Semana 10 O Durability Metha Chapter 5. Traducción PDF

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CAPÍTULO5DurabilidadAVANCELos diseñadores de estructuras de hormigón se han interesado principalmente por las características de resistencia del material; por una variedad de razones, ahora deben volverse conscientes de la durabilidad. Mientras que el concreto debidamente constituido, colocado y cur...

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CAPÍTULO

5 Durabilidad

Al final, se presta especial atención al rendimiento del hormigón en agua de mar. Dado que numerosas causas físicas y químicas de deterioro están en juego simultáneamente, un estudio del comportamiento del hormigón en el agua de mar ofrece una excelente oportunidad para apreciar la complejidad de los problemas de durabilidad que afectan a las estructuras de hormigón en la práctica de campo.

AVANCE Los diseñadores de estructuras de hormigón se han interesado principalmente por las características de resistencia del material; por una variedad de razones, ahora deben volverse conscientes de la durabilidad. Mientras que el concreto debidamente constituido, colocado y curado disfruta de una larga vida útil en la mayoría de los entornos naturales e industriales, las fallas prematuras de las estructuras de concreto ocurren y brindan lecciones valiosas para el control de los factores responsables de la falta de durabilidad. El agua generalmente está involucrada en todas las formas de deterioro, y en los sólidos porosos, la permeabilidad del material al agua generalmente determina la tasa de deterioro. Por lo tanto, al comienzo de este capítulo se describen la estructura y propiedades del agua con especial referencia a su efecto destructivo sobre materiales porosos; luego se presentan los factores que controlan la permeabilidad de la pasta de cemento, agregados y concreto. Los efectos físicos que influyen negativamente en la durabilidad del hormigón incluyen el desgaste de la superficie, el agrietamiento debido a la presión de cristalización de las sales en los poros y la exposición a temperaturas extremas como las heladas o el fuego. Los efectos químicos deletéreos incluyen la lixiviación de la pasta de cemento por soluciones ácidas y reacciones expansivas que involucran ataque de sulfato, ataque de agregado alcalino y corrosión del acero incrustado en el concreto. Se discuten en detalle la importancia, las manifestaciones físicas, los mecanismos y el control de las diversas causas del deterioro concreto.

DEFINICIÓN Una larga vida útil se considera sinónimo de durabilidad. Dado que la durabilidad en un conjunto de condiciones no significa necesariamente durabilidad en otro, se acostumbra incluir una referencia general al medio ambiente al definir la durabilidad. Según el Comité 201 de ACI, la durabilidad del hormigón de cemento Portland se define como su capacidad para resistir la acción de la intemperie, el ataque químico, la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro; es decir, el hormigón duradero conservará su forma, calidad y facilidad de servicio originales cuando se exponga a su entorno. Ningún material es inherentemente duradero; como resultado de las interacciones ambientales, la microestructura y, en consecuencia, las propiedades de los materiales cambian con el tiempo. Se supone que un material llega al final de su vida útil cuando sus propiedades, en determinadas condiciones de uso, se han deteriorado hasta tal punto que el uso continuo del material se considera inseguro o antieconómico. SIGNIFICADO Actualmente se acepta generalmente que, al diseñar estructuras, las características de durabilidad de los materiales en consideración deben evaluarse tan cuidadosamente como otros aspectos como las propiedades mecánicas y el costo inicial. Primero, hay una mejor apreciación de las implicaciones socioeconómicas de la durabilidad. Cada vez más, los costos de reparación y reemplazo de estructuras que surgen de fallas de materiales se han convertido en una parte sustancial del presupuesto total de construcción. Por

