a la sustentabilidad por la durabilidad del hormigon
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A LA SUSTENTABILIDAD POR LA DURABILIDAD DEL HORMIGON ESTRUCTURAL
Mª Carmen Andrade Perdrix
candrade@cimne.upc.edu
1
International Centre for Numerical
Methods in Engineering
Sesión incorporación a la Academia de Ingeniería de la Provincia de Buenos Aires15 de junio de 2021
AGRADECIMIENT0
• A la Junta Directiva de la Academia y su Presidenta por el nombramiento y la persistencia en mi incorporación
• A Luis Lima por su dedicación al Grupo Latinoamericano de la RILEM y su interés en mi colaboración
CONTENIDO• Agradecimiento
• Referencias a ingenieros ilustres
• Hormigón estructural: el material del siglo XX: barato, funcional y resistente
• RETOS DEL SIGLO XXI
– Efecto invernadero del CO2
• Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU
– El hormigón como sumidero de CO2: Re-carbonatación
• Método de calculo en un inventario de estructuras
– Durabilidad
• Vida útil ¿es posible predecirla?
• Códigos: métodos probabilistas, métodos avanzados de calculo
• Método de la resistividad eléctrica
3
REFERENCIAS EN LA INGENIERIA
Profesor Enrique Costa NovellaCatedrático de Ingeniería Química
Universidad Complutense de Madrid
Decano de la Facultad
Vicerrector de la Universidad Complutense
Director General de Universidades e Investigación
Tiene el premio «Leonardo Torres Quevedo» de investigación técnica (1.985). Es Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas Y Naturales. Ha sido asesor de REPSOL, S.A.
Profesor Angel Vian Ortuño
Catedrático de Química Industrial y Economía
Universidad Complutense de Madrid
Rector de la Universidad Complutense
Colaborador de la empresa Minas de Riotinto
REFERENCIAS EN LA INGENIERIAEduardo Torroja Miret“….En los años 30 y 40 la investigación se concebía como un trabajo individual al estilo de un Ramon y Cajal que pasaba las noches y días observando por un microscopio, en apariencia aislado de su entorno. Sin embargo Torroja organiza un Instituto donde el trabajo en equipo es la base de su funcionamiento. Es tanto como suponer que todos miren por el mismo microscopio. Además pretende que este trabajo llegue al entorno social, tanto al empresarial como al puramente artesanal y que a la vez el trabajo se proyecte fuera de la fronteras del país, tanto hacia el oeste como hacia el Este (viajó a Rusia y otros países del Este cuando no existían relaciones diplomáticas formales) y fundamentalmente hacia Iberoamérica….”Carmen Andrade - con motivo del centenario de su nacimiento
5
HIPODROMO DE LA ZARZUELAEJEMPLO DE ESTRUCTURA DURABLEArniches, Dominguez y Torroja 1933-35
2014
CONSTRUCCION INSPECCION
7
INSPECCION Hipódromo de la Zarzuela-2014
8
0,001
0,01
0,1
1
10
zone
9/p
oint
1zo
ne 9
/ poi
nt 1
'zo
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3zo
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1/p
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1zo
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1/p
oint
1Ti
e 10
(mor
tar)
Tie
10 (u
ralit
e)Ti
e 4
I corr
(µA/
cm2 )
Northerly Deck
REPARACION Hipódromo de la Zarzuela 2014
9
MATERIALES ESTRUCTURALES DE CONSTRUCCION USADOS A LO LARGO DE LA HISTORIA
10
-1000 0 1779 1889 1900 2000 2100
Piedra madera ladrillo adobe
HORMIGON ESTRUCTURAL
11
-1000 0 1779 1889 1900 2000 2100
¿Qué retos tiene en el siglo XXI?
RETOS DEL HORMIGON ESTRUCTURAL EN EL SIGLO XXI
• Sustentabilidad
– Reducción huella de carbono
– Considerar el ciclo de vida
– Durabilidad
• ¿es posible predecir la vida útil ?
