Instituto Mexicano del TransportePublicación mensual de

Comentarios

Transcripción

Instituto Mexicano del TransportePublicación mensual de
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa
NOTAS núm. 91, enero 2005, artículo 1
El muelle de Progreso Yucatán. Ejemplo de estructura durable
Referencia
Introducción
Un muelle de 60 años de edad de concreto reforzado con acero inoxidable y
expuesto a un ambiente tropical marino, presenta en la actualidad un buen
desempeño durante su vida útil. En inspecciones realizadas recientemente han
demostrado la no existencia de daños por corrosión en la sub y
superestructura, mientras que estructuras construidas recientemente (menos
de 30 años de servicio), se encuentra en un estado de deterioro tal que se
encuentran clausuradas para su uso. Este documento describe datos sobre el
procedimiento constructivo realizado en los años 1937 a 1941, y algunos
resultados de las pruebas realizadas durante las inspecciones realizadas al
viaducto entre los años 2002 y 2004, las cuales incluyen la determinación de
las propiedades físicas y químicas de los materiales utilizados (concreto y
acero) así como mediciones electroquímicas realizadas a la varilla de refuerzo
de acero inoxidable para determinar su estado de corrosión.
Palabras claves: Acero inoxidable, cloruros, concreto, corrosión, durabilidad,
inspección visual, muelle, potencial de corrosión, velocidad de corrosión.
Ubicación del muelle
El puerto de Progreso de Castro, en el estado de Yucatán, México, está situado
en la costa Norte de la península de Yucatán a 21.5 grados latitud Norte. El
clima del puerto es tropical húmedo y su temperatura está normalmente entre
25 y 40 grados centígrados. Los vientos más frecuentes provienen del NE y
SE, aunque los más fuertes provienen del N y NW.
La península de Yucatán es una formación de roca caliza, la cual está cubierta
aproximadamente de 4 m de arena fina, desapareciendo ésta entre 350-400 m
de la costa convirtiéndose el piso en roca desnuda. Esta formación continúa
dentro del Golfo de México hacia el Norte con una pendiente de
aproximadamente 1:1000.1 Las corrientes marinas medidas en el lugar durante
el periodo de construcción fueron de entre 0.15 a 0.30 m/s con dirección
paralela a la costa causando un movimiento continuo del recubrimiento de
arena.1 Desde esas fechas los estudios realizados confirmaron que era
imposible dragar el suelo marino para darle una mayor profundidad de calado y
los barcos atracarían en el muelle sin problemas, ya que el movimiento
continuo de la arena en el suelo marino, cubriría cualquier tipo de canal.1 Estos
estudios corroboraron que las estructuras protectoras ocasionarían una erosión
a gran escala en las costas aledañas a ellas.1 El gobierno Mexicano estipuló,
en las necesidades del proyecto, que el muelle debería alcanzar una
profundidad de entre 5.4 y 6 m, por lo que el muelle necesitaría una longitud
total de 2,000 m para cumplir este requerimiento.1
El proyecto y su construcción
Este muelle fue construido entre 1937 y 1941 por la empresa danesa Christiani
and Nielsen después de ganar un concurso al que convocó el gobierno
mexicano.1 Una de las razones por las que esta empresa ganó el concurso,
fue la de minimizar el uso de acero convencional utilizando concreto masivo
para la sub y superestructuras. Las autoridades mexicanas tenían en mente la
idea de un muelle al que tuviesen que hacerle muy poco o nulo mantenimiento,
pues en otras obras portuarias del país, se tenían problemas de corrosión que
querían evitarse.
El diseño propuesto del muelle consistió en una serie de arcos de concreto
simple soportado sobre pilares también de concreto simple. El diseño tuvo
varias ventajas. La primera consistía en que es una estructura abierta la cual
permitiría el libre flujo de las corrientes y, por lo tanto, no ocasionaría erosión
y/o acumulación de arena en la costa. De acuerdo a los diseñadores, la
estructura al ser construida con concreto simple, sin refuerzo, permitiría el uso
de roca caliza de la región triturada como agregado (grueso y fino) ya que la
alta porosidad de este tipo de agregado, permitiría el ingreso de agentes
agresivos (cloruros principalmente) dentro del concreto, y en caso de poseer
éste varillas de refuerzo, se generaría corrosión en un periodo muy corto.
