Monitorización de la durabilidad de estructuras existentes de hormigón armado mediante la inserción de una red de sensores.

Abstract

[ES] La corrosión de las armaduras es una de las principales causas de deterioro y fallo prematuro de las estructuras de hormigón armado. La preocupación en torno a este fenómeno ha propiciado el desarrollo de numerosos sistemas de monitorización embebidos. Esta metodología de control permite detectar procesos de corrosión antes de que comprometan la seguridad estructural y, de esta forma, evitar costosas reparaciones. Sin embargo, los sistemas de monitorización existentes están basados normalmente en la inserción de un elemento sensor que permanece aislado eléctricamente del resto del armado de la estructura y sobre el que se aplica una técnica electroquímica de medida. Esta aproximación ignora los procesos de macrocelda que se generan, por lo que los resultados obtenidos no son representativos del estado real de las armaduras, pudiendo conducir a errores en la estimación del daño por corrosión. El presente trabajo recoge un análisis de los procesos de macrocelda que se producen internamente en las estructuras de hormigón armado y los factores que más influyen en la intensidad a la que se desarrollan. Además, y mediante un caso práctico de seguimiento de la corrosión en diferentes armaduras, este trabajo demuestra que las corrientes de macrocelda pueden incrementar de manera significativa la velocidad de corrosión y reducir el periodo de iniciación, por lo que no pueden ser ignoradas por los sistemas de monitorización. Como respuesta a las limitaciones de los sistemas embebidos empleados actualmente, en este trabajo se presenta un sistema de monitorización en continuo que incluye como sensor de corrosión un segmento de armadura conectado eléctricamente al armado de la estructura para hacerle partícipe de los procesos de macrocelda. De esta forma, el método de monitorización propuesto es capaz de ofrecer un resultado representativo del armado donde el sensor está embebido, ya que se tienen en cuenta tanto los fenómenos de macrocelda como de corrosión local. Para la determinación de la velocidad de corrosión local se propone asimismo una nueva técnica de medida basada en la voltametría mediante escalones de potencial y el estudio de la carga eléctrica acumulada y que, además, prácticamente no polariza la armadura. Asimismo, este procedimiento de medida incluye una secuencia de pulsos inicial para el cálculo de la resistencia óhmica, evitando la necesidad de calcular todos los componentes del circuito equivalente. El sistema de monitorización propuesto ha sido implementado y validado en diferentes probetas y elementos estructurales fabricados a escala reducida. Los resultados obtenidos han demostrado una gran precisión y una mejora en la fiabilidad respecto a los sistemas tradicionales, habiendo contrastado los resultados con métodos gravimétricos y técnicas electroquímicas de referencia.

[CA] La corrosió de les armadures és una de les principals causes de deteriorament i fallada prematura de les estructures de formigó armat. La preocupació al voltant d'aquest fenomen ha propiciat el desenvolupament de nombrosos sistemes de monitoratge embeguts. Aquesta metodologia de control permet detectar processos de corrosió abans que comprometen la seguretat estructural i, d'aquest mode, evitar costoses reparacions. No obstant això, els sistemes de monitoratge existents estan basats normalment en la inserció d'un element sensor que roman aïllat de la resta de l'armat de l'estructura. Sobre aquest element s'aplica una tècnica electroquímica de mesura de la corrosió. Aquesta aproximació ignora els processos de macrocelda que es generen i, per tant, els resultats obtinguts no són representatius de l'estat real de les armadures, el que pot conduir a errors en l'estimació del dany per corrosió. El present treball recull una anàlisi dels processos de macrocelda que es produeixen internament en les estructures de formigó armat i els factors que més influeixen en la intensitat a la qual es desenvolupen. A més a més, i mitjançant un cas pràctic de seguiment de la corrosió en diferents armadures, aquest treball demostra que els corrents de macrocelda poden incrementar de manera significativa la velocitat de corrosió i reduir el període d'iniciació, per la qual cosa no poden ser ignorats pels sistemes de monitoratge. Com una resposta a les limitacions dels sistemes utilitzats normalment, en aquest treball es presenta un sistema de monitoratge en continu que inclou com sensor de corrosió un segment d'armadura connectat elèctricament a l'armat de l'estructura per poder participar en els processos de macrocelda. D'aquesta manera, el mètode proposat és capaç d'oferir un resultat representatiu de l'armat on es troba el sensor, ja que es tenen en compte tant els fenòmens de macrocelda com de corrosió local. Així mateix, per a determinar la velocitat de corrosió local es proposa una nova tècnica de mesura basada en la voltametria mitjançant escalons de potencial i estudi de la càrrega elèctrica transferida, el qual pràcticament no polaritza l'armadura. A més a més, aquest procediment d'anàlisi inclou una seqüència de polsos inicial per al càlcul de la resistència òhmica, la qual cosa permet evitar la necessitat de calcular tots els components del circuit equivalent. El sistema de monitoratge proposat ha sigut implementat i validat en diferents provetes i elements estructurals fabricats a escala reduïda. Els resultats obtinguts han demostrat una gran precisió i una millora en la fiabilitat respecte als sistemes tradicionals. Aquestes dades han sigut validades mitjançant mètodes gravimètrics i tècniques electroquímiques de referència.

[EN] Rebar corrosion is one of the main causes of deterioration and early failure of reinforced concrete structures. Concerns voiced about this phenomenon have favoured many embedded monitoring systems being developed. This control methodology allows corrosion processes to be detected before structural security is compromised and, thus, avoids costly repair works. However, today's monitoring systems are normally based on inserting a sensor element, which is electrically isolated from the remaining structure's reinforcement, and on applying an electrochemical measuring technique. As this approach ignores macrocell processes, the obtained results are not representative of the real rebar state and may lead to mistakes being made when estimating the corrosion damage. This work analyses internally produced macrocell processes in reinforced concrete structures and the factors that most influence the intensity that these processes develop. With a practical corrosion follow-up case in different rebars, it also demonstrates that macrocell currents can significantly increase the corrosion rate and shorten the initiation period. Therefore, monitoring systems should not ignore these currents. To overcome the limitations of currently used embedded systems, an innovative alternative is presented. The system presented includes a rebar segment that is electrically connected to the structure's reinforcements to act as a corrosion sensor, so that it can participate in macrocell processes. Hence, the proposed monitoring method can provide representative outcomes for the rebars where the sensor is embedded by contemplating both macrocell and local corrosion processes. A new measuring technique is also proposed to determine the local corrosion rate. It is based on Potential Step Voltammetry (PSV) and on studying accumulated electric charge. The new technique does not practically polarize the rebar. This measurement procedure also includes an initial sequence to calculate the ohmic resistance in order to do away with having to determine all the equivalent circuit components. The proposed monitoring system has been implemented and validated in different test specimens and structural elements manufactured on a small scale. The obtained results demonstrated high precision and improved reliability compared to traditional systems. The results were compared to gravimetric methods and reference electrochemical techniques.