Implementación de metodologías de protección frente a la corrosión para extender la vida útil de estructuras de hormigón armado
- Autores: Francisco Javier Luna Luna Molina
- Directores de la Tesis: Enrique Hernández Montes (dir. tes.), María Cruz Alonso Alonso (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luisa María Gil-Martín (presid.), María José Martínez Echevarría (secret.), Xosé Ramón Nóvoa Rodríguez (voc.), José María Bastidas Rull (voc.), Elena Redaelli (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Civil y Arquitectura
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
RESUMEN INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS La vida útil de una estructura de hormigón armado es el tiempo desde su puesta en uso hasta que dicha estructura alcanza un cierto estado límite definido [1] que, en ambientes contaminados con cloruros, suele ser la despasivación de armaduras a consecuencia de la corrosión.
El tiempo hasta la despasivación se conoce como periodo de iniciación de la corrosión, y depende fundamentalmente de la resistencia que ofrece el hormigón al transporte de los cloruros y de la resistencia al inicio de corrosión de las armaduras. Es por ello que las formas de erradicar o retardar la corrosión actúan sobre el hormigón o las armaduras. Entre las primeras, debe citarse el empleo de cementos con adiciones minerales capaces de retener los cloruros, como las escorias. Entre las segundas, se encuentran la protección de las armaduras con algún tipo de recubrimiento, como el galvanizado [2], o su sustitución por armaduras fabricadas con materiales más resistentes a la corrosión, como los aceros inoxidables [3].
Sin embargo, a pesar de que es bien conocida la mayor cantidad de cloruros que soportan las armaduras de acero galvanizado e inoxidable respecto a los valores soportados por las convencionales [4], y el retraso en la entrada de cloruros cuando se emplean escorias, existe una carencia de conocimiento acerca de la cuantificación que supone el empleo de estos materiales en la extensión de la vida útil de una estructura. En el caso de las armaduras galvanizadas, existe además un debate acerca de si su adherencia con el hormigón es suficiente [5], debido a la elevada disparidad entre los resultados de la literatura.
Por todo lo anterior, el principal objetivo de la tesis doctoral ha sido cuantificar la extensión de la vida útil de las estructuras de hormigón armado cuando se emplean armaduras de acero galvanizado e inoxidable. Para ello, se establecieron unos objetivos parciales, para cada método de protección:
• Definir el estado límite de durabilidad que marcará la vida útil de la estructura de hormigón • Determinar el contenido de cloruros que hace que se alcance el estado límite de durabilidad • Determinar la respuesta frente a la entrada de cloruros del hormigón fabricado con cemento Portland puro y del hormigón con adición de escorias de alto horno y filler calizo • Con los datos anteriores, y otros de la literatura, predecir el tiempo que tarda en alcanzarse el estado límite de durabilidad en cada alternativa de hormigón armado • Determinar el coste del ciclo de vida de las diferentes alternativas de hormigón armado Además, un segundo objetivo de la tesis ha sido conocer el comportamiento adherente entre las armaduras de acero galvanizado y el hormigón e identificar las razones de la controversia existente.
METODOLOGÍA Para llevar a cabo el objetivo de clarificar el efecto de la galvanización en la adherencia de las armaduras, en primer lugar, se comprobó si la geometría superficial de las mismas cumplía los requisitos que se les exigen para poder ser embebidas en el hormigón. Adicionalmente, se evaluaron las curvas de tensión de adherencia-deslizamiento y las tensiones crítica y última de adherencia, obtenidas a partir de ensayos de arrancamiento de armaduras de acero corrugado convencional galvanizado y sin galvanizar embebidas en un hormigón referencia a base de cemento Portland, denominado OPC, y un hormigón más resistente a la entrada de cloruros, y también más sostenible, a base de cemento Portland (64%), escorias de alto horno (30%) y filler calizo (6%), denominado SL. Los ensayos se realizaron a varias edades de curado, con objeto de averiguar si este aspecto podría ser determinante en la adherencia de las armaduras galvanizadas y su comparación con las de acero convencional.
