Tesis:
Estudio de la carbonatación de hormigones sometidos a alta contaminación en túneles urbanos
- Autor: LÓPEZ DE ABAJO LÓPEZ, Lucía
- Título: Estudio de la carbonatación de hormigones sometidos a alta contaminación en túneles urbanos
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: CONSTRUCCION
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76782/
- Director/a 1º: GARCÍA ALBERTI, Marcos
- Director/a 2º: GÁLVEZ RUIZ, Jaime C.
- Resumen: La corrosión del acero de refuerzo del hormigón armado y pretensado se considera la causa más relevante de patologías de estructuras realizadas con este material; y uno de los deterioros más comunes relacionados con la durabilidad de sus armaduras es la carbonatación, que puede acortar considerablemente la vida útil de las estructuras. La carbonatación del hormigón se produce por la exposición del material al CO2 del ambiente, que tiene como consecuencia una reducción del pH del material, lo que puede conducir a la despasivación de las armaduras. El incremento de las concentraciones de CO2 en las últimas décadas, sumado a las elevadas emisiones de este gas producidas por el transporte en medios urbanos y a la particularidad de que en el interior de los túneles las concentraciones de estas emisiones son más elevadas, hace que el hormigón que conforma la estructura de los túneles urbanos se encuentre sometido a altas concentraciones de CO2 que afectan a su durabilidad. Con el objetivo de evitar la degradación temprana de estas estructuras y alargar su vida útil, debe conocerse su estado de deterioro y la evolución del daño producido por carbonatación. Para ello, de forma adicional a las operaciones de mantenimiento y conservación de las infraestructuras, es de gran importancia poder predecir su estado futuro a partir de modelos de deterioro.
Por otro lado, las emisiones de gases contaminantes en el interior de los túneles urbanos proceden de los motores de los vehículos que circulan por sus calzadas, por lo que resulta de especial relevancia poder correlacionar la intensidad del tráfico circulante con las emisiones producidas. Adicionalmente, dentro de estas infraestructuras urbanas, Madrid Calle 30 y, en particular, sus túneles del sector suroeste, cuentan con elevadas intensidades de tráfico y constituyen una de las infraestructuras más relevantes de Europa.
En esta Tesis se han desarrollado herramientas y mediciones que permiten evaluar el avance de la carbonatación en hormigones sometidos a ambientes de alta contaminación. Para ello se ha elaborado un modelo numérico basado en la formulación propuesta por otros autores y adaptado a los condicionantes propios de los túneles urbanos. Se ha llevado a cabo también una amplia campaña experimental que ha permitido calibrar el modelo numérico a partir de materiales de base cemento fabricados en laboratorio; además, se han extraído testigos de la galería de ventilación 14XV35 de los túneles de Calle 30 en Madrid, que han permitido validar los resultados del modelo. Adicionalmente, se ha realizado un estudio de las concentraciones de gases en el interior de esta galería de ventilación y su correlación con el tráfico y el parque circulante existente en la zona de estudio que permitió, por un lado, determinar las concentraciones de CO2 a las que se había visto expuesta la galería desde su construcción en 2007 hasta la actualidad; y, por otro, realizar una estimación de las concentraciones a las que se verá expuesto el hormigón de la galería en el futuro, tras 50 años de servicio.
De esta manera, los resultados obtenidos podrían resumirse en los siguientes objetivos alcanzados:
• Estudiar el proceso de la carbonatación en condiciones naturales y aceleradas en materiales de base cemento fabricados en laboratorio.
• Analizar el grado de deterioro del hormigón de la galería de ventilación 14XV35 de los túneles de Calle 30.
• Obtener, a partir de la campaña experimental y el estudio de tráfico, parámetros y resultados para calibrar, verificar y validar un modelo numérico de predicción de vida útil frente a carbonatación en túneles urbanos.
• Desarrollar un modelo numérico de análisis de ciclo de vida de hormigones sometidos a ambientes de alta contaminación, particularizado para las condiciones específicas de los túneles urbanos, capaz de predecir su vida útil y estado de deterioro, así como la predicción de su evolución en el futuro de cara a planificar su conservación y mantenimiento.
Por tanto, a partir de la presente investigación ha sido posible tener un conocimiento más profundo sobre la carbonatación de elementos estructurales de hormigón armado y pretensado sometidos a ambientes de alta contaminación y predecir el avance de este deterioro en el interior de la galería de ventilación 14XV35 de los túneles de Calle 30 en Madrid, que se trata de una infraestructura de gran envergadura, sometida a altas intensidades de tráfico y de gran relevancia para la ciudad.
ABSTRACT
The corrosion of the reinforcement steel in reinforced and prestressed concrete is considered as the most relevant cause of pathologies in structures built using this material; and one of the most frequent forms of deterioration of the durability of reinforced steel is concrete carbonation, as it can significantly shorten the service life of structures. Concrete carbonation occurs when the material is exposed to the environmental CO2, and it results in a reduction of the material's pH that can lead to the depassivation of the reinforcement steel. The increase of CO2 concentrations in recent decades, combined with the high emissions of this gas coming from urban transportation and the fact that these emissions are higher inside tunnels, exposes the concrete in these structures to high CO2 concentrations, compromising its durability. In order to prevent the early degradation of these structures and to extend their service life, it is important to assess the damage caused by carbonation and its evolution. Therefore, in addition to maintenance and conservation operations, it is of great importance to be able to predict their future condition based on deterioration models.
Furthermore, emissions inside urban tunnels come from the engines of the vehicles which circulate on their roadways, so it is particularly relevant to be able to correlate the intensity of traffic with the emissions produced. Additionally, within these urban infrastructures, Madrid Calle 30 and, in particular, its South-West sector tunnels, constitute one of the most significant infrastructures in Europe, with high traffic intensities.
This Thesis has developed tools and measurements which allow to evaluate the progress of carbonation in concretes exposed to highly polluted environments. Thus, a numerical model has been developed, based on the formulation proposed by other authors and adapted to the specific conditions of urban tunnels. An extensive experimental campaign has also been conducted, which allowed the calibration of the numerical model using laboratory-manufactured cement-based materials. Additionally, core samples were extracted from the ventilation gallery 14XV35 of the Calle 30 tunnels in Madrid, which made it possible to validate the results of the model. Furthermore, a study of gas concentrations inside this ventilation gallery and its correlation with traffic and the existing vehicle fleet in the study area was conducted. This study allowed, on one hand, to determine the CO2 concentrations to which the gallery had been exposed since its construction in 2007 until the present time; and on the other hand, to estimate the concentrations to which the concrete in the gallery will be exposed in the future, after 50 years of service.
Thus, the obtained results could be summarised in the following achieved objectives:
• To study the carbonation process under natural and accelerated conditions in laboratory-manufactured cement-based materials.
• To analyse the degree of deterioration of the concrete in ventilation gallery 14XV35 of the Calle 30 tunnels.
• To obtain parameters and results from the experimental campaign and traffic study to calibrate, verify, and validate a numerical model for predicting service life against carbonation in urban tunnels.
• To develop a numerical model for life cycle analysis of concretes subjected to highly polluted environments, adapted to the specific conditions of urban tunnels, able of predicting their service life and deteriorated state, as well as predicting their future evolution for the purpose of planning their conservation and maintenance.
Therefore, through this research, it has been possible to obtain a deeper understanding of carbonation in structural elements of reinforced and prestressed concrete subjected to highly polluted environments and to predict the evolution of this pathology inside the ventilation gallery 14XV35 of the Calle 30 tunnels in Madrid, which is a large-scale infrastructure subjected to high traffic intensities and of great importance to the city.