CAMBIOS EN LA RIGIDEZ Y RESISTENCIA A LA FLEXIÓN DE

ISSN 0188-7297
CAMBIOS EN LA RIGIDEZ Y
RESISTENCIA A LA FLEXIÓN DE
VIGAS DE CONCRETO DAÑADAS POR
CORROSIÓN DEL REFUERZO
Andrés A. Torres Acosta
Manuel de Jesús Fabela Gallegos
David Vázquez Vega
José Ricardo Hernández Jiménez
Miguel Martínez Madrid
Alejandro Muñoz Noval
Publicación Técnica No. 204
Sanfandila, Qro, 2002
SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES
INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE
Cambios en la Rigidez y
Resistencia a la Flexión de Vigas de
Concreto Dañadas por Corrosión del
Refuerzo
Publicación Técnica No. 204
Sanfandila, Qro. 2002
Presentación
Este documento fue elaborado en la Coordinación de Equipamiento para el
Transporte del Instituto Mexicano del Transporte, por Andrés Antonio Torres
Acosta, Manuel Fabela Gallegos, David Vázquez Vega, José Ricardo
Hernández Jiménez y Miguel Martínez Madrid.
II
Índice
Resumen
VI
Abstract
VII
Resumen Ejecutivo
VIII
Capítulo 1 Introducción
1.1 Planteamiento del Problema
1
2
1.2 Mecanismo de la Degradación por Corrosión en Estructuras de
Concreto
3
1.3 Durabilidad de Estructuras de Concreto en Ambiente Marino
5
1.4 Objetivo
7
1.5 Metas
8
1.6 Contenido del Trabajo
8
Capítulo 2 Marco Teórico
11
2.1 Comportamiento a Flexión de Vigas de Concreto
11
2.2 Relación entre Capacidad de Carga y Corrosión
15
2.3 Relación Empírica entre Pérdida de Radio, xPROM, de la Armadura
y Agrietamiento por Corrosión, WG
18
2.4 Relación Empírica entre xPROM y Profundidad Máxima de Picadura
19
Capítulo 3 Método Experimental
3.1 Parámetros de Estudio
3.1.1 Geometría de Especimenes
23
23
23
3.2 Materiales Utilizados
24
3.3 Fabricación de Especimenes
28
III
3.4 Procedimiento de la Prueba
29
3.4.1 Sistema para la Aceleración de la Corrosión
29
3.4.2 Monitoreo y Medición de Grietas
34
3.4.3 Monitoreo de la Rigidez (Pruebas de Carga-Descarga)
35
3.4.4 Prueba de Carga Máxima Estática a Flexión
37
3.4.5 Pérdida Gravimétrica del Acero
39
Capítulo 4 Resultados y Discusión
41
4.1 Pruebas Mecánicas del Concreto
41
4.2 Morfología de Grietas Observadas
42
4.3 Relación de Pérdida Teórica vs. Pérdida Gravimétrica
45
4.3.1 Pérdida Gravimétrica del Acero
45
4.3.2 Pérdida Teórica del Acero (Faradaica)
46
4.3.3 Eficiencia de la Corriente del Sistema Utilizado
47
4.4 Prueba de Carga-Deflexión en el Tiempo
48
4.5 Prueba de Carga Estática a la Falla
52
4.6 Discusiones Generales
55
4.6.1 Levantamiento de Grietas
56
4.6.2 Pérdida de Rigidez a Flexión por Corrosión
56
4.6.3 Eficiencia del Sistema de Corrosión Acelerada
57
4.6.4 Pérdida de Radio Promedio por Corrosión
58
4.6.5 Pérdida de Rigidez por Corrosión
60
Capítulo 5 Conclusiones y Recomendaciones
63
5.1 Conclusiones
63
5.2 Recomendaciones
65
IV
Capítulo 6 Referencias
67
V
Resumen
Esta publicación presenta los resultados de una investigación experimental que
intenta correlacionar los cambios de la rigidez y la capacidad de carga de vigas de
concreto reforzado, con la cantidad del área de acero perdido por corrosión y la
morfología del agrietamiento del concreto debido a la corrosión localizada de la varilla
de refuerzo.
Se utilizaron en esta investigación 12 vigas (100x150x1500 mm) de concreto
reforzado simplemente apoyadas. El concreto en la porción central de las vigas se
contaminó con cloruros añadiéndole sal al concreto durante la fabricación del mismo
(en 10 de las 12 vigas utilizadas). La porción central contaminada con cloruros fue
variada en longitud (25, 250 y 1000 mm) para estudiar el efecto de la corrosión en los
cambios de rigidez y capacidad de carga. La corrosión en las vigas se aceleró aún
más aplicándose una corriente anódica a la barra de refuerzo.
Durante el proceso de corrosión se determinó, mediante levantamientos visuales, la
propagación de las grietas por corrosión
Al final del proceso de corrosión acelerado, las vigas se probaron bajo carga de
flexión, aplicada al centro de la viga, y se determinó la resistencia remanente a
flexión de cada una de ellas.
VI
Abstract
This work presents an experimental investigation which correlates the stiffness
changes of reinforced concrete beams with the amount of steel cross section
loss, and concrete cover-cracking morphology due to localized corrosion of the
embedded steel.
Twelve, simply supported, concrete beams (100x150x1500 mm) were used in
this investigation.
The central portion of ten beams was contaminated by
chlorides placed during mixing of the concrete (two beams with 25-mm long, six
with 250-mm long, and two with 1000-mm long chloride contaminated portions).
Corrosion was further accelerated by impressing an anodic current to the single
#3 steel reinforcement bar (10 mm diameter).
During corrosion acceleration, the beams were tested under flexure by a cyclic
loading-unloading procedure using 200-N weights (until the load reached 800 N)
applied at the middle of the beam. The changes on the stiffness (slope of the
Force-Displacement diagram) were recorded during corrosion of the steel
reinforcement. On the other hand crack morphology of the concrete cover, was
also recorded during this corrosion stage. After obtaining the target corrosioninduced metal loss, the beams were tested in flexure until failure using a servohydraulic testing machine.
The Load-Displacement curve and the maximum
forces were recorded.
The results obtained show a decrease of 35% in the stiffness values from the
corroded specimens with only 19% on steel cross section loss. In addition, the
corroded beams showed a small decrease in the ultimate strength in flexure
(19% steel cross section loss presented a 20% ultimate flexure strength loss).
VII
Resumen Ejecutivo
Este proyecto propone realizar investigaciones en vigas de concreto reforzado, en las
que se induzca un deterioro controlado por corrosión y se califiquen y cuantifiquen sus
efectos directos en el comportamiento estructural, tanto estático como dinámico de la
estructura, y sus consecuencias en la durabilidad y confiabilidad estructural.
Se
tomarán como antecedentes las investigaciones en curso en el proyecto SCT-IMT,
denominado "Plan Nacional de Evaluación de Puentes Dañados por Corrosión," en
cuanto a los tipos de ambiente, condiciones operativas críticas, tipos de concreto
empleados, agregados, etc., a fin de estudiar estructuras simples, fabricadas en el
laboratorio.
Este trabajo se divide en seis capítulos.
Primero se presenta una breve
introducción que incluye el planteamiento del problema, el mecanismo de la
degradación por corrosión en estructuras de concreto, los modelos de
durabilidad de estructuras de concreto en ambiente marino, los objetivos, las
metas y un resumen del contenido. El segundo capítulo detalla el marco teórico,
en el cual se plantean las primeras ecuaciones constitutivas de la resistencia a
flexión de vigas de concreto reforzado y algunos resultados a la fecha
encontrados en la literatura en donde se presenta el efecto de la corrosión en la
resistencia remanente de estructuras de concreto.
En la tercera parte se
muestra la metodología experimental utilizada en esta investigación. El cuarto
capítulo expone los resultados y la discusión de éstos, incluyéndose modelos
empíricos para determinar el cambio de la rigidez y la resistencia a flexión de las
vigas en función de la pérdida de radio de la varilla por corrosión. Por último, en
las secciones quinta y sexta se lista las conclusiones y las referencias,
respectivamente.
VIII
Capítulo 1 Introducción
La Ingeniería Civil tiene como objeto el diseño y construcción de las obras de
infraestructura que se requieren para el progreso de la sociedad. Su objeto material son
las obras de infraestructura y su objeto formal son el diseño y la construcción. Su filosofía
se centra en la búsqueda y desarrollo de soluciones óptimas para mejorar la calidad de
vida de la población, a través de obras más funcionales, seguras y eficientes.
El ejercicio de la ingeniería se lleva a acabo en campos de investigación, desarrollo
tecnológico, planeación, estudio, diseño, construcción, operación y conservación de obras
tales como presas, sistemas de riego, obras de abastecimiento de agua a poblaciones e
industrias, sistemas de alcantarillado, plantas de potabilización y tratamiento de aguas,
puertos y vías navegables, sistemas de carreteras, ferrocarriles, aeropuertos y otros
medios de comunicación, urbanización y edificación en general. No pierde de vista que la
finalidad de todas estas obras es el desarrollo de la civilización para el beneficio de la
población, la realización del hombre y la preservación de la cultura.
Uno de los materiales más utilizados en el campo de la Ingeniería Civil es el
concreto, que es una mezcla de agua, cemento, grava (piedra) y arena como base, junto
con aditivos usados para su mejor manejo y durabilidad.
La adecuada mezcla y
dosificación de estos materiales le dan al concreto una mejor resistencia a la compresión.
Para optimizar las funciones del concreto se le añade acero para reforzar su interior, para
que estos dos materiales (el concreto y el acero) actúen de manera conjunta, dado que el
concreto trabaja a compresión y el acero de refuerzo trabaja a tensión.
1
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Este trabajo propone una investigación en estructuras de concreto reforzado
(vigas), donde se induzca un deterioro controlado por corrosión, calificando y cuantificando
su efecto directo en el comportamiento estructural estático (capacidad estructural) de la
estructura y su resultante efecto en la durabilidad y confiabilidad operativa de la misma.
Se tomarán como referencia las investigaciones en curso en el proyecto denominado
“Plan Nacional de Evaluación de Puentes Dañados por Corrosión” en cuanto a los tipos de
ambientes, condiciones operativas críticas, tipos de concreto empleado, agregados, etc. a
fin de realizar investigaciones en estructuras simples fabricadas en el laboratorio que sean
representativas de algunas regiones del entorno nacional. Se pretende poder predecir la
durabilidad y confiabilidad de las estructuras dañadas por corrosión registradas en este
Plan y poner en práctica lo aquí investigado, estimando la capacidad estructural y su
comportamiento dinámico en los mismos puentes dañados por corrosión, evaluando la
extensión del daño y prediciendo su durabilidad y confiabilidad operativa (Ver sección de
Objetivos y Metas).
1.1 Planteamiento del Problema
La confiabilidad operativa de puentes y estructuras de la red carretera nacional está
empezando a ser un factor de considerable interés. Actualmente, existen sistemas de
administración de puentes que permiten emitir un diagnóstico de daño relativamente
oportuno para programar reparaciones en puentes, pero dentro de ese diagnóstico no
existen referencias que asocien el daño o deterioro con un comportamiento estático y
dinámico de la estructura ni su efecto en la durabilidad y confiabilidad de la misma. Ese
diagnóstico no contempla explícitamente el daño sufrido por la estructura debido al efecto
del medio ambiente (corrosión).
El incremento en el número de puentes de concreto reforzado, presforzado o
postensionado, que muestran signos de deterioro producto del ambiente al que están
2
Capítulo 1 Introducción
expuestos, han planteado la necesidad de utilizar métodos más precisos para predecir la
disminución de resistencia, su efecto en el comportamiento estructural del puente y su
probabilidad de falla asociada a esta degradación o su confiabilidad operativa. Muchos de
los colapsos de estructuras en servicio reportados en países industrializados como los
Estados Unidos, Japón y Europa, se atribuyeron a la degradación de la resistencia de
diseño de la estructura producida por agentes ambientales.
Aunque son diversos los
mecanismos de deterioro presentes en los puentes de la Red Federal Carretera (RFC) –
por ejemplo, ataque por sulfatos, reacción álcali-agregado, ciclos de hielo-deshielo,
corrosión, etc. – el más común reportado es debido a la corrosión de la armadura,
fabricada con acero para refuerzo, presfuerzo o postensionado.
En México existe una gran diversidad de puentes (Figura 1.1). Cada uno puede
presentar daños con características únicas, resultantes del ambiente al que está expuesto,
de su geometría, método constructivo en la fabricación así como en las reparaciones
realizadas, la vida en servicio, entre otras.