Para alcanzar el objetivo de cuantificar la extensión de la vida útil de las estructuras como consecuencia del empleo de armaduras de acero galvanizado e inoxidable, el primer paso fue predecir la vida útil de dichas estructuras y de aquellas que embebían acero convencional. Las configuraciones para las que se predijo su vida útil fueron el resultado de combinar armaduras galvanizadas y de acero inoxidable con los hormigones OPC y SL descritos anteriormente. Las armaduras galvanizadas tenían un espesor de recubrimiento de 229±37 µm. En cuanto a las armaduras de acero inoxidable, se emplearon 3 tipos de acero dúplex con un contenido similar en Cr (20-23%) pero distinto en Ni, Mo y Mn, y que fueron el tipo 1.4462 (Ni/Mo/Mn 4,7/3,4/1,7 %), 1.4362 (Ni/Mo/Mn 4,2/0,1/1,6 %) y 1.4482 (Ni/Mo/Mn 1,8/0,2/4,1 %).
Para la determinación del final de la vida útil se empleó el método del estado límite de durabilidad (ELD). El primer ELD se asocia al inicio de la corrosión. En el caso del acero galvanizado, se planteó un segundo ELD, la destrucción total del recubrimiento en alguna parte de la armadura.
La tesis incluye ensayos orientados a determinar los parámetros del hormigón y de las armaduras que influyen en el tiempo que tarda en alcanzarse el ELD considerado, y que, conocidos, permiten determinar la vida útil. Dichos parámetros son el coeficiente de difusión de cloruros y el contenido de cloruros que inicia la corrosión en ambos tipos de armado, en el caso de las armaduras galvanizadas, también el contenido de cloruros que conlleva a la destrucción total del recubrimiento en alguna parte.
Para favorecer el transporte natural de los cloruros a través de los hormigones se realizaron ensayos de difusión unidireccional y para favorecer el transporte acelerado, ensayos de migración alcanzando el estado estacionario. Los ensayos se realizaron sobre los hormigones OPC y SL, sometidos a distintos tiempos de curado y, en el caso de los ensayos de penetración natural, a distintos periodos de exposición a los cloruros.
Para la detección de los dos ELD definidos para las armaduras galvanizadas se realizaron dos ensayos: 1) Para el primer ELD, se consideró la interacción de los cloruros con el recubrimiento galvanizado sin presencia de capa pasiva, mediante la adición de estos iones en el amasado (en contenidos de 0,6, 1,5 y 3% spc) y 2) Para el segundo ELD, se consideró la interacción de los cloruros que penetran de forma natural en el hormigón con las armaduras galvanizadas ya pasivas. La detección del inicio de corrosión del recubrimiento se realizó mediante medidas de Ecorr e icorr y, en el caso de los ensayos de penetración natural, se determinó la cantidad de cloruros acumulados al nivel de las armaduras. En el caso de las armaduras de acero inoxidable, el ELD se asoció al inicio de corrosión que provocan los cloruros en las armaduras ya pasivas cuando éstos penetran de forma natural por difusión en el hormigón.
A partir de los resultados obtenidos, se realizaron las predicciones de la vida útil siguiendo el Model Code for service life design preparado por la Fédération International du Béton (FIB) considerando tres clases de exposición según la clasificación de ambientes de la EN 206:2013.
Finalmente se realizó un análisis del coste del ciclo de vida de cada alternativa con objeto de valorar la idoneidad económica de la implementación, en estructuras de hormigón, de los métodos de protección frente a la corrosión analizados en la presente tesis. Para ello, se consideró un determinado volumen de estructura, resultante de la combinación de hormigón OPC o SL y armaduras de acero convencional, galvanizado o inoxidable, sumergido permanentemente en agua de mar. El coste del ciclo de vida se calculó, para un periodo de 100 años, como la suma del coste de construcción y de reparación o reemplazo por cada vez que se alcanzaba el ELD, y se presenta relativizado al coste de construcción de una estructura de hormigón OPC con armaduras convencionales.
CONCLUSIONES Los resultados de la tesis han revelado, para los materiales objeto de estudio, que:
- El estudio realizado sobre la geometría superficial de las armaduras, inexistente en la literatura hasta ahora, ha demostrado que la galvanización modifica ligeramente la geometría superficial de las armaduras pero que éstas cumplen los requisitos que se les exigen en cuanto a la adherencia.
