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INFLUENCIA DEL AGRIETAMIENTO EN LAS PROPIEDADES DE TENSIÓN DE VARILLAS DE REFUERZO EMBEBIDAS EN CONCRETO DE ALTO DESEMPEÑO

P. MONTES-GARCÍA V. JIMÉNEZ-QUERO H. LÓPEZ-CALVO Dr. Ing. Civil Dr. Ing. Civil Prof. Inv. Arquitectura Instituto Politécnico Nacional Instituto Politécnico Nacional Fac. de Arquitectura “5 de Mayo” Oaxaca; México Oaxaca; México Oaxaca; México e-mail:[email protected] e-mail: [email protected] e-mail:[email protected] RESUMEN Se investigó la influencia de la corrosión por picaduras en las propiedades de varillas de refuerzo embebidas en concreto de alto desempeño agrietado, con y sin inhibidor de corrosión. Se elaboraron probetas de concreto reforzado con varillas de acero al carbono. Para simular agrietamiento se colaron las probetas en dos tiempos, y se colocaron placas de caucho con espesores de 0,25 y 0,5 mm; posteriormente éstas se retiraron. Las probetas se expusieron durante un año a un ambiente contaminado con cloruros en donde se simulaba la acción de la marea. Después del periodo de exposición las varillas fueron extraídas y ensayadas en tensión, evaluando sus propiedades de resistencia a la fluencia, a la rotura y su elongación. Con los resultados se estableció una correlación entre profundidad de la picadura y elongación de las varillas de refuerzo para evaluar la pérdida de ductilidad causada por la corrosión. 1. INTRODUCCIÓN Estudios previos han demostrado que varillas de acero embebidas en concretos elaborados con relaciones agua/materiales cementantes bajas, con inhibidor de corrosión y en estado agrietado (anchos de grieta de 0,1 a 0,4 mm) tienen mal desempeño cuando se someten a ambientes marinos [1,2]. Estos tipos de concretos tienen en general baja permeabilidad, pero debido a las grietas los cloruros están en contacto directo con el refuerzo en la zona agrietada, promoviendo el desarrollo de la corrosión por picaduras. La reducción del área de sección transversal debido a la presencia de picaduras en varillas de refuerzo embebidas en concreto agrietado es de gran preocupación debido a la pérdida significativa de la capacidad de carga de los elementos estructurales. Las varillas de refuerzo ya no serán capaces de soportar los esfuerzos generados por las cargas de servicio durante la vida de la estructura. Además, la falla dúctil por flexión anticipada del acero en elementos de concreto reforzado pueden ser reemplazada por una falla frágil debido a la reducción de la ductilidad de refuerzo corroído [3,4]. Por lo anterior, se requiere investigación sobre la reducción de las propiedades de tensión de las varillas de refuerzo causados por la corrosión. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Diseño de pruebas y configuración experimental

Para evaluar la influencia del agrietamiento en las propiedades de tensión de varillas de refuerzo embebidas en concreto de alto comportamiento se diseñaron 27 mezclas de concreto, todas con 8% de humo de sílice. Se consideraron tres relaciones agua/materiales cementantes, tres porcentajes de sustitución parcial de cemento con ceniza volante, y tres dosis de un inhibidor de corrosión a base de nitrito de calcio (CNI). Se colaron probetas con y sin grietas y se sometieron a un ambiente marino simulado; los detalles del experimento se muestran en la Tabla 1.

Montes-García P., Jiménez-Quero V.G., López-Calvo H.Z., Influencia del agrietamiento en las propiedades de tensión de varillas de refuerzo embebidas en concreto de alto desempeño

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Tabla 1 - Selección de factores investigados en el experimento Factor No. de niveles Descripción de Niveles Ancho de grieta 3 Sin grieta, 0.25 y 0.50 mm Inhibidor de Corrosion 3 0, 12.5 y 25 L/m3 Contenido de Ceniza Volante 3 0, 20 y 40% Relación agua/materiales cementantes 3 0.29, 0.37 y 0.45

En cada probeta de concreto se embebieron dos varillas de acero al carbono como refuerzo, las cuales debido a la naturaleza poco homogenea del concreto pueden ser tratadas como réplicas [5]. 2.2 Materiales Los materiales utilizados en el programa de pruebas fueron los siguientes: cemento Portland CSA Tipo 10L-SF de baja alcalinidad con 8.2% de reemplazo de cemento por humo de sílice [6] para todas las mezclas; Ceniza Volante Tipo F [7]; grava triturada con tamaño máximo de 12.5 mm y densidad relativa de 2.69; arena de río natural con módulo de finura de 2.65 y densidad relativa de 2.62; aditivo inclusor de aire (IA) ASTM C 260 [8], retardante de hidratación (ASTM C 494) [9]; reductor de agua de alto rango (SP) (ASTM C 494, Superplastificante Tipo F) [9] (ASTM 2000); inhibidor de corrosión comercial que contiene un mínimo de 30% de nitrito de calcio (IC). 2.3 Proporcionamiento de mezclas y preparación de muestras

