ADHERENCIA Y CORROSI N DE LOS HIERROS DE REFUERZO EN MORTEROS CON FIBRAS SINT TICAS

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
ADHERENCIA Y CORROSIÓN DE LOS HIERROS DE REFUERZO
EN MORTEROS CON FIBRAS SINTÉTICAS
O.R. Batic, J.D.Sota, R.O.Carbonari, R. Romagnoli
LEMIT, calle 52 y 121. 1900 La Plata, Argentina– E Mail [email protected]
RESUMEN
En los últimos años se han desarrollado fibras no metálicas para ser incorporadas en el hormigón a fin de mejorar
el comportamiento de las mezclas cementicias frente a la fisuración ya sea por: contracción por secado, acción
térmica, pequeñas vibraciones, etc..
Se dosifican en porcentajes de volumen bajos y se obtienen resultados difíciles de lograr con otros materiales,
con un bajo costo, por lo que se están usando cada vez con mas frecuencia.
Por considerar que existen pocos antecedentes bibliográficos sobre la incidencia que producen sobre la tensión
de adherencia acero-mortero y la corrosión del hierro en ambientes agresivos como pueden ser los que contienen
cloruros, se inició un estudio sistemático comparativo en probetas de mortero con acero empotrado sin y con
fibras ( 1,5 % en peso del cemento) y se hicieron ensayos hasta la edad de quince meses.
Palabras claves: Fibras, interface, acero-mortero, adherencia, durabilidad, corrosión.
INTRODUCCIÓN
El hormigón es una roca artificial compuesta
principalmente por una matriz cementicia continua,
una fase de agregados discontinuas y una interfase
pasta-agregado que posee poca resistencia mecánica
a la tracción. En consecuencia, para compensar o
mejorar esta limitación, se introduce el refuerzo de
hierro que constituye el hormigón armado.
Otra debilidad de este material es su
tendencia a fisurarse aún sin carga y principalmente
en las primeras edades por contracciones plásticas,
por secado, por gradientes de temperaturas,
vibraciones, movimientos de los moldes, formas,
etc.. A fin de incrementar las defensas frente a estas
solicitaciones, en los últimos años, se ha
desarrollado una tecnología de producción de fibras
para aplicar en el hormigón tanto para desarrollar
propiedades especiales (resistencia al impacto,
fatiga), como para reducir la tendencia a la
fisuración.
Existen en el comercio una gran variedad de
fibras en cuanto a la composición (acero, vidrio,
carbono, polímeros, etc.), como a medidas y formas.
Está demostrado que además de incrementar
la resistencia a los esfuerzos de tracción, la
influencia mas significativa de la incorporación de
fibras a las matrices cementicias es la capacidad de
controlar la fisuración, al ejercer una acción de
costura o puente a través de las fisuras permitiendo
la transición de las tensiones [1].
Las fibras cortas y discretas de polipropileno,
son inertes en su interacción con los otros
componentes del hormigón siendo, además,
hidrófugas. Su incorporación en porcentajes óptimos
no introducen modificaciones en la dosificación de
los morteros y hormigones, ni la necesidad de
incorporar aditivos [2]. Se agregan en porcentajes
bajos de volumen que no superan el 2 %
obteniéndose resultados promisorios y con un costo
razonable, es por ello que se usan cada vez con mas
frecuencia.
El acero en el hormigón se pasiva
rápidamente debido a la formación de una película
de óxidos y silicatos que se depositan sobre él y
disminuyen notablemente su velocidad de corrosión
en un medio de pH elevado [3]. Hay otros factores
que contribuyen a aumentar la durabilidad de la
estructura de hormigón armado, tales como un
recubrimiento adecuado de las barras de acero, la
baja porosidad del hormigón, la buena adherencia
acero-mortero, una mínima fisuración y la
posibilidad de repasivación del acero. La película
pasiva puede ser destruida parcial o totalmente por
la exposición a medios agresivos como los que
tienen alta concentración de cloruros, carbonatación
de la masa de hormigón, presencia de fallas en la
estructura que facilitan el ingreso de los agentes
agresivos oxigeno y humedad, etc.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Al plantear este trabajo se propuso como
objetivos, obtener información sobre la influencia
que producen las fibras de polipropileno sobre la
tensión de adherencia entre el mortero y el acero y
además estudiar la pasivación que producen las
mezclas cementicias sobre el acero de refuerzo,
cuando se aplica un sobrepotencial de –500 mV
(apto para protección catódica), con respecto al
potencial de corrosión del acero de refuerzo, sin
cobertura cementicia, en cloruro de sodio 3%.