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La mayor parte de nuestro conocimiento de los procesos ejemplo, se estima que en los países industrialmente desarrollados más del 40 por ciento de los recursos físico-químicos responsables del deterioro del hormigón proviene de historias de casos de estructuras en el campo, totales porque en el laboratorio es difícil simular la combinación de condiciones a largo plazo normalmente presentes en la vida 61 de la industria de la construcción se aplican a la reparación real. Sin embargo, en la práctica, el deterioro del hormigón y mantenimiento de estructuras existentes, y menos del 60 rara vez se debe a una sola causa; por lo general, en las etapas por ciento a nuevas instalaciones. La escalada en los avanzadas de la degradación del material se encuentra en costos de reemplazo de estructuras y el creciente énfasis funcionamiento más de un fenómeno deletéreo. En general, las en el costo del ciclo de vida en lugar del costo inicial están causas físicas y químicas de obligando a los ingenieros a tomar conciencia de la durabilidad. A continuación, se da cuenta de que existe el deterioro están tan estrechamente entrelazados y se una estrecha relación entre la durabilidad de los materiales refuerzan mutuamente que incluso la separación de la causa y la ecología. La conservación de los recursos naturales del efecto a menudo se vuelve imposible. Por lo tanto, una haciendo que los materiales duren más es, después de todo, clasificación de los procesos de deterioro del hormigón en un paso ecológico. Además, los usos del hormigón se categorías ordenadas debe tratarse con cierto cuidado. Dado están extendiendo a entornos cada vez más hostiles, como que el propósito de tales clasificaciones es explicar, plataformas marinas en el Mar del Norte, contenedores sistemática e individualmente, los diversos fenómenos para manipular gases licuados a temperaturas criogénicas involucrados, existe una tendencia a pasar por alto las y recipientes de reacción de alta presión en la industria interacciones cuando varios fenómenos están presentes nuclear. Fallos de estructuras de acero en alta mar en simultáneamente. Noruega,1 OBSERVACIONES GENERALES Antes de analizar los aspectos importantes de la durabilidad del hormigón, serán útiles algunas observaciones generales sobre el tema. Primero, el agua, que es el principal agente de creación y destrucción de muchos materiales naturales, resulta ser fundamental para la mayoría de los problemas de durabilidad del hormigón. En los sólidos porosos, se sabe que el agua es la causa de muchos tipos de procesos físicos de degradación. Como vehículo de transporte de iones agresivos, el agua también puede ser fuente de procesos químicos de degradación. En segundo lugar, los fenómenos físico-químicos asociados con los movimientos del agua en los sólidos porosos están controlados por la permeabilidad del sólido. Por ejemplo, la tasa de deterioro químico dependería de si el ataque químico se limita a la superficie del concreto o si también actúa dentro del material. Tercero, la tasa de deterioro se ve afectada por el tipo de concentración de iones en el agua y por la composición química del sólido. A diferencia de las rocas y minerales naturales, el hormigón es un material básico (porque los compuestos de calcio alcalino constituyen los productos de hidratación de la pasta de cemento Portland); por lo tanto, se espera que las aguas ácidas sean particularmente dañinas para el concreto.

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EL AGUA COMO AGENTE DE DETERIORO El hormigón no es el único material vulnerable a los procesos físicos y químicos de deterioro asociados al agua. Por tanto, será conveniente revisar, en general, las características del agua que la convierten en el principal agente de destrucción de materiales. En forma de agua de mar, agua subterránea, ríos, lagos, lluvia, nieve y vapor, el agua es sin duda el fluido más abundante en la naturaleza. Al ser pequeñas, las moléculas de agua pueden penetrar poros o cavidades extremadamente finas. Como solvente, el agua se destaca por su capacidad para disolver más sustancias que cualquier otro líquido conocido. Esta propiedad explica la presencia de muchos iones y gases en algunas aguas, que, a su vez, se vuelven fundamentales para provocar la descomposición química de materiales sólidos. También se puede notar que el agua tiene el calor de vaporización más alto entre los líquidos comunes; por lo tanto, a temperaturas ordinarias tiene tendencia a permanecer en un material en estado líquido, en lugar de vaporizarse y dejar el material seco. En sólidos porosos, se sabe que los movimientos internos y los cambios de estructura del agua causan cambios de volumen disruptivos de muchos tipos. Por ejemplo, la congelación del agua en hielo, la formación de una estructura ordenada de agua dentro de poros finos, el desarrollo de presión osmótica debido a diferencias en la concentración

