Structural consecuences of corrosion for reinforced concrete

Andrés A. Torres Acosta*

Investigador, Universidad Marista de Querétaro. Marte #2, Centro Histórico, 76000 Querétaro, México.

* Afiliación permanente: Instituto Mexicano del Transporte, Km 12 Carretera Querétaro-Galindo, 76700 Sanfandila, Querétaro, México.

Abstract

This work presents an experimental investigation which correlates the flexure load capacity loss of reinforced concrete beams with the amount of steel cross section loss due to localized corrosion of the embedded steel. Concrete beams (100×150×1500 mm) with the central portion contaminated by chlorides, placed during mixing of the concrete, were used in this investigation. By applying 80 µA/cm² constant anodic current for approximately 48 to 183 days, further acceleration of the corrosion process was achieved. After the corrosion-acceleration period was over, the specimens were tested in flexure under three-point loading. In addition, the average corrosion penetration, x_AVER, was estimated for each corroded beam from gravimetric metal loss. The results obtained show a decrease as high as 40% in the flexure load capacity values with only 10% of rebar radius loss. But the appearance of deep pits (70% of original radius) on the rebar generated capacity losses as much as 60%. 

Key words: Accelerated corrosion, concrete durability, cracking, flexure load capacity.

Consecuencias estructurales de la corrosión en concreto armado

Resumen

Este trabajo presenta una investigación experimental que relaciona la pérdida de capacidad de carga por flexión en vigas de concreto reforzado y la pérdida de acero debido a corrosión generalizada del refuerzo. Se utilizaron en esta investigación vigas de concreto (100x150x1500 mm) contaminadas con cloruros, colocados éstos durante la fabricación del concreto. Durante la etapa experimental se aceleró la corrosión del acero de refuerzo mediante la aplicación de una corriente anódica de 80 µA/cm² entre 48 y 183 días. Al finalizar el período de corrosión acelerada, las vigas fueron probadas por flexión, utilizando el método de aplicación de la carga en tres puntos. Además, se estimó la pérdida promedio de la penetración de la corrosión, utilizando el método gravimétrico, la morfología de las grietas por corrosión y la profundidad de las picaduras en el refuerzo. Los resultados obtenidos a la fecha, presentaron una disminución del 40% en la resistencia a la flexión cuando la corrosión obtenida fue de solamente un 10% de pérdida de radio, pero la existencia de picaduras de hasta 70% del diámetro en el acero produjeron pérdidas de capacidad de hasta un 60% de la capacidad original.

Palabras clave: Agrietamiento, capacidad portante en flexión, corrosión acelerada, durabilidad del concreto.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007 

Introducción

Es bien conocido, que el recubrimiento del concreto protege a las barras de refuerzo (también llamadas armaduras) contra los agentes agresivos del medio ambiente. Un recubrimiento de concreto sano provee a la armadura de una barrera física previniendo que agentes químicos (iones de cloruro, dióxido de carbono, etc.) lleguen a la superficie de ésta. Además la alcalinidad del agua del poro del concreto protege químicamente a la armadura contra la corrosión. Sin embargo en un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar o brisa marina, se acumulan en la superficie de el concreto y lentamente penetran hasta la armadura ubicada en el interior. Cuando la concentración de cloruros en la armadura excede el valor crítico, la capa pasiva protectora en la superficie de esta armadura se rompe y comienza la corrosión activa. Aunque se desconoce el tipo de productos de corrosión que se forman en la interfase armadura/concreto durante el proceso de corrosión, es de todos conocido que los productos de corrosión tienen menor densidad que el acero original, resultando en una expansión del volumen en la interfase, dando como resultado el agrietamiento del concreto. Por lo tanto la corrosión del acero causa daño en el mismo acero, el concreto y en el anclaje, entre los dos materiales. Son pocos los estudios que se han dedicado a investigar el tema de la capacidad remanente, de estructuras de concreto debido a la corrosión de la armadura [1-10]. Por lo tanto, esta investigación, intenta ahondar en el tema, presentando los resultados de un programa experimental para determinar la relación empírica, entre la degradación por corrosión y los cambios en la capacidad de carga de vigas de concreto reforzado, utilizando un proceso de corrosión acelerado. Esta investigación forma parte del "Plan Nacional Mexicano de Evaluación de Puentes Dañados por Corrosión" que realiza el Instituto Mexicano del Transporte (IMT) [11].

