EROSIN DEL CONCRETO EN ESTRUCTURAS HIDRULICASDIVULGADO POR EL
COMIT ACI 210Este informe describe las causas, control,
mantenimiento y reparacin de erosin en estructuras hidrulicas. Tal
erosin se produce por tres causas principales: Cavitacin, abrasin y
al ataque qumico. Se discuten los parmetros de diseo, seleccin y
calidad de materiales, factores ambientales y otros temas que
afectan el funcionamiento del hormign.Existe evidencia para sugerir
que dadas las caractersticas de funcionamiento y las condiciones a
las que se sometern una estructura hidrulica, puede ser diseado
para mitigar la erosin futura del hormign. Sin embargo, factores
operativos cambian o no se conocen claramente y por lo tanto se
produce la erosin de superficies concretas y las reparaciones deben
seguir. Este informe trata del tema de la erosin concreta y
reparacin, proporciona numerosas referencias al tratamiento del
tema.PARTE I - CAUSAS DE EROSINCAPTULO 1- INTRODUCCINLa erosin se
define como la desintegracin progresiva de un slido por cavitacin,
abrasin o accin qumica. Este informe se refiere: 1) la erosin por
cavitacin resulta del colapso de las burbujas de vapor formadas por
cambios de presin dentro de un flujo de agua de alta velocidad; 2)
erosin por abrasin del concreto en estructuras hidrulicas causadas
por sedimento transportado por el agua, arena, grava, hielo o los
desechos; y 3) desintegracin del hormign en estructuras hidrulicas
por ataque qumico. Otros tipos de deterioro del concreto estn fuera
del alcance de este informe.Ordinariamente, concreto en estructuras
hidrulicas correctamente diseadas, construidas, usadas y mantenidas
ser sometido a aos de servicio sin erosin. Sin embargo, para una
variedad de razones incluyendo inadecuado diseo, construccin o los
cambios operacionales y ambientales, la erosin ocurre en
estructuras hidrulicas.
CAPTULO 2-EROSIN POR CAVITACIN2.1 mecanismo de cavitacin.La
cavitacin es la formacin de burbujas o cavidades en un lquido. En
estructuras hidrulicas, el lquido es agua, y las cavidades se
llenan de aire y vapor de agua. La forma de las cavidades donde la
presin local cae a un valor que har que el agua se vaporice a la
temperatura del fluido imperante. Figura 2.1 muestra ejemplos de
irregularidades de la superficie concretas que pueden desencadenar
la formacin de estas cavidades. La cada de presin causada por estas
irregularidades es en general abrupta y es causada por altas
velocidades locales y curvadas lneas aerodinmicas. Cavidades a
menudo comienzan a formarse cerca de curvas o compensaciones en un
lmite de flujo o en los centros de vrtices.Cuando la geometra de
los lmites de flujo hace que optimiza la curva o convergen, se
reducir la presin en direccin hacia el centro de la curvatura o en
la direccin a lo largo de las lneas convergentes. Por ejemplo,
Fig.2.2 muestra una contraccin de tnel en el que una nube de
cavidades podra comenzar a formarse en el punto C y luego colapsar
en el punto D.
La velocidad de cerca de punto C es mucho ms alta que el
promedio de la velocidad en el tnel de aguas arriba, y las lneas
aerodinmicas cerca del punto C se curvan. As, para valores de
velocidad y tnel de presin a 0, bajar la presin local cerca de
punto C a la presin de vapor de agua y las cavidades se producirn.
Se produce el dao por cavitacin cuando las cavidades de vapor
colapsan. Los colapsos que se producen cerca del punto D producen
presiones instantneas muy altos que tienen un impacto en las
superficies lmites y causa picaduras, el ruido y la vibracin.
