VIDA UTIL DEL CONCRETO

EXPUESTO A DIFERENTES

AMBIENTES

Weak And Powerless

Ing. Diego Velandia

Ing. Wilmar Echeverri

CONTENIDO:

¿Por qué el concreto es el material del futuro?

Daños químicos

Desarrollo de Estudio y Normatividad

Análisis y resultados

Conclusiones

La tecnologia del concreto se ha interesado en desarrollar novedosas investigaciones en temas relacionados con construcción sostenible.

Aplicaciones en desarrollo.

Concreto con agregados reciclados

Concreto poroso o permeable.

Concreto liviano

Concretos de alto desempeño

POR QUE EL CONCRETO ES

EL MATERIAL DEL FUTURO

El desarrollo actual de la actividad humana no debe

estar comprometida con la posibilidad de que las

próximas generaciones puedan seguir desarrollándola.

CONCRETOS DE ALTO DESEMPEÑO.

CONCRETOS DE ALTA RESISTENCIA

CONCRETOS DE MAYOR MODULO ELASTICO

CONCRETOS EVALUADOS POR DURABILIDAD

CONCRETOS CON UNA VIDA UTIL MAYOR

Como se logra?Siguiendo la normativa midiendo

AMBIENTES

DAÑOS

NECESIDAD DE VIDA UTIL

DAÑOS QUÍMICOS

CLORUROS

SULFATOS

CARBONATACIÒN

ATAQUE POR

CARBONATACIÓN

La carbonatación es un tipo particular de reacción ácida.

Se debe a la penetración del CO2 del aire atmosférico en la estructura porosa del concreto.

Se caracteriza por una disminución del pH del concreto de valores del orden de 13 a 9,

perdiendo su basicidad, dejando de ser un elemento protector de los aceros de refuerzo.

El proceso de carbonatación se desarrolla desde la superficie hacia el interior de la masa.

Se crea así un “frente de carbonatación”. La reacción principal ocurre con el hidróxido de

calcio, siendo el carbonato de calcio el producto más importante.

Se expresa químicamente: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

ENSAYO CARBONATACIÓN

ACELERADA

El contenido de CO2 en el aire

La humedad relativa del medio ambiente

La cantidad de cemento (kg/m3)

La relación A/C

La microestructura del material

La velocidad del proceso de carbonatación depende de

(1) Ca(OH)2 + Na2SO4.10H2O = CaSO4.2H2O + 2Na(OH) + 8H2O

(2) 3CaO.Al2O3.12H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 13H2O

= 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O

(3) 2(3CaO.Al2O3.12H2O) + 3(NaSO4.10H2O)

= 3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + 2Al(OH)3 + 6NaOH + 17H2O

(4) 3CaO.2SiO2.aq. + MgSO4.7H2O + Mg(OH)2

= CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 + SiO2.aq

Reacciones que producen

expansión

ATAQUE POR SULFATOS

El ataque de sulfatos ocurre en concentraciones relativamente altas de sulfatos de sodio, potasio, calcio o magnesio, en suelos y aguas

El ataque de sulfatos se debe a la

combinación de ion sulfato( SO4=) con el

aluminato de calcio hidratado del cemento

formando ettringita o sulfo aluminato de

calcio (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O).

La expansión, es atribuida a la formación de

precipitados insolubles cuyos cristales van a

incrementar su volumen en la fase sólida,

produciendo presión y ruptura sobre la masa

circundante.

Varias investigaciones demostraron que

cementos con bajo contenido de C3A y hasta

con un 15 % de C4AF eran muy resistentes

a los sulfatos, aunque otros con poco C3A y

poco o nada de C4AF no lo eran. Se atribuye

un efecto protector al gel de hidróxido de

hierro formado.

CEMENTOS DE USO CONCRETERO

FRENTE A EXPANSIÓN POR SULFATOS

El C3A no esta relacionado directamente si existen bajas adiciones pues dependede otros procesos de hidratación.

