Estudio del daño estructural por factores medioambientales de losas para pavimento de tráfico vehicular en zonas costeras

RESUMEN

Este trabajo presenta una caracterización físicomecánica de losas extraídas de la localidad de Soledad-Barranquilla-Colombia, cuya modelación actual de las geoformas iniciales, muestra la acción de procesos exogeneticos, de tipo fluvio marino y continental, localmente alterados por acciones antrópicas. Se realizó un inventario de 4946 piezas de concreto, sometidas a paso vehicular diario, clasificándolas por inspección visual por su daño como severo moderado y leve. Se extrajeron 22 núcleos de concreto para los ensayos físicos (adsorción de agua) y mecánicos de resistencia al esclerómetro y densidad. Los resultados muestran que el 55.9% de las placas, evidenciaron patologías de severidad, desintegración, pulimiento moderado y problemas estructurales como porosidad y heterogeneidad de la mezcla original, esto facilito la sedimentación de material arenoso, la filtración y la escorrentía, acelerando su deterioro. Analizando los resultados y la influencia de las variables medioambientales en la zona de estudio, se postulan acciones para aumentar la trabajabilidad del concreto y las mezclas empleadas, para incrementar su resistencia.

Palabras Clave: corrosión marina, desintegración de concreto, agregados pétreos, pavimentos superficiales.

INTRODUCCION

La estimación de la vida útil de la estructura del hormigón y del concreto es de gran importancia para los ingenieros civiles, es por ello que la evaluación de los procesos de corrosión, es indispensable para obtener materiales con mejores propiedades mecánicas y químicas. Usualmente, se emplea como mezcla base cemento Portland Tipo I al o % , 15 % , 25 % , 35 % y 50 % en peso de aglutinante, para trabajar en ambientes marinos el cual muestra frecuentemente perdida de resistencia a la compresión, menor durabilidad en términos de coeficiente de difusión de cloruro, cloruro de capacidad de unión y disminución de la resistencia a la corrosión¹. En la mayoría de países de la UE, aproximadamente el 50% de los gastos en el sector de la construcción se emplean en la reparación, el mantenimiento y la rehabilitación de las estructuras existentes, con tendencia a incrementarse en el futuro².

Factores como la durabilidad y resistencia de este material compuesto, dependen de la interacción de los distintos componentes de la mezcla como los son; la composición en material carbónaseo o silícico, la proporción de arena, el tipo de cemento, el agregado pétreo, el agua y los aditivos de fraguado o fluidez.³

Las estructuras de hormigón están sujetas a diferentes niveles de contaminantes corrosivos, como cloruros presentes en la atmosfera que afectan sus propiedades y duración. Algunos estudios llevados a cabo en zonas marinas muestran la relación entre la concentración de las sales y la velocidad de corros ión.⁴,⁵. El clima tropical húmedo favorece las reacciones de oxidación, hidratación, hidrólisis, carbonatación y disolución, siendo los agentes químicos más importantes: H20, 02, C02 y ácidos orgánicos, que facilitan los procesos de solubilización de la matriz en de carbonato de calcio.⁶

Las mezclas utilizadas para la elaboración de hormigones y concretos de pavimento en zonas marinas se basan comúnmente en roca calcárea, oxido de silicio y aditivos de naturaleza orgánica, lo cual dota al material de una susceptibilidad alta frente al fenómeno corrosivo.⁷

Sin embargo se ha encontrado que la resistencia y envejecimiento en zonas marinas, es acelerado y esto conduce a una desintegración de la roca. La situación más agresiva es cuando hay presencia de cloruros en disolución, porque éstos afectan la migración de los iones calcicos, influyendo en su estabilidad. A medida que la concentración de iones disueltos particularmente, Ca++, Mg++, Na+, K+, HC03', C03-, S04² - y CI' están en mayor concentración en el material, aumenta también la conductividad eléctrica y la salinidad iónica éstos pasan rápidamente a la fase acuosa pudiendo alcanzar concentraciones muy altas.⁶

