DURABILIDAD DEL HORMIGÓN Comportamiento del Hormigón Estructural Durante su Vida de Servicio Ing. Edgardo Becker

Líder de Asesoría Técnica LOMA NEGRA C.I.A.S.A. INTRODUCCIÓN La historia de la construcción nos muestra varios ejemplos de estructuras que han cumplido satisfactoriamente la vida de servicio proyectada e incluso –en ocasiones- esta resultó mayor a la esperada durante su ejecución. Sin embargo otras no logran cumplir satisfactoriamente el ciclo de vida para el cual fueron proyectadas. Aquí trataremos de analizar algunas de las principales causas de deterioro de las estructuras de hormigón, entender su mecanismo para luego establecer reglas de diseño que permitan la obtención de estructuras durables. Entendiendo como durabilidad del hormigón a la habilidad del material para resistir las acciones del medioambiente, ataques físicos, químicos u otros procesos de deterioro[1] durante el ciclo de vida para el cual fue proyectado con mínimo mantenimiento[2], resulta evidente que una estructura mantenga adecuadas condiciones de servicio durante el período de diseño debe estar adecuadamente proyectada y construida, utilizando los materiales adecuados. Es por eso que resulta fundamental un minucioso estudio durante la etapa de proyecto de las cargas actuantes sobre la estructura y las condiciones de agresividad a las que estará expuesta, incluyéndose dentro de éstas la erosión, la acción del ambiente, el ataque químico y todos aquellos otros procesos de deterioro que puedan afectar al hormigón y/o la armadura. Una vez conocidas las condiciones de agresividad, se deberá diseñar una estructura que posea las dimensiones, espesores de recubrimientos, calidad de hormigón y, en ocasiones, protecciones adicionales cuando el grado de agresividad resulta muy importante. Falta de Detalles 78,0% Materiales Inadecuados 5,0%

Proyecto 37,0%

Ejecución 51,0%

Errores de Cálculo 3,0% Concepción General 14,0%

Uso y Mantenimiento 7,5% Materiales 4,5%

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Figura N° 1: distribución de fallas de acuerdo según la etapa del proceso constructivo por la cual se produjo. También se observa un detalle de las causas de falla debidas errores durante la etapa de proyecto[3]. Fuente: J. Calavera, 1996. “Patología de Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado”, INTEMAC, Madrid, España

En la figura N° 1 se observan valores estadísticos[3] donde un 37% de las fallas en estructuras de hormigón se producen por problemas de proyecto. Si bien los profesionales tenemos responsabilidad sobre todos los aspectos de la obra, resulta evidente que donde no debemos equivocarnos es en la etapa de proyecto cuando tenemos el mayor control de la situación por lo cual resulta fundamental conocer y comprender los mecanismos de deterioro más frecuentes de manera de tomar los recaudos de diseño y establecer especificaciones adecuadas para cada estructura en particular. Por otro lado, cuando las especificaciones resultan adecuadas y suficientes el Constructor y la Inspección de Obra cuentan con la información necesaria para reducir los fallos por problemas de ejecución, lo que redundará en estructuras confiables, confortables y durables. DURABILIDAD – Principales Procesos de Deterioro

En el presente trabajo se desarrollarán algunos de los principales procesos de deterioro a los que están expuestas las estructuras de hormigón: a) b) c) d) e) f)

Fisuras, grietas y otros defectos Ataque físico Ataque químico Corrosión de armaduras y otros metales embebidos en el hormigón Reacción álcali agregado Otros procesos internos de deterioro

Como luego podrá observarse, la diferenciación entre los distintos procesos no siempre resulta del todo clara, estableciéndose en muchos casos criterios un tanto arbitrarios. Por ejemplo, existen causas de deterioro físico que induce a fisuras que –a su vez- facilitan el ingreso de agentes del tipo químico que afectan directamente al hormigón o la armadura. Existen también procesos inversos o intermedios que complican la clasificación.

a) FISURAS, GRIETAS Y OTROS DEFECTOS Existen diferentes causas de fisuras en el hormigón, aquí no se tratarán aquellas producidas como consecuencia de ataques físicos, químicos, corrosión de armaduras, reacción álcali-agregado u otras reacciones deletéreas internas ya que serán tratadas particularmente más adelante. Como es sabido el hormigón en condiciones normales presenta, durante un corto período de tiempo que generalmente se extiende entre 2 y 4 horas, un estado plástico y maleable que permite –luego de mezclado- transportar y colocar el material dentro de los encofrados para luego compactarlo y terminarlo. Este estado es conocido como estado fresco del hormigón. Luego de este corto período, el material endurece y pasa a un estado endurecido donde es capaz de tomar resistencia a través de las reacciones de hidratación de la pasta cementicia. En estado fresco, cuando no se toman los recaudos necesarios, suelen presentarse fisuras de retracción plástica o asentamiento plástico

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además de otro fenómeno que puede depender de la exudación del hormigón y/o la protección y/o el curado entre otras causas como es la debilidad superficial. En cambio, en estado endurecido, esta parte sólo tratará las fisuras no estructurales como las de contracción por secado y el mapeo o piel de cocodrilo. Las fisuras del tipo estructural producidas por excesos de carga y/o deformación y/o defectos de diseño y/o materiales escapan al alcance del presente trabajo. a.1) Fisuración del hormigón en estado fresco Entendiendo al hormigón en estado fresco como una suspensión concentrada formada por la pasta cementicia compuesta por cemento pórtland y agua (también se incluyen en esta fase a los aditivos y las adiciones si las hubiera) mezclada con la fase sólida constituida por los agregados[4]. Este material luego de colocado y compactado experimenta una segregación de sólidos con desplazamiento hacia la superficie superior de parte del agua de mezclado denominado exudación. Aquellos hormigones mejor diseñados, con una adecuada distribución granulométrica y relación a/c (agua / cemento en masa) suficientemente baja tienden a retener mejor el agua de amasado y la exudación se minimiza. En cambio, cuando alguno o varios de estos factores que hacen a un buen hormigón no se cumple, la exudación puede resultar considerable con la consecuente rápida reducción de volumen del hormigón. Entre los defectos más frecuentes producidos en el estado fresco del hormigón se encuentran las fisuras de retracción plástica y las de asentamiento plástico. Las primeras se producen en elementos del tipo plano o cáscara, donde una dirección resulta poco significativa respecto de las otras dos e implica el hormigonado de grandes superficies no protegidas como puede ser el caso de las losas de estructura, de pavimento o de piso, que al estar sometidas a condiciones atmosféricas que favorezcan una rápida evaporación del agua superficial (velocidad de evaporación > velocidad de exudación), sufren una contracción diferencial que genera las fisuras. Las segundas tienden a ser más frecuentes en elementos de mayor espesor como vigas, tabiques y columnas aunque en casos extremos también se presentan en losas y otras estructuras laminares cuando la exudación del hormigón resulta excesiva.

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Las fisuras de retracción plástica[6] resultan en general relativamente cortas, poco profundas y erráticas (aunque a veces se muestran paralelas) que pueden aparecer en el estado fresco del hormigón durante los trabajos de terminación en días ventosos, con baja humedad y alta temperatura del aire. La rápida evaporación de la humedad superficial supera a la velocidad ascendente del agua de exudación, causando que la superficie del hormigón se contraiga más que el interior. Mientras el hormigón interior restringe la contracción del hormigón superficial, se desarrollan tensiones de tracción que exceden la resistencia del hormigón y consecuentemente se

desarrollan fisuras en la superficie. Las fisuras de retracción plástica varían desde unos pocos centímetros de largo hasta 1,50 ó 2,00 m y suelen tener una profundidad de 2 a 3 cm aunque pueden penetran hasta la mitad o más del espesor de la losa cuando las condiciones ambientales son muy adversas y las prácticas de protección y curado resultan deficientes.

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Figura N° 2: Fisuras de retracción plástica en pavimento urbano y losa de estructura. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre“Patologías Habituales en el Hormigón”

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Si no se dispone de adecuadas condiciones de protección, la superficie del hormigón tiende a perder humedad por evaporación. Como resulta obvio, la velocidad de evaporación superficial aumenta a medida que la temperatura (ambiente y del hormigón) y la velocidad del viento son mayores y la HR (humedad relativa) es más baja. En la figura N° 3 se muestra un ábaco que permite el cálculo de la tasa de evaporación superficial. Considerando que los hormigones corrientes presentan una tasa Temp. Superficial del H° [°C]

HR ambiente [%] 90 80 70 60 50 40 30 20

40 35 30

5

10

0

10

20

30 Velocidad de Evaporación [kg/(m2.h)]

Temp. del aire [°C]

4,0 3,0 2,0 1,0 0

25 20 15 10

Velocidad del Viento [km/h]

50 40 30 25 20 15 10 5 0

Rango habitual de velocidad de exudación del hormigón

que suele variar entre 0,50 y 1,00 kg/m2/h, resulta necesaria en una amplia región del país la protección del hormigón recién colocado la mayor parte de los días del año. Figura N° 3: Ábaco para determinación de la tasa de evaporación superficial del hormigón dependiendo de la temperatura y humedad relativa del ambiente, la temperatura superficial del hormigón y la velocidad de viento Fuente: Adaptado de ACI Committee 305, “Hot Weather Concreting”, Manual of Concrete Practice, Part 2, American Concrete Institute

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El asentamiento plástico se produce frecuentemente en hormigones que no están adecuadamente diseñados cuando un exceso de exudación produce una importante reducción en el volumen del hormigón en estado fresco. En aquellas zonas donde el movimiento del hormigón en estado fresco se encuentre restringido se producirán fisuras en coincidencia con dicha restricción generalmente producida por las armaduras superficiales. En la figura N° 4 se observa claramente la forma que una viga recién hormigonada que sufre asentamiento plástico y la armadura longitudinal superior y los estribos sirven de restricción produciéndose la fisuración del hormigón en coincidencia casi perfecta

T=0

T = 4 a 12 hs

Inmediatamente después de hormigonar

Vista de la viga

con las armaduras. Estas fisuras afectan la durabilidad de las armaduras y la adherencia acerohormigón de éstos y otros elementos estructurales y se produce por la conjunción del asentamiento plástico propiamente dicho y un espesor de recubrimiento inadecuado. Figura N° 4: Fisuras por asentamiento plástico en vigas de hormigón armado Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

Panel tipo π Columna de sección circular

Figura N° 5: Fisuras por asentamiento plástico columna de hormigón armado y panel premoldeado. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

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En general, aquellos hormigones que son adecuadamente diseñados con relaciones a/c (agua / cemento en masa) suficientemente bajas, con contenidos de agua adecuados, con asentamiento bajo compatible con las condiciones de colocación y compactación, con agregados limpios y de buena cubicidad, en proporciones racionales, colocados y compactados adecuadamente que son protegidos de la pérdida superficial de agua inmediatamente, no presentan fisuras en estado fresco. a.2) Fisuración del Hormigón en Estado Endurecido El hormigón en estado endurecido resulta algo sensible a los cambios de humedad en su masa, aumentando su volumen cuando se humedece y contrayéndose cuando se encuentra seco. Los hormigones muy jóvenes a medida que avanzan las reacciones de hidratación sufren en primer lugar una pérdida del agua libre presente en la pasta cementicia para luego, en función del mantenimiento en el tiempo de adecuadas condiciones de curado, comenzar el secado por pérdida del agua adsorbida que se encontraba en estrecho contacto con la superficie sólida de los poros y vacíos de la pasta cementicia endurecida. Este proceso produce una contracción del hormigón que, de no ser absorbida por el elemento estructural a través de armaduras y/o dimensiones adecuadas, provoca las llamadas fisuras de contracción por secado. En el caso de las losas de piso o pavimento, en general se realiza un aserrado adecuado que permite que estas fisuras se produzcan en zonas preestablecidas a través de las juntas de contracción. Por lo explicado anteriormente, resulta bastante obvio que la magnitud de la contracción depende fundamentalmente de la cantidad de agua que pierde el hormigón. Es por ello que los hormigones de menor contenido de agua de mezclado y que se someten a adecuadas condiciones de curado por un período suficientemente prolongado tendrán una menor contracción y esta será más diferida en el tiempo. Existen adicionalmente otras características de la mezcla de hormigón que inciden en la magnitud de la contracción por secado en forma directa o indirecta como el contenido y tipo de cemento; tamaño, forma, composición mineralógica y contenido de polvo de los agregados; uso y características de las adiciones minerales; uso de aditivos; etc., sin embargo –en mi opinión- todas estas resultan de un orden de magnitud inferior en importancia salvo cuando inciden directa o indirectamente sobre la demanda de agua de la mezcla. También los cambios diferenciales de humedad pueden generar fisuras en el hormigón endurecido. Es el caso típico de las losas de piso o pavimento cuando la superficie inferior en contacto con el suelo húmedo mantiene una importante cantidad de agua mientras que la superficie superior expuesta a la intemperie o a otros ambientes de menor humedad relativa se seca, este gradiente de humedad en el espesor de la losa de hormigón provoca un alabeo con levantamiento de esquinas en losas rectangulares que puede provocar fisuras por incompatibilidad de deformaciones y tensiones producidas directamente por este efecto o indirectamente a través de la aplicación de una carga circulante por las esquinas que poseen un apoyo nulo o limitado sobre la base. El hormigón en estado endurecido también resulta sensible desde el punto de vista dimensional a los cambios de temperatura. Este fenómeno debe ser adecuadamente considerado por los ingenieros proyectistas y estructuralistas en aquellas estructuras o elementos estructurales que por su tamaño y/o exposición a gradientes térmicos determinen la necesidad de prever mecanismos constructivos para absorber las deformaciones y/o las tensiones en el caso de existir necesariamente restricciones de borde que provocan las fisuras por restricción al cambio volumétrico. A continuación se indica

