Estudio teórico-experimental sobre el deterioro en tableros de puentes de hormigón producido por la acción del hielo-deshielo con sales de fundentes

摘要

El deterioro del hormigón por ciclos de hielo-deshielo en presencia de sales fundentesudes causa frecuente de problemas en los puentes e infraestructuras existentes en losudpaíses europeos. Los daños producidos por los ciclos de hielo-deshielo en el hormigónudpueden ser internos, fundamentalmente la fisuración y/o externos como eluddescascarillamiento (desgaste superficial).udLa España peninsular presenta unas características geográficas y climáticas particulares.udEl 18% de la superficie tiene una altura superior a 1000mts y, además, la altura mediaudgeográfica con respecto al nivel del mar es de 660mts (siendo el segundo país másudmontañoso de toda Europa).Esto hace que la Red de Carreteras del Estado se veaudafectada, durante determinados periodos, por fenómenos meteorológicos adversos, enudparticular por nevadas y heladas, que pueden comprometer las condiciones de vialidadudpara la circulación de vehículos. Por este motivo la Dirección General de Carreterasudrealiza trabajos anualmente (campañas de vialidad invernal, de 6 meses de duración)udpara el mantenimiento de la vialidad de las carreteras cuando éstas se ven afectadas porudestos fenómenos. Existen protocolos y planes operativos que permiten sistematizarudestos trabajos de mantenimiento que, además, se han intensificado en los últimos 10udaños, y que se fundamentan en el empleo de sales fundentes, principalmente NaCl, conudla misión de que no haya placas de hielo, ni nieve, en las carreteras.udEn zonas de fuerte oscilación térmica, que con frecuencia en España se localizan en laudzona central del Pirineo, parte de la cornisa Cantábrica y Sistema Central, se producenudimportantes deterioros en las estructuras y paramentos de hormigón producidos por losudciclos de hielo- deshielo. Pero además el uso de fundentes de vialidad invernal acelerauden gran medida la evolución de estos daños.udLos tableros de hormigón de puentes de carretera de unos 40-50 años deudantigüedad carecen, en general, de un sistema de impermeabilización, y estánudformados frecuentemente por un firme de mezcla asfáltica, una emulsiónudadherente y el hormigón de la losa.udEn la presente tesis se realiza una investigación que pretende reproducir en laboratorioudlos procesos que tienen lugar en el hormigón de tableros de puentes existentes deudcarreteras, de unos 40-50 años de antigüedad, que están expuestos durante largos periodos a sales fundentes, con objeto de facilitar la vialidad invernal, y a cambiosuddrásticos de temperatura (hielo y deshielo).udPor ello se realizaron cuatro campañas de investigación, teniendo en cuenta que, si bienudnos basamos en la norma europea UNE-CEN/TS 12390-9 “Ensayos de hormigónudendurecido. Resistencia al hielo-deshielo. Pérdida de masa”, se fabricaron probetasudno estandarizadas para este ensayo, pensado en realidad para determinar la afecciónudde los ciclos únicamente a la pérdida de masa. Las dimensiones de las probetas enudnuestro caso fueron 150x300 mm, 75 x 150mm (cilíndricas normalizadas para roturas audcompresión según la norma UNE-EN 12390-3) y 286x76x76 (prismáticas normalizadasudpara estudiar cambio de volumen según la norma ASTM C157), lo cual nos permitióudrealizar sobre las mismas probetas más ensayos, según se presentan en la tesis y, sobreudtodo, poder comparar los resultados con probetas extraídas de dimensiones similares enudpuentes existentes.udEn la primera campaña, por aplicación de la citada norma, se realizaron ciclos de H/D,udcon y sin contacto con sales de deshielo (NaCl en disolución del 3% según estableceuddicha norma). El hormigón fabricado en laboratorio, tratando de simular el de losas deudtableros de puentes antiguos, presentó una fc de 22,6 MPa y relación agua/cemento deud0,65. Las probetas de hormigón fabricadas se sometieron a ciclos agresivos deudhielo/deshielo (H/D), empleando una temperatura máxima de +20ºC y una temperaturaudmínima de -20ºC al objeto de poder determinar la sensibilidad de este ensayo tanto aludtipo de hormigón elaborado como al tipo de probeta fabricado (cilíndrica y prismática).udEsta campaña tuvo una segunda fase para profundizar