1 Durabilidad del Hormigón en Túneles de Alta Montaña Roberto Torrent Materials Advanced Services SRL Buenos Aires, Argentina y Coldrerio, Suiza [email protected]Webinar organizado por AATES, 8 Setiembre de 2020 2 Contenido 1. Conceptos Generales sobre Durabilidad 2. Clasificación de Procesos de Deterioro 3. Casos Reales: Curado Imperfecto del Túnel del Puerto de Miami Investigación Túnel Vial de Naxberg Túnel Ferroviario AlpTransit Impermeabilidad Túnel Línea “H” Subte C.A.B.A. 4. Cómo alcanzar alta durabilidad en túneles? 5. Conclusiones
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Transcript
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Durabilidad del Hormigón en Túneles de Alta Montaña
1. Conceptos Generales sobre Durabilidad2. Clasificación de Procesos de Deterioro3. Casos Reales:
Curado Imperfecto del Túnel del Puerto de Miami Investigación Túnel Vial de Naxberg Túnel Ferroviario AlpTransit Impermeabilidad Túnel Línea “H” Subte C.A.B.A.
4. Cómo alcanzar alta durabilidad en túneles?5. Conclusiones
2
3
Definición de Durabilidad
Durabilidad: La aptitud de una dada estructura para
desempeñar su función prevista (mantener la
resistencia requerida y su funcionalidad o
“serviciabilidad“) durante la vida útil especificada o
tradicionalmente esperable*, en sus condiciones
específicas de exposición ambiental.
* En general, los reglamentos especifican para 50 años de VU de diseño, 75 para puentes (AASHTO LRFD Specifications)
4
Fases Típicas de los Problemas de Durabilidad
Tiempo
De
teri
oro
Incubación Propagación
Sin deteriorovisible
Deteriorolocalizado
Deterioro generalizado
XC
l/XC
O2
Iniciaciónti
ELU
ELS
��� = �� + ��
[Tuutti, 1982]
Fisuracióntp
3
5
Conceptos de Vida Útil
Niv
el d
e D
esem
peñ
o
Repair 1 Repair 2
Repair 3
0 10 20 30 40 50 60 70
Tiempo (años)
Calidad de Diseño
Nivel de Deterioro Inaceptable
Desempeño Pronosticado
Desempeño Real
Calidad Inicial Real
VU
D
VU
R
6
CO2 Cl-
Acero
“Recubrimiento”de Peor Calidad
Debido a:• Segregación• Compactación• Curado• Exudación• Acabado• Microfisuras
Calidad del Hormigón en la Estructura
Las probetas moldeadas y curadas en forma normalizada,
NOrepresentan la vital calidad del ‘recubrimiento’
Vida Útil = f (penetrabilidad y espesor del Recucreto)
SO42-
4
7
Importancia del Espesor del Recubrimiento
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Vida Útil (años)
Esp
eso
r "R
ecu
cret
o"
(mm
)
Nominal = 50 mm
10% menos espesor de “Recucreto” ~20% menos vida útil
Real = 45 mm
= � · � �� = �
��
8
Pachómetros electromagnéticos
Ferroscanwww.hilti.ch
Profometer 5 Profoscope
Proceqwww.proceq.com
[BS 1881-204:1988; DBV Report 2002 (Alemán)]
5
9
GPR: Ground Penetrating Radar
Hilti PS 1000
10
Hormigón
Cámara de ensayo, presión Pi
Anillo de guarda, presión Pe= Pi
Armadura
Flujo de aire haciala cámara central
Flujo de aire haciael anillo de guarda
1. Se hace vacío en ambas cámaras por t0 = 60 s2. La cámara central que está a Pi ~ 30-50 mbar se aisla de la bomba de
vacío3. Se registra el aumento de presión ΔPi en la cámara de ensayo = f (kT)
Porque correlaciona con otros ensayos de “Durabilidad”
[Torrent et al, 2012]
14
Clasificación de la Permeabilidad kT del Recucreto
8
15
Según el Prof. P.K. Mehta (U. California @ Berkeley):
