PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA “Estudio de la efectividad de tres tipos de inhibidores de corrosión para la protección de estructuras de concreto armado” Tesis para obtener el título profesional de Ingeniera Civil AUTORAS: Ancori Torobeo, Liz Stefany Tenorio Palomino, Main Graciela ASESORES: Lic. María Isabel Díaz Tang (Asesor) Ing. Julio César Carhuamaca Huanri (Coasesor) Lima, abril 2021 i Resumen Una de las principales patologías que compromete la vida útil de las estructuras de concreto armado es la corrosión del acero de refuerzo, frente a la cual, surge como una medida de protección la adición de compuestos químicos al concreto fresco, denominados inhibidores de corrosión, para mejorar la durabilidad de las estructuras. La presente investigación consiste en evaluar la efectividad de tres aditivos inhibidores de corrosión con importante presencia comercial en el Perú, uno de tipo inorgánico (A) y dos de tipo orgánico (B y C), adicionados a mezclas de concreto diseñadas con relación w/c igual a 0.60 y con cloruro de sodio en distintas concentraciones para inducir la corrosión acelerada de las barras de acero embebidas en las probetas de concreto. La evaluación del estado de corrosión de las barras de acero de refuerzo se realizó por medio de dos técnicas electroquímicas: medición de potenciales y estimación de la velocidad de corrosión, que permitieron identificar la presencia y el avance del fenómeno corrosivo. Asimismo, la evaluación comprendió la rotura de las probetas de concreto para la inspección visual de las barras de acero corrugado embebidas para una correcta interpretación de los valores obtenidos. En base a las técnicas utilizadas, se demostró que el aditivo inhibidor de corrosión inorgánico A es más efectivo en estructuras de concreto armado que contienen una concentración máxima de NaCl de hasta 0.5%, permitiendo al acero de refuerzo alcanzar su estado de pasivación a un nivel superior (EcorrA = -0.17 V CSE) que con los inhibidores de corrosión orgánicos (EcorrB = -0.20 V CSE y EcorrC = -0.23 V CSE). Sin embargo, en estructuras de concreto armado que contienen una concentración de NaCl de hasta 2.5%, se demostró que ninguno de los tres inhibidores de corrosión es efectivo, pero el inhibidor de corrosión orgánico B es el que permitiría extender la vida útil de las estructuras de manera más efectiva en el tiempo, debido a que su velocidad de corrosión es menor (VcorrB = 0.035 µm/año) en comparación con la velocidad de corrosión de los otros dos aditivos inhibidores (VcorrA = 0.039 µm/año y VcorrC = 0.049 µm/año). ii Agradecimientos En primer lugar, agradecemos infinitamente a Dios por cuidarnos y guiarnos durante estos años de crecimiento profesional y permitirnos compartir este logro con nuestras familias. Nos gustaría expresar nuestro más sincero agradecimiento a nuestros asesores de investigación, a la Lic. María Isabel Díaz Tang y al Ing. Julio César Carhuamaca Huanri de la Pontificia Universidad Católica del Perú, por su confianza, apoyo y orientación constante. Asimismo, expresamos nuestro agradecimiento al equipo profesional y técnico del Laboratorio de Estructuras Antisísmicas y del Instituto de Corrosión y Protección de la Pontificia Universidad Católica del Perú por su soporte durante el desarrollo experimental de la presente investigación. También expresamos toda nuestra gratitud a nuestros amigos y colegas Dyjp Contreras Prado, Cranmer Rojas Carpio y Anthony Méndez Cisneros por su apoyo y soporte emocional hacia la culminación del presente trabajo. Dedicatorias Dedico la presente tesis a mis padres Fredy Ancori y Julia Torobeo por su apoyo incondicional, a mi hermana Luz que siempre está a mi lado y es mi mayor soporte, a mi hermano Luis que, a pesar de la distancia, siempre me transmite su positivismo y, por supuesto a mi compañera de tesis, amiga y hermana Main, por impulsar el proyecto, por la paciencia y el apoyo. Liz Stefany Ancori Torobeo Dedico el presente trabajo a mis padres Indalecio Tenorio y Maximina Palomino por ser mi soporte y mi mayor fuente de inspiración, a mi hermana y mejor amiga Liz por su confianza y fortaleza, y a las personas que Dios pone en mi camino por su paciencia y motivación constante. Main Graciela Tenorio Palomino iii Tabla de Contenidos Resumen………………………………………………………………………………………… i Agradecimientos………………………………………………………………………………… ii Tabla de Contenidos…………………………………………………………………………… iii Lista de Tablas………………………………………………………………………………… vi Lista de Figuras………………………………………………………………………………… ix Capítulo I. Introducción………………………………………………………………………… 1 1.1 Antecedentes…………………………………………………………………………………………… 1 1.2 Objetivos………………………………………………………………………………………………… 2 1.3 Hipótesis………………………………………………………………………………………………… 3 1.4 Organización del documento………………………………………………………………………… 3 Capítulo II. Aspectos fundamentales de la durabilidad……………………………………… 5 2.1 Durabilidad del concreto reforzado……………………………………………………………………5 2.2 Factores externos que afectan la durabilidad del concreto…………………………………………9 2.3 Factores internos que determinan la calidad del concreto…………………………………………10 Capítulo III. Corrosión del acero de refuerzo…………………………………………………15 3.1 Naturaleza porosa y alcalina del concreto………………………………………………………… 15 3.2 Pasividad del acero de refuerzo………………………………………………………………………17 3.3 Corrosión del acero de refuerzo………………………………………………………………………19 3.4 Inhibidores de corrosión………………………………………………………………………………22 Capítulo IV. Materiales……………………………………………………………………… 25 4.1 Insumos para las mezclas de concreto……………………………………………………………… 25 4.1.1 Agua…………………………………………………………………………………………… 25 4.1.2 Cemento………………………………………………………………………………………… 26 iv 4.1.3 Agregado grueso……………………………………………………………………………… 26 4.1.4 Agregado fino………………………………………………………………………………… 28 4.1.5 Aditivos………………………………………………………………………………………… 30 4.1.6 Cloruro de sodio……………………………………………………………………………… 31 4.2 Elementos para la preparación de testigos………………………………………………………… 32 4.2.1 Barras de acero inoxidable…………………………………………………………………… 32 4.2.2 Barras de acero corrugado…………………………………………………………………… 32 4.2.3 Esmalte epóxico……………………………………………………………………………… 33 4.3 Materiales para la fabricación de probetas………………………………………………………… 33 4.3.1 Desmoldante…………………………………………………………………………………… 33 Capítulo V. Metodología……………………………………………………………………… 34 5.1 Etapa 1: Planificación………………………………………………………………………………… 34 5.1.1 Diseño de probetas…………………………………………………………………………… 34 5.1.2 Planificación de mezclas de concreto……………………………………………………… 36 5.2 Etapa 2: Etapa preliminar…………………………………………………………………………… 37 5.2.1 Ensayos de agregados………………………………………………………………………… 37 5.2.2 Fabricación de moldes prismáticos………………………………………………………… 38 5.2.3 Diseño teórico de las mezclas de concreto………………………………………………… 41 5.2.4 Validación del diseño teórico en campo…………………………………………………… 44 5.3 Etapa 3: Muestreo de las probetas de concreto…………………………………………………… 45 5.3.1 Preparación de las 13 mezclas de concreto………………………………………………… 45 5.3.2 Ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco………………………………46 5.3.3 Ensayos de control de calidad del concreto en estado endurecido……………………… 53 5.4 Etapa 4: Mediciones electroquímicas……………………………………………………………… 56 v 5.5 Etapa 5: Inspección de barras de acero de refuerzo…………………………………………………63 Capítulo VI. Resultados……………………………………………………………………… 67 6.1 Ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco…………………………………… 67 6.2 Ensayos de control de calidad del concreto en estado endurecido……………………………… 69 6.3 Mediciones electroquímicas………………………………………………………………………… 69 6.4 Inspección visual……………………………………………………………………………………… 71 Capítulo VII. Discusión de Resultados……………………………………………………… 76 7.1 Ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco…………………………………… 76 7.2 Ensayos de control de calidad del concreto en estado endurecido……………………………… 79 7.3 Mediciones electroquímicas………………………………………………………………………… 80 Capítulo VIII. Conclusiones y Recomendaciones……………………………………………100 8.1 Conclusiones………………………………………………………………………………………… 100 8.2 Recomendaciones…………………………………………………………………………………… 102 Referencias…………………………………………………………………………………… 103 Apéndices vi Lista de Tablas Tabla 1 Vida útil nominal de los diferentes tipos de estructura……………………………………… 7 Tabla 2 Clasificación de los aditivos inhibidores de corrosión……………………………………… 23 Tabla 3 Interpretación de mediciones de potencial…………………………………………………… 23 Tabla 4 Criterios para estimar el nivel de corrosión………………………………………………… 24 Tabla 5 Límites químicos para agua de mezcla…………………………………………………………25 Tabla 6 Normas utilizadas para propiedades físicas del agregado grueso………………………… 26 Tabla 7 Resumen de características físicas del agregado grueso…………………………………… 26 Tabla 8 Resumen de características químicas del agregado grueso.............................................. 27 Tabla 9 Normas utilizadas para propiedades físicas del agregado fino…………………………… 28 Tabla 10 Resumen de características físicas del agregado fino………………………………………28 Tabla 11 Resumen de características químicas del agregado fino……………………………………29 Tabla 12 Resumen de las características del aditivo reductor de agua………………………………30 Tabla 13 Resumen de características de los aditivos inhibidores de corrosión…………………… 31 Tabla 14 Requisito de composición química del cloruro de sodio……………………………………31 Tabla 15 Resumen de las especificaciones técnicas del cloruro de sodio……………………………31 Tabla 16 Composición química de las barras de acero inoxidable AISI 316……………………… 32 Tabla 17 Composición química de las barras de acero corrugado………………………………… 33 Tabla 18 Características técnicas del esmalte epóxico……………………………………………… 33 Tabla 19 Parámetros de diseño para probetas cilíndricas…………………………………………… 34 Tabla 20 Parámetros de diseño para probetas prismáticas………………………………………… 35 Tabla 21 Especificaciones para diseño de mezclas de concreto…………………………………… 36 Tabla 22 Características físicas de los agregados…………………………………………………… 41 Tabla 23 Revenimientos recomendados para varios tipos de construcción…………………………42 vii Tabla 24 Requisitos aproximados de agua de mezcla y contenido de aire………………………… 42 Tabla 25 Relación agua-cemento y la resistencia a compresión del concreto…………………… 43 Tabla 26 Volumen de agregado grueso por volumen unitario de concreto………………………… 43 Tabla 27 Secuencia para mezcla original – MO (duración = 5 minutos) ……………………………46 Tabla 28 Secuencia para mezclas patrón – MP (duración = 5 minutos) ………………………… 46 Tabla 29 Secuencia para mezclas A, mezclas B y mezclas C (duración = 8 minutos) …………… 46 Tabla 30 Normas para ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco…………… 47 Tabla 31 Especificaciones de compactación de las probetas de concreto………………………… 51 Tabla 32 Condiciones y parámetros para las mediciones electroquímicas………………………… 61 Tabla 33 Resumen de consideraciones en la técnica electroquímica de polarización lineal…… 62 Tabla 34 Resultados de ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco…………… 67 Tabla 35 Resultados del ensayo de resistencia a compresión de las probetas cilíndricas……… 68 Tabla 36 Resultados de las mediciones electroquímicas de las mezclas MO y MP…………………69 Tabla 37 Resultados de las mediciones electroquímicas de las mezclas MA……………………… 70 Tabla 38 Resultados de las mediciones electroquímicas de las mezclas MB……………………… 70 Tabla 39 Resultados de las mediciones electroquímicas de las mezclas MC……………………… 71 Tabla 40 Inspección visual de las mezclas MO y MP-0.5…………………………………………… 71 Tabla 41 Inspección visual de las mezclas MP-1.5 y MP-2.5…………………………………………72 Tabla 42 Inspección visual de las mezclas MA………………………………………………………… 72 Tabla 43 Inspección visual de las mezclas MB………………………………………………………… 73 Tabla 44 Inspección visual de las mezclas MC………………………………………………………… 73 Tabla 45 Parámetros de control de calidad del concreto en estado fresco………………………… 76 Tabla 46 Dependencia entre la relación w/c y la resistencia a compresión del concreto…………79 Tabla 47 Técnicas