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la fórmula a aplicar para determinar la deformación un elemento lineal sometido a un gradiente térmico ∆T: ∆L = α ⋅ ∆T ⋅ L donde: ∆L: valor absoluta de la dilatación/contracción α: coeficiente de dilatación/contracción térmica del hormigón ∆T: variación máxima de temperatura prevista entre el día y la noche (ó entre media diaria de invierno y media diaria de verano) L: longitud de análisis Como ejemplo (ver figura N° 6 caso 1) se supone una viga de hormigón clase H-21 simplemente apoyada de 35 m de luz con una sección de 0,50 m de ancho x 1,20 m de altura expuesta a la radiación solar que sufrirá un gradiente térmico máximo de 40 °C (temperatura máxima de verano – temperatura mínima de invierno) considerado como temperaturas medias diarias: ∆L = 10-5 1/°C . 40°C . 35 m = 0,000010 1/°C . 40°C . 35 m = 0,014 m = 1,4 cm Es decir en este caso habría que diseñar un apoyo que sea capaz de absorber un movimiento de 1,4 cm. Suponiendo que esto resulta imposible por particularidades del proyecto, este movimiento restringido se transformaría en una carga horizontal que debería ser absorbida por la estructura (ver figura N° 6 caso 2). La magnitud de este esfuerzo horizontal sería: α ⋅ ∆T ⋅ E ⋅ J H= L donde: H: carga de tracción/compresión provocada por la variación de temperatura E: módulo de elasticidad del hormigón J: momento de inercia de la sección del muro α: coeficiente de dilatación/contracción térmica del hormigón ∆T: variación máxima de temperatura prevista entre el día y la noche (ó entre media diaria de invierno y media diaria de verano) L: longitud del elemento Entonces: H = [(0,00010 1/°C . 40°C) . 300.000 kg/cm2 . 50 cm . (120 cm)3 / 12] / 3500 cm = 246.857,14 kg Evidentemente, la carga horizontal que provocaría una restricción al movimiento previsto resulta suficientemente importante como para ser considerada. Una falta de previsión en el proyecto o en el mantenimiento de la estructura provocaría altas tensiones que, al no ser previstas, serían deformaciones no previstas con la consecuente aparición de fisuras y grietas sin descartar el posible colapso de la estructura.

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Caso 1: con apoyo deslizante

∆L

Caso 2: con apoyo restringido H/2

H/2

Figura N° 6: Efecto de la temperatura sobre una viga de hormigón armado simplemente apoyada sin y con restricción de movimiento horizontal. Evidentemente cuando existe restricción horizontal en el movimiento se deberá prever estructuralmente el efecto de la carga horizontal provocada por el gradiente térmico. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

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a.3) Otros defectos que afectan la durabilidad Adicionalmente a los anteriormente mencionados y a los que se desarrollarán más adelante, existen otros defectos constructivos y/o de proyecto y/o de mantenimiento que afectan –en ocasionesgravemente a las estructuras de hormigón simple, armado y pretensado. Algunos de los más frecuentes son el bombeo y el calentamiento de losas en pavimentos.

Figura N° 7: El bombeo del material fino de la base que ocurre al paso de cargas pesadas sobre un pavimento cuya base presenta importante cantidad de agua debido a la presencia juntas con sellado deficiente, sufre con la acción conjunta de la repetición de cargas y falta de mantenimiento, la pérdida de material en la base, lo que crea cargas y un cambio de estado de tensiones en el hormigón (efecto viga) por falta de apoyo lo que produce una rápida fatiga del hormigón con la consecuente aparición de fisuras, grietas y escalonamiento de losas. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

Figura N° 8: Fisuras, grietas y deformaciones permanentes provocadas por restricciones al movimiento de las losas de pavimento. Este fenómeno es habitual cuando los gradientes térmicos son importantes y existen problemas de diseño o mantenimiento en las juntas de dilatación. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

Otro frecuente defecto que afecta la durabilidad de pisos y pavimentos es la debilidad superficial y el empolvamiento. Es conocido el hecho que, fundamentalmente por efecto de la exudación, los hormigones en la zona cercana a la superficie o de piel presentan una menor calidad. En la figura

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N° 9 se observa un corte transversal de una losa de hormigón que en estado fresco presenta exudación, evidentemente la relación a/c (agua / cemento en masa) de la zona superficial resultará mayor que la del resto de la masa por lo cual la porosidad de esta zona será mayor y, consecuentemente, la resistencia será inferior. Es por eso que los hormigones en la superficie resultan más permeables por lo tanto, más propensos al ingreso de sustancias perjudiciales y menos resistentes al desgaste y la abrasión. En casos de hormigones con exceso de exudación y, muchas veces acompañados por otros defectos como la falta de curado, hace que la superficie presente polvo suelto durante bastante tiempo[5]. Sólo mediante un adecuado diseño de la mezcla de hormigón y el respeto de las reglas del arte de colocación, compactación, terminación, protección y curado se minimiza este fenómeno. Existen procesos y cuidados especiales cuando los hormigones son sometidos a procesos de abrasión. Estado Fresco Agua de exudación

Estado Endurecido Capa de polvo Capa débil

Losa de Hormigón

Losa de Hormigón

Base

Base

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Figura N° 9: Empolvamiento en losas de piso o pavimento. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

Figura N° 10: La fotografía muestra claramente que el material se desprende fácilmente al simple paso del dedo de una mano. Como generalmente el empolvamiento superficial sólo incluye un espesor muy reducido, suele ser suficiente el paso de un equipo de pulido para eliminar la capa débil. Foto: Portland Cement Association

Existen otros defectos como las juntas frías que no son tratadas adecuadamente, el diseño de juntas inadecuado y muchos otros que no serán tratados aquí que afectan en forma directa la durabilidad de las estructuras o resultan fuente de ingreso de agentes agresivos como: sulfatos, cloruros, CO2, etc. que atacan directamente al hormigón o a las armaduras. También los elementos masivos son susceptibles de sufrir fisuración por efectos térmicos cuando el calor generado durante la hidratación no puede ser fácilmente disipado generando un aumento de la masa que luego al enfriarse lentamente puede generar tensiones de tracción que no sean absorbidas por la estructura. Varios de estos y otros defectos que –en ciertas ocasiones- sólo afectan la estética de la obra o estructura sin poner en riesgo la durabilidad desde el punto de vista estructural y/o funcional, sin embargo deben ser evitados mediante adecuadas prácticas constructivas y/o de proyecto ya que en muchos casos la estética de la obra resulta fundamental a su funcionalidad. Es por eso que de existir algún defecto en la estructura, éste debe ser cuidadosamente estudiado por profesionales idóneos a fin de obtener la mejor solución técnica y económica.

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b) ATAQUE FÍSICO Arbitrariamente definiremos al ataque físico como al conjunto de acciones del medioambiente causantes de deterioro del hormigón. Sin dudas dentro de esta definición se incluyen algunos deterioros ya tratados anteriormente, sin embargo aquí trataremos la acción de las temperaturas extremas (congelación–deshielo y fuego), la abrasión y erosión. b.1) Acción de las bajas temperaturas La acción reiterada de temperaturas cercanas a la de congelación del agua pueden afectar la durabilidad de hormigones que se encuentren tanto en estado fresco como endurecido. En Argentina la zona cordillerana y sur patagónica presenta esta condición cotidianamente por un período de varios meses al año, sin embargo las bajas temperaturas también pueden ser fuente de deterioro en estructuras industriales como las cámaras frigoríficas donde el hormigón puede estar sometido a temperaturas aún más rigurosas. Dependiendo del estado (fresco o endurecido) y la madurez del hormigón, los efectos de la congelación resultan diferentes. Si la misma se produce antes del inicio de fraguado –sabiendo que las reacciones de hidratación tienden a desacelerarse hasta detenerse completamente a (–10ºC) – el material permanecerá en estado fresco hasta que la temperatura ambiente permita un calentamiento del hormigón por encima de los 2 a 5ºC durante algún tiempo. En este caso, la expansión del agua producida por el congelamiento originará vacíos que afectan la resistencia del hormigón. Sin embargo, un revibrado oportuno y adecuado podría eliminar los vacíos recomponiendo al hormigón y logrando un desarrollo normal y hasta en algunos casos superior de resistencia.

Resistencia a Compresión [MPa]

50 40

c

ormali ura do n

z ado pe

te rm ane n

i ón l nge lac

ue go d

e 24 hs

de c o de 12 hs 24 hs n luego ió c la e g c on 24 hs de go de 1 h lación lue e g n o c e 24 hs d

30

20 10 0

0

3

7

14 Edad [días]

21

28

Figura N° 11: Efecto de la congelación sobre probetas de mortero normal IRAM 1622 (a/c = 0,50 y relación cemento/arena normal = 1:3 en masa) con CPN durante 25 hs a –5ºC, luego de 1h, 12 hs y 24 hs desde el moldeo respecto del mismo mortero sometido a curado normalizado en forma permanente. Las muestras sometidas a congelación continuaron el curado en condiciones normalizadas luego del período de 24 hs de congelación[4].

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Fuente: M. Klaric, 2001. “Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón”. AATH – Durabilidad del Hormigón Estructural

Si el congelamiento se produce luego de algunas horas cuando el hormigón ya ha fraguado pero aún no presenta suficiente resistencia, el efecto sobre el mismo resulta irreparable. En cambio, si se produce cuando el hormigón presenta suficiente resistencia (en general se aceptan valores entre 3,5 y 7,0 MPa) los daños sobre la resistencia resultan de menor magnitud. La figura Nº11 presenta el deterioro sobre mortero normal producido por el congelamiento durante 24 hs para diferentes grados de madurez del material, resultando un daño permanente sobre las muestras que sufrieron congelación a 1 y 12 hs respectivamente mientras que la congelada luego de 24 hs recuperó la resistencia a 28 días. Estos valores sólo deben tomarse en forma orientativa ya que la madurez lograda por el mortero en las condiciones de ensayo antes de ser sometido al período de congelamiento puede resultar bastante superior al de obra debido a que la temperatura de laboratorio que ronda los 20ºC seguramente resulta muy superior a la temperatura ambiente de obra durante la ejecución de los trabajos. Muy diferente resulta el fenómeno de congelación y deshielo en hormigones maduros. Puede observarse en zonas frías el deterioro de estructuras de hormigón expuestas, sobre todo losas de piso, pavimento y tableros de puentes o revestimientos de canales, diques de hormigón o pantallas de hormigón sobre diques de roca o suelo entre otras estructuras de hormigón con alto grado de humedad debido al contacto permanente o frecuente con la humedad. En general el deterioro comienza en la superficie del hormigón debido a la reiteración de ciclos de congelamiento y deshielo. La pasta cementicia que posee agua en su estructura de poros capilares en cantidad suficiente que sufre una serie de ciclos de congelación y deshielo se ve fuertemente dañada por tensiones de tracción que –si bien no suelen ser de magnitud suficiente como para dañar al hormigón en un solo ciclo- pueden producir el deterioro de la pasta debido a fatiga del material luego de varios ciclos. Existen diversas teorías acerca del mecanismo de deterioro. No obstante, existe cierta coincidencia acerca de la complejidad del fenómeno y la posible conjunción de efectos. Sin embargo, en general tanto los investigadores como los reglamentos presentan un acuerdo generalizado acerca del beneficio de incorporar pequeñas burbujas de aire en forma intencional y controlada para mejorar el comportamiento de la pasta cementicia ante este tipo de ataque físico.

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Es habitual que los pliegos especifiquen un cierto contenido de aire que habitualmente varía entre 4 y 7% en función del tamaño máximo nominal del agregado grueso y de las condiciones de exposición de la estructura. Sin embargo, en muchos casos no se especifica el factor de espaciamiento, que es un índice que brinda información acerca de la distancia entre burbujas de aire. En la figura Nº12 se esquematiza la importancia de la obtención de un factor de espaciamiento adecuado.

.. .. . .. ... . . . . . . . . . . . .. . .. . . Burbujas pequeñas, bien distribuidas

Vacíos de aire Pasta de cemento Partículas de arena Burbujas grandes, con mayor distancia promedio entre ellas

Figura N° 12: Esquema de la incorporación correcta (izquierda) e incorrecta (derecha) de aire en forma intencional[4]. En ambos casos el volumen de aire incorporado resulta similar, sin embargo una correcta distribución del aire asegura un mejor desempeño del hormigón ante los ciclos de congelación y deshielo. Fuente: M. Klaric, 2001. “Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón”. AATH – Durabilidad del Hormigón Estructural

No obstante las precauciones que se tomen en el diseño mediante una correcta incorporación intencional de aire, el hormigón sometido a congelación y deshielo puede fallar por congelamiento del agregado grueso. El riesgo de deterioro por esta causa aumenta cuando mayor es el tamaño máximo y contenido de humedad del agregado. La falla típica por esta causa comienza en la rotura del agregado ubicado cerca de la superficie con el consiguiente reventón localizado del hormigón.