Las estrategias de inspección debieran
considerar al o los elementos que poseen el riesgo más elevado a dañarse, para que a
éstos se le dé un mayor cuidado en las futuras evaluaciones y se programen reparaciones
que estén más apegadas a la confiabilidad operativa del puente.
1.2 Mecanismo de la Degradación por Corrosión en Estructuras de Concreto
La cooperación del concreto para con el acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) se basa
en que el concreto provee al refuerzo una protección tanto química como física en contra
de la corrosión.
La protección química se debe a la alcalinidad del concreto, la cual
produce una capa de óxido (del orden de un par de nanómetros) en la superficie del acero,
impidiendo que el acero continúe corroyéndose.
A este fenómeno se le denomina
pasividad (Fontana, 1986), ya que la capa de óxido evita la propagación de la corrosión
del acero. Esta alcalinidad del concreto es debida, principalmente, al hidróxido de calcio
3
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
(CH) que se forma durante la hidratación de los silicatos (Silicato dicálcico C2S, silicato
tricálcico C3S, aluminato tricálcico C3A, ferroaluminato tetracálcico C4AF) del cemento y a
los álcalis (sodio y potasio) que pueden estar incorporados como sulfatos en el clinker
(Mangat y Elgarf 1999). Estas sustancias sitúan el pH de la fase acuosa contenida en los
poros en valores entre 12.6 y 14 (Andrade et al, 1990), es decir, en el extremo más
alcalino de la escala de pH. El concreto también funciona como una capa física protectora
en contra de los agentes ambientales (oxígeno, agua, cloruros, dióxido de carbono) que
puedan despasivar al acero e iniciar su corrosión.
Sin embargo, en un ambiente agresivo, agentes químicos como los cloruros o
sulfatos (SO2) del agua de mar, o el dióxido de carbono (CO2) de un ambiente urbano, se
acumulan en la superficie del concreto y lentamente se transportan através del
recubrimiento de concreto hasta llegar a la armadura. Cuando la concentración de estos
agentes químicos en la superficie del acero de las armaduras alcanza valores que
exceden un nivel crítico, la protección de la armadura corre el peligro de desaparecer y la
corrosión puede desencadenarse.
Cuando el acero embebido en concreto se corroe, se consume una capa de la
superficie del acero y se forma una capa de productos de corrosión (óxido, Fe3O4; o
hidróxido de fierro, Fe(OH)2) en el perímetro de la barra. El volumen ocupado por dicho
óxido (o hidróxido) es mayor que el que ocupaba el acero original, creando presiones
contra el concreto que rodea al acero, la formación de grietas y desprendimientos del
concreto. Estas grietas y/o desprendimientos del recubrimiento de concreto, además de
ser antiestéticas, pueden disminuir el anclaje del acero y, potencialmente, la resistencia
del elemento estructural.
4
Capítulo 1 Introducción
Figura 1.1 Puente dañado por corrosión
1.3 Durabilidad de Estructuras de Concreto en Ambiente Marino
Al momento se han propuesto varios modelos ‘durabilísticos’ que relacionan la
degradación por corrosión del acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) en concreto, en función
del tiempo. Éstos se discuten brevemente a continuación.
El modelo de Tuutti (Tuutti, 1982), en el cual se basan la mayoría de los ya
existentes, diferencía dos etapas de degradación: T1 y T2 (donde T1 es el periodo de vida
útil a su máxima capacidad y T2 marca el fin de la vida útil). Los modelos de Bazant
(Bazant, 1979a y 1979b) Browne (1980) y Beeby (1983) son similares al propuesto por
Tuutti (1982), ya que son modelos que dividen las dos etapas T1 y T2. Los modelos de
Bazant (1979a y 1979b) y Browne (1980), especifican que T2 finaliza al encontrarse daños
visibles en la estructura o elemento estructural. En cambio, el modelo de Beeby (1983)
especifica que T2 finaliza hasta que se ha alcanzado un nivel inaceptable de la corrosión.
5
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Esto quiere decir que el elemento puede estar más allá de su periodo de vida útil y
encontrarse en la etapa de su vida residual.
En esta investigación se toma como base el modelo de durabilidad considerado por
Tuutti (1982):
TVU = T1 + T2
(1.1)
En donde T1 y T2 son denominados periodos de iniciación y de propagación. Se
define al T1
como al lapso
de tiempo que tarda el ion cloruro en
atravesar el
recubrimiento, alcanzar la armadura y provocar su despasivación; en tanto T2 se refiere al
periodo entre la pérdida de protección de la película pasiva y la manifestación externa de
los daños por corrosión (manchas de óxido, agrietamientos, o desprendimientos de la
cobertura del concreto). TVU se define como el periodo de vida útil de la estructura. La
etapa T2 (a ser detallado en la segunda parte de este trabajo) finalizará a la formación de
pequeñas grietas (con anchos menores de 0.1 mm) o manchas de óxido.
Si en la estructura se observan otros tipos de degradaciones como grietas más
anchas de 0.1 mm, delaminaciones, barras de refuerzo expuestas con corrosión visible,
etc., dicha estructura se encontrará más allá de su vida útil, o sea, en el periodo de su vida
residual. El periodo de la vida residual finaliza hasta un límite inaceptable de durabilidad,
el cual se podría expresar en función de la capacidad de carga del elemento estructural.
La Figura 1.2 presenta, de una manera gráfica, las etapas T1 y T2, así como el periodo de
la vida residual.
6
RESISTENCIA DE LA ESTRUCTURA
Capítulo 1 Introducción
FIN DE VIDA ÚTIL
Límite de Serviciabilidad
Límite Último
COLAPSO
T1
T2
TVU
TIEMPO
VIDA
RESIDUAL
Tiempo para Reparaciones
Figura 1.2 Modelo de durabilidad (Torres Acosta y Martínez Madrid 2001)
1.4 Objetivo
El objetivo de esta investigación es obtener mayor información de la etapa de vida
remanente de estructuras de concreto reforzado en ambiente marino. Esta información se
dirigirá a la obtención de una relación empírica entre la capacidad de carga de probetas
fabricadas de ese material y la cantidad de corrosión aplicada a las mismas. Una vez
obtenida esta relación se compararán los resultados obtenidos en esta investigación con
los de publicaciones derivadas de otras investigaciones sobre corrosión de estructuras de
concreto reforzado, para así determinar si los resultados son los esperados y si son
similares a los de dichas publicaciones.
7
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
1.5 Metas
1 Fabricar 12 probetas tipo vigas de concreto reforzado de 150 cm de largo, 10 cm de
base y 15 cm de altura, con una varilla de 0.95 cm de diámetro (3/8 de pulgada) y 2 cm
de recubrimiento.
2 Acelerar el proceso de corrosión de las varillas por medio de un galvanostato, aplicando
una corriente de 200 µA/cm2.
3 Monitorear la rigidez de cada una de las vigas con respecto al tiempo, por medio de una
prueba de carga y descarga semanal.
4 Una vez finalizada la aceleración del proceso de corrosión y las pruebas de carga y
descarga, se cargan las vigas hasta su punto de ruptura para comparar su capacidad
de carga real con la capacidad de diseño.
1.6 Contenido del Trabajo
Este trabajo presenta una introducción al tema de degradación por corrosión,
planteando los problemas más comunes que por corrosión se generan en la
infraestructura de concreto, seguido de una breve explicación de los mecanismos básicos
de corrosión del acero de refuerzo en concreto.
Por último se presenta una breve
explicación de las etapas en que se dividen los modelos de durabilidad de estructuras de
concreto por corrosión, la enumeración de los objetivos que se pretenden estudiar y, por
último, una explicación del contenido de la investigación.
El segundo capítulo presenta una breve explicación del comportamiento a flexión de
vigas de concreto, seguido por la presentación de una investigación bibliográfica en el
tema de capacidad estructural de elementos dañados por corrosión. Para finalizar este
capítulo se presenta una recopilación de datos experimentales de temas estudiados por
8
Capítulo 1 Introducción
otros autores, en relación con diversos parámetros de daño (agrietamiento del concreto,
pérdida de radio, picadura) de elementos de concreto que presentan corrosión.
En el tercer capítulo se presenta la descripción de las actividades realizadas
durante el proceso experimental en esta investigación.
Se definen los parámetros
estudiados, se explica el proceso de fabricación de las vigas (materiales y dimensiones) y
el sistema de corrosión acelerada usado. Por último se explica el proceso seguido en el
monitoreo de grietas en el concreto, el monitoreo en el tiempo de la rigidez, de cada una
de las vigas en este estudio, y el procedimiento utilizado en las pruebas estáticas de carga
a la falla.
En el capítulo 4 se presentan los resultados del experimento y una discusión de
estos obtenidos en este trabajo.
Finalmente, en el capítulo 5 y 6, se exponen las
conclusiones y el listado de referencias utilizadas en este trabajo.
9
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
10
Capítulo 2 Marco Teórico
2.1 Comportamiento a Flexión de Vigas de Concreto
“Cuando se carga una viga, el comportamiento de ésta es esencialmente elástico y toda
la sección contribuye a resistir el momento exterior. Cuando la tensión en la fibra más
esforzada de alguna sección excede la resistencia del concreto a la tensión, empiezan a
aparecer grietas. A medida que se incrementa la carga, estas grietas aumentan en
número, en longitud y en abertura.
A partir de la aparición de las primeras grietas, el comportamiento del espécimen ya no
es elástico y las deflexiones no son proporcionales a las cargas.
En las regiones
agrietadas, el acero toma prácticamente toda la tensión. En esta etapa, el esfuerzo en el
acero aumenta hasta que alcanza su valor de fluencia. Desde que el acero empieza a
fluir, la deflexión crece en forma considerable, sin que apenas aumente la carga. Esto es,
la resistencia del elemento es sólo ligeramente mayor que la carga que produce la fluencia
del acero. Los primeros síntomas de la fluencia del acero son un incremento notable en la
abertura y longitud de las grietas y un quiebre marcado en la curva carga-deflexión. A
medida que aumenta la longitud de las grietas, la zona de compresión se va reduciendo,
hasta que el concreto en esta zona es incapaz de tomar la compresión y se aplasta. El
primer indicio de aplastamiento es el desprendimiento de escamas en la zona de
compresión. Cuando esto ocurre, la carga disminuye con mayor o menor rapidez,
dependiendo de la rigidez del sistema de aplicación de la carga, hasta que se produce el
colgado final.
Según la cantidad de acero longitudinal con que está reforzada la pieza, éste puede fluir
o no antes de que se alcance la carga máxima. Cuando el acero fluye, el comportamiento
del miembro es dúctil; es decir, se producen deflexiones considerables antes del colapso
final. En este caso se considera que el elemento es subreforzado. Por
11
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
otra parte, si la cantidad de acero longitudinal a tensión es grande, éste no fluye antes del
aplastamiento y se dice entonces que el elemento es sobrerreforzado. Puede suceder
que el elemento alcance su resistencia precisamente cuando el acero empieza a fluir. En
este caso, se dice que el elemento es balanceado (Figura 2.1).
Carga P
Fluencia
Aplastamiento
Agrietamiento del
Concreto en tensión
Deflexión a
Figura 2.1 Gráfica carga-deflexión de un elemento, con un porcentaje usual de acero
de tensión
La Figura 2.2 muestra la variación en el comportamiento de elementos que tienen
distintos porcentajes de acero. Cada curva de trazo lleno representa la gráfica cargadeflexión de un elemento reforzado con una cantidad diferente de acero de tensión, desde
una viga de concreto simple hasta otra con porcentaje muy alto de acero, del orden de
siete por ciento. Se puede observar de inmediato el efecto de la cantidad y distribución del
acero longitudinal.
12
Capítulo 2 Marco Teórico
Carga P
Acero de tensión
únicamente
Fluencia del acero
Acero de tensión y
de compresión
G
Aplastamiento
F del concreto
Aplastamiento
del concreto
D
Fluencia del acero Aplastamiento
del
concreto
Fluencia del acero
C Aplastamiento
E
Aplastamient
o del
concreto
del concreto
Fractura del acero inmediatamente
B después del agrietamiento del concreto
A
Agrietamiento del Concreto en tensión
Deflexión a
Figura 2.2 Gráficas carga-deflexión de elementos con porcentajes variables de acero
(sección, f’c y fy constantes) sujetos a flexión simple
La Tabla 2.1 es un resumen que complementa lo expuesto en la Figura 2.2. En ella se
muestran los casos propuestos en la Figura 2.2 y los respectivos porcentajes de acero en
tensión y en compresión, índice de refuerzo, tipo de elemento, modo de falla y grado de
ductilidad para cada curva.