En estudios previos [3] se había detectado
que este potencial produce una caída de las tensiones
de adherencia de aproximadamente un 10 % y esta
era la condición mas desfavorable hallada, debido a
ello es que se decidió hacer el estudio tomando en
cuenta esta variable, sobre un tipo de probeta, y dos
electrolitos diferentes, agua potable natural y una
solución de cloruro de sodio al 3%.
PARTE EXPERIMENTAL. MATERIALES,
PROBETAS Y ENSAYOS.
Con la finalidad de estudiar la incidencia que
tiene el empleo de fibras de polipropileno en el
mortero, sobre la adherencia y la corrosión se
hicieron probetas cilíndricas colocando en el eje una
barra de acero liso.
respecto al potencial de corrosión del acero de
refuerzo en cloruro de sodio 3%, empleando ánodos
de platino. Al cabo de este período se sometieron a
un ensayo de arrancamiento, a fin de determinar la
variación de adherencia en la interfase aceromortero. Se realizó un ensayo similar, pero sin
polarizar las barras de refuerzo. En este caso se
midió, además, el potencial de corrosión de las
armaduras, en función del tiempo (Figura 1).
Las medidas de potencial de corrosión
revelan que, para las probetas sumergidas en agua
potable, la presencia de fibras de polipropileno
aumenta la susceptibilidad a la corrosión del acero
de refuerzo dado que los potenciales están
desplazados hacia valores más negativos, con
respecto a las probetas que no tienen fibras
agregadas. Esto podría deberse a la aparición de
micropilas de aireación diferencial en la zona de
contacto acero-fibra plástica. Cuando el electrolito
empleado es cloruro de sodio 3%, esta tendencia se
observa aún en las probetas que no tenían fibras
adicionadas. Luego de la extracción se observó que
las barras de acero de probetas estacionadas en
cloruro de sodio al 3 % mostraban sobre la
superficie puntos de óxidos, en cambio las
estacionadas en agua presentan la capa oscura
inalterada, característica de la piel de cemento.
Ensayo de adherencia.
Preparación de probetas.
Se prepararon probetas cilíndricas de
morteros; en el eje de cada probeta se colocó una
varilla de acero lis o de construcción de dureza
natural, de 6 mm de diámetro. Se usaron dos
morteros, uno se preparó con una relación en peso,
cemento-arena 1:3, con una razón agua/ cemento
0,50. Se empleó cemento portland normal Tipo
CPN40 (IRAM 50000) y una arena sílico
feldespática graduada obtenida en el Río de La Plata,
sobre la costa de Uruguay (IRAM 1633). El segundo
mortero se realizó en idénticas condiciones pero
agregando a la mezcla 1,5% en peso del cemento en
fibras de polipropileno. No se observaron
inconvenientes con la elaboración del mortero. Para
obtener las probetas de estudio se utilizaron moldes
cilíndricos, de 5x10 cm, que se llenaron en tres
capas, que fueron compactados cada capa con un
pisón, se tomo la precaución de que la superficie
superior final quede plana a fin de evitar la
concentración de tensiones durante el ensayo de
extracción de la barra. Durante las primeras 24
horas, las probetas permanecieron en el molde, en
cámara húmeda (>95% HR y 23±2°C). Luego se
desmoldaron y se mantuvieron bajo agua hasta
completar los 28 días de curado en las mismas
condiciones de humedad relativa y temperatura.
Un conjunto de ocho probetas se colocó en
cubas de material plástico (60x40x25 cm), con dos
electrolitos diferentes: agua potable, de resistividad
moderadamente alta, y cloruro de sodio 3%, de baja
resistividad. Las probetas se polarizaron durante 15
meses con un sobrepotencial de -500 mV, con
El ensayo de adherencia se desarrolló
tratando de extraer la barra de acero empotrada en el
mortero mediante la aplicación de un esfuerzo
creciente, a fin de producir el arrancamiento (“pull
out”) de la misma. Este ensayo se diseñó utilizando
como base las normas ASTM C 234-91a e IRAM
1596/56, adaptándolo a nuestro estudio, para lo cual
se hicieron las siguientes modificaciones: reducción
del tamaño de la probeta (5x10 cm) y reducción del
diámetro de la barra de acero (6 mm).