En los últimos años, gran cantidad de trabajos de investigación, han sido llevados a cabo, con el fin de entender y controlar varios de los mecanismos de deterioro, tales como álcali reacciones de agregado, congelamiento y descongelamiento y la corrosión del acero incrustado, que representa la mayor amenaza⁸. Procedimientos inadecuados en la obtención de la mezcla base del hormigón, falta de cuidado durante las fases efectuadas en la operación de la construcción, pueden resultar un factor para tener una calidad inferior, que asociado a una mala colocación de la mezcla en el terreno y junto con técnicas de acabado y curado inadecuadas, condicionan la durabilidad del pavimento⁹. Debido a que el deterioro es cualquier cambio adverso de las propiedades normales, mecánicas, físicas y químicas, ya sea en la superficie o en el cuerpo de hormigón, en general, debido a la desintegración de sus componentes, este trabajo se planteo conocer las características fisicoquímicas y mecánicas de las mezclas precursoras empleadas en vías de transporte en la zona costera marina, así como las propiedades físico-mecánicas de las losas de pavimento rígido. Para establecer el tipo de interacciones entre los componentes y los contaminantes medioambientales y proponer estrategias de resistencia frente a la corrosión.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Descripción del área de estudio.

A escala regional el terreno donde se ubica la ciudad de Barranquilla, hace parte de la Provincia Geomorfologica del Sinú, la cual a su vez se ha subdividido en regiones y subregiones geomorfológicas, determinadas, las primeras, por el ambiente morfogenético (ambientes, morfoestructural, denudacional, depositacional y antròpico) y por procesos morfodinámicos particulares El tramo vial en estudio, se localiza sobre geoformas denominadas planos aluviales, constituidas por de sedimentos arenosos y areno- arcillosos formados por la deposición pluvial y fluvial a lo largo de antiguos cauces y la desembocadura de las corrientes de agua¹⁰. Esta formación, en general está constituida por una sucesión de areniscas, arcillolitas, conglomerados y calizas, con abundantes fósiles de moluscos. Estas rocas han sido interpretadas como depositadas en un ambiente epicontinental a profundidades menores de 200 metros. La edad obtenida es Plioceno-Pleistoceno, piso Turbaciense¹¹. La zona de estudio comprendió aproximadamente cuatro (4) kilómetros de la avenida Murillo Toro, en el Distrito de Barranquilla-Colombia. Un alto porcentaje de los hormigones empleados en el mismo, se componen de agregados obtenidos de dos fuentes: en depósitos de origen natural (ríos, playas, etc.) y productos de trituración de roca. El sector sur del tramo de estudio se localiza sobre Depósitos Aluviales Recientes (Q3) son acumulaciones arenosas localmente arcillosas, relacionadas con antiguos drenajes naturales y sus desembocaduras. Se constituyen de arenas arcillosas o arcillas arenosas de grano fino y limolitas, relacionadas con llanuras de inundación. Estos depósitos constituyen los planos aluviales formados por antiguos procesos de deposición fluvial en el área de estudio, cuya morfología es plana¹².

Inventario e inspección de daños en el pavimento.

Para el inventario e inspección de daños en el pavimento rígido, la metodología utilizada fue extraída del manuales de inspección e inventar¡0¹³, por tal motivo se absciso la vía. Para cada una de las calzadas, se proyectó un eje, así: Para la calzada derecha se denominó eje 001, con tres carriles dos mixtos y un carril único para alimentadores y articulados y para la calzada izquierda el eje 002, también con tres carriles dos mixtos y un carril único para alimentadores y articulados.

El modo como se tomó el abscisado fue de sur a norte y se hizo con rodimetro, desde la Carrera 14 A en la población de Soledad a la carrera 5B en la ciudad de Barranquilla, tal como lo describe el manual de Invias¹⁴ y el conteo de placas fue de norte a sur en ambas calzadas.