Procedimiento Experimental

Para este estudio, se hicieron doce vigas de concreto de 100 x 150 x 1500 mm, reforzadas longitudinalmente con una varilla del #3 (10 mm de diámetro nominal). Con la intención de no usar ciclos de mojado y secado para iniciar la corrosión en las vigas de este estudio, se colocaron cloruros en el agua de amasado durante la fabricación del concreto a todo lo largo de la viga para generar corrosión en la armadura. La contaminación se obtuvo añadiendo un 3% por peso de cemento de cloruros (~12 kg/m³) durante el mezclado, utilizando NaCl (sal de mesa), de la misma manera como se ha hecho en investigaciones previas [10, 12]. Las vigas se fabricaron utilizando moldes de madera en una fábrica de concreto. La proporción de agua-cemento fue de 0.5, con cemento Pórtland Tipo I (389 kg/m³), arena de sílice estándar (685 kg/m³) de tamaño #20-#30, y agregado grueso a base de basalto triturado (1042 kg/m3) con un tamaño máximo nominal de ~19 mm. El concreto fabricado alcanzó una resistencia característica a 28 días de 37 MPa valor obtenido utilizando cuatro cilindros de concreto simple de f76x305 mm.

Para acelerar el proceso de corrosión se le aplicó a las vigas, una corriente anódica nominal en la varilla de refuerzo # 3 a ocho de las doce vigas fabricadas (cuatro se consideraron controles, B01, B02, B11 y B12). Una placa de acero pegada externamente en una cara lateral de la viga mediante una resina conductora de electricidad fue utilizada como un cátodo. Estos cátodos (placa de acero y resina conductora) fueron colocados para aplicar una corriente anódica a la barra de refuerzo. La densidad de corriente anódica utilizada fue de 80 µA/cm² y fue aplicada en tres períodos diferentes: ~40 días, ~100 días, y ~210 días de acuerdo con el daño nominal por corrosión deseado. Este daño corresponde a 5, 10, y 20% de pérdida de radio del refuerzo, respectivamente. Se utilizó un galvanostato de múltiples canales para aplicar la corriente deseada a cada viga. Mayor información del galvanostato utilizado se encuentra en trabajos previos [10, 12]. A diferencia del procedimiento seguido en la referencia [10] en donde también se utilizó el procedimiento de corrosión acelerada por corriente anódica impresa en vigas en ambiente seco, en la presente investigación se mantuvieron a las vigas en humedad alta mediante esponjas saturadas y cubiertas con polietileno para mantener la humedad de la superficie de concreto constante (95±5%). Se inició el proceso de corrosión acelerada aproximadamente 50 días después de fabricar las vigas. Durante el proceso de corrosión acelerada, se realizó también una vez cada dos semanas, un monitoreo de apertura de grietas. El procedimiento del levantamiento de las grietas es presentado en investigaciones previas [10, 12, 13]. Cuando se alcanzó el valor nominal de pérdida de radio del refuerzo, se dejó de aplicar la corriente anódica y cada viga fue desconectada del galvanostato, en espera de iniciar la etapa de prueba de flexión.

Después de que el período de corrosión acelerada finalizó, las vigas fueron ensayadas a la maquina universal para realizar la prueba de flexión, utilizando el procedimiento de aplicación de la carga en tres puntos. La prueba se llevó a cabo utilizando una máquina universal servo hidráulica marca INSTRON, modelo 8503 (carga máxima nominal de 500 kN). Las vigas se colocaron simplemente apoyadas sobre una viga "I" de acero, la cual se colocó sobre el pistón de la máquina universal. De esta manera, la celda de carga quedó centrada en la viga, aplicándose así tres cargas (2 reacciones y una carga aplicada en el centro de la viga y opuesta a la dirección de las reacciones). Los resultados de la prueba obtenidos de la máquina universal (carga y desplazamiento del pistón) fueron guardados automáticamente por una computadora portátil conectada al sistema servohidráulico de la máquina universal.

