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Metodología Rehabilitación de estructuras de concreto

Carlos Arcila LópezDuralab SAS

Rehabilitación de Estructuras

La rehabilitación de una estructura entraña casi siempre dificultades que no tiene la obra nueva.

Sacar de servicio una estructura para rehabilitarla constituye ya el primer problema!

Factores que gobiernan la durabilidad de las estructuras

Materiales

Diseño

Ejecución

MantenimientoProblemas congénitos

Rara vez se lleva a cabo en obras

de concreto

Miremos algunos casos de deterioro…

Edificio en ambiente marino Malecón de La Habana

Tanque agua potable en ambiente marino. Manaure.

Edificio en ambiente marino. Alcaldía de Manaure.

Edificio de apartamentos en ambiente marino. Cartagena.

Estructura en ambiente urbano. Manizales.

Puente en ambiente urbano. Bogotá.

Planta de tratamiento. Guayaquil.

Tanque de aguas residuales e industriales.

Duitama.

Ataque por sulfatos en la industria.

Falla de un pilote debida a deslizamiento. Manizales.

Filtración de aguas residuales en la industria petrolera.

Estructura afectada por fuego. Centro Comercial. Ocaña.

Tanques planta tratamiento. Bogotá.

Pilote socavado en muelle marítimo. Capurganá.

Defecto de diseño y construcción. Coliseo deportivo. Tunja.

Defectuosa colocación del concreto

Defectuosa colocación de tuberías. Coliseo deportivo. Tunja.

4 cm o 4 mm?

Muchos casos de deterioro, en cualquier ambiente, por defecto de recubrimiento

Esperar es la peor estrategia…y la más costosa!!!

Además de que existen numerosas causas de deterioro de las estructuras, incluida la vejez, algunos hechos complican aún más la situación en nuestro medio:

1. No existe cultura del mantenimiento de las estructuras.

2. Intervenimos cuando aparecen fisuras graves o desprendimientos.

Vector Technologies

3. Confundimos “rehabilitar” con “reparar”.

ReparacionesNuevas zonas a intervenir

4. Olvidamos proteger después de reparar.

5. Diseñamos pensando mucho más en la resistencia mecánica que en la resistencia al medio ambiente.

• Normativa carente de requisitos de durabilidad adecuados para nuestro medio.

• Los pocos requisitos de durabilidad son aplicables a otras latitudes (NSR-10)

• El cliente casi nunca habla de la vida útil requerida para la estructura

Metodología para la Rehabilitación

Evaluación estructural

Diagnóstico

Definición de los objetivos de rehabilitación

Definición de la estrategia de rehabilitación

Saneado

Reparación

Refuerzo

Protección

Especificaciones (S.R.R.P)

Programa de mantenimiento

preventivo y correctivo futuro

Intervención de la estructura Control de la aplicación

Control de recepción

El primer paso para lograr la rehabilitación exitosa de una estructura es identificar las causas del deterioro mediante la evaluación de la estructura por personal idóneo y bien equipado.

• Causas

• Magnitud

• Nivel del deterioro

• Urgencia de la rehabilitación

Diagnóstico causa, magnitud y nivel del daño

Diagnóstico

Evaluación

Una buena rehabilitación empieza con una buena evaluación!

Evaluación

Gran disponibilidad de ensayos actualmente en el país.

Dependen de:

Uso futuro de la estructura

Requerimientos dueño

Presupuesto

Factibilidad de rehabilitar

Definir objetivos de la rehabilitación

Importancia histórica

• Tipo e importancia de la estructura

• Tipo y ubicación de los elementos estructurales

• Tipo y programa de transmisión de cargas

• Posibilidad y consecuencia de fallas estructurales

• Plazo para efectuar la rehabilitación

• Lucro cesante

Factores a considerar para escoger la estrategia de rehabilitación

• Vida útil después de rehabilitada

• Costo/beneficio de las soluciones

REPARACION

REFORZAMIENTO

PROTECCION

SANEADO

Definir estrategia de la rehabilitación

Resultado: Especificaciones de la rehabilitación

Alguno de estos pasos podría no ser necesario!

Reforzamiento de una estructura nueva por problemas de resistencia, diseño o construcción.

Estrategia de Rehabilitación

Compresión

Flexión

Diagnóstico

• Acceso: fácil

• Reemplazo de hierro en la longitud corroída más traslapo

• Reparación con mortero acrílico fibrado y de baja contracción.

• Protección : Inhibidor en toda la losa

• Recubrimiento acrílico

• Complemento: gotero!