Estado original

Reventón

Estado final

Figura N° 13: Reventón del hormigón debido a congelamiento del agregado. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

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La fisuración en “D”, producida en pavimentos en la zona cercana a las juntas, resulta una consecuencia típica debido a la saturación del hormigón en las zonas cercanas a las juntas debido a la mayor permanencia de agua. Un adecuado mantenimiento de juntas minimiza el riesgo de fallas por esta causa.

Figura N° 14: Esquema de fisuración en “D” típica de losas de pavimentos debido a congelamiento de los agregados. Fuente: E. Becker, 2002. Seminario sobre “Patologías Habituales en el Hormigón”

En aquellas zonas donde es habitual la formación de hielo sobre el pavimento, suelen utilizarse agentes anticongelantes a base de cloruro de calcio o de sodio que –si bien tienden a evitar o mitigar el deterioro por congelación y deshielo- aceleran el deterioro superficial del pavimento de hormigón por peladura y descascaramiento. También estas sales provocan la corrosión de armaduras afectando sobre todo a los tableros de puentes y losas de edificios de estacionamiento, estas últimas debido a la presencia de cloruros debido al transporte y su posterior deposición a través de los neumáticos de los vehículos. b.2) Acción de las altas temperaturas Ya se mencionaron algunas causas de fisuras y otros defectos debido a la exposición del hormigón a la temperatura, sin embargo en esta sección se tratarán los efectos del exceso de temperatura durante el proceso de curado a vapor y la exposición al fuego. Es conocido que la dinámica de los procesos de hidratación de la pasta cementicia dependen de la temperatura. Este hecho suele ser aprovechado por la industria del hormigón premoldeado mediante el curado a vapor de las piezas, de manera de aumentar la resistencia temprana y mejorar considerablemente la productividad de las plantas. No obstante estos procesos sólo resultan exitosos cuando los ciclos de curado a vapor resultan adecuados.

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En la figura Nº15 se muestran el proceso correcto (gráfico a) y los procesos inadecuados (gráfico b) de curado a vapor. Cuando el hormigón es calentado o enfriado en forma demasiado violenta puede fisurarse debido al shock térmico. Si no se respeta el período de descanso o prefragüe o la temperatura de curado es demasiado alta, el hormigón puede sufrir un proceso de disecación que afecta considerablemente al proceso de hidratación produciendo un daño irreparable. Otro importante proceso de deterioro puede presentarse en estructuras de hormigón armado sometidas a la acción del fuego. Si bien es conocido que el hormigón, debido a su baja conductividad térmica e incombustibilidad, presenta un mejor comportamiento ante el fuego que otros materiales de construcción, una exposición prolongada a temperaturas extremas puede producir daños irreparables en las estructuras. Resulta habitual encontrar en hormigones que fueron expuestos al fuego diferente coloración en función de la temperatura adquirida y un descascaramiento superficial provocada por el aumento de la presión de vapor dentro del material que resulta mayor que la disminución de presión de vapor generada por el desprendimiento de vapor hacia la atmósfera[4]. En los gráficos a) y b) de la figura 16 puede observarse la disminución de resistencia del hormigón por efecto de la temperatura. En el gráfico a) se observa que el hormigón prácticamente no disminuye su resistencia hasta los 300ºC, sin embargo en el gráfico b) se observa que este hormigón al enfriarse a la temperatura ambiente sufre un daño mayor, Temperatura de curado [°C]

Temperatura de curado [°C]

Temperatura de curado [ºC]

100100 8080 6060 4040 2020

Período de Período de Prefragüe Calentamiento

Período de Mantenimiento

Período de Enfriado

00

Temperatura de curado [ºC]

120 120

120120

100 100

8080 6060 4040 2020

1

2

3

00 0

2

4

6

8

10

12

14

0

2

4

a) Curva típica de evolución de temperatura en cámaras de curado a vapor(*). (*) El período de mantenimiento o meseta se mantendrá por el tiempo necesario de acuerdo a los requerimientos del fabricane.

6

8

10

12

14

Tiempo [horas]

Tiempo [horas]

b) Curvas de evolución de temperatura inadecuada en cámaras de curado a vapor 1 Gradiente de elevación y descenso de temperaturas demasiado pronunciado. 2 Inexistencia del período de prefraguado. 3 Temperatura de curado excesivamente alta.

obteniendo una resistencia residual bastante inferior a la original.

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Figura N° 15: Evolución de la temperatura en cámaras de curado. En el gráfico a) se muestra un ejemplo de evolución adecuada respetando en forma adecuada los períodos de prefragüe o descanso, calentamiento o gradiente ascendente, mantenimiento o meseta y enfriado o gradiente descendente, en el gráfico b) se muestran 3 ejemplos de evolución inadecuada de la temperatura. Fuente: E. Becker, 2003. Seminario sobre “Durabilidad del Hormigón”

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Resistencia a Compresión [% del original]

Resistencia a Compresión [% del original]

125

100

75

50

25

0

100

75

50

25

0

21

200

400

600

800

1.000

21

200

Temperatura [ºC] a) Ensayados a la temperatura de exposición Agregado liviano

400

600

800

1.000

Temperatura [ºC] b) Ensayados a temperatura ambiente

Agregadosiliceo

Agregado carbónico

Figura N° 16: Efecto del tipo de agregado sobre el comportamiento resistente del hormigón expuesto a alta temperatura. Resistencia original del hormigón = 27 MPa. Fuente: M. Klaric, 2001. “Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón”. AATH – Durabilidad del Hormigón Estructural

Para el análisis de estructuras que fueron sometidas a la acción del fuego por algunas pocas horas, resulta importante antes realizar ensayos sobre profundidad de carbonatación y nivel de resistencia residual del hormigón, poder estimar la temperatura aproximada que adquirió el hormigón durante el episodio, ya que esto brindará información muy importante tanto para realizar un adecuado diagnóstico sobre el estado real de la estructura como para realizar un adecuado proyecto de reparación. En el caso de los hormigones elaborados con agregados del tipo sedimentarios o metamórficos como la piedra caliza esto resulta bastante sencillo debido a que el hormigón presenta un permanente cambio de color al calentarlo. En la figura Nº 17 puede observarse que hormigones que toman una coloración permanente rosado intensa presentaron temperaturas cercanas a los 300ºC y comienza a ser un hormigón algo dañado, en cambio al pasar por el rojo y luego gris seguramente este hormigón ha sufrido un daño mayor obteniéndose un hormigón poroso, con elevada penetración de carbonatación y de baja resistencia que debe ser reemplazado.

19

125

Resistencia a Compresión [% del original]

100

75

50

25

0

21

200

400

600

800

1.000

Temperatura [ºC] Coloración del hormigón Natural

Gris

Marrón

Rosado a rojo

Figura N° 17: Efecto de la temperatura sobre la resistencia residual y coloración de hormigones elaborados con agregados calizos[3]. Fuente: E. Becker, 2003. Seminario sobre “Durabilidad del Hormigón”.

Algunos trabajos sugieren[3] que los hormigones más densos, de menor relación a/c y mayor resistencia presentan menor durabilidad ante el ataque de fuego debido a la mayor dificultad para eliminar el agua interna evaporada. b.3) Erosión y Abrasión La mayor parte de los elementos estructurales no presentan requerimientos especiales respecto del desgaste superficial, sin embargo los pisos, pavimentos, revestimientos y algunas estructuras hidráulicas son sometidas al desgaste y en muchos casos su resistencia a la erosión y/o abrasión resulta fundamental para su durabilidad y/o funcionalidad. Si bien la erosión y la abrasión suelen tomarse como sinónimos, algunos autores diferencian ambos términos denominando abrasión al desgaste producido por la acción del roce y fricción de partículas sólidas sobre la superficie del hormigón, mientras que se reservan el término erosión para cuando el deterioro se realiza por un elemento que tenga al agua como vehículo de transporte incluyendo la cavitación, abrasión y la acción química. Sin ser específico respecto del grado de agresividad, el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201:2002 recomienda para hormigones expuestos a abrasión debido a resbalamiento de materiales a granel o movimiento de objetos pesados o escurrimiento rápido de aguas diseñar hormigones de relación a/c ≤ 0,42, f´c ≥ 40 MPa, asentamiento < 10 cm, sin aire intencionalmente incorporado y agregado grueso con Tmáx ≤ 26,5 mm y desgaste “Los Ángeles” < 30%. De esta

20

manera se prevé el uso de hormigones de alta resistencia, baja porosidad y mínima tendencia a exudar, elaborados con agregados de bajo desgaste, sin embargo no brinda información del desempeño en servicio esperado para estos hormigones.

En la figura Nº18, tomada de un trabajo de Liu[7] se observa que, si bien existe una cierta relación entre la resistencia a la compresión del hormigón y su resistencia al desgaste, su relación y magnitudes pueden ser algo diferentes en función de las características de los agregados utilizados. Algunos trabajos demuestran que la resistencia a la abrasión del hormigón puede ser mejorada a través de la utilización de algunos polímeros y/o un cuidadoso y esmerado curado. En pisos industriales la resistencia al desgaste suele mejorarse a través del uso de endurecedores de superficie compuestos básicamente por cemento pórtland y arena de cuarzo (en ocasiones también se incorpora algún pigmento) que al ser aplicados adecuadamente sobre hormigones en estado fresco mejoran notablemente la resistencia superficial al desgaste del hormigón.

Pérdida de Masa [%]

10 8 6

Piedra

Caliza

Piedra Cuar

Piedra Basal

(24 %

cita (35 %

to (13 % de

4 Piedra Chert (24

de pér

dida a

de pérdida

pérdida a 50

% de pérd

500 ci

clos)

a 500 ciclo s)

0 ciclos)

ida a 500 ci cl

os)

2 0 20

30 40 50 60 Resistencia a Compresión [MPa]

70

Figura N° 18: Influencia de la resistencia del hormigón y del tipo de agregado en la resistencia al desgaste por abrasión del hormigón[7]. Fuente: M. Klaric, 2001. “Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón”. AATH – Durabilidad del Hormigón Estructural

En pisos donde se prevé una acción abrasiva muy severa puede considerarse la posibilidad de pulir la superficie de hormigón de manera de eliminar la capa superficial de menor resistencia y/o la aplicación de revestimientos. En este último caso –siempre que se trate de ambientes que permanecen a temperatura normal- resulta habitual el uso de productos epóxicos diseñados a tal fin. Si el ataque resulta combinado (abrasión + ataque químico) se deberá optar por una solución que permita una adecuada protección del hormigón. c) ATAQUE QUÍMICO Definiremos como ataque químico al hormigón a aquellos procesos de degradación causados por agentes agresivos provenientes del ambiente externo a la estructura que se introducen al interior generalmente en solución reaccionando con la pasta cementicia. Existe una importante lista de

21

sustancias y agentes agresivos para el hormigón[8], sin embargo las más habituales son las aguas blandas, los ácidos y algunas sales en solución que contienen sulfatos, amonio y magnesio solubles. Sin dudas la primer barrera para impedir el ataque químico externo es la compacidad del hormigón. Por ello un buen entendimiento de los mecanismos de transporte, nos brindará información muy importante para el diseño de hormigones resistentes al ataque químico. La penetración de agua que transporta al agente agresivo depende de la porosidad, estructura de poros y su grado de conectividad[9], dando lugar a los mecanismos de absorción capilar, permeabilidad y difusión. Por otro lado, resulta necesario que la composición química y mineralógica del cemento pórtland, su grado de hidratación y las características de la interfase pasta-agregado resulten adecuadas para resistir el ataque químico. La acción degradante de los agentes químicos externos comienza en la superficie del hormigón, penetrando progresivamente hacia el interior a medida que incrementan la porosidad, permeabilidad y tensiones internas produciendo pérdida de masa y capacidad resistente a medida que avanza el grado de deterioro.

En la tabla C.1 se muestra conceptualmente la velocidad de degradación que genera el ataque de diferentes sustancias en contacto con el hormigón. Por otro lado, los compuestos formados durante la hidratación de la pasta de cemento se mantienen estables mientras exista un equilibrio entre la solución de poros y la disolución de los compuestos hidratados que proveen el medio alcalino para su preservación. Sin embargo, el ataque químico puede alterar este equilibrio modificando el pH de la solución de poros produciendo la descomposición de los compuestos. En la tabla C.2 se muestra que el deterioro comienza en valores de pH por debajo de 12 a 12,5 hasta que en valores por debajo de 9 se produce una descomposición total de los compuestos SCH (silicatos de calcio hidratados) responsables de la resistencia y durabilidad de la pasta cementicia, quedando sin efecto su poder aglomerante con la consiguiente pérdida de masa del hormigón.