La rama larga de la barra empotrada fue
tomada por las mordazas de la máquina de ensayo;
la pequeña saliente de longitud 4-5 mm del otro
extremo se utilizó para registrar los deslizamientos
del acero con respeto al mortero por medio de un
micrómetro (sensibilidad de medida 0,01 mm). Entre
la superficie de apoyo de la probeta y la base rígida
de la máquina de ensayo, se colocó un material de
nivelación y transferencia (hule o polímero).
El ensayo se realizó aplicando una carga P de
aproximadamente 20-30 Kg/cm2 .min.; procediendo
a registrar las cargas necesarias para producir
deslizamientos de 10, 20, 30, 40 y 50 unidades (o
más en caso de ser posible) y la carga máxima de
arrancamiento. Se pueden presentar tres tipos de
rotura que indican la finalización del ensayo: 1) que
la barra deslice por lo menos 2,5 mm respecto al
mortero, 2) que se fisure el mortero de la probeta por
resultar la tensión de adherencia superior a la
resistencia a tracción del mortero o 3) que la barra
de acero llegue a fluencia o se rompa. Es deseable
que la rotura se produzca en la forma descripta en el
primer término.
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elasticidad individuales del mortero y del acero se
mantienen constantes para todas las probetas.
Tabla 1. Tensión de adherencia (Kg/cm2 )en
probetas polarizadas con un sobrepotencial
de -500 mV.
Probetas
Electrolito
c/ fibras
Agua potable
42.0
Cloruro de
sodio 3%
41.8
Probetas
s/ fibras
42.0
42.4
Los resultados de los ensayos de adherencia
(Tabla 1) muestran que no existen diferencias
significativas entre los resultados obtenidos entre las
probetas estacionadas en agua y las colocadas en
solución de cloruro de sodio 3%. Es interesante
destacar que los valores de la tensión de adherencia
para las barras lisas son, término medio, 30% más
bajos que los encontrados para barras de acero con
nervaduras [3, 4].
Estudios mediante microscopía electrónica de
barrido (SEM)
Figura 1
La tensión de adherencia, Tadh (kg/cm2 ), se
calcula utilizando la expresión:
Tadh= P (kg)/ S (cm2 )
Siendo P la carga necesaria para producir un
determinado deslizamiento y S la superficie lateral
de la barra en contacto con el mortero. En el
presente estudio se determinó la Tadh como un
promedio de las cargas necesarias para producir las
deformaciones en intervalos de 10 hasta 50
unidades. Se ensayaron ocho probetas a la edad de
15 meses por cada electrolito (Tabla 1). Por tratarse
de ensayos comparativos realizados con los mismos
materiales y los ensayos se realizan en un tiempo
pequeño, se considera que los módulos de
Las barras de acero polarizadas, sumergidas
en agua potable, presentaban una película más o
menos uniforme que recubre toda la superficie de la
barra (Figura 2, 1000x). Esta película estaba
constituida por un gel llamado “piel de cemento”
compuesto mayoritariamente, por óxido de hierro
(94,8%); el resto es una pequeña cantidad de óxido
de aluminio (4,3%) y de óxido de calcio (0,9%). En
investigaciones anteriores se encontró que los geles
formados en las barras con nervaduras son más ricos
en CaO y en SiO2 [3, 4].
Se
observaron
además,
formaciones
incipientes de óxido de hierro de mo rfología
globular, lo cual no fue observado en las barras con
nervaduras [3, 4]. Esto último indicaría que tal vez
sea necesario aplicar un mayor sobrepotencial para
lograr el mismo grado de protección en las barras
lisas que en las barras con nervaduras. Las probetas
que contienen fibras, presentaban características
similares.