más en el comportamiento de lasudprobetas sometidas a ciclos H/D en presencia de sales.udEn la segunda campaña, realizada sobre probetas de hormigón fabricadas en laboratorioudiguales a las anteriores, la temperaturas mínima del ensayo se subió a -14ºC, lo que nosudpermitió analizar el proceso de deterioro con más detalle. (Realizando una serie deudensayos de caracterización no destructivos y otros destructivos, y validando suudaplicación a la detección de los deterioros causados tras los ensayos acelerados de hielodeshielo.udTambién mediante aplicación de técnicas de microscopía electrónica.)udLa tercera campaña, se realizó sobre probetas de hormigón de laboratorio similares a lasudanteriores, fc de 29,3Mpa y relación a/c de 0,65, en las que se aplicó en una cara unudrevestimiento asfáltico de 2-4cms, según fueran prismáticas y cilíndricasudrespectivamente, compuesto por una mezcla asfáltica real (AC16), sobre unaudimprimación bituminosa. (Para simular el nivel de impermeabilización que produce un firme sobre el tablero de un puente)udLa cuarta campaña, se desarrolló tras una cuidadosa selección de dos puentes deudhormigón de 40-50 años de antigüedad, expuestos y sensibles a deterioros de hielodeshielo,udy en carreteras con aportación de fundentes. Una vez esto se extrajeronudtestigos de hormigón de zonas sanas (nervios del tablero), para realizar en laboratorioudlos mismos ensayos acelerados de hielo-deshielo y de caracterización, de la segundaudcampaña, basados en la misma norma.udDe los resultados obtenidos se concluye que cuando se emplean sales fundentes seudacelera de forma significativa el deterioro, aumentando tanto el contenido de agua en losudporos como el gradiente generado (mecanismo de deterioro físico). Las sales deuddeshielo aceleran claramente la aparición del daño, que se incrementa incluso en unudfactor de 5 según se constata en esta investigación para los hormigones ensayados.udPero además se produce un gradiente de cloruros que se ha detectado tanto en losudhormigones diseñados en laboratorio como en los extraídos de puentes existentes. Enudcasi todos los casos han aparecido cambios en la microestructura de la pasta de cementoud(mecanismo de deterioro químico), confirmándose la formación de un compuesto enudel gel CSH de la pasta de cemento, del tipo Ca2SiO3Cl2, que posiblemente estáudcontribuyendo a la alteración de la pasta y a la aceleración de los daños en presencia deudsales fundentes. Existe un periodo entre la aparición de fisuración y la pérdida de masa.udLas fisuras progresan rápidamente desde la interfase de los áridos más pequeños yudangulosos, facilitando así el deterioro del hormigón. Se puede deducir así que el tipo deudárido afecta al deterioro.udEn el caso de los testigos con recubrimiento asfáltico, parece haberse demostrado que laudprecipitación de sales genera tensiones en las zonas de hormigón cercanas aludrecubrimiento, que terminan por fisurar el material. Y se constata que el mecanimo deuddeterioro químico, probablemente tenga más repercusión que el físico, por cuanto eludrecubrimiento asfáltico es capaz de retener suficiente agua, como para que el gradienteudde contenido de agua en el hormigón sea mucho menor que sin el recubrimiento. Seudconstató, sin embargo, la importancia del gradiente de cloruros en el hormigon. Por loudque se deduce que si bien el recubrimiento asfáltico es ciertamente protector frente a losudciclos H/D, su protección disminuye en presencia de sales; es decir, los clorurosudacabarán afectando al hormigón del tablero del puente.udFinalmente, entre los hormigones recientes y los antiguos extraídos de puentes reales, se observa que existen diferencias significativas en cuanto a la resistencia a los ciclos H/Dudentre ellos. Los hormigones más recientes resultan, a igualdad de propiedades, másudresistentes tanto a ciclos de H/D en agua como en sales. Posiblemente el hecho deudque los hormigones de los puentes hayan estado expuestos a condiciones deudtemperaturas extremas durante largos periodos de tiempo les ha sensibilizado.udLa tesis realizada, junto con nuevos contrastes que se realicen en el futuro, nos permitiráudimplementar una metodología basada en la extracción de testigos de tableros de puenteudreales para someterlos