ESTRUCTURA REFORZADA QUE COMPRENDE UNA MATRIZ CEMENTOSA Y ELEMENTOS DE METAL RECUBIERTOS CON ZINC Campo de la Invención La invención se relaciona a una matriz cementosa reforzada con elementos de metal recubiertos con zinc y a elementos de metal recubiertos con zinc para el refuerzo de una matriz cementosa. La invención además se relaciona a un método para inhibir la emisión de gas de hidrógeno durante el endurecimiento del concreto reforzado con elementos de metal recubiertos con zinc. Antecedentes de la Invención . Generalmente es conocido reforzar el concreto con elementos metálicos, tales como fibras de acero, por ejemplo para dar a la matriz las propiedades de tensión requeridas. Como las fibras de acero descubiertas pueden sufrir de corrosión, fibras de acero galvanizadas se han propuesto para dar a las fibras una resistencia a la corrosión a largo plazo. Los elementos de acero de refuerzo galvanizado son especialmente útiles para el refuerzo de concreto para propósitos de construcción mediante lo cual el concreto reforzado será expuesto a la intemperie antes de que comience la construcción, como por ejemplo en J a construcción de prefabpcac ón. Sin embargo, el uso de fibras de acero galvanizadas
en el concreto está creando problemas: durante el endurecimiento del concreto, la superficie galvanizada de los elementos de acero reaccionarán con el concreto alcalino para formar sales de zinc acompañadas por emisión de gas de hidrógeno. La emisión de gas de hidrógeno está conduciendo a problemas estéticos asi como problemas de resistencia y durabil i dad . Debido a la emisión de gas de hidrógeno en la mterfase de los elementos de metal y el concreto, la resistencia de unión entre los elementos de metal y el concreto es reducida. Esto da por resultado una reducción de la resistencia del concreto reforzado. El problema de durabilidad es el resultado de la reducción en el espesor del recubrimiento de zinc o de aleación de zinc debido a la reacción del recubrimiento de zinc o de aleación de zinc en el medio ambiente alcalino. Los problemas de las fibras de acero galvanizadas en el concreto se describe en "Effect of chemical-physical interact Lon between galvanized steel f bres y concrete", T. Belleze, R. Fratesi, C. Failla, 6h RILEM Symposaum on Fibre-Reinforced Concretes (FRC) BEFIB 2004, 20-22 Septiembre 2004, 239-248. Para prevenir la emisión de gas de hidrógeno, las superficies de zinc pueden ser pas vadas. Esto se puede
realizar al tratar Los elementos de acero galvanizados con un compuesto basado en cromo. También el cromato naturalmente presente en el concreto puede ser suficiente para proteger los elementos de acero galvanizados. Sin embargo, en años recientes se ha reconocido que el cromo hexavalente aumenta serios problemas ambientales y de salud. Consecuentemente, restricciones estrictas se han colocado sobre la cantidad de cromo hexavalente utilizado en un número de procesos industriales y productos como por ejemplo cemento y concreto. Otros intentos para proteger al acero galvanizado comprenden la aplicación de un recubrimiento de epox sobre el acero galvanizado. El uso del acero galvanizado recubierto con un recubrimiento de epoxi para reforzar el concreto es por ejemplo descri o en JP 53-078625. El recubrimiento de epoxi actúa solamente como una barrera contra un ambiente corrosivo. Si hay defectos en el recubrimiento de epox i a través de los cuales los agentes agresivos pueden penetrar la barrera, la corrosión se concentrará sobre estas áreas. Los defectos en el recubrimiento de esta manera causarán la emisión de gas de hidrógeno local y darán por resultado una pérdida de la resistencia de umon. La integridad del recubrimiento de epoxi es por lo tanto esencial ya que la película debe estar libre de poros, cuarteaduras y áreas dañadas.