Después de finalizada la prueba de flexión, se realizó un levantamiento de grietas por corrosión (no incluidos los resultados en este trabajo por espacio disponible). Inmediatamente después las barras de refuerzo fueron extraídas del concreto. El procedimiento para determinar la penetración promedio de la corrosión, xPROM, del acero de refuerzo fue similar al utilizado en investigaciones anteriores [11-13]. El valor obtenido de xPROM se calculó de la pérdida de masa por corrosión ( W) utilizando la ecuación siguiente:

 

donde x_PROM está dado en mm, DW_G es la pérdida de masa (m₀-m_F) en gramos,f y L son el diámetro (f= 9,5 mm) y la longitud de la zona corroída mm, y r_Fe es el valor de la densidad del fierro (7,86 g/cm³). La pérdida del radio del refuerzo se define en esta investigación como al cociente entre x_PROM y el radio original del refuerzo, r₀. 

Resultados y Discusión

En todas las vigas se midieron los anchos y longitudes de las grietas producidas durante la etapa de corrosión acelerada. Se generaron grietas paralelas a las barras de refuerzo en todas las vigas a las que se les aplicó corriente anódica. En la Tabla 1 se presentan los resultados de ancho máximo de grieta, CW_MAX, para cada una de las vigas, el cual fue medido después de alcanzar el valor nominal de pérdida de radio del refuerzo y justo antes de que las vigas fueran probadas en flexión.

Después de las pruebas de flexión, el refuerzo fue retirado del concreto y se limpió su superficie de los productos de corrosión formados utilizando una solución de HCL con inhibidores de corrosión [10, 12-13]. Después de la limpieza, la pérdida de masa del refuerzo al final del experimento (DW_G) fue calculada restándole el valor de la masa final al de la masa inicial. El valor de x_PROM (considerando que la corrosión fue uniforme en la zona anódica del refuerzo) del refuerzo se calculó utilizando la Ecuación 1. Los valores estimados de DW_G, x_PROM y la pérdida de radio del refuerzo, x_PROM/r₀, se enlistan en la Tabla 1.

La Figura 1 presenta los diagramas de Fuerza-Desplazamiento obtenidos durante las pruebas de flexión para todas las vigas. En esta investigación P_MAX corresponde a la carga justo antes de la aparición de grietas transversales por flexión y la deformación plástica del refuerzo (Figura 1). Tres de las vigas probadas fallaron súbitamente partiéndose en dos partes iguales a partir del centro de la viga (B04, B05 y B10).

Los valores medidos de P_MAX para todas las vigas de esta investigación se presentan en la Tabla 1. Se observaron cambios considerables en el valor de P_MAX, indicando que la pérdida de capacidad en flexión de vigas con refuerzo corroído en forma generalizada es considerable. Los valores experimentales de P_MAX fueron utilizados para determinar la capacidad de carga remanente por corrosión, CRC_COR, de cada una de las vigas corroídas en la Tabla 1.

Estos valores fueron calculados dividiendo el valor de P_MAX de cada viga corroída, P_MAX-CORR, entre el valor promedio de las vigas control (de la Tabla 1 el promedio entre B01, B02 y B12 es 11.4 kN) de la siguiente manera: 

La Figura 2 muestra los valores de CRC_COR de la Ecuación 2 en función de la relación penetración de la corrosión promedio y el radio inicial del refuerzo, x_PROM/r₀, graficados con los resultados obtenidos de previas investigaciones [1-10] (con el símbolo "") y los resultados de la presente. La información obtenida de la capacidad de carga de investigaciones previas incluye los datos de probetas de concreto reforzado pequeñas y corroídas en toda su longitud [1-10]. De la Figura 2 se puede observar una tendencia muy marcada, presentándose una disminución en el valor de CRCCOR cuando x_PROM/r₀ aumenta. Los resultados para corrosión generalizada y pérdida de radio de 10% (x_PROM/r₀= 0.1, igual a un 19% de pérdida de sección transversal del refuerzo) muestran una disminución en promedio del 40% en la capacidad de carga por corrosión (CRC_CORR ~ 0.6).

