Modelización del deterioro de tableros de puentes de hormigón por difusión de cloruros y corrosión de la armadura pasiva

Abstract

RESUMEN La corrosión de las armaduras destaca como una de las causas más habituales en el deterioro de las estructuras de hormigón, pudiendo provocar colapsos y conllevando, en todo caso, enormes gastos de reparación y mantenimiento. La repercusión de los problemas de corrosión en las armaduras ha supuesto un acentuado crecimiento en los trabajos de investigación orientados a asegurar la durabilidad de las estructuras. Sin embargo, muchos de los factores que intervienen son todavía poco conocidos. Pese a los avances técnicos en los modelos de predicción, la estimación de la vida útil resulta aún hoy controvertida y llena de incertidumbres. Dichos modelos se refieren principalmente a la penetración de cloruros y a la carbonatación del hormigón, reconocidos agentes promotores de la despasivación de las armaduras. La presente investigación se focaliza en el análisis del ataque por cloruros, distinguiéndose las dos etapas tradicionalmente adoptadas para describir el proceso: una primera de iniciación, hasta que se alcanza una determinada concentración crítica en las inmediaciones de la barra de refuerzo; y una segunda de propagación, en la que la generación de los productos de corrosión implica la aparición de tracciones en el recubrimiento del elemento estructural. En el estudio del ingreso y transporte de iones cloruro en el hormigón, se establecen las ecuaciones diferenciales básicas que gobiernan los procesos involucrados, relativos fundamentalmente a la difusión de iones, pero también a otros fenómenos como la convección (arrastre de sustancias disueltas por movimiento del agua en los materiales porosos semisaturados) o la vinculación entre cloruros. Tres son las variables macroscópicas utilizadas: la concentración de cloruros, la humedad y la temperatura, además del tiempo equivalente de hidratación. El modelo de elementos finitos propuesto es capaz de reproducir resultados experimentales de ensayos, haciendo uso de parámetros conocidos a priori a partir de las propiedades tecnológicas del material y las condiciones medioambientales. También posibilita la reproducción de complejas geometrías bidimensionales, como es el caso de la existencia de fisuras superficiales. Sin embargo, en la predicción de los tiempos de iniciación, la definición de variables básicas como la concentración superficial de cloruros o la concentración crítica, es todavía bastante imprecisa. Respecto al periodo de propagación, los estados límites últimos se pueden referir a la pérdida de la sección de acero o de la adherencia hormigón-acero, así como al estallido del recubrimiento por la aparición de tracciones importantes. Si bien se desarrollan modelos analíticos sencillos capaces de delimitar los tiempos para la aparición de fisuración en superficie; el comportamiento en fractura del hormigón se analiza por medio de un elemento finito con fisura cohesiva embebida. Solventadas las dificultades para conseguir la localización de las fisuras, el modelo propuesto es capaz de predecir los tiempos para la aparición de fisuración en superficie; si bien es necesario hacer uso de hipótesis no suficientemente contrastadas respecto a la consideración de posibles huecos en la interfaz acero-hormigón o al relleno de las propias fisuras generadas por parte de los productos de oxidación. En cuanto a la predicción de los tiempos de propagación, las principales limitaciones se refieren a la estimación de la velocidad de corrosión y a la posible influencia de las propiedades mecánicas de la capa de óxido alrededor de la barra de refuerzo. Establecidas las herramientas de cálculo, el análisis se centra en ejemplos de aplicación relativos a losas superiores de tableros de puentes reales sometidos a la acción de sales fundentes o bien a ambientes costeros. El mallado bidimensional de elementos finitos es común a las dos fases características del proceso de corrosión, como primer paso para su integración futura. Pese a las limitaciones ya comentadas en la estimación de la vida útil, los modelos adoptados permiten comparar la influencia en la durabilidad de factores como la geometría de la sección, las características del hormigón y su puesta en obra. Como principales conclusiones, los tiempos de propagación obtenidos resultaron sensiblemente inferiores a los correspondientes de iniciación; se comprobó que unas condiciones defectuosas de ejecución pueden llegar a reducir a la mitad la estimación de la vida útil, con respecto a unas condiciones óptimas; y la repercusión del aumento de recubrimiento en la estimación de la vida útil resultó tanto mayor cuanto mejor es la calidad del hormigón, reflejada básicamente por la relación agua/cemento y la porosidad. ABSTRACT Corrosion of reinforcement bars is a primary cause in the deterioration of concrete structures, which may be led to failure and even collapse. In any case, the cost of associated repair and maintenance is enormous. Hence, investigations relating to the durability assessment of concrete structures have shown a substantial increase in the last years. However, many factors involved in the corrosion process remain poorly understood. In spite of significant progress in predicting models, the estimation of service life of reinforced concrete structures is yet to be satisfactorily defined. These models refer mainly to chloride penetration and concrete carbonation, both of them well-known causes of steel depassivation. Present work is focused on chloride attack and distinguishes the two distinct phases traditionally adopted in the literature: initiation stage, until aggressive species concentration around the reinforcement bar reaches a threshold value, necessary to trigger active corrosion; and propagation stage, in which rust generation induces tensile stresses in the concrete cover. Basically, the governing equations in modelling of chloride ingress and transport into concrete refer to ion diffusion, but also to other phenomena like convection (motion of dissolved substances caused by flow of water in pore solution of partially saturated media) or chloride binding. Three are the macroscopic variables used: chloride concentration, moisture and temperature, in addition to equivalent hydration time. The proposed finite element model reproduces results of experimental tests by means of a priori parameter estimation, according to the characteristics of materials and external environment conditions. The model can also reproduce bi-dimensional complex geometries; e.g. cracked concrete cover. However, in the initiation time prediction, basic variables like surface chloride content or threshold chloride concentration are not precisely defined yet. Regarding propagation stage, corrosion provokes the reinforcement cross-section reduction and the loss of bond between concrete and steel, as well as concrete cracking and, eventually, spalling and delaminations. Analytical models are developed to delimitate the time to the appearance of external cracks, but an embedded cohesive crack finite element is required to analyze concrete fracture. Once some conceptual difficulties concerning the localization of cracks are solved, the proposed model is capable to estimate time to surface cracking quite accurately; although it is necessary to make some assumptions about the consideration of a porous zone around the steel-concrete interface and the accommodation of corrosion products within the open cracks generated in the process. Regarding propagation time prediction, major limitations refer to the quantitative estimation of corrosion rate and the possible influence of rust mechanical properties around the steel bar. The numerical performance of the developed calculation tools was examined in some example cases concerning actual bridge deck upper slabs exposed to de-icing salts or marine environments. 2D finite elements meshes were the same in the two stages of corrosion process, as a first step towards their future integration. In spite of abovementioned limitations in the estimation of service life, adopted models assess the relative importance of factors like cross-section geometry, concrete properties and its placing and curing, in the durability of structures. As main conclusions, the corrosion propagation times were significantly lower than initiation ones; bad execution conditions may reduce service life by half; and the better of concrete quality, the impact of increasing concrete cover thickness was higher, with water to cement ratio and porosity as basic parameters