a ensayos de hielo-deshielo, basados en la norma europea UNECEN/udTS 12390-9 aunque con probetas no normalizadas para el mismo, y, a su vez,udrealizar sobre estas probetas otros ensayos de caracterización destructivos, queudposibilitarán evaluar los daños ocasionados por este fenómeno y su evolución temporal,udpara actuar consecuentemente priorizando intervenciones de impermeabilización yudreparación en el parque de puentes de la RCE.udIncluso será posible la elaboración de mapas de riesgo, en función de las zonas deudclimatología más desfavorable y de los tratamientos de vialidad invernal que se lleven audcabo. Concrete damage by freeze-thaw cycles in the presence of melting salts frequentlyudcauses problems on bridges and infrastructures in European countries. Damage causedudby freeze-thaw cycles in the concrete can be internal, essentially cracking and / orudexternal as flaking (surface weathering due to environmental action).udThe peninsular Spain presents specific climatic and geographical characteristics. 18% ofudthe surface has a height greater than 1,000 m and the geographical average height fromudthe sea level is 660 m (being the second most mountainous country in Europe). Thisudmakes the National Road Network affected during certain periods due to adverseudweather, particularly snow and ice, which can compromise road conditions for vehicularudtraffic. For this reason the National Road Authority performs works annually (WinterudRoad Campaign, along 6 months) to maintain the viability of the roads when they areudaffected by these phenomena. There are protocols and operational plans that allowudsystematize these maintenance jobs, that also have intensified in the last 10 years, andudwhich are based on the use of deicing salts, mainly NaCl, with the mission that no iceudsheets, or snow appear on the roads.udIn areas of strong thermal cycling, which in Spain are located in the central area of theudPyrenees, part of the Cantabrian coast and Central System, significant deterioration takeudplace in the structures and wall surfaces of concrete due to freeze-thaw. But also the useudof deicing salts for winter maintenance greatly accelerated the development of suchuddamages.udThe concrete decks for road bridges about 40-50 years old, lack generally audwaterproofing system, and are often formed by a pavement of asphalt, an adhesiveudemulsion and concrete slab.udIn this thesis the research going on aims to reproduce in the laboratory the processesudtaking place in the concrete of an existing deck at road bridges, about 40-50 years old,udthey are exposed for long periods to icing salt, to be performed in order to facilitateudwinter maintenance, and drastic temperature changes (freezing and thawing).udTherefore four campaigns of research were conducted, considering that while we rely on the European standard UNE-CEN/TS 12390-9 "Testing hardened concrete. Freezethawudresistance. Mass loss", nonstandard specimens were fabricated for this test,udactually conceived to determine the affection of the cycles only to the mass loss.udDimensions of the samples were in our case 150x300 mm, 75 x 150mm (standardudcylindrical specimens for compression fractures UNE-EN 12390-3) and 286x76x76ud(standard prismatic specimens to study volume change ASTM C157), which allowed usudto carry on same samples more trials, as presented in the thesis, and especially toudcompare the results with similar sized samples taken from real bridges.udIn the first campaign, by application of that European standard, freeze-thaw cycles, withudand without contact with deicing salt (NaCl 3% solution in compliance with suchudstandard) were performed. Concrete made in the laboratory, trying to simulate the oldudbridges, provided a compressive strength of 22.6 MPa and water/cement ratio of 0.65.udIn this activity, the concrete specimens produced were subjected to aggressiveudfreeze/thaw using a maximum temperature of +20ºC and a minimum temperature of -ud20°C in order to be able to determine the sensitivity of this test to the concrete andudspecimens fabricated. This campaign had a second phase to go deeper into the behaviorudof the specimens subjected to cycled freeze/thaw in the presence of salts.udIn the second campaign, conducted on similar