En la siguiente Figura (2.3) se muestra la deducción de una fórmula para la obtención
del momento nominal Mn, según el reglamento ACI 318-83. Esta deducción es aplicable
únicamente a secciones rectangulares subreforzadas, con refuerzo de tensión únicamente
(aplicable a los especimenes de esta investigación).
13
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Tabla 2.1 Características de elementos con distintos índices de refuerzo
Curva
correspondiente
a la Figura 2.2
Índice de
refuerzo
Porcentaje de acero
Tipo de
elemento
Modo de falla
Grado de
ductilidad
Nulo
Concreto simple
Concreto en tensión
Frágil
Nulo
Muy
pequeño
Muy
Subreforzado
Fractura del acero,
frágil
Poco dúctil
Normal bajo
Nulo
Normal
bajo
Subreforzado
Aplastamiento
después de la fluencia
Muy dúctil
D
Normal alto
Nulo
Normal alto
Subreforzado
Aplastamiento
después de la fluencia
Dúctil
E
Normal alto
Del orden de
tensión
Normal
bajo
Subreforzado
Aplastamiento
después de la fluencia
Muy dúctil
F
Muy alto
Nulo
Muy alto
Sobrerreforzado
Aplastamiento sin
fluencia del acero
Frágil
G
Muy alto
Del orden de
tensión
Normal
bajo
Subreforzado
Aplastamiento
después de la fluencia
Dúctil
Tensión
ρ
Compresión
ρ’
ω
A
Nulo
Nulo
B
Muy
pequeño
C
0 .8 5 f ’c
b
0 .0 0 3
0 .5 a
c
a = β 1c
C = 0 .8 5 f ’c a b
d
A s = ρbd
T = A s fy = ρ b d fy
εs > εy
P o r e q u i l ib r i o :
C = T
0 .8 5 f ’c a b = ρ b d f y
a = _ ρ d fy _
0 .8 5 f ’c
( i )
T o m a n d o m o m e n to s re s p e c to a l a c e ro d e
te n s ió n
M n = C ( d – a /2 ) = 0 .8 5 f ’c a b d ( 1 – a /2 d )
S u s t it u y e n d o a d e la e c u a c i ó n ( i) y t o m a n d o
e n c u e n t a q u e ω = ρ f y / f ’c :
M n = bd
2
f ’c ω ( 1 – 0 . 5 9 ω )
Figura 2.3 Momento resistente de elementos rectangulares con refuerzo de
tensión únicamente, de acuerdo con el reglamento ACI 318-83
14
Capítulo 2 Marco Teórico
Si asumimos que el concreto es elástico, tenemos que la deformación máxima del
elemento en el centro del claro es:
ǻ = P L3
(2.1)
48EI
donde: P = Carga aplicada al centro del espécimen, L = Longitud entre apoyos del
espécimen, E = Módulo de elasticidad del acero, I = Momento de inercia de la sección del
espécimen.
Despejando el producto EI, que equivale a la rigidez del espécimen en flexión
obtenemos:
EI = P L3
(2.2)
48 ǻ
Considerando la longitud de los elementos como constante se obtiene un término
constante que es L3/48, por lo que la rigidez del espécimen va a depender de la carga que
se esté aplicando y la deformación que éste tenga al aplicar dicha carga.
Es necesario conocer la relación de los términos de esta ecuación con respecto al
tiempo, ya que en el caso de que el elemento estructural sufra algún daño inherente a la
vida en servicio como la corrosión, agrietamiento por fatiga, etc., esta relación elástica no
sería válida”.
2.2 Relación entre Capacidad de Carga y Corrosión
Basado en la información experimental que se encuentra en la literatura versada en
este tema, (Almusallam et al, 1997 y 1996; Cabrera, 1996; Huang y Yang, 1997; Mangat,
1999; Rodríguez et al 1997 y 1996; Tachibana et al, 1990) es en la etapa de vida
remanente en donde la estructura comienza a disminuir considerablemente su capacidad
de carga, o resistencia. Pocos han sido los investigadores que han intentado determinar
la pérdida de resistencia de un elemento estructural producida por corrosión del acero de
15
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
refuerzo (Almusallam et al, 1997 y 1996; Cabrera, 1996; Huang y Yang, 1997; Mangat,
1999; Rodríguez et al 1997 y 1996; Tachibana et al, 1990).
Muchas han sido las especulaciones sobre este tema y mucho se necesita
investigar antes de poder llegar a conclusiones que sean aceptadas por la comunidad
científica. En estudios anteriores hechos por diferentes autores (Almusallam et al, 1997 y
1996; Andrade et al, 1996; Cabrera, 1996; Huang y Yang, 1997; Mangat, 1999;
Rasheeduzzafar et al, 1992; Rodríguez et al 1997 y 1996; Saeki, 1988; Tachibana et al,
1990), se determinó experimentalmente la pérdida de resistencia de elementos de
concreto sometiéndolos a diferentes tipos de carga (compresión, flexión, tensión) y a
diferentes grados de corrosión de la barra de refuerzo. Estos autores usaron en sus
investigaciones vigas, columnas, o pequeños prismas reforzados, a los cuales se le
aplicaron cargas dependiendo del tipo de elemento estructural que conformaba. La
corrosión de la(s) barra(s) de refuerzo en todos estos experimentos fue acelerada por
algún medio electroquímico (corriente o potencial anódico constante).
Como un primer intento para correlacionar pérdida de acero por corrosión con la
resistencia del elemento estructural, se realizaron algunas simplificaciones para poder
determinar una relación entre la penetración de la corrosión promedio en la barra de acero
(también llamada pérdida promedio de radio o xPROM), el ancho de grieta promedio, wG,
medidos en la superficie del concreto, y la disminución de la resistencia original de
elemento estructural por corrosión (Torres Acosta y Martínez Madrid, 2001). Para esto, se
tomó la información de los autores mencionados con anterioridad y se compararon los
valores de la capacidad de carga (momento flexionante MC y carga axial en compresión
PC) de los elementos corroídos con los valores de capacidad de carga de los elementos no
corroídos (momento flexionante MNC y carga axial en compresión PNC). Esto es:
Vigas: CCCORR = MC/MNC
Columnas: CCCORR = PC/PNC
16
(2.3)
Capítulo 2 Marco Teórico
En donde CCCORR es la capacidad de carga por corrosión de un elemento
estructural independiente del tipo de carga que actúa sobre éste. Los valores de MNC, PNC
fueron tomados de los valores experimentales de los elementos llamados ‘controles’, a los
cuales no se les aplicó corriente anódica (o potencial anódico) alguna(o). Hasta no tener
una matriz de datos más completa, y se tenga un consenso más general sobre este
proceso tan complejo que es el de disminución de la resistencia debido al agrietamiento
por corrosión, éstos serán los datos utilizados al momento por el presente autor, para
obtener correlaciones empíricas que sean útiles en el diseño de la durabilidad de un
elemento estructural aislado.
Tomando las precauciones necesarias en el caso, y advirtiendo que este
procedimiento puede ser un tanto especulativo por falta de una base de datos más
extensa, la Figura 2.4 muestra la relación obtenida de la mayoría de las investigaciones
mencionadas (Almusallam et al, 1997 y 1996; Cabrera, 1996; Huang y Yang, 1997;
Mangat, 1999; Rodríguez et al 1997 y 1996; Tachibana et al, 1990) entre el cociente
xPROM/r0 y CCCORR, donde r0 es el radio original del acero de refuerzo. En este reporte se
define como a la reducción del radio de la barra de refuerzo la relación xPROM/r0. De esta
figura se puede observar como CCCORR (para vigas, columnas y losas) disminuye
gradualmente al aumentar la reducción del radio de la barra de refuerzo.
Cabe mencionar que los valores presentados en la Figura 2.4 corresponden a probetas
de laboratorio con un recubrimiento de concreto de entre 1 y 3 cm (valores típicos en
elementos estructurales expuestos al ambiente marino en México). Para recubrimientos en
estructuras de concreto > 3 cm, esta relación empírica estaría sujeta a comprobación.
También sería de suma importancia el conocer el comportamiento estructural de
elementos que presenten únicamente una porción de la barra de refuerzo con proceso
activo de corrosión en comparación a los valores obtenidos de CCCORR cuando la corrosión
es generalizada (Figura 2.4).
17
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
2.3 Relación Empírica entre Pérdida de Radio, xPROM, de la Armadura y
Agrietamiento por Corrosión, WG
La pregunta ahora es cómo poder estimar aproximadamente el valor de CCCORR de
un elemento estructural que presente corrosión generalizada en función de algún síntoma
de degradación que sea fácil de obtener en dicho elemento. Uno de estos síntomas
podría ser, por ejemplo el ancho promedio de la grieta (por corrosión) presente en la
superficie de concreto.
Para determinar una relación empírica entre xPROM y wG, se utilizarán los resultados
experimentales obtenidos de investigaciones anteriores (Almusallam et al, 1997 y 1996;
Cabrera, 1996; Huang y Yang, 1997; Mangat, 1999; Rodríguez et al 1997 y 1996;
Tachibana et al, 1990). Con los valores experimentales de xPROM/r0 y el wG se estimó una
relación empírica entre ambos valores, la cual se muestra como la línea continua en la
Figura 2.5. Se debe aclarar nuevamente que estos valores son válidos para elementos de
concreto reforzado que poseen un recubrimiento < 3 cm. Para recubrimientos mayores, el
comportamiento estaría sujeto a comprobación.
Los datos experimentales de wG y xPROM presentados en la Figura 2.5 muestran una
dispersión muy pronunciada, por lo que la ecuación empírica mostrada en la misma figura
puede tener una desviación entre la mitad y el doble del valor medio obtenido por dicha
ecuación empírica. Como un ejemplo, suponiendo que un elemento estructural presente
una grieta (producida por la corrosión del acero embebido) con un ancho promedio de 0.5
mm medido en campo, se puede estimar que el valor aproximado de xPROM/r0 (usando la
ecuación empírica wG = 21.8#(xPROM/r0)) sería de 0.023 mm. De la Figura 2.5 se puede
observar que los valores experimentales de xPROM/r0, recopilados de la literatura reciente,
para wG = 0.5 mm fluctuarían entre 0.015 y 0.05, la cual representa una diferencia entre
estos valores de más del doble (variaciones muy comunes de encontrar cuando se habla
18
Capítulo 2 Marco Teórico
de corrosión de acero en concreto), debido a que cada autor maneja las variables de
manera diferente en cuanto a especímenes, cantidad de corrosion, etc.
Usando este rango de valores de xPROM/r0 (0.015 y 0.5), el rango de valores de CCCORR
calculado usando la Figura 2.4 sería de entre 0.6 y 0.8. Esto implicaría que el elemento
estructural en estudio poseería una pérdida de resistencia de entre 20% y 40% de su
resistencia original, aproximadamente.
2.4 Relación Empírica entre xPROM y Profundidad Máxima de Picadura
Se ha podido demostrar de publicaciones anteriores que la corrosión del acero,
debido a la contaminación de cloruros en el concreto, produce una disminución de su
sección transversal que presenta una morfología altamente localizada. Este tipo de
corrosión se caracteriza porque la capa pasivante se disuelve sólo local o puntualmente
(picaduras). Estas zonas actúan como un ánodo frente al resto que permanece pasivo, el
cual actúa como el cátodo. El ataque progresa, pues, en profundidad, pudiéndose llegar
a la fractura de la barra por la alta concentración de esfuerzos que esta picadura
generaría. Este fenómeno es aún más crítico si al acero se le aplica un pre-esfuerzo o es
postensado.
Con los valores de profundidad promedio máxima de picadura (PICMAX) determinados
en las investigaciones anteriores (Almusallam et al, 1997 y 1996; Cabrera, 1996; Huang y
Yang, 1997; Mangat, 1999; Rodríguez et al 1997 y 1996; Tachibana et al, 1990) y usando
de nueva cuenta la información experimental disponible, se podría obtener una relación
empírica entre la penetración de la corrosión promedio y la profundidad máxima de
picadura, PIC. La Figura 2.6 presenta esta relación entre los valores experimentales de
xPROM y PICMAX, obtenida de las investigaciones anteriores (Almusallam et al, 1997 y 1996;
Andrade et al, 1996; González et al, 1997; Torres Acosta, 2001). La línea continua en la
Figura 2.6 representa la ecuación empírica (obtenida por regresión lineal) que relaciona a
19
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
xPROM y PICMAX. Esta relación empírica comprueba lo observado por González et al. en
donde PICMAX es aproximadamente siete veces más que el valor de xPROM (González et al,
1997).
