Detección de hidrógeno en estructuras de hormigón armado o pretensado mediante sensor electroquímico

Abstract

[ES] La detección de variaciones de disponibilidad de hidronio e hidrógeno en las estructuras de hormigón armado (EHA) y hormigón pretensado (EHP) es interesante debido a que el H+ /H2 interviene en reacciones que producen la pérdida de durabilidad de las mismas. El hidrógeno ataca a las armaduras de acero, ya que su reacción y recombinación molecular con los metales tiene un gran impacto en las propiedades mecánicas de estos, pudiendo producir la rotura frágil de la estructura lo que amenaza seriamente la seguridad de las personas, además de generar altos costes económicos. Además, el ataque por hidrógeno afecta particularmente a estructuras de industrias de alta sensibilidad, como por ejemplo son las centrales nucleares (edificios de contención de núcleo) industria química, etc. Existen otras reacciones en las que el H+ /H2 forma parte y que comprometen la durabilidad de la armadura como son la carbonatación del hormigón y el ataque por cloruros. Por lo tanto, la detección del H+ /H2 puede ayudarnos a evitar los problemas relacionados con la absorción del hidrógeno o hidronio en el acero y también a prevenir la corrosión de las armaduras cuando se produce la carbonatación del hormigón o el ataque de cloruros. Con el fin de prevenir o controlar estos fenómenos será eficaz el uso de sistemas de monitorización para controlar las condiciones de las armaduras embebidas en el hormigón y también identificar la presencia de sustancias agresivas en el interior del hormigón como el H2/H+ . Teniendo en cuenta el interés en la monitorización del H+ /H2 en las estructuras de hormigón y la escasa información disponible en la bibliografíaa, el objetivo de este trabajo ha sido comprobar la capacidad de los sensores voltamétricos de Rh, INOX 304 e INOX 316, desarrollados por el grupo de investigación SMART (Structural Monitoring And Remote Testing) de la UPV, para detectar y estimar la presencia de hidrógeno en la red porosa del hormigón. Para ello en primer lugar se analizaron los procesos que tienen lugar sobre la superficie del electrodo en disoluciones que simulaban distintas circunstancias de concentración de H+ y H2 que se pueden dar en el hormigón. Los resultados obtenidos se compararon con los encontrados en literatura. Finalizado el estudio en disolución, se prepararon probetas de tres tipos diferentes de hormigones convencionales sin adiciones en las que se embebieron los sensores voltamétricos. Estas probetas se sometieron a distintas atmósferas de hidrógeno. Los resultados se compararon con los obtenidos en disolución con el fin de valorar la capacidad de cada sensor para detectar hidrógeno cuando esta embebido en el hormigón. Tras analizar y comparar las respuestas de los distintos sensores, se determinó cuál de ellos tenía una mayor sensibilidad y por tanto permitirá establecer modelos de estimación más estables. A partir del sensor escogido se propone un primer protocolo de medida para la monitorización del hidrógeno disponible en las estructuras de hormigón armado.