•Ataque: cloruros•Corrosión: 25 cm (humedad)

Rehabilitación

Balcones en medio marino

Evaluación

Muelle Sociedad Portuaria

Aumento carga: nueva grúa

pórtico

Diagnóstico

• Ataque: cloruros• Corrosión localizada :

cables pretensados!

Muelle Soc Portuaria

Rehabilitación

• Reparación zonas afectadas

• Control corrosión• Reforzamiento de la losa.

• Acceso: nivel del agua muy cerca de la estructura

• Reconstrucción vigas entre cajones

• Refuerzo de las vigas reparadas con bandas de fibras de carbono

• Reparación con mortero acrílico fibrado y de baja contracción.

• Protección : Inhibidor en toda la losa (aspersión por dentro de la losa)

• Recubrimiento epóxico para proteger la estructura rehabilitada

• Monitoreo de la solución

Rehabilitación

Especificaciones de Rehabilitación (S.R.R.P):

SANEADO (S)

CONCRETO REFUERZO

Sanear es retirar toda contaminación hasta que el material quede sano, resistente y la sección apta para ser reconstruida

Causas de la Corrosión del acero de refuerzo

Carbonatación o baja de pH

Corrientes eléctricas

Ataque por cloruros

Saneado del acero de refuerzo

SANEADO DEL ACERO (S)

El saneado del acero de refuerzo corroído, se hará cumpliendo especificaciones, generalmente Grado Comercial SSPC - SP5

Exponer la barra corroída en todo su perímetro.

Destapar por detrás de las barras 1 diámetro o como mínimo 2 cm.

Retirar toda traza de corrosión. Lavar con agua caliente para desincrustar cloruros

Limpieza con chorro de arena

El rebote limpia la barra por detrás!

SANEADO DEL ACERO (S)

Saneado del concreto

SANEADO DEL CONCRETO

La gente interpreta de diversas maneras las especificaciones de preparación de superficie, en especial cuando son laxas o incompletas!

• Tampoco hay acuerdo sobre los equipos y las técnicas para cumplir con las especificaciones.

Cómo enfrentar el problema?

PREPARACION DE LA SUPERFICIE

Las partes deben reunirse para definir:

• Grado de limpieza o perfil de anclaje requeridos

• Equipos a usar

• Programa de obra

PARA TRABAJOS EN INTERIORES O EN ESTRUCTURAS EN SERVICIO DURANTE LOS TRABAJOS ES IMPORTANTE DEFINIR:

• Nivel de ruido

• Nivel de polvo o humo

• Nivel de vibración aceptable en la estructura (esto ha motivado fallas)

• Cargas provenientes de equipos o medios de acceso a la estructura

El tiempo que se dedique a definir estas actividades no se desperdicia: evita sobrecostos y demoras futuros!

Lavado con jabones y cepillos?

Limpieza con grata metálica?

METODOS Y DISCUSION

CHORRO DE ARENA

No sirve para demoler.

Buena preparación de superficie, especialmente para la aplicación de recubrimientos protectores.

SANEADO DEL CONCRETO (S)

DEMOLICION Y REPICADO

• Martillo y cincel

• Buen perfil de anclaje

• Ausencia de fisuras

• Útil en trabajos menores

Método útil para el descascarado de un tanque por ejemplo, pero quizá el rendimiento sea bajo…

DEMOLICION Y REPICADO

DEMOLICION Y REPICADO • Con martillo percutor produce buen perfil de anclaje, pero puede causar microfracturas

Con bujarda menor daño

METODOS Y DISCUSION

DEMOLICION Y REPICADO • Existe un peso de taladro para cada tipo de aplicación, desde desbastado hasta demolición total.

METODOS Y DISCUSION

Método de preparación de superficie

Resistencia a la Tensión a 28 d

(p.s.i)

Resistencia al corte a 28 d

(p.s.i) CHORRO DE AGUA A ALTA PRESION 122 127

CHORRO DE ARENA 116 123

DEMOLICION O REPICADO 74 95

Proyecto Guri VenezuelaResultados Pruebas de Adherencia

CHORRO DE AGUA A ALTA PRESION

• Produce un buen perfil de anclaje sin afectar la base

• Rapidez

• Baja polución auditiva

CHORRO DE AGUA A PRESION

Presión < 3000 p.s.i

TRABAJO NORMAL

CHORRO DE AGUA A ALTA PRESION

Presión > 8000 p.s.i

TRABAJO PESADO

HIDRODEMOLICION

• Retira concreto y limpia acero simultáneamente

Presión > 40 MPa

MAQUINA DEMOLEDORA

Para grandes superficies horizontales

•Pavimentos

•Parqueaderos

Foto material Peter Emmons

HIDRODEMOLICION

• Produce un buen perfil de anclaje

• Alto Rendimiento

• No causa fisuras

Presión > 40 MPa

HIDRODEMOLICION

• Demolición rápida y limpia

Presión > 40 MPa

HIDRODEMOLICION Presión > 40 MPa

Preparación de grandes superficies para aplicar overlays

El Concrete Repair Manual del ICRI, incluye una tabla con nueve perfiles de rugosidad superficial para hacer fácil la especificación de preparación de superficie