estadísticas para evaluación de atipicidad de mediciones electroquímicas…81 viii Tabla 48 Resumen de mediciones de potencial después de evaluación estadística de atipicidad…82 Tabla 49 Criterio de valoración de potenciales…………………………………………………………83 Tabla 50 Criterio de valoración de potenciales para evaluación de probetas prismáticas………83 Tabla 51 Criterio de interpretación de potenciales……………………………………………………84 Tabla 52 Resultados de evaluación de atipicidad de valores estimados de tasa de corrosión……94 ix Lista de Figuras Figura 1. Comparación inversión vs tiempo entre una estructura “durable” y “no durable” ………8 Figura 2. Proporción de los componentes del concreto en volumen absoluto……………………11 Figura 3. Influencia de la relación w/c en la resistencia a compresión y en el revenimiento……13 Figura 4. Efecto del tiempo de curado sobre el desarrollo de la resistencia del concreto…………14 Figura 5. Distribución del tamaño de poros en el concreto………………………………………16 Figura 6. Red de poros capilares en el concreto endurecido…………………………………………16 Figura 7. Contenido crítico de cloruros por peso de cemento……………………………………18 Figura 8. Iniciación y propagación de corrosión en una estructura – Modelo de Tuutti…………19 Figura 9. Celda electroquímica de la corrosión en medio alcalino……………………………………20 Figura 10. Consecuencias estructurales de la corrosión en estructuras de concreto armado…… 21 Figura 11. Curva granulométrica del agregado grueso……………………………………………… 27 Figura 12. Curva granulométrica del agregado fino……………………………………………………29 Figura 13. Probeta cilíndrica de concreto para ensayos de resistencia a compresión………………35 Figura 14. Probeta prismática de concreto reforzado para mediciones electroquímicas………… 35 Figura 15. Codificación de las 13 mezclas de concreto diseñadas……………………………………37 Figura 16. Modelo de espécimen de prueba - ASTM G109………………………………………… 38 Figura 17. Diseño de probeta prismática de concreto………………………………………………… 39 Figura 18. Sección transversal del encofrado para probetas prismáticas…………………………… 39 Figura 19. Fabricación y ensamblaje del encofrado para probetas prismáticas……………………40 Figura 20. Vista en planta del encofrado con barras de acero dispuestas según el diseño…………40 Figura 21. Barras de acero corrugado sin impurezas superficiales………………………………… 40 Figura 22. Preparación de barras de acero corrugado con pintura epóxica en sus extremos………41 Figura 23. Mezcla prueba N° 1 (MB-2.5%), slump 5 cm, sin aditivo reductor de agua……………44 x Figura 24. Mezcla prueba N° 2 (MB-2.5%), slump 15 cm, con poca cohesión……………………45 Figura 25. Mezcla prueba N° 3 (MB-2.5%), slump 18 cm, con buena consistencia………………45 Figura 26. Línea de tiempo de ensayos de control del concreto en estado fresco…………………47 Figura 27. Muestreo de la mezcla de concreto MB-2.5%, adecuada apariencia inicial……………48 Figura 28. Medición de temperatura de la mezcla de concreto MB-2.5%, T= 20.3 °C……………49 Figura 29. Asentamiento de la mezcla MB-2.5%, slump = 12.9 cm, falla tipo normal……………49 Figura 30. Ensayo de peso unitario de la mezcla MB-2.5%, P.U.=2,324.32 kg/m3………………50 Figura 31. Ensayo de contenido de aire de la mezcla MB-2.5%, valor = 3.8%............................51 Figura 32. Especificaciones de compactación de probetas cilíndricas (vista en planta) …………52 Figura 33. Especificaciones de compactación de probetas prismáticas (vista en planta) …………52 Figura 34. Moldeo de probetas prismáticas (05) y probetas cilíndricas (03) por cada mezcla……53 Figura 35. Línea de tiempo de ensayos de calidad del concreto en estado endurecido……………53 Figura 36. Desencofrado de probetas prismáticas de concreto………………………………………53 Figura 37. Probetas cilíndricas y prismáticas desencofradas - moldes de metal y melamina……54 Figura 38. Ensayo de resistencia a compresión de probetas cilíndricas de concreto………………55 Figura 39. Probetas cilíndricas de la mezcla de concreto MB – 2.5% ensayadas a compresión…55 Figura 40. Secado de probetas prismáticas en un entorno de HR de 50%......................................56 Figura 41. Línea de tiempo de ensayos realizados a las probetas prismáticas de concreto………56 Figura 42. Procedimientos ejecutados a las probetas antes de mediciones electroquímicas………56 Figura 43. Saturación de 3 probetas prismáticas por cada tipo de mezcla de concreto……………57 Figura 44. Secado de probetas prismáticas previo a las mediciones electroquímicas…………… 57 Figura 45. Acondicionamiento de probeta prismática para las mediciones electroquímicas…… 58 Figura 46. Esquema de montaje experimental para las mediciones electroquímicas………………59 Figura 47. Montaje real de la probeta prismática para las mediciones electroquímicas…………60 xi Figura 48. Curva de polarización lineal a partir del potencial de corrosión Ecorr………………… 61 Figura 49. Línea de tiempo de ensayos realizados a las probetas prismáticas de concreto………63 Figura 50. Esquema de corte de probetas prismáticas de concreto………………………………… 63 Figura 51. Equipo de ensayo de tracción diametral marca FORNEY………………………………64 Figura 52. Corte de una probeta prismática de la mezcla MB-2.5 por la mitad……………………64 Figura 53. Profundidad de carbonatación en una probeta prismática de la mezcla MB-2.5………65 Figura 54. Inspección visual y con estereomicroscopio, daño visible por corrosión………………65 Figura 55. (Izquierda) Refuerzo sin daño. (Derecha) Refuerzo dañado por corrosión……………66 Figura 56. Grados de evaluación de indicios de corrosión……………………………………………66 Figura 57. Grados de evaluación de adherencia aparente acero/concreto………………………… 66 Figura 58. Esquema de 03 probetas cilíndricas elaboradas por cada mezcla de concreto…………67 Figura 59. Esquema de 03 probetas prismáticas ensayadas por cada mezcla de concreto…………69 Figura 60. Inspección visual de la probeta Nº 2 – Mezcla MO………………………………………74 Figura 61. Inspección visual de la probeta Nº 1 – Mezcla MP-1.5……………………………………74 Figura 62. Inspección visual de la probeta Nº 2 – Mezcla MA-2.5………………………………… 75 Figura 63. Inspección visual de la probeta Nº 5 – Mezcla MP-2.5………………………………… 75 Figura 64. Resultados obtenidos de temperatura de las 13 mezclas de concreto……………………76 Figura 65. Resultados obtenidos de asentamiento de las 13 mezclas de concreto…………………77 Figura 66. Evaluación del tipo de falla de las mezclas con slump fuera del límite especificado…77 Figura 67. Resultados obtenidos de peso unitario de las 13 mezclas de concreto…………………78 Figura 68. Resultados obtenidos de contenido de aire de las 13 mezclas de concreto……………78 Figura 69. Resultados de resistencia a compresión de las 13 mezclas de concreto diseñadas……79 Figura 70. Interpretación de valores de potencial de corrosión promedio de las mezclas MP……85 Figura 71. Comparación visual entre las mezclas MP en función al aumento de [NaCl]…………85 xii Figura 72. Interpretación de valores de potencial de corrosión promedio de las mezclas MA……86 Figura 73. Comparación visual entre las mezclas MA en función al aumento de [NaCl]…………86 Figura 74. Interpretación de valores de potencial de corrosión promedio de las mezclas MB……87 Figura 75. Comparación visual entre las mezclas MB en función al aumento de [NaCl]…………88 Figura 76. Interpretación de valores de potencial de corrosión promedio de las mezclas MC……89 Figura 77. Comparación visual entre las mezclas MC en función al aumento de [NaCl]…………89 Figura 78. Comparación de valores de potencial de las mezclas con [NaCl] = 0.5%......................90 Figura 79. Comparación visual entre las mezclas de concreto con [NaCl] = 0.5%…………………90 Figura 80. Comparación de valores de potencial de las mezclas con [NaCl] = 1.5%......................91 Figura 81. Comparación visual entre las mezclas de concreto con [NaCl] = 1.5%…………………91 Figura 82. Comparación de valores de potencial de las mezclas con [NaCl] = 2.5%......................92 Figura 83. Comparación visual entre las mezclas de concreto con [NaCl] = 2.5%…………………92 Figura 84. Comparación de valores de tasa de corrosión de las mezclas con [NaCl] = 0.5%..........96 Figura 85. Comparación de valores de tasa de corrosión de las mezclas con [NaCl] = 1.5%..........97 Figura 86. Comparación de pérdida de diámetro de los refuerzos en 50 años, [NaCl]=1.5%.........97 Figura 87. Comparación de valores de tasa de corrosión de las mezclas con [NaCl] = 2.5%..........98 Figura 88. Comparación de pérdida de diámetro de los refuerzos en 50 años, [NaCl]=2.5%.........99 1 Capítulo I. Introducción 1.1 Antecedentes Actualmente, la construcción constituye una importante actividad económica para el Perú, siendo un sector cada vez más representativo debido a la creciente tendencia de la inversión pública y privada. Según el Banco Central de Reserva del Perú (BCRP, 2019) [24], la construcción representa aproximadamente el 6% del PBI peruano, lo que lo convierte en uno de los sectores que más aporta e impulsa el crecimiento económico del país. Sin embargo, este sector se encuentra sujeto a constantes pérdidas económicas debido al desarrollo de patologías en las estructuras de concreto armado, tanto en edificaciones como en infraestructuras, que aceleran el deterioro de los materiales que las componen. Una de las principales patologías que compromete la vida útil de las estructuras de concreto armado es la corrosión del acero de refuerzo, que se desarrolla a causa de la exposición continua de las estructuras a diversas condiciones ambientales. La corrosión del acero de refuerzo en una estructura de concreto armado daña principalmente la adherencia acero-concreto, lo que genera que la estructura tenga menor capacidad de respuesta ante diversas solicitaciones de resistencia, ocasionando que el servicio se desarrolle en condiciones inseguras hasta el punto de quedar inutilizada. Frente a esta problemática, se propuso como alternativa la adición de compuestos químicos a la mezcla de concreto, denominados inhibidores de corrosión, que sean capaces de inhibir químicamente la acción corrosiva de los cloruros sobre el acero de refuerzo en el concreto armado. Estos inhibidores de corrosión pueden ser de dos tipos: inhibidores orgánicos e inhibidores inorgánicos, siendo la efectividad de cada uno de ellos dependiente de su composición química, de su mecanismo de acción y de su concentración en el concreto. Sin embargo, la elección de un adecuado aditivo inhibidor de corrosión, por lo general, no se realiza en base a evaluaciones técnicas que determinen su efectividad en la protección de la durabilidad de la estructura específica en consideración. 2 De acuerdo con lo mencionado, resulta fundamental poner en estudio de investigación la efectividad de los inhibidores de corrosión, debido a la magnitud de la inseguridad y del impacto económico que significa la corrosión en las estructuras de concreto armado. La medición y la información acerca del estado de corrosión del material metálico se obtienen por medio de técnicas electroquímicas, pues esta patología es, generalmente, el resultado de un proceso electroquímico que deteriora la capa protectora de los refuerzos por la presencia de iones de cloruro. En base a ello, el presente trabajo de investigación se centra en evaluar la efectividad de tres inhibidores de corrosión con importante presencia comercial en el Perú, adicionados durante la preparación de las mezclas de concreto, las cuales incluyen también en su composición cloruro de sodio en distintas concentraciones para inducir la corrosión acelerada de las barras de acero corrugado embebidas en probetas de concreto. La evaluación de su estado de corrosión se obtiene por medio de dos técnicas electroquímicas: medición de potenciales y estimación de la velocidad de corrosión del acero de refuerzo, que permiten identificar la presencia y el avance del fenómeno corrosivo. La investigación concluye con el rompimiento de las probetas de concreto para la inspección visual de las barras de acero corrugado que se encontraban embebidas, a fin de describir el nivel de daño corrosivo para cada caso evaluado. Finalmente, en base a la data cuantitativa y cualitativa, esta investigación pretende guiar en el ‘arte’ de selección de un adecuado aditivo inhibidor de corrosión que garantice la durabilidad de las estructuras de concreto reforzado, de forma que cumplan la vida útil para la cual fueron diseñadas. 