- Los ensayos de arrancamiento han permitido comprender la disparidad de resultados encontrados en la literatura y conocer las variables que determinan si la adherencia de las armaduras galvanizadas es mayor o menor respecto las de acero convencional. Los resultados revelaron que la adherencia de las armaduras galvanizadas con el hormigón con cemento Portland es menor que la de las de acero convencional si el curado es de 7 días pero mayor cuando se extiende a 28 días, y que con el hormigón con adiciones siempre es menor. Además, se ha demostrado, y reflejado en la literatura por primera vez, que el análisis de la adherencia en el ELU produce el mismo resultado relativo para los dos armados que el análisis ELS pero mayor diferencia en valor absoluto.
- Se ha confirmado que el empleo del cemento con adiciones reduce la porosidad del hormigón con respecto al fabricado con cemento Portland y que ralentiza la velocidad de entrada de los cloruros a la mitad, y se ha demostrado que la extensión del curado de 28 a 90 días como posible medida para el retardo de la entrada de cloruros en el hormigón no es efectiva cuando se emplean escorias.
- Los ensayos de corrosión sobre las armaduras galvanizadas permiten comprender la disparidad de resultados encontrados en la literatura en cuanto a su resistencia a la corrosión. Se ha detectado el estado límite como uno de los factores que contribuyen a estas diferencias, revelándose que, mientras que contenidos de cloruros entre 0.6 y 1.5% sobre el peso de cemento inician la corrosión del recubrimiento, se necesitan valores un orden de magnitud superiores para descubrir el acero base en algún área de las armaduras galvanizadas.
- El estudio complementario de los ensayos de transporte de cloruros y de corrosión de las armaduras galvanizadas ha permitido demostrar que, aunque la cinética de corrosión y el ataque es más pronunciado cuando se emplea el cemento con adiciones, incluso para menores cantidades de cloruros, el retardo producido en la penetración de estos iones por el cemento con adiciones hace que la vida útil de estas estructuras sea mayor cuando se emplea el cemento adicionado.
- El estudio de vida útil de las estructuras con acero galvanizado ha permitido revelar la importancia de la adopción del ELD como inicio de corrosión del recubrimiento o del acero base, puesto que uno y otro conllevan a vidas útiles muy diferentes. El coste del ciclo de vida de una estructura con armaduras galvanizadas es al menos la mitad de una que embebe armaduras de acero convencional.
- El estudio de corrosión de los aceros inoxidables ha mostrado que el tipo 1.4462 soporta mayores contenidos de cloruros que el tipo 1.4362 y 1.4482 antes del inicio de corrosión, revelando la importancia del Ni y el Mo en la protección frente al inicio de corrosión de los aceros dúplex. Además, han permitido conocer la influencia del cemento con adiciones en los contenidos de cloruros que son capaces de tolerar los aceros inoxidables dúplex analizados antes del inicio de corrosión, no estudiado en la literatura, encontrándose que cuando se emplea el cemento con adiciones, los contenidos críticos son del orden del 50% menores que para el caso del cemento Portland. Otro resultado novedoso ha sido la demostración de que la corriente de pasivación de cada tipo de acero inoxidable depende del tipo de cemento y contenido de los elementos de aleación, siendo más alta para los tipos con más contenido en Ni y Mo.
-El estudio de vida útil de las estructuras con aceros inoxidables ha demostrado que las estructuras que incorporan estos aceros satisfacen vidas útiles de 100 años incluso si se construyen con el recubrimiento mínimo exigido por las normativas, el requerido por adherencia. Además, el análisis del coste del ciclo de vida de las estructuras de hormigón con armaduras de acero inoxidable dúplex ha permitido demostrar que la inversión inicial de incorporar este método de protección puede verse justificada, puesto que el coste del ciclo de vida se estima en más de 25 veces inferior al de aquéllas con armaduras convencionales.
- English
INTRODUCTION AND OBJECTIVES The service life of a reinforced concrete structure is the time from the mentioned structure starts to being used until it reaches a limit state previously defined [1] that, in chloride-contaminated environments, used to coincide with the depassivation of rebars as consequence of the corrosion processes.
The time to depassivation is known as corrosion initiation period and it mainly depends on the difficulty of chlorides to move through concrete and the corrosion resistance of reinforcement. In consequence, the forms to eradicate or delay the corrosion act in/on concrete and rebars. Among the first forms, the employment of cements with supplementary cementitious materials able to bind chlorides, like slag, must be mentioned. Among the second forms, the protection of rebars with some type of coating like galvanized coating [2] or the employment of materials with higher corrosion resistance, like stainless steel, in the fabrication of rebars [3] must be highlighted.