Cabe aclarar que los valores en la Figura 2 muestran una separación significativa en x_PROM/r₀= 0.1, tendiendo a dos nubes de datos bien marcados. Este cambio en la tendencia también se observó en los resultados obtenidos entre las vigas B08 y B09 comparados con los obtenidos en las vigas B04, B05 y B10. En las cinco vigas anteriores, el valor de x_PROM/r₀ fue aproximadamente 0.1, pero los valores obtenidos de CRC_COR variaron de 0.6 para B08 y B09 a 0.4 y 0.25 para B04, B05 y B10. Esta variación en el valor de CRC_CORR se debió a la aparición de picaduras en las barras de refuerzo de B04, B05 y B10 producto de una corrosión excesivamente localizada. Debido a las fallas observadas en estas últimas tres vigas se realizaron autopsias a todas las barras de refuerzo, después de extraerlas del concreto, midiendo las profundidades de picadura en las ocho vigas corroídas. En la Tabla 1 se muestran los valores máximos de picadura obtenidos en las autopsias a las ocho barras de refuerzo corroídas aceleradamente. 

Se puede observar que B04, B05 y B10 presentaron profundidades de picadura de entre 6 y 7.5 mm (en una barra de refuerzo de tan solo 9.5 mm de diámetro), y la falla catastrófica ocurrida durante las pruebas de flexión se presentó en donde la picadura más profunda ocurrió. Por ello se planteó una segunda relación empírica entre CRC_CORR y PIC_MAX/r₀, en lugar de utilizar la pérdida promedio por corrosión estimada anteriormente por x_PROM/r₀. La Figura 3 muestra esta relación utilizando los valores de esta investigación y los resultados de otras investigaciones. 

Al colocar los resultados de esta investigación junto con los de investigaciones previas se pudo encontrar una tendencia más clara que utilizando el parámetro x_PROM/r₀ utilizado en la Figura 2. Este resultado sería valido para los elementos que, como estas vigas, el acero trabaja solo a tensión. Para casos en donde el acero corroído trabaja a compresión, el resultado puede varias, por lo que mayor información es necesaria para corroborar la relación empírica presentada en esta investigación.

Los resultados presentados aquí pertenecen a una investigación en curso. Una segunda parte de esta investigación [14], es el estudio de un método no destructivo alternativo, basado en monitoreo de los parámetros de vibraciones, para detectar los cambios de la rigidez de vigas de concreto debido a la corrosión del refuerzo. Un tercer programa experimental [15] se lleva al cabo con el fin de determinar los cambios en la rigidez en flexión de vigas de concreto reforzado por corrosión, incluyendo el determinar formulas empíricas que relacionen parámetros varios como la pérdida de rigidez en flexión y el valor medido de pérdida de radio del refuerzo, definido en este trabajo. Los resultados experimentales de estas tres fases que forman el proyecto completo serán analizados en un futuro con un modelo numérico que correlacione la degradación por corrosión y los parámetros de vibraciones medidos.

Conclusiones 

El efecto de la corrosión en la resistencia a la flexión ha sido estudiado experimentalmente utilizando vigas de concreto reforzado con diferentes longitudes de acero en proceso de corrosión. Este trabajo incluye también la información para formular una relación empírica entre la pérdida de resistencia a la flexión con base a la cantidad de acero (pérdida de radio del refuerzo o picadura máxima) por corrosión. Basado en los resultados experimentales obtenidos, se pueden definir las siguientes conclusiones:

– Los resultados obtenidos demuestran que la formación de picaduras fueron más críticas en el caso de que el concreto está saturado de agua en comparación a los resultados obtenidos anteriormente [10] con corrosión en seco.

– Los resultados obtenidos a la fecha indican que la pérdida promedio de radio por corrosión, x_AVER/r₀, de 0.06 y 0.1 (para corrosión acelerada generalizada en concreto húmedo), generaron pérdidas de capacidad de carga, CRC_COR, de entre 30% y 40%, respectivamente. Por otro lado, si la corrosión es muy localizada (picaduras profundas) la CRC_COR disminuyó hasta un 60% del valor de diseño aún cuando el valor de x_AVER/r₀ fue de solo 0,1.

– La CRCCOR disminuyó principalmente por la formación de las picaduras en la varilla, que en este trabajo llegaron hasta un 73% del diámetro original de la varilla.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Instituto Mexicano del Transporte, Querétaro, México, su apoyo económico para la realización de esta investigación con número ET-73: Capacidad Estructural de Elementos de Concreto Reforzado Dañados por Corrosión." El autor también agradece la participación de Sergio Navarro en la fabricación de las vigas, el monitoreo electroquímico y el levantamiento de grietas para la realización de la parte experimental. Las opiniones y resultados obtenidos en esta publicación son de los propios autores y no necesariamente de las instituciones que representan.

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