Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación bimestral de divulgación externa

NOTAS núm. 162, SEPTIEMBRE-OCTUBRE 2016, artículo 2
Evaluación por criterios de durabilidad, de un muelle rehabilitado con un sistema de encamisado de fibra de vidrio relleno de mortero epóxico
DEL VALLE Angélica, TERÁN Jorge, TORRES Andrés, MONTES Mario y MARTÍNEZ Miguel

 

En la actualidad el uso de morteros modificados con resinas para reparación de concreto dañado por las condiciones ambientales va en aumento debido a su baja porosidad, resistencia a agentes agresivos para el concreto y su facilidad de uso tanto en zonas sumergidas como aéreas. En este estudio se evaluará un muelle rehabilitado con un sistema de encamisado de fibra de vidrio relleno de mortero epóxico. Se realizó una inspección visual y se realizaron los siguientes ensayos: resistividad eléctrica, velocidad de pulso ultrasónico, resistencia a la compresión, cloruros y sorptividad. Los potenciales de media celda obtenidos se encontraron entre -250 mV y -726 mV indicando el estado activo del acero. La resistividad eléctrica con muestras cubiertas con esponjas saturadas de agua registraron valores menores a 1kΩ•cm concordando con lo indicado por los potenciales de media celda; sin embargo, las resistividades registradas sin las esponjas saturadas mostraban una resistividad por arriba de 200k Ω•cm2 indicando bajo riesgo de corrosión.  Se cree que esto se debe a la alta sorptividad del mortero, ya que las muestras perdían humedad aceleradamente, lo que implicaba resistividades artificialmente altas. Los ensayos de compresión mostraron que solo el 65% de las muestras cumplían con el f’c de diseño de 25 MPa. Con los parámetros medidos, se puede establecer que no se aumenta la durabilidad de las pilas reparadas con este mortero polimérico, sin embargo, se requieren realizar más estudios a los diversos tipos de morteros poliméricos para poder establecer si el empleo del sistema de encamisado con morteros poliméricos en ambientes marinos en general, puede ser considerado una reparación durable.

 

Palabras Clave: Muelle, mortero epóxico, corrosión, fibra de vidrio.

 

1.  Introducción

 

El concreto armado ha demostrado en el transcurso del tiempo su excelente comportamiento, incluso frente a severas y diversas solicitaciones, a veces muy superiores a las previstas en el cálculo. Sin embargo, eventualmente y por efecto de acciones externas como sobrecargas o el mismo medio ambiente, puede sufrir daños, estas estructuras dañadas, normalmente pueden recuperarse por medio de reparaciones. Estas serán exitosas en la medida que otorguen amplia seguridad a los usuarios y preserven la vida útil de las construcciones por el período para el cual fueron diseñadas. La práctica actual evalúa la calidad del concreto basado principalmente en resistencia a la compresión, sin embargo, se ha demostrado que la calidad del concreto debe caracterizarse por sus características de durabilidad. Hoy en día, partiendo del análisis de causas y efectos y utilizando procedimientos, equipos y productos de avanzada tecnología, es posible abordar con éxito la reparación y recuperación de obras que de otra forma estarían perdidas. Desde un punto de vista general, se considera que los defectos de construcción se pueden reparar, con lo que se recuperan las condiciones de proyecto; en cambio, cuando hay defectos de diseño, la solución suele ser más compleja y la mayoría de las veces se llega a la necesidad de reforzar la estructura.

La corrosión en estructuras de concreto es uno de los mayores problemas que enfrentan las estructuras en ambientes agresivos. Para estructuras dañadas a causa de los agentes agresivos del medio ambiente, los métodos de reparación pueden ir desde el remplazo de la sección dañada en su totalidad (acero y concreto) hasta el uso de protección catódica.

El uso de morteros base resinas poliméricas en procesos de reparación va en aumento, debido a las características que dichos morteros poseen al no permitir que los agentes agresivos penetren y dañen el acero de refuerzo. Un mortero de reparación debe cumplir con las siguientes características mínimas: debe ser lo más similar al original respecto a compatibilidad, porosidad, resistencia a la compresión, trabajabilidad, rapidez y seguridad de colocación, compacidad y retracción, contenido de sales solubles o iones libres mínimos, adherencia, impermeabilidad, durabilidad y resistencia a agentes contaminantes externos.

En la actualidad algunos de estos morteros son utilizados en sistemas de reparación por encamisado, los cuales emplean una camisa de fibra de vidrio o de poliéster  y se rellena el espacio entre el concreto original y la camisa con un Grout o mortero base polimérica.