• Cómo conseguir hormigones sustentables y durables
–Método de la resistividad eléctrica
12
HUELLA DE CARBONOLas temperaturas medias se están incrementando debido al desarrollo industrial
13
Glo
ba
l Me
an T
em
pe
ratu
re A
no
ma
ly (G
MTA
) fr
om
19
61
to
19
90
(°C
)
Year
Yearly average
10-year average
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
410ppm
400ppm
390ppm
370ppm
412ppm
408ppm
404ppm402400
Energy Transport Construction Industry
Agriculture and soil uses Others
Estimation of the emissions grow according to the
reduction commitments
presented by the government of 150
countries
OBJETIVOS DE DESARROLLO SOSTENIBLE DE LA ONU
14
EL IPCC FIJA LA EMISION DE CO2 EN LA PRODUCCION DE CLINKER
• Clinkerización (decarbonación): 520 kg CO2/t clinker
CaCO3 → CaO + CO2
• El combustible libera 480 Kg de CO2 /t de Clinker
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (min)
0 1 2 3 Heat transfered (MJ/kg)
Cyclone preheater (from 300 to
900°C)
Raw material
Fuel (>1000°C)
Fuels(>2000°C)Calcination zone28
min
Rotary kiln
Sinteringzone10 min
Clinker coolingzone (2 min)
Temperature
(°C)
Frac
tion
of m
ass o
f raw
mat
eria
l to
the
kiln
Preheating/precalcining
< 1 min
CO2
1420°C
1400
1200Carbonates
Alite
Belite
Free lime
LíquidAluminate
Ferrite
Free silica-SiO2
α-SiO2
Iron compounds
Aluminosilicates
C3F
C4AF
1000
800
600
400
200
Clinker tiene 65% of CaO
LA CARBONATACION ES LA VUELTA DE LAS MATERIAS PRIMAS A SU ESTADO ORIGINAL NATURAL
Por tendencia termodinámica los componentes delClinker tienden a volver a ser óxidos y carbonato cálcico
16
El máximo de CO2 incorporado a un cemento Portland, suponiendo un 95% clinker por cemento, es:
𝑪𝑶𝟐 𝒔𝒆𝒄𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂𝒅𝒐 =𝟔𝟓
𝟏𝟎𝟎∙ 𝟎. 𝟗𝟓 ∙
𝟒𝟒
𝟓𝟔= 𝟎, 𝟒𝟗 𝑲𝒈
𝑪𝑶𝟐
𝑲𝒈 𝒄𝒆𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐
CaO Paso de CaO a CO2
RE-CARBONATACION
GRADO DE CARBONATACION (DoC)
• Es la proporción de CO2 incorporado (reaccionado) enrelación lal máximo que podría llegar a ser.
𝐺𝑑𝐶 (𝐷𝑜𝐶) % =𝐶𝑂2 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑎𝑑𝑎
𝑴𝒂𝒙𝒊𝒎𝒐 𝒅𝒆 𝑪𝑶 𝟐 (𝟔𝟓% 𝑪𝒂𝑶)
• En la zona carbonatada se hace un análisis termo-gravimétrico y se calcula la cantidad de CO2 incorporado:
17
Ca(OH)2 H2O + CaO
400ºC
C-S-H combined water
110-400ºC
CaCO3 CO2 + CaO
700ºC
Evaporable water
Tinitial-110ºC
Zero one three seven 14 28 days
a)
b)
c)
d)
Carbonato cálcico
PARQUE CONSTRUIDO EN UN PAISCALCULOS BASADOS EN PRODUCCION DE HORMIGON
“CO2 STORAGE CAPACITY” (SECUESTRO CO2)
18
Inventario de producción hormigónCemento/m3 de hormigón y mortero producido
GROSOR EQUIVALENTE CARBONATADO
VOLUMEN CARBONATADO = GROSOR (m) X SUPERFICIE EXPUESTA (m2)
( )hormm
COkg
hormm
hormmcarbhormmprofun
carbhormm
carbcemkgdosif
carbcemkg
COkgCO
abs
abs 3
,2
3
2
3
2,2
_exp___
_
__
__
_% =
Relación S/VPARQUE CONSTRUIDO
CICLO DE VIDA ¿CUÁNTO TIEMPO?
19
residuosDemolicionnVida en serviciofabricaciónMaterias primas
Cual ciclo de vida considerar- ¿50 o 100 años? La profundidad carbonatada cambia- El hormigón que no vuelva al horno, se va carbonatando progresivamente si esta expuesto a la atmosfera
Materias primas
Fabricación
VIDA EN SERVICIO
Demolición
Reciclado
HOJA DE RUTA DEL SECTOR CEMENTOreducir emisiones en todas las etapas
20
DURABILIDAD
21
El Panteón de Agripa o Panteón de Roma es un templo de planta
circular erigido en Roma por Adriano, entre los años 118 y 125 d. C.
Primera construcción realizada en “hormigón” hace más de 2000 años.
Cúpula de 43 m de diámetro.
HORMIGON ANTIGUOEL PANTEÓN DE ROMA
22
ESTADIO DE MARACANA 1950la marquesina ha tenido que ser demolida pues la armadura estaba corroida
antes
despues
23
CONSECUENCIAS ESTRUCTURALES de la corrosión
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Diagrama de vida util
RETOS DEL HORMIGON ESTRUCTURAL EN EL SIGLO XXI
• Sustentabilidad
– Reducción huella de carbono
– Considerar el ciclo de vida
– Durabilidad
• ¿es posible predecir la vida útil ?
