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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL AVANCE DE LA CARBONATACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO EN AMBIENTE NATURAL Y ACELERADO

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STUDY OF CARBONATION BEHAVIOR IN REINFORCED CONCRETE IN NATURAL AND ACCELERATED CONDITIONS ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL AVANCE DE LA CARBONATACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO EN AMBIENTE NATURAL Y ACELERADO Aldo R. Campos Silva1, G. Fajardo2, J. M. Mendoza-Rangel2 Reception: 29 de abril de 2015

Approval: 12 de agosto de 2016

Publication: 30 de octubre de 2016

ABSTRACT Background: The durability of reinforced concrete structures can be affected by corrosion of reinforcing steel due to carbonation. Under the assumption that the concrete will have a behavior equivalent in situ, an index of durability can be obtained when the concrete is exposed to accelerated carbonation tests. The aim of the present work was establish a reliable prediction from correlations between tests of carbonation of concrete exposed to accelerated and natural environments. Methods: Prismatic concrete specimens 50 x 50 x 250 mm elaborated with two types of cement OPC and PCC (respectively, ordinary Portland cement and Portland cement composite) and three different water/cement ratios (0.6, 0.7 and 0.8) were tested. A set of specimens were exposed to accelerated carbonation in an environment of 3, 4, 5 or 6% CO2 and 50 - 60% RH at 30 °C. Another set were exposed in two urban areas in the metropolitan area of Monterrey. The carbonation progress was monitored regularly in every environment of exposure and then was compared with predictions obtained from the results of the accelerated environment. Results: All specimens analyzed in this research showed a greater depth of carbonation, compared with predictions suggested in the scientific literature, so the application of the equation based on the square root of time should be reviewed, the phenomenon of carbonation is a more complex process than could be described by this method. Conclusions: The results showed a good correlation to the prediction based on a linear trend carbonation progress from accelerated tests. Keywords: concrete, steel, corrosion, carbonation, durability. 1 Universidad Autónoma de Nuevo León, UANL, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Av. Universidad S/N, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L. C.P. 66455, México, Tel. (81) 8346-3197, [email protected] 2 Universidad Autónoma de Nuevo León, UANL, Facultad de Ingeniería Civil, Av. Universidad S/N, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L. C.P. 66455, México, Tel. (81) 8329-4000 Ext. 7282, [email protected]; [email protected]

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RESUMEN Antecedentes: La durabilidad de las estructuras de concreto reforzado puede ser afectada por la corrosión del acero de refuerzo debido a la carbonatación. Bajo la hipótesis que el concreto seguirá un desempeño equivalente in situ, un índice de durabilidad puede ser obtenido cuando el concreto se somete a pruebas aceleradas de carbonatación. Este trabajo tuvo por objetivo establecer una predicción confiable a partir de correlaciones entre las pruebas de carbonatación de concretos expuestos en ambientes acelerados y naturales. Métodos: Especímenes prismáticos de concreto de 50 x 50 x 250 mm elaborados con dos tipos de cemento CPO y CPC (respectivamente, cemento portland ordinario y cemento portland compuesto) y tres distintas relaciones a/c (0.6, 0.7 y 0.8) fueron analizados. Una serie de especímenes fueron sometidos a carbonatación acelerada en una at- mósfera de 3, 4, 5 o 6 % de CO2 y 50 – 60% de RH a 30°C. Otra serie fueron expuestos en dos zonas urbanas dentro del área metropolitana de Monterrey. El avance de la carbonatación fue monitoreado regularmente en todos los ambientes de exposición y fue comparado con las predicciones obtenidas a partir de los datos del ambiente acelerado. Resultados: Todos los especímenes mostraron una mayor profundidad de carbonatación, en comparación con las predicciones sugeridas en la literatura científica, por lo cual la aplicación de la ecuación basada en la raíz cuadrada del tiempo debe revisarse, el fenómeno de carbonatación es un proceso más complejo que el que pudiese describirse mediante este método. Conclusiones: Los resultados mostraron que existe una alta correlación para la predicción basada en una tendencia lineal del avance de carbonatación a partir de pruebas aceleradas. Palabras clave: concreto, acero, corrosión, carbonatación, durabilidad. 1. INTRODUCTION Carbonation is a natural phenomenon that occurs spontaneously in thousands of concrete structures in the world. In concrete that does not contain reinforcing steel, it is a process with few consequences. However, in concrete reinforced with steel rods, this seemingly innocuous chemical process progresses slowly and progressively into the exposed surface of the concrete, and assails the reinforcing steel causing corrosion (Parrot et al, 1987). Carbonation is a chemical reaction that occurs between portlandite (Ca (OH) 2) and atmospheric carbon dioxide (CO2) (Neville et al, 1993). Portlandite is present as a product of the hydration of Portland cement (CP) components such as tricalcium silicate (C3 S) and dicalcium silicate (C2S) (Neville et al, 2007). This reaction can be written in a simplified way like: 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) → 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐻2𝑂

(1)

The carbonation lowers the pH of the concrete of values higher than 12.5 (typical of healthy concrete or recently made) to values between 8 and 9 units (Moreno et al., 1999). Once the pH has decreased, the environment surrounding the steel reinforcement loses its protective properties (passive oxide layer), and steel corrosion is triggered (Moreno et al., 2000). In non-marine tropical environments, the carbonation of concrete is the main corrosion mechanism in reinforced concrete (Serrano et al., 2006).

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The main compounds of CP without hydration are the oxides: calcium (CaO), silica (SiO2), alumina (Al2O3) and iron (Fe2 O3) (Moreno et al., 2000). These compounds vary widely and when the proportion of CaO decreases in the CP, produces consequently that the Ca (OH) 2, which is formed as a product of the hydration of CaO also decreases (Montemor et al., 2002). In the concretes made with CP, only the carbonation of Ca (OH) 2 matters. However, when Ca (OH) 2 becomes consumed, carbonation of hydrated calcium silicate, C-S-H, is also possible (Neville et al., 2007). It has been found, the existence of a greater depth of carbonation when the amount of Ca (OH) 2 is lower (Bier et al., 1987). In addition, the researchers conclude that there is a relationship between the depth of carbonation and the cement content. The depth of carbonation increases as the cement content decreases (Moreno et al., 2004) (Figure 1). This acquires greater importance, because the

concrete can be manufactured using a wide range of contents of CP, in addition to the use of supplementary materials in addition or replacement of the CP. Figure 1: Relationship between carbonation depth and exposure time, for different cement contents per kg / m3 (Uller et al., 1998, Moreno et al., 2004)

The air conditioning ratio determines the porosity of the hardened cement paste at any stage of hydration. Thus, the ratio a / c and the degree of compaction affect the volume of voids in the concrete, and therefore the volume of concrete air (Neville et al., 2007). Several researchers have described the effect of the ratio a / c on concrete and concluded that the ratio a / c was the main parameter influencing the progress of carbonation in concrete (Haque et al., 1996). ). In Figure 2, you can see this behavior.

Figure 2: Relationship between the carbonation depth with the exposure time, for different a / c ratios (Uller et al., 1998, Moreno et al., 2004)

The relative humidity (RH) is an important factor for the progression of carbonation, faster in the range of 50 - 70% (Tuutti et al., 1982), at low humidity there is not enough water in the pores of the concrete so that the carbon dioxide dissolves and at high humidity, the pores become blocked and

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prevent the entry of carbon dioxide. In Table 1, the values that favor the advance of carbonation are shown.

Table 1: The effects of moisture content in the carbonation process (Tuutti et al., 1982). Relative humidity in % (H.R.)

Carbonation process

H.R. > 70 50 < H.R. <70 H.R. < 50

Avoid the entry of CO 2 Fast forward There is not enough water to dissolve the CO 2

The content of CO2 in the atmosphere depends largely on the economic-industrial activity that takes place in the area. There are large differences from an urban area to a rural area, with higher concentrations in the former. However, in order to initiate the phenomenon of carbonation of the concrete, a small concentration of CO2 is required, which is normally found in the atmosphere at an average concentration of 0.03% by volume (300 ppm) (Montani et al., 2000). The greatest depths of carbonation have been found in areas of higher CO2 concentration, as may be some urban and / or industrial areas (Khunthongkeaw et al., 2006). Several researchers have studied the process of carbonation of concrete and agree that it is a process that has good repeatability but low reproducibility (Sanjuán et al., 2003). In the literature, you can find studies that have tried to relate the advance of carbonation in natural conditions. Accelerated using different approaches. Sanjuán et al. (2003) have established a relationship obtained by monitoring the progress of carbonation in relatively short times and considering the natural environment as that of the laboratory. Khunthongkeaw et al. (2006) obtained an equation that allows estimating a prediction of the advance of natural carbonation using accelerated tests, considering environmental parameters. The study was carried out using concrete specimens with similar characteristics (ratio a / c and cement content), however, it lacks representativeness when having concrete with similar characteristics, which leads them to predict their prediction results using a single environmental parameter for all its concrete and that these have good reliability. Based on the above, in the present work a comparison of the advance of carbonation in natural and controlled environment was carried out in the laboratory using concrete specimens manufactured with three different a / c ratios. Different environments within the metropolitan area of Monterrey were considered incorporating some variations of the environmental conditions for each one of them. Because of this relationship, a prediction was obtained involving atmospheric factors from both environments. 2. EXPERIMENTAL PROCEDURE 2.1. THE CEMENT The investigation was carried out with two types of cement of greater commercial sale in our country. The first is an ordinary Portland cement that has a minimum nominal compressive strength at 28 days of 40 MPa (CPO 40) and the second is a composite Portland cement, which obtains a nominal minimum compressive strength at 3 days of 20 MPa and at 28 days of 30 MPa (CPC 30R). Both cements comply with the NMX-C-414-ONNCCE specification. In Table 2, the chemical composition of both cements is shown.

