Aquest article ha estat escrit originalment en castellà. L'hem traduït automàticament per a la vostra comoditat. Tot i que hem fet esforços raonables per a aconseguir una traducció precisa, cap traducció automática és perfecta ni tampoc pretén substituir-ne una d'humana. El text original de l'article en castellà podeu veure'l a La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y su durabilidad

Ver más artículos sobre: La durabilitat del formigó

Resultats d'un assaig no destructiu per a l'autocontrol del fabricador i de l'usuari

La resistivitat elèctrica com a paràmetre de control del formigó i la seva durabilitat

Carmen Andrade, Institut de Ciències de la Construcció Eduardo Torroja (IETcc – CSIC)23/12/2009

23 de desembre de 2009

L'EHE-08 suposa un avanç sobre les anteriors versions en diversos aspectes de la qualitat i durabilitat del formigó. Aquests requisits més estrictes i l'augment de les possibilitats de disseny de la barreja que permeten la generació moderna d'additius, així com la necessitat de convergir cap a una major sostenibilitat dels recursos, suposen una gran responsabilitat per al fabricant que es veu en l'obligació de determinar en estat fresc com serà el comportament futur del material. Igualment, l'usuari ha de ser protegit en el seu dret de demandar un producte amb la qualitat que ha especificat. Per respondre a aquesta necessitat del fabricador i de l'usuari, l'idoni és poder disposar d'un assaig no destructiu que permeti l'autocontrol del fabricador, així com el seguiment del material per part de l'usuari al llarg del seu cicle de vida.

Aquest assaig no destructiu s'està desenvolupant des de fa anys a l'Institut Eduardo Torroja de Ciències de la Construcció i en el moment actual ja es disposa de resultats que permeten afirmar que la mesura de la resistivitat elèctrica del formigó és un assaig que valora els següents aspectes d'aquest:

L'enduriment en estat fresc
El grau de curat
La resistència a la penetració dels clorurs i la carbonatació
La velocitat de corrosió de l'armadura

Es tracta d'un assaig no destructiu, pel que és molt adequat per a l'autocontrol del fabricant i per al control de qualitat de l'usuari

És a dir, la resistivitat elèctrica, ρ, és capaç d'informar al fabricant i l'usuari de la microestructura del formigó, del seu porositat i del seu contingut en aigua. Amb això, es té un control complet de les etapes per les quals passa el material. Com a qüestió fonamental i complementària, s'ha desenvolupat un mètode per al disseny de la barreja de components del formigó per assolir una resistivitat determinada. Com que és un assaig no destructiu que es pot repetir moltes vegades sense pertorbar el material, és molt adequat per a l'autocontrol del fabricant i per al control de qualitat de l'usuari. Breument es lustren els aspectes principals esmentats.

Què és la resistivitat elèctrica?

Com indica la Llei d'Ohm, la resistivitat és una propietat volumètrica del material i indica la seva resistència al pas de les càrregues elèctriques:

Figura 1. La porositat es pot avaluar per la resistència al moviment de les càrregues elèctriques (els ions) de la fase aquosa dels porus del formigó

On R és la resistència elèctrica que es mesura aplicant un voltatge V i mesurant el pas de corrent I. Aquesta relació és igual a la resistivitat pel factor geomètric l / A, és a dir per la l = distància entre elèctrodes i A = àrea transversal de pas del corrent.

Com més gran és la resistivitat menor és la porositat del formigó i major la seva resistència mecànica, en tenir més fase sòlida per volum. A més, si el formigó no està saturat d'aigua, la resistivitat creix, per la qual cosa és un indicador del seu grau de saturació. Per tant, la resistivitat és un indicador de la qualitat del formigó en indicar la seva porositat, i és un indicador del seu grau de saturació i pot servir per al control del grau de curat.

La mesura de la resistivitat

La mesura de la resistivitat pot realitzar posant uns elèctrodes a les cares paral·leles de les provetes cilíndriques (figura 3) o usant 'el mètode de les 4 puntes' (figura 4). Per a la mesura ràpida de la resistivitat en el formigó i in situ, el IETcc i Geocisa han desenvolupat el resistivímetro portàtil que es mostra a la figura 4 i 5.

Existeix a més una norma UNE que descriu els dos mètodes de mesura: PNE 83988 - Durabilitat del formigó - Determinació de la resistivitat del formigó - Part I (Mètode directe) i Part II (Mètode de Wenner).

Figura 3. Mètode directe.

Figura 4. Mètode de les 4 puntes.

Figura 5. Resistivímetro portàtil.

L'enduriment en estat fresc

Atès que en barrejar el ciment amb l'aigua s'obté una suspensió, la resistivitat al principi del barrejat és molt baixa però, segons va hidratant el ciment i el formigó va forjant i endurint, la resistivitat augmenta. A la figura 6 es mostra un exemple de la corba de resistivitat durant les primeres 24 hores. El desenvolupament de la corba permet identificar l'acció dels additius, així com altres aspectes del forjat, que són motiu en el moment actual d'una tesi doctoral (Núria Rebolledo) al IETcc.

Figura 6. Desenvolupament de la resistivitat durant l'enduriment i enduriment.

La relació amb la resistència a compressió que s'indica a la figura 6 també està sent objecte d'estudi i s'estan desenvolupant expressions matemàtiques que lliguen els dos paràmetres, el que permetria al fabricant predir la resistència mecànica des de les primeres hores.

Figura 7. Relació entre resistència a compressió i resistivitat per a un tipus de ciment.

L'evolució de la resistivitat és paral·lela a la de la resistència com es mostra a la figura 7 i per això la resistivitat permet a més de predir la resistència, indicar el "factor d'edat" que és essencial per als models de durabilitat que es comentaran a continuació. La figura 8 mostra la inversa de la resistivitat amb el temps per un formigó de la qual es pot calcular el factor d'edat q que s'indica en l'equació (2).

Figura 8. Variació amb el temps de la inversa de la resistivitat (conductivitat).

El grau de curat del formigó

El curat del formigó és un aspecte molt important que afecta el comportament a llarg termini si bé no hi ha un mètode que permeti quantificar. La resistivitat sí que ho permet ja que detecta molt bé l'assecat superficial, i amb això, el grau d'evaporació o saturació dels porus del formigó. Comparant la resistivitat d'un formigó bé curat amb un altre mal curat és possible trobar un percentatge de saturació relativa dels porus que quantifica el grau de curat (figura 9). Aquesta relació, obtinguda en la seva tesi doctoral per Luis Fernández Luco, resulta un mètode molt senzill de control en obra del curat.

Figura 9. Resistivitat relativa davant pèrdua de pes per assecat en el curat.

Models de durabilitat

La resistència a la penetració dels clorurs i la carbonatació. La velocitat de corrosió de l'armadura.

En l'actual EHE-08 no només s'indiquen les proporcions de la mescla de formigó que són adequades per resistir a cada tipus d'ambient, sinó que a més es contempla un annex 9 que obre la porta a l'ús de models per a la predicció de la durabilitat del formigons en relació a la corrosió de l'armadura. Aquests models són encara molt poc precisos ja que no estan calibrats a llarg termini.

La resistivitat també pot utilitzar-se en una expressió matemàtica per a la predicció tant del període fins que es desenvolupa la corrosió de l'armadura com per quantificar el període de propagació de la corrosió. Aquesta possibilitat es basa en la relació inversa entre la resistivitat elèctrica i la difusivitat dels ions. És a dir, a major resistivitat es produeix un moviment menor de les càrregues elèctriques (els ions dels porus del formigó) pel fet que més resistivitat indica menor porositat.

El treball ha estat l'objecte de la tesi doctoral de Renata d'Andrea. Si la vida total del l'estructura és la suma del període fins que l'armadura es corroeix (t _i) més el període de propagació (t _p) de la corrosió fins a arribar a un determinat ample de fissura del recobriment, es pot dir que el temps de vida total serà: t = t _i + t _p. I si considerem que el període d'iniciació és proporcional a l'arrel quadrada del temps i el de propagació és lineal amb la pèrdua de diàmetre de l'armadura resulta:

Substituint en aquesta expressió el valor de la velocitat V _{Cl, CO 2} d'ingrés dels clorurs o la carbonatació pel seu equivalent de resistivitat elèctrica l'expressió que s'obté és:

En aquesta expressió s'inclou el "Factor de Reacció" que depèn del tipus de ciment i els factors k _{C, CO2} que depèn del tipus d'ambient. D'aquesta manera el càlcul de la vida útil és possible a partir del valor de la resistivitat del formigó i d'uns factors que tenen uns valors fixos que depenen de l'ambient o del tipus de ciment.

Per exemple, per a un recobriment de 5 centímetres en un formigó a col·locar a la classe d'ambient IIIb fabricat amb un ciment tipus II / A, per a una vida útil de 100 anys i els factors de reacció i d'edat que s'indiquen a la taula 1, els càlculs amb la fórmula (4) resulten en un valor de la resistivitat necessari de 87,6 Ω · m.

Ciment de tipus II / A	r _C = 1,8
Classe d'exposició XS2	K [cm ³ / any] = 17.000
Temps de vida	t [any] = 100
Gruix de la coberta	X _C [cm] = 5
Factor d'envelliment durant 10 anys	q = 0,3

Taula 1. Exemple de càlcul de la resistivitat necessària.

És a dir, caldrà dissenyar una barreja de formigó que doni a 28 dies de curat humit aquesta resistivitat. Així, la durabilitat és possible calcular amb conceptes simples mitjançant la mesura de la resistivitat del formigó a 28 dies de forma paral·lela a com s'assaja la resistència a compressió.

Pel que fa a la velocitat de corrosió de l'armadura, és també proporcional al grau d'humitat i per tant a la resistivitat del formigó en l'ambient en què es trobi: I _corr = k _corr / r on k _corr és una constant. El grau d'humitat del formigó depèn del clima, és a dir de la quantitat de pluja i de la temperatura. Amb aquesta relació és possible calcular el que duraria el període de propagació de la corrosió fins que s'aconsegueixi una fissuració del recobriment prefixada.

Disseny de la barreja de formigó per a obtenir una determinada resistivitat

Això és el que permet usar el concepte de la resistivitat d'una forma pràctica pel fabricant, ja que és necessari dissenyar una barreja que aporti els valors requerits de la mateixa manera que es fa per aconseguir una determinada resistència mecànica.

Aquest aspecte també ha estat estudiat per Renata d'Andrea en la seva tesi doctoral. És possible relacionar la resistivitat amb la composició de la mescla a través de les Lleis de Powers (que calculen la porositat de la pasta de ciment a partir de la relació a / c) i d'Archie (que relaciona la porositat amb la resistivitat). Així, suposant un contingut en ciment per metres cúbic de formigó, és a dir, un volum de pasta per metre cúbic, es pot calcular la relació a / c que permet obtenir una determinada porositat i amb això una determinada resistivitat del formigó. Per completar l'estudi és necessari també aplicar el "factor de tortuositat" que s'ha calculat per a cada tipus de ciment.

A la figura 10 es donen les relacions trobades en una sèrie de formigons estudiats entre resistivitat elèctrica calculada i mesura. La metodologia que es pot seguir és:

1. Es tria el tipus de ciment i s'obtindrà del fabricant de ciments dels valors de les variables factor de retard (r) i tortuositat (τ).

Figura 10. Relació entre els valors de la resistivitat, mesurats als 28 dies i estimats a partir del model basat en la llei d'Archie.

2. S'estima una relació w / c, que serà introduïda en el càlcul de la porositat de la pasta per l'equació de Powers, i un contingut de ciment c, que serà introduït en el càlcul de la porositat del formigó, on ε = ε _{p ·} γ.

3. S'aplica l'equació basada en la llei d'Archie, ρ = ρ ₀ · (ε _{p ·} ^γ)-τ, on es comprova que els valors estimats per w / CYC són els ideals per assolir ρ calculat en el pas 2. En el cas que no s'aconsegueixi l'objectiu es passaria a un pas complementari que seria, o bé triar un altre tipus de ciment amb altres valors de ri τ fins a comprovar la validesa de w / CYC, o bé modificar els valors de w / CYC fins aconseguir-ho.

4. Finalment, es comprova que el valor de rap compleix el demandat pel projectista del projecte mitjançant la determinació experimental de la resistivitat en el formigó saturat als 28 dies, ρ _és, a partir de la relació ρ _ap / r.

Conclusions

La necessitat de calcular la durabilitat del formigó ha portat a buscar un assaig que fos capaç de quantificar totes les fases del procés des de la fabricació del formigó fins a la seva curat i enduriment. La resistivitat elèctrica com inversa de la conductivitat-difusivitat és una propietat del formigó que permet el seu control de forma no destructiva i per això, accessible a l'autocontrol. La resistivitat és un indicador del forjat i de la resistència mecànica, del grau de saturació del formigó i per això del grau de curat i de la impermeabilitat o resistència a l'ingrés de substàncies agressives en el formigó. Finalment té una relació directa amb la velocitat de corrosió en indicar el grau d'humitat del formigó.

Referències

Alonso, C., Andrade, C., González, JA (1988) 'Relation between concreti resistivity and corrosió rate of the reinforcements in carbonate mortar made with several Cement types', Cement and Concrete Res Vol 18, pp. 687-698.

Andrade, C., Alonso, C., Arteaga, A. & Tanner, P. (2000) 'Methodology based on the electrical resistivity for the Calculation of reinforcement service life' 5th Canmet / ACI Int Conference on Durability of concreti - Supplementary papers volume. Barcelona, Spain, pp. 899-915.

Andrade C., d'Andréa R., Castell A., Castellote M. 'The use of electrical resistivity es ndt method for specification the Durability of reinforced concrete NDTCE'09, Non-Destructive Testing in Civil Engineering', Nantes, France, June 30th - July 3rd, 2009

Baroguel-Bouny, V.; et al., 'Concrete design for a given structure service life. Durability control with respect to reinforcement corrosió and alkali-silica reaction. State-of-the-art and guide for the implementation of a performance-type and Predictive approach based upon Durability indicators '(in French), Scientific and technical documents-AFGC, July 2004, 252 p.

McCarter, WJ, and Garvin, S., (1989) 'Dependence of Electrical Impedance of Cement-Based Materials on their Moisture Condition', J. Phys D: Appl. Phys, Vol 22, pp. 1773-6

Monfore, GE (1968) 'The electrical resistivity of concreti'. Journal of PCA, pp.35-48.

Page, CL, Short, NR & el pot, A. (1981) 'Diffusion of Chloride Lons In Hardened Cement Pastes' Cement and Concrete Research. Vol 1 1, No 3, pp. 395-406.

Polder, R.; Andrade, C.; Elsene, B.; Vennesland, O.; Gulikers, J.; Weidert, R.; and Raupach, M.; 'Test methods for on site measurement of resistivity of concreti' ", RILEM TC 154-EMC: 'Electrochemical techniques for measuring metallic corrosió', Materials and Structure, Vol 33 (2000), pp. 603-611.

Tuutti, K. (1982) 'Corrosion of Steel in Concrete', Swedish Cement and Concrete Research Institute (CBI) no.4-82, Stockholm.

Wang, C. Zhang and W. 'Sun, Fly ash effects. II. The activi effect of fly ash, Cement and Concrete Research 34 '(2004), pp. 2057-2060

Wenner F., 'A Method of Measuring Earth Resistivity'. Bull, National Bureau of Standards, Bull 12 (4) 258, s 478-496; 1915-1916.

Whiting, D. 1981, '"Rapid Determination of the Chloride permeability of concreti' - Federal Highway Administration - Report FHWA/RD-81/119.