PERFILES DE RUGOSIDAD

Métodos de preparación de superficie y las rugosidades que se obtienen (ICRI)

Lavado con agua a baja presión

Requerimientos de rugosidad dependiendo del tipo de material a aplicar a la estructura (ICRI)

• Importante determinar la profundidad afectada

• Tomar muestra de acero de refuerzo para ensayos e vs d

Reparación de estructuras afectadas por fuego

Reparaciones profundas

Hasta donde se obtenga una velocidad de pulso adecuada …

>3200 m/s

• Concreto deteriorado

por ataque de sulfatos

Ataque por sulfatos

Puede ser válido también el esquema anterior de investigación del espesor a demoler !

• Donde el concreto fue atacado por ácidos

Concreto atacado por àcidos

Espesor a retirar

Reparaciones superficiales

• Concreto contaminado con aceites

Contaminación con aceites y grasas

• Retirar el espesor afectado o colocar una sobrecapa

• Estructura atacada por cloruros de origen marino

Concreto contaminado con sales

➢ Definir el perfil de ingreso de cloruros mediante toma de muestras a varias profundidades

➢ Determinar el nivel de cloruro residual que se puede manejar

➢ Instalar ánodos de sacrificio o especificar un recubrimiento exterior que impida el ingreso de humedad y de paso la recarga de cloruros.

➢ Reparar el espesor retirado con mortero de alta calidad.

➢ Proteger el concreto

• Concreto carbonatado donde la corrosión es apenas incipiente o aún no ha comenzado.

Ya no hay que demoler...

Opciones:• Inhibidores de corrosión• Realcalinización• Protección contra entrada de

agua y de gases

• Concreto fisurado por falla del elemento estructural, cuando en opinión del ingeniero estructural no hay forma de reestablecer el monolitismo debe pensarse en demoler y reconstruir…

Agrietamiento estructural por sismo

“ Reparaciones superficiales”

“ Reparaciones profundas”

Tipos de reparaciones estructurales

Ejemplo

Retiro de un pañete impermeable que no adhirió al sustrato

• No hay problemas de calor de hidratación

• No requieren confinamiento con refuerzo

• Adherencia es vital

• Se fisuran fácilmente

• La contracción plástica es de mucha importancia

• No se requiere el apeo de cargas

• Pero es necesario analizar programa de demolición (alternar elementos, apuntalar mientras se demuele)

Espesor menor a 7

cmCaracterísticas

Metodología para la reparación

Peter Emmons

Metodología para la reparaciónPara reparar se debe abrir siempre una caja, evitando aristas vivas, ya que normalmente se fisuran y despegan

Metodología para la reparación

Mortero de reparación

Preparación de la zona a reparar con cortes rectos. El acero ha sido repasivado con un mortero anticorrosivo

CASO REAL

Limpieza de la estructura con chorro de agua a presión previa a la aplicación de un mortero de regularización.

Aplicación de un inhibidor de corrosión por impregnación

Aplicación de un mortero de regularización, barrera transitoria de vapor, antes de aplicar el recubrimiento

protector

El recubrimiento epóxico extiende la vida útil de servicio de la estructura

Aplicación de recubrimiento epóxico, libre de solventes, insensible a la humedad.APROBADO PARA CONTACTO CON AGUA POTABLE

Aspecto final de la estructura

La adherencia en labores de reparación

Un material adhiere a un sustrato de dos maneras:

• Por anclaje geométrico (rugosidad y entrecruzamiento de materiales)

• Por la capacidad de uno de los dos materiales de actuar como adherente (pegante)

Se espera, adicionalmente, que el sustrato esté limpio!

Penetración del material de reparación en el sustrato

Superficie “preparada” y mojada…que falló?

A veces el agua no pega!

Materiales de reparación

ESPESOR: 1-6 mm

Uso de revestimientos a aplicar con llana. (Espatulables).

Granulometría muy fina

Gran adherencia al sustrato

Impermeables

* Saturar previamente y Curar muy bien para evitar fisuras! Impermeabilización de tanques

y piscinas

Morteros Epoxi-Cemento

Tienen las características buenas del cemento y de los epóxicos.