CEMENTOS DE USO GENERAL FRENTE

A EXPANSIÓN POR SULFATOS

Aunque el C3A cumple los % de expansión no lo hacen en el ensayo de la ASTM 1012.

El método ASTM C-452 que se basa en

mezclar cemento con yeso para obtener un

sulfato de 7 %, preparando especímenes en

barras y sometiéndolos a curado en agua a

temperatura normal. Este método se utiliza

en cementos con adiciones ≤ 5%

El método ASTM C-1012 basado en la

inmersión del mortero en solución de sulfato

de sodio anhidro, evalúa el cambio de

longitud del mortero expuesto. Se cura el

mortero recién preparado en agua a 35ºC,

previo sellado del molde, durante 24 horas;

Este método se recomienda para todos los

tipos de cemento con adiciones > a 5%.

Medición de expansión e identificación

de etringita secundaria.

Verificación de comportamiento de

cementos enfrenteados a ataques

químicos.

Mezclas asociadas a diferentes

sistemas de colocación tuberías –

canales – plantas de tratamiento.

ATAQUE POR CLORUROS

Los cloruros ingresan al concreto de dos maneras

Presencia en agregados, agua, cementos

contaminados o en aditivos.

Mecanismo de difusión o combinado con el

transporte de agua por succión capilar y

evaporación, ubicándose en los poros

interiores del concreto.

La consecuencia final es la corrosión de la

armadura.

El riesgo depende de la resistencia del

concreto a la penetración del cloruro y su

capacidad de enlace, puesto que los iones

libres serán agresivos a las armaduras.

Equipo de permeabilidad a cloruros

Para determinar la resistencia a la penetración se utilizó la norma ASTM C-1202.Se mide la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través de una muestra de concreto de 10 cm de diámetro y 5 cm de espesor, manteniendo el sistema a un voltaje de 60V por un período de 6 horas.

Valoración de penetración.

DESARROLLO DE ESTUDIO

Y NORMATIVIDAD

Se verifican los concretos producidos en zonas donde el ambiente establezca condiciones de daños químicos.

Implementar métodos de ensayo de

durabilidad para encontrar el desempeño de

diferentes concretos frente a diferentes

ambientes.

Verificar el cumplimiento de la normativa

OBJETIVOS:

NSR 10

NTC 5551

ALCANCE:

– Relación a/mc

– Uso de adiciones

• Humo de sílice

• Ceniza Volante

• Escoria

• Puzolana Naturales

– Curado

Normatividad

NTC 5551

NSR 10

Diseños

actualesDesempeño

Cloruros

Sulfatos

CO2

DETERMINACION DE AMBIENTES

DISTRIBUCIÓN POR

ATAQUE

Fuente: PCA

Fuente: PCA

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

Humedo Humedo-Intemperie Plastico- Intemperie Intemperie

Carg

a [

Co

ulo

mb

s]

4000 0% 4500 0% 5000 0% 4000 30% 4500 30% 5000 30%

Moderada

Baja

SUR OCCIDENTE

PERMEABILIDAD A

CLORUROS

4000 PSI – a/mc=0.53, mc=358kg/cm3

4500 PSI – a/mc=0.49, mc=389kg/cm3

5000 PSI – a/mc=0.45, mc=420kg/cm3

NORTE

PERMEABILIDAD A

CLORUROS

4000 PSI – a/mc=0.56, mc=335kg/cm3

4500 PSI – a/mc=0.53, mc=355kg/cm3

5000 PSI – a/mc=0.48, mc=387kg/cm3

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

Humedo Intemperie

Carg

a [

Co

ulo

mb

s]

4000 - 0% 4500 - 0% 5000 - 0% 4000 - 30% 4500 - 30% 5000 - 30%

Moderada

Baja

30% CENIZA

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Humedo Interperie

Carg

a [

Co

ulo

mb

s]