Picaduras por cavitacin se distingue fcilmente de la apariencia
desgastada por abrasin debido fosas cavitacin cortar alrededor de
las partculas de agregado grueso y duro-tienen bordes irregulares y
speras. 2.2 ndice de CavitacinEl ndice de cavitacin es una medida
adimensional utilizada para caracterizar la susceptibilidad de un
sistema de cavitacin. Figura 2.2 ilustra el concepto del ndice de
cavitacin. En tal sistema, la situacin crtica para la cavitacin es
en el punto C.La presin del fluido esttica en la ubicacin 1
ser:
Dnde, es la presin esttica absoluta en el punto C; y es el peso
especfico del lquido (peso por unidad de volumen); es la elevacin
en el punto C; y la elevacin de 0. La cada de presin en el lquido
que se mueve a lo largo de una lnea aerodinmica desde la referencia
de ubicacin 0 -1 ubicacin ser:
Donde es la presin esttica en 0. El ndice de cavitacin
normaliza, esta cada de presin es a la presin dinmica
Donde es la densidad del lquido (masa por unidad volumen) y es
la velocidad del fluido en 0.2.3 Daos de CavitacinLas Burbujas de
cavitacin crecern y viajan con el agua que fluye a un rea en el
campo de presin provocar el colapso. El Dao por cavitacin puede
comenzar en ese momento. Cuando una burbuja de cavitacin se
derrumba o socava cerca o contra una superficie slida, se genera
una presin extremadamente alta, que acta sobre un rea infinitesimal
de la cara sur por un perodo de tiempo muy corto. Una sucesin de
estos impactos de alta energa puede daar casi cualquier slido
material. Ensayos sobre metales blandos mostraran dao inicial de
cavitacin en forma de pequeos crteres.Las etapas avanzadas de dao
muestran una textura de panal extremadamente rugosa con algunos
agujeros que penetran en el espesor del metal. Este tipo de
picadura ocurre a menudo en los impeledores de la bomba y
propulsores marinas.La progresin de la erosin de la cavitacin en
concreto es no tan bien documentado como lo es en los metales. Para
ambas clases de material, sin embargo, avanza la erosin rpidamente
despus de un perodo inicial de la exposicin ligeramente pone spera
la superficie con pequeos crteres o fosas. Las explicaciones
posibles son que:a) el material inmediatamente debajo de la
superficie es ms vulnerable al ataque,b) los impactos de la
cavitacin se centran en la geometra de los pozos o c) la estructura
del material se ha debilitado por repetidas cargas (fatiga). En
cualquier caso, la fotografa de la figura 2.3 muestra claramente
una tendencia a la erosin de la matriz del mortero y socavar el
agregado.
Figura 2.3- Erosin de la cavitacin de la pared de aspiracin de
una cerradura de navegacin en el punto de contraccin de tnel.
Daos severos por cavitacin tpicamente formarn una configuracin
del rbol de Navidad en superficies de conducto aliviadero aguas
abajo desde el punto de origen como se muestra en la figura
2.4.Figura 2.4- rbol de Navidad" configuracin del dao de la
cavitacin sobre una superficie de tnel de alta de la cabeza.
Figura 2.5 muestra el avance de la erosin de aguas abajo de
hormign de los que sobresalen los pernos usados para generar
cavitacin.
Figura 2.5
Figura 2.6 muestra daos de cavitacin en paneles de prueba despus
de 47 horas de exposicin a los flujos de alta velocidad superior a
100 pies por segundo (ft/seg) [40 metros por segundo (m/seg)].
Figura 2.6
Figura 2.7 muestra cavitacin con severo daos ocurridos a la tapa
del cubo y las paredes de la formacin de una estructura de salida
en presa Lucky Peak, Idaho. En este caso, el agua a velocidades de
120 pies/seg (37 m/seg) pasadas a travs de una estructura de puerta
a un colector de salida abierta.
Figura 2.7
Figura 2.8 muestra cavitacin con dao al lado de un bloque de
deflector y el suelo en la cuenca de stilling en perca plateada
Afterbay Dam, Montana.
Figura 2.8
CAPTULO 3-LA EROSIN POR ABRASIN3.1 GeneralLa erosin por abrasin
se da a consecuencia de los efectos abrasivos del lgamo transmitido
por el agua, arena, grava, rocas, hielo y otros desechos que
inciden en la superficie de hormign durante el funcionamiento de
una estructura hidrulica. Erosin por abrasin se reconoce fcilmente
por la superficie de hormign lisa, desgastado-aparicin, que se
distingue de los pequeos agujeros y hoyos formados por la erosin de
la cavitacin, como puede ser comparada en Fig. 2.8 y 3.1.