1.2. Objetivos Objetivo General: Evaluar por medio de técnicas electroquímicas y mediante inspección visual la efectividad de tres inhibidores de corrosión, siendo dos de tipo orgánico y uno inorgánico, y determinar cuál(es) ofrece(n) mayor protección para la durabilidad de estructuras de concreto armado 3 diseñadas con mezclas de concreto de relación w/c igual a 0.60 y frente a distintas concentraciones de iones cloruro como agentes despasivantes. Objetivos Específicos:  Evaluar el comportamiento de tres aditivos inhibidores de corrosión en función al aumento del contenido de cloruro de sodio presente en el concreto, para lo cual se diseñarán mezclas con tres porcentajes distintos de concentración: (a) 0.5%, (b) 1.5% y (c) 2.5%.  Determinar el tipo de inhibidor más efectivo contra el proceso corrosivo del acero de refuerzo, entre los dos tipos evaluados: (a) inhibidor orgánico e (b) inhibidor inorgánico.  Aplicar técnicas electroquímicas que permitan valorar la efectividad del mecanismo de acción de cada uno de los tres aditivos inhibidores de corrosión para la protección de las barras de acero corrugado frente al desarrollo de esta patología en el concreto armado.  Cualificar el proceso corrosivo en las barras de acero corrugado mediante la observación y descripción de los daños examinados que se producen en un tiempo determinado. 1.3. Hipótesis Los tres inhibidores de corrosión actúan de manera efectiva contra la corrosión del acero de refuerzo, sin embargo, el inhibidor de tipo inorgánico ofrece mayor protección para la durabilidad de las estructuras de concreto armado en comparación a los otros dos inhibidores de corrosión orgánicos evaluados, de acuerdo a la mayor cantidad de estudios realizados anteriormente. 1.4. Organización del documento En el Capítulo II se describen los aspectos fundamentales de la durabilidad del concreto y se analizan los factores que intervienen en su desempeño y que determinan el comportamiento de las estructuras durante su vida útil. 4 En el Capítulo III se describe la naturaleza porosa y alcalina del concreto y el estado pasivo del acero de refuerzo embebido en concreto. En base a ello, se explica la naturaleza electroquímica de la corrosión y la alternativa de adición de inhibidores de corrosión para proteger el acero. En el Capítulo IV se detallan los materiales que se utilizaron en el desarrollo experimental del proyecto de investigación, precisando sus especificaciones técnicas y sus características físicas y químicas evaluadas mediante determinados ensayos normalizados. En el Capítulo V se describe la metodología aplicada en el desarrollo experimental de la investigación, el cual se divide en 6 etapas: Planificación, Etapa preliminar, Muestreo de las mezclas de concreto, Mediciones Electroquímicas e Inspección de barras de acero de refuerzo. En el Capítulo VI se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco y en estado endurecido. Asimismo, se muestran las mediciones electroquímicas obtenidas y las tablas que resumen la inspección visual realizada. En el Capítulo VII se realiza la interpretación y evaluación de los resultados presentados en el Capítulo VI, conforme al marco teórico, para explicar los objetivos planteados. En el Capítulo VIII se finaliza el presente trabajo de investigación con las conclusiones y recomendaciones. 5 Capítulo II. Aspectos fundamentales de la durabilidad Actualmente, el concreto armado es el sistema constructivo más utilizado a nivel mundial, debido a sus propiedades que hoy en día son fundamentales para cualquier tipo de edificación e infraestructura. Una de ellas es la durabilidad, que permite a las estructuras de concreto armado cumplir con la función para la cual están diseñadas con un grado razonable de seguridad, de manera que tengan un comportamiento adecuado en las condiciones normales de servicio durante su vida útil. Sin embargo, debido a diversos factores internos y externos, se originan patologías que dañan principalmente la interacción acero-concreto de este sistema constructivo, por lo que su durabilidad se ve afectada. En base a ello, en este capítulo se analizan los factores que intervienen en el desempeño de la durabilidad y que, por tanto, determinan el comportamiento de las estructuras durante su vida útil. 2.1 Durabilidad del concreto reforzado En los últimos años, el término “durabilidad” ha ido cobrando cada vez más importancia en el sector de la construcción debido al deterioro prematuro de las estructuras de concreto reforzado y a las sumas millonarias que significan su mantenimiento o la reconstrucción de las mismas. Por ello, una de las medidas adoptadas contra esta problemática ha sido incluir normas que garanticen la calidad de los materiales empleados en la construcción para optimizar su uso y así obtener estructuras con mayor durabilidad. Sin embargo, muchas de estas estructuras se encuentran expuestas a ambientes muy agresivos, lo que genera que su durabilidad se vea afectada, disminuyendo el tiempo de vida útil para la cual fueron diseñadas. Bertolini, Elsener, Pedeferri y Podler (2004) [25] proponen una definición para este concepto de vida útil de una estructura como el periodo en el que conserva los requisitos del proyecto sobre seguridad, funcionalidad y estética, sin costos inesperados de mantenimiento. 6 Según Portland Cement Association (2004) [32], la durabilidad del concreto reforzado es la capacidad que tiene para resistir la acción del ambiente, el ataque químico y la abrasión, manteniendo sus propiedades de ingeniería. Sin embargo, Muñoz y Mendoza (2012) [38] destacan que la durabilidad, además de representar la capacidad de las estructuras para conservar inalteradas sus condiciones físicas y químicas durante su vida útil, también comprende la degradación de sus materiales por diferentes efectos de cargas y solicitaciones a las que se encuentran sometidas, pero para las cuales fueron previstas en su diseño estructural. En consecuencia, la normativa española sobre cálculo y seguridad en estructuras de concreto reforzado -Instrucción de Hormigón Estructural (EHE, 2008) [35]- ha incluido el concepto de Estado Límite de Durabilidad en el diseño estructural de toda edificación e infraestructura, además del Estado Límite Último y del Estado Límite de Servicio ya establecidos anteriormente. Esto con la finalidad de considerar todas las posibles situaciones en las que, de ser superadas, la estructura no pueda cumplir alguna de sus funciones para las que ha sido proyectada. El Estado Límite de Durabilidad consiste en garantizar que la degradación de las características del concreto reforzado debido a acciones físicas y químicas, diferentes a las cargas y acciones del análisis estructural, se desarrolle bajo límites aceptables para seguir considerando a la estructura ‘durable’. Para ello, la norma establece identificar el tipo de ambiente en el que las estructuras se encontrarán expuestas y determinar a partir de él, la agresividad a la que serán sometidas. Una vez reconocidos los agentes agresivos, se adoptan medidas de protección para extender el tiempo en el que alcancen a producir una degradación significativa en el concreto reforzado, y en base a este valor se define los años de vida útil de la estructura. Asimismo, para que el diseño de vida útil por cargas y por durabilidad conjuntamente proyecte estructuras con una relación de costo/beneficio rentable, la vida útil nominal de las mismas no puede ser inferior a lo indicado en la Tabla 1, según la recomendación presentada en la EHE-08 [35]. 7 Tabla 1 Vida útil nominal de los diferentes tipos de estructura Tipo de estructura Vida útil nominal  Estructuras de carácter temporal Entre 3 y 10 años  Elementos reemplazables que no forman parte de la estructura principal (por ejemplo, barandillas, apoyos de tuberías) Entre 10 y 25 años  Edificios (o instalaciones) agrícolas o industriales y obras marítimas Entre 15 y 50 años  Edificios de viviendas u oficinas, puentes u obras de paso de longitud total inferior a 10 metros y estructuras de ingeniería civil (excepto obras marítimas) de repercusión económica baja o media 50 años  Edificios de carácter monumental o de importancia especial 100 años  Puentes de longitud total igual o superior a 10 metros y otras estructuras de ingeniería civil de repercusión económica alta 100 años Nota. Tomado de “La durabilidad en las estructuras de concreto reforzado desde la perspectiva en la norma española para estructuras de concreto,” por F. Muñoz y C. J. Mendoza, 2012, Concreto y Cemento. Investigación y Desarrollo, 4, p. 63 [38]. Pese a estas exigencias en la etapa de diseño para garantizar la durabilidad, el desempeño real de una estructura construida no resulta igual al desempeño proyectado de la misma, pues la calidad del concreto reforzado depende de diversos factores como las características y variabilidad de cada uno de sus componentes, la interacción entre los mismos, y los métodos de dosificación, mezclado, transporte, colocación, compactación y curado del concreto (PCA, 2004) [32]. Esto es uno de los problemas potenciales en la determinación directa de la durabilidad, pues está sujeta a la influencia de numerosas variables que hace que el concreto reforzado sea un sistema constructivo heterogéneo y anisotrópico. Por ello, para garantizar que la durabilidad de una 8 estructura se mantenga dentro de un rango aceptable y de acuerdo a su diseño, es preciso establecer un determinado nivel de control de calidad en actividades como: (a) control de las materias primas del concreto (cemento, agregados, agua y aditivos químicos), (b) diseño de la mezcla, (c) control del concreto en estado fresco y endurecido y, (d) control de los procesos de mezcla, transporte, colocación, compactación y curado (Vidaud E. & Vidaud I., 2014) [50]. Si bien es cierto que el diseño por durabilidad implica un alto grado de complejidad y un costo inicial mayor con respecto al diseño por resistencia mecánica, el concreto que resulta a partir de él es resistente y ‘durable’, resultando económico a comparación del concreto ‘barato’ que puede ser resistente antes sus solicitaciones de carga, pero ‘no durable’ a largo plazo e incluso costoso por el mantenimiento requerido en el futuro. Esto se resume en la Figura 1, a partir de la cual se observa que el costo por no considerar la durabilidad es mayor al que se invierte si se le considera, pues un buen diseño que toma en cuenta los riesgos del ambiente no es más caro que el diseño que los ignora (Taylor, 2002) [46]. Figura 1. Comparación inversión vs tiempo entre una estructura ‘durable’ y ‘no durable’ Adaptado de Durabilidad e infraestructura: retos e impacto socioeconómico, por O. Hernández & C. J. Mendoza, 2005, México D.C., México [30]. A Ñ O T - 0 A Ñ O T - 1 A Ñ O T - 2 A Ñ O T - N IN V E R S IÓ N [ $ ] VIDA ÚTIL [AÑOS] INVERSIÓN VS VIDA ÚTIL Estructura 'durable' Estructura 'no durable' Costos de mantenimiento C os to In ic ia l 9 2.2 Factores externos que afectan la durabilidad del concreto La durabilidad del concreto reforzado está sujeta a la influencia de numerosas variables que pueden ser clasificadas en dos categorías: agentes externos, los cuales se encuentran en el medio ambiente o se deben a condiciones de servicio; y agentes internos, que varían en función de la calidad del concreto reforzado (Hernández & Mendoza, 2005) [30]. Sin embargo, la magnitud del daño producido en el concreto resulta del efecto combinado entre el ataque del agente activo al que se encuentra expuesto y la calidad del concreto que determina su grado de protección frente a él. A continuación, se detallan los principales agentes externos que afectan la durabilidad del concreto reforzado: a. Ciclos de hielo-deshielo Este es el factor de intemperismo potencialmente más destructivo, debido al congelamiento del agua al interior del concreto expuesto a temperaturas bajas que disminuyen por debajo de cero (Páez, Leal, & Restrepo, 2009) [40]. El congelamiento del agua produce presiones osmótica e hidráulica en las capilaridades y poros de la pasta de cemento y en el agregado que, al superar su resistencia a tracción, la cavidad se dilata y se rompe. Este deterioro es visible en forma de fisuras, descascaramiento y desmoronamiento (PCA, 2004) [32]. b. Carbonatación Proceso por el cual el CO2 penetra en el concreto y reacciona con los hidróxidos, tales como los hidróxidos de calcio para formar carbonatos (Verbeck, 1958) [49]. El deterioro se origina principalmente por la caída abrupta del pH alcalino de la solución-poro del concreto, el cual es necesario para la protección de los refuerzos contra la corrosión. Asimismo, la carbonatación puede ocasionar aumentos en los esfuerzos de tracción y compresión de las zonas afectadas, provocando microfisuración en la estructura interna del concreto armado (PCA, 2004) [32]. 