Los recubrimientos de epoxi son frágiles. Los elementos de metal recubiertos de epoxi por lo tanto deben ser manejados con mucho cuidado durante el almacenamiento, transporte y manejo. Como el mezclado de los elementos de refuerzo en el concreto es una operación robusta mediante la cual los daños locales sobre la superficie de los elementos de refuerzo no son evitables, el uso de elementos de metal recubiertos de epoxi para el refuerzo de concreto no es una buena opción. Muchos inhibidores de corrosión conocidos en la técnica tales como fosfatos, silicatos, silanos, carbonatos y ácidos carbónicos, sulfuros y mercaptoderivados, aminas y sulfonatos se han probado. Sin embargo, estos inhibidores no dieron un resultado adecuado ya que no fueron capaces de evitar la emisión de gas de hidrógeno. Por lo tanto, la obtención de una protección adecuada del zinc o los elementos de metal recubiertos con zinc sin la utilización de compuestos de cromo y sin requerir un recubrimiento de barrera cerrado al 100% sigue siendo un problema y soluciones eficientes son todavía necesarias. Breve Descripción de la Invención Es un objetivo de la presente invención proporcionar una estructura reforzada que comprende una matriz, cementosa y elementos de metal re.cubiertos con zinc que evita las desventajas de la técnica previa.
Es otro objetivo de la invención proporcionar una estructura reforzada que está libre de cromo hexavalente. Es un objetivo adicional de la invención proporcionar un elemento de metal recubierto con zinc para el refuerzo de una matriz cementosa. Es todavía un objetivo adicional proporcionar un método para inhibir la emisión de gas de hidrógeno en la interfase de los elementos de metal recubiertos con zinc dispersados en una matriz cementosa durante el endurecimiento de la matriz cementosa. Además, es un objetivo proporcionar un método para incrementar la protección de corrosión a corto plazo de un elemento de metal recubierto con zinc dispersado en una matriz cementosa. De acuerdo con un primer especto de la presente invención se proporciona una estructura reforzada que comprende una matriz cementosa y elementos de metal recubiertos con zinc. Los elementos de metal recubiertos con zinc se llevan en la matriz cementosa y son circundados por la matriz cementosa, creando una inferíase de elemento de metal recubierto con zinc - matriz cementosa. La estructura reforzada de acuerdo con la presente invención comprende por lo menos en la interfase de los elementos de metal recubiertos con zinc y la matriz cementosa
un compuesto que da a los elementos de metal recubiertos con zinc protección catódica. El compuesto de selecciona del grupo que consiste de los imidazoles, los tpazoles y los tetrazoles. La función principal de este compuesto es evitar la emisión de gas de hidrógeno en la interfase de los elementos de metal recubiertos con zinc en la matriz cementosa durante el mezclado, vaciado, asentamiento y/o endurecimiento de la estructura reforzada. El periodo crítico en el cual la superficie galvanizada de los elementos de metal necesita protección es el periodo en el cual la matriz cementosa está endureciéndose, es decir, las primeras 24 horas hasta las primeras 72 horas después del vaciado. Para obtener una protección adecuada de los elementos de metal recubiertos con zinc, el compuesto de acuerdo con la presente invención de preferencia está presente en una concentración entre 0.005 y 2%, por ejemplo entre 0.04 y 0.2%. La concentración se expresa en % en peso con relación al agua de mezclado utilizada para preparar la matriz cementosa. En una modalidad preferida de la presente invención el irmdazol comprende silo 1-?m?dazol tal como N- (trime i 1 silil ) -imidazol o bencimidazol, tal como 2-mercaptobencimidazol o 2-mercapto-l -metí! bencimidazol . En la estructura reforzada de acuerdo con la