Alta adherenciaResistencia al aguaResistencia al desgasteResistente al ataque químico

Funciona como revestimiento protectorIdeales para nivelar y reperfilar

Nivelación y relleno de poros superficiales

Barrera transitoria de vapor!

Morteros convencionales

• Baja resistencia inicial

• Baja resistencia final

• Propensos a agrietarse

• Baja adherencia al soporte

• Poca capacidad de protección

ESPESOR: 7 a 30 mm

• Aplicable a mano.

• Granulometría fina

• Gran adherencia al sustrato (autoimprimante)

• Impermeable

• Resistente a la abrasiónReparaciones de vigas y losas. Esquinas de columnas. Placas.Puede adicionarse con 30% de

grava para reparaciones >30 mm.

Mortero de reparación estructural

Morteros de reparación estructural

Gran desempeño a flexión!

Módulo de Rotura: 3 a 4 veces el de un concreto para

pavimentos

Las fibras controlan el agrietamiento en estado plástico, es decir antes de fraguar, cuando el mortero es más propenso

a fisurarse.

Morteros de reparación estructural

Reparación de pisos en bodegas industriales

Mortero lanzado o proyectado (Gunitas)

• Rápido Fraguado (minutos!)• Alta resistencia inicial y final• Gran adherencia al soporte• Facilidad de suspender y reanudar• Admiten fibras• Impermeables, densos y durables

No requiere formaleta!

Espesor hasta 15 cm en capas de 30 mm

A/C<0,40

“Reparaciones profundas”

Espesor mayor a 7 cm

Si hay que retirar esta zona:

•Fisuración excesiva

•Contaminación profunda con cloruros

mejor demoler el elemento!

Peter Emmons

En caso de que el núcleo presente:

•Contaminación profunda con cloruros

Aplicar una barrera epóxica para evitar su difusión hacia el material de reparación y la armadura nueva!

Peter Emmons

Cloruros

Espesor mayor a 7 cm• La contracción térmica inicial puede ser

importante

• Normalmente requieren refuerzo (confinamiento, control de cambios dimensionales)

• También pueden fisurarse!

• Contracción plástica importante en losas

• Asentamiento plástico debe controlarse

• Contracción de secado es muy importante

CaracterísticasReparaciones profundas

Espesor mayor a 7 cm• Transmisión de esfuerzos debe estudiarse

cuidadosamente

• Pueden requerir descargar el elemento (apeo de cargas)

• Apuntalamiento y seguridad en la obra ameritan un estudio adecuado

• Exige método de colocación de alto rendimiento (bombeo, proyectado)

• Permite agregar piedras de TMN 12-19 mm, disminuyendo costos y ayudando en el control de cambios dimensionales

Reparaciones profundasCaracterísticas

Contracción de secado

• Grietas por contracción de secado en recalces hechos con concreto convencional

Reparación profunda en viga

Peter Emmons

Materiales de Reparación Predosificados

ALTERNATIVAS DE MATERIALES PARA REPARACIONES PROFUNDAS

Concretos de alto desempeño

Concreto lanzado

Grouts sin contracción

Concretos sin contracción

Morteros o concretos con inhibidor

de corrosión

Características de un buen material de reparación

•Consistencia adaptada al uso•Fácil dosificación y mezclado•Fácil colocación•Adecuado tiempo manejabilidad•Resistencia inicial alta•Resistencia final adecuada•Módulo elástico similar soporte•Baja contracción (grietas)

Materiales de Reparación Predosificados

Ventajas :• Solución tradicional

Desventajas:• Control de retracción y

exudación dispendioso• No proporciona protección

contra daños latentes• Baja protección contra el ingreso

de sustancias agresivas

Recuperación de secciones con concreto convencional

Puede incrementarse su durabilidad con un recubrimiento resistente al ataque previsto

Recuperación de secciones

1. Concreto de baja contracción

2. (>15 d) Concreto o grout sin contracción

1. Concreto de baja contracción

2. Mortero de coinsistencia seca (Dry Pack)

Mortero de reparación (dry pack)

Recuperación de secciones

Grout sin retracción

Mortero predosificado, monocomponente, sin retracción.Se puede convertir en concreto muy fluido agregando grava 1/2”.Baja relación A/CDependiendo del sistema de colocación requiere o no imprimación

Reemplazo del concreto deteriorado

Grout sin retracción

Concreto autocompactante

Concreto que se compacta con muy poca o ninguna vibración externaRequiere un cuidadoso diseñoRequiere baja relación A/CRequiere buena cuantía de finos para evitar segregación

Concreto autocompactante (CAC)

Rehabilitación Puente Boquerón

Ejemplo real

Colocación CAC

Fácil la operación!

