Carlos Arcila - Specs Construccion Estructuras Marinas Durables

Especificaciones para la construcción de Estructuras Marinas Durables

Ing. Carlos Alberto Arcila López [email protected]

Bogotá, Agosto de 2011

mailto:[email protected]


Etap

as d

e la

vid

a de

una

es

truc

tura

•Diseño •Escogencia de materiales •Construcción / QA / QC •Exposición al medio ambiente en servicio •Ingreso de humedad y agresores •Despasivación del acero

Período de Iniciación

Deterioro

•Expansiones que conducen a fisuración •Agrietamiento del concreto •Desprendimiento del recubrimiento •Deflexiones •Caída de sectores de concreto •Salida de servicio de la estructura o de un sector •Evaluación Patológica y estructural •Rehabilitación total o parcial

VIDA ÚTIL

DE SERVICIO

DE DISEÑO

Construcción de Estructuras Marinas Durables

Medio Ambiente

Agresores en el

ambiente

Mecanismo de transporte y Tipo de deterioro que

causan

Metodología para redactar las Especificaciones

Carlos Arcila López

1


Tipo de estructura Importancia

Vida útil de diseño 2


Normativa existente: Local: NTC

Internacional: ACI /ASTM

EuroNormas

ESPECIFICACIONES: f´c, a/mc, aire % Cementante (cemento, adiciones) Curado (Tipo y duración) Protección anódica Protección Catódica Recub. Protect (acero, concreto) Espesor recubrimiento Ancho máximo de fisura Permeabilidad al agua Permeabilidad Cloruros Expansión por sulfatos Reactividad Álcali-agregado

Ensayos de laboratorio/ Modelos de predicción

Hacer mezclas de prueba y ensayos de durabilidad con antelación (6 meses mínimo!)

Experiencia

en proyectos similares

Concretos por

desempeño

Asesores Externos

3 4

Estudios previos

En la fase de construcción

• Genere controles efectivos para que haya concordancia entre lo especificado y lo construido.

• Los procesos de Aseguramiento de Calidad (QA) y de Control de Calidad (QC) deben ser muy exigentes.

• La obra debe contar con un técnico de alto nivel y experimentado (propio o externo), que le ayude a manejar y resolver los problemas derivados del incumplimiento de una especificación de durabilidad y a analizar la propuesta de arreglo del constructor.


5

Especificaciones Medio Marino

• Como en los matrimonios…los detalles son fundamentales!


• Recubrimiento! • Acabado de la superficie! Se arriesgaría Ud. a un

abuzardado? Y qué de la piedra coralina?


¿Cuánto tiempo debe durar una estructura marina?

Carlos Arcila López 17

3


EHE-08

Vida útil Nominal

3 a 10 años

10 a 25 años

15 a 50 años

50 años

100 años

100 años

(1) Cuando una estructura esté constituída por varias partes, podrá adoptarse para tales partesdiferentes valores de vida útil, siempre en función del tipo y características de la construcciónde las mismas.(2) En función del propósito de la estructura (exposición temporal, etc). En ningún caso se con-siderarán como temporales estructuras de vida útil nominal superior a 10 años.

Edificios de viviendas u oficinas y estructuras de ingeniería civil (excepto obras marítimas) de repercusión económica media a baja

Edificios de carácter monumental o de importancia especial

Puentes y otras obras de ingeniería civil de repercusión económica alta

Vida útil nominal de los diferentes tipos de estructura (1)

Tipo de estructura

Estructuras de carácter temporal (2)

Elementos reemplazables que no forman parte de la estructura principal (barandas, apoyos de tuberías)

Edificios (o instalaciones ) agrícolas o industriales y obras marítimas


Factores que gobiernan la durabilidad de las estructuras

Materiales

Diseño

Ejecución

Mantenimiento

Rara vez se lleva a cabo en obras de concreto


Problemas congénitos

44%

18%

28%


Cargas estáticas Cargas dinámicas Condiciones de exposición

Situación muy frecuente al hacer estudios de evaluación!