Figura 3.1
Estructuras hidrulicas con distintos aliviaderos tambin estn
sujetos a daos de erosin de la abrasin.Las guarniciones de concreto
del tnel son susceptibles a daos de erosin de la abrasin,
especialmente cuando el agua lleva grandes cantidades de arena,
grava, piedras y otros desechos. Ha habido muchos casos donde el
hormign en dos tneles de desviacin temporal y permanente tiene
experimentados daos de erosin de la abrasin.
CAPTULO 4-EROSIN POR ATAQUE QUMICO4.1 Fuentes de ataque
qumicoLos compuestos presentes en endurecido de cemento portland
son atacados por el agua y por muchas soluciones de sal y cidas;
Afortunadamente, en la mayora de las estructuras hidrulicas, la
accin nociva sobre una masa de endurecido cemento portland con una
baja permeabilidad es tan lenta e irrelevante. Sin embargo, hay
situaciones en que el ataque qumico puede convertirse en graves y
acelerar deterioracin y erosin del hormign.Entornos cidos pueden
resultar en un deterioro de las superficies de concreto expuestos.
El ambiente cido puede variar desde bajas concentraciones de cido
encontradas en agua libre de minerales a altas concentraciones de
cido encontrado en muchas plantas de procesamiento. Ambientes
alcalinos tambin pueden causar deterioro de hormign. En presencia
de humedad, suelos alcalinos que contienen sulfatos de magnesio,
sodio y calcio atacan al concreto, formando compuestos qumicos que
beben agua hinchndose y pueden daar el concreto. Sulfuro de
hidrgeno a la corrosin, una forma de ataque cido, es comn en
sistemas spticos sanitarios. Bajo ciertas condiciones con esta
corrosin puede ser muy grave y causar falla temprana de un sistema
sanitario.
PARTE 2-CONTROL DE LA EROSINCAPTULO 5--CONTROL DE LA EROSIN DE
LA CAVITACIN5.1 Principios de diseo de Hidrulicas.En el captulo 2,
el ndice de cavitacin se defini por la ecuacin (a). Cuando comienza
el valor de en que daan la cavitacin es conocido, un diseador puede
calcular las combinaciones de velocidad y la presin que evitarn
problemas. Para producir un diseo seguro, el objeto es asegurar que
las presiones de operacin reales y velocidades producirn un valor
mayor que el valor en el cual dao comienza.5.2 ndices de Cavitacin
por daos y tolerancias de construccin.Un diseador no debe valores
de cavitacin sin estudiar las referencias. Algunas de las razones
para esto son:a. las circunstancias exactas de la geometra y la
prueba deben ser entendidas.b. autores utilizan diferentes lugares
para la determinacin de los parmetros de referencia de la ecuacin
(2-l). Sin embargo, la forma general de la ecuacin (2-l) es
aceptada por los profesionales en el campo.c. similitud en el
modelo es difcil de lograr. Muchos de los detalles esenciales
implicados en las referencias originales son explicados en Hamilton
(1983 y 1984).
5,3-Uso de aireacin para controlar el daoPruebas de laboratorio
y de campo han demostrado que superficie irregular no daar la
cavitacin si la proporcin de aire y agua en las capas de agua cerca
de la frontera slida es alrededor del 8 por ciento en volumen. El
aire en el agua deber distribuirse uniformemente bastante en
pequeas burbujas. Cuando los clculos muestran que el flujo sin
aireacin es susceptible de causar dao, o cuando ha producido daos a
la estructura y aireacin parece ser un remedio, el problema es
doble: a) el aire debe introducirse en el agua que fluye y b) una
porcin de ese aire debe permanecer cerca del lmite de
flujo/concreto donde va a ser til. La migracin de las burbujas de
aire consiste en dos principios: a) las burbujas en el agua moverse
en una direccin de disminuir la presin del agua, y b) turbulencia
dispersa las burbujas de las regiones de concentracin elevada del
aire hacia las regiones de baja concentracin.
5.4 La fatiga causada por la vibracinEn concreto, la fatiga
flexural normalmente se piensa en trminos de vigas flexin bajo
repetidas amplitudes relativamente altas y baja frecuencia cargas.