10 c. Corrosión La corrosión en las estructuras de concreto armado se produce debido a la presencia de iones de cloruros que penetran y destruyen la película de pasivación que protege al acero de refuerzo generada por el ambiente de pH alto en el concreto (Beauperthuy & Scannone, 2005) [44]. El deterioro a causa de este agente externo se debe principalmente a la pérdida de sección del acero de refuerzo que afecta directamente la adherencia acero-concreto, lo que ocasiona la disminución de la capacidad resistente de la estructura ante distintas solicitaciones. d. Ataque por sulfatos La presencia de sulfatos en el suelo y en el agua puede atacar y destruir estructuras de concreto armado, debido a las reacciones que desencadenan con los compuestos hidratados de la pasta de cemento. El daño se genera como consecuencia de las presiones que estas reacciones originan, pues provocan un incremento en el volumen de sólidos y por tanto la fractura de la pasta de cemento, ocasionando la desintegración del concreto debido a la pérdida de cohesión y a la disminución de su resistencia (Garzón, 2013) [27]. Sin embargo, el grado de deterioro que estos agentes externos y otros causan en el concreto reforzado, afectando su durabilidad, depende del nivel de protección que le proporcione la calidad de su estructura interna, la cual obedece a la influencia de distintos factores. 2.3 Factores internos que determinan la calidad del concreto Si bien no se puede limitar factores medioambientales a los que se encuentran expuestas las estructuras, es posible garantizar su protección a través de la calidad del concreto, pues un monitoreo continuo en cada una de las etapas que conforman su obtención y colocación hace posible la disminución del grado de deterioro que estos agentes externos puedan causar a la durabilidad del concreto reforzado. Por ello, el control de calidad es imprescindible durante la evaluación de los materiales, el diseño de la mezcla de concreto y el procedimiento constructivo: 11 a. Selección de materiales El concreto es un material que se obtiene de la mezcla de cemento, agua, agregados y aditivos químicos, por lo que es necesario evaluar la calidad de cada uno de estos componentes y su interrelación, ya que son en primera instancia los determinantes del comportamiento de la estructura. En consecuencia, una óptima selección de materiales se realiza en base a las características físicas y químicas obtenidas mediante ensayos normalizados para controlar que puedan trabajar eficientemente de manera conjunta en la estructura que se desee. Además, es importante considerar que el costo de los componentes de un buen concreto no se diferencia del costo de los mismos componentes de un concreto pobre (Hernández & Mendoza, 2005) [30]. En la Figura 2, se esquematiza las proporciones típicas en volumen absoluto de los componentes del concreto, de donde se puede observar que el cemento es el ingrediente activo que interviene en menor cantidad, pero la selección del tipo más adecuado resulta determinante para la durabilidad del concreto. Asimismo, los agregados, que ocupan hasta el 75% del volumen del concreto, deben cumplir los requisitos granulométricos establecidos por norma para garantizar adecuadas propiedades del concreto endurecido. De igual forma, la composición del agua y de los agregados deben ser evaluadas para verificar que el contenido de sustancias dañinas no exceda los límites especificados, pues esto permite prevenir el deterioro del concreto. Figura 2. Proporción de los componentes del concreto en volumen absoluto Adaptado de Tópicos de tecnología del concreto en el Perú, por E. Pasquel, 1998, Lima, Perú [41]. Aire Cemento Agua Agregados 12 b. Diseño de la mezcla de concreto La etapa de diseño de la mezcla de concreto consiste en la obtención de un material que satisfaga de forma eficiente los requerimientos particulares de un determinado proyecto, pues para cada uno existen condicionantes ambientales, de diseño estructural, de materiales, mano de obra, equipo, etc., que necesariamente requieren una solución original en lo que se refiere al diseño de mezcla (Pasquel, 1998) [41]. El diseño de una mezcla no solo tiene como propósito alcanzar un valor específico de resistencia a compresión del concreto (f’c), sino también se enfoca en conseguir un adecuado comportamiento del concreto en estado plástico según los requerimientos particulares de cada estructura. Un control adecuado de las características del concreto en estado plástico, como su trabajabilidad y consistencia, permite prevenir el desarrollo de patologías en el concreto endurecido, pues de esta forma es posible optimizar su colocación y compactación evitando la presencia de futuras cangrejeras y fisuras por contracción plástica en la estructura. Uno de los parámetros básicos del diseño de mezclas de concreto es la relación agua/cemento, pues está ligado a una gran gama de sus propiedades, tanto en estado fresco como endurecido. Estos dos componentes interactúan de la siguiente manera: conforme más agua se adicione, aumenta la fluidez de la mezcla y, por tanto, su trabajabilidad y plasticidad, lo cual presenta grandes beneficios para su colocación; pero también comienza a disminuir la resistencia debido al mayor volumen de espacios creados por el agua libre (Guevara et al., 2012) [29]. En base a ello, una baja relación agua/cemento resulta fundamental para la durabilidad del concreto, pues incrementa su compacidad, por lo que tendrá menos cantidad de poros interconectados, reduciendo la capacidad de ingreso de agentes agresivos en la estructura que generen su deterioro. A continuación, en la Figura 3 se muestra la influencia de la relación agua/cemento en el revenimiento del concreto en estado fresco y en la resistencia a compresión alcanzada en estado endurecido, ambos términos relacionados directamente con la durabilidad del concreto reforzado. 13 Figura 3. Influencia de la relación w/c en la resistencia a compresión y en el revenimiento Adaptado de Efecto de variación agua/cemento en el concreto, por Guevara et al., 2012, Costa Rica [29]. c. Procedimientos constructivos Además del diseño de la mezcla de concreto, los procesos de mezclado, transporte, colocación, compactación y curado son factores que intervienen en la calidad del concreto, pues la adecuada ejecución de cada uno estos procedimientos contribuyen al desarrollo de las propiedades del concreto endurecido. Por ello, deben ser ejecutados por mano de obra calificada y en base a procedimientos normalizados, ya que esto garantiza el ahorro de costos por mantenimiento y reparaciones a largo plazo, haciendo posible el desempeño por durabilidad de la estructura de concreto reforzado. La compactación y el curado del concreto son los procesos más influyentes sobre las propiedades del concreto endurecido, pues mediante éstos, el concreto logra desarrollar mayor resistencia, impermeabilidad, resistencia a abrasión, estabilidad dimensional y resistencia a congelación-deshielo, propiedades que garantizan mayor durabilidad (PCA, 2004) [32]. La compactación se realiza con la finalidad de eliminar la concentración de piedras, agujeros y aire atrapado, por lo que previene la presencia de cangrejeras en la estructura, las cuales son puntos de 0 5 10 15 20 0 40 80 120 160 0.55 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 Resistencia a compresión (kg/cm2) Revenimiento (cm) 14 fácil acceso para los agentes externos hacia la estructura interna causando deterioro. Asimismo, el curado controla la pérdida de agua del concreto, evitando la retracción de las superficies y, por lo mismo, su fisuración por contracción plástica, patología que también promueve el ingreso de factores dañinos a la estructura. A continuación, en la Figura 4 se muestra el efecto del tiempo de curado húmedo sobre el desarrollo de la resistencia del concreto y, por ende, sobre su durabilidad. Figura 4. Efecto del tiempo de curado sobre el desarrollo de la resistencia del concreto Tomado de Flexure and Tension Tests of Plain Concrete (Ensayos de Flexión y Tensión del Concreto Simple) , por Gonnerman & Shuman, 1928, Illinois, EEUU [28]. Finalmente, además de ejecutar correctamente estos procedimientos constructivos, es fundamental una adecuada puesta en obra, asegurando la colocación de las armaduras respetando las distancias mínimas de recubrimiento para garantizar la protección de la armadura. Es por ello que existen normas internacionales donde se especifican espesores adecuados de acuerdo a la agresividad del ambiente, debido a la importancia del recubrimiento en la durabilidad del concreto reforzado (CYTED, 1997) [48]. 15 Capítulo III. Corrosión del acero de refuerzo La importancia del acero de refuerzo en una estructura de concreto armado radica en su capacidad de conferir propiedades mecánicas como la resistencia a tracción y a flexión, mientras que el concreto aporta resistencia a la compresión e inercia química, proporcionando en conjunto seguridad estática y durabilidad. Muchas veces, el comportamiento de una estructura se ve afectado por la corrosión, que es un fenómeno común que causa el deterioro prematuro de los refuerzos. Sin embargo, las estructuras de concreto provenientes de buenos procesos de fabricación y de buena calidad proporcionan una excelente vida de servicio al acero embebido, con un riesgo de corrosión mínimo debido al nivel aceptable de protección química y física que le provee el concreto bajo condiciones ambientales específicas (Pradhan y Bhattacharjee, 2009) [43]. 3.1 Naturaleza porosa y alcalina del concreto La estructura del concreto endurecido consta de dos fases, pasta de cemento y agregados, sin embargo, la fase con mayor importancia desde el punto de vista electroquímico es la pasta de cemento (estructura porosa), pues los agregados son considerados impermeables y con una resistividad infinita, por lo que no son conductores, a diferencia de la pasta de cemento donde sí ocurren procesos de transporte de carga y de masa (Peña, Estupiñán, Vásquez, & Mejía, 2011) [42]. En la Figura 5 se observa la distribución del tamaño de poros en el concreto, clasificados en poros de gel que se originan a partir del crecimiento del gel C-S-H, poros capilares, y huecos que se forman debido a la mala compactación del concreto (Kitowski & Wheat, 1997) [31]. Los poros más importantes para efecto de la corrosión son los poros capilares, pues forman una red de poros interconectados entre sí (ver Figura 6), lo que facilita procesos de transporte de carga y de masa de agentes externos. La formación de este tipo de poros depende de la relación w/c del concreto, pues la estructura porosa se forma a partir de los espacios que deja el agua que no consigue hidratar las partículas de cemento y que posteriormente se evapora, ya que la relación 16 w/c necesaria para la hidratación total es solo 0.24 (Maruya, Hsu, Takeda, & Tangtermsirikul, 2003) [33]. Sin embargo, debido a la importancia y necesidad de ciertas propiedades del concreto en estado fresco, el rango de las dosificaciones comunes del concreto varía entre 0.50 y 0.70, quedando cantidad de agua extra que al evaporarse forma una red de poros (Pasquel, 1998) [41]. Figura 5. Distribución del tamaño de poros en el concreto Adaptado de El fenómeno de la corrosión en estructuras de concreto reforzado (Publicación Técnica No. 182), por Secretaria de Comunicaciones y Transportes, Instituto Mexicano del Transporte. (2001) [45]. Figura 6. Red de poros capilares en el concreto endurecido Tomado de Comportamiento Electroquímico del Acero Embebido del Concreto (Tesis de maestría), por Moreno, E. (2005), ESIQIE – IPN, México D.F., México [37]. 