Tanto las muestras fisuradas como las de referencia no fisuradas, se ensayan según la norma UNE 83987 “Determinación de los coeficientes de difusión de los iones cloruro en el hormigón endurecido. Método multirrégimen”, Figura 2. Este método acelerado se basa en la migración del ión cloruro a través del hormigón, por aplicación de un campo eléctrico externo (22). La muestra de hormigón, tras su acondicionamiento, se coloca entre dos disoluciones, una de ellas, contiene una disolución de NaCl 1M, en la cual, los iones cloruro podrán migrar a través del hormigón hasta la segunda disolución de agua destilada, facilitado por la aplicación de una diferencia de potencial de 12V entre electrodos (ánodo y cátodo) colocados uno en cada disolución. El aumento de iones cloruros en la disolución de agua destilada se cuantifica por la medida de la conductividad eléctrica de la disolución.

Los iones cloruros al atravesar el hormigón lo hacen en dos fases, primero mediante un estado no estacionario, en el cual, los iones cloruro pueden reaccionar con componentes del hormigón y, por tanto, su paso es más lento, y después mediante un estado estacionario, en el que el cloruro que debía reaccionar ya lo ha hecho y su paso ya solo es controlado por el impedimento que se encuentre (porosidad, rugosidad, etc).

Los coeficientes de difusión obtenidos a través del método expuesto en la norma (22), son los correspondientes al periodo estacionario (Ds) y al no estacionario (Dns).

El coeficiente de difusión estacionario se calcula a través de la siguiente ecuación [1]:

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

Donde:

Ds es el coeficiente de difusión de cloruros en estado estacionario, en cm2/s;
A es la pendiente de la ecuación de regresión lineal del periodo estacionario (mol/s);
R es la constante de los gases perfectos, en cal/molK (1,9872);
T es la temperatura media del anolito durante el ensayo, en K;
l es el espesor de la muestra, en cm;
z es la valencia del ión cloruro (z=1);
S es el área superficial de la muestra expuesta en la disolución de cloruros, en cm2;
F es la constante de Faraday, en cal/Vmol (23060);
Cl es la concentración inicial de cloruro en el catolito, en mol/cm3;
γ es el coeficiente de actividad de la disolución del catolito (0,657) (23);
ΔΦss es el voltaje efectivo medio ponderado durante el periodo estacionario, en V.

Y el no estacionario según las ecuaciones [2, 3, 4]:

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

Donde:

Dns es el coeficiente de difusión de cloruros en el estado no estacionario, en cm2/s;
E es el espesor de la probeta, en cm;
t es el tiempo de paso, en s;
ϕ es el factor de aceleración del campo eléctrico (39,61 para 20ºC);
ΔΦ es el campo eléctrico normalizado, en V/cm;
T es la temperatura media del anolito durante el ensayo, en K;
Z es la valencia del ion para el cloruro;
R es la constante de los gases ideales, en cal/molK (1,9872);
F es la constante de Faraday, en cal/Vmol (23063);

Una vez obtenidos los coeficientes de difusión se pueden aplicar las ecuaciones propuestas en la normativa, en este caso en la EHE-08 (9) en su Anejo 9, condiciones adicionales sobre durabilidad, para tratar de obtener el periodo de iniciación por corrosión de las armaduras.

3. RESULTADOS

A modo de ejemplo, se muestra uno de los resultados del ensayo multirégimen para las muestras fisuradas y no fisurada de la amasada de 360 kg de cemento por m3 de hormigón, Figura 3. Como se observa, hay dos fases en el ensayo de la probeta de referencia sin fisuras, una primera en la que no se detecta la llegada del cloruro al depósito inicialmente sin cloruros. Esto es debido a que el cloruro está atravesando el grosor de la probeta y reaccionando con las fases hidratadas del cemento. Luego se detecta una fase (la estacionaria) en la que el cloruro ya aparece en el depósito de recogida, aumentando su concentración paulatinamente de forma regular (al menos las primeras horas). Este aumento, si es lineal, indica un régimen estacionario. En la fase inicial de no detección de cloruros, la fase no estacionaria es casi inexistente en las muestras fisuradas frente a la no fisurada, indicando que el cloruro pasa casi libremente sin impedimentos al depósito de recogida.