Tabla C.1: Efecto de distintas sustancias químicas sobre la degradación del hormigón[1][9]. Ácidos Ácidos Velocidad Inorgánico Orgánico de s s degradación

Soluciones Alcalinas

Soluciones Salinas

Otras Sustancias

(*)

Rápido

Moderado

Clorhídrico Fluorhídric o Nítrico Sulfúrico Bromhídric o Fosfórico

Acético Fórmico Láctico

Cloruro de aluminio

Tánico

Nitrato de amonio Sulfato de

Na(OH)2 < 20% (**)

Bromo (gas)

22

(hidróxido de sodio)

Lento

Carbónico

Sin ataque

-

amonio Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Sulfato de calcio Agua de mar 10% < Na(OH)2 < 20% Cloruro de (**) Aguas blandas magnesio Cloro (gas) Cloruro de Hipoclorito de sodio amonio Cianuro de sodio Cloruro de sodio Amoníaco Na(OH)2 < 10% (**) Cloruro de calcio Oxálico (líquido) Tartárico Hidróxido de amonio Nitrato de Cinc Cromato de sodio

(*) a temperatura ambiente (**) agresivo solamente cuando el hormigón contiene agregados siliceos

Tabla C.2: Descomposición prevista en la pasta cementicia al variar el pH de la solución de poros[9]. pH 12,5 – 12,0 11,6 – 10,6 10,6 8,8

Cambios previstos en la pasta de cemento

Se disuelve el CH y C4AH13 y posiblemente el monosulfoaluminato precipita la ettringita Precipita el yeso Se descompone la ettringita, se forma gibbsita y yeso Se descompone el SCH para formar gel de sílice

Para un mejor ordenamiento se establecerá una clasificación de los diferentes mecanismos de ataque químico basado en la causa que lo produce: 1) Lixiviación: causada por la disolución y lixiviación del Ca2+ de la pasta de cemento endurecida. 2) Ataque ácido: debido a la concentración de protones (H+) que descomponen los compuestos cálcicos de la pasta. 3) Ataque por ácido carbónico: es un tipo especial de ataque ácido provocado por el CO2 agresivo del agua. 4) Ataque ácido por acción de bacterias: es el caso donde la proliferación de colonias de bacterias en contacto con superficies de hormigón capaces de secretar ácidos disminuyen el pH y degradan la pasta de cemento. 5) Ataque por sulfatos: en general tienen relación con la presencia de SO42- en solución en contacto con el hormigón. Aquí se proponen tres subgrupos: 5.1) la formación de ettringita en soluciones de baja concentración de SO42-. 5.2) la formación de ettringita y yeso o solamente yeso cuando la solución presenta elevada concentración de SO42-. 5.3) la formación de ettringita, yeso y thaumasita cuando en el caso anterior se adiciona la presencia de iones carbonato externos o internos.

23

6) Ataque por magnesio: caso se presentan de dos tipos:

6.1) el ataque puro por magnesio por intercambio de catión. 6.2) el ataque por sulfato de magnesio debido a la acción simultánea de Mg2+ y SO42-. 7) Ataque por agua de mar: es un ataque complejo que en ocasiones puede ser del tipo químico de los iones Cl- y SO42- o fisico-químico dependiendo del grado de exposición indirecta o directa a la acción del mar. 8) Ataque por carbonatación: que causa una importante disminución del pH superficial debido a la acción del CO2 atmosférico que se combina con el Ca(OH)2 de la pasta cementicia para formar carbonato de calcio. c.1) Ataque por lixiviación de los compuestos cálcicos La presencia de aguas con nula o muy baja cantidad de sales en disolución (aguas blandas) en la masa del hormigón resulta perjudicial debido a su tendencia a descomponer o hidrolizar los compuestos cálcicos. Cuando el agua proveniente de lluvia, deshielo, condensación u otro proceso que implique la presencia de aguas puras penetran con cierta facilidad por una estructura de hormigón provocan la lixiviación de los compuestos cálcicos que suelen manifestarse exteriormente a través de manchas blancas denominadas eflorescencias[10] y –en ocasiones- formación de estalactitas debido a la cristalización de sales de calcio por efecto de la evaporación y la posterior carbonatación. Si bien en general este fenómeno sólo causa deterioro estético del hormigón debido a la eflorescencia, en el caso de estructuras diseñadas para almacenamiento de residuos radiactivos o en la fijación de residuos peligrosos que contengan Cr, Hg y Tl resulta ser extremadamente importante su control debido a que la vida de diseño de estas estructuras prevista de cientos de años supera ampliamente los requerimientos de las estructuras convencionales. En la pasta cementicia el compuesto más soluble resulta el Ca(OH)2 (hidróxido de calcio) formado como subproducto de la hidratación del cemento pórtland[11]. Conociendo que cuando la relación a/c (agua / cemento en masa) resulta suficientemente baja, la formación de Ca(OH)2 y la porosidad de la pasta disminuyen, resulta adecuada su implementación. Por otra parte, el uso de cementos con adiciones minerales activas (como las puzolanas y la escoria granulada de alto horno) y contenidos moderados de SC3 (silicato tricálcico) tienden a minimizar aún más la lixiviación del Ca(OH)2. c.2) Ataque de Ácido por Cambio Iónico El hormigón de cemento pórtland es un material altamente alcalino (pH ≅ 12,7) que presenta un pobre desempeño durable frente al contacto permanente o frecuente con ambientes ácidos. Por esta causa aquellos hormigones expuestos a ambientes ácidos con pH < 6 deben protegerse adecuadamente mediante recubrimientos especialmente diseñados. Si bien el desempeño de todos los cementos tipo pórtland es bastante pobre, aquellos que poseen suficiente cantidad de puzolana o escoria granulada de alto horno suelen presentar mayor desempeño frente a los ácidos débiles. Para ambientes con 4,5 < pH < 6 también puede utilizarse cementos aluminosos aunque no se fabrican en el país y su comportamiento ante ambientes húmedos y cálidos suele ser bastante pobre debido a la llamada transformación de los compuestos que pueden afectar severamente la resistencia mecánica luego de unos pocos años. Durante el ataque ácido, el protón (H+) acelera la lixiviación del hidróxido de calcio (ecuación 1). Cuando la concentración de protones es suficientemente (H+) importante también ataca los compuestos SCH (sílico-calcáreoshidratados) descomponiéndolos en un gel de sílice sin resistencia (ecuación 2). Ca(OH)2 + 2H+ → Ca2+ + 2 H2O C-S-H + 6H+ → 3Ca2+ + 2(SiO2.n H2O)+ 6 H2O

(ecuación 1) (ecuación 2)

Otro tipo de ataque ácido se produce debido a las sales (cloruro, nitrato y sulfato) de amonio generalmente presentes en suelos fertilizados o en las industrias que las producen. En la ecuación 3 se muestra la transformación del hidróxido de calcio presente en la pasta cementicia en compuestos

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altamente solubles debido a la reacción con la sal de amonio. Este proceso aumenta la porosidad de la pasta acelerando el proceso de ataque. 2 NH4+ + Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 NH3↑ + 2 H2O

(ecuación 3)

La experiencia muestra que el mejor comportamiento ante este ataque dentro de los cementos tipo pórtland se obtiene con CAH (cemento de alto horno). También el uso de microsílice tiende a mejorar el desempeño del hormigón ante el ataque de las sales de amonio. c.3) Ataque por Ácido Carbónico La presencia de CO2 disuelto en el agua se torna agresivo cuando el agua es blanda debido a la formación de ácido carbónico (ecuación 4): CO2 + H2O ←→ H2CO3 ←→ H+ + HCO3-

(ecuación 4)

La solubilidad del CO2 presente en la atmósfera es relativamente baja en aguas puras pero, en presencia de CaCO3, se combina para formar bicarbonatos y ácido carbónico (ecuación 5) que reducen el pH del agua provocando el ataque al hormigón en contacto: CaCO3 + CO2 + H2O ←→ Ca(HCO3 )2

(ecuación 5)

El CO2 en exceso presente en el agua, por encima del necesario para obtener el equilibrio químico planteado en la ecuación 5, se convierte en CO2 agresivo para el hormigón y su valor depende del grado de saturación del bicarbonato de calcio. El CO2 agresivo está presente en cantidades apreciables en las aguas blandas debido a la poca cantidad disponible de sales disueltas necesarias para combinarse con el CO2 y formar bicarbonato de calcio. La concentración de CO2 disuelto en aguas naturales puede alcanzar a 150 mg/l. La cantidad de CO2 libre en el agua aumenta con la presencia de otras sales de calcio y disminuye en presencia de álcalis (Na y K). En agua de mar la concentración de CO2 es de 35 a 60 mg/l. El ataque ácido carbónico corresponde a la acción de un ácido débil, disolviendo al hidróxido de calcio y formando carbonato de calcio (ecuación 6) que precipita en los poros del hormigón produciendo una zona más compacta e impermeable. Dicha precipitación causa un aumento del CO2 agresivo que disuelve más hidróxido de calcio. Finalmente este proceso tiende a causar la inestabilidad del SCH perdiendo su capacidad resistente. H+ + HCO3- + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2 H2O

(ecuación 6)

En este proceso la velocidad de degradación disminuye con el avance del ataque debido a la disminución de la permeabilidad por acción del CaCO3 depositado en los poros.

25

Tabla C.3: Agresividad del CO2 de acuerdo al BRE 363[9]. Dureza en CaCO3 [mg/l] < 3,5 3,5 - 35

CO2 agresivo [mg/l]

Agresividad

> 15 < 15 > 15 < 15

Alta Alta Baja Alta Baja

> 35

Proliferación de thiobacilus que convierten el H2S en H2SO4

Zona afectada por ataque ácido

Disminución de pH superficial por carbonatación y formación de yeso

CO2

O2 H2O

Escape de H2S

Formación de H2S en ambiente anaeróbico por fermentación del crudo cloacal

Figura N° 19: Esquema del ataque ácido causado por la acción bacteriana en un conducto de desagüe cloacal[9]. Fuente: E. F. Irassar, 2001. “Ataque Químico al Hormigón”. AATH – Durabilidad del Hormigón Estructura

c.4) Ataque Ácido por Acción Bacteriana Es el caso típico de los conductos de desagüe cloacal. En la figura N°19 se muestra un esquema donde el líquido cloacal se fermenta por la acción de las bacterias y desprende sulfuro de hidrógeno y metano que reaccionan en la superficie del hormigón que se encuentra sobre el nivel de agua con el CO2 y el vapor de agua formando carbonatos y sulfatos de calcio. Esta deposición causa la reducción del pH superficial del hormigón por debajo de 9 lo que facilita la proliferación de colonias bacterianas. Algunos de estos microorganismos secretan ácido causando la reducción

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localizada del pH donde se reproducen nuevas colonias de bacterias más resistentes que secretan más ácido hasta crear zonas de pH muy ácidas donde proliferan los thiobacilus que oxidan el H2S típico del ambiente cloacal para formar ácido sulfúrico (H2SO4) que ataca fuertemente al hormigón[9]. Este tipo de degradación resulta más intensa en áreas planas y climas cálidos pudiendo degradar rápidamente tanques y conductos. Para disminuir los efectos de este ataque se recomienda el uso de hormigones compactos elaborados con agregados gruesos calizos o dolomíticos. La adición de microsílice tiende a mejorar el desempeño de hormigones sometidos a este tipo de ataque. También se recomienda el uso de protecciones, recubrimientos, formas, ventilaciones y otras acciones que tiendan a evitar o minimizar el desarrollo de los microorganismos. c.5) Ataque por Sulfatos En general, se asocia al ataque por sulfatos con la formación de ettringita que produce una expansión de la pasta cementicia, generando en estado endurecido deformaciones y tensiones de tracción incompatibles para el material, produciendo un estado progresivo de fisuración que lo degrada. No obstante existen otros mecanismos que incluyen la formación de yeso y thaumasita que tienden a descalcificar al SCH dependiendo de la concentración, los iones presentes y los mecanismos de transporte de la solución de sulfatos. El ataque por sulfatos puede ser del tipo externo cuando los iones sulfato se introducen al hormigón desde el medio ambiente o del tipo interno debido a una liberación tardía de sulfatos desde los agregados (generalmente contaminados con yeso), del clinker o del cemento con elevado contenido de SC3 o en el caso de hormigones sometidos a curado a vapor u otro proceso que genere altas temperaturas en hormigones muy jóvenes (formación de ettringita diferida). La ettringita cristaliza asociada con 32 moléculas de agua (ecuación 7) que causan un incremento del volumen de la pasta, que al encontrarse en estado endurecido produce una fisuración progresiva con incremento de la porosidad y la consiguiente disminución de resistencia. C3A.CaSO4.18 H2O + 2 Na2SO4 + 2 Ca(OH)2 + 12 H2O → C3A.3(CaSO4).32 H2O + 4 NaOH- (ecuación 7) donde: C3A.CaSO4.18H2O: monosulfoaluminato (fase AFm) C3A.3(CaSO4).32 H2O: ettringita o trisulfoaluminato de calcio (fase AFt) Otro mecanismo de deterioro se produce con la formación de yeso como resultado del intercambio químico entre los iones sulfatos provenientes del medio ambiente reemplazan a los (OH)- del hidróxido de calcio formado durante la hidratación de la pasta cementicia como subproducto de la formación de silicatos de calcio (SCH) (ecuación 8). Este mecanismo también es conocido como ataque ácido de los sulfatos: Na2SO4 + Ca(OH)2 + H2O → CaSO4.2H2O + 2{Na+ + (OH)-}

(ecuación 8)

27

La formación de yeso produce el ablandamiento de la capa exterior del hormigón mientras que el interior se mantiene cohesivo por lo cual, en general, sólo se manifiesta estéticamente con deterioro en esquinas y bordes ya que la resistencia mecánica no se ve afectada. También el ataque de sulfato de magnesio resulta de interés debido a su complejidad, resultando un mecanismo diferente de ataque dependiendo fundamentalmente de la concentración de MgSO4: a) si MgSO4 < 0,48 % → ataque dominado por la formación de ettringita b) si 0,48 < MgSO4 < 0,75 % → ataque controlado por la formación de ettringita y yeso c) si MgSO4 > 0,75 % → ataque severo sobre el SCH En el caso del ataque severo, los iones sulfato reaccionan con los Ca2+ para formar yeso mientras que una parte de los iones Mg2+ difunden hacia el interior reaccionando con el Ca(OH)2 formando brucita (ecuación 9): Ca(OH)2 + MgSO4 + H2O → Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O