Codificación de las calzadas

La vía está orientada en la dirección Sur-Norte, y corresponde a una doble calzada, cada una de ellas compuesta principalmente por tres carriles, un carril habilitado para solo bus y dos carriles mixtos; si se tiene en cuenta el sentido Sur-Norte (Soledad-Barranquilla) la calzada derecha será simbolizada por el siglas CD, de igual forma la calzada izquierda será simbolizada por el siglas Cl; considerando el sentido, para los carriles por calzada, encontramos un carril de uso exclusivo sólo bus, simbolizado como SB y dos carriles mixtos (Servicio general), de estos carriles, el carril mixto izquierdo será simbolizado como CM¡ y el carril mixto derecho será simbolizado como CMd; para los tramos con cuatro carriles la nomenclatura de los carriles mixtos se conserva, y al aparecer un nuevo carril de solo bus, la nomenclatura se dividió en solo bus izquierdo (SBİ) y solo bus derecho (SBd). Ver figura 1.

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Figura 1: Simbologia para los carriles seleccionados para el estudio.

Se realizó un inventario 4946 piezas de hormigón, sometidas a paso vehicular diario en todo el tramo en estudio, inspeccionándolas visualmente y clasificándolas por su daño como severo moderado y leve. Se extrajeron 22 núcleos de concreto para los ensayos físicos (adsorción de agua) y mecánicos de resistencia al esclerómetro y densidad.

Extracción de los núcleos

Para la extracción de las muestras se empleó un extractor de muestras para núcleos de concreto de 4 pulgadas (saca núcleos de 4”), este extractor se fijo en la placa donde se extrajo la muestra con un chazo fijador, el cual impidió el movimiento de la máquina durante la perforación ver detalle figura 2. Durante el procedimiento se suministro agua para el corte del espécimen. Se extrajeron 22 núcleos en placas previamente seleccionadas con presencias de daños leves, moderados y severos, ademas de placas en buen estado. En una segunda etapa, con el fin de medir los espesores de la losa se sacaron núcleos a profundidad total, tanto en carriles mixtos como en carriles propios del sistema, seleccionando 6 puntos de toma de muestra.

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Figura 2: Registro fotográfico de extracción de núcleos y toma de espesores de los núcleos.

Los espesores encontrados en las muestras seleccionadas se reportan en la tabla 1

Tabla 1

Calzadas seleccionadas para la toma de espesores de las losas de hormigón.

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La selección de los 22 núcleos en las calzadas izquierda y derecha en el tramo, se hizo por inspección visual de las losas, ubicando las muestras que tenían diferentes tipos de patología, a su vez se observó las piezas que se encontraban ubicadas entre la carrera primera y el puente peatonal que da inicio al puente de la circunvalar, el cual era un pavimento nuevo, aunque se apreció un leve desgaste, por tal motivo se tomó núcleo en este tramo de ambas calzadas. En la tabla 2 se describe el tipo de daño que se aprecia en la losa.

Tabla 2

Placas seleccionadas para la inspección visual de la patología y análisis físico-mecánicos.

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Para determinar la densidad de los núcleos se empleo la norma INV- E 223, los ensayos de resistencia no destructivo, se ejecutaron para el hormigón y sobre las placas (In sitú) con esclerómetro, que determinó la resistencia en especímenes, en el sitio de la obra. Se tomo como la resistencia a la flexión, el 15% de la resistencia a la compresión ± el valor de la dispersión de aparato, se realizaron 10 impactos los cuales se promediaron para determinar la resistencia. Una de las observaciones para anotar fueron los valores bajos de resistencia, obtenidos en los núcleos de hormigón estudiados, estos pudieron deberse a la disipación de la energía al momento de los impactos sobre las muestras y al diámetro de los núcleos (4”), razón por la cual se tomó la decisión de impactar en el campo directamente las placas.