4000 PSI 4500 PSI 5000 PSI

0% CENIZA

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Humedo Interperie

Ca

rga

[C

ou

lom

bs

]

4000 PSI 4500 PSI 5000 PSI

Moderada

Baja

4000 PSI – a/mc=0.56, mc=335kg/cm34500 PSI – a/mc=0.53, mc=355kg/cm35000 PSI – a/mc=0.48, mc=387kg/cm3

NORTE

PERMEABILIDAD A CLORUROS

Components of Concrete Service Life. ACI 365

Desempeño del concreto

x

txCDJ

,

x

J

t

C

2

2

x

CD

t

C

0,

,0

00,

tC

CstC

xC

Dt

XerfcCstxC

2),(

Primera ley de difusión

Conservación de masa

Segunda Ley de Fick

Condiciones

VIDA ÚTIL

ATAQUE DE CLORUROS

KmolJR

molJU

CTref

eDD

díast

ECVm

t

tDD

D

dtexerfc

erfc

Dt

XerfcCstxC

TTrefR

U

refT

ref

m

ref

reft

mca

x

t

/314472,8

/35000

20

28

70

%

50

%4,02,0

10

2)(

ariocomplementerror defunción

2),(

11

)/4,206,12(

28

2

12)4,04,206,12(

28 109433,710D

2017,070

%30

50

%04,02,0

70

%

50

%4,02,0

ECVm

12

2017,0

12 108667,260602436512

60602428109433,7

m

ref

reftt

tDD

12293

1

293

1

314472,8

35000

12

11

866710.2108667,2 eDeDD T

TTrefR

U

refT

%042,0101563,4)60602436512866710.2(2

3,00008,

2),( 4

12erfc

Dt

XerfcCstxC

EJEMPLO

Datos de entrada:

r a/c: 0,4Escoria:30%Años de análisis: 12

Concentración cloruros superficie:

0.08%Recubrimiento: 3 cmT=20 CConcentración límite de cloruros=0,05%

Fuente: LIFE 365

2

2

x

CD

t

C

CCCCCd

c

b

a

x

tD

dCcCbCa

CCCCCCCC

x

CCC

x

CCCD

t

CC

n

j

n

j

n

j

n

jj

j

j

j

j

n

jj

n

jj

n

jj

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

2)2)2)(1(

2

2

1

2

2

212

22

21

2

11

2

1

1

11

1

11

1

1

11

1

1

2

11

2

1

1

11

1

1

VARIACIÓN TEMPERATURA, CONCENTRACIÓN

CLORUROS EN LA SUPERFICIE

Solución por medio de diferencias finitas: Método de Crank-Nicholson

12)4,04,206,12(

28 109433,710D

2017,070

%30

50

%04,02,0

70

%

50

%4,02,0

ECVm

12

2017,0

12 108335,760602430

60602428109433,7

m

ref

reftt

tDD

12293

1

293

1

314472,8

35000

12

11

8335,7108335,7 eDeDD T

TTrefR

U

refT

seg 2592000días 30

01,0

t

mx

Datos de entrada:

r a/c: 0,4Escoria:30%Años de análisis: 12

Concentración cloruros superficie: variable

Temperatura ambiente: variableRecubrimiento: 20 mmEspesor analizado 30 mm

EJEMPLO – CÁLCULO A

MANO, MATLAB

0)0x020)(5,01(2

4061,00)2)(1(

2

0)0x020)(5,01(2

4061,00)2)(1(

2

40152,1)0x02%1,0)(5,01(2

4061,00)2)(1(

2

1015,02

4061,05,0

2

1,2031x0,40615,011

1015,02

4061,05,0

2

5,0

4061,001,0

12x2592000-E8335,722

113

112

111

22

1

1

11

1

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

n

j

j

j

j

j

n

jj

n

jj

n

jj

CCCCd

CCCCd

ECCCCd

c

b

a

x

tD

dCcCbCa

0

040152,1

1015,0

1015,0

1015,0

2031,1

2031,1

2031,1

1015,0

1015,0

1015,0

1

4

1

3

1

2

1

3

1

2

1

1

1

2

1

1

1

0 E

C

C

C

C

C

C

C

C

C

Si

%0

%01,0

%10,0

1

3

1

2

1

1

C

C

C

%0

%10,0

1

4

1

0

C

C

Mes 1

Mes 2

411,0

4896,1

4992.8

3

2

1

Ed

Ed

Ed

%0

%06,0

%63,0

1

3

1

2

1

1

C

C

C

1120,0

2031,1

1120,0

c

b

a

Entonces

CENTRO

CARBONATACIÓN

4000 PSI – a/mc=0.53, mc=344kg/cm3

5000 PSI – a/mc=0.44, mc=416kg/cm3

CARBONATACIÓN 2 SEMANAS

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

Humedo Humedo-Intemperie Plastico- Intemperie Intemperie

Carb

on

ata

ció

n [

mm

]

4000 - 0% 4000 - 10 4000 - 20% 5000 - 0% 5000 - 10% 5000 - 20%

SUROCCIDENTE

CARBONATACIÓN

4000 PSI – a/mc=0.54, mc=358kg/cm3

5000 PSI – a/mc=0.46, mc=420kg/cm3

CARBONATACIÓN 2 SEMANAS

0

1

2

3

4

5

6

Humedo Humedo-

Intemperie

Plastico-

Intemperie

Intemperie

Curado

Carb

on

ata

ció

n [

mm

]

4000PSI - 0% 4000PSI - 10% 5000 PSI - 0% 5000 PSI - 10%

NOROCCIDENTE

CARBONATACIÓN

4000 PSI – a/mc=0.5, mc=384kg/cm3

5000 PSI – a/mc=0.42, mc=457kg/cm3

CARBONATACIÓN 2 SEMANAS

0,0

0,51,0

1,52,0

2,5

3,03,5

4,04,5

5,0

Humedo Humedo-

Intemperie

Plastico-

Intemperie

Intemperie

Curado

Ca

rbo

na

tació

n [

mm

]

4000PSI - 0% escoria 4000PSI - 10% escoria 5000PSI - 0% escoria 5000PSI - 10% escoria

Cálculo de K campo según diferentes autores (Helene, Tutti, CEB, EHE,

Misión Danesa), teniendo en cuenta a/mc, cantidad mc, resistencia. Con los

diferentes valores se maneja un rango.

Cálculo de K laboratorio. K dependerá de las una humedad relativa (80%),

concentración CO2, tiempo (14 días)

El K acelerado es afectado por una sola correlación la cual permite entrar al

rango calculado en el punto 1 ; la correlación depende de la cámara de

carbonatación (humedad, temperatura) y el tiempo.

Validación en campo.

K ENSAYO ACELERADO VS. K MEDICIONES CAMPO

K vs a/c

0

1

2

3

4

5

6

7

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7

a/c

K [

mm

/añ

o]

CEB TUUTTI HELENE

K vs f'c

0

1

2

3

4

5

6

7

8

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370

f'c [kg/cm2]

K [

mm

/añ

o]

CEB TUUTTI HELENE DANES EHE

4000 PSI

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tiempo [año]

Pro

fun

did

ad

[m

m]

CEB TUUTTI HELENE DANES

EHE CENTRO NOROCCIDENTE SUROCCIDENTE

5000 PSI

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tiempo [año]

Pro

fun

did

ad

[m

m]

CEB TUUTTI HELENE DANES

EHE CENTRO NOROCCIDENTE SUROCCIDENTE

Expansión x Sulfatos

0,000%

0,010%

0,020%

0,030%

0,040%

0,050%

0,060%

0,070%

0,080%

0,090%

0,100%

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

Tiempo [Semanas]

Exp

an

sió

n [

%]