Construcción de Estructuras marinas Durables


Deterioro de las estructuras de concreto reforzado

Concreto Físico Químico Corrosión

Material Compuesto



Capa pasiva

Medio alcalino

Protección Física

Protección de las armaduras

Protección Química

Agentes Agresivos O2, CO2, H2O, SO4

=, Cl-

Armaduras

d


AMBIENTE MARINO

Cualquier estructura en contacto con agua de mar, esprea o aerosol marino o situada a menos de 1 km de la playa



AGRESIVIDAD DEL AMBIENTE MARINO TROPICAL


•Humedad y altas Temperaturas •Cloruros •Sulfatos

•Humedecimiento y secado •Ataque mecánico (golpes) •Abrasión /Erosión

•Maremotos •Terremotos


A LO ANTERIOR HAY QUE SUMAR:


•Reactividad Álcali-Agregado •Reactividad Álcali-Carbonato •Agrietamiento por Contracción Térmica inicial (concretos masivos) •Fisuración por otras contracciones

•Plástica •Asentamiento Plástico •Contracción de secado


Puerto de Manzanillo, México Ancho permisible de fisura en medio marino

= 0,2 mm

Ataque por cloruros y sulfatos Construcción de Estructuras marinas Durables

• Los cloruros y los sulfatos son sales

• Las sales sólo pueden ingresar al concreto disueltas en agua

• El ingreso del agua con sales al concreto se da por tres vías:

•Absorción capilar •Presión hidrostática •Difusión

La porosidad y la permeabilidad del concreto son las dos vías que facilitan el transporte de sales y humedad hacia el interior de la estructura


Ataque por cloruros Construcción de Estructuras marinas Durables

• Los cloruros están presentes en el agua de mar y en la arena de playa, así que ninguno de estos materiales es apto para elaborar un concreto marino durable.

• En medio marino el ACI-318-08 (NSR-10) limita la cantidad de ión cloruro* que pueden aportar los materiales al 0,15% del peso del Cementante.

• La cuantía crítica de ión cloruro* para despasivar el acero es de 0,45% del Peso del Cementante.

*Soluble en agua Ataque de cloruros en una estructura

marina muy porosa Carlos Arcila López

Ataque por cloruros



C0:Concreto seco o protegido de la humedad

C1: Concreto expuesto a la humedad pero no a una fuente

externa de cloruros C2: Concreto expuesto a la

humedad y a cloruros

Tabla 4.3.1- PROTECCIÓN DEL CONCRETO CONTRA LA CORROSIÓN

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)

Otros requisitos relacionados

Concreto Reforzado

Concreto pretensado

C0 N/A 17,5 1 0,06

Ninguno

C1 N/A 17,5 0,3 0,06 Ninguno

C2 0,40 35 0,15 0,06 7.7.6, 18.16#

ACI-318-08 Capítulo 4: Requisitos de durabilidad

Miremos lo que dice la normativa existente

Cómo reducir el ingreso de cloruros



Clase 3=Ambiente con Cloruros de origen marino

NTC 5551: Guía de durabilidad de estructuras de Concreto

Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto


Máxima relación

a/mc

Mínima resistencia

(Mpa) Requisitos mínimos adicionales

3.1 0,50 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante



Severidad Clase Condición Bajo 3.1 Sumergida

Moderado 3.2 Aérea

Severo 3.3 Zona de cambio de mareas



• Disminuyendo la relación a/mc (agua/material cementante)


a/mc

REDUCTORES DE AGUA DE ALTO PODER

Las burbujas del aire incorporado intencionalmente con aditivos cabecean los capilares y rompen la intercomunicación entre ellos,

así disminuyen la exudación y la permeabilidad


Poros capilares producto del exceso de agua de amasado Burbujas de aire

incorporado

Agregado grueso

Modificar la microestructura de poros del concreto



• Bloquear Capilares (aire incorporado)

Clase de exposición F1 Clases de exposición F2 y F3

9,5 6 7,512,5 5,5 719 5 6

25,4 4,5 637,5 4,5 5,550,8† 4 576,4† 3,5 4,5

Tabla 4.4.1: Contenido de aire para concreto expuesto a Hielo - Deshielo

Tamaño Máximo

Nominal del Agregado, mm

Contenido de Aire (%)

Carlos Arcila López NSR-10 Capítulo 4: Requisitos de durabilidad

Humedecimiento-secado

• Relación agua/mc y su relación con la resistencia a compresión.