Las mezclas de concreto se prepararon de acuerdo con las proporciones mostradas en la Tabla 2. Las propiedades en estado fresco y endurecido de las mezclas de concreto usadas en esta investigación han sido reportadas previamente [10]. Se fabricaron ochenta y un probetas de concreto (diseño factorial 34, con dos varillas de acero cada una) para ser colocadas en un ambiente marino simulado. .

Tabla 2 – Proporcionamiento de mezclas (por m3) Número

de mezcla Ceniza Volante

kg

Cemento +Humo de Sílice

kg

Grava kg

Arena kg

Agua kg

IA mL

SP mL

Retardante mL

IC mL

w/c

1 0 544 1029 664 154 620 2844 1087 0 0.28 2 0 544 1029 664 155 1413 2844 1087 12500 0.29 3 0 544 1029 664 155 1859 2844 1087 25000 0.29 4 87 422 992 646 148 1049 2202 1052 0 0.29 5 87 422 992 646 148 1498 2202 1052 12500 0.29 6 87 422 992 646 149 1798 2202 1052 25000 0.29 7 177 317 987 650 145 1048 841 1051 0 0.29 8 177 317 987 650 145 1198 886 1051 12500 0.29 9 177 317 987 650 145 1048 991 1051 25000 0.29 10 0 441 997 702 164 591 1181 1037 0 0.37 11 0 441 997 702 164 561 1004 1037 12500 0.37 12 0 441 997 702 164 591 886 1037 25000 0.37 13 73 351 985 694 158 876 1051 1025 0 0.37 14 73 351 985 694 158 730 920 1025 12500 0.37 15 73 351 985 694 157 584 817 1025 25000 0.37 16 150 268 993 699 155 882 618 0 0 0.37 17 150 268 993 699 156 735 676 0 12500 0.37 18 150 268 993 699 155 735 0 0 25000 0.37 19 0 371 957 703 169 709 0 995 0 0.45 20 0 371 957 705 167 567 0 995 12500 0.45 21 0 371 957 705 167 425 0 995 25000 0.45 22 63 300 963 706 165 570 0 780 0 0.45 23 63 300 963 706 164 428 0 780 12500 0.45 24 63 300 963 788 163 143 0 780 25000 0.45 25 132 236 992 730 167 294 588 0 0 0.45 26 132 236 992 730 166 441 0 0 12500 0.45 27 132 236 992 730 166 147 0 0 25000 0.45

Las dimensiones nominales de las probetas fueron 55x230x300 mm, y el espesor del recubrimiento de 20 ± 2 mm para acelerar el proceso de corrosión (Figura 1). Cada probeta se preparó en dos mitades. El concreto tenía un revenimiento de diseño de 100 mm y un contenido de aire de 7%. Luego, para crear los anchos de grieta requeridos se colocaron


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placas de caucho 150x300mm con espesores de 0.25 y 0.5 mm; el procedimiento utilizado fue similar al descrito en [1]. Cuando el concreto endureció se retiró la placa de caucho, de ese modo se creó la grieta que permitió el acceso directo de los cloruros para estar en contacto con las varillas de acero de refuerzo.