El Muelle que fue reparado instalando un sistema de encamisado con grout polimérico, objeto de este estudio, fue construido en 1995 y diferentes pilotes fueron reparados en los años 2008, 2011 y 2014.

La aplicación de estos sistemas encamisados ha llegado a ser muy eficiente, sin embargo, en algunas ocasiones, como este caso estudio, se llega a apreciar, mediante golpeteo seco, un sonido hueco en el encamisado, lo que denota una mala colocación o un proceso corrosivo del acero de refuerzo.

En este estudio, se determinará si el sistema de reparación utilizado por medio de un grout polimérico dentro de una camisa de fibra de vidrio es adecuado para aumentar la durabilidad de las pilas que muestran daños por corrosión.

 

2.  Procedimiento experimental 

Se seleccionaron dos pilotes de cada año de reparación hechas en 2008,  2011 y 2014. Se realizó la inspección visual de los pilotes involucrados. Se removieron los encamisados desde la zona de cambio de mareas hasta 50 cm por debajo de la losa o trabe que soporta la pila, para poder realizar los ensayos de potenciales de media celda y obtener corazones para las pruebas en laboratorio.

Se realizaron 391 pruebas de potenciales de corrosión in situ de acuerdo a la norma ASTM C-876. Para esta prueba se utilizó un multímetro de alta impedancia marca Miller y un electrodo de referencia de Cu/CuSO4. Las lecturas se tomaron a partir de 24 cm del espejo de agua abarcando tres zonas de la cara del pilote (aérea, salpique y marea).

Se extrajeron 48 corazones, los se cortaron para realizar los diferentes ensayos en laboratorio: resistencia a la compresión, resistividad eléctrica, velocidad de pulso ultrasónico, absorción capilar y cloruros.

Para pruebas de resistividad eléctrica y velocidad de pulso ultrasónico se utilizaron 22 muestras de 10 cm de longitud y 4.7 cm de diámetro en promedio. A las muestras saturadas se les midió resistividad eléctrica y velocidad de pulso ultrasónico. La resistividad fue medida con un Resistómetro Marca Nilsson modelo 400, la velocidad de pulso con un equipo Marca Controls modelo 58-E0048.

En el caso de las pruebas de resistividad se realizaron dos series de lecturas; la primera, con las muestras saturadas envueltas en una esponja saturada de agua y la segunda con las muestras totalmente sumergidas en agua.

Después de las pruebas de resistividad y velocidad de pulso 19 muestras que cumplían con la relación longitud:diámetro de 2:1, fueron sometidas a ensayos de compresión simple.

Las 18 muestras de cloruros fueron analizadas siguiendo la norma ASTM-C-1152.

Para las pruebas de sorción, se utilizaron 19 muestras de mortero epóxico 5 cm de longitud y 4.7 cm de diámetro en promedio. El ensayo  se realizó siguiendo lo indicado por la prueba Fagerlund en el Manual de la Red DURAR (2000).

 

3. Resultados y discusión

Inspección visual

La inspección visual se realizó a seis pilotes, dos de cada año de reparación, 2008, 2011 y 2014, se encontró que el mortero epóxico presentaba un comportamiento plástico al encontrarse húmedo que lo volvía relativamente fácil de remover (Figura 1).

Figura 1. Desprendimiento del mortero epóxico.

Dos de los corazones extraídos mantuvieron el acero de refuerzo y como puede verse en la Figura 2, denota un estado avanzado de corrosión, lo cual no debería ocurrir si el sistema estuviera protegiendo como se supone debería de hacerlo.

Figura 2. Avanzado estado de corrosión de varillas en pilote 2N y  50S respectivamente.

 

Potenciales de media celda

De acuerdo con la Norma ASTM C-876, la Tabla 1 establece los criterios de probabilidad de corrosión con base en el potencial de media celda:

 

Tabla 1. Criterios de potencial de corrosión

Potencial mV

Probabilidad de Corrosión

 > -200

10%

-200 a -350

50%

< -350

90%

 

Como se presenta en las Figuras 3 a 5, del 93 al 100% de los potenciales registrados en el mortero, dependiendo del pilote ensayado, se encuentran por encima de los -350 mV, lo que de acuerdo al criterio utilizado, se tendría un 90% de probabilidad de corrosión del acero de refuerzo en las zonas reparadas con el mortero epóxico.

Figura 3. Potenciales registrados en las reparaciones hechas en 2008

 

Figura 4. Potenciales registrados en las reparaciones hechas en 2011

 

Figura 5. Potenciales registrados en las reparaciones hechas en 2014

 

Resistividad Eléctrica húmeda

De acuerdo al Manual de la Red DURAR (2000), la Tabla 2 establece el criterio de riesgo de daño por corrosión con base en la resistividad.