1,2
Capacidad de Carga, CC
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,001
0,01
0,1
1
x/r0
Rodríguez Vigas
Mangat Vigas
Rodríguez Columnas
Al-Sulaimani Vigas
Almusallam Losas
Tachibana Vigas
Figura 2.4 Capacidad de Carga CCCORR y el Cociente xPROM/r0 (Torres Acosta y Martínez
Madrid 2001)
20
Capítulo 2 Marco Teórico
10
1
0.1
0.01
0.001
Prismas Esta Investigación
WG = 21.8# (xPROM/r0)
R2 = 0.4596
0.01
xPROM / r0
Cilindros Torres
0.1
Cabrera Prismas
Rodríguez Columnas
Mangat Anclaje
Andrade Prismas
Figura 2.5 Relación entre xPROM y wG obtenida de Torres Acosta y Martínez Madrid
(2001)
Como resumen, la información presentada en esta sección fue dedicada
únicamente para mostrar al lector alguna de las preguntas a responderse para conocer
con mayor detalle la etapa de vida remanente y el daño estructural generado por
corrosión. El tema será estudiado en esta investigación, recopilando un mayor número de
datos experimentales, para conocer con mayor certidumbre la pérdida de resistencia de un
elemento estructural de concreto sujeto a un deterioro por corrosión del acero.
21
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
6
PIC = 7.163 # x
5
R2 = 0.4506
4
3
2
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
x ( mm )
Prismas Esta Investigación
Rodríguez Columnas
Andrade Prismas
Tuutti Prismas
Rodríguez Vigas
Figura 2.6 Relación entre PICMAX y xPROM obtenida de Torres Acosta y Martínez
Madrid (2001)
22
Capítulo 3 Método Experimental
3.1 Parámetros de Estudio
Las variables sobre las cuales se realizó el experimento son las siguientes:
1
Longitud de corrosión (2.5 cm, 25 cm y 100 cm)
2
Pérdida de masa deseada (5%, 10% y 20%)
La cantidad de corriente suministrada para corroer el acero fue constante para
todos los especimenes (200 µA/cm2).
3.1.1 Geometría de los Especimenes
Se fabricó un tipo de espécimen cuyas dimensiones fueron de 10 cm de base, 15
cm de altura y 150 cm de longitud con la varilla de refuerzo de 0.95 cm de diámetro (3/8”)
sin estribos, y un recubrimiento de 2 cm (Figura 3.1 y Tabla 3.1). Se añadió en la parte
superior alambrón de 0.635 cm de diámetro (¼”) con longitudes de 2.5, 25 y 100 cm
aproximadamente, para que funcionen como cátodo al momento de corroer el acero.
Figura 3.1 Modelo de las vigas
23
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Tabla 3.1 Cálculo de las dimensiones y la resistencia de las vigas
Datos
f'c= 320
kg/cm
2
Fy = 4200
kg/cm
2
ρmin =
14 / fy =
0.00333
ρbal = (f'c*6000)/[fy*(6000+fy)] =
r =2
cm
ρmax=
h = 15
cm
ρ=
As / (b d)
b = 10
cm
ω=
( ρ * fy ) / f'c
d = 13
cm
Mn =
φvar = 0.95 cm
P=
0.75 *ρbal
= 0.03361
=0.0054
=0.072
2
b d f'c ω ( 1 - 0.59 ω )
( 4 Mn ) / L
0.04482
=988.47
=37067.7 Kgm
Kg
π = 3.142
As = 0.71
cm
L = 150
cm
2
3.2 Materiales Utilizados
Las varillas de refuerzo para los especimenes fueron cortadas a una medida
aproximada de 170 cm, esmeriladas en los extremos y marcadas con un número de
control (Figura 3.2). Asimismo, cada varilla fue pesada para determinar la pérdida de peso
al finalizar el experimento y saber el volumen de material corroído durante el mismo. La
masa inicial de las varillas se muestra en la Tabla 3.2.
Se usó duela de 2 cm de espesor y 15 cm de altura como paredes, 4 hojas de triplay de
1.9 cm de espesor como base y tornillos para madera, para fabricar moldes o cimbras,
para colar los especimenes. (Figura 3.3).
24
3 Método Experimental
Figura 3.2 Proceso de cortado y marcado de varillas
El cemento utilizado para la fabricación de los especimenes fue convencional de marca
APASCO, tipo CPC 30 R y peso específico de 3.12. El concreto se fabricó con un F’c =
350 kg/cm2, una edad de 28 días, un tamaño máximo de agregado de 20 mm y el
revenimiento de la mezcla fue de 10 cm. En la Tabla 3.3 se muestran las características
de los materiales utilizados para la fabricación del concreto y en la Tabla 3.4 se muestran
los pesos por cada material en un metro cúbico de mezcla. El aditivo que se le añadió al
concreto fue de marca EUCOMEX de tipo reductor cuyo código es RA 300 y su
dosificación fue de 5 cm3/kg. El material usado como cloruro, fue sal de cocina (NaCl).
25
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Tabla 3.2 Tabla de masas (mi) iniciales de varillas
Probeta
Varilla
Masa (gr)
1
1
904.1
2
2
921.9
3
3
914.2
4
4
911.2
5
5
915.7
6
6
916.1
7
7
902.9
8
8
918.3
9
9
913.8
10
10
919.2
11
11
912.6
12
12
919.2
Tabla 3.3 Características de los materiales utilizados para la fabricación del
concreto
Material
Procedencia
Densidad
Humedad
Módulo de
Pétrea
(kg/lto)
(%)
finura
Grava1
GRAVASA
Basalto
2.60
2.09
5-20
Grava 2
La Azteca
Basalto
2.60
3.52
43952
Dolores,
De río
2.47
12.26
0-5
Arena
Hgo.
26
Clasif.
3 Método Experimental
Tabla 3.4 Cantidad de material usado para la fabricación del concreto
Material
Concreto 1
Concreto 2
3
389
389
3
163
163
3
622
622
3
420
420
3
685
685
3
1.945
1.945
3
-
11.67
Cemento (kg/m )
Agua (kg/m )
Grava 1 (kg/m )
Grava 2 (kg/m )
Arena (kg/m )
Agua (kg/m )
Sal (NaCl) (kg/m )
Figura 3.3 Moldes de madera utilizados
27
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Los cilindros de concreto simple se probaron conforme a la norma ASTM C-39 para
compresión de cilindros de concreto simple.
3.3 Fabricación de Especimenes
Para fabricar los especimenes se emplearon 6 ollas de 60 litros de capacidad y se
realizó en el siguiente orden (Figura 3.4):
Olla 1 Fabricación de cilindros de prueba de la mezcla sin cloruros y de los controles.
Olla 2 Fabricación de la parte sin cloruros de las vigas 03, 07, 08 y 09.
Olla 3 Fabricación de la parte con cloruros de las vigas 03, 04, 05, 06, 07, 08 y 09.
Olla 4 Fabricación de la parte sin cloruros de las vigas 04, 05, y 06.
Olla 5 Fabricación de la parte sin cloruros de las vigas 10, 11 y 12.
Olla 6 Fabricación de la parte con cloruros de las vigas 10, 11 y 12, y los cilindros de
prueba de esta mezcla.
Figura 3.4 Orden de fabricación de los especimenes
28
3 Método Experimental
3.4 Procedimiento de la Prueba
3.4.1 Sistema para la Aceleración de la Corrosión
Para comprender mejor cómo se da el fenómeno de la corrosión sería conveniente
dejar en claro los términos que se utilizarán posteriormente en esta Tesis, los cuales son:
•
Ánodo: Es el material que va a perder electrones en una pila, por lo tanto se oxida. En
este caso es el acero.
•
Cátodo: Es el material que va a ganar electrones en una pila, es decir en donde se
realiza la reducción (Figura 3.5). En este caso es el alambrón de acero.
•
Galvanostato: Es el circuito electrónico con el cual se va a controlar la corriente que se
desea aplicar a cada espécimen (Figura 3.6).
Varilla
Especimen
Cátodo
-15v
+15v
-15v
POT
1k
+
100K
V+
2N5400
LM347
V-
-
-15v
1k
(a)
Figura 3.5 Diagrama del galvanostato utilizado en el experimento.
29
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Alambrón
e-
GALVANOSTATO
CÁTODO
eVarilla
ÁNODO
CORROSIÓN
REACCIÓN EN EL ANODO
M M + + ePRODUCTO DE CORROSIÓN (EXPANSIVO)
Figura 3.6 Proceso de corrosión acelerada
Los especimenes se mantuvieron en un lugar cubierto, sujetos a temperatura y
humedad ambiente. La aceleración del proceso de corrosión se dio en 10 de las 12 vigas
(2 vigas fueron controles y no se les agregó cloruros), según la cantidad de cloruros que
se agregó a cada una y la pérdida de diámetro de la varilla que se requirió en el
experimento.
En la Tabla 3.5 se muestra el cálculo del tiempo necesario para obtener la pérdida
deseada del diámetro del acero de refuerzo en los especimenes. A su vez, se calculó la
cantidad de corriente que se va a aplicar al sistema, cuyo valor es utilizado para calcular el
tiempo necesario para aplicar dicha corriente y perder el porcentaje de diámetro deseado.
En la Tabla 3.6 (página 24) se observa, para cada espécimen, la medición de su
resistencia, la medición de la resistencia del canal que ocupa en el galvanostato, su
correspondencia en probeta y varilla, y el cálculo del voltaje requerido para que los
30
3 Método Experimental
componentes del galvanostato no sufran fallas durante el experimento y quede satisfecha
la necesidad de la corriente calculada en la Tabla 3.5.
Para el control de la corriente suministrada a los especimenes se fabricó una tablilla
con resistencias de un valor de 10 ohms y 100 ohms para medir el voltaje que circula a
través de dichas resistencias. Aplicando la Ley de Ohm V = RI, sobre el voltaje medido en
las resistencias, se obtiene la corriente aproximada que circula por esa resistencia y, por lo
tanto, en el espécimen y el circuito. Para los especimenes 03, 04, 05, 06, 09, 10, 11 y 12
se usaron resistencias de 10 ohms y para el 07 y 08 se usaron las de 100 ohms para
obtener valores amplificados (Figura 3.7).
Figura 3.7 Diagrama de conexión de los especimenes con el galvanostato y la
fuente de poder
31
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Tabla 3.5 Cálculo de los tiempos para la etapa de la corrosión acelerada para cada
viga del estudio
Datos
3
ρ = 7.87 gr/cm (densidad del acero)
I = Intensidad de corriente (Amp)
x = Pérdida de radio (cm)
3
V = Volumen perdido (cm )
+2
n = 2 (valencia Fe )
F = 96500 coul/mol (constante de Faraday)
Aw = 55.85 gr/mol (peso atómico Fe)
π = 3.1416
Probeta A
L=
2.5
cm
% pérdida =
10
%
I=
φvar =
200
0.95
µA/cm
cm
ro =
0.475
cm
2
2
7.4613
cm
I=
φ*π*L
=
A*i=
1492.26
µA/cm
X=
V=
ro*%=
A*x=
0.0475
0.3544
cm
cm3
T=
(ρ*V*n*F)/(I*Aw) =
A=
2
6459107
75
Seg.
días
Probeta B
L=
25
cm
% pérdida =
i=
10
200
%
0.95
0.475
cm
cm
φvar =
ro =
µA/cm
2
74.613
cm2
14922.6
0.0475
µA/cm
cm
I=
X=
φ*π*L
=
A*i=
ro*%=
V=
T=
A*x=
3.5441
(ρ*V*n*F)/(I*Aw) =
A=
2
3
cm
6459107
75
Seg.
días
Probeta C
L=
100
cm
A=
% pérdida =
i=
φvar =
10
200
0.95
%
2
µA/cm
cm
I=
X=
V=
φ*π*L
=
A*i=
ro*%=
A*x=
ro =
0.475
cm
T=
(ρ*V*n*F)/(I*Aw) =
2
298.452
cm
59690.4
0.0475
14.1765
µA/cm
cm
3
cm
2
6459107
75
Seg.