“En orden decreciente de importancia, las principales causas de deterioro de estructuras de hormigón son:
corrosión de las armaduras de acero
daño por congelación en climas fríos
acciones físico-químicas en ambientes agresivos
Hay un acuerdo general en que la permeabilidad del hormigón, más que las variaciones normales en la composición del cemento portland, es la clave de todos los problemas de durabilidad”
Principales Problemas de Durabilidad
[Mehta, 1991]
Las 3 causas aplican a los túneles de alta montaña
16
CIRSOC 201 – Clases de Exposición
Descripción de la Exposición
CIRSOC 201
ACI 318 EN 206 Túneles
Corrosión por Carbonatación A2, A3 C1 XC1, XC2, XC3, XC4 Todos
Carbonatación en TúnelesLa concentración de CO2 aumenta con el tiempo y depende del microclima:
Condición Description CO2 ppmv
Severa Autopistas, áreas industriales o cercanas a emisiones de CO2
700 - 900
Moderada Centro ciudad, áreas urbanas de alta densidad 500 - 600Suave Áreas rurales y urbanas de baja densidad 390 - 450
Muy Severa Túneles 1000 - 1700
[fib, 2006; Salvoldi, 2010; De Fré et al, 1994; Bertolini, 2013;
= � · �
� =2 · � · ��
�
1.5 ppmv/año
Caso Real: Túnel del Puerto de Miami
Túnel del Puerto de Miami: 1’000 millones USD. VU Proyectada = 150 años
Anillos de 8 segmentos de ~ L = 4.8 m, W = 1.7 m, e = 0.6 m[Torrent et al, 2013]
12
23
Planta Prefabricación: 32 moldes de acero
24
Moldeo de los Segmentos
13
25
Desmolde del extradós y compuesto de curado
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Desmolde intradós (18 h) + compuesto de curado
El compuesto de curado no se aplicó al intrados!!
14
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Curado especificado del intradós
1. Curado 72 h en los moldes
2. Desmolde a 18 h + 2 días de curado con agua
3. Desmolde a 18 h +aplicación de compuesto de curado aprobado
No aplicado dada la alta calidad del concreto:a/cm = 0.32; ASTM Type II + GGBFS + Class F PFA
188 + 236 + 47 = 471 kg/m³
Propietario (FDOT) pidió evidencias del cumplimiento de VU (150 años) antes de aceptar los 623 elementos ya producidos
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623 elementos en vilo + demoras en el proceso de perforado del túnel $$$ + ecología
Elementos cuestionados
15
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10 elementos de ~ = edad (4 meses) muestreados
E1 E3 E5 E7 E9
E2 E4 E6 E8 E10
72h
18h
Lona colocada 2 días antes del ensayo
30
31 (18-h) + 33 (72-h) ensayos en 2 days, ~ 6 ensayos por elemento
PermeaTORR
Medidor de humedad
Celda
Bomba
Esquema de Ensayo
Sombrillas
16
31
0
2
4
6
8
10
12
14
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
Coef. Permeabilidad al Aire kT [10-16 m²]
Fre
qu
en
cia
[-]
72 h (N=33)
18 h (N=31)
kTgm=0.027, sLOG= 0.27
kTgm=0.057, sLOG= 0.24
Análisis estadístico: Log-Normal, mismo sLOG pero KTgm significativamente diferente
32
Significado práctico de la diferencia
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Coeff. Air-Permeability kT (10-16 m²)
Permeability Rating
E2
E1
E4
E6
Very Low Low Medium High
Tes
ted
Ele
men
t
72 h
18 h
E5
Very High
E3
E10
E8
E9
E7
kTgm=0.027
kTgm=0.057
17
33
Conclusiones
Los segmentos curados solamente 18 h mostraron valores de kTsignificativamente mayores, en términos estadísticos, que los curados 72 h.