4000 PSI - 0% 4000 PSI -10%4500 PSI - 0% 4500 PSI - 10%5000 PSI - 0% 5000 PSI - 10%

4000 PSI – a/mc=0.53, mc=358kg/cm34500 PSI – a/mc=0.49, mc=389kg/cm35000 PSI – a/mc=0.45, mc=420kg/cm3

SUR OCCIDENTE

EXPANSIÓN POR SULFATOS

Incluir mas datos

actualizar

Expansión x Sulfatos

-0,005%

0,005%

0,015%

0,025%

0,035%

0,045%

0,055%

0,065%

0,075%

0,085%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Tiempo [Semanas]

Exp

an

sió

n [

%]

4000 PSI - 0% 4000 PSI -10%4500 PSI - 0% 4500 PSI - 10%5000 PSI - 0% 5000 PSI - 10%

EXPANSIÓN X SULFATOS

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Edad [Dias]

Expansio

n (

%)

Testigo 1

2- 20% Ceniza

3-30%Ceniza

EXPANSIÓN X SULFATOS

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Edad [Días]

Exp

an

sio

n (

%)

4-20%Ceniza

1-Testigo

a/mc=0.53

NORTE

EXPANSIÓN POR SULFATOS

Incluir mas datos

actualizar

TESTIGO

20% DE CENIZA

56 DÍAS DE INMERSION

EN SULFATOS

TESTIGO

(20%) DE CENIZA

56 DÍAS DE INMERSION

EN SULFATOS

1 2 3

Exposición AmbienteParametro de

diseño NormaEspecificación Zona Producto

DESCRIPCIÓN

Penetrabilidad moderada.

Carga de 1000 –2000

Coulombs - ASTM 1202

Penetrabilidad moderada.

Carga de 1000 –2000

Coulombs - ASTM 1202

Penetrabilidad moderada.

Carga de 2000 –4000

Coulombs - ASTM 1202Baja

permeabilidad a

Cloruros

ACI/NSR10

Penetrabilidad moderada.

Carga de 2000 –4000

Coulombs - ASTM 1202

Norte

Concreto

expuesto a

humedad

pero no a

cloruros

Norte

Sur Occidente

No aplicable

Moderada

Concreto

seco o

protegido

contra

humedad

Severa

Concreto

expuesto a

humedad y

cloruros

A/C=0,45

Adición=30%

MC=420 kg/m3

35 MPa

Sur Occidente

Sur Occidente

Norte

- -

A/C=0,48

Adición=30%

MC=387 kg/m3

35 MPa

Todos los

concretos

A/C=0,53

Adición=30%

MC=358 kg/m3

28 MpaA/C=0,56

Adición=30%

MC=335 kg/m3

28 MPa

A/C=N/A 2500

PSI

A/C=0.4 5000 PSI

Especificador debe pensar sobre la vida util del material decir condiciones de

exposición

Los diferentes ambientes en Colombia exigen que los concretos entreguen un

desempeño frente a los requerimientos. Consideraciones adicionales a las

propuestas en normativa, como por ejemplo el uso de adiciones, permiten

entregar un concreto con mayores capacidades de resistencia frente

ambientes agresivos químicamente.

Relaciones bajas agua-material cementante, resistencias altas, un buen

curado y porcentajes altos de adición garantizan que los diseños propuestos

en la normatividad para cloruros y sulfatos cumplan con un buen desempeño.

Así mismo, los concretos propuestos para carbonatación cumplen teniendo

las mismas consideraciones con excepción de una menor dosificación de

adición por diseño.

Los datos de entrada de diseño propuesto por la normatividad nacional no

son suficientes para categorizar o clasificar un concreto para un ambiente,

para esto es necesario contar con una evaluación que proporcione un

desempeño; esto se justifica con el estudio realizado, en donde a pesar de

tener diseños que cumplían, tenían un desempeño pobre.

CONCLUSIONES

MUCHAS GRACIAS