días
Probeta D
L=
25
cm
% pérdida =
20
%
I=
φ*π*L
=
A*i=
i=
φvar =
200
0.95
µA/cm2
cm
X=
V=
ro*%=
A*x=
ro =
0.475
cm
T=
(ρ*V*n*F)/(I*Aw) =
A=
74.613
cm
2
14922.6
µA/cm2
0.095
7.0882
cm
3
cm
12918214
150
Seg.
días
Probeta E
L=
% péerdida =
i=
φvar =
ro =
25
5
200
0.95
0.475
cm
A=
%
2
µA/cm
cm
cm
I=
X=
V=
T=
74.613
φ*π*L
=
A*i=
14922.6
ro*%=
0.02375
A*x=
1.7721
(ρ*V*n*F)/(I*Aw) =
cm
2
µA/cm2
cm
cm3
3229553.5
37
Seg.
días
Tabla 3.6 Cálculo del circuito para cada viga del estudio
32
Varilla
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Viga
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
25
25
25
100
2.5
2.5
25
25
25
100
Control
500
350
450
180
1500
1200
370
400
380
120
-
-
Resistenci
a eléctrica
de la viga
(ohm)
Longitud
de
corrosión
(cm)
Control
Rv
Lcorr
200
200
200
200
200
200
200
200
200
200
-
-
Corriente
de
corrosión
(mA/cm2)
icorr
14.92
14.92
14.92
59.69
1.492
1.492
14.92
14.92
14.92
59.69
-
-
Intensidad
de
corrosión
(mA)
Icorr
18
17
16
3
6
5
15
14
13
1
-
-
Canal de
medición
y control
de
corriente
500
500
500
150
1000
1000
500
500
500
150
-
-
Resistencia
del Canal
(ohms)
Rc
2
0.11
0.11
0.11
0.53
0.00
0.00
0.11
0.11
0.11
0.53
-
-
Potencia de
disipación
(wats)
Pd=Icorr
Rc
4.02
4.02
4.02
1.01
40.21
40.21
4.02
4.02
4.02
1.01
-
-
Voltaje de
excitación
(volts)
Ve=P /
Icorr
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
-
-
emisor
(volts)
colector
Voltaje
Vc-e
7.46
5.22
6.72
10.74
2.24
1.79
5.52
5.97
5.67
7.16
-
-
Voltaje
viga
(volts)
Vv=Icorr
Rv
14.92
14.92
14.92
17.91
2.98
2.98
14.92
14.92
14.92
17.91
-
-
canal
resistencia
Voltaje
Vr=2Icorr
Rc
23.38
21.15
22.64
29.65
6.22
5.78
21.44
21.89
21.59
26.07
-
-
Voltaje de
excitación
total
Vv+Vr+V
c-e
7.62
9.85
8.36
1.35
24.78
25.22
9.56
9.11
9.41
4.93
-
-
Voltaje
colector
emisor
real
Vc-er
0.11
0.15
0.12
0.08
0.04
0.04
0.14
0.14
0.14
0.29
-
-
Potencia de
disipación
real
Pdr=Icorr
2
Vc-er
3 Método Experimental
33
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
3.4.2 Monitoreo y Medición de Grietas
Una vez que comienza a circular la corriente en los especimenes, el acero de
refuerzo se comienza a corroer. Este producto de corrosión genera grietas en el concreto,
por acumulación del mismo.
Para medir la longitud de las grietas, se trazaron retículas rectangulares de 2.5 cm por
2.5 cm en hojas de acetato.
Con esta hoja de acetato transparente cuadriculada se
obtenía la longitud aproximada de la grieta (Figura 3.8).
Figura 3.8 Cuadrícula de acetato para la medición de la longitud de grieta
Para la medición del ancho de las grietas se utilizó un comparador de grietas
transparente, el cual tiene impreso varias líneas de distintos espesores. Este comparador
mide 5 cm de base y 8 cm de altura (Figura 3.9). Este monitoreo y medición de grietas se
realizó cada semana después del monitoreo de la rigidez de cada elemento (pruebas de
carga y descarga).
34
3 Método Experimental
Figura 3.9 Plantilla para la Medición del Ancho de Grieta
3.4.3 Monitoreo de la Rigidez (Pruebas de Carga – Descarga)
El proyecto global contempla investigar, a nivel de laboratorio, los cambios estructurales
en vigas de concreto reforzado producidos por el fenómeno de corrosión de la varilla de
refuerzo.
Se colocaron masas verticalmente en la parte central de la viga, de 0 a 120 kg en pasos
de 20 kg, lo que equivale a un total de 1180 N. Por cada 20 kg aplicados
(aproximadamente 196 N), se registraba el desplazamiento en la parte central de la viga,
utilizando un transductor de desplazamiento por contacto tipo LVDT, marca HBM, modelo
W10TK, con intervalo de desplazamiento de ±10 mm, conectado a un acondicionador
amplificador de señal marca HBM, modelo AB12, con tarjeta para transductor de
desplazamiento HBM MC50. Por cada viga se realizaron tres ciclos de carga y descarga.
Los registros de carga y su deflexión correspondiente se llevaron de manera manual.
35
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
A partir de los datos de las pruebas de carga – deflexión de la viga, se realizó una
regresión lineal del promedio de los datos para cada viga, considerando únicamente los
dos últimos ciclos. El primer ciclo de carga –deflexión fue discriminado para este cálculo
debido al comportamiento histerético del primer ciclo para todas las vigas.
Con la pendiente resultante de las gráficas generadas, se estimó la rigidez
equivalente keq aplicando la expresión de un resorte elástico sencillo:
F = k eqδ
(3.1)
La masa de cada una de las vigas se determinó a partir de la medición directa con una
báscula tipo de palancas con capacidad para 110 Kg., marca ELE, modelo EL 22-8550.
A partir de la expresión derivada de la relación Carga–Deflexión para una viga
simplemente apoyada con carga en el centro, enunciada a continuación:
P=
48EI
y
l3
(3.2)
se obtiene la rigidez equivalente keq:
k eq =
48EI
l3
(3.3)
Del keq calculado de la aplicación de la carga y la deflexión generada, se obtiene el
valor del producto EI para caracterizar cada viga, es decir:
EI =
k eq l 3
48
(3.4)
3.4.4 Prueba de Carga Máxima Estática a Flexión
La prueba de carga realizada en esta investigación se definió en base a las bibliografías
consultadas en las que se señala cómo se fue aplicando la carga a los especimenes. A
36
3 Método Experimental
continuación se mencionan algunas de las pruebas que han realizado otros investigadores
en sus estudios.
J. Rodríguez en sus publicaciones (Rodríguez et al, 1997 y 1996) aplica la carga de dos
maneras distintas, en una la carga se mantiene continua de 6,500 N/min (660 kg/min
aproximadamente) hasta la falla del espécimen y en la segunda la carga (4,800 N/min o
490 kg/min aproximadamente) es aplicada en dos fases: la primera se mide un
desplazamiento de 0.8 mm y se detiene la prueba por 10 minutos para una inspección
detallada del espécimen. Una vez pasados los diez minutos se continúa cargando con los
mismos intervalos (0.8 mm/min) de desplazamiento hasta aplicar la carga de servicio y
una vez alcanzada dicha carga, los intervalos cambian a 1.5mm/min hasta la falla del
espécimen.
También, J. Rodríguez (Rodríguez et al, 1993 y 1996) realizó las pruebas de carga de
su experimento en dos fases, en la primera se cargó al elemento con un desplazamiento
de 0.5 mm/min (3,000N/min o 300 kg/min aproximadamente) hasta la carga de servicio.
Después de llegar a la carga de servicio, se retiró la carga del elemento, y comenzando de
cero volvió a cargar al espécimen con el desplazamiento de 0.5 mm/min hasta la carga de
servicio y de ahí en adelante hasta la falla con intervalos de 0.25 mm/min.
Pritpal S. Mangat (Mangat y Elgarf, 1999) aplicó una carga de 5,000 N/min (510 kg/min
aproximadamente) continua hasta la falla.
Autores como R. Huang y C. C. Yang (Huang y Yang, 1997), J. G. Cabrera (Cabrera,
1996), Abdullah A. Almusallam (Almusallam et al, 1997 y 1996) y G. J. Al-Sulaimani (AlSulaimani et al, 1990) emplearon máquinas universales de carga (Instron) de diferentes
capacidades como 100 y 25 toneladas.
Para la investigación presentada en este trabajo, no es viable aplicar los niveles de
carga como los casos anteriores, ya que los especimenes utilizados en este trabajo son de
una capacidad de carga menor a los utilizados por los otros investigadores; en
37
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
consecuencia las pruebas de carga serían muy rápidas y no se apreciaría la reacción del
elemento a la carga aplicada.
Por lo tanto, la prueba de carga fue igual para todos los especimenes. Se realizó en
una máquina INSTRON 8503 de 50 toneladas de capacidad, en la cual se colocó una viga
de acero como base en forma de I con 10 pulgadas de peralte y 4 pulgadas de patín con
dos apoyos adaptados sobre placa de acero de ¼ de pulgada de espesor soldada a la
viga a 70 cm cada uno del centro de la viga I atornillada al pistón de la máquina (Figura
3.10 y 3.11). La velocidad de desplazamiento del pistón fue de 1 mm/min y a todos los
elementos se les aplicó una precarga de 1 KN (100 Kg aproximadamente). Cada KN de
carga se medía el desplazamiento de la viga de manera manual.
Figura 3.10 Viga de acero empleada en máquina INSTRON como base de apoyo
para las vigas estudiadas
38
3 Método Experimental
Figura 3.11 Viga de acero montada en máquina INSTRON
3.4.5 Pérdida Gravimétrica del Acero
Posterior a la prueba de carga se limpiaron las varillas de acero de refuerzo del
concreto adherido y se elimino el producto de la corrosión con un cepillo de alambre de 1”
adaptable a un taladro eléctrico.
Estas varillas se pesaron para comparar la pérdida de peso sufrida durante el
experimento. La diferencia de peso, designada ∆W, es necesaria para calcular la pérdida
gravimétrica de la masa del acero. La fórmula deducida y aplicada para el cálculo de la
pérdida gravimétrica de la masa del acero es la siguiente:
X = ∆W *103
ρπφL
(3.5)
39
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
donde: ∆W: Diferencia entre el peso inicial – peso final (gr); ρ: Densidad del acero (7.87
gr/cm3); π: 3.1416; φ: Diámetro de la varilla de refuerzo (9.5 mm); L: Longitud de acero
dañado por corrosión (mm).
40
Capítulo 4 Resultados y Discusión
4.1 Pruebas Mecánicas del Concreto
Para determinar la resistencia a la compresión del concreto utilizado, cuatro
cilindros de 15 cm de diámetro x 30 cm de altura, se fabricaron con el mismo concreto
empleado en las vigas de prueba: con cloruros (CCL1 y CCL2) y sin cloruros (SCL1 y
SCL2). Estos cilindros se probaron una semana después de la prueba de resistencia
elástica de las vigas siguiendo la prueba ASTM C-39 para compresión de cilindros de
concreto simple. Los resultados de f’c obtenidos en las pruebas de los cuatro cilindros se
muestran a continuación (Tabla 4.1):
Tabla 4.1 Carga final de los cilindros de prueba
Nomenclatura de
Cilindros
Peso
Carga de
f’C
(Kg)
Ruptura (Kg)
(Kg/cm )
2
Sin
SCL1
12.10
63,246
357.9
cloruros
SCL2
12.00
65,659
371.6
Con
CCL1
12.09
58,230
329.5
Cloruros
CCL2
12.04
61,467
347.8
Como puede observarse, la resistencia de diseño a la compresión, o f’c de diseño,
del concreto utilizado es de 350 Kg/cm2 (definida por la fabrica de concretos), lo cual
concuerda con los valores obtenidos experimentalmente. Únicamente el cilindro CCL1
presentó un valor de f’c menor al de diseño.
41
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
4.2 Morfología de Grietas Observadas
Durante el tiempo que se le aplicó corriente eléctrica a los especimenes se acumuló
en la vecindad de la varilla el producto de corrosión, grietas longitudinales, paralelas a la
barra de refuerzo, de las cuales se midieron su longitud y ancho durante este periodo. En
la Figura 4.1 se muestra cómo se representó en papel la medición de las grietas presentes
durante el monitoreo de una de las vigas. En la Tabla 4.2 se indican los valores de ancho
máximo, ancho mínimo y ancho promedio de las grietas de todas las vigas a las que se les
aplicó corriente eléctrica, así como las fechas en las que se realizaron dichas mediciones.