Para la determinación de la densidad relativa se saturó con agua el material por 24h, luego se le retira quedando superficialmente seco, a continuación se pesaron dos muestras de 200g del material (Wsss), la primera se adiciona en un matraz y se vierte agua hasta la mitad de la parte curva, la segunda muestra de 200 g se sometió a secado total en la estufa a 120°c para obtener el peso seco de la muestra (Ws), el aire atrapado se extrajo con ayuda de la bomba de vacio por 30s, repitiendo este procedimiento 5 veces. El matraz aforado entonces se completo a volumen, se peso el matraz con el agua y el material (Wmwa). Se tomo la temperatura de la suspension, interpolando en la curva de calibración del matraz y se obtiene el peso del matraz + agua hasta la marca de aforo (Wmw). La densidad aparente se calcula introduciendo los valores en la siguiente ecuación:

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El porcentaje de absorción de agua se determino como la cantidad de agua que absorbe el material, expresando esta en porcentaje con respecto al peso seco de la muestra. Este ensayo se realizó con la muestra que se puso a secar en la estufa en la prueba anterior, se revisa con lupa para comprobar que el material haya perdido toda el agua, dejándolo enfriar y se obtiene su peso (Ws). Se obtiene el porcentaje de absorción por medio de la siguiente fórmula

Absorción = (Wsss — Ws)/Ws * 100 (2)

En la discusión de absorción de agua se tuvo en cuenta la clasificación según la absorción de adoquines en hormigón presente en la norma (ASTM C140), descrita en la tabla 3

Tabla 3

Clasificación de adoquines de hormigón frente a la absorción de agua.

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Nota: Clase A. Uso industrial y tránsito pesado. Para uso en zonas sometidas a grandes cargas de tránsito pesado como puertos, aeropuertos, patios de maniobras en zonas industriales, terminales de autobuses, calles o avenidas principales. Clase B. Uso en tránsito liviano. Para uso en arterias o calles secundarias con tránsito vehicular liviano. Clase c. Uso peatonal. Para uso exclusivo de zonas peatonales, espacios públicos. Estas recomendaciones no forman parte de la norma de especificación de productos, pero fueron útiles para tomar como buenas prácticas de construcción¹⁵

La resistencia a la tensión por flexion. Mòdulo de ruptura, fue determinada con probetas prismáticas de concreto para pavimentos rígidos, simplemente apoyadas. Registrando el ancho promedio (b) y la altura promedio (h) de la probeta en la zona de ruptura, con aproximación delmm, utilizando la máquina de ensayos universal¹³,¹⁴.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos muestran que el 55.9% de las placas inventariadas, evidencian patologías de severidad, tipo malla reticular y pulimiento moderado, debido al gran volumen de sedimentos arenosos de origen aluvial y eòlico, que se encuentran sobre las calzadas y que sumados a paso vehicular, se convierten en materiales altamente abrasivos. La figura 3 muestra un resumen de los daños que afectan actualmente el pavimento rígido en cada una de las calzadas del tramo estudiado.

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Figura 3: Resumen de Inventario Visual de Daños A-Calzada Izquierda Carril Mixto Izquierda (CICMi).B- Calzada Izquierda Solo- Bus Izquierda (CISBİ). C- Calzada Izquierda (Incluye Mixta + Solo Bus).

Las losas de pavimiento se ven deterioradas por dos causas el pulimiento moderado presentado por el 56% de las muestras analizadas y la desintegración un 30%, factores de menor incidencia fue la malla reticular o desgaste superficial.

Tabla 4

Consolidado de la inspección visual a las muestras con daños severos.

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Am: Color amarillo G: Color gris PB: Porosidad baja PA: Porosidad alta.

Como posible explicación de este pulimiento moderado en el tramo estudiado se debe al gran volumen de sedimentos arenosos de origen aluvial y eòlico, que se encuentran sobre las calzadas, lo que sumado a las cargas vehiculares, se convierten en materiales altamente abrasivos También como causa contribuyente se estableció, la escorrentía que afecta al tramo de estudio, en especial el sector donde se intercepta la cuenca del el arroyo Don Juan, el cual es un arroyo de origen torrencial y altamente caudaloso (alrededor de 100 m³ /s).

En la tabla 5 se muestran los resultados generales de las pruebas físico-mecánicas de los núcleos estudiados en el tramo de pavimento estudiado.

