Aldo Rubén Campos Silva1,Gerardo del Jesús Fajardo San Miguel2,José Manuel Mendoza Rangel3, Gerardo Manuel Mejía Velázquez4

Faculta de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nuevo León. SIMA, Sistema Integral de Monitoreo Ambiental

Sede regional:

Noreste

Estudio de la Durabilidad del Concreto Reforzado: Aplicación de las condiciones ambientales de la Zona Metropolitana de Monterrey.

Aspectos sociales y ciudades y cambio climático.

.

Contenido

i. Introducción.

ii. Hipótesis.

iii. Objetivos.

iv. Metodología Experimental.

v. Resultados.

vi. Conclusiones

Concreto Reforzado

• Se refiere al concreto en el cual se ha embebido acero con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas. Además es el material de construcción es el más utilizado en el mundo, por las siguientes características.

versatilidad.

economía y alcance lo hace un material único en su clase.

Durabilidad.

Introducción Concreto Reforzado.

Corrosión

• La corrosión ocurre como resultado de la formación de una celda electroquímica, la cual consiste en cuatro elementos principales :

• a) Un ánodo, donde ocurre la oxidación.

• b) Un cátodo, donde ocurre la reducción.

• c) Un conductor metálico, donde la corriente eléctrica es el flujo de electrones.

• d) Un electrolito; en este caso el concreto, donde la corriente eléctrica es generada por el flujo de iones en un medio acuoso.

Ilustración del proceso de corrosión.

Introducción

Daños causados por la corrosión

Se gastan 300,000 millones de dólares por fallas en la infraestructura en los Estados Unidos de América.

Es posible evitar pérdidas por alrededor de 100,000 millones de dólares.

Las estructuras a cargo de la Red Federal de Carreteras en México, presentan diferentes grados de corrosión, debido a la penetración de cloruros y a la carbonatación.

Puentes prioritarios por corrosión

Prioridad Por penetración de

cloruros

Por carbonatación

Alta 330 395

Media 3604 3951

Baja 2131 1719

Introducción

Carbonatación

• La carbonatación es una reacción química la cual sucede entre la portlandita y el CO2 .

• Ca (OH)2(S) + CO2(g CaCO3(S)+ H2O

• La carbonatación disminuye el pH del concreto de valores mayores de 12.5 unidades a valores entre 8 y 9 unidades.

• La carbonatación requiere de ciertas condiciones:

Contenido de humedad.

Contenido de CO2.

Permeabilidad del concreto.

Humedad Relativa.

Introducción

Hipótesis y Objetivos

La Hipótesis.

• Será posible correlacionar los parámetros (concentración de CO2, humedad relativa, temperatura, etc.) usados en la prueba de carbonatación acelerada, para predecir la velocidad de carbonatación en al menos un ambiente natural representativo de la zona metropolitana de Monterrey.

El Objetivo general:

• Determinar una correlación entre la prueba de carbonatación acelerada y carbonatación natural, la cual permita realizar una predicción confiable entre estas.

Hipótesis y Objetivos

Metodología experimental

Concretos

Cemento CPO 40

Cemento CPC 30 R

Relación agua/cemento

0.6 0.7 0.8

Pruebas Resistencia a la compresión

Carbonatación

Natural Acelerada

Metodología experimental

La exposición a carbonatación acelerada.

• Se expusieron los especímenes a cuatro ambientes artificiales, con concentración de CO2 en 3%, 4%, 5% y 6%, y en los cuales se realizó la medición de la profundidad de carbonatación a 3, 7, 14 y 28 días, la HR se mantuvo en un rango de 60 - 70% y una temperatura de 30°C en los cuatro ambientes.

Metodología experimental

La exposición a carbonatación natural.

• Se expusieron 3 especímenes para cada tipo de mezcla, con el fin de medir la profundidad de carbonatación, esta medición se realizó a 0, 95, 170, 246 y 270 días de exposición, con el objetivo de determinar el avance de carbonatación. Además se muestra la proyección a 365 días.

Metodología experimental

Lugares de exposición.

• Norte de la zona metropolitana de Monterrey

• En la azotea del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL (expuesto aproximadamente a 10 m de altura con respecto al nivel del suelo), ubicado en el municipio de San Nicolás de los Garza, Nuevo león, al Norte de la zona metropolitana de Monterrey.

• Centro de la zona metropolitana de Monterrey.

• En las instalaciones del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental de Nuevo León (SIMA), eligiéndose la estación Obispado ubicada en el centro de Monterrey

Metodología experimental

La medición de la profundidad de carbonatación.

• Se procedió a realizar el corte, haciendo una ranura en la periferia del espécimen. Posteriormente, se aplica un indicador ácido-base en este caso es una solución de fenolftaleína al 1%, esta solución se vierte sobre la superficie interna de la muestra.