Nov. 8 del 2001
Semana 4
Ancho máximo = 2 mm
Ancho prom. = 0.79 mm
Ancho mínimo = 0.05 mm
Dic. 7 del 2001
Semana 8
Ancho máximo = 3 mm
Ancho prom. = 0.94 mm
Ancho mínimo = 0.05 mm
Nov. 23 del 2001
Semana 6
Ancho máximo = 2 mm
Ancho prom. = 0.92 mm
Ancho mínimo = 0.08 mm
Dic. 19 del 2001
Semana 10
Ancho máximo = 4 mm
Ancho prom. = 1.05 mm
Ancho mínimo = 0.05 mm
Ene. 4 del 2002
Semana 12
Ancho máximo = 4 mm
Ancho prom. = 1.41 mm
Ancho mínimo = 0.05 mm
Figura 4.1 Mapa de grieta de la Viga 05
Tabla 4.2 Anchos máximo, mínimo y promedio de las grietas de las vigas
42
1.23
2.0
8-Nov-01
4.0
1.41
1.07
0.05
0.05
0.05
2.5
2.0
1.5
1.0
Ancho
Max.
(mm)
0.96
0.79
0.66
0.5
Ancho
Prom.
(mm)
1.42
0.05
4.0
0.94
0.08
0.05
Ancho
Min.
(mm)
4.5
0.98
0.05
3.0
0.92
0.79
Ancho
Prom.
(mm)
12-Feb-02
4.0
0.98
0.05
2.0
2.0
Ancho
Max.
(mm)
1.35
0.05
3.0
0.74
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
4.0
2.48
6.0
4-Ene-02
0.08
2.5
0.83
0.75
Ancho
Prom.
(mm)
V06
14-Ene-02
2.35
5.0
19-Dic-02
0.05
2.0
1.5
Ancho
Max.
(mm)
V05
1.12
1.85
4.0
7-Dic-02
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
V04
3.0
1.7
3.0
23-Nov-01
21-Nov-01
Ancho
Prom.
(Mm)
Ancho
Max.
(mm)
Fecha
V03
0.05
0.08
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
0.3
0.25
0.2
0.15
0.08
Ancho
Max.
(mm)
0.19
0.15
0.11
0.1
0.07
Ancho
Prom.
(mm)
V07
0.08
0.05
0.05
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
0.4
0.4
0.33
0.2
0.1
Ancho
Max.
(mm)
0.23
0.23
0.23
0.15
0.09
Ancho
Prom.
(mm)
V08
0.08
0.05
0.1
0.15
0.08
Ancho
Min.
(mm)
Capítulo 4 Resultados y Discusión
43
44
0.51
1.25
8-Nov-01
0.08
0.08
0.05
0.05
0.08
0.05
1.0
0-92
1.14
1.24
1.34
1.78
4.0
4.0
3.0
6.0
6.0
8.0
7-Dic-02
19-Dic-02
4-Ene-02
14-Ene-02
12-Feb-02
0.05
Ancho
Min.
(mm)
23-Nov-01
21-Nov-01
Ancho
Prom.
(mm)
Ancho
Max.
(mm)
Fecha
V10
2.0
0.63
0.69
0.74
2.0
2.0
0.46
Ancho
Prom.
(mm)
1.25
Ancho
Max.
(mm)
V11
0.05
0.05
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
0.8
0.8
0.8
0.3
Ancho
Max.
(mm)
0.27
0.27
0.28
0.16
Ancho
Prom.
(mm)
V12
0.05
0.05
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
2.41
2.98
10.0
2.05
8.0
9.0
1.65
1.45
Ancho
Prom.
(mm)
6.0
2.0
Ancho
Max.
(mm)
V09
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
Ancho
Min.
(mm)
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Tabla 4.2 Anchos máximo, mínimo y promedio de las grietas de las vigas (continuación)
Capítulo 4 Resultados y Discusión
4.3 Relación Pérdida Teórica vs. Pérdida Gravimétrica
4.3.1 Pérdida Gravimétrica del Acero
Ya limpias las varillas del concreto y el producto de corrosión (Figura 4.2) se pesaron.
En la Tabla 4.3 se muestra la diferencia de peso ∆W.
Figura 4.2 –Proceso de limpiado de varillas.
Tabla 4.3 Resultados de pérdida gravimétrica del acero
Viga
Longitud
01
-
Masa
Inicial
(gr)
904.1
02
-
921.9
921.9
-
03
1000
914.2
829.1
85.1
04
250
911.2
891.3
19.9
05
250
07
25
L (mm)
915.7
902.9
Masa
Diferencia
Final (gr)
∆W(gr)
904.1
-
894.7
21
899.7
3.2
08
25
918.3
915.6
2.7
09
1000
913.8
830.5
83.3
11
250
912.6
899.7
12.9
12
250
919.2
906.6
12.6
45
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
4.3.2 Pérdida Teórica del Acero (Faradaica)
Durante el proceso de corrosión de las vigas se calculó una pérdida teórica de la
masa del acero por medio de la siguiente expresión:
∆W =
Icorr * Aw
n*F
(4.1)
donde: ǻW: Masa perdida de acero (gr); Icorr: Corriente acumulada por día durante
todo el experimento (A); Aw: Peso atómico del Fe (55.85 gr/mol); n: 2 (para Fe ĺ Fe+2); t:
tiempo (segundos) y F: Constante de Faraday (96500 C/mol).
En la siguiente tabla se muestran los valores de la corriente real aplicada (Icorr)
durante el experimento y los correspondientes valores teóricos de masa perdida del acero
(Faradaica) calculados.
Tabla 4.4 Resultados de la corriente acumulada al final del experimento
Viga
Densidad
de
Corriente
2
(µA/cm )
Días
aplicados
de
corriente
Corriente total
(µA/días)
Corriente real
aplicada (µA/días)
Porcentaje
Masa perdida
acumulada (gr)
01
-
-
-
-
-
-
02
-
-
-
-
-
-
59.7
75
4476.75
4185.413
93.49
14.9
75
1119
1192.94
106.608
14.9
75
1119
1167.205
104.308
1.49
75
111.9
115.1396
102.895
1.49
75
111.9
115.3093
103.047
59.7
75
4476.75
4135.197
92.3705
14.9
37
1119
576.6999
104.467
14.92
37
1119
541.7205
98.1307
03
04
05
07
08
09
11
12
46
104.6449
29.82621
29.18279
2.878753
2.882995
103.3893
14.41881
13.54425
Capítulo 4 Resultados y Discusión
4.3.3 Eficiencia de la Corriente del Sistema Utilizado
De la comparación de las pérdidas gravimétrica y teórica resulta que hay una diferencia
entre estos resultados. Esto quiere decir que la corriente aplicada por el galvanostato
durante el experimento no fue del cien por ciento eficiente. El cálculo del porcentaje de
eficiencia del galvanostato es el resultado de la división de la pérdida gravimétrica entre la
pérdida teórica (o Faradaica). Los resultados se muestran en la Tabla 4.5 a continuación:
Tabla 4.5 Eficiencia del galvanostato
Viga
01
Pérdida
Pérdida teórica
Gravimétrica
(Faradaica) (gm)
(gm)
-
-
Porcentaje de
eficiencia del
sistema
-
02
-
-
-
03
85.1
104.6449
0.8132
04
19.9
29.82621
0.6671
05
21
29.18279
0.7196
07
3.2
2.878753
1.1116
08
2.7
2.882995
0.9365
09
83.3
103.3893
0.80.57
11
12.9
14.41881
0.8947
12
12.6
13.54425
0.9303
47
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Se puede observar que dependiendo de la longitud y del tiempo de corrosión, el
galvanostato cambia su eficiencia, como en los casos de longitud de corrosión de 25 cm
que se corroyeron en dos tiempos diferentes, 37 (11 y 12) y 75 días (04 y 05). Se observa
que la eficiencia del galvanostato para los especimenes a los que se les aplicó corriente
eléctrica durante 37 días fue de aproximadamente el 90 % en promedio y para los que se
les aplicó corriente durante 75 días, la eficiencia del galvanostato fue de 70 % en
promedio.
Para los especimenes cuya longitud de corrosión fue de 2.5 cm (07 y 08) se observa
que el galvanostato mantuvo una eficiencia cercana al 100 % y para los especimenes con
longitud de corrosión de 100 cm (03 y 09) la eficiencia del galvanostato es de 80 %
aproximadamente.
4.4 Pruebas de Carga-Deflexión en el Tiempo
Las Figuras 4.3, 4.4 y 4.5 muestran los diagramas de los valores obtenidos en las
pruebas de deflexión de tres vigas diferentes: una viga de control (V02), una viga con
corrosión localizada (V05) y una viga de corrosión uniforme (V03). En dichas figuras se
muestran los valores de carga y deflexión para las pruebas de las semanas 1 (línea azul
con rombos y pendiente azul), 4 (línea verde con cruces y pendiente verde), 8 (línea rosa
con cuadros y pendiente rosa) y 12 (línea amarilla con triángulos y pendiente amarilla)
para cada viga y las pendientes que se generan de las histéresis formadas por los valores
obtenidos. Las figuras de las vigas restantes se encuentran en el Anexo II.
48
Capítulo 4 Resultados y Discusión
1.4
F1 = 8.2113δ
Fuerza [KN]
1.2
F4 = 7.0858 δ
1.0
F8 = 6.3456δ
0.8
F14 = 5.8655 δ
0.6
0.4
Viga 02
0.2
0.0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Deflexión [mm]
Figura 4.3 Gráfica Carga–Deflexión de las pruebas para la viga 02 (control)
Fuerza [KN]
1.4
1.2
F4 = 5.7171 δ
F1 = 7.6128 δ
1.0
F8 = 4.905 δ
0.8
0.6
F14 = 4.36δ
0.4
Viga 03
0.2
0.0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Deflexión [mm]
Figura 4.4 Gráfica Carga – Deflexión de pruebas de la viga 03 (100 cm de corrosión)
49
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
1.4
Fuerza [KN]
1.2
F1 = 7.7174 δ
F4 = 5.2616 δ
1.0
F8 = 4.6272δ
0.8
0.6
F14 = 4.4905 δ
0.4
Viga 05
0.2
0.0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Deflexion [mm]
Figura 4.5 Gráfica Carga – Deflexión de pruebas de la viga 05 (25 cm de corrosión)
Los valores de la rigidez equivalente se estimaron a partir de un promedio global por
viga considerando conjuntamente el proceso de carga y el de descarga. Estos valores se
muestran en la Tabla 4.6. La variación de esta KEQ es significativa, encontrándose en un
intervalo de 5·106 a 10·106 N/mm. Esta variación se debe en parte a que las vigas fueron
coladas de manera interrumpida, sobre todo aquellas a las que se les agregó los cloruros,
por lo que no se puede asegurar una adecuada unión entre la porción con cloruros y el
resto de la viga.
50
Capítulo 4 Resultados y Discusión
Las Figuras 4.6 y 4.7 se muestran los cambios en rigidez durante el experimento para
vigas con corrosión generalizada (V03) y localizada (V05).
