A LA SUSTENTABILIDAD POR LA DURABILIDAD DEL HORMIGON ESTRUCTURAL

Mª Carmen Andrade Perdrix

candrade@cimne.upc.edu

1

International Centre for Numerical

Methods in Engineering

Sesión incorporación a la Academia de Ingeniería de la Provincia de Buenos Aires15 de junio de 2021

AGRADECIMIENT0

• A la Junta Directiva de la Academia y su Presidenta por el nombramiento y la persistencia en mi incorporación

• A Luis Lima por su dedicación al Grupo Latinoamericano de la RILEM y su interés en mi colaboración

CONTENIDO• Agradecimiento

• Referencias a ingenieros ilustres

• Hormigón estructural: el material del siglo XX: barato, funcional y resistente

• RETOS DEL SIGLO XXI

– Efecto invernadero del CO2

• Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU

– El hormigón como sumidero de CO2: Re-carbonatación

• Método de calculo en un inventario de estructuras

– Durabilidad

• Vida útil ¿es posible predecirla?

• Códigos: métodos probabilistas, métodos avanzados de calculo

• Método de la resistividad eléctrica

3

REFERENCIAS EN LA INGENIERIA

Profesor Enrique Costa NovellaCatedrático de Ingeniería Química

Universidad Complutense de Madrid

Decano de la Facultad

Vicerrector de la Universidad Complutense

Director General de Universidades e Investigación

Tiene el premio «Leonardo Torres Quevedo» de investigación técnica (1.985). Es Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas Y Naturales. Ha sido asesor de REPSOL, S.A.

Profesor Angel Vian Ortuño

Catedrático de Química Industrial y Economía

Universidad Complutense de Madrid

Rector de la Universidad Complutense

Colaborador de la empresa Minas de Riotinto

REFERENCIAS EN LA INGENIERIAEduardo Torroja Miret“….En los años 30 y 40 la investigación se concebía como un trabajo individual al estilo de un Ramon y Cajal que pasaba las noches y días observando por un microscopio, en apariencia aislado de su entorno. Sin embargo Torroja organiza un Instituto donde el trabajo en equipo es la base de su funcionamiento. Es tanto como suponer que todos miren por el mismo microscopio. Además pretende que este trabajo llegue al entorno social, tanto al empresarial como al puramente artesanal y que a la vez el trabajo se proyecte fuera de la fronteras del país, tanto hacia el oeste como hacia el Este (viajó a Rusia y otros países del Este cuando no existían relaciones diplomáticas formales) y fundamentalmente hacia Iberoamérica….”Carmen Andrade - con motivo del centenario de su nacimiento

5

HIPODROMO DE LA ZARZUELAEJEMPLO DE ESTRUCTURA DURABLEArniches, Dominguez y Torroja 1933-35

2014

CONSTRUCCION INSPECCION

7

INSPECCION Hipódromo de la Zarzuela-2014

8

0,001

0,01

0,1

1

10

zone

9/p

oint

1zo

ne 9

/ poi

nt 1

'zo

ne 9

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nt 2

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9/p

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3zo

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9/p

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5zo

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2

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1/p

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1zo

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1zo

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1/p

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1Ti

e 10

(mor

tar)

Tie

10 (u

ralit

e)Ti

e 4

I corr

(µA/

cm2 )

Northerly Deck

REPARACION Hipódromo de la Zarzuela 2014

9

MATERIALES ESTRUCTURALES DE CONSTRUCCION USADOS A LO LARGO DE LA HISTORIA

10

-1000 0 1779 1889 1900 2000 2100

Piedra madera ladrillo adobe

HORMIGON ESTRUCTURAL

11

-1000 0 1779 1889 1900 2000 2100

¿Qué retos tiene en el siglo XXI?

RETOS DEL HORMIGON ESTRUCTURAL EN EL SIGLO XXI

• Sustentabilidad

– Reducción huella de carbono

– Considerar el ciclo de vida

– Durabilidad

• ¿es posible predecir la vida útil ?

• Cómo conseguir hormigones sustentables y durables

–Método de la resistividad eléctrica

12

HUELLA DE CARBONOLas temperaturas medias se están incrementando debido al desarrollo industrial

13

Glo

ba

l Me

an T

em

pe

ratu

re A

no

ma

ly (G

MTA

) fr

om

19

61

to

19

90

(°C

)

Year

Yearly average

10-year average

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

410ppm

400ppm

390ppm

370ppm

412ppm

408ppm

404ppm402400

Energy Transport Construction Industry

Agriculture and soil uses Others

Estimation of the emissions grow according to the

reduction commitments

presented by the government of 150

countries

OBJETIVOS DE DESARROLLO SOSTENIBLE DE LA ONU

14

EL IPCC FIJA LA EMISION DE CO2 EN LA PRODUCCION DE CLINKER

• Clinkerización (decarbonación): 520 kg CO2/t clinker

CaCO3 → CaO + CO2

• El combustible libera 480 Kg de CO2 /t de Clinker

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)

