(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras de Concreto Ing. Carlos Alberto Arcila López [email protected] Problemática de las normativas de durabilidad en nuestros países Ingeniería estructural ? Ingeniería de materiales Esta división ha generado un atraso considerable en el tema de normativa de durabilidad! Normativa de durabilidad en nuestros países Cómo generar normativa de durabilidad local? • Devolviendo al pensum de las carreras afines con la construcción el estudio de los materiales • Llevando a cabo investigación de cierto nivel con los materiales locales y las condiciones locales • Favoreciendo la realización de seminarios dedicados al tema donde se expongan los resultados. El avance de la normativa de durabilidad Concretos por desempeño •Prescripciones •Recomendaciones técnicas Problemas de las prescripciones de mezcla para cumplir con durabilidad Cuatro mezclas con igual relación agua/cementante pueden mostrar diferente desempeño en pruebas de durabilidad, dependiendo de la composición del material cementante (cemento + adición puzolánica). RCPT: Permeabilidad Rápida a Cloruros El avance de la normativa de durabilidad •Diseño de concretos por desempeño •Carbonatación acelerada El avance de la normativa de durabilidad •Diseño de concretos por desempeño •Permeabilidad Rápída a Cloruros El avance de la normativa de durabilidad •Diseño de concretos por desempeño Humo de sílice •Ataque de sulfatos Problemas congénitos en las estructuras y sus causas Diseño Materiales 44% 18% Ejecución Rara vez se lleva a cabo en obras de concreto 28% Problemas congénitos Mantenimiento Diseño moderno de estructuras de concreto reforzado Cargas estáticas Cargas dinámicas Condiciones de exposición Cuando se olvida analizar el ataque del medio ambiente y generar especificaciones para contrarrestarlo, sobreviene el deterioro! Proyecto Integral Diseño Arquitectónico Ingeniería de diseño estructural Normativa Internacional Ingeniería de materiales Normativa local Procedimientos de construcción Diseño moderno de estructuras de concreto reforzado Conclusiones Muchas estructuras se deterioran a diario no por errores en el diseño estructural… simplemente por falta de las recomendaciones apropiadas para hacerlas durables! Para poder hacer recomendaciones apropiadas : Debe existir una normativa local amplia y que cobije los principales ataques del medio donde se aplica. Debe ser clara y entendible por “no iniciados”. Debe ser factible llevar a la práctica sus exigencias (técnico y económico). EHE- Vida útil de PROYECTO ! Tipo Clase 1 Estructuras temporales 2 Partes estructurales reemplazables 3 Estructuras marítimas 4 Edificaciones para Vivienda y Oficinas 5 Edificaciones para Salud y Educación Puentes con luz > 10 m y otras estructuras de repercusión económica importante 6 Vida útil de proyecto (años) 0-3 25 50 50 100 100 Especificaciones de Hormigón Estructural, España, Ministerio de Fomento Requerimientos para la construcción de estructuras durables • De la propiedad • Normas provenientes de institutos (ICONTEC, INVIAS, IDU, Empresas Públicas, etc) • Norma Sismorresistente NSR-10 • ACI-318 • Manual of Concrete Practice • Normativa sectorial (Tanques, Tuberías, Puentes, Prefabricados, etc) • Especificaciones de los diseñadores ACI 318 y su impacto en la durabilidad • Importante documento en lo que se refiere al diseño estructural • Sus recomendaciones para construir estructuras durables parecen cobijar los principales ataques en Norteamérica, pero no satisfacen las condiciones del trópico y no tienen por qué hacerlo! • El error es de los países que adoptan un código extranjero sin “adaptarlo” donde sea necesario! Mirémoslo en detalle… Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado Cloruros Electroquímico Carbonatación Sulfatos (Agua-Suelo) Químico Acidez (Agua-Suelo) CO2, Amonio, Magnesio Residuo seco (Agua) Álcali-Agregado Hielo - Deshielo Físico Desgaste-Abrasión Humedad Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Cloruros C Carbonatación ? Electroquímico Químico Físico Sulfatos (AguaSuelo) Hielo - Deshielo S F Humedad P (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría C Protección del Refuerzo contra la Corrosión Severidad Clase No aplicable C0 Concreto seco o protegido de la humedad Moderado C1 Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros C2 Concreto expuesto a la humedad y a fuentes externas de cloruros provenientes de químicos anticongelantes, sales, agua salobre, agua de mar o aerosol proveniente de estas fuentes. Severo Condición (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría S Sulfatos Severidad Condición Clase Sulfato soluble e Sulfato (SO4) soluble en agua presente en el suelo (% en peso) Sulfato (SO4) disuelto en agua (ppm) No aplicable Moderado S0 S1 SO4 < 0,10 0,10< SO4 < 0,20 SO4 < 150 150< SO4 < 1500 Severo S2 0,20< SO4 < 2,00 1500< SO4 < 10.000 Muy severo S3 SO4 >2,00 SO4 > 10.000 Nota: el agua de mar → Clase S1 (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría Severidad Clase No aplicable F0 Concreto no expuesto a ciclos de hielo- Deshielo Moderado F1 Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo y ocasionalmente expuesto a la humedad Severo F2 Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo y en contacto continuo con la humedad F3 Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo, en contacto continuo con la humedad y expuesto a agentes químicos que evitan el congelamiento F Hielo y Deshielo Muy severo Condición (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría Severidad Clase Condición P No aplicable P0 Concreto en contacto con agua y que no requiere baja permeabilidad Moderado P1 Concreto en contacto con agua donde se requiere baja permeabilidad Estructuras que requieren baja permeabilidad (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Carbonatación • No aparece contemplado tampoco este ataque en el Capítulo C.4 de la nueva normativa del ACI-308-08 • No existe este tipo de ataque en Norteamérica? • El uso de cementos adicionados no ha sido generalizado en los E.E.U.U y esto puede haber paliado el efecto • Estiman que con las cuatro categorías contempladas es suficiente para abarcar los ataques más comunes en USA? • Los cloruros provenientes de las sales de deshielo causan más corrosión que la carbonatación, y este problema se da también en el interior. Lo raro es que, en el mundo, prácticamente no hay norma de durabilidad del concreto que no lo contemple… (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Mecánica de la Corrosión del acero de refuerzo 1. El acero pierde su condición pasiva debido a una o las dos causas siguientes: A. Una cuantía crítica de cloruros alcanza el acero de refuerzo B. El frente de carbonatación alcanza las barras 2. Existe suficiente cantidad de humedad disponible 3. Hay disponibilidad de oxígeno Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Tanque agua potable en ambiente marino. Manaure. Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Coliseo deportivo, Tunja Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Estadio de Fútbol, Cúcuta Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Columna cerramiento, Manizales Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Edificio Avianca, Bogotá Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Estructura en instalación petrolera, Barrancabermeja Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Tanque aguas industriales, Duitama Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Cementera Costa Caribe Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Bodega Fertilizantes Buenaventura (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Conclusión: La carbonatación existe! El ataque químico existe! (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Miremos, a la luz de la normativa del ACI-308-08 la situación de una estructura situada en el interior del país o alejada del ambiente marino más de 500 m: Por ejemplo: un edificio, un puente, un silo, una chimenea, etc Categoría Descripción Clase Severidad C Corrosión C0,C1 No aplicable, Moderado S Sulfatos S0 No aplicable F Hielo-Deshielo F0 No aplicable P Permeabilidad P0 No aplicable Concluiría uno, de acuerdo al ACI, que no se requiere de especificaciones por durabilidad para el interior del país! (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría C Protección del Refuerzo contra la Corrosión Severidad Clase No aplicable C0 Concreto seco o protegido de la humedad Moderado C1 Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros C2 Concreto expuesto a la humedad y a fuentes externas de cloruros provenientes de químicos anticongelantes, sales, agua salobre, agua de mar o aerosol proveniente de estas fuentes. Severo Condición Nota: se podría pensar que en la Categoría C1 está cobijada la carbonatación… pero: •Lo que se aplica al control de cloruros no siempre es apropiado para enfrentar carbonatación! •Incluso una estructura no expuesta a la humedad se carbonata! (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición Máx Relac a/cm Mínima Resistencia Mpa Requisitos mínimos adicionales Contenido máximo de ión cloruro soluble en agua en el concreto (% Peso