( Keq-in - Keq ) / Keq-in
0.60
Viga03
0.50
0.40
y = 0.0171x
0.30
R2 = 0.7884
0.20
0.10
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
Tiempo ( Semanas )
Figura 4.6 Cambio en la rigidez en el tiempo para V03 (corrosión generalizada)
[KN/mm]
6.709
5.712
5.558
5.745
5.390
5.390
5.211
5.651
[KN/mm]
7.407
5.724
5.546
5.535
5.414
5.528
5.230
4.928
Keq
Keq
V11
V12
Tabla 4.6 Rigidez equivalente estimada para cada viga en función del tiempo
51
52
5.384
4.574
4.187
4.446
4.523
4.562
4.557
4.296
3.992
4.246
4.228
4.303
4.145
4.011
4.521
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
18-Oct-01
25-Oct-01
1-Nov-01
8-Nov-01
15-Nov-01
21-Nov-01
29-Nov-01
6-Dic-01
13-Dic-01
20-Dic-01
26-Dic-01
7-Ene-02
11-Ene-02
17-Ene-02
6.465
6.380
6.465
6.465
6.559
6.465
6.270
5.883
6.270
6.733
7.165
7.045
5.937
7.042
8.335
[KN/mm]
[KN/mm]
0
[semana]
Keq
V02
Keq
3-Oct-01
Fecha
Prueba
V01
Keq
4.356
4.905
4.764
4.873
4.745
4.995
5.243
4.726
5.351
5.875
5.809
5.705
5.581
5.956
8.131
[KN/mm]
V03
4.356
3.909
4.202
4.377
4.552
4.961
4.506
5.392
5.230
5.010
5.779
4.967
5.971
8.143
[KN/mm]
Keq
V04
4.649
5.433
5.063
5.359
4.557
5.334
4.815
5.414
5.243
5.392
5.462
5.217
5.981
7.932
[KN/mm]
Keq
V05
4.653
5.174
5.485
5.959
5.883
5.563
5.830
6.915
6.059
6.219
5.847
6.760
6.464
6.939
9.011
[KN/mm]
Keq
V06
5.862
5.563
6.384
5.741
5.850
7.540
7.255
6.518
6.752
6.799
7.287
1.013
[KN/mm]
Keq
V07
5.563
5.954
5.392
6.219
5.651
6.404
6.013
6.071
6.587
6.642
6.911
8.335
[KN/mm]
Keq
V08
4.403
4.735
5.264
6.203
5.850
5.174
5.206
4.724
5.392
5.273
5.594
6.178
5.538
6.034
7.075
[KN/mm]
Keq
V09
4.426
4.486
4.516
4.943
4.954
4.628
4.891
4.995
5.133
4.774
4.737
5.799
5.142
4.886
7.897
[KN/mm]
Keq
V10
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Capítulo 4 Resultados y Discusión
( Keq-in - Keq ) / Keq-in
0.60
Viga05
0.50
0.40
y = 0.0161x
R2 = 0.0929
0.30
0.20
0.10
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Tiempo ( Semanas )
Figura 4.7 Cambio en la rigidez en el tiempo para V05 (corrosión localizada)
4.5 Pruebas de Carga Estática a la Falla
A continuación se muestran las Figuras 4.8 y 4.9, con los diagramas fuerza desplazamiento del pistón para los casos de una viga con corrosión generalizada (viga
V03 con 100 cm de longitud de contaminación de cloruros) y otra con corrosión localizada
(viga V05 con 25 cm de longitud de contaminación de cloruros) respectivamente. Estos
diagramas contienen todos los datos obtenidos durante la prueba de carga en la máquina
INSTRON.
En las Figuras anteriores se observan las líneas que se forman con los valores
obtenidos durante la prueba de carga. Los círculos que se observan son los valores de
deformación medidos de manera manual y las líneas más gruesas son las pendientes que
se generan de tomar las series de valores de los puntos. Los parámetros tomados de
estos diagramas para su análisis se muestran en la siguiente Tabla (4.7).
53
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
14
Viga 03
Fuerza ( KN )
12
10
Pmax
y = 0.0395x + 8.5919
R2 = 1.0
8
y = 0.8675x + 1.4287
R2 = 0.9896
6
Pcrit
m3
m2
4
y = 2.0127x
m
R2= 0.9999 1
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Desplazamiento del Pistón (mm)
Figura 4.8 Diagrama fuerza – desplazamiento del pistón para V03
Fuerza ( KN )
14
Viga 05
12
Pmax
10
y = 0.0647x + 9.4199
m3
R2 = 1
8
y = 2.013x
R2 = 0.9998
6
m1
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Desplazamiento del Pistón (mm)
Figura 4.9 Diagrama fuerza – desplazamiento del pistón para V05
54
45
Capítulo 4 Resultados y Discusión
En las Figuras anteriores se observan las líneas que se forman con los valores
obtenidos durante la prueba de carga. Los círculos que se observan son los valores de
deformación medidos de manera manual y las líneas más gruesas son las pendientes que
se generan de tomar las series de valores de los puntos. Los parámetros tomados de
estos diagramas para su análisis se muestran en la siguiente Tabla (4.7):
Tabla 4.7 Valores obtenidos de los diagramas fuerza – desplazamiento del pistón
Viga
Carga crítica
(KN)
Pcrit
Deformación Carga Desplazamiento
crítica del máxima
máximo del
Pendiente Pendiente Pendiente
pistón (mm)
(KN)
pistón (mm)
Pmax
m1
m2
m3
∆crit
∆max
01
-
-
9.1198
6.0309
1.6366
-
0.1633
02
-
-
10.8403
5.567
2.0455
-
0.2818
03
4.0323
2.9369
8.9560
9.6808
2.0127
0.8675
0.0395
04
-
-
10.2228
5.7693
2.3187
-
0.104
05
-
-
9.5255
5.4996
2.013
-
.0647
07
-
-
9.6116
4.8339
2.3638
-
08
-
-
9.1914
4.6446
1.9879
-
09
3.8197
1.377
10.1858
10.9034
2.0405
0.8544
11
-
-
9.7993
5.4821
2.0001
-
12
-
-
9.4667
4.6816
2.0105
-
0.0551
0.3261
Donde: PCRIT es la carga crítica donde se observa un cambio drástico en la pendiente Fǻ (KN); PMAX es la carga máxima de diseño obtenida al momento que el acero inicia su
fluencia (KN); ǻCRIT es el desplazamiento del pistón al momento de presentarse PCRIT
(mm); ǻMAX es el desplazamiento del pistón al momento de presentarse PMAX (mm); m1 es
la pendiente antes de PCRIT y PMAX (KN/mm); m2 es la pendiente entre PCRIT y PMAX
(KN/mm) y m3 es la pendiente después de PMAX (KN/mm).
55
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Se puede observar de la tabla anterior (4.7), que no se presentan cambios significativos
entre la mayoría de las vigas para los valores de carga máxima y la pendiente m1 de todas
las vigas, pero se observa un cambio de pendiente entre m1 y m2 de casi la mitad en las
vigas con corrosión uniforme (V03 y V10) únicamente.
4.6 Discusiones Generales
En la Tabla 4.8 se resumen los resultados derivados de la investigación, mostrándose,
para cada una de las vigas, el ancho máximo de grieta, AMG; la rigidez a flexión inicial y
final, KINI y KFIN, respectivamente; la pérdida de masa gravimétrica de la varilla de acero de
refuerzo, ǻWG; la pérdida de teórica o Faradaica de masa, ǻWF; valor promedio de la
pérdida de radio, xPROM, y la pérdida de radio nominal de la varilla por corrosión, x/r0.
Tabla 4.8 Resumen de los Resultados Obtenidos
AMG
KINI
KFIN
ǻWG
ǻWF
SCEF
xPROM
(mm)
(N/mm)
(N/mm)
(gm)
(gm)
(%)
(mm)
V01
-
4,574
4,521
-
-
-
-
V02
-
7,042
6,465
-
-
-
-
-
V03
7.0
5,956
4,356
85.1
104.6
81.4
0.363
0.076
V04
4.0
5,971
3,909
19.9
29.8
66.8
0.339
0.071
V05
4.0
5,981
5,433
21.0
29.2
71.9
0.358
0.075
V06
8.0
6,939
3,822
40.1
56.9
70.5
0.684
0.144
V07
0.3
7,287
5,862
3.2
2.88
111.1
0.546
0.115
Viga
56
xPROM/r0
-
V08
0.4
6,911
5,563
2.7
2.88
93.7
0.460
0.097
V09
11.0
6,034
4,403
83.3
103.4
80.6
0.355
0.0747
V10
8.0
4,886
4,403
37.1
50.5
73.8
0.633
0.133
V11
2.0
5,724
5,230
12.9
14.4
89.6
0.220
0.046
V12
0.8
5,712
5,211
12.6
13.5
93.3
0.215
0.045
Capítulo 4 Resultados y Discusión
4.6.1 Levantamiento de Grietas
Las grietas debidas a corrosión se presentaron en la cara inferior de las vigas, paralelas
a la varilla de refuerzo. El ancho y la longitud de las grietas fue mayor conforme avanzó el
proceso de corrosión.
La Figura 4.1 muestra varias etapas en las que se aprecia el
crecimiento de una grieta en una de las vigas con corrosión localizada.
La segunda
columna de la Tabla 4.8 muestra, para cada viga, los datos correspondientes al ancho
máximo de grieta, AMG, obtenidos al término del proceso de aplicación de la corrosión
acelerada.
Además de las grietas en la cara inferior, las vigas con mayor longitud activa de
corrosión (V03 y V09), así como una de las vigas de longitud activa intermedia (V10)
sujeta a la mayor pérdida de radio, presentaron grietas longitudinales en las caras
laterales. Lo anterior concuerda con resultados de investigaciones previas (Torres Acosta
1999) en donde la expansión de los productos de corrosión en concreto genera más de
una grieta en el concreto. Los resultados de esta investigación sugieren que se requiere
de un mayor avance del proceso de corrosión localizada para generar grietas de mayor
longitud y ancho, similares a las obtenidas en vigas sujetas a corrosión generalizada.
Por otro lado, en las vigas con corrosión generalizada (V03 y V09) se observó también
que se presentaron en promedio seis grietas perpendiculares a la grieta longitudinal
principal. Estas grietas transversales pueden ser debidas a la flexión que resulta de la
pérdida de anclaje entre el concreto y la barra de refuerzo por efecto de la corrosión.
Similarmente, las vigas con corrosión localizada presentaron en menor grado el mismo
tipo de grietas transversales (dos a tres grietas transversales en promedio).
4.6.2 Pérdida de Rigidez a Flexión por Corrosión
A través del método usado de carga y descarga se determinó la pérdida de rigidez a
flexión de las vigas estudiadas, observando que esta rigidez, en términos de la pendiente
57
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
de una gráfica de la fuerza de Carga-Desplazamiento, disminuye al aumentarse la pérdida
de radio por corrosión. En la Tabla 4.8, columnas tercera y cuarta, se presentan el valor
de rigidez a flexión antes de iniciarse el proceso acelerado de corrosión (rigidez inicial,
KINI) y el valor final del proceso de corrosión (rigidez final, KFIN) obtenidos en cada viga,
incluidas las vigas de control. Las Figuras 4.3 a la 4.6 presentan los diagramas de cargadeflexión para una viga control (Figura 4.4), otra con corrosión generalizada (Figura 4.5) y
otra con corrosión localizada (Figura 4.6). De estas figuras se puede observar que en la
viga control (V02) no se presentan cambios de consideración en su rigidez. Sin embargo,
en los casos de las vigas sujetas a corrosión es visible una disminución en las pendientes
de estas líneas, mostrando el valor máximo antes de iniciarse el proceso de corrosión y el
valor mínimo al finalizar el tiempo de exposición a la corrosión acelerada. Es importante
aclarar que las vigas con corrosión localizada tuvieron disminuciones en el valor de la
rigidez del mismo orden que aquéllas con corrosión generalizada.
De la Tabla 4.8 se puede observar una disminución muy marcada en la rigidez en
flexión de las vigas con corrosión localizada, de un 9% para una pérdida de radio de sólo
un 4.5%, hasta un 45% (promedio 27.5%) para una pérdida de radio de tan sólo un 14.4%.
4.6.3 Eficiencia del Sistema de Corrosión Acelerada
Para evaluar la eficiencia del sistema de inducción de la corrosión, se comparó la
pérdida de masa medida con la pérdida de masa teórica de la varilla de acero de refuerzo,
es decir, la masa gravimétrica contra la masa Faradaica. La masa Faradaica, ǻWF, se
calculó de la siguiente expresión (Fontana 1988):
∆WF =
( ³ I ⋅ dt ) ⋅ AW
n⋅F
(4.2)
donde œI·t·dt = área bajo la curva Corriente-Tiempo (Amp·sec), AW es el peso molecular del
Fe (55.9 g/mol), I es la corriente total aplicada (A), t es el tiempo de aplicación de la
corriente (s), n es la valencia (para FeĺFe2+ n = 2) y F es la constante de Faraday (9,487
C/mol).
58
Los valores obtenidos se muestran en la Tabla 4.8.
La relación ǻWG/ǻWF
Capítulo 4 Resultados y Discusión
(llamada aquí eficiencia del sistema de corrosión, SCEF, en Tabla 4.8) proporciona valores
desde 0.67 a 1.11, mientras que el promedio para todos los experimentos es de 0.83. Los
valores más altos de aprovechamiento de la corriente fueron en las vigas de corrosión
sub-localizada.
4.6.4 Pérdida de Radio Promedio por Corrosión
Con los valores medidos de la masa final de las varillas de acero y calculada la pérdida
de masa gravimétrica, ǻWG, se estimó el valor promedio de pérdida de radio, xPROM, como
fue descrito previamente. Los valores estimados de xPROM se presentan en la Tabla
4.8.