• Concreto con aire incorporado (3-5%) a la mezcla empleando aditivos aireantes.

Portland Cement Association

El cementante y la calidad de la pasta • Es la parte más importante del concreto en lo que se refiere a la durabilidad

de las estructuras a construir con él! • Cementante es todo aquello que reaccione con agua y con Hidróxido de

Calcio, a temperatura ambiente, para formar una pasta que lubrique, fragüe (al aire o sumergido en agua) , endurezca y genere resistencia con el paso del tiempo y, finalmente, ligue los agregados.

• La pasta es la responsable de la mayoría de los fenómenos que ocurren en el concreto durante el fraguado, madurez y vida en servicio.

• La salud del concreto pasa por lo que suceda en la pasta. Por esta razón es necesario definir con sumo cuidado su cantidad, composición, porosidad, permeabilidad, comportamiento térmico, estabilidad dimensional y resistencia al ataque químico y físico.


El verdadero reto!


Un diseño durable empieza por escoger apropiadamente el cemento, las adiciones, la relación agua/cementante

necesarios para obtener la vida útil deseada, y el tipo de aditivos que nos van a ayudar a tener una mezcla de

concreto con la manejabilidad y el tiempo de manejabilidad apropiados para el clima, tipo de obra,

medios de transporte y colocación.

Y en Latinoamérica esta labor no es realmente fácil!

El especificador no sabe realmente cómo es el tipo de cementante que va a especificar…

y eso es vital para asegurar la durabilidad ! Incluso el concreto especificado puede ser distinto

al que se negocia al iniciar la obra años después. Además…el constructor muchas veces propone

cambios en la mezcla Por ej: modificar la relación a/mc manteniendo la reistencia!

El principal problema al tratar de especificar estructuras durables!

Les suena conocido?

• Hagamos algunas preguntas: 1. cuáles son los tipos de

cemento actualmente disponibles en nuestro medio?

2. Que tipo de adiciones y cuál es su comportamiento?

3. Qué beneficio traen y frente a cuál ataque son nocivas?

Especificación del cemento

Aplicaciones

Uso general

Moderado calor de

hidratación

Alta resistencia

inicial

Bajo calor de

hidratación

Moderada resistencia a los sulfatos

Alta resistencia a los sulfatos

ASTM C 150 (AASHTO M 85)

Cementos portland

I II III IV II V

ASTM C 595 (AASHTO M 240)

Cementos hidráulicos adicionados

IS IP

I(PM) I(SM) S, P

IS(MH) IP(MH)

I(PM)(MH) I(SM)(MH)

P(LH)

IS(MS) IP(MS) P(MS)

I(PM)(MS) I(SM)(MS)

ASTM C 1157 Cementos hidráulicos

GU MH HE LH MS HS


Adiciones puzolánicas

La norma ASTM 618-92, define las puzolanas como "materiales silíceos o alumino-silíceos los cuales, por sí solos, poseen poco o

ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el

hidróxido de calcio, a temperatura ambiente, para formar compuestos con propiedades cementantes".

CENIZA VOLANTE HUMO DE SÍLICE ESCORIA DE ALTO HORNO ARCILLAS ACTIVADAS METACAOLIN EL FILLER CALIZO NO ES UNA ADICIÓN PUZOLÁNICA

• Adiciones Puzolánicas Reactivas

• Cuántas adiciones puzolánicas reactivas hay?

Ceniza Volante Clase C

Ceniza Volante Clase F

Humo de Sílice

Metakaolín Escoria

Esquisto calcinado

Humo de sílice



• Usar adiciones puzolánicas reactivas (fijar Hidróxido de Calcio)

Cemento Portland + H2O → SCH + Ca (OH)2

Puzolana + Ca(OH)2 + H2O → SCH

SCH= Pasta de cemento Ca (OH)2= hidróxido de Calcio


Acción Puzolánica


Refina la red de poros existentes en la matriz del concreto


Tres mezclas con igual relación agua/cementante pueden mostrar diferente desempeño en pruebas de durabilidad, dependiendo de la composición del cementante y tipo de adición puzolánica.