El 27 de marzo de 1980, Alexander Kjeland, una plataforma de personas. Poco después de este incidente, una estructura de acero de perforación de estructura de acero frente a la costa de Stavanger (Mar perforación de petróleo en alta mar colapsó cerca de Terranova, causando la del Norte), falló repentinamente, lo que provocó la muerte de 123 muerte de 64 personas.

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iónica y la acumulación de presión hidrostática por presiones de vapor diferenciales pueden conducir a tensiones internas elevadas dentro de un sólido húmedo. Una breve revisión de la estructura del agua será útil para comprender estos fenómenos. Estructura del agua La molécula HOH está unida covalentemente. Debido a las diferencias en los centros de carga de hidrógeno y oxígeno, el protón cargado positivamente del ión hidrógeno que pertenece a una molécula de agua atrae los electrones cargados negativamente de las moléculas de agua vecinas. Esta fuerza de atracción relativamente débil, llamada enlace de hidrógeno, es responsable de la estructura ordenada del agua. La manifestación más alta del orden de largo alcance en la estructura del agua debido a los enlaces de hidrógeno se observa en el hielo (fig. 5-1a). Cada molécula de agua en el hielo está rodeada por cuatro moléculas, de modo que el grupo tiene una molécula en el centro y las otras cuatro en las esquinas de un tetraedro. En las tres direcciones, las moléculas y los grupos de moléculas se mantienen unidos mediante enlaces de hidrógeno. El hielo se derrite a 0 ° C cuando aproximadamente el 15 por ciento de los enlaces de hidrógeno se rompen. Como resultado de la ruptura parcial en la direccionalidad del enlace tetraédrico, cada molécula de agua puede adquirir más de cuatro vecinos más cercanos, la densidad aumenta de 0,917 a 1. La reversibilidad del proceso explica el fenómeno de que el agua líquida, al solidificarse, se expande en lugar de encogerse. En comparación con la estructura del hielo, el agua a temperatura ambiente tiene aproximadamente el 50 por ciento de los enlaces de hidrógeno rotos. Los materiales en estado de unión rota tienen cargas superficiales insatisfechas, lo que da lugar a energía superficial. La energía superficial de los líquidos provoca tensión superficial, lo que explica la tendencia de un gran número de moléculas a adherirse. Es la alta tensión superficial del agua (definida como la fuerza requerida para separar las moléculas de agua) lo que evita que actúe como un agente plastificante eficiente en mezclas de concreto hasta que se agreguen los aditivos adecuados (pág. ??). Se sabe que la formación de una estructura orientada del agua por enlaces de hidrógeno en microporos causa expansión en muchos sistemas. En los sólidos, la energía superficial debida a cargas insatisfechas depende del área superficial; por lo tanto, la energía superficial es alta cuando están presentes numerosos poros finos. Si el agua