Como siguiente paso, a partir de la historia de la corriente aplicada, se estimó el
valor teórico de la pérdida de radio en función del tiempo, denotado como xTEOR,
combinando las expresiones 2 y 1. A continuación se determinaron los valores de pérdida
de radio promedio en el tiempo utilizando la siguiente interpolación: xPROM(t)= (t / tFIN)
·xPROM, en donde tFIN = es el tiempo al desconectar (en días) a la viga del dispositivo
electrónico (galvanostato), t = tiempo (en días).
La Figura 4.10 muestra los valores experimentales de la relación xPROM(t)/r0 y el ancho
máximo de grieta medido para corrosión generalizada (CG), corrosión localizada (CL) y
corrosión sub-localizada (CAL) comparados con los resultados de otras investigaciones
(Torres Acosta y Martínez Madrid 2001). De esta figura se puede observar que las grietas
por corrosión se propagan con mayor rapidez cuando la corrosión es generalizada que
cuando es localizada. Esto es corroborado con los valores de las pendientes de la las
líneas de proyección mostradas en la Figura 4.10, las cuales se estimaron con un valor
promedio de 115.8 mm, 54.9 mm y 3.1 mm para CG (LC=100 cm), CL (LC=25 cm) y CAL
(LC=2.5 cm) respectivamente. Con los resultados experimentales obtenidos se encontró
una relación casi lineal entre la proporción de pérdida de radio y el ancho máximo de
grieta.
59
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
100
y = 115,76x
R 2 = 0,5874
y = 54,923x
AMG ( mm )
10
R 2 = 0,7609
1
y = 11,952x
R 2 = 0,2143
y = 3,1338x
R 2 = 0,5261
0,1
0,01
0,001
Otros Autores
0,01
CG
x/r0
0,1
CL
1
CAL
Figura 4.10 Valores experimentales entre el ancho máximo de grieta por corrosión
(AMG) y xPROM/r0. En las líneas de tendencia y= AMG y x = xPROM/r0
Asimismo, en la misma figura se observa que los valores obtenidos por otras
investigaciones quedan entre los rangos definidos de las vigas con corrosión altamente
localizada (V07 y V08) y los valores de las otras vigas con longitudes mayores de 25 cm.
Esta diferencia podría ser debida a que en la investigación de referencia se utilizaron
probetas de concreto (prismas, columnas, trabes y losas) a los cuales no se les aplicó
carga alguna durante el proceso de corrosión acelerada, en comparación con los
resultados de esta investigación en donde las vigas fueron cargadas constantemente
(prueba de carga-descarga) por lo que muy probablemente generó que las grietas por
corrosión aumentaran en grosor y longitud (grieta activada por cargas externas).
60
Capítulo 4 Resultados y Discusión
De los resultados presentados se podría inferir que, en elementos con zonas de
corrosión muy localizadas, la propagación de las grietas (por corrosión) es más lenta,
necesitando mayor volumen de productos expansivos de corrosión para poderse propagar
en longitud y ancho.
Esto apoya trabajos anteriores en donde se observó un
comportamiento similar en el agrietamiento del concreto por corrosión localizada (Torres
Acosta 1999).
4.6.5 Pérdida de Rigidez por Corrosión
En la Figura 4.11 se presenta la proporción del cambio de la rigidez por corrosión,
expresada como (KINI – Ki )/ KINI en función de la pérdida de radio, xPROM(t)/r0, para (a) CG,
(b) CL y (c) CAL, en donde Ki representa el valor actual de rigidez a lo largo del tiempo.
De esta figura se puede inferir que, en base a la similitud que presentan los resultados
observados de las pendientes de las tendencias (en Figura 4.11b sólo se muestran cuatro
líneas de tendencia por haber espacio insuficiente), el cambio de rigidez por corrosión es
independiente de la longitud corroída. El proceso de degradación por corrosión incluye,
además de la disminución del radio original de la barra de refuerzo, la propagación de
grietas en el concreto.
Del análisis de la proporción del cambio de rigidez por corrosión en función del
incremento del perímetro de las vigas ocasionado por el ensanchamiento de las grietas
(ancho máximo de grieta, AMG, dividido entre el perímetro de la viga inicial, 500 mm) se
observaron las tendencias mostradas en la Figura 4.12. De aquí se desprende que hay
mayor proporción de cambio de la rigidez en las vigas con corrosión altamente localizada
(CAL), con respecto al ancho de la grieta, que en las vigas con corrosión localizada o
generalizada.
61
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
0,4
0,3
0,2
(a)
V03
V09
y =22,7393x
R = 0,7135
0,1
0
0,5
KINI - Ki / KINI
KINI - Ki / KINI
0,5
y = 2,0089x
2
R = 0,0638
0,05
x / r0
y = 2,8836x
2
R = 0,8771
0,4
0,3
0,2
0,5
0,1
0
0,4
0,1
0,15
y = 2,0533x
R = 0,7096
2
y = 1,7154x
R 2= 0,5069
0,1
0
0,05
V12
(c)
0,3
0,2
V11
y = 0,9561x
2
R = 0,4513
x / r0
V07
V08
V10
y = 2,4891x
2
R = -0,725
2
0,15
V04
V05
V06
y = 4,4837x
2
R = 0,7018
R
0,1
KINI - Ki / KINI
(b)
0,05
x / r0
0,1
0,15
Figura 4.11 Cambios en rigidez en flexión por corrosión (KINI – Ki / KINI) y xPROM/r0
para (a) CG, (b) CL y (c) CAL. En las líneas de tendencia y= (KINI – Ki / KINI) y x =
xPROM/r0
Esta diferencia implica que la degradación en el concreto (disminución de rigidez) producto
de la expansión de los productos de corrosión, es más marcada cuando se presenta una
grieta en una zona pequeña, comparada con zonas amplias de corrosión.
62
Capítulo 4 Resultados y Discusión
0,4
0,3
0,2
V03
V09
y = 16,416x
2
0,8874
R =
y = 7,2248x
2
R = 0,1713
0,1
0
0,5
(a)
KINI - Ki / KINI
KINI - Ki / KINI
0,5
0,01
0,02
0,03
0,4
0,3
y = 33,35x
2
R = 0,8009
KINI - Ki / KINI
0,4
V04
V05
V06
y = 40,039x
R 2= 0,801
y = 17,221x
R = 0.2014
0,2
V10
2
0,1
V11
y = 7,1862x
2
R = 0,4791
0
0,01
0,02
V12
0,03
AM G / Perímetro 0
AM G / Perímetro 0
0,5
(b)
V07
V08
(c)
0,3
0,2
0,1
0
y = 255,07x
2
R = 0,0146
y = 151,47x
2
R = 0.12606
0,01
0,02
0,03
AM G / Perímetro0
Figura 4.12 Cambios en la rigidez en flexión por corrosión (KINI – Ki / KINI) y AMG /
Peímetro0 para (a) CG, (b) CL y (c) CAL. En las líneas de tendencia y= (KINI – Ki / KINI)
y x = AMG / Perímetro0
63
Capítulo 5 Conclusiones y Recomendaciones
5.1 Conclusiones
El experimento realizado en esta Tesis ha sido de gran utilidad, ya que se ha adquirido
cierta experiencia para la realización de más experimentos de este tipo y se han obtenido
los primeros resultados a nivel nacional en materia de capacidad de carga de elementos
de concreto dañados por corrosión. Estos resultados han sido muy útiles para entender
cómo se pueden conservar de mejor manera las estructuras de concreto reforzado y
desarrollar materiales protectores de estas estructuras. También, estos resultados se
pueden aplicar en las diferentes áreas de trabajo de la Ingeniería, como la Ingeniería
Estructural, Hidráulica, Marítima y Fluvial, Ambiental y Sanitaria, de Comunicaciones y
Transportes, etc.
Los beneficios arrojados por esta investigación son: que se puede hacer un diagnóstico
visual y analítico del estado de las estructuras de concreto reforzado dañadas por
corrosión; trabajar para hacer mejores estructuras de concreto, más durables y confiables;
y trabajar en materiales como pinturas, aleaciones, láminas, etc. que funcionen como
ánodos de sacrificio para proteger el acero de refuerzo de las estructuras, provocando un
menor daño en el mismo.
Debido a que el concreto es un material al que no se le puede predecir su
comportamiento de manera exacta, se estima que las desviaciones del estudio fueron
provocadas en mayor parte por la fabricación de las probetas, dado que se fabricaron en
dos tiempos (primero la parte sin cloruros y después la parte con cloruros o viceversa).
La resistencia característica en compresión del concreto contaminado con cloruros
disminuyó en un 10 % aproximadamente con relación al mismo concreto preparado sin
esta contaminación. Esta diferencia es despreciable de acuerdo con la normatividad de
ACI.
63
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
Las grietas debidas a corrosión fueron observadas en la cara inferior de las vigas (la
cara más cercana a la varilla de refuerzo) y eran paralelas al acero de refuerzo. Estas
grietas debidas a corrosión se ensancharon y alargaron conforme la corrosión avanzaba.
Se encontró una relación casi lineal entre la pérdida promedio de radio (xPROM) de la varilla
y en ancho máximo de grieta.
También se observó que en las vigas con corrosión
generalizada se presentaron grietas perpendiculares a la varilla de refuerzo, generadas
(posiblemente) por el proceso de carga y descarga.
El sistema para corroer las varillas mostró una eficiencia adecuada cuyos valores
fluctuaron entre el 67 y el 111%, según la longitud de corrosión, donde los valores más
altos fueron para las vigas con corrosión localizada y los menores para las vigas con
corrosión generalizada.
EL método usado para el proceso carga y descarga pudo detectar física y
objetivamente la pérdida de rigidez de los elementos estudiados, observando que la
rigidez disminuyó al aumentarse la pérdida de radio por corrosión. No se encontró relación
entre la pérdida de rigidez en el tiempo y la longitud de corrosión.
Para los elementos estudiados (geometría y dimensiones propuestas), la variación de
la carga máxima resistente en función de la pérdida de radio de la varilla por corrosión fue
pequeña. La única diferencia importante fue la observada en las vigas con corrosión
generalizada (100 cm), que presentaron dos máximos de carga (a 4 y 9 KN
aproximadamente) al igual que un cambio de pendiente considerable después de alcanzar
la carga el valor del primer máximo (4 KN). A pesar de que las vigas con corrosión
generalizada presentaron valores máximos de carga del mismo orden que los controles,
sus deformaciones fueron mayores que los controles, implicando una posible pérdida en la
seguridad del elemento. De los resultados obtenidos en capacidad de carga, se puede
deducir que para corrosión localizada, la resistencia del elemento estructural disminuye
poco en comparación con la resistencia del elemento corroído en forma generalizada.
64
Capítulo 5 Conclusiones y Recomendaciones
Debido al número limitado de vigas probadas en esta investigación, en los resultados
obtenidos no se encontró una relación marcada entre la pérdida promedio de radio, xPROM,
y la profundidad de picadura máxima.
Se encontró una relación muy general en cuanto al valor de xPROM y la pérdida de
rigidez (Kini-Ki / Kini) de los elementos, donde el valor de xPROM es directamente
proporcional a la pérdida de rigidez.
Con los datos experimentales obtenidos, no se
encontró diferencia marcada de la relación xPROM - Kini-Ki / Kini entre los valores de las
vigas con corrosión generalizada y las vigas con corrosión localizada.
Asimismo, se
obtuvo una correlación entre el ancho máximo de las grietas en el concreto y la relación
Kini-Ki / Kini, donde ambos valores experimentales presentaban una proporcionalidad
directa. También se pudo observar que para corrosión localizada los valores de la relación
entre xPROM y Kini-Ki / Kini fueron una magnitud mayor comparada con los valores obtenidos
con corrosión generalizada.
5.1 Recomendaciones
Es necesario realizar mayores estudios en este tema, debido a que en este trabajo sólo
se mostraron valores de un número reducido de probetas. Sería conveniente hacer el
experimento con un número mayor de probetas, con diferentes dimensiones y armados.
Asimismo, aumentar las variables como temperatura, humedad, etc., para simular los
diferentes ambientes a los que pueden estar expuestas las estructuras de concreto
reforzado y controlar el proceso de fabricación de las probetas de trabajo, dado que este
proceso se da en dos tiempos.
65
Cambios en la Rigidez y Resistencia a Flexión de Vigas de Concreto Dañados por Corrosión del Refuerzo
66
Capítulo 6 Referencias
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71
CIUDAD DE MEXICO
SANFANDILA
Av. Patriotismo 683
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03730, México, D. F.
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