No obstante, la diferencia no fue significativa en términosprácticos, ya que los resultados de ambas muestras cayeron en el ámbito de la misma clase de “Baja Permeabilidad”
Estimación de la profundidad de carbonatación (mm) a 150 añospor distintos métodos:
Dado que en todos los casos la carbonatación estimada << que los 76 mm de recubrimiento, la VU del intradós está asegurada.
CuradokT [10-16 m² ]
Parrott Estructuras existentes
‘Exp-Ref’
72 h (kT= 0.027) 14 38 38
18 h (kT = 0.057) 19 48 57
No se tuvo en cuenta la mayor Cs
34
Conclusiones
Los 623 segmentos ya producidos con 18 horas de curado fueron finalmente aceptados por el Propietario
No obstante, el contratista debió aplicar el compuestode curado al intradós de los elementos fabricadosposteriormente
• Por su altitud, el túnel soporta inviernos largos y fríos• La T media anual dentro del túnel es de 8°C• Por ausencia de radiación solar, no hay variaciones
extremas diarias• Por el contrario la HR, con una media anual de 70%,
sufre fuertes variaciones diarias• Esto se debe a la influencia del fuerte viento cálido del
Sur (Föhn), que hace caer fuertemente la HR.
38
T del H
ormigón
a 10 mm
(°C)
Con
sum
o de
sal
(kg/
m²)
Túnel Naxberg (Solicitación ambiental)
[Schiegg et al, 2017b]
20
39
Túnel Naxberg (investigación in situ)
En 1990, a ~ 50 m de la salida N, se abrió un nicho de 4.0x2.5x0.18 m (LxAxE), donde se montaron 32 losetas de 0.5x0.6x0.1 m, fijadas con acero inoxidable, sellando herméticamente las juntas entre losetas.
Las losetas estabanarmadas (con acero común e ‘inoxidable’) y fueroninstrumentadas para su monitoreo.
[Schiegg et al, 2017b]
40
Túnel Naxberg (Tipos de hormigón)
CP
N;
a/c
= 0
.50
CP
N;
a/c
= 0
.35
CP
N+
CV
; a
/c =
0.5
0
CP
N+
HS
; a
/c =
0.5
0
CP
N+
EA
H;
a/c
= 0
.50
CPN; a/c = 0.50
[Schiegg et al, 2017b]
Hid
rófo
bo
21
41
Permeabilidad kT a ~2,5 (EPFL) y 3,5 años (TFB) de exposición
Extracción de testigos entre 1,5 y 13 años de exposición
Túnel Naxberg (Investigación in situ)
42
Túnel Naxberg (Permeabilidad al Aire kT)
Hi
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Pla
ca
kTgm±sLOG (10-16 m²)
H1
H4H3H2
G1
F3F1
E1
D3D1
A2A1
Moderada Alta Muy AltaMuy Baja Baja
Hi
[Maître et al, 2002; Jacobs, 2006]
22
43
Túnel Naxberg (variables investigadas)
Periódicamente, sobre testigos o destrucción de las placas:• Profundidad de Carbonatación• Perfil de Cloruros• Corrosión de las barras de acero
[Schiegg et al, 2017b]
Se monitoreó:• Temperatura del Hormigón• T y HR dentro del túnel• Resistividad eléctrica del Hormigón• Potencial de corrosión• Intensidad de corriente de corrosión
44
Túnel Naxberg (Tasa de Carbonatación Kc)
Hi
[Schiegg et al, 2017a]
= � · �
0
1
2
3
4
5
6
A1 E3 G1 G4 H1 H3 H4
Car
bo
nat
ació
n K
c(m
m/a
½)
xc @ 13 años
10 10
5 5
2
5
17
23
45
Túnel Naxberg (Ingreso de Cloruros)
Hi
[Bisschopp et al, 2016]
0
50
100
150
200
250
300
350
A1 D1 E1 F1 G1 H1 H3
Ingr
eso
Clo
ruro
s (
kg/m
²) @ 13 años
46
Túnel Naxberg (% área corroida de barras)
[Schiegg et al, 2017a]
d = 10 mm
0
10
20
30
40
50
60
70
A1 E3 G1 G4 H1 H3 H4
Áre
a C
orr
oíd
a (%
)
@ 13 años
24
47
CIRSOC 201 – Clases de Exposición
Descripción de la Exposición
CIRSOC 201
ACI 318 EN 206 Túneles
Corrosión por Carbonatación A2, A3 C1 XC1, XC2, XC3, XC4
Especificación de Estanqueidad del HormigónEl hormigón usado en las estaciones y en algunosrevestimientos de túneles deben presentar una penetración máxima de 50 mm según el ensayo (EN 12390-8:2000, ‘Testing hardened concrete – Depth of penetration of water under pressure’), similar a IRAM 1554