2 EJ Garboczi: Investigación sobre cemento y hormigón, vol. 20, núm. 4, págs. 591-601, 1990.

es capaz de penetrar tales microporos, y si las fuerzas de atracción en la superficie de los poros son lo suficientemente fuertes como para romper la tensión superficial del agua a granel y orientar las moléculas hacia una estructura ordenada (análoga a la estructura del hielo), este agua orientada u ordenada, al ser menos densa que el agua a granel, requerirá más espacio y, por lo tanto, tenderá a causar expansión (Fig. 5-1b). PERMEABILIDAD En concreto, el papel del agua debe verse en una perspectiva adecuada porque, como ingrediente necesario para la reacción de hidratación del cemento y como agente plastificante de los componentes de las mezclas de concreto, el agua está presente desde el principio. Gradualmente, dependiendo de las condiciones ambientales y del espesor de un elemento de hormigón, la mayor parte del agua evaporable en el hormigón (toda el agua capilar y una parte del agua absorbida, p.27) se perderá dejando los poros vacíos o insaturados. Dado que es el agua evaporable la que se puede congelar y que también es libre para movimiento final, un hormigón no será vulnerable a fenómenos destructivos relacionados con el agua, siempre que quede poca o ninguna agua evaporable después del secado y siempre que la exposición posterior del hormigón al medio ambiente no conduzca a la resaturación de los poros. Este último, en gran medida, depende de la conductividad hidráulica, que también se conoce como coeficiente de permeabilidad (K). Tenga en cuenta que en la tecnología del hormigón es una práctica común eliminar el adjetivo y referirse a K simplemente como la permeabilidad. Garboczi 2 ha revisado varias teorías que intentan relacionar los parámetros microestructurales de los productos de cemento con la difusividad (la tasa de difusión de iones a través de poros llenos de agua) o la permeabilidad (la tasa de flujo viscoso de fluidos a través de la estructura de los poros). Para materiales como el hormigón, con numerosas microfisuras, es difícil determinar un factor de propiedad de transporte de estructura de poros satisfactorio debido a cambios impredecibles en la estructura de poros al penetrar un fluido externo. Tenga en cuenta que la propiedad de transporte de la estructura de poros del material cambia continuamente debido a los ciclos continuos de estrechamiento y ensanchamiento de los poros y microfisuras debido a las interacciones físico-químicas entre el fluido penetrante y los minerales de la pasta de cemento. Según Garboczi, por una variedad de razones, las predicciones de difusividad necesitan más desarrollo y validación antes de que se pueda probar su

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utilidad práctica. Por lo tanto, a efectos prácticos, en este texto solo se comenta la permeabilidad. Sin embargo, se da a entender que el término, en un sentido burdo, cubre la propiedad de transporte de fluido por encima de todo el material. Permeabilidad se define como la propiedad que gobierna la velocidad de flujo de un fluido en un sólido poroso. Para flujo en estado estacionario, el coeficiente de permeabilidad (K) se determina a partir de la expresión de Darcy: dq

1Ha =K

dt

Lµ

donde dq / dt es la velocidad de flujo del fluido, µ la viscosidad del fluido, 1H el gradiente de presión, A el área superficial y L el espesor del sólido. El coeficiente de permeabilidad de un hormigón a los gases o al vapor de agua es mucho más bajo que el coeficiente del agua líquida; por lo tanto, los ensayos para medir la permeabilidad se realizan generalmente con agua que no tiene aire disuelto. A menos que se indique lo contrario, los datos de este capítulo se refieren a la permeabilidad del hormigón al agua pura. También puede observarse que debido a su interacción con la pasta de cemento, las permeabilidades de las soluciones que contienen iones serían diferentes de la permeabilidad al agua. Permeabilidad de la pasta de cemento En una pasta de cemento hidratada, el tamaño y la continuidad de los poros en cualquier punto durante el proceso de hidratación controlarían el coeficiente de permeabilidad. Como se discutió anteriormente (p. ??), el agua de mezcla es indirectamente responsable de la permeabilidad de la pasta de cemento hidratada porque su contenido determina primero el espacio total y luego el espacio sin llenar después de que el agua es consumida por reacciones de hidratación del cemento o por evaporación a la medio ambiente. El coeficiente de permeabilidad de la pasta de cemento recién mezclada es del orden de 10−4 a 10−5 cm / seg; con el progreso de la hidratación a medida que la porosidad capilar disminuye, también lo hace el coeficiente de permeabilidad (Cuadro 51), pero no hay proporcionalidad directa entre los dos. Por ejemplo, cuando la porosidad capilar disminuye del 40 por ciento al 30 por ciento (Fig. 2-11), el coeficiente de permeabilidad cae en una cantidad mucho mayor (es decir, crece alrededor de 110 a 20 × 1012 cm / seg). Sin embargo, una disminución adicional de la porosidad del 30 por ciento al 20 por ciento provocaría solo una pequeña disminución de la permeabilidad. Esto se debe a que, al principio, a medida que avanza el proceso de hidratación