 

Tabla 2. Criterios de evaluación de la resistividad

Resistividad kΩ-cm

Riesgo de corrosión (RED DURAR)

ρ > 200

Bajo

200 >ρ >10

Moderado

ρ< 10 

Alto

 

Durante los ensayos de resistividad se encontró que las especímenes ensayados en aire “se secaban” (perdían humedad) muy rápidamente, lo que hacía que la resistividad se elevara artificialmente (Figura 6). Ya que la resistividad está en función de la humedad de la muestra, lo que implicaría que el riesgo de corrosión sería muy bajo, lo cual no coincidiría con los potenciales de corrosión medidos ni las condiciones de corrosión avanzada encontradas en los corazones extraídos. Es por ello que se decidió realizar el ensayo con los especímenes totalmente envueltos en una esponja saturada para evitar que se secaran y así garantizar que la humedad no interfiriera en el ensayo. Los resultados de esta segunda opción se muestran en la Figura 7. Nótese que la escala usada es logarítmica para poder visualizar los niveles de probabilidad de corrosión. Las líneas verde y roja ubican los umbrales de riesgo de corrosión: rojo límite entre moderado y alto y verde límite entre moderado y bajo. Las medidas de resistividad se sitúan en el rango de alta probabilidad de corrosión, lo que coincide con los potenciales medidos y las condiciones de corrosión avanzada encontrada en los corazones.

Figura 6. Resistividad de las muestras medidas a la intemperie.

Figura 7. Resistividad de las muestras ensayadas envueltas en esponjas saturadas de agua.

 

Los resultados de las resistividades reales obtenidas se encuentran entre 0.1090 y 0.1241 kΩ-cm, lo que significa que el mortero implica un alto riesgo de corrosión para el acero de refuerzo, de acuerdo a los criterios de la Tabla 2, estos resultados son coherentes a lo encontrado en el acero de los corazones y a los potenciales registrados en campo.


Velocidad de pulso ultrasónico

La Figura 8 presenta los resultados de la velocidad de pulso ultrasónico, donde, de acuerdo al criterio de la Tabla 3 las muestras presentan una calidad normal. Esto coincide con lo estipulado por Bermúdez (2007), quien encontró que aunque las velocidades de pulso ultrasónico sitúan la calidad de los morteros de buenas a excelentes, los ensayos de sorptividad y resistividad, principalmente, los sitúan en calidad baja, tal como se encontró en este estudio.

Tabla 3. Criterios pera la velocidad de pulso ultrasónico

Velocidad de pulso ultrasónico (m/s)

Clasificación del concreto

V >  4000

Durable

4000 > V >3001

Alta

3000 > V >2001

Normal

V< 2000

Deficiente

 

Figura 8. Velocidad de pulso ultrasónico

 

Compresión simple

La Figura 9 presenta los resultados de la resistencia a la compresión simple, señalando el f’c de diseño. Como se puede observar no se presenta tendencia alguna por año de colocación que indiquen una mejor calidad del mortero, así mismo, se aprecia que el sólo el 65% de las muestras ensayadas cumplen el f’c de diseño de 25 MPa.

Al ser evaluadas por año se observa que la compresión en las muestras del pilote A de la reparación de 2014 se encuentra sólo el 50% con valores iguales o superiores a la f’c de diseño, para el pilote A de la reparación de 2011 el 66% de los valores se encuentra  por debajo del valor de f’c y para el pilote B de la reparación de 2008, el 100% de los valores se encuentra debajo del valor de f’c de diseño de 25 MPa. Sólo los pilotes A de 2008 y B de 2014, se encuentran el 100% arriba de los f’c d diseño.

 

Figura 9. Compresión simple de las muestras.

 

Gonzales, L. A. (2014), ensayó dos tipos comerciales de morteros poliméricos y encontró que la resistencia a la compresión varió desde 16.4 hasta 53.8 MPa, lo que denota la misma variabilidad a la obtenida en este estudio.

Cloruros

Como puede observarse en la Figura 10, la concentración de los cloruros se encuentra acotada en una zona bien definida entre 0.150 y 0.267 % vs concreto, lo que denota que los cloruros no se transportaron hacia adentro de la matriz del mortero como normalmente la hacen, es decir, por difusión, formando un gradiente de afuera hacia adentro, sino que se encuentran distribuidos uniformemente en todo el mortero, no existe un patrón definido ni por altura, ni por profundidad, ni por edad, lo que permite suponer que la baja durabilidad del mortero, permitió el ingreso irrestricto de los cloruros.

 

Arockiasamy (1998), encontró que para un Sistema APE (Advanced Pile Encapsulation), los cloruros medidos a la altura del acero, después de 8 años de haber aplicado el Sistema, eran de 0.007%, respecto al concreto, mientras que en una pila no encapsulada, los cloruros alcanzaron hasta 0.108% respecto al concreto, como puede verse, hay una diferencia sustancial entre los encontrado en este estudio y lo encontrado por Arockiasamy, ya que los niveles de cloruros obtenidos en este estudio, se ubican en el nivel de los valores obtenidos en sistemas sin encamisado de Arockiasamy.

 

Sorción

La sorción capilar es el mecanismo mediante el cual se facilita la penetración del agua y los agentes agresivos en el cuerpo de las estructuras. En la Figura 10 se muestran los resultados obtenidos de la sorción capilar. De acuerdo a la Tabla 4, las muestras presentan una sorción capilar superior a lo establecido (5x10-5m/s1/2) aún para ambientes severos en recubrimientos de 30 mm de espesor. Dado que la sorción es proporcional al recubrimiento, se tendría que para 110 mm de espesor, la sorción debería ser menor a 0.00018 m/s1/2 pero todos los resultados son un orden de magnitud mayor, lo que significa que el agua transita por la estructura con toda libertad, lo que explicaría por qué los cloruros no presentan patrones de difusión sino se encuentran distribuidos por toda la estructura y porqué las muestras ‘pierden humedad’ rápidamente en las pruebas que requieren saturación de la muestra.

Tabla 4. Criterios de evaluación de la sorción capilar del Manual de la Red DURAR

Sorción Capilar

Ambiente

S ≤ 5x10-5 m/s1/2

Severos

S ≤ 10-4 m/s1/2

Poco severos

Figura 10. Sorción capilar de muestras de 5 cm.


Conclusiones

Los potenciales de corrosión muestran que el 94% de los valores del mortero se encuentran en un riesgo de corrosión alto, lo cual además se pudo corroborar con lo avanzado de la corrosión en el acero que se encontró en los corazones extraídos.

Las medidas de la resistividad ubican al mortero estudiado en un alto riesgo de corrosión.

La resistencia a la compresión simple no presenta una tendencia con respecto a la altura o posición de las extracciones analizadas y sólo el 65% de los valores obtenidos, cumplen con el requisito de f’c de diseño de 25 MPa.

La concentración de cloruros se encontraron entre 0.15 y 0.37 % peso respecto al concreto, lo cual es muy elevado y justifica la corrosión del acero encontrada.

Los resultados de las pruebas de sorción capilar son altos de acuerdo a lo establecido para ambientes severos, lo que justifica la distribución de los cloruros en toda la masa del concreto y la corrosión del acero de refuerzo.

Con los parámetros medidos en el mortero polimérico estudiado, se puede establecer que no se aumenta la durabilidad de las pilas reparadas, sin embargo, se requiere realizar más estudios a los diversos tipos de morteros poliméricos para poder establecer si el empleo del sistema de encamisado con morteros poliméricos en ambientes marinos en general, puede ser considerado una reparación durable.

Es importante mencionar que los criterios utilizados para la evaluación son referentes al concreto, debido a que no hay reportado en la literatura criterios de evaluación para el tipo de mortero estudiado, sin embargo las evidencias físicas respaldan las conclusiones obtenidas.

 

Referencias bibliográficas

Arockiasamy, M. (1998). Evaluation of Conventional Repair Techniques for Concrete Bridges,  Florida Atlantic University

ASTM G57-06(2012), Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org

ASTM C597-16, Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016,www.astm.org

ASTM C876-15, Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org

ASTM C1152 / C1152M-04(2012)e1, Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org

DURAR (2000). “Manual de Inspección, evaluación y diagnóstico de corrosión en Estructuras de Concreto Armado”. CYTED. Tercera edición. Agosto, ISBN 980-296-541-3.

Gonzales, L. Á. (2014). Comportamiento frente a la durabilidad de morteros de reparación de cemento modificados con polímeros. Tesis Doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid.

Bermúdez Odriozola, M.A. (2007). Corrosión de las armaduras del hormigón armado en ambiente marino: zona de carrera de mareas y zona sumergida. Tesis Doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid.

 

DEL VALLE Angélica
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TERÁN Jorge
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TORRES Andrés
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MONTES Mario
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MARTÍNEZ Miguel
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