Superficie de colado

d2

d1

d3

d4

d2

d1

d3

d4

d2

d1

d3

d4

C1 C3

C2

Metodología experimental

Caracterización de las condiciones ambientales

• Se realizaron mediciones puntuales de las condiciones meteorológicas en los lugares de exposición.

La temperatura.

La Humedad Relativa.

La concentración de CO2.

Metodología experimental

La Resistencia a la compresión

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

450.00

Kg

/cm

2

Resistencia promedio

Resistencia a la compresión 28 días

CPC Rel. a/c 0.6

CPC Rel. a/c 0.7

CPC Rel. a/c 0.8

CPO Rel. a/c 0.6

CPO Rel. a/c 0.7

CPO Rel. a/c 0.8

Resultados

La concentración de CO2, en diferentes ambientes.

Zona Características de la zona

Norte Lugar ubicado dentro de la ciudad

Universitaria de la UANL,

rodeada de avenidas principales.

Zona habitacional Zona habitacional rodeada por

avenidas principales.

Simón Bolívar y Leones Avenidas principales de la ciudad

de Monterrey.

Unidad médica de la UANL Lugar ubicado dentro de una zona

habitacional.

Simón Bolívar y Madero Avenidas principales de la ciudad

de Monterrey.

Norte Zona

habitacional

Simón Bolivar

y leones

Unidad

medica UANL

Simón Bólivar

y Madero

Ambientes 311 291 397 325 382

311 291

397

325

382

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Co

ncen

tra

ció

n d

e C

O2

en

pp

m.

341 ppm promedio de los ambientes

Resultados

A

A

B

B B C D

C

D

La concentración de CO2 en las zona de exposición.

318 298

335

275

331

373

300 262

0

100

200

300

400

500

Zona Norte

E

Resultados

Co

nce

ntr

ació

n d

e C

O2

en

pp

m

La Humedad Relativa

Zona Norte

Zona Centro

56.52

46.43

42.38

57.31

45.60

51.35

42.80

54.69

52.70

60.77

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

55.00

60.00

65.00

Hum

edad

R

elat

iva

men

sual

en %

59.03

49.23

63.03 62.03

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

55.00

60.00

65.00

mar-11 abr-11 may-11 jun-11

Hum

edad

R

elat

iva

men

sual

en %

Resultados

La Temperatura

Zona Norte

Zona Centro

23.15

19.57

16.24 15.11

16.58

22.82

27.59 27.63 29.17

28.28

35.1 35.1 33.2

29.7

36.6 39.1

42.8

40.8 40.5

37.1

13.00

7.2

3.7 1.8

-4.7

10.7

14.4 14.9

20.8 20.8

-5.00

5.00

15.00

25.00

35.00

45.00

Tem

per

atu

ra s

men

sual

es e

n °

C

Temperatura

promedio

Temperatura máxima

Temperatura mínima

22.58

27.38 27.49 28.71

37.68

42.27

39.41 38.69

9.85

15.02 15.24

20.82

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

mar-11 abr-11 may-11 jun-11

Tem

per

atu

ras

men

nsu

ales

en

°C

Temperatura promedio

Temperatura máxima

Temperatura mínima

Resultados

La velocidad del viento.

Zona Norte

Zona Centro

5.19

5.91

5.19

5.69

6.82

6.87

7.37

6.84

7.61

7.44

4

5

6

7

8

Vel

oci

dad

del

vie

nto

en

Km

/h

2.71

5.06

6.42

7.59

1

2

3

4

5

6

7

8

MARZO ABRIL MAYO JUNIO

Vel

oci

dad

del

vie

nto

en

Km

/h

Resultados

La Profundidad de carbonatación vs Tiempo en condiciones naturales.

y = 0.0132x - 0.3457

R² = 0.9184

y = 0.0137x - 0.1721

R² = 0.959

y = 0.0129x - 0.203

R² = 0.9431

y = 0.0154x - 0.1992

R² = 0.9819

y = 0.0185x - 0.2534

R² = 0.9484

y = 0.0213x - 0.1893

R² = 0.9819

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270

Pro

fun

did

ad

ca

rb

on

ata

da

, en

mm

Tienpo de expósicion, en dias

CPO 0.6 CPO 0.7

CPO 0.8 CPC 0.6

CPC 0.7 CPC 0.8

Profundidad de carbonatación, mm

Zona Norte

Tiemp

o

(días)

CPO

0.6

CPO

0.7

CPO

0.8

CPC

0.6

CPC

0.7

CPC

0.8

170 1.9 2.2 2.0 2.4 2.9 3.4

270 3.2 3.5 3.3 4.0 4.7 5.6

365 4.5 4.8 4.5 5.4 6.5 7.6

Zona Centro

168 2.4 2.4 2.8 3.0 3.7 4.9

Resultados

La Profundidad de carbonatación vs Tiempo en un ambiente acelerado de 3% de CO2.

y = 0.052x + 0.5021

R² = 0.7089

y = 0.0678x + 0.3594 R² = 0.8566

y = 0.0815x + 0.6393

R² = 0.8229

y = 0.1117x + 0.7541

R² = 0.8271

y = 0.1206x + 0.6847

R² = 0.8543

y = 0.1641x + 0.9946

R² = 0.8842

0.0

2.0

4.0

6.0

0 4 8 12 16 20 24 28

Pro

fun

did

ad

ca

rb

on

ata

da

, en

mm

Tienpo de expósicion, en dias

CPO 0.6 CPO 0.7

CPO 0.8 CPC 0.6

CPC 0.7 CPC 0.8

Resultados

Relación entre la profundidad de carbonatación natural vs la profundidad de carbonatación acelerada.