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Table 2: Chemical composition of the cements used Compound

Values obtained in%

CPO 40

CPC30R 2.88 3.30 62.43 60.20 2.90 1.55 1.10 1.50 0.33 0.33 0.13 0.33 25.68 21.30 1.55 8.20

Aluminum oxide, Al2O3 Calcium oxide, CaO Ferric Oxide, Fe2O3 Magnesium oxide, MgO Potassium Oxide, K2O Sodium oxide, Na2O Silicon dioxide, SiO2 Ignition loss

2.2. THE CHARACTERISTICS OF THE AGGREGATES The coarse aggregate used was a commercially available aggregate in the region with a maximum size of 3/8 ", being this one within the granulometric requirements of the ASTM C 33 Standard. As a fine aggregate, the material used was the so-called sand No. 4. 2.3. THE DESIGN OF THE CONCRETE MIXES 110 specimens of 50 x 50 x 250 mm concrete were made: 55 concrete specimens with CPC30R and 55 specimens with CPO 40. Regarding the ratio a / c, the most commonly used specimens were selected in the common structure. Ras, choosing 0.6, 0.7 and 0.8. These specimens were exposed to six different environments: four in the laboratory and two natives (representative of a metropolitan area in the northeast of the country). In Table 3, the proportion used in the design of the concrete of this investigation is shown. Table 4 presents the nomenclature used to identify the different concrete specimens. Table 3: Proportion of the mixtures used Type of concrete

Cement content, kg/m3

CPO 0.6 CPO 0.7 CPO 0.8 CPC 0.6 CPC 0.7 CPC 0.8

330 330 330

Water content as total water, l/m3 201.59 233.47 265.75

Thick aggregate, kg/m3 735.96 700.01 664.05

Fine aggregate, kg/m3 1112.50 1059.10 1005.30

330 330 330

201.05 232.05 265.39

738.16 702.91 666.92

1116.38 1063.16 1008.33

Table 4: Nomenclature of concrete specimens Name CPO 0.6 CPO 0.7 CPO 0.8 CPC 0.6 CPC 0.7 CPC 0.8

features Cement CPO 40 with relation a/c of 0.6 Cement CPO 40 with relation a/c of 0.7 Cement CPO 40 with relation a/c of 0.8 Cement CPC 30 R with relation a/c of 0.6 Cement CPC 30 R with relation a/c of 0.7 Cement CPC 30 R with relation a/c of 0.8

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2.4. PRE-CONDITIONING OF SPECIMENS The concrete mixtures were subjected to a standard wet cure in a room at 23 + 2 ° C, with a RH of 90 + 5% and for 28 days. The specimens were then placed inside an environmental chamber for 24h at 40 ° C in order to remove excess internal moisture from the specimens due to the curing process. 2.5. EXPOSURE TO ACCELERATED CARBONATION The specimens were placed in a Fisher brand carbonation chamber model ISOTEMP 40369. Four controlled environments were selected, among which only the CO2 concentration was varied by 3%, 4%, 5% and 6%. The HR inside the chamber was maintained in a range of 60-70% and a temperature of 30 ° C for each of the environments throughout the trial period. Some specimens of each type of concrete were regularly removed from the carbonation chamber in order to determine the depth of carbonation at 3, 7, 14 and 28 days.

Figure 3: Accelerated carbonation chamber 2.6. EXPOSURE TO NATURAL CARBONATION Another series of specimens made with similar concrete were exposed in two representative natural environments within the metropolitan area of Monterrey. The measurement of carbonation depth was made at 0, 95, 170, 246 and 270 days of exposure. With the data obtained, the projection was carried out 365 days. The following describes the natural exhibition sites: - North: The exhibition was held on the roof of the Civil Engineering Institute of the UANL (approximately 10 m high with respect to ground level), located in the municipality of San Nicolás de los Garza, Nuevo León, North of the metropolitan area of Monterrey.

Measurement area

Figure 4: North of the metropolitan area of Monterrey. Source: Google Earth

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- Center: The specimens of concrete were placed inside the facilities of the Integral System of Environmental Monitoring of Nuevo Leon (SIMA), an organization created to measure the meteorological conditions in the metropolitan area of Monterrey, choosing the "Obispado" station located in the center of Monterrey. The exhibition area is a residential area located on 5 de Mayo Street, next to Monterrey Water and Drainage Services, the important roads around the area are Venustiano Carranza Av. and George Washington Street.

Figure 5: Center of the metropolitan area of Monterrey. Source: Google Earth. 2.6.1. CHARACTERIZATION OF THE METEOROLOGICAL CONDITIONS In addition to the measurement of the carbonation depth carried out on the concrete specimens, specific measurements were made of the temperature (T + 0.5 ° C), the relative humidity (HR + 5%) and the concentration of CO2 ( +1 ppm) with the help of a portable thermo-hygrometer as a way of characterizing the meteorological conditions in the two selected exposure zones. These parameters were also measured in three other environments within the metropolitan area of Monterrey in order to determine the existing differences (microclimates). In addition, information on the weather conditions of the exhibition sites was requested, through the Integrated Environmental Monitoring System (SIMA-Nuevo León). The parameters were recorded and related to the progress of carbonation in concrete. With regard to the concentration of CO2, it is known that the existence of microclimates within the same metropolitan area has been a phenomenon discovered by several researchers (Moreno et al., 1999 and Yoon I. et al., 2007). For this reason, the information shown below represents different areas of our locality. The CO2 concentration measurements were obtained periodically at a rate of three times per week between 10:00 and 20:00 hours, in all exposure zones. The variations of the atmospheric conditions are implicit in the obtained data.

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Table 5: Characteristics of the measurement zones Zone North Center Habitable zone Simon Bolivar y Leones

Characteristics of the area Place located within the University city Of the UANL, surrounded by main avenues. Residential area surrounded by main avenues. Residential area surrounded by main avenues. Main avenues of the city of Monterrey.

Medical unit of the UANL Simon Bolivar y Madero

Place located within a residential area. Main avenues of the city of Monterrey.

7. FOLLOWING THE DEPTH OF CARBONATION To monitor the progress of carbonation, three replicas were used for each type of concrete (mixture) manufactured. In each replication, a concrete sample was obtained. For this purpose, a groove was first made in the periphery of the specimen at a distance of approximately 40 mm from one end of the specimen in order to guide the fracture. Subsequently, with the help of a chisel and hammer, it is struck on the periphery of the slot until the desired sample is obtained. Finally, proceed to spray on the surface of the sample with a solution of 1% phenolphthalein in ethyl alcohol. Phenolphthalein has a pH range of 8.2 to 10.0, being colorless below 8.2 and showing a strong pink color (fuchsia) above 10.0 pH units. Therefore, the phenolphthalein test only indicates when the concrete has a pH lower than 8.2 or greater than 10.0 (Moreno et al., 2006). The measurement was made as shown in Figure 6, obtaining an average thickness around the sample. Casting surface

C1

C3

C2

Figure 6: Carbonation depth measurement The average depth of carbonation for face 1 (C1), is obtained through the following equation 𝐶1 =

𝑑1+𝑑2+𝑑3+𝑑4 4

(2)

Where: C1 = Average carbonation depth for face 1. d1, d2, d3 and d4 = Point measurements of the carbonation depth. In the case of the depth of the faces C2 and C3, the same process as in Eq. 2, obtaining the average of the punctual measurements on each face.

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The carbonation depth of the specimen is obtained by equation 3. 𝑋=

𝑐1+𝑐2+𝑐3 3

(3)

Where: X = Average depth of carbonation. C1, C2 and C3 = Depth of average carbonation for the various faces of the specimen. 3. RESULTS 3.1 RESISTANCE TO COMPRESSION Four cylinders of 150x300 mm were used for each type of mixture, in order to obtain the compressive strength, according to ASTM C 192 Standard. Table 6 shows the results of compressive strength obtained at 28 days. For the different manufactured concrete. Table 6: Compression resistance at 28 days Name

Resistance to compression, kg/cm2

CPO 0.6

440

CPO 0.7

341

CPO 0.8

234

CPC 0.6

285

CPC 0.7

249

CPC 0.8

227

In general, the results show differences mainly attributable to the type of cement used (CPO and CPC) in the elaboration of the specimens. Indeed, as is known, these cements have a different chemical composition and mechanical strength. However, these differences allow the study to be extended since it is well known that carbonation is a diffusive process, that is, it depends on the degree of porosity and the interconnection of the pores. For its part, porosity is directly related to the resistance to compression of a concrete, so it is inferred the existence of a wide range of porosities is this research. 3.2. THE CONCENTRATION OF CO2, IN DIFFERENT ENVIRONMENTS In Fig. 7, the CO2 concentration measured in the different exposure environments is presented. It is noted that the concentration is greater in main avenues of the metropolitan area of Monterrey, where they reached on average values of 397 ppm. On the contrary, the lowest concentration values were obtained in the housing area, reaching an average of 291 ppm.

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Figure 7: Concentration of CO2, different environments The average CO2 concentration of the different environments contemplated was 341 ppm, which is represented in the graph with a horizontal line. 3.2.1. THE CONCENTRATION OF CO2 IN EXPOSURE ZONES Relating the prevailing environmental conditions to the carbonation process allows associating the causes that they affect the process with their advance. For this reason, special attention was paid to the concentration of CO2 prevalent in the exposure zones of concrete specimens. In Figure 8, the average concentrations per month in the North exposure zone are shown.

Figure 8: Concentration of CO2, North Zone The values obtained fluctuate from a minimum value of 262 ppm in the month of June 2011, to a maximum value of 372 ppm in the month of April of the same year. On average, a value of 312 ppm was obtained during the study period. However, these values remain below the world average and other values recorded in the literature, as is the case of Seoul in South Korea, where a maximum value of 430 ppm was registered in 1996 (www.me.go.kr, 1996).

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3.3. RELATIVE HUMIDITY In Figure 9 and 10, the average monthly RH values for the North and Center exposure zone are shown respectively. The information shown represents the values for the study period that correspond to each zone.

Figure 9: Average monthly relative humidity in the North exposure area The North exposure zone has a maximum value of 60.77% and a minimum value of 42.38% with a variation of 18.39%. On the other hand, in the Centro exhibition area, the specimens had a shorter exposure time, in which the variations between the maximum and minimum value were 13.8%. The variations of the North and Center Zones were not significant and all cases were found within or very close to the region, which indicates the optimum HR for the advancement of carbonation, at least for our exposure period.

Figure 10: Variation of the HR for the Center exposure area. Regarding the differences between the two exposure zones, we found an average divergence of 7.95%, with a higher HR in the Central zone of the Monterrey metropolitan area. The monthly RH values for the North zone were kept most of the time in the optimal range of 50-70% (Tuutti et al., 1982). For the Center area all, the values were maintained in the ideal range that favors the carbonation of the concrete. 3.4. TEMPERATURE In Figure 11 and 12, the Temperature values (average, maximum and minimum) are shown respectively for the North and Center exposure zone.

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Figure 11: Average monthly, minimum and maximum temperature in the North zone The average monthly temperature in the North zone has a minimum of 15.1 ° C and a maximum of 29.1 ° C, for which the difference is 14.0 ° C. With regard to the minimum temperature recorded was -4.7 ° C and the maximum temperature was 42.8 ° C, there being a variation of 47.5 ° C, at the time of exposure.

Figure 12: Average monthly, minimum and maximum temperature in the Center area. In the Central zone, the following values were recorded, with respect to the average temperature; the minimum presented a value of 22.5 ° C and the maximum a value of 28.7 ° C, there being a difference of 6.1 ° C. The registered values two minimums and maximums were 9.8 ° C to 42.2 ° C respectively, there being a difference between the two of 32.4 ° C. The difference between the two exposure zones at all average monthly temperatures was very similar, with the largest difference between them being 1.8 ° C for the maximum temperature for the same month of exposure. It is possible to verify that there are large variations in the temperature values in each zone, which makes it difficult to use a fixed value in order to relate the environmental values to predict the carbonation rate. 3.5. THE SPEED OF THE WIND In Figure 13 and 14, the wind speed values are shown respectively for the North and Center exposure zone.

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Figure 13: Wind speed in the North zone The average speed values fluctuate from a minimum of 5.19 km/h to a maximum value of 7.61 km/h.

Figure 14: Wind speed values are presented in the Central exhibition area For the Center area, the wind speed presented a minimum of 2.71 km / h and a maximum value of 7.59 km / h. The values of higher wind speed have been referenced by researchers such as (Moreno et al., 2009), who have found that where there are prevailing winds, the carbonation depth values have been higher. 3.6. THE DEPTH OF CARBONATION IN NATURAL CONDITIONS The progression of carbonation in concrete structures depends on several factors, among which are the environmental conditions that surround the structures. The depth of carbonation obtained in the concrete specimens exposed in the North and Center zones, shows the behavior of this phenomenon for the environmental conditions prevailing in these areas. Figure 15 shows the carbonation depth obtained at different times in the specimens exposed in the North zone.

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Figure 15: Depth of carbonation vs. time, in natural conditions, North Zone It is noted that the advance of carbonation presented a linear tendency for the different types of concrete used and for the periods of exposure included in this investigation. Table 7 shows the results of the carbonation depth obtained at different exposure times in the North zone (roof of the Civil Engineering Institute). Because the specimens from the Central zone could not be exposed at the same time as those from the North zone, the results were not adjusted to a linear prediction.

Table 7: Depth of carbonation in mm, for specimens located in the North and Center area North Zone Time (days) 170 270 365 Center area 168

CPO 0.6 1.9 3.2 4.5

CPO 0.7 2.2 3.5 4.8

2.4

2.4

Carbonation Depth , mm CPO 0.8 CPC 0.6 2.0 2.4 3.3 4.0 4.5 5.4 2.8

CPC 0.7 2.9 4.7 6.5

CPC 0.8 3.4 5.6 7.6

3.7

4.9

3.0

As expected, the depth of carbonation varied according to the compressive strength of the concretes. A difference of up to 41% less was found in a concrete with a compressive strength of 440 kg / cm2 (CPO 0.6) compared to a concrete CPC of 234 kg / cm2 (CPC 0.8). This is mainly because the concrete CPO 0.6 has a denser matrix compared to the concrete CPC 0.8, which makes it difficult for the diffusive process of the carbonation phenomenon to advance more quickly in the first. Regarding the environmental variables, those that presented the greatest difference compared between the two zones of exposure, were the HR and the wind speed, which led to a different carbonation advance for the same period of exposure between both areas. 3.6.1. THE DEPTH OF CARBONATION IN ACCELERATED CONDITIONS In Figure 16, the behavior obtained in the process of advancing carbonation for environments with a concentration 100 times higher than the average natural environment is presented.

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Figure 16: Depth of carbonation vs time, for an environment with a concentration of 3% CO2 It can be observed that the behavior is linear as in a natural environment, at least for the times foreseen in this investigation. 3.7. RELATIONSHIP BETWEEN THE ADVANCE OF CARBONATION IN NATURAL AND ACCELERATED ENVIRONMENT The search for a relationship that allows predicting the behavior of a specific concrete in natural conditions based on behavior in an accelerated environment has been the subject of several investigations. In order to provide experimental data to make a reliable prediction for at least the exposure times included in the investigation, a comparison of the progress of carbonation in the different media described here was carried out. Figure 17 shows the depth of carbonation obtained in natural environment (95, 170, 246, 270 and 365 days) with its corresponding in accelerated environments (28 days at a concentration of 3% CO2) for the same type of concrete (CPO cement and different a / c ratios of 0.6, 0.7 and 0.8).

Figure 17: Natural carbonation vs. accelerated carbonation for a concentration of 3% CO2, for specimens made with CPO cement (Ratio a / c of 0.6, 0.7 and 0.8)

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The linear behavior obtained under our experimental conditions demonstrates the influence of the environment and the period of exposure, the type of concrete affects discarding that the slope obtained. This is because each point represents an a /c relation (different resistance to compression) and the points fit within a linear trend. 3.8. PREDICTION OF THE DEPTH OF CARBONATION It has been determined by several authors that the carbonation rate varies according to the law of the square root of time, as indicated by the equation. 𝑋 = 𝐾 √t.

(4)

Where: X = depth of carbonation in mm for a time "t". K = It is a factor that groups parameters concerning the type of concrete and the climatological characteristics. t = exposure time. 3.8.1. PARAMETER A. This parameter is defined as the slope resulting from the relationship between the natural carbonation depths vs. the depth of accelerated carbonation. Which is dependent on environmental factors and exposure time. Some researchers have proposed this slope in the following way (Khunthongkeaw et al., 2006): A = m√t

(5)

A = is the relationship slope, dimensionless. m = Environmental factor, dimensionless. t = Time of exposure which varies at the root of time, dimensionless. In this investigation, it was ruled out that A had a variation of the form described above. Because accelerated and natural carbonation both showed a linear behavior, at least for the exposure times used in this investigation, due to this it is proposed that A, also has a linear behavior: A=mt

(6)

A = is the relationship slope, dimensionless. m = Environmental factor, dimensionless. t = Exposure time which varies in a linear, dimensionless way. Note: The values are dimensionless because they represent the relationship between an accelerated environment and a natural one of carbonation. 3.8.2. ENVIRONMENTAL FACTOR, M For this research, the use of an environmental factor m is proposed which establishes a relationship between the conditions natural and accelerated for similar specimens. Because the accelerated conditions are controlled, with the help of this factor it would be possible to determine qualitatively, if the environment becomes more aggressive, at least for specimens with similar type and content of cement. With the help of equation. 6, and knowing the value of parameter A and time t, we obtain a value that only represents the relationship between natural and accelerated environment (environmental factor m.). Parameter A is the slope of the accelerated vs. natural trial,

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Khunthongkeaw et al. (2006) proposes that this slope depends on the environment and the square root of the exposure time. In our case, we have used linear time because it represents the best fit for our exposure time. Table 8 shows the different environmental factors for the specimens made with CPO cement and CPC.

The environmental factor, m, establishes a relationship of a type of concrete exposed to carbonation under accelerated and natural conditions. For this reason, these values are comparable for similar types of concrete exposed in the same conditions established herein. 3.8.3. PREDICTION USING THE SQUARE ROOT OF TIME From the previous analysis, it was determined that the slope of relationship between natural and accelerated environments does not depend on the type of concrete; it is consequent to discard this parameter of the K factor proposed in the law of the square root of time. Therefore, the following equation is proposed (item 7) (Khunthongkeaw et al., 2006): X = Xa A √t

(7)

X = the depth of carbonation, in mm, for a time t, in years. Xa = the depth of carbonation, in mm, for an accelerated environment for a period of 28 days of exposure. A = is the relationship slope, which is dependent on environmental conditions. t = Time, in years, of exposure to the natural environment. 3.8.4. LINEAR PREDICTION Another equation is then formulated with the aim of representing the linear behavior present in the early stages of the carbonation process (nomenclature similar to Eq.7). X = Xα A t

(8)

3.9. VERIFICATION OF PREDICTION EQUATIONS Equations 7 and 8 were fed with the values of the carbonation depth obtained from the natural exposure tests. In Figures 18 and 19, we present the prediction of the carbonation depth obtained, respectively, for the equation based on the square root of time and linear behavior, for specimens made with CPO and CPC.

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Figure 18: Depth of carbonation obtained experimentally vs. the depth of prediction carbonation based on the root of time at a concentration of 3% CO2

Figure 19: Depth of carbonation obtained in test vs. carbonation depth of linear prediction at a concentration of 3% CO2 (CPC Ratio a / c 0.6, 0.7 and 0.8) It is verified that the prediction obtained with the equation based on the square root of time presented a greater dispersion resulting in a poor correlation compared with the prediction obtained with the equation based on the linear trend (Fig. 18). This behavior was presented for all exposure environments, which showed that the behavior generally accepted in the literature and based on the square root of time should be reviewed at least for short periods of exposure. The results obtained through the present investigation allow establishing that it is possible to predict with a high correlation the depth of natural carbonation from accelerated tests. However, this correlation can only be valid for the experimental conditions applied in this investigation. Therefore, it is considered important to expand the experimental matrix with a greater variety of types of concrete that allows having relations of the advance of carbonation with the exposure environment. 4. COMPARISON BETWEEN PREDICTIONS Table 9 shows the behavior of the coefficient K, of the manufactured concrete, calculated with the help of Eq. 4 (considering √t) for a CO2 concentration of 3% and at different exposure times in the accelerated medium. For comparison purposes, the results of the conversion of K average into the corresponding atmospheric coefficient (indicated as "Conversion" in Table 9) are also presented, using the equation proposed by Moreno et al. (1999).

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In general, very different values are found between both coefficients, which shows that the use of the law of the square root of time for our exposure times is not adequate. Table 10 presents the prediction of the carbonation depth obtained using the equation based on the square root of time (equation 4) and those proposed in this investigation (eq. 7 and 8). The values of the depth of carbonation obtained through the application of phenolphthalein (field test) are also reported. Table 10: Comparison of carbonation depth Natural Exposure Time Concrete Types

CPO 0.6

CPO 0.7

(days) 95 170 246 270 365 95 170 246 270 365

Field Trial

Prediction (eq. 4)

Prediction (eq.7)

Prediction lineal (eq. 8)

(mm) 0.6 1.3 3.4 3.3 *4.5 1.1 1.7 3.6 3.5 *4.8

(mm) 0.5 1.7 3.5 4.2 7.8 0.5 1.7 3.5 4.3 7.8

(mm) 1.7 2.2 2.7 2.8 3.2 1.9 2.6 3.1 3.3 3.8

(mm) 0.8 1.5 2.2 2.4 3.2 1 1.8 2.6 2.8 3.8

* Value calculated with the tendency of the carbonation depth (not experimental). The comparison between the predictions shows a better reliability of the linear prediction (Eq. 8) to represent the real values obtained by the carbonation test, than those using the predictions obtained by means of equations 4 and 7. A similar tendency was obtained with the other types of concrete analyzed. The prediction of the advance of carbonation through equation 4 has been used for many years. As is well known, this equation is based on the representation of the advance of carbonation by means of a purely diffusive process. In such a way that the coefficient K of said equation is a value that implicitly involves the exposure conditions and concrete properties over time, allowing a

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simplification of the prediction. However, it has made it difficult to understand the phenomenon because variations in exposure conditions in natural environments are unavoidable, as has been shown in this work (Fig. 17). Thus, the use of equations that allow making predictions that consider variations in exposure conditions become more relevant when considering the environmental scenarios foreseen by the IPCC (2007), which suggest important changes in the concentration of CO2, periods of rain and temperature. 4. CONCLUSIONS  It is possible to obtain acceptable relationships between the process of carbonation in a natural environment with an accelerated medium, for specimens made with similar content and type of cement.  The parameter A depends on the conditions and the exposure time of the specimens.  The prediction based on the linear trend presents a smaller dispersion and a greater correlation with the data of the experimental form in the comparison with the prediction based on the root of time. This applies at least to the periods of exposure, environment and types of concrete that concern this investigation.  The prediction was based on the root of the time; it was not reliable for our exposure periods (1 year). Its application is suggested for exposure times greater than 1 year. GRATEFULNESS To the memory of Dr. Eric Ivan Moreno (12 / February / 1963 - 06 / July / 2015), researcher and researcher, for his invaluable contribution to the knowledge of the phenomenon of carbonation in reinforced concrete structures and his tireless motivation for training of future researchers in our country. To the Secretary of Sustainable Development of the state government of N.L., for the use of facilities to place the samples in the SIMA monitoring station. To Dr. Gerardo Manuel Mejia Velázquez for the attention given to the realization of this investigation. Special thanks are given to the support granted for the development of this project CONACYT Basic Science CB-2007/82464 and PAICYT CA1499-07. Finally, I would like to graduate as SIMA and CONAGUA to have support in this project; it would not be possible at least in the terms in which it is written. REFERENCES Bier, Th. A., (1987), “Influence of type of cement and curing on carbonation progress and pore structure of hydrated cement paste”, Materials Research Society Symposium, 85, pp.385 -392. Haque, M. N., y H. Al-Khaiat, (1996), “Carbonation of concrete structures in hot dry coastal regions”, Cement and Concrete Composites, Vol. 19, No. 2, pp. 123-129. IPCC, (2007), Cambio climático 2007: “Informe de síntesis. Contribución de los Grupos de trabajo I, II y III al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático”, Directores: Pachauri, R.K. y A, Reisinger, IPCC, Ginebra, Suiza, pp. 104. Khunthongkeaw, J., S. Tangtermsirikul y T. Leelawat, (2006), “A study on carbonation depth prediction for fly ash concrete”, Construction and Building Materials, Vol. 9, No. 20, pp. 744-753. Montani, R., (2000), La carbonatación, enemigo olvidado del concreto, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C., Revista Construcción y Tecnología, IMCYC, diciembre, México. Montemor M.F., M. P. Cunha, M. G. Ferreira y A. M. Simoes, (2002), “Corrosion behavior of rebars in fly ash mortar exposed to carbon dioxide and chlorides”, Cement and Concrete Composites, Vol. 24, No. 1, pp. 45-53.

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STUDY OF CARBONATION BEHAVIOR IN REINFORCED CONCRETE IN NATURAL AND ACCELERATED CONDITIONS ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL AVANCE DE LA CARBONATACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO EN AMBIENTE NATURAL Y ACELERADO Aldo R. Campos Silva1, G. Fajardo2, J. M. Mendoza-Rangel2 Recepción: 29 de abril de 2015

Aprobación: 12 de agosto de 2016

Publicación: 30 de octubre de 2016

RESUMEN Antecedentes: La durabilidad de las estructuras de concreto reforzado puede ser afectada por la corrosión del acero de refuerzo debido a la carbonatación. Bajo la hipótesis que el concreto seguirá un desempeño equivalente in situ, un índice de durabilidad puede ser obtenido cuando el concreto se somete a pruebas aceleradas de carbonatación. Este trabajo tuvo por objetivo establecer una predicción confiable a partir de correlaciones entre las pruebas de carbonatación de concretos expuestos en ambientes acelerados y naturales. Métodos: Especímenes prismáticos de concreto de 50 x 50 x 250 mm elaborados con dos tipos de cemento CPO y CPC (respectivamente, cemento portland ordinario y cemento portland compuesto) y tres distintas relaciones a/c (0.6, 0.7 y 0.8) fueron analizados. Una serie de especímenes fueron sometidos a carbonatación acelerada en una at- mósfera de 3, 4, 5 o 6 % de CO2 y 50 – 60% de RH a 30°C. Otra serie fueron expuestos en dos zonas urbanas dentro del área metropolitana de Monterrey. El avance de la carbonatación fue monitoreado regularmente en todos los ambientes de exposición y fue comparado con las predicciones obtenidas a partir de los datos del ambiente acelerado. Resultados: Todos los especímenes mostraron una mayor profundidad de carbonatación, en comparación con las predicciones sugeridas en la literatura científica, por lo cual la aplicación de la ecuación basada en la raíz cuadrada del tiempo debe revisarse, el fenómeno de carbonatación es un proceso más complejo que el que pudiese describirse mediante este método. Conclusiones: Los resultados mostraron que existe una alta correlación para la predicción basada en una tendencia lineal del avance de carbonatación a partir de pruebas aceleradas. Palabras clave: concreto, acero, corrosión, carbonatación, durabilidad. 1 Universidad Autónoma de Nuevo León, UANL, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Av. Universidad S/N, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L. C.P. 66455, México, Tel. (81) 8346-3197, [email protected] 2 Universidad Autónoma de Nuevo León, UANL, Facultad de Ingeniería Civil, Av. Universidad S/N, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L. C.P. 66455, México, Tel. (81) 8329-4000 Ext. 7282, [email protected]; [email protected]

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ABSTRACT Background: The durability of reinforced concrete structures can be affected by corrosion of reinforcing steel due to carbonation. Under the assumption that the concrete will have a behavior equivalent in situ, an index of durability can be obtained when the concrete is exposed to accelerated carbonation tests. The aim of the present work was establish a reliable prediction from correlations between tests of carbonation of concrete exposed to accelerated and natural environments. Methods: Prismatic concrete specimens 50 x 50 x 250 mm elaborated with two types of cement OPC and PCC (respectively, ordinary Portland cement and Portland cement composite) and three different water/cement ratios (0.6, 0.7 and 0.8) were tested. A set of specimens were exposed to accelerated carbonation in an environment of 3, 4, 5 or 6% CO2 and 50 - 60% RH at 30 °C. Another set were exposed in two urban areas in the metropolitan area of Monterrey. The carbonation progress was monitored regularly in every environment of exposure and then was compared with predictions obtained from the results of the accelerated environment. Results: All specimens analyzed in this research showed a greater depth of carbonation, compared with predictions suggested in the scientific literature, so the application of the equation based on the square root of time should be reviewed, the phenomenon of carbonation is a more complex process than could be described by this method. Conclusions: The results showed a good correlation to the prediction based on a linear trend carbonation progress from accelerated tests. Keywords: concrete, steel, corrosion, carbonation, durability. 1. INTRODUCCIÓN La carbonatación es un fenómeno natural que ocurre espontáneamente en miles de estructuras de concreto en el mundo. En el concreto que no contiene acero de refuerzo se trata de un proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto reforzado con varillas de acero, este proceso químico aparentemente inocuo, avanza lenta y progresivamente hacia el interior de la superficie expuesta del concreto, y asalta al acero de refuerzo causando la corrosión (Parrot et al, 1987). La carbonatación es una reacción química la cual sucede entre la portlandita (Ca (OH)2) y el dióxido de carbono (CO2) atmosférico (Neville et al, 1993). La portlandita, está presente como producto de la hidratación de los componentes del cemento portland (CP) como el silicato tricálcico (C3S) y silicato dicálcico (C2S) (Neville et al, 2007). Esta reacción puede ser escrita de forma simplificada como: Ca (OH)2 (s) + CO2 (g) →CaCO3(s) + H2O

(1)

La carbonatación disminuye el pH del concreto de valores mayores a 12.5 (típico de concretos sanos o reciente- mente elaborados) a valores entre 8 y 9 unidades (Moreno et al., 1999). Una vez que el pH ha disminuido, el ambiente que rodea al refuerzo de acero pierde sus propiedades protectoras (capa de óxido pasivo), y se desencadena la corrosión del acero (Moreno et al., 2000). En ambientes tropicales no marinos, la carbonatación del concreto es el principal mecanismo de corrosión en concreto reforzado (Serrano et al., 2006).

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Los principales compuestos del CP sin hidratar son los óxidos: de calcio (CaO), sílice (SiO2), alúmina (Al2O3) y de fierro (Fe2O3) (Moreno et al., 2000). Dichos compuestos varían ampliamente y cuando la proporción de CaO decrece en el CP, produce como consecuencia que el Ca(OH)2, que se forma como producto de la hidratación del CaO también disminuya (Montemor et al., 2002). En los concretos realizados con CP, solamente importa la carbonatación del Ca (OH)2. Sin embargo, cuando el Ca(OH)2 llega a consumirse, la carbonatación del silicato cálcico hidratado, C–S–H, es también posible (Neville et al., 2007). Ha sido encontrada, la existencia de una mayor profundidad de carbonatación cuando la cantidad de Ca (OH)2 es menor (Bier et al., 1987). Además los investigadores concluyen que existe una relación entre la profundidad de carbonatación y el contenido de cemento. La profundidad de carbonatación aumenta conforme el contenido de cemento disminuye (Moreno et al., 2004) (Figura 1). Esto adquiere mayor importancia, debido a que el concreto se puede fabricar usando un rango amplio de contenidos de CP, además del uso de materiales suplementarios en adición o sustitución del CP.

Figura 1: Relación entre la profundidad de carbonatación con el tiempo de exposición, para diferentes contenidos de cemento por Kg/m3 (Uller et al., 1998; Moreno et al., 2004) La relación a/c determina la porosidad de la pasta de cemento endurecida en cualquier etapa de hidratación. Así, la relación a/c y el grado de compactación afectan al volumen de vacíos en el concreto, y por ende el volumen de aire del concreto (Neville et al., 2007). El efecto de la relación a/c en el concreto ha sido descrito por diversos investigadores los cuales concluyen, que la relación a/c es el principal parámetro que afecta el avance de la carbonatación en el concreto (Haque et al., 1996). En la Figura 2 se puede observar dicho comportamiento.

Figura 2: Relación entre la profundidad de carbonatación con el tiempo de exposición, para diferentes relaciones a/c (Uller et al., 1998; Moreno et al., 2004)

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La humedad relativa (HR) ambiental es un factor importante para la progresión de la carbonatación, con mayor rapidez en el intervalo de 50 - 70% (Tuutti et al., 1982), a bajas humedades no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelva el dióxido de carbono y en humedades altas, los poros se bloquean y evitan el ingreso del dióxido de carbono. En la Tabla 1, se muestran los valores que favorecen el avance de la carbonatación. Tabla 1: Los efectos del contenido de humedad en el proceso de carbonatación (Tuutti et al., 1982). Humedad Relativa en % (H.R.)

Proceso de Carbonatación

H.R. > 70 50 < H.R. <70 H.R. < 50

Evita el ingreso de CO 2 Avanza rápidamente No hay suficiente agua para que se disuelva el CO 2

El contenido de CO2 en la atmósfera, depende en gran medida de la actividad económico-industrial que se desarrolle en el lugar. Existen grandes diferencias de una zona urbana a una zona rural, siendo mayores las concentraciones en la primera. No obstante para que se inicie el fenómeno de carbonatación del concreto, se requiere una pequeña concentración de CO2, que normalmente se encuentra en la atmósfera en una concentración promedio de 0.03% en volumen (300 ppm) (Montani et al., 2000). Las mayores profundidades de carbonatación han sido encontradas en zonas de mayor concentración de CO2, como lo pueden ser algunas zonas urbanas y/o industriales (Khunthongkeaw et al., 2006). Varios investigadores han estudiado el proceso de carbonatación del concreto y coinciden en que se trata de un proceso que tiene buena repetitividad pero baja reproducibilidad (Sanjuán et al., 2003). En la literatura, se pueden encontrar estudios que han intentado relacionar el avance de la carbonatación en condiciones naturales vs. aceleradas utilizando diferentes enfoques. Sanjuán et al. (2003), han establecido una relación obtenida mediante el seguimiento del avance de la carbonatación en tiempos relativamente cortos y considerando el ambiente natural como aquel del laboratorio. Khunthongkeaw et al. (2006), obtuvieron una ecuación que permite estimar una predicción del avance de la carbonatación natural utilizando pruebas aceleradas, considerando parámetros ambientales. El estudio fue llevado a cabo utilizando especímenes de concreto con características similares (relación a/c y contenido de cemento) sin embargo carece de representatividad al tener concretos de características similares, lo cual les conduce a que sus resultados de predicción puedan ser calculados utilizando un solo parámetro ambiental para todos sus concretos y que estos tengan buena confiabilidad. Con base en lo anterior, en el presente trabajo se llevó a cabo una comparación del avance de la carbonatación en ambiente natural y contralado en el laboratorio utilizando especímenes de concreto fabricados con tres diferentes relaciones a/c. Diferentes ambientes dentro de la zona metropolitana de Monterrey fueron considerados incorporando algunas variaciones de las condiciones ambientales para cada una de ellas. Como resultado de esta relación, se obtuvo una predicción involucrando factores atmosféricos de ambos ambientes.

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2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 EL CEMENTO La investigación se realizó con dos tipos de cemento de mayor venta comercial en nuestro país. El primero es un cemento Portland ordinario que posee una resistencia a la compresión mínima nominal a los 28 días de 40 MPa (CPO40) y el segundo es un cemento portland compuesto, el cual obtiene una resistencia mínima nominal a la compresión a los 3 días de 20 MPa y a los 28 días de 30 MPa (CPC 30R). Ambos cementos cumplen con la especificación NMX-C-414-ONNCCE. En la Tabla 2, se muestra la composición química de ambos cementos. Tabla 2: Composición química de los cementos utilizados Compuesto

Valores obtenidos en %

CPO 40

CPC30R 2.88 3.30 62.43 60.20 2.90 1.55 1.10 1.50 0.33 0.33 0.13 0.33 25.68 21.30 1.55 8.20

Óxido de Aluminio, Al2O3 Óxido de Calcio, CaO Óxido Férrico, Fe2O3 Óxido de Magnesio, MgO Óxido de Potasio, K2O Óxido de Sodio, Na 2O Dióxido de Silicio, SiO2 Pérdida por ignición

2.2 LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS AGREGADOS El agregado grueso que se utilizó fue un agregado comercialmente disponible en la región con tamaño máximo de 3/8”, estando éste dentro de los requerimientos granulométricos de la Norma ASTM C 33. Como agregado fino el material utilizado fue la denominada arena No. 4. 2.3 EL DISEÑO DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO Se realizaron en total 110 especímenes de concreto de 50 x 50 x 250 mm: 55 especímenes de concreto con CPC30R y 55 especímenes con CPO 40. En cuanto a la relación a/c, se seleccionaron las más usadas en el común de las estructuras, eligiendo 0.6, 0.7 y 0.8. Estos especímenes fueron expuestos a 6 diferentes ambientes: 4 en laboratorio y 2 naturales (representativos de una zona metropolitana del noreste del país). En la tabla 3, se muestra el proporcionamiento utilizado en el diseño de los concretos de esta investigación. La tabla 4 presenta la nomenclatura usada para identificar a los diferentes especímenes de concreto. Tabla 3: Proporcionamiento de los mezclas utilizadas Tipo de concreto CPO 0.6 CPO 0.7 CPO 0.8

Contenido de cemento, kg/m3 330 330 330

Contenido de agua como agua total, l/m3 201.59 233.47 265.75

Agregado grueso, kg/m3 735.96 700.01 664.05

Agregado fino, kg/m3 1112.50 1059.10 1005.30

CPC 0.6 CPC 0.7 CPC 0.8

330 330 330

201.05 232.05 265.39

738.16 702.91 666.92

1116.38 1063.16 1008.33

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Tabla 4: Nomenclatura de los especímenes de concreto Nombre CPO 0.6 CPO 0.7 CPO 0.8 CPC 0.6 CPC 0.7 CPC 0.8

Características Cemento CPO 40 con relación a/c de 0.6 Cemento CPO 40 con relación a/c de 0.7 Cemento CPO 40 con relación a/c de 0.8 Cemento CPC 30 R con relación a/c de 0.6 Cemento CPC 30 R con relación a/c de 0.7 Cemento CPC 30 R con relación a/c de 0.8

2.4 PRE-ACONDICIONAMIENTO DE LOS ESPECÍMENES Las mezclas de concreto fueron sometidas a un curado estándar vía húmeda en un cuarto a 23+2 °C, con una HR de 90+5 % y durante 28 días. Después los especímenes fueron colocados dentro de una cámara ambiental durante 24h a 40 °C con la finalidad de retirar el exceso de humedad interna de los especímenes debido al proceso de curado. 2.5 LA EXPOSICIÓN A CARBONATACIÓN ACELERADA Los especímenes fueron colocados en una cámara de carbonatación marca Fisher modelo ISOTEMP 40369. Se seleccionaron cuatro ambientes controlados, entre los cuales solo se varió la concentración de CO2 en 3%, 4%, 5% y 6%. La HR en el interior de la cámara se mantuvo en un rango de 60 - 70% y una temperatura de 30°C para cada uno de los ambientes durante todo el periodo de prueba. Algunos especímenes de cada tipo de concreto fueron retirados regularmente de la cámara de carbonatación con el objetivo de determinar la profundidad de carbonatación a 3, 7, 14 y 28 días.

Figura 3: Cámara de carbonatación acelerada 2.6 LA EXPOSICIÓN A CARBONATACIÓN NATURAL Otra serie de especímenes elaborados con concretos similares fueron expuestos en dos ambientes naturales representativos dentro de la zona metropolitana de Monterrey. La medición de la profundidad de carbonatación se realizó a 0, 95, 170, 246 y 270 días de exposición. Con los datos obtenidos se realizó la proyección a 365 días. A continuación se describen los sitios de exposición natural: - Norte: La exposición se realizó en la azotea del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL (expuesto aproximadamente a 10 m de altura con respecto al nivel del suelo), ubicado en el municipio de San Nicolás de los Garza, Nuevo León, al Norte de la zona metropolitana de Monterrey.

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Figura 4: Norte de la zona metropolitana de Monterrey. Fuente: Google Earth - Centro: Los especímenes de concreto fueron colocados dentro de las instalaciones del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental de Nuevo León (SIMA), organismo creado para medir las condiciones meteorológicas en la zona metropolitana de Monterrey, eligiéndose la estación “Obispado” ubicada en el centro de Monterrey. La zona de exposición es un lugar residencial ubicado en la calle 5 de Mayo, a un costado de Servicios de Agua y Drenaje de Monterrey, las vialidades importantes alrededor de la zona son: Av. Venustiano Carranza y la calle George Washington.

Figura 5: Centro de la zona metropolitana de Monterrey. Fuente: Google Earth. 2.6.1. CARACTERIZACIÓN DE LAS CONDICIONES METEOROLÓGICAS Aunado a la medición de la profundidad de carbonatación llevada a cabo sobre los especímenes de concreto, se realizaron mediciones puntuales de la temperatura (T+0.5°C), la humedad relativa (HR+5%) y la concentración de CO2 (+1 ppm) con la ayuda de un termo-higrómetro portátil como una forma de caracterización de las condiciones meteorológicas en las dos zonas de exposición seleccionadas. Estos parámetros también fueron medidos en otros tres ambientes dentro de la zona metropolitana de Monterrey con la finalidad de determinar las diferencias existentes (microclimas). En complemento, se solicitó la información de las condiciones meteorológicas de los lugares de exposición, esto a través del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA-Nuevo León). Los

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parámetros fueron registrados y relacionados con el avance de la carbonatación en los concretos. En lo que respecta a la concentración de CO2 se sabe que la existencia de microclimas dentro de una misma zona metropolitana ha sido un fenómeno descubierto por varios investigadores (Moreno et al., 1999 y Yoon I. et al., 2007). Por tal motivo, la información que se muestra a continuación representa diferentes zonas de nuestra localidad. Las mediciones de concentración de CO2 fueron obtenidas periódicamente a razón de tres veces por semana entre las 10:00 y las 20:00 horas, en todas las zonas de exposición. Las variaciones de las condiciones atmosféricas se encuentran implícitas en los datos obtenidos. Tabla 5: Características de las zonas de medición Zona Norte Centro Zona habitacional Simón Bolívar y Leones Unidad médica de la UANL Simón Bolívar y Madero

Características de la zona Lugar ubicado dentro de la ciudad Universitaria de la UANL, rodeada de avenidas principales. Zona habitacional rodeada por avenidas principales. Zona habitacional rodeada por avenidas principales. Avenidas principales de la ciudad de Monterrey. Lugar ubicado dentro de una zona habitacional. Avenidas principales de la ciudad de Monterrey.

2.7. SEGUIMIENTO DE LA PROFUNDIDAD DE CARBONATACIÓN Para el seguimiento del avance de la carbonatación se utilizaron tres réplicas por cada tipo de concreto (mezcla) fabricado. En cada réplica se procedió a la obtención de una muestra de concreto. Para ello primeramente se practicó una ranura en la periferia del espécimen a una distancia de aproximadamente 40 mm a partir de uno de los extremos del espécimen con el objetivo de guiar la fractura. Posteriormente, con la ayuda de un cincel y martillo se golpea en la periferia de la ranura hasta obtener la muestra deseada. Finalmente, se procede a rociar sobre la superficie de la muestra con una solución de fenolftaleína al 1% en alcohol etílico. La fenolftaleína presenta un rango de viraje de pH de 8.2 a 10.0, siendo incolora por debajo de 8.2 y presentando un color rosado fuerte (fucsia) por encima de 10.0 unidades de pH. Por lo tanto, la prueba de la fenolftaleína sólo nos indica cuando el concreto tiene un pH menor de 8.2 o mayor de 10.0 (Moreno et al., 2006). La medición se realizó como se muestra en la figura 6, obteniendo un promedio del espesor alrededor de la muestra.

Figura 6: Medición profundidad de carbonatación

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La profundidad promedio de carbonatación para la cara 1 (C1), se obtiene a través de la siguiente ecuación. 𝐶1 =

𝑑1+𝑑2+𝑑3+𝑑4 4

(2)

Donde: C1= Profundidad de carbonatación promedio para la cara 1. d1, d2, d3 y d4 = Mediciones puntuales de la profundidad de carbonatación. En el caso de la profundidad de las caras C2 y C3, se realiza el mismo proceso de la ec. 2, obteniendo el promedio de las mediciones puntuales en cada cara. La profundidad de carbonatación del espécimen, se obtiene mediante la ecuación 3. 𝑋=

𝑐1+𝑐2+𝑐3 3

(3)

Donde: X= Profundidad promedio de carbonatación. C1, C2 y C3= Profundidad de carbonatación promedio para las diversas caras del espécimen. 3. RESULTADOS 3.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Se utilizaron 4 cilindros de 150x300 mm para cada tipo de mezcla, con el fin de obtener la resistencia a la compresión, de acuerdo a la Norma ASTM C 192. En la tabla 6 se muestran los resultados de resistencia a la compresión obtenidos a 28 días para los diferentes concretos fabricados. Tabla 6: Resistencia a la compresión a los 28 días Nombre

Resistencia a la compresión, kg/cm2

CPO 0.6

440

CPO 0.7

341

CPO 0.8

234

CPC 0.6

285

CPC 0.7

249

CPC 0.8

227

De manera general, de los resultados se observan diferencias principalmente atribuibles al tipo de cemento usado (CPO y CPC) en la elaboración de los especímenes. En efecto, como es sabido, estos cementos cuentan con una composición química y resistencia mecánica nominal diferente. No obstante, estas diferencias permiten ampliar el estudio ya que es bien conocido que la carbonatación es un proceso difusivo, es decir, depende del grado de porosidad y de la interconexión de los poros. Por su lado, la porosidad está directamente relacionada con la resistencia a la compresión de un concreto, por lo que se infiere la existencia de una amplia gama de porosidades es esta investigación.

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3.2 LA CONCENTRACIÓN DE CO2, EN DIFERENTES AMBIENTES En la Fig. 7 se presenta la concentración de CO2 medida puntualmente en los diferentes ambientes de exposición. Se constata que la concentración es mayor en avenidas principales del área metropolitana de Monterrey, en donde se alcanzaron en promedio valores de 397 ppm. Por el contrario los valores de menor concentración fueron obtenidos en la zona habitacional, llegando a medir en promedio 291 ppm.

Figura 7: Concentración de CO2, diferentes ambientes La concentración de CO2 promedio de los diferentes ambientes contemplados fue de 341 ppm, el cual es representado en la gráfica con una línea horizontal. 3.2.1 LA CONCENTRACIÓN DE CO2 EN LAS ZONAS DE EXPOSICIÓN Relacionar las condiciones ambientales prevalecientes con el proceso de carbonatación permite asociar las causas que afectan el proceso con su avance. Por tal motivo, una especial atención fue puesta en la concentración de CO2 prevaleciente en las zonas de exposición de los especímenes de concreto. En la Figura 8, se muestran las concentraciones promedio por mes en la zona de exposición Norte.

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Figura 8: Concentración de CO2, Zona Norte Los valores obtenidos fluctúan de un valor mínimo de 262 ppm en el mes de junio de 2011, a un valor máximo de 372 ppm en el mes de abril del mismo año. En promedio, durante el periodo de estudio se obtuvo un valor de 312 ppm. No obstante, estos valores permanecen por debajo del promedio mundial y de otros valores registrados en la literatura, como es el caso de Seúl en Corea del Sur en donde se registró en 1996 un valor máximo de 430 ppm (www.me.go.kr, 1996). 3.3 LA HUMEDAD RELATIVA En la Figura 9 y 10, se muestran respectivamente los valores de HR promedio mensual para la zona de exposición Norte y Centro. La información mostrada representa los valores para el periodo de estudio que corresponden a cada zona.

Figura 9: Humedad Relativa promedio mensual en la zona de exposición Norte La zona de exposición Norte presenta un valor máximo de 60.77% y un valor mínimo de 42.38% con una variación de 18.39%. Por su parte, en la zona de exposición Centro los especímenes tuvieron un menor tiempo de exposición, en el cual las variaciones entre el valor máximo y mínimo fueron de 13.8%. Las variaciones de las Zonas Norte y Centro no fueron significativas y todo caso se encontró dentro o muy cerca de la región que indica la HR óptima para el avance de la carbonatación, al menos para nuestro periodo de exposición.

Figura 10: Variación de la HR para la zona de exposición Centro. En lo que respecta a las diferencias entre las dos zonas de exposición encontramos una divergencia promedio de 7.95%, siendo mayor la HR en la zona Centro del área metropolitana de Monterrey. Los valores de HR mensual para la zona Norte se mantuvieron la mayor parte del tiempo en el rango óptimo de 50-70% (Tuutti et al., 1982). Para la zona Centro todos los valores se mantuvieron en el rango ideal que favorece la carbonatación del concreto.

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3.4 LA TEMPERATURA En la Figura 11 y 12, se presentan los valores de Temperatura (promedio, máxima y mínima) respectivamente para la zona de exposición Norte y Centro.

Figura 11: Temperatura promedio mensual, mínima y máxima en la zona Norte La temperatura promedio mensual en la zona Norte tiene un mínimo de 15.1°C y un máximo de 29.1°C, por lo cual la diferencia es de 14.0°C. En lo que respecta a la temperatura mínima registrada fue de -4.7°C y la temperatura máxima fue de 42.8°C, existiendo una variación de 47.5°C, en el tiempo de exposición.

Figura 12: Temperatura promedio mensual, mínima y máxima en la zona Centro. En la zona Centro, se registraron los siguientes valores, en lo que respecta a la temperatura promedio, la mínima presentó un valor de 22.5°C y la máxima un valor de 28.7°C, existiendo una diferencia de 6.1°C. Los valores registrados mínimos y máximos fueron de 9.8°C a 42.2°C respectivamente, existiendo una diferencia entre ambas de 32.4°C. La diferencia entre las dos zonas de exposición en todas las temperaturas promedio mensuales fue muy similar, siendo la mayor diferencia entre éstas de 1.8°C para la temperatura máxima para el mismo mes de exposición. Es posible constatar que existen grandes variaciones en los valores de temperatura en cada zona, lo cual dificulta la utilización de un valor fijo con el objetivo de relacionar los valores ambientales para predecir la velocidad de carbonatación.

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3.5 LA VELOCIDAD DEL VIENTO En la Figura 13 y 14, se presentan los valores de velocidad de viento respectivamente para la zona de exposición Norte y Centro.

Figura 13: Velocidad del viento en la zona Norte Los valores de velocidad promedio fluctúan de un mínimo de 5.19 km/h a un valor máximo de 7.61 km/h.

Figura 14: Se presentan los valores de la velocidad de viento en la zona de exposición Centro Para la zona Centro, la velocidad del viento presentó un mínimo de 2.71 km/h y un valor máximo de 7.59 km/h. Los valores de mayor velocidad del viento han sido referenciados por investigadores como (Moreno et al., 2009), los cuales han encontrado que donde existen vientos predominantes, los valores de profundidad de carbonatación han sido mayores. 3.6 LA PROFUNDIDAD DE CARBONATACIÓN EN CONDICIONES NATURALES La progresión de la carbonatación en las estructuras de concreto depende de varios factores, entre los cuales se encuentran las condiciones ambientales que envuelven a las estructuras. La profundidad de carbonatación obtenida en los especímenes de concreto expuestos en las zonas Norte y Centro, evidencian el comportamiento de este fenómeno para las condiciones ambientales prevalecientes en dichas zonas. En la Figura 15 se presenta la profundidad de carbonatación obtenida a diferentes tiempos en los especímenes expuestos en la zona Norte.

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Figura 15: Profundidad de carbonatación vs tiempo, en condiciones naturales, Zona Norte Se constata que el avance de la carbonatación presentó una tendencia lineal para los distintos tipos de concretos utilizados y para los periodos de exposición comprendidos en esta investigación. En la Tabla 7, se presentan los resultados de la profundidad de carbonatación obtenidos en diferentes tiempos de exposición la zona Norte (Azotea del Instituto de Ingeniería Civil). Debido a que los especímenes de la zona Centro no pudieron ser expuestos al mismo tiempo que los de la zona Norte, los resultados no fueron ajustados a una predicción lineal. Tabla 7: Profundidad de carbonatación en mm, para especímenes ubicados en la zona Norte y Centro Zona Norte Tiempo (días) 170 270 365 Zona Centro 168

Profundidad de carbonatación, mm CPO 0.6 CPO 0.7 CPO 0.8 1.9 2.2 2.0 3.2 3.5 3.3 4.5 4.8 4.5 2.4

2.4

2.8

CPC 0.6 2.4 4.0 5.4

CPC 0.7 2.9 4.7 6.5

CPC 0.8 3.4 5.6 7.6

3.0

3.7

4.9

Como esperado, la profundidad de carbonatación varió en función de la resistencia a la compresión de los concretos. Se constató una diferencia de hasta 41% menos en un concreto con una resistencia a la compresión de 440 kg/cm2 (CPO 0.6) comparado con un concreto de CPC 234 kg/cm2 (CPC 0.8). Esto debido principalmente al que el concreto CPO 0.6 posee una matriz más densa en comparación al concreto CPC 0.8, lo cual dificulta que el proceso difusivo del fenómeno de carbonatación avance más rápidamente en el primero. En cuanto a las variables ambientales, las que presentaron mayor diferencia comparándose entre las dos zonas de exposición, fueron la HR y la velocidad del viento, lo cual propició un avance de carbonatación distinto para el mismo periodo de exposición entre ambas zonas. 3.6.1 LA PROFUNDIDAD DE CARBONATACIÓN EN CONDICIONES ACELERADAS En la Figura 16, se presenta el comportamiento obtenido en el proceso de avance de la carbonatación para ambientes con una concentración 100 veces mayor que el ambiente natural promedio.

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Figura 16: Profundidad de carbonatación vs tiempo, para un ambiente con una concentración de 3% de CO2 Se puede observar que el comportamiento es lineal al igual que en un ambiente natural, al menos para los tiempos previstos en esta investigación. 3.7 RELACIÓN ENTRE EL AVANCE DE LA CARBONATACIÓN EN MEDIO NATURAL Y ACELERADO La búsqueda de una relación que permita predecir el comportamiento de un determinado concreto en condiciones naturales a partir del comportamiento en un medio acelerado ha sido objeto de varias investigaciones. Con el objetivo de aportar datos experimentales que permitan realizar una predicción confiable para al menos los tiempos de exposición que se incluyen en la investigación se llevó a cabo una comparación del avance de la carbonatación en los diferentes medios aquí descritos. En la Figura 17, se presenta la profundidad de carbonatación obtenida en ambiente natural (95, 170, 246, 270 y 365 días) con su correspondiente en ambientes acelerados (28 días a una concentración de 3% de CO2) para un mismo tipo de concreto (cemento CPO y distintas relaciones a/c de 0.6, 0.7 y 0.8).

Figura 17: Carbonatación natural vs carbonatación acelerada para una concentración de 3% de CO2, para especímenes realizados con cemento CPO (Relación a/c de 0.6, 0.7 y 0.8)

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El comportamiento lineal obtenido bajo nuestras condiciones experimentales demuestra la influencia del ambiente y del periodo de exposición, descartando que la pendiente obtenida sea afectada por el tipo de concreto. Esto debido a que cada punto representa una relación a/c (diferente resistencia a la compresión) y los puntos se ajustan dentro de una tendencia lineal. 3.8 PREDICCIÓN DE LA PROFUNDIDAD DE CARBONATACIÓN Ha sido determinado por varios autores que la tasa de carbonatación varía de acuerdo a la ley de la raíz cuadrada del tiempo, como lo indica la ecuación. 𝑋 = 𝐾 √𝑡 (4) Donde: X= profundidad de carbonatación en mm para un tiempo “t”. K= Es un factor que agrupa parámetros concernientes al tipo de concreto y a las características climatológicas. t = tiempo de exposición. 3.8.1 PARÁMETRO A. Este parámetro se define como la pendiente resultante de la relación entre la profundidad de carbonatación natural vs. la profundidad de carbonatación acelerada. La cual es dependiente de los factores ambientales y del tiempo de exposición. Algunos investigadores han propuesto a esta pendiente de la siguiente forma (Khunthongkeaw et al., 2006): A=m√t

(5)

A = Es la pendiente de relación, adimensional. m = Factor ambiental, adimensional. t = Tiempo de exposición el cual varía a la raíz del tiempo, adimensional. En esta investigación se descartó que A tuviera una variación de la forma descrita anteriormente. Debido a que la carbonatación acelerada y natural presentaron ambas un comportamiento lineal, al menos para los tiempos de exposición utilizados en esta investigación, debido a ello se propone que A, tenga también un comportamiento lineal: A=mt

(6)

A = Es la pendiente de relación, adimensional. m = Factor ambiental, adimensional. t = Tiempo de exposición el cual varía de forma lineal, adimensional. Nota: Los valores son adimensionales debido a que representan la relación existente entre un ambiente acelerado y uno natural de carbonatación. 3.8.2 FACTOR AMBIENTAL, M Para esta investigación, se propone el uso de un factor ambiental m el cual establece una relación entre las condiciones naturales y aceleradas para especímenes similares. Debido a que las condiciones aceleradas son controladas, con la ayuda de este factor sería posible determinar cualitativamente, si el entorno se convierte en más agresivo, al menos para especímenes con similar tipo y contenido de cemento. Con la ayuda de la ec. 6, y conociendo el valor del parámetro A y el tiempo t, se obtiene un valor que solo representa la relación entre ambiente natural y acelerado (factor ambiental m.). El parámetro A es la pendiente del ensayo acelerado vs natural, Khunthongkeaw et al. (2006) propone que está pendiente depende del ambiente y de la raíz

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cuadrada del tiempo de exposición. En nuestro caso hemos utilizado el tiempo lineal debido a que representa el mejor ajuste para nuestro tiempo de exposición. En la Tabla 8 se presentan los diferentes factores ambientales para los especímenes realizados con cemento CPO y CPC.