Una masa de hormign en la superficie de un enchufe o vertedero
ordinariamente no se doble, pero vibran. En este caso, la
deformacin es tridimensional con amplitud baja y alta frecuencia.
Por ejemplo, en Mc Nary Dam midi la vibracin como 0,00002 pulgadas
(0,00051 mm) y 150 ciclos por segundo (cps) de la direccin
transversal. Desafortunadamente, no hay ningn estudio inform de
hormign fatiga causada por la vibracin.5.5 MaterialesAunque
apropiada seleccin del material puede aumentar la resistencia de la
cavitacin del concreto, la solucin slo totalmente eficaz es reducir
o eliminar los factores que desencadenan la cavitacin, porque
incluso los materiales ms fuertes no pueden resistir las fuerzas de
la cavitacin indefinidamente. La dificultad es que en la reparacin
de estructuras daadas, la reduccin o eliminacin de la cavitacin
puede ser muy difcil y costoso. La mejor solucin es reemplazar el
hormign daado con materiales ms resistentes a la erosin.5.6 Pruebas
de MaterialesDebido al enorme tamao de la mayora de las estructuras
hidrulica, pruebas del prototipo a escala real no suele ser
posible. El Modelo a prueba puede identificar muchas reas del
problema potencial, pero determinar el efecto final de fuerzas
hidrulicas en la estructura requiere un juicio. En algunos casos,
es deseable para evaluar un material despus de que se ha visto
sometido a corrientes de una magnitud acerca que espera durante la
operacin de las instalaciones durante un perodo razonable de
tiempo.
5.7 Prcticas de ConstruccinPrcticas de construccin estn de
primordial importancia cuando las superficies hidrulicas pueden
estar expuestas a alta velocidad del flujo, particularmente si no
se incorporan dispositivos de aireacin en el diseo. Estas
superficies deben estar lo ms suaves que puedan obtenerse
prcticamente (Schrader 1983b). Las deficiencias e imperfecciones
superficiales se causan daos de cavitacin a velocidades de flujo de
apenas 26 ft/sec (8 m/seg). Las compensaciones no mayores de
pulgada (3 mm) de altura causan daos de cavitacin a velocidades de
flujo de apenas 82 ft/seg. (25 m/seg). Remendar las reparaciones
incorrectamente en el momento de la construccin se han sabido para
fallar bajo la presin del flujo de agua o por otras razones,
proporcionando las imperfecciones superficiales que provocaron daos
de cavitacin en el hormign ms lejos ro abajo.Si existe la
posibilidad de daos por cavitacin, se debe tener cuidado en la
colocacin de la armadura. Las barras ms cercanas a la superficie
deben ser colocadas en paralelo a la direccin del flujo a fin de
ofrecer la menor resistencia al flujo en el caso de que la erosin
alcanza la profundidad del refuerzo. Dao considerable se ha
experimentado en el que el refuerzo cerca de la superficie es
normal a la direccin del flujo.
CAPTULO 6-CONTROL DE LA EROSIN DE LA ABRASIN6.1 Consideraciones
hidrulicas.Bajo condiciones de flujo apropiado y el transporte de
escombros, todos los materiales de construccin est utilizados
actualmente en estructuras hidrulicas son algunos grados
susceptible a la abrasin. Mientras que las mejoras en los
materiales deben reducir el ndice de dao, esto solo no solucionar
el problema. Hasta que las condiciones hidrulicas adversas que
pueden causar daos de erosin de la abrasin estn minimizadas o
eliminadas, es extremadamente difcil para cualquiera de los
materiales de construccin que se utiliza actualmente para realizar
de la manera deseada. Antes de la construccin o reparacin de
grandes estructuras, debern realizarse estudios de modelo hidrulico
de la estructura para identificar posibles causas de dao por erosin
y evaluar la efectividad de diversas modificaciones en la
eliminacin de esas indeseables condiciones hidrulicas. Si los
resultados de la prueba del modelo indican que es no practica para
eliminar las condiciones hidrulicas indeseables, deben adoptarse
disposiciones en diseo para minimizar los daos futuros. Por
ejemplo, las prcticas de buen diseo deben considerar las siguientes
medidas en la construccin o reparacin de aquietar las cuencas: a.