(ecuación 9)

Más recientemente, se descubrió otro tipo de ataque por sulfatos que consiste en la formación de thaumasita. En este caso el deterioro se produce en hormigones elaborados a partir de agregados con alto contenido de carbonatos (calizas o dolomitas) o expuestos a atmósferas con altas concentraciones de CO2. Adicionalmente esta reacción requiere de una acción frecuente o permanente de elevada humedad y baja temperatura. En general se acepta que este deterioro es relativamente rápido a temperaturas cercanas a los 5°C aunque se han reportado casos de deterioro a temperaturas mayores. En la reacción el SCH y el Ca(OH)2 de la pasta de cemento son transformados a yeso y thaumasita debido a la acción conjunta de los sulfatos y carbonatos. Mientras los sulfatos reaccionan con el Ca(OH)2 para formar yeso, la thaumasita se forma a partir de la descomposición de los compuestos SCH en SiO2 que se combina con los iones carbonato y los iones sulfato de la solución (ecuación 10): SCH + 3Ca(OH)2 + 2CaCO3 + 4MgSO4 + 28 H2O → → (Ca3Si(OH)6.CaSO4.CaCO3.15H2O) + 2 CaSO4.2H2O + Mg(OH)2

(ecuación 10)

c.6) Ataque por Magnesio La presencia de bajas concentraciones de sales de magnesio en aguas subterráneas, de mar o efluentes de aguas industriales en contacto directo con el hormigón tiende a formar brucita (Mg(OH)2) que precipita en los poros y forma una suerte de película protectora. Sin embargo, una alta concentración de sales de magnesio presenta una alta agresividad hacia el hormigón cuyo mecanismo varía en función del tipo de sal. Mientras que el ataque producido por sulfato de magnesio (MgSO4) ya fue desarrollado anteriormente como un caso especial de ataque por sulfatos, el deterioro por MgCl2 es conocido como ataque puro por magnesio.

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Este ataque produce la disolución del Ca(OH)2 y la precipitación de la brucita para luego afectar la estabilidad del SCH a partir de la pérdida de alcalinidad provocando un debilitamiento de la pasta que es acompañado por la formación de cloroaluminatos y, en el caso de soluciones muy concentradas, oxicloruro de magnesio. Como consecuencia del ataque, la estructura de poros se encontrará suficientemente afectada para acelerar el ataque hacia el interior del hormigón. Ca(OH)2 + MgCl2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2

(ecuación 11)

Conociendo que los cementos con adiciones activas presentan menor contenido de Ca(OH)2 ya sea porque tienden a formar compuestos SCH mediante combinación con el Ca(OH)2 producido como subproducto de la hidratación del clinker como es el caso de las puzolanas (efecto de combinación + reemplazo) o a través de su poder hidraulizante intrínseco como la escoria granulada de alto horno pero sin formación de cal (efecto del reemplazo), resulta que éstos –si bien presentan un mejor comportamiento ante la mayor parte de los ataques del tipo químico- demostraron un menor desempeño respecto de cementos del tipo CPN(ARS) debido a una menor cantidad de Ca(OH)2 para disolver, lo que provocaría un ataque más rápido sobre los compuestos SCH. c.7) Ataque por Agua de Mar La concentración de sales en el agua de mar resulta muy variable de acuerdo a la localización geográfica, sin embargo la constitución y proporción relativa de los compuestos resulta bastante similar. En zonas frías y templadas la concentración resulta inferior a las zonas cálidas, siendo especialmente alta la concentración salina en las costas bajas de alta evaporación[1]. Este efecto puede observarse en la tabla C.4 donde se indican los valores de salinidad determinados en aguas de dos puertos de la Provincia de Buenos Aires. En la tabla C.5 se observa la concentración iónica media del Océano Atlántico cuyo contenido de cloruros resulta muy alto, poniendo en serio riesgo las estructuras de hormigón armado expuestas al ambiente marino debido a la difusión de cloruros en el hormigón y la consecuente aceleración de la velocidad de corrosión de armaduras que se tratará más adelante. El hormigón en contacto con agua de mar sufre un deterioro complejo que combina efectos químicos y físicos. Los iones que se difunden en el hormigón atacan los productos de hidratación, facilitan la reacción álcali-agregado, la cristalización de sales en la zona de mojado y secado, y la corrosión de armaduras, mientras que también existen procesos puramente físicos como la erosión de las olas y los objetos flotantes. Varios de estos procesos pueden ocurrir en forma simultánea provocando un deterioro progresivo difícil de evitar una vez iniciado y/o de reparar. En la figura N°20[9] se esquematiza el ataque producido por el agua de mar sobre un pilar de hormigón armado, determinándose tres zonas. En la zona de marea existe el ataque combinado de corrosión del acero debido al aumento de concentración de cloruros a través de los ciclos de mojado y secado, por otra parte la cristalización de sales sumada a los gradientes térmicos tienden a fisurar al hormigón. También se produce una erosión debido a la acción directa de las olas y de los sólidos que flotan en ellas, sin olvidar el ataque por sulfatos que también se da en la zona sumergida. El

29

hormigón de la zona atmosférica resulta poco dañado en forma directa pero la difusión de cloruros provoca la corrosión de las armaduras.

Tabla C.4: Salinidad y temperatura del agua marina en puertos de la Pcia. Buenos Aires, Argentina[13]. Puerto Belgrano

Año

Mes

n n n+1 n+1 n+1 n+2

Agosto Diciembre Abril Agosto Diciembre Abril

Salinidad [%] 3,40 3,35 3,40 3,42 3,25 3,39

Puerto Mar del Plata

Salinidad [%] 3,42 3,10 3,72 3,60 3,60 3,52

Salinidad [%] 8,0 16,0 14,5 11,5 17,0 18,0

Tabla C.5: Concentración iónica en el Océano Atlántico[13]. Iones ClNa+ SO42Mg2+ Ca2+ K+ Otros Total

Concentración Iónica [%] 1,935 1,076 0,271 0,129 0,041 0,039 0,023 3,514

30

Zona Atmosférica 1

2 3

Zona de Mareas

4 Zona Sumergida

Ataque por sulfatos Ataque por magnesio Ataque de CO2

1

Fisuración debida a corrosión del acero

2

Fisuración debido al congelamiento y deshielo, y a los gradientes térmicos y de humedad normales

3

Erosión física debido a la acción de las olas, arena, grava y otros objetos flotantes

4

Reacción álcali-agregado y descomposición química de la pasta hidratada

Figura N° 20: Esquema del ataque típico del agua de mar sobre un pilar semisumergido[9]. Fuente: E. F. Irassar, 2001. “Ataque Químico al Hormigón”. AATH – Durabilidad del Hormigón Estructura

A pesar de que se ha mencionado la presencia de una alta concentración de iones agresivos como Mg2+ y SO42- la conjunción de éstos otros iones resultan menos agresivos que si los mismos atacaran individualmente. Esto se debe fundamentalmente a la formación de cloroaluminato de calcio -también conocido como sal de Friedel- (ecuación 12) y la cabonatación superficial debido a la acción del CO2 disuelto en el agua (ecuación 13). Es por ello que los reglamentos modernos prefieren caracterizar al agua de mar como un ambiente de ataque moderado y se muestra una cierta tendencia de los expertos en especificar en estos ambientes el uso de cementos del tipo MRS (moderada resistencia a los sulfatos) con 4% ≤ C3A ≤ 8% arriesgando a un cierto deterioro por sulfatos pero favoreciendo la formación de sales de Friedel que tiendan a proteger al hormigón respecto de la penetración de cloruros y, de esta manera, evitar un rápido deterioro por corrosión de armaduras. También resultan muy efectivos ante este tipo de ataque los cementos con adiciones activas como las puzolanas o escoria granulada de alto horno. En éste último caso se recomienda el uso de CAH con altos contenido de escoria (en general mayores al 50 %) independientemente del contenido de C3A que posee el clinker que lo compone. C3A + CaCl2 + 10H2O → C3A.CaCl2.10H2O

(ecuación 12)

donde: C3A: aluminato tricálcico (producto de hidratación de la pasta cementicia)

31

C3A.CaCl2.10H2O: cloroaluminato o sal de Friedel Ca(OH)2 + HCO3- + H+ → CaCO3 + 2H2O

(ecuación 13)

donde: Ca(OH)2: hidróxido de calcio (subproducto de hidratación de la pasta de cemento) CaCO3: carbonato de calcio (carbonatación) c.8) Ataque por Carbonatación Anteriormente se explicó el ataque por ácido carbónico y otros procesos de carbonatación producidos a través del contacto del hormigón con diferentes compuestos que ingresan a la masa a través del agua de contacto. Aquí se presenta el caso donde el hormigón se carbonata superficialmente por acción del CO2 atmosférico sobre el hidróxido de calcio producido como subproducto de hidratación del cemento pórtland[11] (ecuación 14). Ca(OH )2+ CO2 → CaCO3 + H2O

(ecuación 14)

La carbonatación superficial del hormigón produce una contracción volumétrica del hormigón que generalmente produce algunos efectos beneficiosos, como el aumento de la resistencia y dureza superficial del hormigón. Sin embargo, este proceso también genera una importante disminución del pH que, de generalizarse en el espesor del recubrimiento, tiende a despacivar las armaduras. La velocidad de penetración del proceso de carbonatación en el hormigón depende de la facilidad de ingreso de CO2, por lo tanto hormigones densos y bien curados presentan una menor velocidad de penetración. Otro factor decisivo en este aspecto es la temperatura y la presencia de humedad en el ambiente. En la figura N°21 puede observarse como hormigones sometidos a ambientes secos con HR < 20% presentan un grado de carbonatación relativamente bajo en forma similar a lo que sucede en ambientes húmedos con HR > 80% donde el agua contenida en los poros y capilares del hormigón dificultan el ingreso del CO2, sin embargo los ambientes intermedios con 25% < HR < 75% presentan mayor velocidad de penetración.

32

Grado de Carbonatación [%]

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

20

40

60

80

100

Humedad Relativa del Aire [%]

Figura N° 21: Grado de cabonatación del hormigón en función de la HR atmosférico de exposición[14]. Fuente: E. Becker, 2003. Seminario “Durabilidad del Hormigón”.

También la carbonatación temprana puede provocar superficies porosas y poco resistentes, siendo típico el caso de empolvamiento[6] provocado en losas de piso por efecto la exposición del hormigón fresco o muy joven a atmósferas ricas en CO2 como es el caso de algunos ambientes industriales poco ventilados o el uso de salamandras o calefactores de tiro directo en ambientes cerrados. d) CORROSIÓN DE ARMADURAS Y OTROS METALES EMBEBIDOS EN EL HORMIGÓN En un medio acuoso, la corrosión metálica es un proceso del tipo electroquímico[15] que supone la existencia de una reacción de oxidación y otra de reducción debido a la circulación de iones a través de un electrolito (pila electroquímica). Sobre la superficie del metal se generan dos zonas donde en el ánodo se producirá la oxidación: Me → Me+n + neliberándose electrones, que emigran a través del metal hacia otro lugar donde producen la reducción de los iones hidrógeno en medios ácidos presentes en el electrolito: 2 H+ + 2 e- → H mientras que el oxígeno disuelto en el agua en medios alcalinos y neutros para formar oxihidrilos:

2 O2 + 4 e- → 4 OH-

33

Entonces la corrosión a través del metal y del electrolito entre el ánodo y el cátodo es un circuito cerrado que no puede funcionar si se interrumpe en algún punto lo que generaría la detención del proceso de corrosión.

O2

O2

O2

O2

O2

Ánodo: Fe → Fe2+ + 2 eÓxidos

Cátodo: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-

Figura N° 22: Oxidación del hormigón por formación de una pila[15]. Fuente: C. Andrade, 1988. “Manual Inspección de Obras Dañadas por Corrosión de Armaduras”.

No todos los metales presentan la misma tendencia a oxidarse, incluso los denominados metales nobles conservan indefiniblemente su forma elemental[15]. En la tabla d.1 se presenta la llamada “serie electroquímica de los metales” que los ordena de acuerdo a su tendencia a oxidarse tomando como cero arbitrario la oxidación de hidrógeno a protón[15]. El proceso de corrosión en un medio acuoso se produce como producto de las reacciones de equilibrio de los iones en disolución, es decir que al depender en forma directa o indirecta de los iones del agua, su velocidad depende del pH del medio. En la figura N°23 se indica el diagrama simplificado de Pourbaix que establece las condiciones de pH y potencial en las que el metal se corroe, pasiva o permanece inmune. Mientras que en el estado de “inmunidad” el metal no se oxida debido a la ausencia de condiciones termodinámicas que favorezcan el proceso, en el estado de “pasividad” el metal se recubre de una fina capa de óxido que actúa como barrera, impidiendo la oxidación en profundidad.