presente invención, el compuesto tiene que estar presente por lo menos en la interfase de los elementos de metal recubiertos con zinc y la matriz cementosa. Cualquier técnica que permita que el compuesto esté presente en la interfase de los elementos de metal recubiertos con zinc y la matriz cementosa se puede considerar que api ica al compuesto. En una primera modalidad, el compuesto se aplica sobre los elementos de metal recubiertos con zinc antes de que estos elementos de metal se introduzcan en la matriz cementosa. El compuesto puede ser, por ejemplo, incorporado en una capa de recubr miento aplicada sobre el elemento de metal recubierto con zinc antes de que estos elementos sean introducidos en La matriz cementosa. Como un ejemplo, el compuesto se puede adicionar a un pegamento o cola aplicado sobre los elementos de metal recubiertos con zinc antes de que estos elementos de metal sean introducidos en la matriz cementosa . En una modalidad alternativa, el compuesto se adiciona a la matriz cementosa o a por lo menos un componente de la matriz cementosa y los elementos de metal recubiertos con zinc se introducen a la matriz cementosa que comprende este compuesto. Una gran ventaja de una estructura reforzada de acuerdo con la presente invención es que la estructura
reforzada está libre de cromo hexavalente ya que el cromo hexavalente no es requerido para proteger los elementos de metal recubiertos con zinc. Esto significa que los elementos de metal no requieren un tratamiento con un compuesto basado en cromo. Una ventaja adicional de una estructura reforzada de acuerdo con la presente invención es que una buena protección de los elementos de metal recubiertos con zinc también se obtiene en el caso de que se utilice cemento libre de cromo hexavalente. Hasta ahora, aun en el caso de que no se adicionen compuestos basados en cromo para proteger a los elementos de metal recubiertos con zinc, los elementos de metal recubiertos con zinc podrían tomar ventaja del cromo naturalmente presente en el cemento. La nueva legislación está imponiendo limitar la cantidad del cromo hexava Lente en el cemento para minimizar la ocurrencia de la dermatitis alérgica reLacionada con el cromato. Consecuentemente, los elementos de metal recubiertos con zinc en una matriz cementosa no pueden tomar por más tiempo ventaja del cromo naturalmente presente en el cemento. Para obtener cemento libre de cromo hexavalente los productores de cemento han desarrollado técnicas tal como la dosificación con sulfato ferroso. La adición de sulfato ferroso incrementa notablemente la cantidad de emisión de gas de hidrógeno.
Es una gran ventaja de la presente invención que también se prevenga la emisión de gas de hidrógeno en caso en que se utilice cemento libre de cromo hexavalente y en el caso de que el cemento se dosifique con sulfato ferroso. Para el propósito de esta invención "matriz cementosa" se debe entender que significa el material de matriz aparte de los elementos de metal . La matriz cementosa puede comprender cualquier materia L que comprende cemento como por ejemplo concreto o mortero. Los "elementos de metal" se deben entender que significan los elementos que refuerzan la matriz cementosa. El elemento de metal puede comprender cualquier clase de elemento de refuerzo de metal tal como un alambre de metal, cuerda de metal, fibra de metal, una barra de metal, una lamina de metal o malla de metal. El elemento de metal puede ser hecho de cualquier metal o aleación de metal conocido en la técnica. Los elementos de metal de preferencia se hacen de acero. Los elementos de metal preferidos para reforzar una matriz cementosa son fibras de acero vendidas entre otros por el solicitante NV Be aert SA bajo el nombre comercial DRAMIX. Principalmente, las fibras de acero se utilizan con una resistencia de tensión comprendida, por ejemplo, entre 500 y 3000 N/mm2. Las fibras utilizadas pueden ser, por ejemplo,
rectas. De preferencia, las fibras tienen una forma que las hace mas bien difícil de jalarlas fuera de la matriz cementosa endurecida utilizando una fuerza de tensión. Con ese fin, las fibras, son por ejemplo, de extremo de gancho, corrugadas o su superficie de sección transversal varía a lo largo de la longitud. Para las fibras de acero, el espesor o diámetro de preferencia varía de 0.1 a 1.2 mm. La relación de longitud-diámetro para las fibras de acero es, por razones prácticas y económicas, p incipal ente situada entre 10 y 200 y de preferencia mínimamente cantidades de 40. Para fibras no rectas, la longitud es la distancia rectilínea entre los extremos de las fibras, mientras que el diámetro de las fibras de la cual el diámetro varía a lo largo de la longitud se define como el diámetro promed LO sobre la longitud completa . Los elementos de metal recubiertos con zinc pueden tener un recubrimiento de zinc o de aleación de zinc. Como el recubrimiento de aleación de zinc se pueden considerar por ejemplo las aleaciones de Zn-Fe, Zn-Ni, Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Mg- Al. Un recubrimiento de aleación de zinc preferido es un recubri iento de aleación de Zn-Al que comprende entre 2 y 15 % de Al. Posiblemente, entre 0.1 y 0.4% de un elemento de