Figura 1: Diagrama esquemático de probeta

Para evaluar el efecto de agua de mar artificial en la corrosión de las varillass de refuerzo en las probetas de concreto, se utilizó la Cámara de Simulación de Ambiente Marino (MESS) de la Universidad de New Brunswick, Canadá. La cámara consta de dos compartimentos en los que es posible simular ciclos de humedecimiento y secado. Se preparó la solución según lo estipulado en la norma ASTM D1141-90 [11]. Se realizaron dos ciclos completos de humedecimiento y secado dentro de un período de 24 horas, lo cual corresponde a dos ciclos de marea en un ambiente marino natural. La temperatura varió de 26 2 oC en el ciclo húmedo a 55 2 oC en el ciclo seco. 2.4 Procedimientos de Medición 2.4.1 Examinación visual de probetas Las superficies de las probetas de concreto se inspeccionaron visualmente revisando la existencia de manchas, grietas adicionales o deterioro del concreto. La prueba terminó después de 12 meses, cuando algunos ejemplares presentaron agrietamiento por corrosión grave, y un mayor tiempo de exposición no proporcionaría información confiable [12]. Después de la exposición, las probetas se abrieron, se tomaron fotografías de cada varilla, se examinaron y registraron las zonas de corrosión de acuerdo con la norma ASTM G1-90 [13]. Además, se evaluó la corrosión por picaduras según lo recomendado por la norma ASTM G46-76 [14]. Las réplicas de picaduras fueron reproducidas con el uso de Repliset®. La profundidad máxima de picadura de probetas se midió utilizando un microscopio Reichert Zetopan con epi-iluminación y lente objetivo EPI 5.5/0.15, utilizando el control de enfoque fino para medir la posición de cada superficie en el eje Z. El control de enfoque fino fue marcado en divisiones de 1 micrómetro. 2.4.2 Pruebas de resistencia a la tensión Posterior a la evaluación del daño causado por el ambiente simulado a las varillas, éstas se ensayaron e investigaron los efectos perjudiciales de la corrosión en sus propiedades de tensión, tales como límite de elasticidad, resistencia última y elongación a la falla. Lo anterior se llevó a cabo mediante ensayos de tensión realizados según la norma ASTM A370, Sección A9 [15]. Se ensayaron tres varillas para cada tratamiento, dos de cada probeta de corrosión (varillas a y b) y una control, la cual se mantuvo en un lugar seco y seguro desde el principio de la prueba (varilla c). 3. RESULTADOS

3.1 Efecto de la corrosión en la resistencia a tensión de las varillas de refuerzo Las varillas de refuerzo en las probetas de concreto sin grieta se compararon con los controles para explicar cualquier posible efecto perjudicial del medio ambiente sobre las propiedades de tensión del acero de refuerzo. Se encontró que no hay una diferencia significativa (p >>0.05) entre los valores de resistencia de las varillas recuperadas y los controles. Los resultados en la Figura 2 muestran un efecto insignificante de ancho de grieta (p >> 0.05) en el esfuerzo de fluencia de las varillas de refuerzo. Sin embargo, los resultados de la Figura 3 muestran que el ancho de grieta tiene un efecto significante sobre la resistencia última de las varillas de refuerzo.

Contraelectrodo

varilla a

Cables de cobre (electrodos de trabajo)

varilla b15 mm x 260 mm

Primera mitad (inferior)

Placa de caucho


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Figura 2: Efecto del ancho de grieta en las resistencias a la fluencia de las varillas de refuerzo


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Figura 3: Efecto del ancho de grieta en las resistencias últimas de las varillas de refuerzo


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Figura 4: Efecto del ancho de grieta en las elongaciones de las varillas de refuerzo


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Finalmente, se estudió el efecto del ancho de grieta en la elongación de las varillas de refuerzo. Los resultados indican que hubo una ligera disminución de la elongación en las varillas en probetas de concreto sin grieta en comparación con el control (Figura 4). Sin embargo, el descubrimiento más importante fue la diferencia significativa entre los valores de elongación de varillas de refuerzo en concreto agrietado en comparación con los controles. No se encontraron diferencias entre la elongación de especímenes con 0.25 mm y 0.5 mm de agrietamiento. Por lo tanto, se puede concluir que la existencia de grieta afecta la elongación de las varillas de refuerzo, pero el ancho de la grieta no tiene un efecto significativo. Aunque se mostró que el agrietamiento inducido en el concreto reforzado tiene un efecto perjudicial sobre la resistencia última del acero de refuerzo, el efecto es de hecho no significante. Las diferencias entre las medias indicaron que la resistencia última se reduce en sólo 2% con respecto al control para las varillas en concreto con grieta de 0.25 mm, y en 3% para concreto con una grieta de 0.5 mm. Por el contrario, el efecto perjudicial de agrietamiento en la elongación es muy significante, por ejemplo, para las varillas embebidas en el concreto sin grieta la reducción de la ductilidad fue de 14% y para varillas embebidas en concretos con grietas de 0.25 y 0.5 mm la reducción de ductilidad fue de 40%. Lo anterior indica que la corrosión deteriora la resistencia y ductilidad de las varillas de refuerzo, la ocurrencia de corrosión adicional o una sobrecarga estructural, o ambos, podrían causar colapsos repentinos de una estructura sin aviso alguno [17]. 3.2 Correlación entre profundidad de picadura y elongación de varillas de refuerzo

La Figura 6 muestra que las profundidades de las picaduras y las elongaciones de las varillas se correlacionan bien a pesar de la gran dispersión observada en las mediciones de profundidades de picaduras. Se observa un efecto inequívoco de la profundidad de la picadura sobre la elongación: entre más profundas son las picaduras menores son las elongaciones.