a/c= 0.4; f’c28 = 31.5 MPa
a/c= 0.6; f’c28 = 23.0 MPa
[Villagrán Zaccardi et al, 2016]
5 atm
36
71
El Problema
Durante el avance de la excavación a profundidadescrecientes, la presión de agua freática resultó superior a lo esperado y surgieron preocupaciones sobre la estanqueidad efectiva del hormigón en las estaciones
Hubo una necesidad urgente de medir la permeabilidadreal del hormigón colocado en las estaciones y revestimiento de túneles
A esos efectos, se decidió efectuar mediciones de permeabilidad al aire kT in situ sobre varios elementosya construidos para verificar su estanqueidad.
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Ensayos de Permeabilidad al Aire
1a ETAPA
Se efectuaron 130 mediciones de kT
(coeficiente de permeabilidad al aire) en puntos seleccionados al azar de 3 tipos de estructuras:
Soleras Vigas Canales de agua
37
73
130 resultados de kT obtenidos in situ
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Coeff. Air-Permeability kT (10-16 m²)
Clase de Permeabilidad
N2
N1
E2
E1
E4
E3
E6
Muy Baja Baja Moderada Alta
Ele
me
nto
En
say
ado
1a Etapa
2a Etapa
E5
Muy Alta
kTgm±sLOG (10-16 m²)
Resultados decepcionantes (sólo 1 elementopresentó en promedio ‘Baja’ Permeabilidad)
74
Ensayos de Permeabilidad sobre probetas
PropiedadMedida
ValorMedido
Caracterización del Hormigón
Máx. Penetraciónde Agua (mm)
47Cumple con las
especificaciones (< 50)
Permeabilidad al Aire kT (10-16 m²)
0,198Clase de Permeabilidad
‘Moderada’
Se detuvo la colocación de hormigón hasta mejorar la situación. Se rediseñó la mezcla que, ensayada sobre probetas de laboratorio, dió:
Se mejoraron las prácticas de colocación y curado y se reinició la construcción, con el objetivo de no superar kT = 0,20 (10-16 m²)
38
75
0.001 0.01 0.1 1 10 100
Coeff. Air-Permeability kT (10-16 m²)
Clase de Permeabilidad
N2
N1
E2
E1
E4
E3
E6
Muy Baja Baja Moderada Alta
Ele
men
toE
ns
aya
do
1a Etapa
2a Etapa
E5
Muy Alta
kTgm±sLOG (10-16 m²)
27 nuevos resultados de kT obtenidos in situ
Sólo 2 de los 27 resultados de la 2a
Etapa superaron el límite buscado de 0,20 10-16 m², resultando en una mejora significativaen la estanqueidad.
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Línea ‘H’ inaugurada en Set. 2007.
Después de 4 años bajo presiónde agua, no se registraron percolaciones
Comentarios Finales
39
77
Cómo alcanzar alta durabilidad en túneles? Resistencia a la corrosión:• Especificación por prestaciones (modelación > 50 años)• Diseño correcto de la mezcla• Técnicas de ejecución adecuadas, eventualmente
• Tratamientos superficiales: hidrófobos, barreras al CO2, membranas permeables de encofrado, selladores de poros (p.ej. cristalización)
• Colocación precisa de las armaduras, correctamente fijadas
• Inhibidores de corrosión• Aceros de alta resistencia a la corrosión (‘inoxidables’)• Armaduras no metálicas (problemas propios de
durabilidad)
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Cómo alcanzar alta durabilidad en túneles? Control de Fisuras:• Hormigones de retracción compensada• Hormigones con fibras• Hormigones conteniendo bacterias que facilitan la
‘cicatrización’ de fisuras
Resistencia al Fuego:• Uso de fibras sintéticas en hormigones ‘impermeables’
Ensayos de Precalificación!!! Especificaciones por prestaciones en Laboratorio e in situ
Temas de un posible futuro Webinar!!