[CA] La detecció de variacions de disponibilitat de hidronio i hidrogen en les estructures de formigó armat (EFA) i formigó pretesat (EFP) és interessant pel fet que l'H+ /H2 intervé en reaccions que produïxen la pèrdua de durabilitat d'estes. L'hidrogen ataca a les armadures d'acer, ja que la seua reacció i recombinació molecular amb els metalls té un gran impacte en les propietats mecàniques d'estos, podent produir el trencament fràgil de l'estructura el que amenaça seriosament la seguretat de les persones, a més de generar alts costos econòmics. A més, l'atac per hidrogen afecta particularment a estructures d'indústries d'alta sensibilitat, com per exemple són les centrals nuclears (edificis de contenció de nucli) indústria química, etc. Existixen altres reaccions en les quals l'H+ /H2 forma part i que comprometen la durabilitat de l'armadura com són la carbonatació del formigó i l'atac per clorurs. Per tant, la detecció de l'H+ /H2 pot ajudar-nos a evitar els problemes relacionats amb l'absorció de l'hidrogen o hidronio en l'acer i també a previndre la corrosió de les armadures quan es produïx la carbonatació del formigó o l'atac de clorurs. Amb la finalitat de previndre o controlar estos fenòmens serà eficaç l'ús de sistemes de monitoratge per a controlar les condicions de les armadures embegudes en el formigó i també identificar la presència de substàncies agressives a l'interior del formigó com l' H+ /H2. Tenint en compte l'interès en la monitorització de l'H+/H2 en les estructures de formigó i la poca informació disponible en la bibliografia, l'objectiu d'aquest treball ha estat comprovar la capacitat dels sensors voltamètrics de Rh, INOX 304 i INOX 316, desenvolupats pel grup d'investigació SMART (Structural Monitoring And Remote Testing) de la UPV, per detectar i estimar la presència d'hidrogen en la xarxa porosa del formigó. Per a això en primer lloc es van analitzar els processos que tenen lloc sobre la superfície de l'elèctrode en dissolucions que simulaven diferents circumstàncies de concentració d'H+ i H2 que es poden donar en el formigó. Els resultats obtinguts es van comparar amb els trobats en literatura. Finalitzat l'estudi en dissolució, es van preparar provetes de tres tipus diferents de formigons convencionals sense addicions en les quals es van embeure els sensors voltametrics. Estes provetes es van sotmetre a diferents atmosferes d'hidrogen. Els resultats es van comparar amb els obtinguts en dissolució amb la finalitat de valorar la capacitat de cada sensor per a detectar hidrogen quan esta embegut en el formigó. Després de analitzar i comparar les respostes dels diferents sensors, es va determinar quin d'ells tenia una major sensibilitat i per tant permetrà establir models d'estimació més estables. A partir del sensor triat es proposa un primer protocol de mesura per al monitoratge de l'hidrogen disponible en les estructures de formigó armat.

[EN] The detection of variations in the availability of hydronium and hydrogen in reinforced concrete (RCS) and prestressed concrete (PCS) structures is of interest because H+ /H2 is involved in reactions that lead to the loss of durability of these structures. Hydrogen attacks reinforcement bars, as its reaction and molecular recombination with metals has a great impact on the mechanical properties of the metals, and can lead to the brittle fracture of the structure, which seriously threatens the safety of people, as well as generating high economic costs. In addition, hydrogen attack particularly affects structures in highly sensitive industries, such as nuclear power plants (reactor buildings), chemical industry, etc. There are other reactions in which H+ /H2 is involved that compromise the durability of reinforcement such as concrete carbonation and chloride attack. Therefore, H+ /H2 detection can help us to avoid problems related to hydrogen or hydronium absorption in steel and also to prevent corrosion of rebars when concrete carbonation or chloride attack occurs. In order to prevent or control these phenomena, the use of monitoring systems to control the conditions of the rebars embedded in the concrete and also to identify the presence of aggressive substances inside the concrete such as H+ /H2 will be effective. Considering the interest of H+ /H2 in concrete structures and the limited information available in the literature, the objective of this work has been to verify the capability of Rh, INOX 304, and INOX 316 voltammetric sensors, developed by the SMART (Structural Monitoring And Remote Testing) research group at UPV, to detect and estimate the presence of hydrogen in the porous network of concrete. To this end, first of all, the processes that take place on the electrode surface in solutions simulating different circumstances of H+ and H2 concentration that can occur in concrete were analysed. The results obtained were compared with those found in the literature. At the end of the dissolution study, samples of three different types of conventional concrete without additions were prepared and the voltammetric sensors were embedded in them. These samples were subjected to different hydrogen atmospheres. The results were compared with those obtained in dissolution in order to assess the sensitivity of each sensor to detect hydrogen when embedded in the concrete. After analysing and comparing the responses of the different sensors, it was determined which of them had a higher sensitivity and therefore will allow more stable estimation models to be established. Based on the chosen sensor, a first measurement protocol for monitoring the hydrogen available in reinforced concrete structures is proposed.