El muelle propuesto por esta compañía consta de tres partes: el acceso (de
415 m), el viaducto (de 1,752 m) y el muelle fiscal (de 50 x 205 m en área). El
acceso fue construido a base de piedra y en la actualidad se perdió dentro de
la mancha urbana de Progreso. El viaducto consiste en 146 entre-ejes de 12 m
de largo y aproximadamente 9.5 m de ancho cada uno. Cada entre-eje está
formado por dos pilares de concreto simple, un cabezal (viga) reforzado y un
arco de concreto simple.
La Figura 1 presenta un detalle de un entre-eje tipo. Los pilares descansan
directamente sobre el terreno marino sin ser anclado. Según los diseñadores,
Christiani and Nielsen, el propio peso de la estructura soportaría las cargas
gravitacionales y laterales que se le aplicasen.1 Estos pilares no poseen acero
de refuerzo, para así tener la certeza de que en un futuro no presentase
problemas por corrosión. La Figura 2 muestra un detalle de los moldes
metálicos utilizados para la fabricación de los pilares.1 Para dar una idea del
volumen de concreto utilizado los constructores reportaron el uso de 65 m3 en
la fabricación del pilar más elevado del muelle de unos 7.6 m de alto.1
En los cabezales de la subestructura se utilizó acero inoxidable 304 (con
cuantía de acero, ρ = área transversal de acero / área transversal de concreto,
del 0.15%) como refuerzo longitudinal, debido a que estos elementos trabajan
en flexión.1 Se reporta que se utilizaron 220 toneladas de acero inoxidable de
30 mm de diámetro.
Figura 1.
Dimensiones de la sub y superestructura del muelle
Figura 2.
Construcción de una de las pilas de concreto masivo. 1
La superestructura consta de los arcos tri-articulados, muros laterales, relleno
de roca triturada y una losa de concreto armado (no detallada en el reporte
publicado por los constructores).
En la Figura 3 se presentan dos detalles de la fabricación de estos arcos y
muros laterales.
Figura 3.
Vista del proceso constructivo de los arcos de concreto simple. 1
En un principio, el viaducto constó de dos carriles, uno para ferrocarril y el otro
para vehículos motorizados. Los rieles del ferrocarril fueron fijados a la losa
continua de concreto reforzado.1
Al final del viaducto se construyó la plataforma del muelle fiscal de 205 m de
largo y 50 m de ancho. Esta plataforma posee los mismos elementos
estructurales que conforman el viaducto: pilas de concreto simple, cabezal de
concreto reforzado con acero inoxidable y arcos de concreto simple. Al centro
de esta plataforma se construyó el edificio de la aduana con 3 niveles de altura
y construido con estructura a base de columnas, trabes y losa maciza de
concreto reforzado.
Como el proyecto original del viaducto consideraba dos líneas ferroviarias
corriendo paralelas, éste fue calculado por cargas de ferrocarril aplicadas en
ambos carriles. La distribución de las cargas de diseño fueron consideradas
como un ferrocarril con locomotora de 85 toneladas con cinco ejes separados a
cada 1.5 m y un vagón de 39 toneladas de tres ejes espaciados a 1.50 m. La
plataforma del muelle fue calculada para cargas de 4 ton/m2. La magnitud de
los esfuerzos permisibles de diseño aplicado por las pilas al terreno y por las
cargas externas hacia con los arcos y las pilas fueron de 15 y 25 kg/cm2
respectivamente.1
El edificio aduanal fue construido entre 1945 y 1947 en una segunda etapa.
Éste no fue erguido por la misma compañía Danesa quien se encargó
únicamente del viaducto y la plataforma. Según información recabada en el
mismo puerto de Progreso, los lugareños comentaron que la compañía Danesa
tuvo que retirarse después de terminar la construcción del viaducto y la
plataforma debido a hechos ocurridos en la segunda guerra mundial, teniendo
que regresar a su lugar de origen.