34

Tabla d.1: Potenciales normales de electrodo[15]. Activo Ca+2 + 2 e-

Ca

-2,76 V

Mg+2 + 2 e-

Mg

-2,34 V

Al+3 + 3 e-

Al

-1,67 V

Zn+2 + 2 e-

Zn

-0,76 V

Fe+2 + 2 e-

Fe

-0,44 V

Sn+2 + 2 e-

Sn

-0,14 V

Pb+2 + 2 e-

Pb

-0,13 V

2 H+ + 2 e-

H2

±0,00 V

Cu+2 + 2 e-

Cu

+0,34 V

Ag+ + e-

Ag

+0,80 V

Hg+2 + 2 e-

Hg

+0,85 V

Au+3 + 3 e-

Au

+1,50 V

Noble

Adicionalmente al pH, la velocidad de corrosión depende de la naturaleza del electrolito, el contenido de oxígeno y la resistividad del medio. Las formas que puede adoptar la corrosión son diversas y se suelen clasificar por el tamaño del área afectada, siendo los tipos más frecuentes la generalizada, la localizada, por picaduras y la fisurante que se esquematizan en la figura N°24. En general, las armaduras embebidas en el hormigón sufren de corrosión generalizada debido a una disminución del pH del medio, siendo la causa más frecuente la carbonatación del hormigón de recubrimiento, mientras que la corrosión localizada por picaduras se debe a la acción de iones +2,0 +1,6 +1,2

b

+0,8

E [V]

+0,4 0,0

pasivación

a

corrosión

-0,4 -0,8

corrosión

-1,2

inmunidad

-1,6 -2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

pH

35

despasivantes (generalmente cloruros aunque también los sulfatos y sulfuros) y el agrietamiento resulta típico de las armaduras altamente tensionadas. Figura N° 23: Diagrama simplificado de Pourbaix para el Fe a 25°C[15]. Fuente: C. Andrade, 1988. “Manual Inspección de Obras Dañadas por Corrosión de Armaduras”.

Vista en Planta

Vista en Corte

Corrosión Uniforme

Corrosión Generalizada Irregular

Corrosión Localizada

Formación de Picaduras

Agrietamiento

Figura N° 24: Esquema de la morfología de la corrosión[15]. Fuente: C. Andrade, 1988. “Manual Inspección de Obras Dañadas por Corrosión de Armaduras”.

La corrosión de armaduras ha sido identificada desde hace varias décadas como la causa más frecuente de deterioro de las estructuras de hormigón armado, es por ello que desde allí se han propuesto varios modelos de predicción. Sin dudas el modelo más conocido es el modelo simplificado de Tuutti, indicado en la figura N°25, que propone un grado de deterioro en función del tiempo, donde durante un cierto tiempo denominado de iniciación no se observa deterioro pero a partir de este punto éste es progresivo. A pesar de su alta difusión, este modelo es puramente cualitativo por lo que su utilidad, por el momento, resulta sólo a los fines didácticos. La penetración de cloruros y el grado de carbonatación del hormigón de recubrimiento actúan como factores desencadenantes durante el período de iniciación, mientras que la presencia de oxígeno, temperatura y humedad actúan como factores acelerantes.

36

Grado de corrosión

Grado aceptable

a

,T

HR

O2

CO2, ClIniciación

Tiempo

Propagación

Vida útil o tiempo antes de reparar

Figura N° 25: Modelo simplificado de Tuutti sobre vida útil respecto de la corrosión[15]. Fuente: C. Andrade, 1988. “Manual Inspección de Obras Dañadas por Corrosión de Armaduras”.

Cl-crítico/cemento [%]

Los iones cloruro tienden a destruir la capa pasivante provocando fundamentalmente la corrosión localizada conocida “por picaduras”. Los cloruros se encuentran presentes en el hormigón debido al aporte que pueden realizar los materiales componentes (fundamentalmente aditivos, agua de mezclado y agregados) y/o al aporte externo a través de la red de poros. El primer caso se controla a través de la verificación de los contenidos de cloruros de los materiales componentes cumpliendo los límites recomendados por los reglamentos. El segundo resulta de más difícil control ya que depende del grado de agresividad del medio, es por ello que en cada caso se deberá establecer las características de diseño del hormigón sobre todo en ambientes marinos o en puentes y carreteras en zonas de clima frío donde se prevé el uso de sales descongelantes. Mala calidad 1,0

Buena calidad Hormigón no carbonatado

0,4

Hormigón carbonatado

HR constante ≤ 50% (bajo riesgo de corrosión ← proceso electrolítico impedido)

HR elevada y cambiante

Hormigón saturado en agua

(alto riesgo de corrosión)

(bajo riesgo de corrosión ← falta de oxígeno)

Ambiente

Figura N° 26: Esquema de variación del contenido crítico de cloruros en función de la calidad del hormigón y la humedad ambiente[15].

37

Fuente: C. Andrade, 1988. “Manual Inspección de Obras Dañadas por Corrosión de Armaduras”.

Los límites de cloruros aceptados en los reglamentos generalmente se relacionan proporcionalmente al contenido de cemento. Estos límites se refieren a los “cloruros totales”, a pesar que sólo una parte de los presentes en la masa del hormigón se combinan con las fases ferroaluminosas formando cloroaluminatos que se suman a las fases sólidas de la pasta cementicia, resultando agresivos únicamente los cloruros disueltos en la solución de poros. Sin embargo los cloruros combinados pueden disolverse debido al fenómeno de carbonatación y tornarse agresivos.

Cuando el ataque es externo, la velocidad de penetración de cloruros en el hormigón depende de la concentración de cloruros, la naturaleza del catión que acompaña al cloruro, la calidad del hormigón de recubrimiento, la temperatura de exposición, la humedad ambiente y el ancho y cuantía de fisuras. La profundidad de penetración por difusión se ajusta aproximadamente a la siguiente ley de proporcionalidad: x (t ) = K ⋅ t donde: x: profundidad de penetración de cloruros K: constante que depende del hormigón y las condiciones de exposición t: tiempo La presencia de fisuras tiende a aumentar considerablemente la velocidad de corrosión, sin embargo, cuando estas presentan anchos inferiores a los 0,4 mm, los propios productos de corrosión se encargan de obturarlas, resultando en estos casos más significativas la influencia del espesor y calidad del recubrimiento. En la figura N°27, se observa la influencia de las fisuras con anchos mayores de 0,4 mm sobre la carbonatación y difusión de cloruros sobre la corrosión localizada. Por otro lado existe la corrosión generalizada producida fundamentalmente por una despasivación de las armaduras debido a un descenso del pH del hormigón de recubrimiento por debajo de 9. El proceso de disminución de la alcalinidad se debe a una carbonatación de los compuestos básicos que se combinan con el CO2 y SO2 atmosférico que son de carácter ácido. La velocidad de carbonatación del hormigón sigue una ley de proporcionalidad similar a la difusión de cloruros. La determinación del espesor carbonatado en el hormigón resulta especialmente sencilla a través del uso de indicadores como la fenoftaleína que se torna de coloración rojo-púrpura en la zona carbonatada.

38

Fisura, e > 0,4 mm

Ancho de carbonatación y con alta concentración de cloruros

Figura N° 27: Esquema de la influencia de las fisuras en la corrosión localizada de armaduras[15]. Fuente: E. Becker, 2003. Seminario sobre “Durabilidad del Hormigón”.

La corrosión de las armaduras afecta la capacidad mecánica del acero, fisura al hormigón y afecta la adherencia acero/hormigón. Los productos de corrosión resultan de mayor volumen que el acero original produciendo tensiones radiales a las armaduras que generan tracciones que el hormigón no puede resistir generándose una disminución de la adherencia y fisuras en el hormigón de recubrimiento. En general para mejorar la durabilidad de las estructuras de hormigón armado ante la corrosión se recomienda la ejecución de un hormigón con las siguientes características: • • • • •

baja relación a/c (agua/cemento, en masa) contenido unitario de cemento superior a 350 kg/m3 asentamiento compatible con las condiciones de colocación recubrimientos adecuados protección y curado

Adicionalmente, cuando las condiciones de exposición resultan muy agresivas o se prevé una vida útil mayor a la habitual puede resultar necesario tomar precauciones adicionales como: • • • •

uso de aditivos inhibidores de corrosión pinturas o recubrimientos sobre el hormigón recubrimientos epóxicos o galvánicos sobre las armaduras protección catódica

Cada una de estas medidas de protección presentan virtudes y defectos, resultando adecuadas en mayor o menor proporción de acuerdo al medio agresivo al cual estará sometida la estructura y la facilidad técnico-económica de aplicación. En la tabla d.2 se indica a modo ilustrativo los distintos casos. Tabla d.2. Análisis de los métodos habituales de protección de armaduras[15].

39

Protección de Armaduras Métodos que actúan sobre el acero •

CAMPO DE ACCIÓN PRINCIPAL

VENTAJAS

Cualquiera

•

• INCONVENIENTES

Protección catódica

Única eficaz en la corrosión iniciada

Personal calificado Control • contínuo

•

Recubrimientos metálicos Galvanizado •

•

•

Ataque por agua de mar Carbonatación • •

Facilidad de colocación Costo relativo • Sin • mantenimiento Deterioros locales • por manipulación y transporte

Métodos que actúan sobre el hormigón • Pinturas epóxis Cualquiera

Aditivos inhibidores de corrosión

• • •

•

Ataque por cloruros anádidos durante el amasado Carbonatación • •

Sin mantenimiento Fácil aplicación • Costo relativo •

•

Sin mantenimiento

•

Costo elevado de la puesta en • obra

Usos dosis óptima

Pinturas Epoxis Ceras, etc. Cualquiera

•

Proteger a la vez al hormigón

• •

Costo relativo Necesidad de mantenimiento

En la figura N°28 se observa un esquema simplificado del riesgo de fisuración en las diferentes zonas marinas, siendo las zonas de salpicaduras y la zona de atmósfera marina las más afectadas. Conociendo que la mayor parte de las construcciones se realizan en la zona de atmósfera marina (típica de las ciudades de la costa atlántica de la Pcia. de Buenos Aires) resulta evidente que en estas construcciones se deberían extremar las medidas precautorias de manera de asegurar la vida

Zona de atmósfera marina

Zona de salpicaduras Zona de mareas Zona sumergida

Fondo marino

Riesgo de corrosión

útil de servicio para el cual fueron proyectadas. Figura N° 28: Esquema de las zonas marinas y su correspondiente riesgo de fisuración[13]. Fuente: L. Traversa,, 2001. “Durabilidad del Hormigón Estructural”.

Adicionalmente a las barras de acero que forman parte de los distintos elementos de las estructuras de hormigón armado con el fin principal de tomar esfuerzos de tracción generados por efectos de flexión y corte o torsión, o de ayudar a tomar esfuerzos de compresión en el caso de elementos fuertemente comprimidos o, simplemente, como control de fisuración y/o a los efectos

40

constructivos, el hormigón puede tener embebidos otros metales como aluminio, cobre, zinc y otros metales, así como otros materiales como los plásticos o la madera. La corrosión del aluminio se produce fundamentalmente cuando éste material está en contacto con la armadura de acero y resulta especialmente dañina en presencia de una alta concentración de cloruros. El uso de inhibidores del tipo nitrito de calcio demostró ser efectivo para evitar este tipo de corrosión. Un caso diferente es el del cobre y sus aleaciones que normalmente no se corroe en contacto con el hormigón, esto se demuestra con el excelente comportamiento de las cañerías de aleaciones de cobre utilizadas embebidas en el hormigón durante muchos años y solamente se han reportado casos de corrosión de caños de cobre en presencia de amoníaco. En el caso del zinc, resulta conocido que reacciona con los materiales alcalinos, sin embargo suele utilizarse para galvanizar armaduras en caso de estructuras de hormigón sometidas a ambientes con alta concentración de cloruros, especialmente si se utilizan inhibidores de corrosión del tipo nitrito de calcio. También en estos casos puede utilizarse armaduras de acero inoxidable (aleación de cromoníquel) que posen un excelente desempeño similarmente a la plata y al estaño[1]. Los plásticos que últimamente se utilizan en juntas waterstops, cañerías, separadores de armaduras y otros embebidos en el hormigón demostraron un buen comportamiento, sobre todo aquellos especialmente diseñados para soportar ambientes altamente alcalinos. e) REACCIÓN ÁLCALI-AGREGADO Para estructuras de hormigón que estarán en contacto permanente o frecuente con la humedad se recomienda el análisis de los agregados que serán utilizados en la elaboración del hormigón ya existen en nuestro país fuentes de agregados considerados potencialmente reactivos. La reacción álcali-agregado se produce en presencia simultánea de las siguientes condiciones: (1) presencia de humedad, (2) agregados con suficiente cantidad de minerales potencialmente reactivos y (3)

suficiente cantidad de álcalis disponibles en la solución de poros del hormigón[17]. Si cualquiera de estas tres condiciones no se cumple la reacción no se produce o –al menos- no resulta deletérea.