17 Si bien el concreto constituye, de forma inherente, una estructura porosa que posibilita el ingreso de agentes externos, constituye también una protección para el acero de refuerzo, debido a su ambiente de pH alto que promueve la pasivación y formación de una película de protección de óxido sobre el acero, la cual retarda su corrosión. El ambiente alcalino de la red de poros del concreto endurecido se debe, principalmente, al hidróxido de calcio Ca(OH)2 (Portlandita) que se forma durante la hidratación de los silicatos del cemento (Melchers & Li, 2006) [34]: 3CaO.SiO2 + 3H2O → 3Ca2+ + 4OH- + H2SiO4 2- (1) Disolución del cemento al contacto con el agua H2SiO4 2- + Ca2+ + OH- + H2O → (CaO)x (SiO2)y (H2O)z (2) Gel C-S-H Ca2+ + 2OH- → Ca(OH)2 (3) Portlandita Después de estas reacciones, los álcalis solubles (sodio y potasio), propios de la composición química del cemento, quedan en solución en forma de hidróxidos, los cuales contribuyen también al pH alcalino de la fase acuosa contenida en los poros, colocándolo en el extremo más alcalino, valores entre 12 y 14, teniendo como resultado la formación de una capa pasiva que protege la superficie del acero embebido en el concreto (Moreno, 2005) [37]. 3.2 Pasividad del acero de refuerzo La pasividad del acero de refuerzo es atribuida a la formación de una película protectora sobre su superficie, la cual no detiene el proceso corrosivo, pero sí lo retarda, ya que disminuye la velocidad de corrosión. Esta película pasiva, compuesta por iones hidroxilo OH- adheridos naturalmente alrededor de la superficie del metal, actúa como una barrera entre el concreto y el acero de refuerzo, evitando la adhesión de moléculas de agua sobre la superficie del metal. Asimismo, estos iones hidroxilo OH- modifican la reacción anódica de corrosión, impidiendo la 18 liberación de iones ferrosos Fe2+ y formando productos de corrosión no solubles que protegen la superficie del acero (Almusallam, 2001) [2]: Feo → Fe2+ + 2e- Reacción de corrosión Feo + 2OH- → Fe(OH)2 + 2e- Reacción modificada Este hidróxido se adhiere a la superficie del acero, formando una capa pasiva inicial, que posteriormente se oxidará, transformándose en productos más estables, principalmente en magnetita Fe3O4 (capa pasiva interna) y maghemita γ-Fe2O3 (capa pasiva externa), los cuales mantienen protegido al acero de refuerzo (Moreno, 2005) [37]. Sin embargo, el ingreso de iones cloruro a través de la estructura porosa del concreto por difusión, puede inducir la ruptura localizada o uniforme de esta capa protectora y generar la corrosión del acero. Ello se produce cuando se acumula una cantidad crítica de Cl- en la superficie del acero, denominada “umbral de cloruros”, que varía en función de la calidad del concreto, de la humedad ambiental y del estado de carbonatación (ver Figura 7). Los iones Cl- desplazan a los iones OH- de la superficie del metal, principalmente en sitios positivos, causando la disolución localizada de la capa protectora y, por ende, cambiando el estado de corrosión de pasivo a activo. Figura 7. Contenido crítico de cloruros por peso de cemento Adaptado de Manual de Inspección de obras dañadas por corrosión de armaduras, por S. Feliú y C. Andrade, Consejo Superior de Investigaciones Metalúrgicas. (1989) [26]. 19 La Figura 8 resume la vida útil de la estructura frente al fenómeno de corrosión, y se puede dividir el tiempo de vida útil en dos periodos: iniciación y propagación. El periodo de iniciación es el tiempo que tardan los cloruros en llegar hasta el acero de refuerzo y cambiar su estado de corrosión de pasivo a activo; y el periodo de propagación es el tiempo en el que el acero se corroe libremente hasta que llega a un grado de deterioro inaceptable de seguridad y funcionalidad; a partir de este punto, la estructura ingresa a su vida residual (Bertolini et al., 2004) [25]. Figura 8. Iniciación y propagación de corrosión en una estructura – Modelo de Tuutti Adaptado de Corrosion of Steel in Concrete, por L. Bertolini, B. Elsener, P. Pedeferri y R. Polder, Alemania [25] 3.3 Corrosión del acero de refuerzo Según la ISO 8044-20 [39], la corrosión es la interacción fisicoquímica, generalmente de naturaleza electroquímica, entre un metal y su entorno, que produce modificaciones en las propiedades del metal, y que puede conducir a una degradación significativa de la función del metal, del medio (entorno), o del sistema del que ambos forman parte. En el concreto reforzado, sistema que está compuesto por barras de acero corrugado embebidas en concreto, la corrosión se produce en medio acuoso, degradando este sistema mediante procesos de naturaleza electroquímica, debido a la formación de una celda electroquímica donde se produce transferencia de carga a partir de dos semi-reacciones químicas (ver Figura 9). 20 Figura 9. Celda electroquímica de la corrosión en medio alcalino Tomado de Comportamiento Electroquímico del Acero Embebido del Concreto (Tesis de maestría), por Moreno, E. (2005), ESIQIE – IPN, México D.F., México [37] Una celda electroquímica es un sistema que está conformado por dos electrodos: el ánodo, en el que se lleva a cabo la oxidación; y el cátodo, donde se efectúa la reducción. En el concreto armado, la energía que se transfiere en forma de electrones del ánodo al cátodo se produce a través de la misma barra de acero, debido a que se forman sitios energéticamente desiguales en la superficie metálica por la existencia de heterogeneidades en la interfase entre el conductor eléctrico (acero de refuerzo) y el conductor iónico (solución poro del concreto) (Bertolini et al., 2004) [25]. Para que este movimiento de electrones se produzca es necesaria la presencia simultánea de oxígeno y humedad en el concreto, porque cuando la humedad relativa del ambiente es muy baja, el concreto se seca, dejando de comportarse como electrolito y medio de transporte de iones cloruro. Por otro lado, la presencia de oxígeno es necesaria para las reacciones catódicas, siendo su concentración en el concreto una variable en función de la saturación de los poros, pues al ser un gas que penetra el concreto por difusión, se difunde más rápidamente a través de poros abiertos que a través de poros saturados de agua. De acuerdo a lo anterior, siempre y cuando se den todas estas condiciones, se producirá el fenómeno de corrosión. Como resultado de este proceso de naturaleza electroquímica, se produce la siguiente reacción anódica como una reacción de corrosión: 21 Feo → Fe2+ + 2e- Reacción de corrosión Estos iones producidos pasan directamente a la solución como especies solubles, dejando de contribuir con el crecimiento de la capa pasiva, lo que ocasiona su disolución y su cambio a estado activo de corrosión. Esta pérdida de protección a causa de la disolución de la capa pasiva, significa un aumento exponencial de la velocidad de corrosión, debido al aumento de la concentración de estos iones solubles de Fe en la solución poro del concreto que, al llegar a su punto de saturación, forman precipitados (productos de corrosión) que se acumulan alrededor del acero de refuerzo. Estos productos de corrosión ejercen altas presiones al interior del concreto, causando la formación de fisuras y fracturas en la zona de la interfase. El deterioro por corrosión se debe a dos acciones simultáneas que dañan la interacción acero-concreto: la acumulación de productos de corrosión en la superficie de la barra de acero y la reducción de su diámetro. Las consecuencias hasta alcanzar el estado mínimamente aceptable de la estructura, se centran además del daño a su capacidad de servicio o su condición externa, también en su desempeño estructural (ver Figura 10) y, por tanto, en su seguridad. Figura 10. Consecuencias estructurales de la corrosión en estructuras de concreto armado Adaptado de Corrosion of Steel in Concrete, por L. Bertolini, B. Elsener, P. Pedeferri y R. Polder, Alemania [25] 22 3.4 Inhibidores de corrosión En base a lo descrito en el Capítulo 2, el concreto reforzado ha demostrado ser un sistema constructivo excelente en términos de desempeño estructural y durabilidad, siempre y cuando su diseño y la calidad del concreto sean considerados adecuadamente. Sin embargo, muchas estructuras están expuestas a entornos muy agresivos, en los cuales es necesario aplicar medidas de protección adicionales, como el uso de inhibidores de corrosión, los cuales son compuestos químicos agregados como aditivos al concreto fresco, con el objetivo de garantizar la durabilidad de las estructuras de concreto reforzado. Según la Asociación Española de Ingeniería Estructural (ACHE, 2010) [3], los aditivos inhibidores de corrosión pueden clasificarse según su mecanismo de acción: (a) Inhibidores anódicos: actúan sobre la reacción anódica del proceso de corrosión, favoreciendo la formación de una película pasivadora. Debido a sus propiedades oxidantes, este tipo de inhibidores estabilizan la película pasiva mediante su capacidad de oxidar iones ferrosos (Fe2+) a iones férricos (Fe3+) poco solubles. Entre ellos destacan los nitritos, nitratos y cromatos. (b) Inhibidores catódicos: actúan sobre la reacción catódica. Se incluyen en este punto las sales de zinc y magnesio. (c) Inhibidores de adsorción: son compuestos orgánicos polares capaces de adsorberse sobre la superficie del metal a proteger, especialmente en zonas catódicas. Se pueden destacar las aminas, aminoalcoholes y aminocarboxilatos. En la Tabla 2, se resumen los principales tipos de aditivos inhibidores de corrosión de los refuerzos embebidos en concreto, con sus limitaciones y eficacia inhibidora. 23 Tabla 2 Clasificación de los aditivos inhibidores de corrosión Clasificación Limitaciones Eficacia inhibidora Anódicos Riesgo de localizar la corrosión si la cantidad es insuficiente Alta. Tomado como referencia. Catódicos Limitada solubilidad en agua y medio alcalino Buena. Mejora cuando se emplea junto con nitritos. De adsorción Limitada solubilidad en agua Alta, al actuar sobre ambas reacciones. Nota. Tomado de “Manual de tecnología de aditivos para hormigón,” de ACHE, 2010, Aditivos inhibidores de hormigón, 16, p. 113 [3]. La eficacia de los aditivos inhibidores de corrosión se puede evaluar mediante técnicas electroquímicas, a partir de distintos métodos de ensayos no destructivos y destructivos. Entre los ensayos no destructivos, las técnicas electroquímicas más comunes son la medición del potencial de corrosión y la estimación de la velocidad de corrosión. A. Medición de potencial de corrosión Esta técnica electroquímica proporciona información cualitativa sobre el riesgo de corrosión, mediante la cual se puede establecer límites para los que la probabilidad de corrosión es elevada. La interpretación de las medidas del potencial de corrosión se suele hacer calificando el riesgo según el criterio establecido por la norma ASTM C876-15 [19] (ver Tabla 3): Tabla 3 Interpretación de mediciones de potencial Potencial de corrosión, Ecorr (mV vs CSE) Riesgo de corrosión E > -200 < 10% -200 > E > -350 Incierto E < -350 > 90% Nota. Adaptado de ASTM C876-15 “Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete” [19]. 