0 1 2 3 Heat transfered (MJ/kg)

Cyclone preheater (from 300 to

900°C)

Raw material

Fuel (>1000°C)

Fuels(>2000°C)Calcination zone28

min

Rotary kiln

Sinteringzone10 min

Clinker coolingzone (2 min)

Temperature

(°C)

Frac

tion

of m

ass o

f raw

mat

eria

l to

the

kiln

Preheating/precalcining

< 1 min

CO2

1420°C

1400

1200Carbonates

Alite

Belite

Free lime

LíquidAluminate

Ferrite

Free silica-SiO2

α-SiO2

Iron compounds

Aluminosilicates

C3F

C4AF

1000

800

600

400

200

Clinker tiene 65% of CaO

LA CARBONATACION ES LA VUELTA DE LAS MATERIAS PRIMAS A SU ESTADO ORIGINAL NATURAL

Por tendencia termodinámica los componentes delClinker tienden a volver a ser óxidos y carbonato cálcico

16

El máximo de CO2 incorporado a un cemento Portland, suponiendo un 95% clinker por cemento, es:

𝑪𝑶𝟐 𝒔𝒆𝒄𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂𝒅𝒐 =𝟔𝟓

𝟏𝟎𝟎∙ 𝟎. 𝟗𝟓 ∙

𝟒𝟒

𝟓𝟔= 𝟎, 𝟒𝟗 𝑲𝒈

𝑪𝑶𝟐

𝑲𝒈 𝒄𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐

CaO Paso de CaO a CO2

RE-CARBONATACION

GRADO DE CARBONATACION (DoC)

• Es la proporción de CO2 incorporado (reaccionado) enrelación lal máximo que podría llegar a ser.

𝐺𝑑𝐶 (𝐷𝑜𝐶) % =𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑎𝑑𝑎

𝑴𝒂𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒅𝒆 𝑪𝑶 𝟐 (𝟔𝟓% 𝑪𝒂𝑶)

• En la zona carbonatada se hace un análisis termo-gravimétrico y se calcula la cantidad de CO2 incorporado:

17

Ca(OH)2 H2O + CaO

400ºC

C-S-H combined water

110-400ºC

CaCO3 CO2 + CaO

700ºC

Evaporable water

Tinitial-110ºC

Zero one three seven 14 28 days

a)

b)

c)

d)

Carbonato cálcico

PARQUE CONSTRUIDO EN UN PAISCALCULOS BASADOS EN PRODUCCION DE HORMIGON

“CO2 STORAGE CAPACITY” (SECUESTRO CO2)

18

Inventario de producción hormigónCemento/m3 de hormigón y mortero producido

GROSOR EQUIVALENTE CARBONATADO

VOLUMEN CARBONATADO = GROSOR (m) X SUPERFICIE EXPUESTA (m2)

( )hormm

COkg

hormm

hormmcarbhormmprofun

carbhormm

carbcemkgdosif

carbcemkg

COkgCO

abs

abs 3

,2

3

2

3

2,2

_exp___

_

__

__

_% =

Relación S/VPARQUE CONSTRUIDO

CICLO DE VIDA ¿CUÁNTO TIEMPO?

19

residuosDemolicionnVida en serviciofabricaciónMaterias primas

Cual ciclo de vida considerar- ¿50 o 100 años? La profundidad carbonatada cambia- El hormigón que no vuelva al horno, se va carbonatando progresivamente si esta expuesto a la atmosfera

Materias primas

Fabricación

VIDA EN SERVICIO

Demolición

Reciclado

HOJA DE RUTA DEL SECTOR CEMENTOreducir emisiones en todas las etapas

20

DURABILIDAD

21

El Panteón de Agripa o Panteón de Roma es un templo de planta

circular erigido en Roma por Adriano, entre los años 118 y 125 d. C.

Primera construcción realizada en “hormigón” hace más de 2000 años.

Cúpula de 43 m de diámetro.

HORMIGON ANTIGUOEL PANTEÓN DE ROMA

22

ESTADIO DE MARACANA 1950la marquesina ha tenido que ser demolida pues la armadura estaba corroida

antes

despues

23

CONSECUENCIAS ESTRUCTURALES de la corrosión

24

Diagrama de vida util

RETOS DEL HORMIGON ESTRUCTURAL EN EL SIGLO XXI

• Sustentabilidad

– Reducción huella de carbono

– Considerar el ciclo de vida

– Durabilidad

• ¿es posible predecir la vida útil ?