del cemento, incluso una pequeña disminución en la porosidad capilar total se asocia con una segmentación considerable de los poros grandes, lo que reduce en gran medida el tamaño y el número de canales de flujo en la pasta de cemento. Típicamente, En general, cuando la relación agua / cemento es alta y el grado de hidratación es bajo, la pasta de cemento tendrá una alta porosidad capilar; contendrá un número relativamente grande de poros grandes y bien conectados y, por lo tanto, su coeficiente de permeabilidad será alto. A medida que avanza la hidratación, la mayoría de los poros se reducirán a un tamaño pequeño (por ejemplo, 100 nm o menos) y también perderán sus interconexiones; por tanto, la permeabilidad desciende. El coeficiente de permeabilidad de la pasta de cemento cuando la mayoría de los huecos capilares son pequeños y no están interconectados es del orden de 10-12 cm / seg. Se observa que en las pastas de cemento normales la discontinuidad en la red capilar generalmente se alcanza cuando la porosidad capilar es aproximadamente del 30 por ciento. Con pastas de relación agua / cemento de 0.4, 0.5, 0.6 y 0.7, esto ocurre generalmente en 3, 14, 180, y 365 días de curado húmedo, respectivamente. Dado que la relación agua / cemento en la mayoría de las mezclas de concreto rara vez excede 0,7, debería ser obvio que en el concreto bien curado la pasta de cemento no es el principal factor de contribución al coeficiente de permeabilidad. Permeabilidad de agregados En comparación con la porosidad capilar del 30 al 40 por ciento de pastas de cemento típicas en hormigón endurecido, el volumen de poros en la mayoría de los agregados naturales suele ser inferior al 3 por ciento y rara vez supera el 10 por ciento. Se espera, por lo tanto, que la permeabilidad del agregado sea mucho menor que la de la pasta de cemento típica. Este puede no ser necesariamente el caso. A partir de los datos de permeabilidad de algunas rocas naturales y pastas de cemento (Tabla 5-2), parece que los coeficientes de permeabilidad de los agregados son tan variables como los de las pastas de cemento hidratadas de proporciones agua / cemento en el rango de 0.38 a 0.71. Mientras que el coeficiente de permeabilidad de la mayoría de los mármoles, traprock, diorita, basalto y granito denso puede ser del orden de 1 a 10 × 10-12 cm / seg, algunas variedades de granito, piedra caliza, areniscas y pedernales muestran valores que son más alto en dos órdenes de magnitud. La razón por la que algunos agregados, con una porosidad tan baja como el 10 por ciento, pueden tener una permeabilidad mucho mayor que las pastas de cemento es porque el tamaño de los poros capilares en los agregados suele ser mucho mayor. La mayor parte de la porosidad capilar en una pasta de cemento madura se encuentra en el rango de 10 a 100 nm,

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Debido a la importancia de la permeabilidad a los procesos mientras que los poros en los agregados son, en promedio, mayores de 10 µm. Con algunos cherts y liestones, la físicos y químicos de deterioro del hormigón, que se describirá distribución del tamaño de los poros implica un contenido a continuación, debería ser útil una breve revisión del factor que controla la permeabilidad del hormigón. Dado que la considerable de poros más finos; por lo tanto, resistencia y la permeabilidad están relacionadas entre sí a través de la porosidad capilar (Fig. 2-11), como primera Permeabilidad del hormigón aproximación los factores que influyen en la resistencia del Teóricamente, se espera que la introducción...