concrete specimens manufactured inudlaboratory, temperatures of +20ºC and -14ºC were used in the tests, which allowed us toudanalyze the deterioration process in more detail (performing a series of non-destructiveudtesting and other destructive characterization, validating its application to the detectionudof the damage caused after the accelerated freeze-thaw tests, and also by applyingudelectron microscopy techniques).udThe third campaign was conducted on concrete specimens similar to the aboveudmanufactured in laboratory, both cylindrical and prismatic, which was applied on oneudside a 4 cm asphalt coating, consisting of a real asphalt mixture, on a bituminous primerud(for simulate the level of waterproofing that produces a pavement on the bridge deck).udThe fourth campaign was developed after careful selection of two concrete bridges 40-ud50 years old, exposed and sensitive to freeze-thaw damage, in roads with input ofudmelting salts. Concrete cores were extracted from healthy areas, for the sameudaccelerated laboratory freeze-thaw testing and characterization made for the secondudcampaign, based on the same standard.udFrom the results obtained it is concluded that when melting salts are employeduddeterioration accelerates significantly, thus increasing the water content in the pores, as the gradient. Besides, chloride gradient was detected both in the concrete designed inudthe laboratory and in the extracted in existing bridges. In all cases there have beenudchanges in the microstructure of the cement paste, confirming the formation of audcompound gel CSH of the cement paste, Ca2SiO3Cl2 type, which is possiblyudcontributing to impair the cement paste and accelerating the damage in the presence ofudmelting salts. The detailed study has demonstrated that the formation of newudcompounds can cause porosity at certain times of the cycles may decrease,udparadoxically, as the new compound fills the pores, although this phenomenon does notudstop the deterioration mechanism and impairments increase with the number of cycles.udThere is a period between the occurrence of cracking and mass loss. Cracks progressudrapidly from the interface of the smallest and angular aggregate, thus facilitating theuddeterioration of concrete. It can be deduced so the aggregate type affects theuddeterioration.udThe presence of melting salts in the system clearly accelerates the onset of damage,udwhich increases even by a factor of 5 as can be seen in this investigation for concreteudtested.udIn the case of specimens with asphalt coating, it seems to have demonstrated that theudprecipitation of salts generate tensions in the areas close to the concrete coating that endudup cracking the material. It follows that while the asphalt coating is certainly audprotection against the freeze/thaw cycles, this protection decreases in the presence ofudsalts; so the chlorides will finally affect the concrete bridge deck.udFinally, among the recent concrete specimens and the old ones extracted from realudbridges, it is observed that the mechanical strengths are very similar to each other, asudwell as the porosity values and the accumulation capacity after pore water saturation.udHowever, there are significant differences in resistance to freeze/thaw cycles betweenudthem. More recent concrete are at equal properties more resistant both cyclesudfreeze/thaw in water with or without salts. Possibly the fact that concrete bridges haveudbeen exposed to extreme temperatures for long periods of time has sensitized them.udThe study, along with new contrasts that occur in the future, allow us to implement audmethodology based on the extraction of cores from the deck of real bridges forudsubmission to freeze-thaw tests based on the European standard UNE-CEN/TS 12390-9udeven with non-standard specimens for it, and in turn, performed on these samples otheruddestructive characterization tests, which will enable to assess the damage caused by this phenomenon and its evolution, to act rightly prioritizing interventions improving theudwaterproofing and other repairs in the bridge stock of the National Road Network.udIt will even be possible to develop risk maps, depending on the worst weather areas andudwinter road treatments to be carried out.