41

Foto N° 1: Corte de hormigón afectado por RAS. La flecha indica la presencia del gel rodeando al agregado. Fuente: Portalnd Cement Association

Dentro la reacción álcali-agregado se conocen básicamente dos mecanismos que se diferencian fuertemente por el tipo de agregado utilizado y de la velocidad de deterioro: • •

Reacción álcali-sílice (RAS), producida entre los álcalis y la sílice amorfa presentes en algunos agregados que resulta bastante lenta ya que generalmente se manifiesta luego de 5 a 15 años. Reacción álcali-carbonato (RAC), producida entre los álcalis presentes en la solución de poros y algunos compuestos carbónicos que forman parte de ciertos agregados calizos o dolomíticos. En este caso la reacción suele ser bastante más rápida manifestándose luego de unos cuantos meses.

e.1) Reacción álcali-sílice El hormigón endurecido posee su red de poros capilares parcialmente ocupada por una solución altamente alcalina (pH > 12,5) compuesta principalmente por iones alcalinos (Na+, K+, Ca2+), iones oxihidrilos (OH-) y otros iones como Al3+, Fe3+, SO42- que se encuentran en menor proporción[16]. Por otra parte los agregados que constituyen al hormigón no resultan totalmente estables y reaccionan con la pasta cementicia que en ocasiones resultan favorables y en otras desfavorables. Algunos agregados reaccionan en el medio altamente alcalino de la solución de poros produciendo compuestos expansivos que provocan tensiones internas que, en ocasiones, cuando las condiciones resultan propicias provocan fisuras que pueden resultar deletéreas al hormigón. En la tabla e.1 se observa la variación de la solubilidad de la SiO2 amorfa en función del pH del medio. En la figura N°29 se observa la diferencia entre la sílice cristalina y la sílice amorfa. La sílice amorfa (Si-OH) puede reaccionar con los iones OH- (ecuación 15). Mientras se produce esta penetración de oxihidrilos dentro de la estructura de la sílice amorfa, también son atacadas algunos enlaces siloxantes (ecuación 16): Si-OH + OH- → Si-O- + H2O

(ecuación 15)

Si-O-Si + 2 OH- → 2 Si-O- + H2O

(ecuación 16)

En ambas reacciones la carga negativa del Si-O- se balancea con los iones alcalinos (Na+ o K+) y se difundirán en la estructura porosa de los agregados. Este proceso de rotura de los enlaces siloxilantes degradan la estructura de la sílice proveyendo una importante reserva de hidróxidos alcalinos a la solución que facilita la continuidad del proceso formando una solución sílico-alcalina. La velocidad de disolución se encuentra controlada por el pH de la solución y la estructura de la sílice.

42

a) Estructura de sílice cristalina

+

b) Estructura de sílice amorfa

+

+

O-

. . +. . . . . . . +

OH-

+

Na+ o K+

Figura N° 29: Interacción entre los iones oxihidrilos y la sílice para sílice cristalina y amorfa[16]. Fuente: O. Batic & J. Sota,, 2001. “Durabilidad del Hormigón Estructural”.

Si bien existen varias teorías acerca del mecanismo de expansión de los compuestos de RAS, lo cierto es que su formación depende de la conjunción simultánea de las siguientes condiciones: • • •

Presencia de agregados reactivos con suficiente cantidad de sílice metaestable o amorfa Concentración suficiente de iones alcalinos en la solución de poros Humedad permanente o periódica en la red de poros capilares

Adicionalmente se debe considerar la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción y la disposición de tiempo suficiente ya que, en general, a temperatura ambiente normal la RAS se manifiesta en las estructuras de hormigón luego de algunos años.

Expansión

3

2 1

1

Período de inducción

2

Período de reacción franca

3

Período de amortiguamento

Tiempo

Figura N° 30: Curva típica de RAS para un agregado reactivo de reacción media o rápida[16]. Fuente: O. Batic & J. Sota,, 2001. “Durabilidad del Hormigón Estructural”.

43

En la figura N°30 se observan conceptualmente la curva típica de expansión donde se identifican 3 períodos característicos: el primero es el de inducción donde se inicia la reacción a través de la acción de los iones presentes en la solución de poros que actúan sobre los minerales reactivos de los agregados, luego se presenta el período de reacción franca donde se acelera la expansión para finalmente entrar al período de amortiguamiento donde hay un agotamiento de alguno de los reactivos intervinientes en la reacción (por ejemplo la falta de álcalis disponibles). El Proyecto de Reglamento CIRSOC 201:2002 prevé un método de análisis para el estudio de reactividad por RAS y las posibles medidas necesarias para evitar sus efectos deletéreos. Tabla e.1. Efecto del pH del medio de exposición sobre la hidrólisis de la sílice amorfa[16]. Medio de exposición

PH

Agua neutra Agua moderadamente alcalina Agua saturada con Ca(OH)2 Pasta de cemento de bajo álcali Pasta de cemento de alto álcali

7-8 10 12 12,5 13,0

Solubilidad aproximada de la sílice amorfa [ppm] 100-150 < 500 ≈ 90.000 ≈ 100.000 Infinito

Tabla e.2. Tipos de roca álcali-reactivas[16]. Tipo de roca

(tipos de roca similares o asociadas) Andresita Argilina (pizarra / arcillita, filita) Basalta (dolerita) Ftanita (pedernal) Dolomía Gneiss (granulita, esquisto) Granito (grano-diorita)

Definición Roca volcánica de grano fino y de composición intermedia Roca sedimentaria diagenética, o roca argilácea débilmente metamorfoseada, con o sin clivaje Roca volcánica básica, de grano fino Roca sedimentaria que aparece en –o deriva de- la creta. El pedernal es la creta del cretáceo Roca sedimentaria de carbonato, que contiene más dolomita mineral de calcio Roca metamórfica de alto grado, que exibe bandeado Roca ígnea ácida, de grano grueso o mediano

Grauvaca (“gritstone”, Roca sedimentaria detrítica, no calcárea, que contiene característicamente fragmentos de roca y posible sub-wacke cuarzosa) granos minerales en una matriz de grano muy fino Roca térmicamente metamorfoseada, de grano Hornfels fino Piedra caliza (marga, creta) Roca sedimentaria de carbonato, que contiene calcita como mineral predominante. La marga tiene un alto contenido de arcilla Milonita (cataclasita, brecha) Roca con metamorfismo dinámico, con tamaños de grano de cuarzo fracturados y reducidos (debido a la cataclasis). La milonita tiene textura foliada. La cataclasita y la brecha tiene texturas macizas

Constituyentes minerales potencialmente reactivos frente a los álcalis Vidrio, o vidrio desvitrificado. Venación calcedónica, o “vigh-fillings” Cuarzo microcristalino o criptocristalino

opalina

o

Vidrio, o vidrio desvitrificado. Venación opalina o calcedónica, o “vigh-fillings” Sílice calcedónica y cuarzo micro o criptocristalino. Algunas variedades pueden contener sílice opalina Cuarzo finamente diseminado, ópalo o calcedonia. Cristales finos de dolomita (pueden causar RAC) Cuarzo altamente tensionado y/o límites escasamente cristalinos entre los granos de cuarzo. Cuarzo micro o criptocristalino. Venas opalinas o calcedónicas Cuarzo altamente tensionado, o cuarzo microcristalino. Venación opalina o calcedónica, o “vugh-fillings” Cuarzo micro o criptocristalino. No todas las grauvacas son álcalireactivas Cuarzo micro o criptocristalino. Vidrio, o desvitrificado Cuarzo finamente diseminado, ópalo, o calcedonia. “Ftanita” o “pedernal” asociados

vidrio

Cuarzo tensionado, recristalizado, cuarzo criptocristalino y microcristalino, material vítrio

44

Cuarcita Riolita (dacita, pórfido) Arenisca y limolita

Toba (ignimbrita)

Roca sedimentaria (orto-cuarcita) o metamórfica (metacuarcita), que consiste, en forma predominante, en cuarzo Roca volcánica ácida, desde grano fino hasta vítrea

Cuarzo altamente tensionado y/o límites escasamente cristalinos entre los granos de cuarzo. Cuarzo micro o criptocristalino Vidrio, o vidrio desvitrificado. Tridimita. Cristobalita. Venación opalina o calcedónica o “vugh-fillings”. Cuarzo micro o criptocristalino Roca sedimentaria detrítica. Los granos son, por lo Cuarzo altamente tensionado. Algunos tipos de roca general, de cuarzo pero es posible hallar cementan notablemente con sílice opalina, sílice calcedónica fragmentos o granos de casi todos los tipos de roca y cuarzo micro o criptocristalino o mineral Roca detrítica que consiste en ceniza volcánica Vidrio, o vidrio desvitrificado. Cuarzo altamente tensionado. consolidada Cuarzo micro o criptocristalino. Venación opalina o calcedónica o “vugh-fillings”

Tabla e.3. Constituyentes sílico-reactivos[16]. Tipo de mineral Calcedonia, Sílice calcedónica

Cristobalita

Feldespato Ópalo o sílice opalina Cuarzo Vidrio volcánico

Tridimita

Definición Cuarzo de grano muy fino, con una microestructura fibrosa distintiva Forma de sílice (no cuarzo) de muy alta temperatura, que aparece como constituyente metaestable en algunas rocas volcánicas ácidas, y como forma de baja temperatura en algunas piedras areniscas que contienen fósiles silíceos, y en algunos pedernales con densidad menor que la del cuarzo Un grupo común de minerales de silicato Sílice amorfa esencialmente hidratada, y formas desordenadas de la crisobalina La forma cristalina más común de la sílice

Componentes reactivos frente a los álcalis La calcedonia es reactiva La cristobalita es altamente reactiva

No reactivo La sílice opalina es altamente reactiva

El cuarzo altamente tensionado es, posiblemente, reactivo. Algunas formas micro o criptocristalinas son reactivas Fase no cristalina dentro de algunas rocas Algunos vidrios volcánicos o vidrios volcánicos volcánicas, puede ser “desvitrificado” para dar desvitrificados son reactivos. La tridimita o la cristobalita cristales muy finos o incipientes podrán estar presentes cuando se desvitrifica Forma de sílice de alta temperatura, que aparece La tridimita es altamente reactiva como constituyente metaestable en algunas rocas ácidas, y como forma de baja temperatura en algunas piedras areniscas que contienen fósiles silíceos, y en algunos pedernales con densidad menor que la del cuarzo

e.2) Reacción álcali-carbonato Otro tipo de reacción álcali-agregado es la RAC (reacción álcali-carbonato) que –a diferencia de la RAS- se produce con el uso de agregados carbónicos (calizas, dolomitas) y en tiempos muy inferiores, encontrándose obras con signos evidentes de reacción luego de sólo 2 o 3 meses aunque también existen antecedentes de RAC donde los efectos se manifestaron luego del año de edad.

45

El mecanismo de expansión de la RAC se produce a través de la llamada reacción de dedolomitación (ecuación 17) donde la dolomita es reemplazada por 2 fases sólidas (brucita y calcita), mientras que el carbonato alcalino es una solución. CaMg(CO3)2 + 2 M (OH) → Mg(OH)2 + CaCO3 + M2CO3

(ecuación 17)

donde: CaMg(CO3)2: dolomita M(OH): álcali Mg(OH)2: brucita CaCO3: carbonato de calcio (calcita) M2CO3: carbonato alcalino M: representa Na, K o Li Esta reacción produce expansiones en el interior de las rocas reactivas que, en caso de ser superiores a las admisibles por la roca, producen la fisuración de la roca y del hormigón[16]. A diferencia de la RAS que puede ser evitada a través del uso de adiciones minerales activas o sales de litio, en el caso de RAC estas no resultan efectivas y sólo puede evitarse a través de alguna de las siguientes medidas: • • •

Evitar el uso de calizas y dolomitas que hayan demostrado en obra o en ensayos de laboratorio ser potencialmente reactivas Reducir el tamaño máximo del agregado grueso reactivo debajo del valor crítico para evitar su carácter deletéreo Reducir el contenido total de álcalis en el hormigón

En la figura N°31 se observa en el gráfico a) que también existe una importante influencia de la temperatura de exposición sobre la expansión del hormigón. Esto indica que en zonas frías la RAC resultaría menos deletérea debido a una menor velocidad de reacción. Por otra parte ya se mencionó la influencia del tamaño del agregado grueso en la expansión, esto se observa claramente en el gráfico b) donde las fracciones finas presentan menores valores de expansión. 0,30

0,14 Cemento de alto álcali 38°C 54°C

0,20

0,12 Expansión [%]

Expansión [%]

0,25

23°C

0,15

38°C

0,10

Cemento de bajo álcali

0,05 0

3

6

9

12

15

18

al T nomin

0,08

= 13

,2

T nominal = 9,5

mm 9,5

mm - 4,75 m

m

0,04 0,02

23°C

0,00

0,10

mm

21

Edad [meses] a) Influencia de la temperatura sobre la expansión por RAC del hormigón en el tiempo

0,00 0

5

10

15

20

25

Edad [meses] b) Influencia del tamaño del agregado grueso sobre la expansión por RAC del hormigón en el tiempo (HR=100%, T=23°C)

46

Figura N° 31: Influencia de la temperatura y el tamaño del agregado grueso sobre la expansión por RAC[16]. Fuente: O. Batic & J. Sota,, 2001. “Durabilidad del Hormigón Estructural”.

f) OTROS PROCESOS DE DETERIORO Adicionalmente a la RAS y RAC existen otros procesos de deterioro que tienden a ser deletéreos con el hormigón. Entre estos, los más frecuentes y estudiados son: 1) 2) 3) 4)

Presencia de arcillas en rocas basálticas alteradas Hidratación tardía de CaO y/o MgO Ataque interno de sulfatos (ettringita diferida) Fisuración en hormigón masivo

f.1) Expansiones por presencia de arcillas en rocas alteradas La utilización de rocas basálticas es habitual en la Mesopotamia y en la Patagonia argentina aunque existen otros yacimientos menores en diversas regiones. En general, esta roca presenta alta dureza y densidad lo que las hace indicadas para su utilización en hormigón. Sin embargo, varias canteras presentan bancos donde los basaltos se encuentran contaminados con arcillas de los tipos esmectitas o montomorillonita que poseen estructura bidimensional y de alta superficie específica[16] lo que permite la retención de una importante cantidad de agua entre sus capas provocando un importante aumento volumétrico que puede generar tensiones internas de intensidad suficiente para destruir la roca. Muchas veces estos procesos pueden asociarse a la RAS tanto en forma incorrecta debido a los efectos de deterioro similares como en forma correcta ya que los productos secundarios pueden participar en forma directa junto al vidrio volcánico en la RAS o también puede participar como disparador debido a la retención de agua y estado inicial de fisuración que favorece el crecimiento del gel de RAS. f.2) Expansiones por hidratación tardía del CaO y el MgO Los procesos de fabricación de cemento pórtland actualmente presentan un grado de control tan importante que no se registran antecedentes en las últimas décadas de esta causa de deterioro. Sin embargo, a los fines didácticos resulta interesante su conocimiento ya que las normas IRAM de cementos presentan límites estrictos sobre estos compuestos.