Problemas de las prescripciones de mezcla para cumplir con durabilidad

Permeabilidad Rápida a Cloruros (RCPT) ASTM C-1202

ACI-318-08


F3= HIELO-DESHIELO

Contenido máximo de adiciones puzolánicas reactivas

• Cálculo de la relación a/mc

Ceniza Volante Clase F

Humo de Sílice Esto sólo es cierto si 1kg de

la adición a usar equivale a 1 kg de cemento. El K (Indice de reactividad de las adiciones) varía entre 0,4 (menos reactivas) y 2,0 (humo de sílice) más reactivas!

Cálculo correcto: Relación a/mc = Agua

Cemento + k x Peso Adición


ACI-318-08

Ataque químico por sulfatos (expansión)

Los Sulfatos de Sodio o Magnesio reaccionan con el hidróxido de calcio (Ca (OH)2), que desprende el cemento al hidratarse, produciendo yeso. El yeso reacciona con el Aluminato Tricálcico hidratado y se forma etringita

•Material expansivo •Fisura el concreto •Reduce la resistencia

La solución generalmente era especificar un cemento Tipo II (agresión moderada) o un cemento Tipo V cuando la agresión era más fuerte

Ataque por sulfatos


Categoría Severidad Clase

Sulfato (SO4) soluble en

agua presente en el suelo (% en peso)

Sulfato (SO4) disuelto en agua (ppm)

No aplicable S0 SO4 < 0,10 SO4 < 150

Moderado S1 0,10< SO4 < 0,20

150< SO4 < 1500

Severo S2 0,20< SO4 < 2,00

1500< SO4 < 10.000

Muy severo S3 SO4 >2,00 SO4 > 10.000

Condición

Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES

S Sulfatos

Clasificación del ataque de sulfatos al concreto

ACI- 318-08


Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION

Clase de exposición Máx Relac a/cmMínima

Resistencia Mpa

ASTM C 150ASTM C 595

ASTM C 1157

S0N/A 17,5 Ninguna

restricciónNinguna

restricciónNinguna

restricciónNinguna

restricción

S1 0,5 28 II†‡IP(MS), IS(<70) (MS)

MS Ninguna restricción

S2 0,45 31,5 V‡IP(HS), IS(<70)

(HS)HS No se permite

S3 0,45 31,5 V+ Puzolana o escoria

IP(HS) + puzolana o escoria§ o

IS(<70) (HS) +

puzolana o escoria§

HS + Puzolana o

escoria§No se permite

Requisitos mínimos adicionales

Material cementante, Tipos

Aditivo con Cloruro de

Calcio

Requerimientos para el concreto ACI 318-08

Agua de mar



Máxima relación a/mc

Mínima resistencia

(Mpa) Requisitos mínimos adicionales




Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto

* 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 para el concreto NTC-5551


Para controlar ataque de sulfato se especifica generalmente cementos Tipo II y Tipo V con contenidos de ALUMINATO TRICÁLCICO (C3A) menores al 8 y al 5% respectivamente. Lo cierto es que cada vez más se torna más difícil su consecución! Veamos cómo mediante el empleo de una adición puzolánica apropiada, incluso con Cemento Tipo I, podemos hacer concreto resistente a los sulfatos!

El cemento para enfrentar ataque de sulfatos

Humo de sílice 1

Humo de sílice 2

Cem

ento

Tip

o I

Poder del humo de Sílice para enfrentar ataque de sulfatos

Ejemplo de empleo de la acción puzolánica para controlar un ataque

Acción de los sulfatos

MgSO4 + Ca (OH)2 + H2O --> Ca SO4 + Mg (OH)2

1) Substitución del catión Mg 2+ --> Ca 2+

soluble

erosión

Yeso secundario cristaliza

expansión

precipita

2) Acción del yeso secundario CaSO4 + C3 A+ 32 H2O --> C3A 3 Ca SO4 . 32 H2O

etringita

expansión


Adición

100%

60%

40%

C3A

0%

8%

C3A: 8%

0%

4,8%

Tipo I

Tipo V / IP(HS)

Uso de una adición puzolánica reactiva para modificar el desempeño de un cemento

=

=

C3A< 5%


Máxima expansión al ensayar usando ASTM C 1012

A los 6 meses A los 12 meses A los 18 meses

S1 0,10%

S2 0,05% 0,10%*

S3 0,10*

Tabla 4.5.1- Requerimientos para establecer la conveniencia de combinaciones de materiales cementantes expuestos a sulfato soluble en

agua


*El límite de expansión a 12 meses aplica sólo cuando se ha excedido la expansión a 6 meses

Expansión máxima cuando se usa adiciones o cementos adicionados

Barras de mortero confeccionadas con el cemento y la adición a ensayar.

Se sumergen en una solución de Sulfato de Magnesio al 5%.

Se monitorea expansión y pérdida de resistencia.

(Mínimo 4-6 meses)

Ensayos para determinar la resistencia a sulfatos de un cemento

Tortas de 80 mm de diámetro y 30 mm de altura hechas con la cantidad de sulfato a ensayar , el cual se agrega a la pasta un poco antes de fraguar.

Luego se somete a la acción de la humedad y se mide expansión.


Ensayo LeChatelier Anstett


Ensayo LeChatelier Anstett

Esta muestra no pasó el examen!


Publicaciones que pueden ayudarnos a aclarar el panorama de la escogencia de un cemento y el uso de las adiciones puzolánicas


Otras acciones importantes!

Recubrimiento y Curado del concreto para obras marinas


Un buen espesor de recubrimiento y un curado apropiado, para el tipo de cementante y el tipo de concreto (normal, alta resistencia inicial, etc) son ingredientes básicos para lograr una larga vida útil de la estructura

La piel del concreto


La gran mayoría de los problemas de durabilidad empiezan u ocurren en los primeros 5 cm más expuestos del concreto….es decir en el recubrimiento sobre el acero! Cemento, buena compactación y excelente curado!

Curado del concreto para obras marinas


Tiempos mínimos de curado hídrico (NBR-6118)

(Días)


Correcciones a los tiempos de curado hídrico


Modelos de predicción de la vida útil Transporte de cloruros

La velocidad de ingreso dependerá de : • Porosidad del concreto (a/c, compactación, tipo

de curado) • Grado de saturación de los poros • Tipo y cuantía de cementante (% adición,

Cemento, %C3A) • Ancho y número de fisuras existentes • Temperatura • Tiempo

•Modelos de transporte de cloruros

Modelar el ingreso de cloruros es más complicado que establecer modelos de carbonatación, ya que se generan varios fenómenos particulares:

• Los cloruros ingresan al concreto a través de su red porosa

por absorción capilar • Además penetran también por difusión • La naturaleza del agua de poros influye en el transporte de

los iones (alcalinidad, viscosidad) • Los cementos tienen cierto poder de fijación de cloruros

(C3A,C4AF) • No basta con que el cloruro arribe al acero, debe acumularse

hasta llegar a la cuantía crítica (0,4% del peso del cemento) para causar la disolución de la capa pasiva.

Cl-

Cálculo del coeficiente de difusión de Cloruros

• Debido al gran número de factores que influyen en el transporte de iones cloruro, es necesario hacer algunas simplificaciones y por esta razón se ha diseñado ensayos que cobijan los mecanismos de transporte más importantes.

Se distinguen dos tipos de coeficiente de difusión: Coeficiente de difusión de estado estacionario: sólo tiene en cuenta el

transporte de iones a través de la fase sólida

Coeficiente de difusión de estado no estacionario: considera tanto el transporte como la interacción con la fase sólida.

De éstos dos, sólo el último (Coeficiente de difusión No estacionario) sirve para modelar y predecir vida útil de una estructura, pero el primero sirve para hacer comparaciones rápidas de eficiencia de un diseño.