• Encontrar relaciones entre ambiente acelerado y el ambiente natural, permite conocer su comportamiento y mediante éste, es posible realizar una predicción confiable. En la siguiente figura se presenta la profundidad de carbonatación obtenida en ambiente natural (95, 170, 246, 270 y 365 días) con su correspondiente en ambientes acelerados (28 días) para un mismo tipo de concreto (cemento CPO y distintas relaciones a/c de 0.6, 0.7 y 0.8) a una concentración de 3% de CO2.

y = 0.392x + 0.0625

R² = 0.9091

y = 0.7633x + 0.1436

R² = 0.9005

y = 1.1394x + 0.2257

R² = 0.8953

y = 1.2582x + 0.2517

R² = 0.8941

y = 1.7285x + 0.3543

R² = 0.891

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6

Ca

rb

on

ata

ció

n n

atu

ra

l en

mm

Carbonatación acelerada en mm

28 y 95 días

28 y 170 días

28 y 246 días

28 y 270 días

28 y 365 días

Resultados

Predicción de la profundidad de carbonatación.

Resultados

Parámetro A

• Es la pendiente resultante de la relación entre la profundidad de carbonatación natural vs profundidad de carbonatación acelerada. La cual es dependiente de los factores ambientales y del tiempo de exposición.

Resultados

Factor ambiental, m.

El Factor ambiental establece una relación entre las condiciones naturales y aceleradas para especímenes similares.

El Factor ambiental establece una relación de un tipo de concreto

expuesto a carbonatación en condiciones aceleradas y naturales. Por tal motivo dichos valores son comparables para similares tipos de concreto expuestos en las mismas condiciones aquí establecidas.

Factor ambiental (m), en años

Concentración de

CO2

3% 4% 5% 6%

CPO 1.653 0.609 0.482 0.794

CPC 1.395 0.703 0.566 0.888

Resultados

Predicción

Predicción en base a la raíz cuadrada del tiempo.

Predicción Lineal.

Resultados

Verificación.

Verificación Lineal

y = 1.0409x - 0.0378

R² = 0.9816

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10

Pro

fun

did

ad

de c

arb

on

ata

ció

n e

n P

ru

eb

a

(mm

)

Profundidad de carbonatación Prediccion (mm)

Verificacion

Verificacion

Verificación Raíz cuadrada del tiempo.

y = 0.9816x - 0.1691

R² = 0.7806

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 Pro

fun

did

ad

de c

arb

on

ata

ció

n en

Pru

eb

a

(mm

)

Profundidad de carbonatacion Predicción (mm)

Verificación

Verificacion

Resultados

Conclusiones

Las concentraciones de CO2 ambiental, en la presente investigación resultaron menores a los valores de referencia encontrados en la literatura. En todo caso por debajo del promedio existente estimado en la atmósfera, el cual es de 380 ppm. Entre las diferentes zonas de exposición analizadas una variación del 31%, entre el mínimo y el máximo fue obtenido, lo cual confirma la existencia de microclimas dentro de la misma zona metropolitana.

A través de los valores ambientales en las zonas de exposición Norte y Centro, podemos concluir que las diferencias más significativas entre ambas son en la Humedad Relativa y en la velocidad del viento.

Con los datos encontrados por diversos investigadores en cuanto a cambio climático y a la información presentada en esta investigación, se concluye que se deben realizar predicciones con modelos que incluyan variables como la concentración de CO2, la Humedad Relativa y Temperatura.

Se confirmó que en ambientes más agresivos en concentración de CO2, el avance del proceso de carbonatación fue mayor.

Conclusiones

Conclusiones

La predicción lineal presenta menor dispersión en sus puntos y su vinculación es mayor con los datos obtenidos de forma experimental en comparación con la predicción basada en la raíz del tiempo. Esto aplicándose al menos a los periodos de exposición concernientes a esta investigación.

Conclusiones

Agradecimientos

• Facultad de Ingeniería Civil.

• Universidad Autónoma de Nuevo León.

• Especialmente se agradecen los apoyos otorgados para el

desarrollo de esta tesis a los proyectos CONACYT Ciencia Básica

CB-2007/82464 y PAICYT CA1499-07.

Instituciones como SIMA y CONAGUA para los que sin su apoyo

esta Tesis no sería posible al menos en los términos en que es

presentada.

arcs86@hotmail.com

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Referencias