El factor ambiental, m, establece una relación de un tipo de concreto expuesto a carbonatación en condiciones aceleradas y naturales. Por tal motivo dichos valores son comparables para similares tipos de concreto expuestos en las mismas condiciones aquí establecidas. 3.8.3 PREDICCIÓN UTILIZANDO LA RAÍZ CUADRADA DEL TIEMPO A partir del análisis anterior se determinó que la pendiente de relación entre los ambientes naturales y acelerados no depende del tipo de concreto, resulta consecuente descartar este parámetro del factor K propuesto en la ley de la raíz cuadrada del tiempo. Por lo cual se propone la siguiente ecuación (ec. 7) (Khunthongkeaw et al., 2006): X=Xa A √t

(7)

X= La profundidad de carbonatación, en mm, para un tiempo t, en años. Xa = La profundidad de carbonatación, en mm, para un ambiente acelerado para un periodo de 28 días de exposición. A = Es la pendiente de relación, la cual es dependiente de las condiciones ambientales. t = Tiempo, en años, de exposición al ambiente natural. 3.8.4 PREDICCIÓN LINEAL Otra ecuación entonces es formulada con el objetivo de representar el comportamiento lineal presente en las primeras etapas del proceso de carbonatación (nomenclatura similar a la ec. 7). X=Xα A t

(8)

3.9. VERIFICACIÓN DE LAS ECUACIONES DE PREDICCIÓN Las ecuaciones 7 y 8 fueron alimentadas con los valores de la profundidad de carbonatación obtenidos a partir de los ensayos en exposición natural. En la Figuras 18 y 19, se presenta la predicción de la profundidad de carbonatación obtenida respectivamente, para la ecuación basada en la raíz cuadrada del tiempo y en el comportamiento lineal, para especímenes realizados con CPO y CPC.

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Figura 18: Profundidad de carbonatación obtenida experimentalmente vs. la profundidad de carbonatación de predicción basada en la raíz del tiempo a una concentración de 3% de CO2

Figura 19: Profundidad de carbonatación obtenida en prueba vs la profundidad de carbonatación de predicción lineal a una concentración de 3% de CO2 (CPC Relación a/c 0.6, 0.7 y 0.8) Se constata que la predicción obtenida con la ecuación basada en la raíz cuadrada del tiempo presentó una mayor dispersión resultando en una pobre correlación comparada con la predicción obtenida con la ecuación basada en la tendencia lineal (Fig. 18). Dicho comportamiento se presentó para todos los ambientes de exposición, lo cual demostró que el comportamiento aceptado generalmente en la literatura y basado en la raíz cuadrada del tiempo debe revisarse al menos para periodos cortos de exposición. Los resultados obtenidos a través de la presente investigación permiten establecer que es posible predecir con una alta correlación la profundidad de carbonatación natural a partir de ensayos acelerados. Sin embargo, esta correlación solo puede ser válida para las condiciones experimentales aplicadas en esta investigación. Por lo tanto, se asevera importante ampliar la matriz experimental con una mayor variedad de tipos de concretos que permita contar con relaciones del avance de carbonatación con el ambiente de exposición. 4. COMPARATIVA ENTRE LAS PREDICCIONES En la Tabla 9 se presenta el comportamiento del coeficiente K, de los concretos fabricados, calculado con la ayuda de la ec. 4 (considerando √t) para una concentración de CO2 de 3% y a diferentes tiempos de exposición en el medio acelerado. Para efectos de comparación, se presentan también los resultados de la conversión del K promedio en el coeficiente atmosférico correspondiente (indicado como “Conversión” en la Tabla 9) utilizando para ello la ecuación propuesta por Moreno et al. (1999).

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De manera general, se constatan valores muy diferentes entre ambos coeficientes lo cual demuestra que el uso de la ley de la raíz cuadrada del tiempo para nuestros tiempos de exposición no es adecuada. En la tabla 10, se presenta la predicción de la profundidad de carbonatación obtenida utilizando la ecuación basada en la raíz cuadrada del tiempo (ec. 4) y las propuestas en esta investigación (ec. 7 y 8). Se reportan también los valores de la profundidad de carbonatación obtenida mediante la aplicación de la fenolftaleína (prueba de campo). Tabla 10: Comparativa de Profundidad de carbonatación

Tipos de Concreto

CPO 0.6

CPO 0.7

Tiempo de exposición natural

Prueba de Campo

Predicción (ec. 4)

Predicción (ec.7)

Predicción lineal (ec. 8)

(días) 95 170 246 270 365 95 170 246 270 365

(mm) 0.6 1.3 3.4 3.3 *4.5 1.1 1.7 3.6 3.5 *4.8

(mm) 0.5 1.7 3.5 4.2 7.8 0.5 1.7 3.5 4.3 7.8

(mm) 1.7 2.2 2.7 2.8 3.2 1.9 2.6 3.1 3.3 3.8

(mm) 0.8 1.5 2.2 2.4 3.2 1 1.8 2.6 2.8 3.8

* Valor calculado con la tendencia de la profundidad de carbonatación (no experimental). La comparativa entre las predicciones muestra un mejor fiabilidad de la predicción lineal (ec. 8) para representar los valores reales obtenidos mediante la prueba de carbonatación, que aquellas utilizando las predicciones obtenidas mediante la ecuaciones 4 y 7. Se obtuvo una tendencia similar con los otros tipos de concreto analizados. La predicción del avance de la carbonatación mediante la ecuación 4 ha sido utilizada durante muchos años. Como es sabido, esta ecuación está basada en la representación del avance de la carbonatación mediante un proceso puramente difusivo. De tal manera que el coeficiente K de dicha ecuación, es un valor que involucra de manera implícita a las condiciones de exposición y a las propiedades del concreto a través del tiempo, permitiendo una simplificación de la predicción.

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Sin embargo, ha dificultado la comprensión del fenómeno debido a que las variaciones en las condiciones de exposición en medios naturales son inevitables, como se ha puesto en evidencia en este trabajo (Fig. 17). Es así que, el uso de ecuaciones que permitan realizar predicciones que consideren las variaciones en las condiciones de exposición, adquieren mayor relevancia si se consideran los escenarios ambientales previstos por el IPCC (2007), los cuales sugieren cambios importantes en la concentración de CO2, periodos de lluvia y temperatura. 4. CONCLUSIONES Es posible obtener relaciones aceptables entre el proceso de carbonatación en un medio natural con respecto a un medio acelerado, para especímenes realizados con similar contenido y tipo de cemento. El parámetro A depende de las condiciones y tiempo de exposición de los especímenes. La predicción basada en la tendencia lineal presenta una menor dispersión y una mayor correlación con los datos obtenidos de forma experimental en comparación con la predicción basada en la raíz del tiempo. Esto aplicándose al menos a los periodos de exposición, ambiente y tipos de concreto concernientes a esta investigación. La predicción basada en la raíz del tiempo, no resultó confiable para nuestros periodos de exposición (1 año). Se sugiere su aplicabilidad para tiempos de exposición mayores a 1 año. AGRADECIMIENTOS A la memoria del Dr. Eric Iván Moreno (12/febrero/1963 - 06/julio/2015), académico e investigador, por su invaluable contribución al conocimiento del fenómeno de la carbonatación en estructuras de concreto reforzado y por su incansable motivación para la formación de futuros investigadores en nuestro país. A la Secretaria de Desarrollo Sustentable del gobierno del estado de N.L., por facilitar el uso de instalaciones para colocar las muestras en la estación de monitoreo SIMA. Al Dr. Gerardo Manuel Mejía Velázquez por la atención prestada para la realización de esta investigación. Especialmente se agradecen los apoyos otorgados para el desarrollo de este proyecto CONACYT Ciencia Básica CB-2007/82464 y PAICYT CA1499-07. Por último, se quisiera a gradecer a instituciones como SIMA y CONAGUA para los que sin su apoyo en este proyecto no sería posible al menos en los términos en que es presentada. REFERENCIAS Bier, Th. A., (1987), “Influence of type of cement and curing on carbonation progress and pore structure of hydrated cement paste”, Materials Research Society Symposium, 85, pp.385 -392. Haque, M. N., y H. Al-Khaiat, (1996), “Carbonation of concrete structures in hot dry coastal regions”, Cement and Concrete Composites, Vol. 19, No. 2, pp. 123-129. IPCC, (2007), Cambio climático 2007: “Informe de síntesis. Contribución de los Grupos de trabajo I, II y III al Cuarto Informe de evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático”, Directores: Pachauri, R.K. y A, Reisinger, IPCC, Ginebra, Suiza, pp. 104. Khunthongkeaw, J., S. Tangtermsirikul y T. Leelawat, (2006), “A study on carbonation depth prediction for fly ash concrete”, Construction and Building Materials, Vol. 9, No. 20, pp. 744-753.

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INTRODUCCIÓN La carbonatación es un fenómeno natural que ocurre espontáneamente en miles de estructuras de concreto en el mundo. En el concreto que no contiene acero de refuerzo se trata de un proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en las estructuras de concreto reforzado con varillas de acero, la durabilidad puede verse afectada debido a la corrosión causada cuando la carbonatación ataca el refuerzo de acero en el interior de la superficie de concreto. Este trabajo tuvo por objetivo establecer una predicción confiable a partir de correlaciones entre las pruebas de carbonatación de concretos expuestos en ambientes acelerados y naturales, de manera que se obtuvo un índice de durabilidad sometiendo el concreto a estas pruebas. El avance de la carbonatación fue monitoreado regularmente en todos los ambientes de exposición y fue comparado con las predicciones obtenidas a partir de los datos del ambiente acelerado.