40
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La Durabilidad de las Estructuras de Hormigón es un tema que afecta y debe preocupar a toda la Industria de la Construcción
Proyectista Contratista
Proveedores de Materiales
Propietario/Usuario
SOCIEDAD
Conclusiones
80
• Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Redaelli, E. and Polder, R. (2013), "Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair", John Wiley & Sons, 475 p.
• Bisschop, J., Schiegg, Y. and Hunkeler, F. (2016). "Modelling the corrosion initiation of reinforced concrete exposed to deicing salts". Bundesamt für Strassen, Report No. 676, February, 91 p.
• BS 1881-204 (1988). “Testing concrete. Recommendations on the use of electromagnetic covermeters”.
• DBV (2002). "Merkblatt Betondeckung und Bewehrung. Sicherung der Betondeckung beim Entwerfen, Herstellen und Einbauen der Bewehrung sowie des Betons“, DBV Merkblatt, Juli, 32 p.
• De Fré, R., Bruynseraede, P. and Kretzschmar, J.G. (1994), " Air pollution measurements in traffic tunnels", Environ. Health Perspect. 1994 October; 102(Suppl 4): 31–37.
• Di Pace G. and Calo D.(2008). “Assessment of concrete permeability in tunnels”, SACoMaTIS2008, v1, 327-336.
• fib (2006), " Model Code for Service Life Design", fib Bulletin 34, 116 p.
• Jacobs, F. (2006). “Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Qualität des Überdeckungsbetons von Betonbauwerken” (in German), Office Fédéral Suisse des Routes, Rapport n. 604, September, 100 p.
• Maître, M. (2002). "Tunnel de Naxberg - Perméabilité à l’air du béton d'enrobage (méthodeTorrent)", EPFL, Rapport d'essais n° MCS 02.09-01, Lausanne, Nov., 9 p.
• Mehta P.K. (1991). “Durability of Concrete – Fifty Years of Progress?”, ACI SP-126, Vol. I, 1-30.
• Salvoldi, B.G. (2010), "Modeling the carbonation of concrete using early age oxygen permeability index tests", MSc Thesis, Univ. Cape Town, South Africa, Dec 2010, 177 p.
Referencias
41
81
• Schiegg, Y., Bisschop, J. and Von Greve-Dienfeld, S. (2017a). “Monitoring rebar corrosion propagation in concrete – Results of the Naxberg field experiment after 12 years”. EUROCORR
2017.
• Schiegg, Y., Hunkeler, F. and Keller, D. (2017b). “Massnahmen zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit –Fortsetzung des Feldversuchs Naxbergtunnel“. ASTRA Bericht Nr. 683, Bern, Schweiz, 159 p.
• Torrent, R.J. (2018). “Bridge durability design after EN standards: present and future”. Struct. & Infrastruct. Engng., DOI: 10.1080/15732479.2017.1414859, 14 p.
• Torrent, R., Armaghani, J. and Taibi, Y. (2013). "Evaluation of Port of Miami Tunnel Segments: Carbonation and service life a-site air“. Concr. Intern., May, 39-46
• Torrent, R., Denarié, E., Jacobs, F., Leemann, A. and Teruzzi, T. (2012). "Specification and site control of the permeability of the cover concrete: the Swiss approach", Materials and Corrosion , v63, n 12, December,1127–1133.
• Tuutti, K. (1982). “Corrosion of steel in concrete”. Research report No.4.82. Swedish Cement and Concrete Research Institute (CBI), Stockholm.