24 Debido a que la acción inhibidora afecta al potencial del acero de refuerzo, el desplazamiento del potencial de corrosión como consecuencia de la presencia de un inhibidor de corrosión, puede ayudar a conocer el mecanismo de acción del inhibidor. El desplazamiento hacia potenciales más negativos puede sugerir que el inhibidor se deposita y actúa selectivamente en los sitios catódicos, mientras que un desplazamiento hacia potenciales más positivos estaría indicando la actuación del inhibidor sobre los sitios anódicos del acero (Bertolini et al., 2004) [25]. B. Estimación de la velocidad de corrosión Esta técnica electroquímica proporciona información cuantitativa sobre la velocidad o intensidad de corrosión (icorr) de la pérdida del metal por unidad de superficie y tiempo. Las unidades básicas son g/cm2.día, aunque la forma de definirla electroquímicamente es en µA/cm2 o, transformando este dato a partir de la densidad del metal, en unidades de penetración (mm/año). En las recomendaciones del comité RILEM TC 154-ECR [47] se establecen los criterios indicados en la Tabla 4 para estimar el nivel de corrosión de una estructura. Tabla 4 Criterios para estimar el nivel de corrosión Intensidad de corrosión icorr (µA/cm2) Velocidad de corrosión Vcorr (mm/año) Nivel de corrosión ≤ 0.1 ≤ 0.001 Despreciable 0.1 – 0.5 0.001 – 0.005 Bajo 0.5 – 1 0.005 – 0.010 Moderado > 1.0 > 0.010 Alto Adaptado de “Recommendation on polarization resistance measurements”, Materials and Structures, in press (RILEM TC 154- ECR),” de The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures [47]. 25 Capítulo IV. Materiales En el presente capítulo, se describe la composición de los insumos utilizados en la preparación de las diferentes mezclas de concreto, cuyos diseños difieren en función a dos variables: cantidad de cloruro de sodio y tipo de aditivo inhibidor de corrosión. Asimismo, se detallan los materiales utilizados en el armado de las probetas: barras de acero corrugado y barras de acero inoxidable; así como la pintura epóxica usada en la adaptación de las barras de acero corrugado para las mediciones del proceso corrosivo, y el desmoldante aplicado en los encofrados. 4.1 Insumos para las mezclas de concreto Los insumos base utilizados en la preparación de las mezclas de concreto fueron: (a) agua, (b) cemento, (c) agregado grueso y (d) agregado fino. Con el propósito de reproducir el concreto utilizado actualmente en la construcción, se definió agregar un aditivo reductor de agua en todas las mezclas de concreto para garantizar una adecuada trabajabilidad que permita la compactación representativa de las muestras. Se adicionó también cloruro de sodio en las mezclas de concreto, con el objetivo de acelerar el proceso corrosivo de las barras de acero de refuerzo y evaluar la efectividad del mecanismo de acción de cada uno de los aditivos inhibidores de corrosión. 4.1.1 Agua Se verificó su composición en base al límite aceptable de cloruros establecido en la norma ASTM C1602M-18 [21], el cual se muestra en la Tabla 5, con el objetivo de controlar el contenido de cloruros en todas las mezclas de concreto, según los diseños realizados en la etapa preliminar. Tabla 5 Límites químicos para agua de mezcla Concentración máxima en agua de mezcla Límites Cloruro como Cl-, ppm 1 en concreto pretensado, cubiertas de puentes, o designado de otra manera 500 2 otro concreto armado en ambientes húmedos o que contenga incrustaciones de aluminio o metales diferentes o con formas de metal galvanizado de sujeción 1000 26 4.1.2 Cemento Se utilizó cemento Portland tipo I, el cual es de uso común y general para las estructuras de concreto armado. En el diseño de las mezclas de concreto, se consideró el valor de 3.15 gr/cm3 para su peso específico, de acuerdo a lo especificado en su ficha técnica. Asimismo, se verificó el máximo contenido de cloruros, siendo igual a 0.02%, según la norma ASTM C150M-20 [14]. 4.1.3 Agregado grueso Para determinar las propiedades físicas y químicas del agregado grueso, se realizaron diversos ensayos estandarizados según las normas indicadas en la Tabla 6: Tabla 6 Normas utilizadas para propiedades físicas del agregado grueso Ensayo Norma Análisis granulométrico de agregado fino y grueso ASTM C136-19 [12] Peso específico y absorción del agregado grueso ASTM C127-15 [10] Peso unitario de los agregados ASTM C29M-17a [6] Humedad natural de los agregados ASTM C566-19 [18] Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 7, así como la gráfica de su curva granulométrica, en la Figura 11: Tabla 7 Resumen de características físicas del agregado grueso Agregado Grueso T.M.N. 1/2” M.F. 6.15 P.U. comp. [g/cm3] 1.61 P.U. suelto [g/cm3] 1.51 P.E. [g/cm3] 2.76 wa [%] 1.08 wo [%] 0.51 27 Figura 11. Curva granulométrica del agregado grueso Según la norma ASTM C33M-18 [8], la curva granulométrica del agregado grueso pertenece al huso 7, cumpliendo los requisitos prescritos para el número de tamaño especificado. Asimismo, se realizaron ensayos químicos al agregado grueso y se obtuvieron los siguientes resultados, indicados en la Tabla 8: Tabla 8 Resumen de características químicas del agregado grueso Componente [mg/kg], [ppm] Promedio [ppm] Cloruros 80.64 82.16 83.68 TSD 943.43 943.72 944.00 Sulfatos 289.83 289.91 290.00 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 CURVA GRANULOMÉTRICA % PA SA N TE A C U M U LA D O 7 6 .2 0 6 3 .5 0 5 0 .8 0 3 8 .1 0 2 5 .4 0 1 9 .0 5 1 2 .7 0 9 .5 2 5 4 .7 6 2 .3 8 1 .1 9 0 .5 9 0 .2 9 7 0 .1 4 9 0 .0 7 4 3 " 2 -1 /2 " 2 " 1 -1 /2 " 1 " 3 /4 " 1 /2 " 3 /8 " # 4 # 8 # 1 6 # 3 0 # 5 0 # 1 0 0 # 2 0 0 TAMICES STANDARD ASTM % R ETEN ID O A C U M U LA D O 28 4.1.4 Agregado fino Para determinar las propiedades físicas y químicas del agregado fino, se realizaron diversos ensayos estandarizados según las normas indicadas en la Tabla 9: Tabla 9 Normas utilizadas para propiedades físicas del agregado fino Ensayo Norma Análisis granulométrico de agregado fino y grueso ASTM C136-19 [12] Peso específico y absorción del agregado fino ASTM C128-15 [11] Peso unitario de los agregados ASTM C29M-17a [6] Humedad natural de los agregados ASTM C566-19 [18] Porcentaje que pasa la malla #200 en agregado fino ASTM C117-17 [9] Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 10, así como la gráfica de su curva granulométrica en la Figura 12: Tabla 10 Resumen de características físicas del agregado fino Agregado Fino T.M.N. #4 M.F. 2.63 P.U. comp. [g/cm3] 1.70 P.U. suelto [g/cm3] 1.53 P.E. [g/cm3] 2.54 wa [%] 1.41 wo [%] 0.64 P>#200 [%] 5.26 Según la norma ASTM C33M-18 [8], la curva granulométrica se ubica dentro de los límites establecidos del huso estándar, cumpliendo los requisitos de calificación para agregado fino. Al igual que para el agregado grueso, se realizaron ensayos químicos al agregado fino y se obtuvieron los siguientes resultados (ver Tabla 11): 29 Figura 12. Curva granulométrica del agregado fino Tabla 11 Resumen de características químicas del agregado fino Componente [mg/kg], [ppm] Promedio [ppm] Cloruros 149.42 146.91 144.39 TSD 1640.00 1593.08 1546.15 Sulfatos 466.67 491.58 516.49 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 CURVA GRANULOMÉTRICA % PA SA N TE A C U M U LA D O 7 6 .2 0 6 3 .5 0 5 0 .8 0 3 8 .1 0 2 5 .4 0 1 9 .0 5 1 2 .7 0 9 .5 2 5 4 .7 6 2 .3 8 1 .1 9 0 .5 9 0 .2 9 7 0 .1 4 9 0 .0 7 4 3 " 2 -1 /2 " 2 " 1 -1 /2 " 1 " 3 /4 " 1 /2 " 3 /8 " # 4 # 8 # 1 6 # 3 0 # 5 0 # 1 0 0 # 2 0 0 TAMICES STANDARD ASTM % R ETEN ID O A C U M U LA D O 30 4.1.5 Aditivos Reductor de agua Con la finalidad de reproducir el concreto utilizado actualmente en la construcción, se empleó un aditivo reductor de agua de alto rango para obtener un concreto rheoplástico que fluya fácilmente para realizar una compactación representativa de las muestras. Este aditivo cumple con la norma ASTM C494M-19 [16] para aditivos reductores de agua tipo A y aditivos reductores de agua de alto rango tipo F, lo que garantiza una adecuada trabajabilidad de las mezclas. Asimismo, se optó por trabajar con un aditivo que no contenga cloruros, verificándose que su composición no incluya cloruro de calcio ni algún ingrediente a base de cloruros, esto para eliminar variables que influyan en el proceso corrosivo. El peso específico de este aditivo y la dosis aplicada en las mezclas de concreto se muestran a continuación en la Tabla 12: Tabla 12 Resumen de las características del aditivo reductor de agua P.E. Rango de dosis recomendado Dosis aplicada Reductor de agua 1.18 6.5-16 ml/kg de cemento 6.5 ml/kg de cemento Inhibidor de corrosión En el desarrollo experimental, se evaluaron tres aditivos inhibidores de corrosión: uno de tipo inorgánico -con base de nitrito de calcio- y dos de tipo orgánico –con base de aminas-. La principal aplicación de cada uno de estos aditivos, según sus fichas técnicas, es proteger el acero de refuerzo en concretos convencionales que serán expuestos a cloruros o en elementos de concreto donde se añadan cloruros inicialmente a la mezcla de concreto. Asimismo, el método de aplicación de estos aditivos admite su combinación con otros aditivos, por lo que, para esta investigación, los inhibidores de corrosión se utilizaron en conjunto con el aditivo reductor de agua descrito anteriormente. A continuación, se resumen las especificaciones en la Tabla 13: 31 Tabla 13 Resumen de características de los aditivos inhibidores de corrosión Inhibidor Base química Clasificación Dosis recomendada Dosis aplicada A – Inorgánico Nitrito de calcio Anódico 7 kg/m3 concreto 7 kg/m3 concreto B – Orgánico Aminoetanol De adsorción 5 L/m3 concreto 5 L/m3 concreto C – Orgánico Aminoalcohol De adsorción 8-10 L/m3 concreto 9 L/m3 concreto 4.1.6 Cloruro de sodio Para la evaluación del comportamiento de los tres inhibidores de corrosión detallados anteriormente, se diseñaron mezclas de concreto que incluyan cloruro de sodio como un insumo adicional para acelerar el proceso corrosivo de las barras de acero de refuerzo y evaluar la efectividad del mecanismo de acción de cada uno de los inhibidores de corrosión. A partir de la norma ASTM D632-12 [22], se verificó el cumplimiento del requisito de composición química indicada a continuación en la Tabla 14: Tabla 14 Requisito de composición química del cloruro de sodio Pureza mínima ASTM D632 Pureza de muestra Resultado Cloruro de sodio 95.00% 99.23% Cumple Asimismo, las especificaciones técnicas de este insumo se detallan en la Tabla 15, como también las dosis aplicadas para el diseño de las mezclas de concreto: Tabla 15 Resumen de las especificaciones técnicas del cloruro de sodio Fórmula Densidad Dosis aplicadas Cloruro de sodio [NaCl] 1.35 g/cm3 0.5% por peso de cemento 1.5% por peso de cemento 2.5% por peso de cemento 32 4.2 Elementos para la preparación de testigos 4.2.1 Barras de acero inoxidable Se utilizaron barras de acero inoxidable de diámetro igual a 3/8”, cuya composición química (ver Tabla 16) cumple con los requisitos del tipo AISI 316, según lo especificado en la norma ASTM A240M-20 [5]. Se eligió trabajar con este tipo de acero inoxidable, pues al incorporar molibdeno en su composición, su resistencia a la corrosión es mayor, lo cual permite su comportamiento como contraelectrodo o electrodo auxiliar en una celda de corrosión. Tabla 16 Composición química de las barras de acero inoxidable AISI 316 Elementos Requisitos Químicos (%) Carbono [C] ≤ 0.080 Manganeso [Mn] ≤ 2.000 Fósforo [P] ≤ 0.045 Azufre [S] ≤ 0.030 Silicio [Si] ≤ 0.750 Cromo [Cr] 16.0 – 18.0 Níquel [Ni] 10.0 – 14.0 Molibdeno [Mo] 2.00 – 3.00 Nitrógeno [N] 0.10 Nota. Tomado de ASTM A240M-20 “Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications” [5]. 