Cemento) Concreto Reforzado Concreto pretensado C0 N/A 17.5 1 0.06 C1 N/A 17.5 0.3 0.06 C2 0.40 38 0.15 0.06 Otros requisitos relacionados Ninguno Ninguno 7.7.6, 18.16# Definitivamente la categoría C, está prevista para ataque de cloruros! Las especificaciones mínimas para C0 y C1 las cumple un mortero de mampostería! Y la especificación para estructuras expuestas al ataque de cloruros (C2) no contempla grados de exposición, obligará entonces a a construirlas todas con 38 Mpa y a/cm de 0,40? La porosidad del concreto y su influencia en la durabilidad (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición F0 F1 F2 F3 Máx Relac a/cm Mínima Resistencia Mpa Requisitos mínimos adicionales Contenido de aire Límites a los materiales cementantes N/A 17.5 N/A N/A 0.45 31.5 Tabla 4.4.1 N/A 0.45 31.5 Tabla 4.4.1 N/A 0.45 31.5 Tabla 4.4.1 Tabla 4.4.2 Útil para especificar concretos en cavas y cuartos fríos (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición Máx Relac a/cm Mínima Resistencia Mpa Requisitos mínimos adicionales Material cementante, Tipos ASTM C 150 N/A 17.5 S1 0.5 28 S2 0.45 31.5 S3 0.45 31.5 S0 Ninguna restricción ASTM C 595 ASTM C 1157 Ninguna Ninguna restricción restricción Aditivo con Cloruro de Calcio Ninguna restricción IP(MS), Ninguna MS IS(<70) restricción (MS) IP(HS), HS No se permite IS(<70) V‡ (HS) IP(HS) + puzolana o escoria§ o HS + V+ Puzolana o IS(<70) Puzolana o No se permite escoria escoria§ (HS) + puzolana o escoria§ II†‡ Nota: ya era hora de que el ACI proscribiera los aditivos con cloruros, Europa lo hizo hace más de 20 años! ? (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Clase de exposición Máx Relac a/cm Mínima Resistencia Mpa Requisitos mínimos adicionales P0 P1 N/A 17,5 Ninguno 0,5 28 Ninguno (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla R43.1- Límites de cloruros para construcciones nuevas Tipo de construcción y condición Límite de cloruros, % en masa Método de ensayo Soluble en ácido Soluble en agua ASTM C 1152 ASTM C 1218 Soxhlet* Concreto pretensado 0,08 0,06 0,06 Concreto reforzado que va a estar húmedo en servicio 0,1 0,08 0,08 Concreto reforzado que va a estar seco en servicio 0,2 0,15 0,15 Adaptado de la Tabla 3.1 del ACI 222 R (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.4.1: Contenido de aire para concreto expuesto a Hielo - Deshielo Contenido de Aire (%) Tamaño Máximo Clase de Nominal del exposición F1 Agregado, mm 9.5 12.5 19 25.4 37.5 50,8† 76,4† 6 5.5 5 4.5 4.5 4 3.5 Clases de exposición F2 y F3 7.5 7 6 6 5.5 5 4.5 Tolerancias? (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.4.2 - REQUERIMIENTOS PARA CONCRETO SOMETIDO A LA CLASE DE EXPOSICION F3 Material cementante Máximo % en peso del total de material cementante Ceniza volante u otro material que cumpla ASTM C618 25 Escoria que cumpla ASTM C989 50 Humo de sílice que cumpla ASTM C1240 10 Total de ceniza volante u otras puzolanas, escoria y humo de sílice 50† Total de ceniza volante u otras puzolanas y humo de sílice 35† †La ceniza volante u otras puzolanas y la microsílica no deben constituir más del 25% y 10% respectivamente del peso total de los materiales cementantes (ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.5.1- Requerimientos para establecer la conveniencia de combinaciones de materiales cementantes expuestos a sulfato soluble en agua Clase de exposición Máxima expansión al ensayar usando ASTM C 1012 A los 6 meses S1 0,10% S2 0,05% S3 A los 12 meses A los 18 meses 0,10%* 0,10* *El límite de expansión a 12 meses aplica sólo cuando se ha excedido la expansión a 6 meses Ej: Caso en que se controle el ataque de sulfatos mediante la adición de humo de sílice Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría 1 Severidad No aplicable Clase 1 Condición Ningún riesgo de corrosión o de ataque. Concreto en masa sin refuerzo En cierta forma corresponde a todas las clases C0, F0, S0 y P0 del ACI 318-08 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría K (2) Carbonatación Severidad Clase Condición Bajo 2.1 Humedad alta Moderado 2.2 Humedecimiento-secado Severo 2.3 Humedad media Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Categoría C(3) Cloruros Severidad Clase Condición Bajo 3.1 Sumergida Moderado 3.2 Aérea Severo 3.3 Zona de cambio de mareas Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría (4) Cloruros de origen distinto al marino Categoría F3 (5) Hielo-Deshielo Severidad Clase Condición Moderado 4.1 Humedad moderada Severo 4.2 Humedad alta Muy severo 4.3 Ciclos de humedecimiento-secado Severidad Clase Condición Severo 5.1 Concreto en contacto con agua