• ¿Cómo conseguir hormigones sustentables y durables

–Método de la resistividad eléctrica

25

CALCULO DE LA VIDA UTILno se sabe todavía calcular con exactitud

• En 1920 casi todos los edificios eran de estructura de madera, de piedra, ladrillo o metálica. No eran de hormigón

• Los estructuras de hormigón no se empezaron a usar hasta hace unos 100 años

• Hay modelos pero no están calibrados durante 100 años

AÑOS 1920

MODELOS Y METODOS ACTUALES(según Model Code 2020 de la fib: esquema)

DURABILIDADNIVELES DE

DISEÑO

PRESCRIPTIVO

COMPOSICION HORMIGON

PRESTACION/ DESEMPEÑO

INDICADORES DURABILIDAD

MODELOS FISICOS Y

NUMERICOS

FORMATO COEFICIENTES

PARCIALES

FORMATO PROBABILISTA

500 µm

Nuevo estado limiteEstado limite de deterioro DLS

AVANCES NECESARIOSMODELADO NUMERICO: digital twin

RESISTIVIDAD COMO INDICADOR DE DURABILIDADparámetro para evaluar la vida útilestructura nueva y existente

LABORATORIOCONTROL

PROPIETARIO

PROYECTISTA

MATERIALES

¿QUE ES LA RESISTIVIDAD ELECTRICA?La resistencia al paso de corriente

A

l

I

VR ==

aR 2=

Flux, Jx

Pore Ley de Ohm

Factor Geométrico

Método directoGeometría regular

Método cuatro puntas

FACTOR FORMA

a = 0,035m a = 0,05m

Cilíndrica 30x15 cm 0.714 0.606

Cilíndrica 20x10 cm 0.571 0,377

Cilíndrica 15x7.5cm 0,384 - - -

Prismática 4x4x16 cm 0.172 - - -Distancia entre electrodos

PUEDE SUSTITUTIR A LOS ENSAYOS ACELERADOSASTM 1202-Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetrationpropuesto en los 80 por David Whiting – PCA-USA

CARGA EN

CULOMBIOS

> 4000

2000-4000

1000-2000

100-1000

< 100

]s/m[2U

xL)T273(0238.0x

t)2U(

L)T273(0239.0Dns 2d

d

−

+−

−

+=

•Es igual que el ASTM 1202

•Usa ensayo colorimétrico

•Es empírico

NT Build 492

RELACION TEORICA ENTRE EL COEFICIENTE DE DIFUSION Y LA RESISTIVIDAD-debida a Einstein

C. Andrade 1993

NERNST-PLANK simplificado

Ecuación de Nernst-Einstein

RELACIONES RESISTIVIDAD

Relación con difusión de cloruros Relación con Culombios

2,

0

2.

COCl

q

env

ef

l rF

t

tx

t

=

tVX =

RELACION CON EL TIEMPOla relación de Einstein (random walk) se introduce en la de la raíz cuadrada

V = D = K/

COMPLEMENTOS DEL MODELO DE LA RESISTIVIDAD PARA EL HORMIGONpara el modelado de la vida útil es necesario conocer factores adicionales

Factor de edad Factor de retardo

Factor ambiental

2,

0

2.

COCl

q

env

ef

l rF

t

tx

t

=

EJEMPLO DE APLICACION

Recubrimiento

Vida util

Tipo de Cemento II/A

Clase de exposicion (XS2)

Facto de edad (10 años)

XCl (cm) = 10

t (años) = 100

rCl = 1,8

Fenv (cm3W/year)= 25000

q= 0.3

Valor de la Resistividad 0 28 days

100

8,1)0767,0

25.0(

2500010

3,0

0

=

→ 44.97)(0 =W m

2,

,

0

2

2

.

COCl

q

COCl

ef

l rk

t

tx

t

=

MODELO COMPLETO DE DURABILIDAD BASADO EN LA RESISTIVIDAD como único parámetro

INTENSIDAD DE CORROSIÓN

RESISTIVIDAD

0,001

0,01

0,1

1

10

1 10 100 1000 10000

RESISTIVIDAD (Kohm x cm)

Ico

rr (

µA

/cm

2)

0,2

200

KDCl =

RELACION con

DIFUSION RELACION con

CORROSION

KIcorr =

C. Alonso, C. Andrade, J.A Gonzalez- C&CR

18 (1988) 687.

C. Andrade- C&CR 23 (1993) 724

Nernst-Plank and Nernst –Einstein equations

piL ttt +=

corr

x

COCl

COClef

pilk

P

F

rxttt

·

2

2

,

,

2

+=+=

COMENTARIOS FINALES

• El hormigón estructural debe responder en el siglo XXI al reto de SUSTENTABILIDAD

• La DURABILIDAD y el ciclo de vida son parte esencial de la sustentabilidad

Quedan muchísimos aspectos por refinar para responder a la demanda de la sociedad

GRACIAS un honor el formar parte de esta

Academia