Obra terminada!

Reemplazo del concreto deterioradoColocación CAC

Protección del concreto reforzado

La estructura interna del concreto

Porosidad del concretoInfluencia de la relación agua/cemento en la permeabilidad del concreto

0,3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8a/c

Porosidad

Permeabilidad

Tratamientos protectores

MaterialTamaño en micras

x 10-3 FunciónAgua 0,5-0,7 ImpregnanteIsobutil silano 0,5-1 ImpregnanteSiloxano 3,5-4,5 Impregnante-RecubrimientoAcrílico en solución 30-35 RecubrimientoAcrílico en emulsión 50-100 Recubrimiento

Tamaño de la molécula de algunos materiales usados para imprimar materiales porosos

Poros en el concreto Micras x 10-3Gel 2,5-10Capilares 200-500Aire 0,01-0,2 mmFisuras >0,1 mm

La molécula de CO2 y de O2es mucho más pequeña que la del agua

Protección del concreto

El concreto en cierta forma aguanta muchos ataques!

Pero las condiciones en que se dan influyen mucho!

Planta de bombeo de agua negra, Rio Bogotá.

Ataque ácido generado por falta de ventilación!

PTAR de la industria

Aplicación de hidrófugos :

No controlan entrada de agua a presión,sales disueltas, ni CO2

Factores claves en la escogencia del recubrimiento

•Cubrimiento

•Estabilidad de color expuesto al medio ambiente

•Lenta degradación

•Puenteo de fisuras (deseable)

•Controle el paso de humedad

Una inadecuada preparación de superficie es la causa más frecuente de falla en la aplicación de recubrimientos protectores sobre el concreto

• Limpieza

• Perfil de anclaje

• Condiciones de humedad

Recubrimiento de baja calidad, poco resistente al ambiente agresivo

Aplicación de una barrera de CO2 a un puente en zona urbana, afectado por carbonatación, pero que no presenta aún corrosión

Puente Calle 26, Bogotá

Recubrimiento para el Control de la Carbonatación

Protección contra la carbonatación

Barrera de CO2

Impermeables al agua lluvia y barrera para el CO2

Gran resistencia al intemperismo

Recubrimiento acrílico elástico de altos sólidos.Capaz de puentear fisuras inactivas (hasta de 0,7 mm) y fisuras activas (hasta 0,4 mm).Alta durabilidad a la intemperie.Barrera de CO2.

Protección de fachadas de concreto, estructuras con concreto a la vista (puentes, silos, estadios, chimeneas.)

Protección contra la carbonatación

Impermeables al agua lluvia y barrera para el CO2

Puenteo de grietas

Planta Tratamiento Aguas Negras

Puenteo de fisuras

Recubrimiento

Concreto original

No se calcan!

Protección contra la carbonatación y el ingreso de humedad

Capacidad de un recubrimiento para evitar o frenar la penetración de agua y de gases

Factor μ = indica, para un mismo espesor de recubrimiento, cuántas veces más grande es la resistencia a la difusión de un gas.

Multiplicando el factor μ (adimensional) por el espesor del recubrimiento se encuentra el espesor de la capa de aire equivalente, que tendría que atravesar el CO2 para alcanzar el concreto.

La normativa europea considera que un recubrimiento protege de la carbonatación si su espesor equivale a 50 mde capa de aire

Protección contra la carbonatación y el ingreso de humedad

Capacidad de un recubrimiento para evitar o frenar la penetración de agua y de gases

Capas equivalentes de aire:Mortero: 0,03 m x 64 =1,92 m < 50 m recomendadoBarniz acrílico: 0,000060 m x 3,4.106 = 204 m > 50 m recomendado

Valores del factor μ de algunos recubrimientos y materiales

Material μCO2 μH2ORevoque de mortero de cemento 64 15Placa de fibrocemento 500 50Pintura mate de polimeros acrílicos en dispersión 1,4.105 290Barnizmate de polimeros acrílicos en dispersión 3,4.106 3500Esmalte de poliuretano de 2 componentes 21,0.106 12850Esmalte Epóxico de 2 componentes 17,0.106 135000Revestimiento epoxi 2 componentes 100% sólidos 17,0.106 168000

Tomado de “Protección y Reparación de estructuras de Hormigón” de Manuel Carbonell Masy

Recubrimientos epóxicos

Impermeables al agua, incluso a presión, a los

agresores disueltos y al CO2

Forman barrera de vapor!

Tanque agua potable de Aguas de Manizales

Recubrimientos epóxicos

Impermeables al agua, incluso a presión, a los

agresores disueltos y al CO2

Muelle Costa Atántica

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