Figura 5: Correlación entre elongaciones y profundidades de picaduras

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Con base en los resultados derivados del programa experimental, se puede concluir lo siguiente con respecto a la influencia del agrietamiento en las propiedades de las varillas de refuerzo embebidas en concreto de alto comportamiento: - La mayoría de las picaduras más profundas observadas corresponden a especímenes con grietas preformadas. Las varillas de refuerzo embebidas en concretos con relación a/mc de 0.29 y 0.37 experimentaron picaduras más profundas que aquellas embebidas en concreto con relación a/mc de 0.45. Por lo tanto, se puede concluir que el agrietamiento en bajas relaciones a/mc promueven la corrosión intensa por picaduras.


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- Se encontró que la existencia de picaduras en las varillas de refuerzo causaron reducción en la resistencia última de sólo el 3%; sin embargo, las picaduras en la superficie de varillas embebidas en concreto agrietado y expuesto a un ambiente contaminado con cloruros afectaron negativamente su elongación, lo cual puede causar una pérdida de ductilidad de hasta del 40%. 5. RECOMENDACIONES PARA FUTURAS INVESTIGACIONES

Se requieren más investigación para estudiar la influencia del agrietamiento en las propiedades de tensión de

varillas de refuerzo embebidas en concreto de alto comportamiento para condiciones de exposición a largo plazo. Estos experimentos deben incluir miembros estructurales a escala real esforzados para producir agrietamiento por flexión, y luego deben ser sometidos a exposición marina. Los resultados obtenidos de esta investigación deben ser utilizados en la planificación de esos experimentos a largo plazo. 6. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC), del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), del Instituto Politécnico Nacional de México (IPN), COFAA (IPN) y del CIIDIR Unidad Oaxaca. 7. REFERENCIAS

[1] Kondratova, I. - Epoxy Coatings and Other Methods of Corrosion Protection of Reinforcing Steel Embedded in Concrete Subjected to Chloride Contaminated Environment, Ph. D. Dissertation. Faculty of Civil Engineering, University of New Brunswick, Canada. September 1999, 327 p.

[2] Kondratova, I., et al., “Accelerated Corrosion Testing Results for Specimens Containing Uncoated Reinforcing Steel and Corrosion Inhibitors”, Fifth CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Barcelona, Spain, 2000, pp. 789-805.

[3] Du, Y.G., Clark, L.A. and Chan, A.H.C, “Effect of corrosion on ductility of reinforcing bars”, Mag Concr Res, 2005, vol. 57, pp. 407-419.

[4] Du,Y.G., Clark, L.A. and Chan A.H.C., “Impact of reinforcement corrosion on ductile behaviour of reinforced concrete beams”, ACI Struct J, 2007, vol. 104, pp. 285-293.

[5] Hurlbert, S.H., “Pseudoreplication and the Design of Ecological Field Experiments, Ecological Monographs”, Ecological Society of America, 1984, vol.54, pp. 187-211.

[6] CSA-A23.1-M90 (1990) Concrete Materials and Methods of Concrete Construction. National Standards of Canada. Canadian Standards Association.

[7] ASTM C618-12 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete. Book of American Society for Testing and Materials.

[8] ASTM C260/C260M-10a Standard Specification for Air-Entraining Admixtures for Concrete. Book of American Society for Testing and Materials.

[9] ASTM C494/C494M-12 Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete. Book of American Society for Testing and Materials.

[10] Montes, P., Bremner, T. and Mrawira, F., “Effects of cni and fly ash on the compressive strength of high performance concrete”, ACI Mater J, 2005, vol. 102, ppp. 3-8.

[11] ASTM D 1141-90 Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water. [12] Montes, P., Bremner, T. and Lister D., “Influence of calcium nitrite inhibitor and crack width on corrosion of

steel in high performance concrete subjected to a simulated marine environment”, Cem Concr Compos, 2004,vol. 26, pp. 243-253.

[13] ASTM G1-90 Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens. [14] ASTM G46-76Standard Guide for Examination and Evaluation of Pitting Corrosion. [15] ASTM A 370 Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. [16] Derucher, K.N., Korfiatis, G.P. and Ezeldin, A. S. Materials for Highway Engineers Fourth Edition (Prentice

Hall, NJ, USA, 1998). [17] Du, Y.G., Cullen, M. and Li, C., “Structural performance of RC beams under simultaneous loading and

reinforcement corrosion”, Constr Build Mater, 2013, vol. 38, pp. 472-481

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