y con probabilidad mayor al 50% de alcanzar una vez al año temperaturas por debajo de -5oC Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría (6) Ataque químico Severidad Clase Débil 6.1 Medio 6.1 Fuerte 6.1 Condición Concreto expuestos a químicos con velocidad de ataque lenta Concreto expuestos a químicos con velocidad de ataque media Elementos expuestos a fuertes alteraciones del concreto La valoración del grado de ataque (Clase) se hace con la Tabla 2 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 2- CLASIFICACION DE LA AGRESIVIDAD QUIMICA Tipo de medio Parámetros AGUA AGUA AGUA AGUA AGUA AGUA Valor del pH CO2 Disuelto (mg/l) Ión Amonio, NH4+ (mg/l) Ión Magnesio, Mg2+ (mg/l) Ión Sulfato, SO42- (mg/l) Residuo Seco (mg/l) Grado de acidez BaumannGully Ión Sulfato, SO42- (mg/kg de suelo seco) SUELO SUELO 6.1 Ataque débil 6,5 - 5,5 15-40 15-30 300-1000 200-600 75-150 SUBCLASE 6.2 Ataque medio 5,5 - 4,5 40-100 30-60 1000-3000 600-3000 50-75 6.3 Ataque fuerte <4,5 >100 >60 >3000 >3000 >50 3000-12000 >12000 >20 2000-3000 Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Carbonatación Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales 2.1 0,60 24 Mínimo 300 kg/m de cementante 2.2 0,55 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante 2.3 0,50 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante 3 Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Cloruros de origen marino Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales 3.1 0,50 28 3 Mínimo 300 kg/m de cementante 3.2 0,45 35 Mínimo 325 kg/m de cementante 3.3 0,40 35 Mínimo 350 kg/m3 de cementante 3 Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Cloruros de otro origen Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (MPa) Requisitos mínimos adicionales 4.1 0,55 / 0,50 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante 4.2 0,55 /0,45 28 Mínimo 320 kg/m3 de cementante 4.3 0,45 /0,45 35 Mínimo 340 kg/m3 de cementante Hielo - Deshielo Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales 5 0.45 31 Mínimo 300 kg/m3 de cementante Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Ataque químico Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) 6.1 0,50 / 0,45 31 Mínimo 275 kg/m3 de cementante 6.2 0,50 / 0,45 35 Mínimo 300 kg/m de cementante 6.3 Requisitos mínimos adicionales 3 3 Mínimo 340 kg/m de cementante 0,45 / 0,45 35 * Para ataque de sulfatos usar Cemento Tipo II, V , cementos adicionados con puzolanas o una adecuada dosis de humo de sílice. ** Contenido de aire según Tabla 4. Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 4. Requisitos de contenido de aire total para concretos con aire incorporado Contenido de aire Contenido de aire Tamaño Máx Nominal para ambientes: 5.2, para ambientes 4.1 5.3, 4.2, 4.3, 5, 6.2 y del Agregado y 6.1 6.3 9,5 7,5% 6,0% 12,7 7,0% 5,5% 19,1 6,0% 5,0% 25,4 38,1 50,8 76,2 6,0% 5,5% 5,0% 4,5% 4,5% 4,5% 4,0% 3,5% Tolerancias ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 6. Máximo contenido de ión cloruro para protección contra la corrosión Tipo de elemento Contenido máximo de ión cloruro soluble en agua (% del Peso del cemento) Concreto preesforzado 0,06 Concreto reforzado expuesto al cloruro en servicio 0,15 Concreto reforzado que estará seco o protegido de la humedad en servicio 1,00 Otros tipos de construcción en concreto reforzado 0,30 Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Ancho máximo de fisura en estructuras de concreto reforzado Tipo de 1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 Ambiente Abertura máx. 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2 0.3 0.3 0.2 de fisuras (mm) 5.1 6.1 6.2 6.3 7 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4 Conclusiones 1. La práctica actual del diseño y construcción de estructuras durables exige que se definan claramente parámetros de diseño acordes con la realidad nacional. 2. La Normativa del ACI 318-08 cobija los problemas de un extenso país que sufre estaciones climáticas marcadas, lo cual no es el caso de Colombia. 3. La Norma NTC 5551-07 recoge las recomendaciones que se hacen a nivel mundial en el tema de durabilidad. Contempla los ataques más frecuentes en nuestro medio y consigna razonables requerimientos para extender la vida útil de las estructuras de concreto. 4. Haciendo un comparativo entre categorías de ataque y requerimientos de las dos normas citadas, se ve que resultaría muy fácil armonizarlas y complementarlas para llevar a cabo, así, una modificación del actual Capítulo C.4 de la NSR-98 acorde con las necesidades del país. Gracias por su atención! [email protected]