incluir disposiciones tales como trampas de escombros o paredes de
divisin baja para reducir al mnimo la circulacin de los desechos.
b. Evite el uso de los bafles que estn conectados a aquietar las
paredes del lavabo. Como alternativa, teniendo en cuenta su
susceptibilidad a la erosin, evitar uso de equipamiento tales como
conducto de bloques y deflectores en conjunto cuando el diseo lo
hace posible. c. utilizar pruebas modelo para el diseo y
detallamiento de la terminal de la cuenca stilling y el canal de
salida, con el fin de maximizar la limpieza de la cuenca stilling y
para reducir al mnimo las posibilidades de los escombros desde el
canal de salida, entrando en la cuenca.Mantener flujos equilibrados
en las cuencas de las estructuras existentes, utilizando todas las
puertas, para evitar condiciones de descarga donde la separacin del
flujo y la accin de remolino son prevalentes. Descargas
sustanciales que pueden proporcionar un buen salto hidrulico sin
crear accin de remolino, se debe publicar peridicamente en un
intento para eliminar los residuos de la cuenca stilling.
Orientacin en cuanto a las relaciones de descarga de agua necesaria
para el enjuague debe ser desarrollado a travs de modelo o
prototipo de pruebas o ambos. Deben darse las inspecciones
peridicas para determinar la presencia de residuos en la cuenca de
stilling y el grado de erosin. Si no puede quitar los escombros por
las operaciones de lavado, comunicados de agua deben ser cerrados y
la cuenca del limpiado por otros medios.6.2-MaterialesMateriales,
mezclas y prcticas de construccin deben ser evaluados antes de
usarlo en estructuras hidrulicas sujeta al dao de la
abrasin-erosin. ASTM C1138 cubre un procedimiento para determinar
la resistencia relativa de hormign a la abrasin bajo el agua. Este
procedimiento simula la accin abrasiva de las partculas
transmitidas por el agua (limo, arena, grava y otros objetos
slidos). 6.3-Prueba de MaterialesUn nmero de materiales y tcnicas
se han utilizado en la construccin y reparacin de estructuras
sometidas a dao de la erosin de la abrasin, con distintos grados de
xito. El grado de xito es inversamente proporcional al grado de
exposicin a las condiciones propicias para daos erosin (McDonald '
s 1980). No solo material ha demostrado consistentemente?
rendimiento superior en comparacin con otros. Mejoras en los
materiales se esperan reducir la tasa de dao concreto debido a la
erosin de la abrasin. Los siguientes factores deben considerarse al
elegir materiales resistentes a la abrasin.Hormign resistente a la
abrasin debe incluir la partcula agregada de mayor tamao mximo, la
cantidad mxima del ms rido grueso disponible y la menor relacin
material agua-cemento prctica. La resistencia de abrasin-erosin de
concreto que contiene agregado Chert-Xert ha demostrado ser
aproximadamente el doble de cemento que contiene piedra caliza
(Fig. 6.1). Dado un agregado bien, cualquier prctica que produce
una fuerte estructura de pasta aumentar la resistencia de la
abrasin-erosin. En algunos casos donde no estaba disponible
agregado duro, alta gama Aditivos reductores de agua y humo de
slice se han utilizado para elaborar concreto muy fuerte es decir,
de hormign con una resistencia a la compresin de unos 15.000 psi
(100 MPa) y para superar problemas con agregado insatisfactorio
(Holanda, 1983). Al parecer, en estas fortalezas altas resistencia
a la compresin, la pasta de cemento endurecido asume un papel mayor
en la resistencia al dao por abrasin-erosin y la calidad total se
convierte en correspondiente importantes.Concreto, cuando Lola
contraccin-compensadores de cemento y debidamente proporcionados y
curado, tiene una resistencia a la abrasin de 30 a 40 por ciento ms
alto que el hormign de cemento portland de comparable mezcla
proporciones, ACI 223 (1970) y Klieger y Greening (1969).Concreto
reforzado con fibra de acero tiene tpicamente ms pasta y mortero
por unidad de volumen de concreto y por lo tanto menos rido grueso