Los morteros en agua potable desarrollaron
geles de S-C-H y formaciones laminares con mayor
relación CaO/SiO2 (Figura 3, 2000x). La
composición del gel de sílice es: Al2 O3 3.39%, SiO2
27.6% CaO 67.21% y Fe2 O3 1.8%. Las laminillas
tienen una composición Al2 O3 9.36%, SiO2 38.96%
CaO 47.77% y Fe2 O3 3.98%, determinados por
EDAX.
Según trabajos previos, el desarrollo de geles
y microcristales es más abundante en las barras con
nervaduras que en las lisas a causa de las tensiones
acumuladas en las mismas [3, 4]. El desarrollo de
geles y cristales tiende a pasivar estas zonas de alta
energía (Figura 4, 2000X). Los morteros en contacto
con barras con nervaduras desarrollan algunas
estructuras diferenciales como el S-C-H del tipo I y
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del tipo II, además de formaciones laminares de
hidróxido de calcio (Figura 5, 5000X) [3, 4].
Figura 2
En las imperfecciones de las películas de
óxidos aparecen estructuras muy pequeñas las
cuales, aparentemente, crecen para reparar la ruptura
de la película protectora originada por los óxidos. Se
piensa que la presencia de Al, Si y Ca estabilizan los
óxidos de hierro evitando el desarrollo de estructuras
expansivas.
En las probetas de mortero con las barras
lisas sumergidas en cloruro de sodio 3% aparece una
estructura similar al de las probetas sumergidas en
agua aunque los granos de gel son pequeños y de
estructura algo más porosa, además llamo la
atención la formación abundante de un polvillo
blanco.
CONCLUSIONES
El objeto de este trabajo fue conocer las
diferencias que produce la incorporación de fibras de
polímeros sobre la adherencia mortero-acero, la
corrosión del acero y la microestructura del mortero
en contacto con barras de acero liso, sin tratamiento
mecánico.
Las conclusiones que se extraen de los
resultados obtenidos son:
Figura 3
1)
2)
3)
4)
Figura 4
5)
6)
La tensión de adherencia mortero-acero
como era de esperar se reduce notablemente
con respecto a los de las barras
conformadas de dureza natural.
La morfología
de los compuestos
cementicios sobre el acero y área de
influencia
varían
sensiblemente,
principalmente la del S-C-H.
Parece ser necesario disminuir el potencial
del acero para evitar corrosión cuando los
morteros contienen fibras de polipropileno.
Se estima la conveniencia de continuar el
estudio a fin de confirmar algunos
resultados y disponer de mayor información
vinculada con el cambio de morfología.
La inclusión de fibras de polímeros en el
mortero no provoca diferencias apreciables
en la tensión de adherencia mortero-acero
al usar barras lisas.
Se observan indicios que hacen presumir
que la inclusión de fibras poliméricas
producen mayor sensibilidad frente a la
corrosión, por lo que sería conveniente
hacer estudios a edades superiores a las
estudiadas.
Figura 5
REFERENCIAS
Las probetas con barras polarizadas que estuvieron
sumergidas en cloruro de sodio 3%, mostraron
mayor desarrollo de óxidos de Fe. El tamaño de las
partículas de óxido y su densidad superficial es
mayor que en el caso de las probetas en contacto
con agua potable.
[1] Swamy R. N. Fibre reforcement of cement and
concrete materiaux et contructions
materials
and estructures. RILEM. Mai-juin. 1975 N° 45.
[2] Sota J.D. , Traversa L.P. Control de fis uras en
morteros cementicios, mediante fibras de
polipropileno. SAM96. 1er. Taller Nacional
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
sobre Materiales para la Construcción. Tandil
(1996)
[3] Batic, O.R., Vetere, V.F., Romagnoli, R., Sota,
J.D., Lucchini, I.T., Carbonari, R.O. Steel –
mortar bond strength in cathodically protected
specimens after one year exposure. Bulletin of
Electrochemistry, 16 (5), 199-204 (2000).
[4] Vetere, V.F., Batic, R.O., Romagnoli, R.,
Lucchini, I.T., Sota, J.D., Carbonari, R.O.
Variation in steel-mortar bond strength and
microstructure in cathodically protected
specimens after two years exposure. Materials &
Structures (Matériaux et Constructions), 34
(Jan.-Feb.), 27-33 (2000).