Materiales utilizados en la construcción
Como se mencionó, se utilizó agregado producto de trituración de piedra caliza
la cual poseía un peso específico de entre 1.9 y 2.0. La roca caliza para la
obtención del agregado grueso provino de lajas ubicadas a flor de tierra a unos
10 km al sur del puerto de Progreso. Estas lajas eran de entre 1 y 5 m2 de área
y espesores entre 0.2 y 0.5 m. Las lajas fueron generalmente extraídas por
medios manuales (marro, pico y barreta) y en pocos casos se utilizó dinamita.
Las rocas extraídas fueron transportadas en vagones de tren hacia una
maquinaria llamada quebradora con capacidad de 20 m3/hr.1
No se reportan las características químicas del cemento utilizado, pero se sabe
que se consumieron aproximadamente 23,000 ton de cemento de los cuales
17,500 ton provinieron de Dinamarca y el restante provino de Estados Unidos y
México. El total de concreto fabricado y reportado por Christiani & Nielsen fue
de 72, 500 m3, de los cuales 32,000 m3 fueron colocados bajo agua en los
pilares, 30,000 m3 se usaron en la fabricación de los cabezales, arcos y muros
laterales. Los últimos 10,500 m3 se utilizaron para la construcción de el edificio
de aduana y la losa sobre los rieles ferroviarios.1
Resultados de las inspecciones realizadas
Inspección visual
100 de los 146 arcos del viaducto fueron inspeccionados visualmente mediante
el uso de una lancha proporcionada por el API Progreso. Se observaron
alrededor de 21 arcos de los 100 inspeccionados que presentaban grietas
estructurales en dirección paralela a la del eje del viaducto. De estos
únicamente seis presentan grietas de consideración con un ancho mayor a 3
mm. El resto (15 arcos) presentaban grietas de ancho menor a 1 mm. Debido
a que los arcos fueron construidos de concreto simple, no existe el peligro de
corrosión por estas grietas. Sin embargo, se vio la necesidad de realizar una
evaluación estructural, la cual se presentará en un reporte subsiguiente.
En todo el recorrido no se encontró algún signo de corrosión del acero en los
cabezales como manchas de óxido o varilla expuesta con corrosión.
Únicamente porciones de la plataforma de la aduana presentaba
delaminaciones producidas por el impacto de embarcaciones hacia con el
propio muelle descubriéndose la varilla de acero inoxidable.
Con esta inspección visual se pudo percatar que después de 60 años de su
construcción, el muelle no muestra señales visibles de deterioro por corrosión
aún que, según autoridades portuarias, su sub y superestructura hayan recibido
alguna reparación mayor en este tiempo.
Propiedades del concreto
De los 12 testigos de concreto extraídos en uno de los cabezales sobre playa dl
viaducto (cabezal # 9), con un equipo extractor de corazones de tipo manual,
se le realizaron las pruebas siguientes:
1) Densidad y porosidad total,3 utilizando 4 testigos.
2) Resistencia ala compresión,2 frente de carbonatación,5 utilizando 4 testigos.
3) Perfil de concentración de cloruros,6 utilizando 4 testigos.
Las mediciones fueron realizadas en los laboratorios de IMT y de las
instituciones colaboradoras en el proyecto.
Los resultados obtenidos presentan a un concreto en el cabezal # 9 con una
densidad seca promedio de 2.24 gm/cm3 (mediciones: 2.304, 2.198, 2.221,
2.238 gm/cm3), un volumen de vacíos de 20.9% en promedio (mediciones:
18.7, 23.6, 21.8, 19.5 %) y fabricado con agregados de roca caliza triturada.
Estos resultados nos dan una idea que el concreto es de peso normal y que
posee un volumen de vacíos un tanto elevado para el ambiente al que está
expuesto (tropical-húmedo) por lo que agentes agresivos como los cloruros
podrían penetrar aceleradamente (como se comprobará con los resultados de
la determinación de concentraciones de cloruros totales en el concreto).