4.2.2 Barras de acero corrugado Las barras expuestas al proceso corrosivo son barras de acero de diámetro igual a 3/8”, con resaltes Hi-bond de alta adherencia al concreto, las cuales son usadas en construcción como refuerzo. Según la ASTM A36M-19 [4], estas barras cumplen con las especificaciones del acero estructural Grado 60, siendo su composición química la que se detalla en la Tabla 17: 33 Tabla 17 Composición química de las barras de acero corrugado Elementos Requisitos Químicos (%) Carbono [C] ≤ 0.26 Fósforo [P] ≤ 0.04 Silicio [Si] ≤ 0.40 Cobre [Cu] ≥ 0.20 Nota. Tomado de ASTM A36M-19 “Standard Specification for Carbon Structural Steel” [4]. 4.2.3 Esmalte epóxico La pintura aplicada en las barras de acero es un esmalte epóxico que provee alta resistencia química a la corrosión, con la cual se delimitó la sección expuesta de las barras a la presencia de cloruros en las mezclas de concreto para uniformizar las mediciones electroquímicas. Se verificó el cumplimiento de las características del epóxico con la ASTM C881M-20a [20] para la clasificación correspondiente exigida por los ensayos electroquímicos (ver Tabla 18): Tabla 18 Características técnicas del esmalte epóxico Clasificación ASTM C881 Tipo IV Para uso en concreto y otros materiales Grado 3 Consistencia antideslizante Clase E Para uso entre 15 y 30 °C 4.3 Materiales para la fabricación de probetas 4.3.1 Desmoldante Se empleó un desmoldante tipo barniz que forma una película muy resistente que evita la adherencia del concreto al encofrado de melamina. Para la preparación de este material se diluyó el desmoldante en relación de 1:3 con su solvente y se aplicó sobre el encofrado dejando una película lisa y uniforme. Este material se empleó con la finalidad de uniformizar la calidad del acabado de las probetas de concreto armado y controlar el ingreso de agentes externos para estandarizar sus condiciones de exposición. 34 Capítulo V. Metodología En el presente capítulo, se describe la parte experimental de esta investigación, la cual se diseñó a partir del estado de conocimiento en técnicas electroquímicas para la evaluación del acero de refuerzo expuesto a un proceso corrosivo: medición de potenciales y estimación de la velocidad de corrosión, ambas técnicas de inspección no destructivas. La metodología de la investigación se dividió en las siguientes etapas: Etapa 1: Planificación Etapa 2: Etapa preliminar Etapa 3: Muestreo de las mezclas de concreto Etapa 4: Mediciones electroquímicas Etapa 5: Inspección de barras de acero de refuerzo 5.1 Etapa 1: Planificación 5.1.1 Esquematización de probetas Se esquematizaron dos tipos de probetas de concreto: cilíndricas (ver Figura 13), para evaluación de la resistencia a compresión del concreto; y prismáticas (ver Figura 14), para la evaluación del deterioro por corrosión mediante técnicas electroquímicas. A continuación, se detallan los parámetros de diseño por cada tipo de probeta (ver Tabla 19 y Tabla 20): Tabla 19 Parámetros para probetas cilíndricas Parámetros – Probeta Cilíndrica Forma Cilíndrica ASTM C31M-19a [7] Dimensiones 4” x 8” ASTM C31M-19a [7] N° muestras / mezcla 3 probetas ASTM C31M-19a [7] Moldeo de probetas (compactación) N° capas = 2 ASTM C192M-19 [15] N° varillas por capa = 25 N° golpes por capa = 10-15 35 Figura 13. Probeta cilíndrica de concreto para ensayos de resistencia a compresión Tabla 20 Parámetros de diseño para probetas prismáticas Parámetros de diseño – Probeta Prismática Forma Prismática ASTM G109-07 [23] Dimensiones 4” x 4” x 8” ASTM C31M-19a [7] N° muestras / mezcla 5 probetas --- Moldeo de probetas (compactación) N° capas = 2 ASTM C192M-19 [15] N° varillas por capa = 32 N° golpes por capa = 10-15 Recubrimiento de barras de acero 2.5 cm NTE E.060-09 [36] Longitud expuesta de barras de acero (sin recubrimiento epóxico) 5” --- Figura 14. Probeta prismática de concreto reforzado para mediciones electroquímicas 5” 36 5.1.2 Planificación de mezclas de concreto Se planificó la preparación de 13 diferentes mezclas de concreto en total, partiendo de una mezcla comúnmente empleada en obras de edificaciones e infraestructuras, con las siguientes características:  01 mezcla de concreto denominada “Mezcla Original – MO”, con relación w/c igual a 0.60 y con aditivo reductor de agua. A partir de esta mezcla, se diseñaron otras nueve mezclas de concreto, añadiendo a esta composición original, un tipo de aditivo inhibidor de corrosión y una determinada concentración de cloruro de sodio que acelere el proceso corrosivo de las barras de acero. Las especificaciones consideradas para el diseño de estas mezclas de concreto se muestran en la Tabla 21. Tabla 21 Especificaciones para diseño de mezclas de concreto Diseños de mezclas de concreto Relación w/c 0.60 Aditivo reductor de agua 6.5 - 16 ml/kg cemento Aditivos inhibidor de corrosión Inhibidor A – 7 kg/m3 concreto Inhibidor B – 5 L/m3 concreto Inhibidor C – 9 L/m3 concreto Concentraciones de cloruro de sodio [NaCl] 0.5% 1.5% 2.5%  09 mezclas de concreto denominadas según el aditivo inhibidor de corrosión en su composición: “Mezclas A – MA”, “Mezclas B – MB” y “Mezclas C – MC”, diseñadas con relación w/c igual a 0.60, aditivo reductor de agua y determinada concentración de NaCl. Las tres mezclas restantes se diseñaron a partir de la “Mezcla Original - MO”, añadiendo a su composición únicamente cloruro de sodio, para obtener mezclas base de “MA”, “MB” y “MC”, sin un aditivo inhibidor de corrosión. 37  03 mezclas de concreto denominadas “Mezclas Patrón – MP” diseñadas con relación w/c igual a 0.60, aditivo reductor de agua y determinada concentración de cloruro de sodio, sin algún aditivo inhibidor de corrosión en su composición. La codificación de estas 13 mezclas de concreto se muestra en la Figura 15: Figura 15. Codificación de las 13 mezclas de concreto diseñadas 5.2 Etapa 2: Etapa preliminar 5.2.1 Ensayos de agregados Durante esta etapa, se ejecutaron ensayos para determinar las características físicas y granulométricas del agregado grueso y del agregado fino, a partir de las cuales se realizó el diseño teórico de las mezclas de concreto. Éstas son: (a) tamaño máximo nominal, (b) módulo de finura, (c) peso unitario, (d) peso específico, (e) humedad de absorción, (f) humedad natural, y (g) porcentaje que pasa la malla N° 200 -importante para el agregado fino-. Asimismo, se realizaron 38 ensayos químicos de contenido de cloruros, sales disueltas y sulfatos solubles en agua para ambos agregados, con la finalidad de verificar que este porcentaje no exceda los límites recomendados. Los agregados se ensayaron según los procedimientos dispuestos en las normas ASTM correspondientes, y los resultados obtenidos en esta primera etapa se presentaron en el Capítulo 4. Para revisar las tablas de cálculo, véase el Apéndice A. 5.2.2 Fabricación de moldes prismáticos De acuerdo a la Etapa 1, se diseñaron probetas prismáticas para la evaluación de la efectividad de los aditivos inhibidores de corrosión mediante técnicas electroquímicas. Este diseño se realizó en base a la norma ASTM G109-07 [23], la cual desarrolla un método de prueba para evaluar componentes destinados a inhibir la corrosión del acero embebido en el concreto debido a la presencia de cloruros. Para ello, establece la preparación de especímenes de prueba con las siguientes especificaciones (ver Figura 16): Figura 16. Modelo de espécimen de prueba - ASTM G109 Adaptado de ASTM G109-07 “Standard Test Method for Determining Effects of Chemical Admixtures on Corrosion of Embedded Steel Reinforcement in Concrete Exposed to Chloride Environments” [23]. En base a estas especificaciones, se diseñó una probeta similar de concreto (ver Figura 17), pero con las dimensiones de una probeta estándar de 4” de diámetro por 8” de altura, normalizada según la ASTM C31M-19a [7], que especifica el procedimiento de moldeo de los especímenes para ensayos de resistencia a compresión. Asimismo, se definió colocar dos barras de acero Vista Frontal Vista Lateral 39 corrugado (Electrodos de trabajo – ET) y una barra de acero inoxidable (Contraelectrodo o Electrodo auxiliar – CE), dispuestas según el modelo mostrado, con 2.5 cm de recubrimiento en todas las direcciones. Figura 17. Diseño de probeta prismática de concreto Encofrado Se utilizaron planchas de melanina de 1” de espesor ensambladas mediante tornillos, de forma que sus dimensiones interiores cumplan con las especificaciones de 4” ×4” ×8” (ver Figura 18). Para conseguir que las barras de acero permanezcan en su posición durante la colocación del concreto, se realizaron 3 perforaciones en cada una de las dos caras de menor sección: dos agujeros inferiores de 12 mm de diámetro y uno superior de 10 mm, por donde se introdujeron las barras de acero, quedando un recubrimiento de 2.5 cm en todas sus direcciones (ver Figura 19 y Figura 20). Figura 18. Sección transversal del encofrado para probetas prismáticas Vista Frontal Vista en Planta CE ET ET 40 Figura 19. Fabricación y ensamblaje del encofrado para probetas prismáticas Figura 20. Vista en planta del encofrado con barras de acero dispuestas según el diseño Preparación de las barras de acero Se inició con el corte de las barras de acero en longitudes de 14” y se limpió cada una con acetona industrial para eliminar cualquier impureza superficial (oxidación inicial) (ver Figura 21). Una vez limpias y secas, fueron recubiertas con pintura epóxica, dejando expuesta una longitud de 5”, a fin de delimitar y controlar el área sometida al proceso corrosivo (ver Figura 22). Figura 21. Barras de acero corrugado sin impurezas superficiales 41 Figura 22. Preparación de barras de acero corrugado con pintura epóxica en sus extremos 5.2.3 Diseño teórico de las mezclas de concreto El diseño teórico de las 13 mezclas de concreto se realizó siguiendo el método ACI, a partir de los resultados obtenidos en la etapa de ensayos de agregados (ver Tabla 22). Los criterios para la dosificación teórica se muestran a continuación: Tabla 22 Características físicas de los agregados Agregado T.M.(1) M.F. (2) Piedra 1/2" 6.15 Arena #4 2.63 (1) Tamaño Máximo Nominal (2) Módulo de Finura Según el ACI Committee 211.1-91 [1], el asentamiento de diseño (ver Tabla 23) se puede aumentar 2.5 cm (1 pulg.) para los métodos de consolidación manuales, tales como el varillado. Por ello, se delimitó el asentamiento de las mezclas de concreto en un rango de 10 a 15 cm (4 a 6 pulg.), para garantizar la trabajabilidad de todas las mezclas y, por tanto, la adecuada consolidación del concreto, debido a la congestión de barras de acero en las probetas prismáticas. 42 Tabla 23 Revenimientos recomendados para varios tipos de construcción Construcción de concreto Revenimiento cm (pulg.) Máximo Mínimo Zapatas y muros de cimentación reforzado 7.5 (3) 2.5 (1) Zapatas, cajones y muros de subestructuras sin refuerzo 7.5 (3) 2.5 (1) Vigas y muros reforzados 10 (4) 2.5 (1) Columnas reforzadas 10 (4) 2.5 (1) Pavimentos 7.5 (3) 2.5 (1) Concreto masivo 7.5 (3) 2.5 (1) Nota. Adaptado del ACI Committee 211.1-91 “Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete” [1]. A partir de la Tabla 24, se obtuvo la cantidad inicial de agua por m3 de concreto igual a 222 kg para todas las mezclas, sin embargo, esta cantidad se redujo en un 10% mediante la adición de un reductor de agua para garantizar una mejor resistencia a compresión del concreto, sin perjudicar la trabajabilidad del concreto. Tabla 24 Requisitos aproximados de agua de mezcla y contenido de aire Revenimiento (cm) Agua (kg/m3 de concreto) para los tamaños de agregado (“) 3/8” 1/2” 3/4” 1” 1½” 2” 3” 6” Concreto sin aire incluido 2.5 a 5 207 199 190 179 166 154 130 113 7.5 a 10 228 216 205 193 181 169 145 124 10 a 15 222 15 a 17.5 243 228 216 202 190 178 160 --- Cantidad aproximada de aire atrapado (%) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0.3 0.2 Nota. Adaptado del ACI Committee 211.1-91 “Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete” [1]. 