Los valores de los coeficientes de las dos fases para los tres hormigones y los anchos de fisura ensayados se dan en la Figura 4 donde se precia como aumenta el coeficiente (relación entre el coeficiente fisurado Df, y el coeficiente no fisurado Do) con el ancho de fisura, También se deduce que el contenido en cemento no es relevante ya que los valores de los coeficientes de difusión son globalmente similares entre los hormigones, tal vez porque la relación a/c es la misma en los tres hormigones.

En la Figura 5 se representan los dos coeficientes frente al ancho de fisura ensayado por separado. Los coeficientes de difusión estacionarios aumentan linealmente con el ancho de fisura independientemente del contenido en cemento y, por lo tanto, se pueden tratar todos los datos como si proviniesen de la misma población, mientras que los no estacionarios indican la existencia de una fisura crítica, entre 0,2 y 0,3 mm, a partir de la cual los Dns aumentan dramáticamente.

Este comportamiento permite deducir que para tamaños menores a la fisura crítica, el comportamiento de la difusión no estacionaria depende del tamaño, mientras que cuando la fisura es mayor que la crítica, los coeficientes no dependen del ancho y penetran los cloruros libremente. Para ambos coeficientes, estacionario y no estacionario, se han encontrado relaciones con el ancho de fisura. Así, el ajuste de la línea de tendencia a estas representaciones da como resultado las siguientes ecuaciones [5 y 6]:

Coeficiente estacionario:

[5]     Ds = 1,03⋅10−7 ⋅w+ 1,54 ⋅10−8

Coeficiente no estacionario:

[6]      Dns = 8,25⋅10−8 ⋅e13,1⋅w

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

4. DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos permiten diversas consideraciones, de las que en el presente trabajo se abordaran solo algunas, las más relacionadas con el uso de los valores para el cálculo de la vida útil según indican los modelos disponibles. También, a título de ejemplo, se abordará una comparación con los resultados obtenidos por Baroghel-Bouny et al (19).

4.1. Selección del coeficiente para el cálculo de la vida útil

A la vista de los resultados una primera cuestión es cuál de los coeficientes obtenidos es el más adecuado para aplicarlo al cálculo de la vida útil. Normalmente el utilizado es el no estacionario Dns ya que tiene en cuenta tanto el transporte como la reacción, ya que en la realidad no se suele alcanzar nunca un régimen estacionario dado que el frente de avance del cloruro siempre va a suponer nueva reacción con las fases hidratadas del cemento. Sin embargo, en el caso de elementos fisurados si podría ser posible que se produzca un régimen estacionario a partir del ancho de fisura crítico ya que la zona de la fisura no supone un impedimento físico para la movilidad de los cloruros. Esta consideración posible no se aborda en el presente trabajo que se centrará en el uso de los coeficientes de difusión obtenidos de la fase no estacionaria que es el supuesto que se encuentra en las ecuaciones de la EHE 08 (9) y similares como el Código Modelo (10).

4.2. Cálculo del periodo de iniciación

El periodo de iniciación debido a la penetración de cloruros, viene regido por un proceso difusivo a través del hormigón que según la EHE-08 puede modelizarse a través de la siguiente ecuación [7]:

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

Donde:

d es la profundidad (mm);
t es el tiempo (años);
KCl es el coeficiente de penetración de Cloruros;

Este periodo de tiempo es el necesario para que la concentración de cloruros a la altura del refuerzo, tome un valor crítico que haga que se despasive el acero y comience la corrosión.

Para el cálculo de este tiempo, ecuación [8], si no se tiene en cuenta el envejecimiento, es decir, considerando un coeficiente de difusión constante, se calcula el coeficiente de penetración de cloruros, KCl, según la ecuación [9]:

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

Donde:

α es el factor de conversión de unidades, su valor es de 56157;
Dw es el coeficiente de difusión efectivo, para un ancho de fisura (cm2/s);
Cth es la concentración de cloruros crítica, (% peso de cemento);
Cs es la concentración de cloruros en superficie (% peso de cemento);
Cb es el contenido de cloruros en materias primas (% peso de cemento);

En este estudio se ha tomado como coeficiente de difusión no estacionario, Dns, el valor obtenido en el ensayo multirégimen de los hormigones fisurados, Tabla 3. La concentración de cloruros crítica, Cth, el valor de 0,6 % en peso de cemento, que reseña la EHE-08 para armaduras pasivas. La concentración superficial, Cs, que depende de las condiciones de exposición y que, a falta de valores experimentales, se toma el valor de la tabla A.9.4. del anejo 9 de la EHE-08, estos valores en % de cemento se resumen en la Tabla 4. El contenido en cloruros, Cb, en las materias primas utilizadas se toma como cero.