tierra rara tal como Ce y/o La se puede adicionar. La estructura reforzada de acuerdo con la presente invención se puede utilizar para cualquier aplicación conocida en la técnica tales como construcciones de prefabpcación, puentes, edificios, túneles, estacionamientos, plataforma petrolífera de mar adentro,... De acuerdo con segundo aspecto de la presente invención se proporciona un elemento de metal recubierto con zinc para el refuerzo de una matriz cementosa. El elemento de metal recubierto con zinc se recubre con una capa que comprende un compuesto seleccionado del grupo que consiste a los imidazoles, los tpazoles y los tretrazoles. La capa de recubrimiento comprende por ejemplo un pegamento que comprende el compuesto. El elemento de metal puede comprender cualquier clase de elemento de refuerzo de metal tal como un alambre de metal, cuerda de metal, fibra de metal, barra de metal, lamina de metal o malla de metal. El elemento de metal se puede hacer de cualquier metal o aleación de metal conocido en la técnica. Los elementos de metal de preferencia se hacen de acero. Los elementos de metal preferidos son f?_bras de acero. De acuerdo con un tercer aspecto de la invención se proporciona un méfodo par inhibir la emisión de gas de hidrógeno en la inferíase de los elementos de metal
recubiertos con z nc incrustados en una matriz cementosa. El método comprende las etapas de proporcionar elementos de metal recubiertos con zinc, introducir los elementos de metal recubiertos con zinc en una matriz cementosa y tratar los elementos de metal recubiertos con zinc y/o la matriz cementosa con un compuesto seleccionado del grupo que consiste de los imidazoles, los triazoles y los tetrazoles. EL método de acuerdo con la presente invención evita la emisión de gas de hidrógeno durante el mezclado, vaciado, asentamiento y/o endurecimiento de la estructura reforzada . El periodo crítico en el cual la superficie galvanizada de los elementos de metal necesita protección es el periodo en la cual la matriz cementosa está endureciéndose es decir, las primeras 24 horas hasta las primeras 72 horas después del vaciado. El tratamiento con el compuesto puede comprender cualquier técnica que permite llevar los elementos de metal recubiertos con zinc y la matriz cementosa por lo menos en su ínterface en contacto con el compuesto mencionado en lo antep or . El compuesto por ejemplo se puede adicionar a la matriz cementosa. Alternativamente, el compuesto se puede adicionar al aplicar una capa de recubrimiento que comprende este
compuesto sobre los elementos de metal recubiertos con zinc antes de que estos elementos de metal recubiertos con zinc se introduzcan en la matriz cementosa. En una modalidad preferida el compuesto se adiciona a un pegamento aplicado sobre un elemento de metal recubierto con zinc o sobre un número de elementos de metal recubiertos con zinc antes de que los elementos de metal recubiertos con zinc se introduzcan en la matriz cementosa. Es bien conocido en la técnica introducir elementos de metal tales como fibra de acero de una matriz cementosa en la forma de tiras en las cuales las fibras se pegan conjuntamente mediante un pegamento. El uso de tales tiras evita que las fibras se conglomeren en bolas durante el movimiento de mezclado en lugar de ser igualmente distri bu Ldas . El pegamento se selecciona de tal manera que se disuelve, funde, ablanda o se rompe mecánicamente una vez que se adiciona a la matriz cementosa, de modo que las tiras tienden a desinteg arse en fibras separadas y son igualmente distribuidas sobre La matriz cementosa. AL adicionar un compuesto de acuerdo con la presente invención la protección de corrosión a corto plazo de los elementos de metal recuboertos con zinc, es decir, la protección de corrosión durante el endurecimiento de la matriz cementosa, es garantizada.