43 Tabla 25 Relación agua-cemento y la resistencia a compresión del concreto Resistencia a compresión a los 28 días, kg/cm2 Relación agua-cemento, sin aire incorporado 450 0.38 400 0.42 350 0.47 300 0.54 257 0.60 250 0.61 200 0.69 150 0.79 Nota. Adaptado del ACI Committee 211.1-91 “Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete” [1]. La relación agua-cemento especificada para todas las mezclas de concreto es 0.60 (ver Tabla 25) con el objetivo de reproducir un concreto estructural, pues con esta relación w/c se pudo garantizar la fabricación de probetas muestras con una resistencia a compresión mayor al valor de 210 kg/cm2. Según la Tabla 26, el volumen de agregado grueso varillado en seco necesario para 1 m3 de concreto es 0.57, por tanto, la relación arena/piedra en volumen por m3 de concreto resultó igual a 0.48/0.52. Tabla 26 Volumen de agregado grueso por volumen unitario de concreto Tamaño máximo nominal del agregado grueso Volumen del agregado grueso por m3 de concreto para diferentes M.F. (mm.) (Pulg.) 2.4 2.6 2.8 3.0 9.5 3/8” 0.50 0.48 0.46 0.44 12.5 1/2” 0.59 0.57 0.55 0.53 19 3/4” 0.66 0.64 0.62 0.60 25 1” 0.71 0.69 0.67 0.65 37.5 1 ½’’ 0.75 0.73 0.71 0.69 50 2” 0.78 0.76 0.74 0.72 75 3” 0.82 0.80 0.78 0.76 150 6” 0.87 0.85 0.83 0.81 Nota. Adaptado del ACI Committee 211.1-91 “Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete” [1]. 44 5.2.4 Validación del diseño teórico en campo Se procedió a preparar una primera mezcla de prueba para determinar la dosificación necesaria del aditivo reductor de agua que mantenga el slump de todas las mezclas en un rango de 10 a 15 cm. De acuerdo al slump obtenido de 5 cm (ver Figura 23), se definió una dosis igual a 6.5 ml de aditivo/kg cemento, dosis mínima que cumple con el rango de dosificación recomendado por el proveedor. Posteriormente, se preparó una segunda mezcla de prueba para verificar que el slump del concreto cumpla con el rango de asentamiento definido. Como se puede observar en la Figura 24, se obtuvo el slump requerido igual a 15 cm, pero se observó una mezcla con apariencia pedregosa y con poca consistencia, por lo que se optó hacer una mezcla con más cohesión. Para este propósito, se hizo una regulación en el diseño de las mezclas, variando la relación final de agregados arena/piedra a 0.51/0.49, obteniendo una mezcla con mejor consistencia (ver Figura 25). Para revisar las tablas de dosificación de las 13 mezclas de concreto, véase Apéndice B. Secuencia Fotográfica Figura 23. Mezcla prueba N° 1 (MB-2.5%), slump 5 cm, sin aditivo reductor de agua. 45 Figura 24. Mezcla prueba N° 2 (MB-2.5%), slump 15 cm, con poca cohesión. Figura 25. Mezcla prueba N° 3 (MB-2.5%), slump 18 cm, con buena consistencia. 5.3 Etapa 3: Muestreo de las probetas de concreto 5.3.1 Preparación de las 13 mezclas de concreto El mezclado de los insumos se realizó en una mezcladora de eje inclinado con una capacidad de 100 L, en base al diseño de las dosificaciones realizadas para las 13 mezclas de concreto, verificando que el mezclado se realice completamente hasta que el concreto tenga una apariencia uniforme. Cada mezcla se preparó en un día programado, en una tanda de 40 L, cantidad utilizada para realizar ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco y el moldeo de 03 probetas cilíndricas y 05 probetas prismáticas por cada mezcla. La secuencia de mezclado para cada tipo de mezcla se detalla en las Tablas 27, 28 y 29: 46 Tabla 27 Secuencia para mezcla original – MO (duración = 5 minutos) Insumo Porcentaje de mezclado Agua 80% - peso Piedra 100% - peso Arena 100% - peso Cemento 100% - peso Reductor de agua (diluido en 20% agua) 100% - volumen Tabla 28 Secuencia para mezclas patrón – MP (duración = 5 minutos) Insumo Porcentaje de mezclado Agua 80% - peso Piedra 100% - peso Arena 100% - peso Cemento 100% - peso Sal 100% - peso Agua 20% - peso Reductor de agua (diluido en 20% agua) 100% - volumen Tabla 29 Secuencia para mezclas A, mezclas B y mezclas C (duración = 8 minutos) Insumo Porcentaje de mezclado Agua 50% - peso Piedra 100% - peso Arena 100% - peso Cemento 100% - peso Sal 100% - peso Inhibidor de corrosión (diluido en 30% agua) 100% - volumen Reductor de agua (diluido en 20% agua) 100% - volumen 5.3.2 Ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco Se realizaron ensayos de control de calidad y aceptación a las 13 mezclas de concreto, después de su mezclado, a fin de evidenciar y cuantificar el cumplimiento o no de los criterios y 47 parámetros técnicos establecidos, para evaluar en qué medida las especificaciones de diseño eran satisfechas. A continuación, en la Figura 26 se muestra un esquema que detalla la línea de tiempo de ejecución de estos ensayos: Figura 26. Línea de tiempo de ensayos de control del concreto en estado fresco Los ensayos de control indicados en el esquema anterior se realizaron de acuerdo a las normas ASTM correspondientes (ver Tabla 30): Tabla 30 Normas para ensayos de control de calidad del concreto en estado fresco Ensayo Norma Práctica estándar para muestreo de concreto recién mezclado ASTM C172 Método de prueba estándar para determinar la temperatura del concreto ASTM C1064 Método de prueba estándar para determinar el asentamiento del concreto ASTM C143 Método de prueba estándar para determinar el peso unitario, rendimiento y contenido de aire del concreto ASTM C138 Práctica estándar para fabricar y curar probetas de concreto en campo ASTM C31 Práctica estándar para fabricar y curar probetas de concreto en laboratorio ASTM C192 48 Muestreo Se realizó en un tiempo no mayor de 15 minutos después de finalizado el mezclado de cada tanda de concreto, a fin de obtener muestras realmente representativas para los ensayos de control. Se evaluó la apariencia de cada mezcla de concreto (ver Figura 27), después de su remezclado con lampa para uniformizar el concreto antes de efectuarse las pruebas de control. Figura 27. Muestreo de la mezcla de concreto MB-2.5%, adecuada apariencia inicial. Temperatura La medición de la temperatura se ejecutó en un periodo de 5 minutos después de realizado el muestreo, debido a su importancia como parámetro que condiciona la velocidad con la que se desarrolla el proceso de endurecimiento inicial del concreto. Se utilizó un medidor de temperatura con lectura digital, el cual se introdujo de manera que esté cubierto con por lo menos 3” de concreto en todas las direcciones a su alrededor (ver Figura 28). 49 Figura 28. Medición de temperatura de la mezcla de concreto MB-2.5%, T= 20.3 °C Asentamiento La medición del slump se ejecutó en un periodo de 5 minutos después de realizado el muestreo. Se verificó que las 13 mezclas de concreto obtenidas sean lo suficientemente cohesivas y fluidas para ser colocadas sin dificultad en las probetas cilíndricas y prismáticas, debido principalmente a la congestión de acero presente en las probetas prismáticas y a la dificultad en cuanto a la compactabilidad del concreto en las esquinas del encofrado (ver Figura 29). Figura 29. Asentamiento de la mezcla MB-2.5%, slump = 12.9 cm, falla tipo normal. 50 Peso unitario La medición del peso unitario se ejecutó en un periodo de 5 minutos después de realizado el muestreo. Se verificó la uniformidad de todas las mezclas de concreto, pues un indicador de que los insumos están cambiando considerablemente en su proporción o características físicas es si el peso unitario varía de forma significativa entre cada mezcla de concreto (ver Figura 30). Contenido de aire Se controló el contenido de aire de las 13 mezclas de concreto con el objetivo de prevenir inconvenientes en los acabados de las probetas de concreto y evitar la formación de burbujas de aire de gran tamaño en las superficies que afecten la durabilidad del concreto (ver Figura 31). Figura 30. Ensayo de peso unitario de la mezcla MB-2.5%. P.U. = 2,324.32 kg/m3 51 Figura 31. Ensayo de contenido de aire de la mezcla MB-2.5%, valor = 3.8% Moldeo de especímenes de concreto Se realizó en un periodo de 15 minutos después de realizado el muestreo. Se ejecutó siguiendo los procedimientos de compactación normados en la ASTM C31M-19a [7] y ASTM C192M-19 [15], cuyas especificaciones se resumen en la Tabla 31: Tabla 31 Especificaciones de compactación de las probetas de concreto Especificación Probeta Cilíndrica Probeta Prismática Norma ASTM C31 ASTM C192 Dimensión 4” x 8” 4” x 4” x 8” N° muestras / mezcla 3 5 Procedimiento de compactación N° capas = 2 N° capas = 2 N° varillas por capa = 32 N° golpes por capa = 10-15 N° varillas por capa = 25 N° golpes por capa = 10-15 52 La compactación manual del concreto en las probetas cilíndricas y prismáticas se realizó en 2 capas con una varilla de 3/8” de diámetro, varillando cada capa 25 y 32 veces, respectivamente, de manera distribuida uniformemente en la sección. Además de ello, según norma, se golpeó el molde lateralmente con un martillo de goma de 10 a 15 veces en ambos tipos de probeta. El detalle de este procedimiento se esquematiza en las Figuras 32,33 y 34: Figura 32. Especificaciones de compactación de probetas cilíndricas (vista en planta) Figura 33. Especificaciones de compactación de probetas prismáticas (vista en planta) 53 Figura 34. Moldeo de probetas prismáticas (05) y probetas cilíndricas (03) por cada mezcla 5.3.3 Ensayos de control de calidad del concreto en estado endurecido Figura 35. Línea de tiempo de ensayos de calidad del concreto en estado endurecido Desencofrado Figura 36. Desencofrado de probetas prismáticas de concreto. 54 Figura 37. Probetas cilíndricas y prismáticas desencofradas - moldes de metal y melamina. Curado Una vez desencofradas las probetas cilíndricas y prismáticas, se procedió a colocarlas en un cuarto húmedo para su curado bajo condiciones controladas, humedad relativa de 95% a 100% y temperatura de 23 ± 2°C, en base a lo especificado por la ASTM C511-19 [17]. Este procedimiento se ejecutó con la finalidad de garantizar el proceso por el cual el concreto madura y endurece con el tiempo, como resultado de la hidratación continua del cemento en presencia de agua. Ensayo de resistencia a compresión Después de 28 días de curado, se procedió a ensayar las probetas cilíndricas a resistencia a compresión por el método de cabeceo, usando almohadillas de neopreno en las extremidades de los especímenes. Este procedimiento se realizó a fin de evidenciar que el concreto producido cumpla con las especificaciones de resistencia y calidad de su diseño y, por tanto, las probetas sean muestras representativas del concreto comúnmente colocado en las construcciones actuales. 55 Figura 38. Ensayo de resistencia a compresión de probetas cilíndricas de concreto Figura 39. Probetas cilíndricas de la mezcla de concreto MB – 2.5% ensayadas a compresión Secado En cuanto a las probetas prismáticas, después de 28 días de curado, fueron retiradas del cuarto húmedo para proceder a colocarlas en un ambiente con humedad relativa del 50%, de forma que sequen durante un periodo aproximado de un mes (34 ± 2 días) antes de realizar las pruebas electroquímicas, ello según el procedimiento normalizado en la ASTM G109-07 [23] (ver Figura 40). 56 Figura 40. Secado de probetas prismáticas en un entorno de HR de 50%. 5.4 Etapa 4: Mediciones electroquímicas Figura 41. Línea de tiempo de ensayos realizados a las probetas prismáticas de concreto. Figura 42. Procedimientos ejecutados a las probetas antes de mediciones electroquímicas. 57 Saturación Según el procedimiento normalizado en la ASTM C876-15 [19], se humedeció el concreto previamente a las mediciones electroquímicas para disminuir la resistencia eléctrica del circuito (caída óhmica). El humedecimiento del concreto se realizó de manera controlada sumergiendo 3 probetas prismáticas de las 5 elaboradas, por cada mezcla de concreto, en agua potable por un intervalo de tiempo de 24 horas (ver