Cálculo del coeficiente de difusión de Cloruros

No estacionario

Estacionario

Ensayo Rápido Rapid Chloride Permeability Test

Difusión natural

Migración

Difusión natural

Migración

Migración Unificado Migración

LENTO

Pruebas para determinar el desempeño de cementos y adiciones enfrentando cloruros y sulfatos


•Permeabilidad al agua

• Fácil de ejecutar • El elemento impulsor es la

presión hidrostática (50 m H2O)

• No existe la interacción entre el cemento (C3A) y los cloruros

Claro: si el agua no pasa los cloruros tampoco…en ese sentido puede ser útil.

NTC-4483

Un concreto se considera suficientemente impermeable desde el punto de vista de la durabilidad si se cumplen los parámetros de la tabla siguiente:

EHE-08

RCPT: Prueba de permeabilidad rápida cloruros

•Útil para comparar diseños de una manera rápida (6 H) y confiable

•No permite la interacción cemento y cloruros por su rapidez

•La probeta entra a la prueba saturada, no hay absorción!

•La fuerza impulsora es la diferencia de potencial eléctrico entre electrodos

ASTM 1202-97 “Electrical indication of Concrete´s Ability to Resist Chloride Penetration”

Es una prueba de conductibilidad eléctrica, si pasa agua pasan cloruros y pasa la carga eléctrica al otro lado

Interpretación de resultados de permeabilidad rápida cloruros

Carga que pasó en (Coulombios)

Facilidad de penetración de

clorurosCorrespondencia

> 4000 Alta a/c>0,62000-4000 Moderada a/c>0,4 a 0,51000-2000 Baja a/c<0,4 100-1000 Muy Baja Recubrimiento acrílico

<100 Despreciable Recubrimiento epóxico

ASTM 1202-97 “Electrical indication of Concrete´s Ability to Resist Chloride Penetration”

Utilización de adiciones para frenar el ingreso de cloruros

• Si no podemos elaborar un superconcreto! • Si el recubrimiento puede llegar a quedar corto! • Si el concreto se agrieta! • Si no hay tiempo para ensayar diseños! • Si el suministrador no sabe cómo funciona su concreto! • Si las especificaciones quedaron cortas! • etc

Acciones adicionales que nos pueden alargar la vida útil de la estructura…en especial:

Recubra el acero


• Acrílico • Epóxi-cemento

Recubra el concreto


• Recubrimientos con µH2O y µCO2 altos protegerán de la entrada de humedad con sales y frenarán la carbonatación.

Recubra el concreto

Carlos Arcila López 12 años sin un solo problema de deterioro!

Monitoreo

Prefabricados en medio marino

Caso de obligatorio empleo de un recubrimiento protector contra la corrosión sobre el acero!

[email protected]

Espesor de recubrimiento insuficiente para un ambiente tan agresivo!

Se adiciona a la mezcla de concreto fresco:

• Forma una película protectora

alrededor del acero de refuerzo • Es protección anódica ya que inhibe

la ionización del acero y su disolución

• Es protección catódica ya que obstruye el oxígeno disponible en la superficie del acero

Uso de un aditivo inhibidor de corrosión

[email protected]

Uso aditivo inhibidor de corrosión

Muelle del puerto de Manzanillo (México)

[email protected]

La tarea de construir estructuras durables

• En países en desarrollo como los nuestros hacer estructuras durables es una obligación moral

• La tarea es dura pues involucra varias disciplinas que normalmente no están todas reunidas en el ingeniero, arquitecto o constructor. – Concreto, diseño estructural, química, electroquímica y

sentido común! – La tarea es larga, pero hay que empezarla ya!



“Para hacer producir es necesario salir de las oficinas, internarse en el campo, ensuciarse las manos y sudar...es el único lenguaje que entienden el suelo, las plantas y los animales.” Norman Borlaug, Premio Nobel de la Paz

Ing. Carlos Alberto Arcila López • Patología estructural

• Diseños de concretos especiales • Especificaciones de durabilidad y de Rehabilitación

• Capacitación Técnica • [email protected]

310- 2 222 111


Mil gracias por su atención!

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