Breve descripción de los dibujos La invención ahora será descrita en más detalle con referencia a los dibujos acompañantes en donde - La Figura 1 es una ilustración de la medición del potencial en una matriz de construcción fresca. La Figura 2 muestra el potencial de circuito abierto (OCP) de tres muestras diferentes en función del tiempo. Descripción de las Modalidades Preferidas de la Invención En una estructura reforzada de acuerdo con la presente invención dos elementos de metal recubiertos con zinc se incrustan en una matriz cementosa como por ejemplo concreto . El concreto húmedo esta actuando como el electrolito en el cual puede ocurrir la corrosión. El agua es capaz de descomponerse en hidrógeno y oxígeno. La descomposición de agua es una reacción redox electroquímica que ocurre en un cierto potencial. El potencial electroquímico en el cual toma lugar la descomposición se determina por el pl-1 de acuerdo con la ley de Nernst. El potencial de descomposición del agua en el cual se forma gas de hidrógeno es de acuerdo con la ley de Nernst:
en donde EH-° = 0 contra un electrodo de hidrógeno
estándar . El potencial de descomposición del agua en el cual se forma oxígeno es de acuerdo con la ley de Nernst: E0 = E0-° - 0.059* pH en donde L ° = ti.226 V contra un electrodo de hidrógeno estándar . Una 1 ista de los E° o potenciales estándares se puede encontrar en: The handbook of Chemistry y Physics, The electrochemical series, p. D151- D158, 67th edición, 1986. Los potenciales de descomposición del agua en función del pll se describen en el Atlas of electrochemical equilibria ín aqueous solutions por Marcel Pourbaix- Cebelor, 2nd edición 1997, p. 98-105. Cuando un elemento electronegativo fuerte similar a zinc, aluminio o magnesio se expone al agua, el elemento tiene un potencial de circuito abierto como es definido en la norma ASTM G15-93. El potencial de circuito abierto también es referido como un potencial de reposo o potencial estándar. En altos valores de pil, el potencial de circuito abierto cae por debajo del potencial de emisión de hidrógeno y por consiguiente inicia la reducción de iones de hidrógeno dando por resultado la emisión de gas de hidrógeno. La emisión de hidrógeno se calcula, basada en una medición de pll del medio ambiente a donde el material será expuesto. El pll de una matriz cementosa se mide de acuerdo
con el método de prueba de ASTM G51-95. Este método cubre un procedimiento para determinar el pll de un suelo en prueba de corrosión. Para propósitos de esta aplicación el método de prueba ASTM G51-95 se aplica para una matriz cementosa en lugar de un suelo. Para una muestra que comprende una parte de cemento y cuatro partes de arena (en lugar del suelo de acuerdo con ASTM51-95) se encontró un pH de 13.04. De acuerdo con la ley de Nernst EH; se puede calcular: EH = EH° - 0.059* pH EH = -0.7694 V (contra el potencial de electrodo hidrógeno estándar) Esto significa que cuando el potencial de circuito abierto de un material de refuerzo que es introducido en este tipo de matriz cementosa cae por debajo del valor de -0.7694 V será formado gas de hidrogeno. El potencial de circuito abierto fácilmente se puede medir ín situ en el material de construcción por ejemplo durante las primeras horas después del vaciado de la matriz cementosa. El periodo más crítico en el cual la emisión de gas de hidrógeno es perjudicial es las primeras 24 hasta las primeras 72 horas después del vaciado. Una vez que se endurece el compuesto, el riesgo de la emisión de gas de hidrógeno es insignificante.