Tabla 5

Resultados de los ensayos de densidad, absorción y resistencia para las losas de

pavimento estudiadas

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Los resultados de absorción de agua para los 22 núcleos analizados, se encontraron entre 5.87% y 12.97% mostrando que los materiales pese al pulimiento ligero, los valores están de acorde para un uso para tráfico vehicular pesado y liviano¹⁵. Las muestras ensayadas, con agregado calizo, evidenciaron un daño leve y porcentajes de absorción entre 8,60 % y 8,97 %, apto para un tráfico vehicular pesado, con una densidad entre 2281 Kg/m³ y 2297 Kg/m³, en cuanto a aquellas que presentan buen estado, evidencian una superficie uniforme con agregados cristalinos con distribución organizada en formas alargadas y redondeadas de 0.01 a 0.025 mm, sin apariencia de desgaste y baja porosidad; para aquellas donde se evidencia pulimiento, se presenta alta porosidad a lo largo de su estructura, evidencia deterioro leve, los poros a lo largo de la misma la hacen altamente susceptible a penetración freática y por ende a presentar reacciones de álcali agregado. Los especímenes con daño leve y presencia de agregado silicio evidenciaron un porcentaje de absorción del orden del 7,18 %, una densidad del orden de 2289 Kg/m3 y su superficie no uniforme con presencia de agregados de diferente naturaleza con restos de mezcla no homogénea, agregados cristalinos de diámetro superior a 0.01 en formas alargadas y redondeadas, presentando cavidades entre 0.007 y 0.01, se nota la presencia de poros por debajo de las 25 mieras. Material de mayor tendencia al intercambio de iones con el medio, lo que conllevaría a un mayor desgaste. 17. En las 22 placas impactadas en el campo con el esclerómetro, la resistencia promedio estimada es de 5457 psi con una dispersion promedio de la resistencia de ± 850 psi. Por correlación estimada promedio de las 22 placas impactadas, su resistencia a la flexión es de 5.6 Mpa, con una dispersión promedio de 0.9 Mpa. Se resalta que de las impactadas con el esclerómetro la losa identificada con muestra 531CICM1 fue la de menor resistencia estimada por impacto y obtenida por correlación a la flexión con 4.3 Mpa, mientras que las de mayores valores son la 30CDCMİ, 324CISBd con 5.4 Mpa. Se resalta que la placa de menor resistencia estimada, presenta daño severo con pulimento superficial y desintegración abundante y absorción alta, mientras que la de mayor resistencia estimada presentan daños tipo malla reticular y pulimento superficial severo y absorciones menores que la muestra 531CICMİ.

Las muestras con agregado calizo, presentaron porcentajes de absorción de agua entre 8,60 % y 8,97 % y densidad entre 2281 Kg/m³ y 2297 Kg/m³, con una superficie uniforme y agregados cristalinos con distribución organizada, sin apariencia de desgaste y baja porosidad, aquellas que mostraron una absorción entre 7,44% y 12,57 % y densidad entre 3700 Kg/m³ y 3950 Kg/m³, presentan gran heterogeneidad en la distribución de los materiales, además presencia de cavidades y porosidad, siendo su patología más severa. Los valores de resistencia a la flexión estimada de las muestras estuvieron entre 5.1 y 6.1 Mpa mostrando que cumplen con las especificaciones para su uso en zonas sometidas a grandes cargas de tránsito pesado como puertos, aeropuertos, patios de maniobras en zonas industriales, terminales de autobuses, calles o avenidas principales¹⁵.

CONCLUSIONES

Se puede concluir que el problema patológico de las losas de pavimento en el tramo de estudio, no es sólo de tipo superficial (Pulimiento y desintegración), sino que posee componentes de tipo estructural como porosidad y heterogeneidad de la mezcla, lo cual la hace susceptible a los factores externos tales como la sedimentación de material arenoso, la filtración y la escorrentía aceleren su deterioro. El diseño de las mezclas para hormigones para emplear en el pavimento de transito vehicular, debe hacerse teniendo en cuenta los factores medioambientales salinos. Los distintos materiales deben dosificarse para producir una mezcla con la resistencia a la flexión fijada para ambientes marinos. Debe emplearse materia prima con una composición más rica en sílice con depósitos carbonaceos jóvenes, con alto grado de microporosidad, debe seleccionarse una materia prima de mejor calidad que pueda durar y no alterarse con las tasas de evaporación y humedad altas y considerar la presencia de aditivos para controlar la agresividad por cloruros. Para las placas con mayor grado de daño, se requiere el decapado, reparcheo con una profundidad mayor de 10 cm.