However, although it is well known the higher chloride contents that galvanized steel rebars and stainless steel rebars are able to tolerate with respect to conventional rebars [4] and the higher delay in the chloride transport when slag cement are employed, there is a lack of knowledge regarding the quantification that supposes the employment of these materials in the extension of the service life of a reinforced concrete structure. In the case of galvanized steel rebars, there also exists a debate about whether they attain enough bond with concrete [5], due to the high disparity of results in the literature.
All of the above, the main objective of the doctoral thesis has been to quantify the extension of service life of reinforced concrete structures when galvanized and stainless steel rebars are employed. To this aim, partial objectives were stablished, depending on the corrosion protection method analyzed:
• To define the durability limit state (DLS) that will mark the service life of the reinforced concrete structure • To determine the chloride content that promotes the durability limit state previously defined • To determine the response against the entrance of chlorides into concrete when ordinary Portland cement (OPC) and a ternary binder composed of OPC, blast furnace slag and limestone filler is employed.
• With the preceding results and other results coming from literature, to predict the time to be reached the durability limit state for the reinforced concrete configuration analyzed • To determine the life-cycle cost of the different alternatives of reinforced concrete In addition to that, a second objective of the doctoral thesis has been to know the bond behavior of galvanized rebars with concrete and to identify the reasons of the existent controversy.
METHODOLOGY To get the objective of clarifying the effect of galvanizing on the bond ability of rebars, it was firstly checked if the surface geometry of rebars accomplished with the requirements to their embedment in concrete. Additionally, the bond-slip curves obtained from pull-out tests and parameters like the stiffness of steel-to-concrete bond and the critical and ultimate bond stress were analyzed. The tests were carried out on concrete specimens fabricated with OPC or ternary binder composed of OPC (64%), blast furnace slag (30%) y limestone filler (6%), more resistant to the chloride entrance and named as SL and embedding carbon or galvanized rebars. The tests were done in specimens exposed to different curing times with the aim to know if this parameter could be determining in the comparison of the bond of carbon and galvanized rebars with concrete.
To reach the objective of quantifying the service life extension of reinforced concrete structures as consequence of the employment of galvanized or stainless steel rebars, the first step is to predict the service life of these structures and the structures embedding conventional rebars. The reinforced concrete configurations for which the service life was predicted were the result of combining galvanized or stainless steel rebars with the OPC and SL concrete before mentioned. The galvanized rebars had a coating thickness, in average, of 229 ±37 µm. In relation to the stainless steel rebars, 3 types of duplex stainless steel with similar Cr content (20-23%) but different content in Ni, Mo and Mn, were employed, in particular the grade 1.4462 (Ni/Mo/Mn 4.7/3.4/1.7 %), 1.4362 (Ni/Mo/Mn 4.2/0.1/1.6 %) and 1.4482 (Ni/Mo/Mn 1.8/0.2/4.1 %).
For the determination of the end of the service life, the method of the durability limit state (DLS) was employed. The first DLS was associated to the corrosion initiation. In the case of galvanized rebars, a second DLS was proposed, the total destruction of the galvanized coating in a localized area.
The thesis includes tests oriented to determine the parameters of concrete and rebars that influence the time to be reached the DLS considered and that, known, allow to determine the service life. Such parameters are the chloride diffusion coefficient and the chloride content that initiates the corrosion on both types of reinforcement, although in the case of galvanized rebars the chloride content that leads to the total destruction of the coating in a localized area was also a parameter studied.
To promote the natural transport of chlorides through concretes, unidirectional diffusion tests were carried out and to favor the accelerated transport, migration tests until reaching the steady state were done. The tests were carried out on OPC and SL concrete specimens that were cured during different periods. In the case of the natural penetration, the specimens were exposed to the chloride penetration for different periods.
For the detection of the two DLS defined for the galvanized rebars, two types of tests were done: 1) For the first DLS, the interaction of chlorides with the galvanized coating without the presence of the passive layer was considered by adding these ions during the mix (in contents of 0.6, 1.5 and 3 % by weight of binder) and 2) For the second DLS, the interaction of the chlorides penetrating by diffusion into concrete with the galvanized rebars already passivated was considered. The detection of the corrosion onset of the galvanized coating was done from the corrosion potential and the corrosion current density and, in the case of natural penetration, the content of chlorides cumulated at the rebar level was determined. When stainless steel rebars were employed, the DLS was associated to the corrosion onset promoted on the passivated reinforcement by the chlorides penetrating by diffusion into concrete.