El valor del recubrimiento del refuerzo utilizado para el cálculo del tiempo del periodo de iniciación, profundidad (d), también viene referenciado en la EHE-08 según el tipo de cemento, ambiente marino y la vida útil del proyecto, el resumen de estos valores se observa en la Tabla 4.

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

 

Los resultados de la duración de los periodos de iniciación según el ancho de fisura, para el ambiente considerado, se observa en la Figura 6. Dos aspectos son resaltables de los resultados: 1) que la vida útil disminuye con el ancho de fisura como era deducible de las Figuras anteriores y 2) que a pesar de que los coeficientes son muy similares en los tres hormigones, el resultado de su vida útil difiere. Ello es debido a la diferencia en concentración superficial que indica el modelo de la EHE 08: a mayor Cs (hormigón con menor contenido en cemento) menor vida útil resulta del cálculo.

Partiendo de las ecuaciones [8] y [9], sustituyendo los coeficientes de difusión no estacionarios obtenidos en el ensayo de multirregimen, se obtiene la relación entre los periodos de iniciación de hormigón fisurado y no fisurado.

En la Figura 7, se observa el ajuste de los datos, que relaciona la variación del periodo de iniciación con el ancho de fisura, reproduce los datos experimentales independientemente de la dosificación y ambiente en el que esté expuesto el hormigón.

Por tanto, un elemento fisurado en ambiente marino con ancho máximo permitido según la EHE-08 de 0,4 mm, ve reducida su vida útil en un 99 %.

4.3. Comparación con resultados de bouny

Con el objetivo de explorar la posibilidad de generalizar los resultados con los obtenidos es necesario compararlos con los de otros autores. Aquí, se van a comparar con lo realizado por el equipo de Baroguel Bouny (19) que utilizan el método desarrollado anteriormente por otros autores (18) sobre el empleo de un área “equivalente de fisura” para referir el coeficiente de difusión obtenido. No se va a profundizar en este método de tratamiento sino, solo se van a utilizar sus coeficientes para compararlos a igualdad de ancho de fisura con los resultados presentes. Así en la Figura 8 se han representado sus coeficientes de difusión no estacionarios publicados en (19) y los obtenidos en los tres hormigones estudiados en este trabajo.

Una diferencia que surge inmediatamente es que en su caso aparece una fisura critica (véase Figura 9) para este coeficiente diferente al que se ha encontrado aquí. Es decir, al calcular el coeficiente referido al área equivalente de fisura, en su trabajo aparece que hasta su fisura critica de casi 0,1 mm no hay diferencia con el hormigón sin fisurar mientras que en este trabajo la fisura critica sería de alrededor de 0,04 mm, obteniendo en (19) coeficientes mayores a los presentes. Esta discrepancia que se ha querido ilustrar indica que es necesario ensayar nuevas series de hormigones para poder generalizar con garantías estadísticas las tendencias encontradas.

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

5. CONCLUSIONES

Las principales conclusiones obtenidas en este estudio se resumen a continuación:

  • La relación entre el coeficiente de difusión del ion cloruro en hormigones fisurados y no fisurados es independiente del contenido en cemento del hormigón tal vez porque la relación a/c es la misma en las tres dosificaciones.
  • La relación entre el ancho de fisura y el coeficiente de difusión no estacionario encontrada se ajusta a la ecuación [6].
  • Aplicando estos valores a las formulas de la EHE 08 y suponiendo el resto de valores de los parámetros constitutivos de esas ecuaciones, resulta que la vida útil en elementos fisurados respecto a los no fisurados se puede ajustar a la expresión [10]:

    Corrosión por ión cloruro según la EHE-08

  • Se han encontrado discrepancias en el ancho de fisura crítico para los coeficientes en estado estacionario publicados en (19) y los presentes, lo que lleva a indicar la necesidad de seguir ensayando nuevos hormigones hasta encontrar relaciones entre la variación del coeficiente de difusión con el ancho de fisura que puedan ser generalizables con garantías de tipo estadístico.

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Torres, J.; Andrade, C.; Sánchez, J. (2020). Periodo de iniciación de la corrosión por ión cloruro según la EHE 08 en elementos de hormigón fisurados. Informes de la Construcción, 72(557): e331. https://doi.org/10.3989/ic.70275
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Información adicional

  • Fuente:: Informes de la Construcción
  • Autor:: J. Torres, C. Andrade, J. Sánchez
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