AGRADECIMIENTOS

Ing. Carlos Jimeno Vaiverde Subgerencia de Planeación e Infraestructura, Barranquilla. Roy David Tatis agradece al Departamento de Ingeniería Civil por la beca pasantía para sus estudios de maestría en Química.

REFERENCIAS

¹ w. Chaleea, T. Sasakulb, p. Suwanmaneechotc, c. Jaturapitakkuld. utilization of rice husk-bark ash to improve the corrosion resistance of concrete under 5-year exposure in a marine environment. Cement and Concrete Composites 37, (2013), p 47-53

² A. Lindvall. L.o. Nilsson Studies on the effect OS secondary materials on chloride ingress', in Proceeding of workshop on durability of exposed concrete containing secondary cementations Materials. November 21-23, 2001 Hirtshals, Denmark, The Nordic concrete .Federation , (2001) p.159-178

³ M.F Ashby, R.H Jones, Enginerring materials 2. An Introduction to microstructure, processing and desing ,Pergamon Press (1986).

⁴ G.R. Meira, I.J Padaratz. A. Andrade. Effect of distance from the sea on chloride aggressiveness in concrete structures in Brazilian coastal site. Mater de Constr, 53 ,271­272 (2003) p.179-88

⁵ s. Feliu, M.Morcillo, в. Chico. Effect of distance from sea on atmospheric corrosion rate, NACE, 55(9)( 1999) p.883-91

⁶ R.Tatis. A.L Barbosa. Enfoque químico del deterioro y biodeterioro de rocas calcáreas conformantes de monumentos patrimoniales de importancia histórica y cultural Revista Luna Azul 36 ,1 (2013) p.247 - 284

⁷ A. Miranda, M. Vertei, J. Cepeda. Caracterización físico-mecánica de agregados pétreos de la formación geológica Tolu viejo (Sucre) para producción de concreto Scientia et Technica 18, 2 ( 2013) p.429-436

⁸ J. Olusegun, o. Adeshola, o. Olanrewaju, C.Akintoye. Effect of potassium -chromate and sodium -nitrite on concrete steel -rebar degradation in sulphate and saline media Construction and Building Materials 50(2014) p.448-456.

⁹ R.M. Ferreira Probability based durability analysis of concrete structures in marine environment tesis University of Minho School of Engineering Departament of Civil Engineering (2004)

¹⁰ Plan de Manejo Ambiental del Departamento del Atlántico - Corporación Autónoma Regional del Atlántico - Base cartográfica IGAC. (2000).

¹¹ Duque-Caro, H. Los foraminíferos de la cuenca del Atrato y la evolución del Itsmo de Panamá, Colombia Pacífico Tomo I, Fondo FEN Colombia, p. Leyva (editor). Litografia Arco. Bogotá, (1993) p. 97 -110.

¹² Duque-Caro, H. Boletín Geológico Ingeominas. Bogotá, (1990).p.71

¹³ ACI Committee 201. Guide to durable concrete. ACI Manual of Concrete Practice: Part 1, Farmington Hills: American Concrete Institute, (2003)

¹⁴ C. Londono, J. Alvarez-Pabon. Manual de diseño de pavimentos de concreto: para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito Instituto Colombiano de Productores de Cemento. - Medellin: ICPC; (2008) p. 114

¹⁵ Norma técnica guatemalteca COGUANOR Comisión Guatemalteca de Normas Ministerio de Economía NTG 41086 Adoquines de concreto para pavimentos. Especificaciones (2012)