From the results obtained, predictions of service life were done following the Model Code for service life design prepared by the Fédération International du Béton (FIB) considering three of the exposure classes prescribed in EN 206:2013.
Finally, a life cycle cost analysis was done for each alternative of reinforced concrete with the aim to value the economic suitability of the implementation, in reinforced concrete structures, of the corrosion protection methods analyzed in the present thesis. To this aim, a specific volume of reinforced concrete structure from the combination of OPC or SL concrete with carbon, galvanized and stainless steel reinforcement and permanently immersed in sea water was considered. The life cycle cost was calculated, for a period of 100 years, as the sum of the construction cost and the repair cost every time that DLS was reached, and it was presented relativized to the construction cost of a reinforced concrete structure with OPC concrete and conventional rebars.
CONCLUSIONS The results of the thesis have revealed, for the materials object of study, that:
- The study of the surface geometry of carbon and galvanized rebars, inexistent in the literature until now, has revealed that the galvanizing slightly modifies the surface geometry of the rebars but they accomplish the requirements for a reinforcement to be embed into concrete.
- The pull-out tests have allowed to understand the disparity of the results found in the literature and to know the parameters that determine whether the bond of galvanized rebars with concrete is higher or lower with respect that attained by conventional rebars. The results revealed that the bond of galvanized rebars with OPC concrete is lower than that attained by conventional rebars when the curing lasts for 7 days but higher when the curing is extended to 28 days and that is always lower when the concrete with supplementary cementitious materials is employed. In addition to that, it has been demonstrated, and reflected in literature for the first time, that the analysis of the of the bond in the ultimate limit state produces the same relative result between the two types of reinforcement than in the serviceability limit state but higher differences between the bond stresses in absolute value.
- It has been confirmed that the employment of the cements with supplementary cementitious materials reduces the porosity of the concrete with respect to the concrete fabricated with OPC and that diminishes the rate of chloride penetration to the half value. It has been also demonstrated that the extension of the curing from 28 to 90 days is not an effective measurement to delay the chloride entrance into concrete, even in the concrete with supplementary cementitious materials.
- The corrosion tests on the galvanized rebars allow to understand the disparity of results found in the literature as regard to the corrosion resistance of this type of reinforcement. The DLS has been revealed as one of the factors that contribute to those differences, because while chloride contents between 0.6 and 1.5% by weight of binder initiate the corrosion of the galvanized coating, values around one order of magnitude are needed to discover the steel base at a certain area of the galvanized rebars.
- The joint consideration of the chloride transport tests and the corrosion tests of galvanized rebars has demonstrated that, although the corrosion kinetics and the attack is more pronounced when the cement with supplementary cementitious materials is employed, even for less amount of chlorides, the delay produced in the penetration of these ions when this blended cement is employed leads into longer service life.
- The study of the service life of concrete structures with galvanized rebars has allowed to discover the importance of the adoption of the DLS as the corrosion initiation of the coating or the base steel, since two very different service lives are obtained depending on the DLS chosen. The life-cycle cost of a concrete structure with galvanized rebars is at least half than that of a structure embedding conventional steel rebars.
- The study of corrosion of the stainless steels has revealed that the grade 1.4462 tolerates higher chloride contents than the grade 1.4362 and 1.4482 before the corrosion initiation, revealing the importance of Ni and Mo in the protection against corrosion initiation of the duplex stainless steels. Furthermore, this study, not found in the literature, has allowed to know the influence of the cement with supplementary cementitious materials in the chloride contents before corrosion onset that are able to tolerate the duplex stainless steels analyzed when are embedded in concrete. Other new result has been the demonstration that the passivation corrosion current density of the duplex stainless steels depends on the type of cement and mainly on the content of the alloying elements, being higher for the grades with higher content in Ni and Mo.
- The study of the service life of the concrete structures with stainless steel rebars has demonstrated that these structures satisfy service lives higher than 100 years even when the minimum concrete cover thickness required for bond is given to these structures. Furthermore, the life-cycle cost analysis has demonstrated that the higher initial investment of incorporating this corrosion protection method can be justified, since the life-cycle cost is around 25 times lower than that of the structures embedding conventional steel rebars.
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