La prueba de resistencia en compresión, se realizó en los laboratorios del IMT
utilizando la Maquina Universal INSTRON. En esta prueba se intentó utilizar
los remanentes (parte más profunda) de los testigos de concreto utilizados para
determinar el frente de carbonatación. Se contó con únicamente con porciones
de dos testigos de concreto para realizar esta prueba. Durante el proceso de
cabeceo de estos testigos uno de ellos se rompió (presentaba una grieta
interna que se propago al sostener el testigo en el equipo de corte), dejándolo
con dimensiones muy pequeñas para realizar la prueba según norma. Del
testigo restante se le realizó dicha prueba dando como resultado una carga
máxima resistente de 38.1 KN, que al dividirla por el área de la sección
transversal del testigo proporcionó un valor de 24.3 MPa de resistencia en
compresión. Este resultado concuerda con el rango de valores de resistencia a
compresión que estipula el ACI 211.1 para concretos con una relación a/c
similares a los utilizados en la fabricación de esta estructura (para a/c de 0.54
el f’C es 30 MPa y para a/c de 0.61, f’C es 25 MPa).
Resistividad eléctrica del concreto
Se realizaron 12 mediciones de resistividades por el método de Werner,4
arrojando valores promedio de 1.0, 2.1, 1.9 y 0.9 KΩ-cm para las caras N
(mediciones: 1.63, 0.63 y 0.63 KΩ-cm), S (mediciones: 2.51, 1.57, 2.2 KΩ-cm),
E (mediciones: 2.2, 1.63 y 1.88 KΩ-cm) y O (mediciones: 0.94, 0.63 y 1.26 KΩcm) en el cabezal # 9 respectivamente. De confirmarse estos valores en otras
partes del muelle, se estaría teniendo riesgo grave de corrosión del refuerzo
pues está reportado que si el valor de la resistividad del concreto fuere menor
que 10 KΩ-cm, existe alto riesgo de generarse corrosión en el refuerzo.5
Profundidad de carbonatación
La profundidad de carbonatación fue medida con el procedimiento de vía
húmeda con solución de indicador ácido-base.5 Usando los 4 testigos enviados
al laboratorio de Concertación Industrial del IMT se estimó un valor promedio
de 7.3 mm (mediciones: 15, 0,0, 2.5 mm). A pesar de que el volumen de
vacíos es elevado en el concreto, la profundidad de la carbonatación obtenida
fue despreciable. El hecho de que el muelle se encuentre en una zona marina
tropical implica que el concreto se encuentra saturado de agua en sus poros
por lo que impediría la penetración del gas CO2, el cual generaría este
fenómeno conocido como carbonatación del concreto.5 Los resultados
comprueban este hecho.
Perfil de concentraciones de cloruros
Los resultados de perfil de concentraciones totales de cloruros, obtenidos
utilizando el procedimiento de la RED DURAR,5 de dos de los cuatro testigos
de concreto analizados se presentan en la Figura 4. Los resultados presentan
un perfil de concentraciones típico para concretos muy porosos fabricados con
agregados de la Península de Yucatán.9
El clima tropical marino del norte de la península de Yucatán ha sido
caracterizado por su agresividad atmosférica ubicándose en la escala de 5 de
la ISO,10 es decir, el más agresivo.
El hecho de ser las barras de refuerzo de los cabezales de acero inoxidable ha
permitido que el daño por corrosión sea nulo a la fecha. Revisando los
umbrales de concentraciones de cloruros reportados en la literatura12 se
determinó que los umbrales de cloruros para acero inoxidable tipo AISI 304 es
de entre 5% y 8% por peso de cemento para concretos con cantidades de
material cementante entre 400 y 500 kg/m3 (promedio 450 kg/m3), dando un
valor de umbral de cloruros en porcentaje en peso del concreto de
aproximadamente entre 1% y 1.6%. Con los valores estimados en esta
investigación se puede observar que las concentraciones medidas a la
profundidad de la barra se encuentran en los valores encontrados en la
literatura para iniciar la corrosión en las varillas de acero inoxidable del muelle.