• ¿Cómo conseguir hormigones sustentables y durables
–Método de la resistividad eléctrica
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CALCULO DE LA VIDA UTILno se sabe todavía calcular con exactitud
• En 1920 casi todos los edificios eran de estructura de madera, de piedra, ladrillo o metálica. No eran de hormigón
• Los estructuras de hormigón no se empezaron a usar hasta hace unos 100 años
• Hay modelos pero no están calibrados durante 100 años
AÑOS 1920
MODELOS Y METODOS ACTUALES(según Model Code 2020 de la fib: esquema)
DURABILIDADNIVELES DE
DISEÑO
PRESCRIPTIVO
COMPOSICION HORMIGON
PRESTACION/ DESEMPEÑO
INDICADORES DURABILIDAD
MODELOS FISICOS Y
NUMERICOS
FORMATO COEFICIENTES
PARCIALES
FORMATO PROBABILISTA
500 µm
Nuevo estado limiteEstado limite de deterioro DLS
AVANCES NECESARIOSMODELADO NUMERICO: digital twin
RESISTIVIDAD COMO INDICADOR DE DURABILIDADparámetro para evaluar la vida útilestructura nueva y existente
LABORATORIOCONTROL
PROPIETARIO
PROYECTISTA
MATERIALES
¿QUE ES LA RESISTIVIDAD ELECTRICA?La resistencia al paso de corriente
A
l
I
VR ==
aR 2=
Flux, Jx
Pore Ley de Ohm
Factor Geométrico
Método directoGeometría regular
Método cuatro puntas
FACTOR FORMA
a = 0,035m a = 0,05m
Cilíndrica 30x15 cm 0.714 0.606
Cilíndrica 20x10 cm 0.571 0,377
Cilíndrica 15x7.5cm 0,384 - - -
Prismática 4x4x16 cm 0.172 - - -Distancia entre electrodos
PUEDE SUSTITUTIR A LOS ENSAYOS ACELERADOSASTM 1202-Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetrationpropuesto en los 80 por David Whiting – PCA-USA
CARGA EN
CULOMBIOS
> 4000
2000-4000
1000-2000
100-1000
< 100
]s/m[2U
xL)T273(0238.0x
t)2U(
L)T273(0239.0Dns 2d
d
−
+−
−
+=
•Es igual que el ASTM 1202
•Usa ensayo colorimétrico
•Es empírico
NT Build 492
RELACION TEORICA ENTRE EL COEFICIENTE DE DIFUSION Y LA RESISTIVIDAD-debida a Einstein
C. Andrade 1993
NERNST-PLANK simplificado
Ecuación de Nernst-Einstein
RELACIONES RESISTIVIDAD
Relación con difusión de cloruros Relación con Culombios
2,
0
2.
COCl
q
env
ef
l rF
t
tx
t
=
tVX =
RELACION CON EL TIEMPOla relación de Einstein (random walk) se introduce en la de la raíz cuadrada
V = D = K/
COMPLEMENTOS DEL MODELO DE LA RESISTIVIDAD PARA EL HORMIGONpara el modelado de la vida útil es necesario conocer factores adicionales
Factor de edad Factor de retardo
Factor ambiental
2,
0
2.
COCl
q
env
ef
l rF
t
tx
t
=
EJEMPLO DE APLICACION
Recubrimiento
Vida util
Tipo de Cemento II/A
Clase de exposicion (XS2)
Facto de edad (10 años)
XCl (cm) = 10
t (años) = 100
rCl = 1,8
Fenv (cm3W/year)= 25000
q= 0.3
Valor de la Resistividad 0 28 days
100
8,1)0767,0
25.0(
2500010
3,0
0
=
→ 44.97)(0 =W m
2,
,
0
2
2
.
COCl
q
COCl
ef
l rk
t
tx
t
=
MODELO COMPLETO DE DURABILIDAD BASADO EN LA RESISTIVIDAD como único parámetro
INTENSIDAD DE CORROSIÓN
RESISTIVIDAD
0,001
0,01
0,1
1
10
1 10 100 1000 10000
RESISTIVIDAD (Kohm x cm)
Ico
rr (
µA
/cm
2)
0,2
200
KDCl =
RELACION con
DIFUSION RELACION con
CORROSION
KIcorr =
C. Alonso, C. Andrade, J.A Gonzalez- C&CR
18 (1988) 687.
C. Andrade- C&CR 23 (1993) 724
Nernst-Plank and Nernst –Einstein equations
piL ttt +=
corr
x
COCl
COClef
pilk
P
F
rxttt
·
2
2
,
,
2
+=+=
COMENTARIOS FINALES
• El hormigón estructural debe responder en el siglo XXI al reto de SUSTENTABILIDAD
• La DURABILIDAD y el ciclo de vida son parte esencial de la sustentabilidad
Quedan muchísimos aspectos por refinar para responder a la demanda de la sociedad
GRACIAS un honor el formar parte de esta
Academia
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