El potencial de circuito abierto se puede medir ín situ de acuerdo con la norma ASTM C876. Sin embargo es más apropiado medir el potencial de circuito abierto en una muestra pequeña como por ejemplo se muestra en la Figura 1. El equipo se utiliza de acuerdo con la norma ASTM G3-89(94) . Un elemento de metal recubierto con zinc 12 se incrusta en una matriz cementosa 14. El potencial eléctrico entre el elemento de metal recubierto con zinc 12 y un electrodo de referencia 16 se mide por medio de un electrómetro o voltímetro de alta impedancia 18. Para evaluar la estructura de refuerzo de acuerdo con la presente invención, se comparan tres muestras diferentes. Las tres muestras todas comprenden una matriz cementosa obtenida al mezclar una parte del cemento CEM II 42.5R con cuatro partes de arena y 5 partes de agua. Las tres muestras se reforzaron con diferentes elementos de metaL: - muestra 1 comprende fibras de acero no tratadas,
- muestra 2 comprende fibras de acero tratadas con cromo y - muestra 3 comprende fibras de acero tratadas con bencimida/ol . EL pH de la matriz cementosa se determinó. Un valor de pH de 12.25 se encontró. De acuerdo con la ley de Nernst, el EH2 se determina
que es:
EH = -0.7228 V (contra el potencial de electrodo de hidrógeno estándar) El potencial de circuito abierto de las tres muestras en función del tiempo se midió y se da en la Figura 2. El potencial de circuito abierto de la muestra 1 se da por la línea 21, el potencial de circuito abierto de la muestra 2 se da por la línea 22 y el potencial de circuito abierto de la muestra 3 se da por i a línea 23. Después de aproximadamente 24 horas el potencial de circuito abierto de la muestra no tratada (muestra 1) cae por debajo del potencial de emisión de hidrógeno, dando por resultado la emisión de gas de hidrógeno. Para las otras dos muestras (muestra 2 y muestra 3) el potencial de circuito abierto permanece por arriba del potenciaL de emisión de hidrógeno. Consecuentemente, no se produce gas de hidrógeno. Para eva Luar el desempeño del concreto reforzado bajo carga, dos muestras diferentes de concreto reforzado con fibras de acero se someten a una prueba de carga de acuerdo con Belgian NBN B15-238 (L = 450 mm) para determinar la resistencias de flexión convencionales (Ff,3oo y f,?5o). Vigas (150 x 150 x 500 mm) reforzadas con fibras de acero se someten a la prueba.
La composición de concreto es la misma para la muestra 1 y 2. La dosificación de las fibras de acero es de 20 y 40 kg/m3. Las fibras de acero adicionadas al concreto en la muestra l a 2 se tratan de una manera diferente: la muestra 1 comprende fibras de acero recubiertas con zinc tratadas con un inhibidor de corrosión de acuerdo con la presente invención; la muestra 2 comprende fibras de acero recubiertas con zinc sin el tratamiento adicional. Antes de realizar la prueba de carga, las vigas se almacenan en atmósfera húmeda durante 28 días. Los resul tados de la prueba de carga se dan en la Tabla 1 para una dosificación de 20 kg/m3 y en la Tabla 2 para una dosificación de 40 kg/m3. Tabla 1
Tabla 2
Muestra 2 3.64 3.44 A partir de la Tabla l y la Tabla 2 se puede concluir que la muestra 1 se desempeña mejor. Notable es el incremento en la dureza entre la muestra l y la muestra 2. Las fibras de acero recubiertas con zinc tratadas de acuerdo con la presente invención dan un incremento en la dureza de aproximadamente 10-40°, por ejemplo 30%, comparado con las fibras de acero recubiertas con zinc no tratadas. Esto esta indicando que la matriz cementosa de la muestra 2 se debí 1 i ta considerablemente debido a la emisión de gas de hidrogeno. Como la dureza es una medida de la habilidad del concreto para sostener carga después de la primera cuarteadura, las fibras de refuerzo de la muestra 1 serán capaces de sostener cuarteaduras conjuntamente bajo carga a un grado mas aLto.