Por lo que es necesario a corto plazo corroborar esta información con un
estudio mayor y sistemático mediante una inspección detallada más completa
que la que ahora se realizó en los cabezales mar adentro, los cuales se
especula que tengan una mayor contaminación por cloruros al estar más
expuestos estos a ciclos continuos de mojado y secado.
Figura 4.
Perfil de concentraciones de cloruros para dos testigos extraídos del cabezal #
9
Propiedades del acero
En la Figura 5 se presenta el resultado del análisis químico realizado con un
microscopio de barrido electrónico (SEM siglas en Inglés) realizado por la Dra.
Oladis Troconis de la Universidad de Zulia en Venezuela.
Como siguiente paso se llevo al cabo un estudio metalográfico de una muestra
de la misma varilla recibida en los laboratorios del IMT. La muestra se preparó
según el procedimiento de prueba IMT-EQ-N-03.14 Utilizando el procedimiento
de la norma ASTM E-112 se determinó que la muestra de acero inoxidable
recibida posee un tamaño nominal de grano ASTM del número 8.
Figura 5.
Espectro de la señal obtenida por con el microscopio de barrido electrónico, en
donde wt% = porcentaje en peso y at% = porcentaje atómico
Mediciones electroquímicas
Los valores de potencial de media celda (E) de las mediciones realizadas en el
cabezal # 9, se presentan en las Figuras 6 y 7. De estos resultados se puede
inferir que el rango de potenciales (vs CSE) en las caras N, S, E y O son,
respectivamente, -272 a -346 mV, -439 a -475 mV, -340 a -553 mV, y -357 a 475 mV. La gran mayoría los valores reportados en esta tabla, a excepción de
la cara N, corresponden a situaciones de despasivación y corrosión del acero
inoxidable (valores más negativos que -280 mV vs CSE).15
De los valores de velocidad de corrosión aparente (VCA, en μA/cm2) medidos
en las cuatro caras del cabezal # 9, se puede percatar que la cara N presenta
mediciones con valores representativos de acero pasivo (sin corrosión). En
contraste, los valores de las tres caras restantes presentan a un acero activo
por corrosión.
La concordancia entre E y VCA permite suponer que las mediciones
electroquímicas anuncian que el acero inoxidable se encuentra ya en su etapa
de activación por corrosión. De acuerdo a reportes previos sobre el estado del
Muelle,13 se ha presentado corrosión por esfuerzo en el acero inoxidable en las
áreas descubiertas del mismo cabezal, que fueron reevaluadas en esta
ocasión, pero no se realizó ninguna evaluación electroquímica en esa fecha
(1998) para sustentar que la barra embebida se encontraba activa.
Figura 6.
Valores de potencial de media celda (E) vs CSE (línea azul) y la velocidad de
corrosión aparente (VCA) en el cabezal # 9, caras Norte y Sur
Figura 7
Valores de potencial de media celda (E) vs CSE (línea azul) y la velocidad de
corrosión aparente (VCA) en el cabezal # 9, caras Este y Oeste
Conclusiones y recomendaciones
Con los resultados obtenidos en esta inspección preliminar se puede observar
a una estructura que con el paso de los más de 60 años de vida, presenta
síntomas de deterioro principalmente de tipo estructural. Pero, también, se
pudo percatar utilizando técnicas más sofisticadas, como por ejemplo técnicas
electroquímicas y la determinación de concentración de cloruros totales,
confirman que las barras de acero inoxidable del cabezal # 9 están en proceso
de corrosión y que debe de corroborarse esta situación mediante una
inspección más en detalle de cabezales mar adentro que pueden estar en una
situación más desfavorable que el cabezal # 9, ya que se encuentran en zonas
de ciclos más remarcados de humedad y secado.
Es por esto que se propone, previa autorización de las autoridades portuarias
competentes, la realización de una inspección detallada, en un futuro no muy
lejano, que incluya una evaluación a por lo menos tres entre-ejes más mar
adentro de manera similar a la realizada en el cabezal # 9.