de hormigones convencionales comparables. En consecuencia, concreto
reforzado con fibra se esperara a tener una menor resistencia a la
abrasin-erosin en comparacin con el hormign convencional. En
pruebas de laboratorio, la prdida de la abrasin de una gama de
mezclas de hormign reforzado con fibra fue consistentemente ms alta
que el de mezclas de hormign convencionales con la misma relacin
agua-cemento y rido tipo (Liu y McDonald, 1981).Sin embargo, la
fuerza de impacto mejorada de concreto fiber-reinforced (Schrader,
1981) puede esperarse para reducir el desprendimiento de hormign
donde la basura grande est siendo transportado por el flujo de alta
velocidad (ACI 544.1R, 1982). La resistencia de abrasin-erosin de
vaco-tratado de hormign, hormign polmero, hormign polmero
impregnado y concreto de cemento Prtland y polmero es
significativamente superior a la de los hormigones convencionales
comparables. Esto se atribuye a una matriz de cemento ms fuerte. El
aumento de los costos asociados con los materiales, produccin y
comercializacin de stos y cualquier otro hormign especial en
comparacin con el concreto convencional deben considerarse durante
el proceso de evaluacin.Varios tipos de recubrimientos de
superficie han exhibido resistencia buena abrasin-erosin en pruebas
de laboratorio. Estos incluyen poliuretanos, mortero de resinas
epoxi, resina forman mortero, mortero acrlico y hierro-agregado
ingredientes. Problemas en la aplicacin de campo de superficie
capas han sido registrados (McDonald ' s 1980). Estos han sido
debidos principalmente a la preparacin incorrecta de la superficie
o trmica incompatibilidad entre recubrimientos y hormign. Ms
recientemente, han desarrollado formulaciones que tienen
coeficientes de expansin trmica ms similar a la del sustrato
concreto.CAPTULO 7-CONTROL DE LA EROSIN POR ATAQUE QUMICO7.1
Control de la erosin por el agua libre de mineralesEl ataque cido
suave posible con agua pura rara vez se convierte en el deterioro
que puede causar dao estructural severo. En general, el agua libre
de minerales se filtrar mortero sobre superficies expuestas a esta
agua. Esto puede ser visto en las superficies expuestas y en las
juntas y grietas en las secciones de hormign. Como el mortero se
lixivia superficie del hormign, ridos ms gruesos se expone, que
aliado Natur- disminuye la cantidad de mortero expuesta. Con menos
mortero expuesto, menos lixiviacin se produce, y por lo tanto los
principales problemas estructurales no suelen dar. la gradual la
erosin del mortero lixiviado puede ser minimizado mediante el uso
de los cementos especiales, la adicin de puzolana a las mezclas, o
el uso de una variedad de recubrimientos protectores y selladores
aplicados a superficies de hormign (Tuthill 1966).7.2-Control de la
erosin de la accin bacterianaEl proceso de generacin de sulfuro en
un alcantarillado sanitario cuando el oxgeno disuelto insuficiente
est presente en las aguas residuales se ha discutido e ilustrado
por una-WPCF ASCE Fuerza de Tarea Conjunta (1982). Este trabajo
original fue realizado por Pomeroy (1974). Continuando con el
trabajo de Pomeroy y Parkhurst, 1977, elabor un mtodo cuantitativo
para la prediccin de sulfuro. Los ingenieros que participan en
proyectos de esta naturaleza sera prudente revisar tambin las
recomendaciones contenidas en el Manual de Tubera de Concreto
ACPA.Conductos de hormign han servido en los sistemas de
alcantarillado durante muchos aos sin daos graves donde los
sistemas fueron correctamente diseados y operados. La velocidad
mnima ade-quate del flujo en las cloacas para la fuerza y la
temperatura de las aguas residuales es generalmente 2 ft/sec (0,6
m/seg). Proporcionando esta velocidad sin excesiva turbulencia y
proporcionar una ventilacin adecuada de las cloacas usualmente
previenen la erosin por accin bacteriana. Turbulencia debe evitarse
porque es un mecanismo de liberacin. Las condiciones son tales que
la generacin de no puede ser totalmente eliminada por el diseo del
sistema, entonces otros medios podrn aplicarse, tales como:
