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Aldo Rubén Campos Silva1,Gerardo del Jesús Fajardo San Miguel2,José Manuel Mendoza Rangel3, Gerardo Manuel Mejía Velázquez4
Faculta de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nuevo León. SIMA, Sistema Integral de Monitoreo Ambiental
Sede regional:
Noreste
Estudio de la Durabilidad del Concreto Reforzado: Aplicación de las condiciones ambientales de la Zona Metropolitana de Monterrey.
Aspectos sociales y ciudades y cambio climático.
.
Contenido
i. Introducción.
ii. Hipótesis.
iii. Objetivos.
iv. Metodología Experimental.
v. Resultados.
vi. Conclusiones
Concreto Reforzado
• Se refiere al concreto en el cual se ha embebido acero con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas. Además es el material de construcción es el más utilizado en el mundo, por las siguientes características.
versatilidad.
economía y alcance lo hace un material único en su clase.
Durabilidad.
Introducción Concreto Reforzado.
Corrosión
• La corrosión ocurre como resultado de la formación de una celda electroquímica, la cual consiste en cuatro elementos principales :
• a) Un ánodo, donde ocurre la oxidación.
• b) Un cátodo, donde ocurre la reducción.
• c) Un conductor metálico, donde la corriente eléctrica es el flujo de electrones.
• d) Un electrolito; en este caso el concreto, donde la corriente eléctrica es generada por el flujo de iones en un medio acuoso.
Ilustración del proceso de corrosión.
Introducción
Daños causados por la corrosión
Se gastan 300,000 millones de dólares por fallas en la infraestructura en los Estados Unidos de América.
Es posible evitar pérdidas por alrededor de 100,000 millones de dólares.
Las estructuras a cargo de la Red Federal de Carreteras en México, presentan diferentes grados de corrosión, debido a la penetración de cloruros y a la carbonatación.
Puentes prioritarios por corrosión
Prioridad Por penetración de
cloruros
Por carbonatación
Alta 330 395
Media 3604 3951
Baja 2131 1719
Introducción
Carbonatación
• La carbonatación es una reacción química la cual sucede entre la portlandita y el CO2 .
• Ca (OH)2(S) + CO2(g CaCO3(S)+ H2O
• La carbonatación disminuye el pH del concreto de valores mayores de 12.5 unidades a valores entre 8 y 9 unidades.
• La carbonatación requiere de ciertas condiciones:
Contenido de humedad.
Contenido de CO2.
Permeabilidad del concreto.
Humedad Relativa.
Introducción
Hipótesis y Objetivos
La Hipótesis.
• Será posible correlacionar los parámetros (concentración de CO2, humedad relativa, temperatura, etc.) usados en la prueba de carbonatación acelerada, para predecir la velocidad de carbonatación en al menos un ambiente natural representativo de la zona metropolitana de Monterrey.
El Objetivo general:
• Determinar una correlación entre la prueba de carbonatación acelerada y carbonatación natural, la cual permita realizar una predicción confiable entre estas.
Hipótesis y Objetivos
Metodología experimental
Concretos
Cemento CPO 40
Cemento CPC 30 R
Relación agua/cemento
0.6 0.7 0.8
Pruebas Resistencia a la compresión
Carbonatación
Natural Acelerada
Metodología experimental
La exposición a carbonatación acelerada.
• Se expusieron los especímenes a cuatro ambientes artificiales, con concentración de CO2 en 3%, 4%, 5% y 6%, y en los cuales se realizó la medición de la profundidad de carbonatación a 3, 7, 14 y 28 días, la HR se mantuvo en un rango de 60 - 70% y una temperatura de 30°C en los cuatro ambientes.
Metodología experimental
La exposición a carbonatación natural.
• Se expusieron 3 especímenes para cada tipo de mezcla, con el fin de medir la profundidad de carbonatación, esta medición se realizó a 0, 95, 170, 246 y 270 días de exposición, con el objetivo de determinar el avance de carbonatación. Además se muestra la proyección a 365 días.
Metodología experimental
Lugares de exposición.
• Norte de la zona metropolitana de Monterrey
• En la azotea del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL (expuesto aproximadamente a 10 m de altura con respecto al nivel del suelo), ubicado en el municipio de San Nicolás de los Garza, Nuevo león, al Norte de la zona metropolitana de Monterrey.
• Centro de la zona metropolitana de Monterrey.
• En las instalaciones del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental de Nuevo León (SIMA), eligiéndose la estación Obispado ubicada en el centro de Monterrey
Metodología experimental
La medición de la profundidad de carbonatación.
• Se procedió a realizar el corte, haciendo una ranura en la periferia del espécimen. Posteriormente, se aplica un indicador ácido-base en este caso es una solución de fenolftaleína al 1%, esta solución se vierte sobre la superficie interna de la muestra.
Superficie de colado
d2
d1
d3
d4
d2
d1
d3
d4
d2
d1
d3
d4
C1 C3
C2
Metodología experimental
Caracterización de las condiciones ambientales
• Se realizaron mediciones puntuales de las condiciones meteorológicas en los lugares de exposición.
La temperatura.
La Humedad Relativa.
La concentración de CO2.
Metodología experimental
La Resistencia a la compresión
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
Kg
/cm
2
Resistencia promedio
Resistencia a la compresión 28 días
CPC Rel. a/c 0.6
CPC Rel. a/c 0.7
CPC Rel. a/c 0.8
CPO Rel. a/c 0.6
CPO Rel. a/c 0.7
CPO Rel. a/c 0.8
Resultados
La concentración de CO2, en diferentes ambientes.
Zona Características de la zona
Norte Lugar ubicado dentro de la ciudad
Universitaria de la UANL,
rodeada de avenidas principales.
Zona habitacional Zona habitacional rodeada por
avenidas principales.
Simón Bolívar y Leones Avenidas principales de la ciudad
de Monterrey.
Unidad médica de la UANL Lugar ubicado dentro de una zona
habitacional.
Simón Bolívar y Madero Avenidas principales de la ciudad
de Monterrey.
Norte Zona
habitacional
Simón Bolivar
y leones
Unidad
medica UANL
Simón Bólivar
y Madero
Ambientes 311 291 397 325 382
311 291
397
325
382
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Co
ncen
tra
ció
n d
e C
O2
en
pp
m.
341 ppm promedio de los ambientes
Resultados
A
A
B
B B C D
C
D
La concentración de CO2 en las zona de exposición.
318 298
335
275
331
373
300 262
0
100
200
300
400
500
Zona Norte
E
Resultados
Co
nce
ntr
ació
n d
e C
O2
en
pp
m
La Humedad Relativa
Zona Norte
Zona Centro
56.52
46.43
42.38
57.31
45.60
51.35
42.80
54.69
52.70
60.77
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
55.00
60.00
65.00
Hum
edad
R
elat
iva
men
sual
en %
59.03
49.23
63.03 62.03
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
55.00
60.00
65.00
mar-11 abr-11 may-11 jun-11
Hum
edad
R
elat
iva
men
sual
en %
Resultados
La Temperatura
Zona Norte
Zona Centro
23.15
19.57
16.24 15.11
16.58
22.82
27.59 27.63 29.17
28.28
35.1 35.1 33.2
29.7
36.6 39.1
42.8
40.8 40.5
37.1
13.00
7.2
3.7 1.8
-4.7
10.7
14.4 14.9
20.8 20.8
-5.00
5.00
15.00
25.00
35.00
45.00
Tem
per
atu
ra s
men
sual
es e
n °
C
Temperatura
promedio
Temperatura máxima
Temperatura mínima
22.58
27.38 27.49 28.71
37.68
42.27
39.41 38.69
9.85
15.02 15.24
20.82
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
mar-11 abr-11 may-11 jun-11
Tem
per
atu
ras
men
nsu
ales
en
°C
Temperatura promedio
Temperatura máxima
Temperatura mínima
Resultados
La velocidad del viento.
Zona Norte
Zona Centro
5.19
5.91
5.19
5.69
6.82
6.87
7.37
6.84
7.61
7.44
4
5
6
7
8
Vel
oci
dad
del
vie
nto
en
Km
/h
2.71
5.06
6.42
7.59
1
2
3
4
5
6
7
8
MARZO ABRIL MAYO JUNIO
Vel
oci
dad
del
vie
nto
en
Km
/h
Resultados
La Profundidad de carbonatación vs Tiempo en condiciones naturales.
y = 0.0132x - 0.3457
R² = 0.9184
y = 0.0137x - 0.1721
R² = 0.959
y = 0.0129x - 0.203
R² = 0.9431
y = 0.0154x - 0.1992
R² = 0.9819
y = 0.0185x - 0.2534
R² = 0.9484
y = 0.0213x - 0.1893
R² = 0.9819
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270
Pro
fun
did
ad
ca
rb
on
ata
da
, en
mm
Tienpo de expósicion, en dias
CPO 0.6 CPO 0.7
CPO 0.8 CPC 0.6
CPC 0.7 CPC 0.8
Profundidad de carbonatación, mm
Zona Norte
Tiemp
o
(días)
CPO
0.6
CPO
0.7
CPO
0.8
CPC
0.6
CPC
0.7
CPC
0.8
170 1.9 2.2 2.0 2.4 2.9 3.4
270 3.2 3.5 3.3 4.0 4.7 5.6
365 4.5 4.8 4.5 5.4 6.5 7.6
Zona Centro
168 2.4 2.4 2.8 3.0 3.7 4.9
Resultados
La Profundidad de carbonatación vs Tiempo en un ambiente acelerado de 3% de CO2.
y = 0.052x + 0.5021
R² = 0.7089
y = 0.0678x + 0.3594 R² = 0.8566
y = 0.0815x + 0.6393
R² = 0.8229
y = 0.1117x + 0.7541
R² = 0.8271
y = 0.1206x + 0.6847
R² = 0.8543
y = 0.1641x + 0.9946
R² = 0.8842
0.0
2.0
4.0
6.0
0 4 8 12 16 20 24 28
Pro
fun
did
ad
ca
rb
on
ata
da
, en
mm
Tienpo de expósicion, en dias
CPO 0.6 CPO 0.7
CPO 0.8 CPC 0.6
CPC 0.7 CPC 0.8
Resultados
Relación entre la profundidad de carbonatación natural vs la profundidad de carbonatación acelerada.
• Encontrar relaciones entre ambiente acelerado y el ambiente natural, permite conocer su comportamiento y mediante éste, es posible realizar una predicción confiable. En la siguiente figura se presenta la profundidad de carbonatación obtenida en ambiente natural (95, 170, 246, 270 y 365 días) con su correspondiente en ambientes acelerados (28 días) para un mismo tipo de concreto (cemento CPO y distintas relaciones a/c de 0.6, 0.7 y 0.8) a una concentración de 3% de CO2.
y = 0.392x + 0.0625
R² = 0.9091
y = 0.7633x + 0.1436
R² = 0.9005
y = 1.1394x + 0.2257
R² = 0.8953
y = 1.2582x + 0.2517
R² = 0.8941
y = 1.7285x + 0.3543
R² = 0.891
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6
Ca
rb
on
ata
ció
n n
atu
ra
l en
mm
Carbonatación acelerada en mm
28 y 95 días
28 y 170 días
28 y 246 días
28 y 270 días
28 y 365 días
Resultados
Predicción de la profundidad de carbonatación.
Resultados
Parámetro A
• Es la pendiente resultante de la relación entre la profundidad de carbonatación natural vs profundidad de carbonatación acelerada. La cual es dependiente de los factores ambientales y del tiempo de exposición.
Resultados
Factor ambiental, m.
El Factor ambiental establece una relación entre las condiciones naturales y aceleradas para especímenes similares.
El Factor ambiental establece una relación de un tipo de concreto
expuesto a carbonatación en condiciones aceleradas y naturales. Por tal motivo dichos valores son comparables para similares tipos de concreto expuestos en las mismas condiciones aquí establecidas.
Factor ambiental (m), en años
Concentración de
CO2
3% 4% 5% 6%
CPO 1.653 0.609 0.482 0.794
CPC 1.395 0.703 0.566 0.888
Resultados
Predicción
Predicción en base a la raíz cuadrada del tiempo.
Predicción Lineal.
Resultados
Verificación.
Verificación Lineal
y = 1.0409x - 0.0378
R² = 0.9816
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6 8 10
Pro
fun
did
ad
de c
arb
on
ata
ció
n e
n P
ru
eb
a
(mm
)
Profundidad de carbonatación Prediccion (mm)
Verificacion
Verificacion
Verificación Raíz cuadrada del tiempo.
y = 0.9816x - 0.1691
R² = 0.7806
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6 Pro
fun
did
ad
de c
arb
on
ata
ció
n en
Pru
eb
a
(mm
)
Profundidad de carbonatacion Predicción (mm)
Verificación
Verificacion
Resultados
Conclusiones
Las concentraciones de CO2 ambiental, en la presente investigación resultaron menores a los valores de referencia encontrados en la literatura. En todo caso por debajo del promedio existente estimado en la atmósfera, el cual es de 380 ppm. Entre las diferentes zonas de exposición analizadas una variación del 31%, entre el mínimo y el máximo fue obtenido, lo cual confirma la existencia de microclimas dentro de la misma zona metropolitana.
A través de los valores ambientales en las zonas de exposición Norte y Centro, podemos concluir que las diferencias más significativas entre ambas son en la Humedad Relativa y en la velocidad del viento.
Con los datos encontrados por diversos investigadores en cuanto a cambio climático y a la información presentada en esta investigación, se concluye que se deben realizar predicciones con modelos que incluyan variables como la concentración de CO2, la Humedad Relativa y Temperatura.
Se confirmó que en ambientes más agresivos en concentración de CO2, el avance del proceso de carbonatación fue mayor.
Conclusiones
Conclusiones
La predicción lineal presenta menor dispersión en sus puntos y su vinculación es mayor con los datos obtenidos de forma experimental en comparación con la predicción basada en la raíz del tiempo. Esto aplicándose al menos a los periodos de exposición concernientes a esta investigación.
Conclusiones
Agradecimientos
• Facultad de Ingeniería Civil.
• Universidad Autónoma de Nuevo León.
• Especialmente se agradecen los apoyos otorgados para el
desarrollo de esta tesis a los proyectos CONACYT Ciencia Básica
CB-2007/82464 y PAICYT CA1499-07.
Instituciones como SIMA y CONAGUA para los que sin su apoyo
esta Tesis no sería posible al menos en los términos en que es
presentada.
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Referencias