De igual manera, se propone el realizar una evaluación de carácter estructural
mediante técnicas tales como pruebas dinámicas no-destructivas realizadas en
por lo menos tres entre-ejes que presenten grietas estructurales en los arcos y
tres entre-ejes que no presenten dicho daño. Como resultado de estos
estudios se esperan determinar con exactitud las características físicas y
químicas de los materiales empleados que permitan un cálculo de vida útil
residual y una estrategia de intervención y mantenimiento en función de ella.
Bibliografía
1.
A. Christensen, “Pier at Progreso,” in 50 years of civil engineering, (Christiani &
Nielsen: Copenhagen, Denmark, 1954).
2.
ASTM C-39, “Standard test method for compressive strength of cylindrical
concrete specimens,” American Society of Testing Materials, (ASTM: West
Conshohocken, PA, USA, 2001).
3.
ASTM C-642, “Standard test method for density, absorption, and voids in
hardened concrete,” American Society of Testing Materials, (ASTM: West
Conshohocken, PA, USA, 2001).
4.
ASTM G-57, “Standard test method for field measurement of soil resistivity using
the Wenner four-electrode method,” American Society of Testing Materials, (ASTM:
West Conshohocken, PA, USA, 2001).
5.
RED DURAR, “Manual de inspección, evaluación y diagnóstico de corrosión en
estructuras de hormigón armado,” Maracaibo, Venezuela, (CYTED: 1997) ISBN 980296-541-3.
6.
ASTM C-1152, “Standard test method for acid-soluble chloride in mortar and
concrete,” American Society of Testing Materials, (ASTM: West Conshohocken, PA,
USA, 2001).
7.
ASTM E-112, “Standard test methods for determining average grain size,”
American Society of Testing Materials, (ASTM: West Conshohocken, PA, USA, 2001).
ASTM C-876, “Standard test method for half-cell potentials of uncoated
8.
reinforcing steel in concrete,” American Society of Testing Materials, (ASTM: West
Conshohocken, PA, USA, 2001).
9.
P. Castro, “The atmospheric corrosion performance of reinforced concrete in the
Península of Yucatán, México. A review” , Corrosion Reviews, 17 (1999): p. 333.
10. L. Maldonado, L. Véleva, “Corrosivity category maps of a humid tropical
atmosphere: The Yucatan Peninsula”, Materials and Corrosion, 50 (1999): p. 261
11. P. Castro, “The chloride threshold for corrosion onset of reinforced concrete in
two tropical marine micro-climates of Yucatan-Mexico”, in Third International
Conference on Concrete under Severe Environments, Vol. 1, eds., N. Banthia, K. Sakai,
and O. Gjørv, (Vancouver, Canada: The University of British Columbia 2001): p. 151.
12. D. McDonald, M. Sherman, D. Pfeifer, and Y. Virmani, “Stainless steel
reinforcing as corrosion protection,” Concrete International, 17, 5(1995), p. 65.
13. Arminox and Rambøll, “Pier in Progreso, México. Inspection Report-Evaluation
of the Stainless Steel Reinforcement”, March (Arminox: Job No. 990022, 1999).
14. IMT-EQ-N-03, “Métodos para la preparación de probetas metalográficas (IMT:
Sanfandila, Querétaro, México, 1996)
15. F. Cui, and A. Sagües, “Corrosion Behavior of Stainless Steel Clad Bar,” Paper
No. 01645, CORROSION/2001.
TORRES, Andrés
CASTRO, Pedro
MORENO, Eric
MARTÍNEZ, Miguel
PÉREZ, Trinidad
DEL VALLE, Angélica
“El muelle de progreso Yucatán. Ejemplo de estructura durable”
Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila, Qro., 2005. elaborada por los mismos autores, el segundo
investigador del Centro de Investigaciones y Estudios Superiores, Unidad Mérida, y el tercero investigador
de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán. Los demás son investigadores del
Instituto Mexicano del Transporte.
*Documento de TORRES ACOSTA, Andrés A; Pedro CASTRO; Eric I. MORENO; Miguel MARTÍNEZ, Trinidad PÉREZ
y Angélica DEL VALLE,”El muelle de progreso Yucatán. Ejemplo de estructura durable”, Instituto Mexicano del
Transporte, Sanfandila, Qro, 2005

Documentos relacionados