La presencia de una cierta cantidad de CaO libre en el cemento pórtland puede generar expansiones cuando la hidratación de este compuesto se produce lentamente durante el período de endurecimiento de la pasta hasta su rigidez. En esta condición el aumento volumétrico puede generar tensiones y fisuras sobre todo en elementos de gran volumen. Cuando se utiliza como materia prima rocas dolomíticas debe limitarse el contenido de MgO en la formulación de la harina (material “crudo” que ingresa al horno de cemento dentro del cual sufre un proceso termoquímico para formar el clinker pórtland) ya que la presencia de magnesia libre en el clinker provoca una hidratación lenta de este compuesto que puede durar hasta varios años provocando la fisuración de la pasta cementicia y, consecuentemente, del hormigón.

47

f.3) Ataque interno de sulfatos El ataque interno por sulfatos se debe a la formación de ettringita diferida en el hormigón endurecido sin el aporte externo de sulfatos. Las fuentes internas de sulfatos son: (1) utilización de agregados contaminados con yeso, (2) cemento pórtland con una elevada proporción de SO3 y (3) uso de aditivos o cementos de contracción compensada. Adicionalmente, se ha encontrado en los últimos años que los hormigones curados a vapor o masivos que hayan adquirido alta temperatura resultan sensibles a la formación de ettringita diferida en presencia de cementos con moderado a alto contenido de AC3. f.4) Fisuración en hormigón masivo Cuando se construyen elementos estructurales de hormigón cuya mínima sección es mayor de 75 cm, existe riesgo que la temperatura que se genera por efecto de la hidratación del cemento se eleve hasta valores que generen una expansión tal que el hormigón no soporte las tensiones de tracción que se generan durante la retracción producida durante la etapa de enfriamiento. La manera de mantener esta elevación dentro de los límites “razonables” es la utilización de un mínimo contenido de cemento compatible con los requerimientos de resistencia y durabilidad del hormigón, restringir la temperatura de colocación del hormigón (≤ 20°C), limitar el CUC (contenido unitario de cemento) y utilizar un cemento pórtland que genere bajo calor de hidratación o reemplazar parte del cemento por adiciones minerales activas. En algunos casos, estos requerimientos pueden ser reemplazados o complementados con algunas metodologías constructivas que permiten una mejor disipación de la temperatura.

Sin dudas en elementos evidentemente masivos como diques y presas de hormigón, el riesgo de fisuración por efectos térmicos se maximiza y esto justifica un exhaustivo análisis de manera tal de analizar los métodos que resultan más adecuados en cada caso desde los puntos de vista técnico y económico. Una de las acciones más utilizadas para disminuir el calor de hidratación es la incorporación de altos contenidos de puzolanas. La “regla del dedo gordo” dice que el calor generado durante la hidratación de las puzolanas es del orden del 50 % del que generaría el cemento al cual reemplaza[19]. Sin embargo también resultan necesaria la consideración de otros aspectos muy importantes que tienen que ver con el diseño de la mezcla como el nivel de resistencia necesario, relación a/c[20], composición, tipo y finura del cemento, Tmáx del agregado grueso, CUC, difusividad térmica, temperatura de colocación, módulo de elasticidad, etc. Adicionalmente se debe analizar la influencia de la forma y dimensiones del elemento, estrategias de hormigonado, temperatura ambiente y restricciones internas y externas de la estructura entre otros aspectos. Para ello suelen utilizarse elementos de cálculo computacional por el método de los elementos finitos que brindan información muy precisa en función del grado de precisión que se tiene sobre cada uno de los aspectos antes mencionados. DISPOSICIONES DEL REGLAMENTO CIRSOC 201:2002 SOBRE DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

A partir de Noviembre de 2002 y durante todo el año 2003 se encuentra en discusión pública el Proyecto de Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón CIRSOC 201:2002 que establece, de acuerdo a su propia definición en el artículo 1.1.1., “... los requerimientos mínimos para el diseño y construcción de estructuras de hormigón sin armar, armado y pretensado, las que deben ser capaces de resistir las acciones previstas durante los períodos de construcción y de servicio, ofreciendo la seguridad adecuada al uso al que se destinen durante su período de vida útil.”

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Si bien este documento se encuentra fuertemente inspirado en el Reglamento estadounidense ACI 318, la parte dedicada a la tecnología del hormigón se aparta bastante del documento madre para tomar criterios locales y/o inspirados en otros prestigiosos reglamentos. Aquí nos concentraremos básicamente en el artículo 2.2. que establece los requisitos por durabilidad que forma parte del Capítulo 2 denominado “Especificaciones por Resistencia y Durabilidad. Los mismos están estipulados para una vida de servicio de la estructura de 50 años, para edades diferentes el proyecto se deberán establecer los requerimientos específicos del mismo suponiendo que para vidas de servicio menores serán menos severos y deberán indicarse requisitos adicionales cuando se prevén vidas de servicio más prolongadas. Clasificación de los ambientes agresivos: De acuerdo al artículo 2.2.2.1: “el Proyecto debe establecer una estrategia de diseño y de mantenimiento que garantice, al finalizar su vida útil en servicio, que la estructura posea la seguridad, la aptitud de servicio y las condiciones estéticas exigidas por este Reglamento y por el comitente. Dicha estrategia debe estar claramente explicitada en los Documentos del Proyecto.” Por consiguiente dichos documentos deben indicar el tipo de ambiente al que estará expuesta la estructura, la vida útil de diseño (si es diferente de 50 años), la estrategia de diseño y mantenimiento, y el tipo de hormigón con su tipo de protección. Para ello el Reglamento prevé una serie de tablas donde clasifica distintos ambientes en función de su grado de agresividad y las estrategias recomendadas para cada uno de ellos donde se establecen los siguientes requisitos a cumplir por los hormigones: • • • • • • •

Máxima relación a/c (agua/cemento, en masa) (ver tabla 2.5) Mínima resistencia especificada (f´c mín) (ver tabla 2.5) Contenido mínimo de aire intencionalmente incorporado, cuando corresponda (ver tabla 3.5) Resistencia frente al ataque de sulfatos, cuando corresponda (ver tablas 2.3 y 2.4) Resistencia frente al agua de mar, cuando corresponda (ver tablas 2.3 y 2.6) Inhibición de la RAS (reacción álcali-sílice), cuando corresponda Penetración de agua máxima, cuando corresponda

Adicionalmente, y con similar nivel de importancia se deberán respetar los recubrimientos, control de deformaciones y fisuraciones, diseños geométricos, materiales, puesta en obra, protección y curado de manera tal de asegurar un buen desempeño de la estructura durante la vida de servicio proyectada. En mi opinión, esta nueva versión del Reglamento presenta una interesante guía para el proyectista a la hora de diseñar hormigones durables ya que con la ayuda de las tablas 2.1. (corrosión), 2.2. (congelación y deshielo y ataque químico), 2.3 (ataque por acción del agua de contacto, complementa tabla 2.2.) y 2.4 (ataque por sulfatos en el suelo de contacto, complementa tabla 2.2.) puede designar los tipos de agresiones y con esta información definir de acuerdo con la tabla 2.5. los requerimientos mínimos a exigir al hormigón de la estructura. Puede observarse en esta última tabla (5.2.) que se limita la relación a/c (agua/cemento, en masa) y simultáneamente se establece

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una clase mínima de hormigón correlacionándose con cierta coherencia ambas condiciones simplificando la decisión del proyectista y la gestión de control de calidad en obra. Mientras que las tablas 2.1. y 2.2. tipifican los diferentes tipos de ambientes agresivos, las tablas 2.3. y 2.4. brindan información adicional complementaria que ayudan a tipificar el grado de ataque químico Q1 (moderado), Q2 (fuerte) y Q3 (muy fuerte). Reacción álcali-sílice: También se trata particularmente la RAS (reacción álcali-sílice) indicando a través de un diagrama de flujo el criterio propuesto para análisis de reactividad potencial de los agregados. El mismo está basado en el criterio propuesto por la Portland Cement Association (EE.UU.), dándole especial importancia al estudio de antecedentes sobre el desempeño real en estructuras del conjunto cemento-agregado. También utiliza criterios de evaluación de agregados que se inician con el análisis petrográfico de acuerdo al procedimiento IRAM 1.649 de manera de establecer el contenido de minerales considerados potencialmente reactivos y se comparan con los siguientes límites propuestos: Cuarzo tensionado, microfracturado o microcristalino .......................... Chert y/o calcedonia, con trazas de ópalo incluidas en su masa ............ Tridimita y/o cristobalita ........................................................................ Ópalo ................................................................................................ ...... Vidrio volcánico contenido en rocas volcánicas .................................... Arcillas del tipo esmectitas contenidas en la masa de basaltos ..............

5% 3% 1% 0,5% 3% 2%

Si las fracciones individuales y/o el conjunto de agregados utilizados en las proporciones de obra cumplen los límites indicados, los agregados se consideran inocuos y pueden ser utilizados sin restricciones por RAS (reacción álcali-sílice). En caso contrario, se podrá estudiar los agregados de acuerdo al método acelerado de la barra de mortero (IRAM 1.674) y/o mediante el método del prisma de hormigón (IRAM 1700). Debido a que el primero requiere de sólo 16 días de ensayo desde el moldeo y el segundo un (1) año, se prefere utilizar el primero y dejar el segundo para casos donde el primero resultó no satisfactorio y se dispone de tiempo suficiente para el análisis. En caso de que los agregados resulten potencialmente reactivos, se podrá tomar alguna o varias de las siguientes medidas: •

Reemplazo total o parcial del agregado. Esta solución resulta válida cuando utilizando las proporciones de obra se prueba el conjunto cemento-agregado con alguno de los métodos propuestos. Aquí hay una novedad ya que se permite el empleo del método acelerado de la barra

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•

de mortero para análisis del conjunto cemento-agregado cuando el ensayo IRAM 1674 propone el mismo sólo como evaluatorio del agregado. En caso de no resultar posible el reemplazo del agregado por otro considerado inocuo se proponen las siguientes soluciones: • Utilizar un cemento RRAA (resistente a la reacción álcali-agregado) • Utilizar una adición mineral activa que demuestre ser efectiva para inhibir la RAS • Limitar el contenido total de álcalis del cemento a menos de 3 kg/m3 siempre que no exista la posibilidad del aporte externo de álcalis • Utilizar sales de litio u otros aditivos que demuestren ser efectivos frente a la RAS

Ataque por sulfatos:

Por otro lado, para hormigones sometidos al ataque químico se establecen tres niveles de ataque en función de lo establecido en las tablas 2.2., 2.3. y 2.4. En la tabla 2.5. se indican los requisitos de resistencia especificada mínima y relación a/c máxima. Para el caso particular de ataque por sulfatos se indican los requerimientos sobre el cemento o material cementicio específico para cada nivel de ataque de acuerdo a lo indicado a continuación: a) Grado de ataque moderado: Cemento moderadamente resistente a los sulfatos (MRS-IRAM 50.001-Tabla 4). También se puede utilizar un cemento pórtland normal (CPN) más una adición mineral activa, que ensayados según IRAM 1635, presente una expansión que no supere el 0,10% a los 6 meses de edad.

b) Grado de ataque fuerte: Cemento altamente resistente a los sulfatos (ARS-IRAM 50.001-Tabla 3). También se puede utilizar un cemento pórtland normal más una adición mineral activa, que ensayados según IRAM 1635, presente una expansión que no supere el 0,05% a los 6 meses, ni el 0,10% al año de edad. c) Grado de ataque muy fuerte: Cemento con adiciones altamente resistente a los sulfatos (ARS-IRAM 50.001-Tabla 3) o un cemento sin adiciones altamente resistente a los sulfatos usado conjuntamente con una adición mineral activa, siempre que el conjunto, ensayado según IRAM 1635, presente una expansión igual o menor que 0,05% a los 6 meses, e igual o menor de 0,10% a la edad de un (1) año. Puede prescindirse del uso de la adición mineral activa cuando se utilice una protección exterior, capaz de resistir la agresión. En todos los casos, el contenido de cemento debe ser igual o mayor que 350 kg/m3. Aquí resulta extraño que en el caso de utilizar el criterio de desempeño verificado a través del ensayo IRAM 1635 se establezcan los mismos límites para los grados de ataque fuerte y muy fuerte. Seguramente los límites deberán ser revisados ya que una estructura sometida a un ataque considerado de grado muy fuerte debería tener una mayor exigencia.

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Tabla 2.1. Clases de exposición generales que producen corrosión de armaduras Desig.

Clase

Subclase

Tipo de proceso

Descripción del medio ambiente •

No agresiva

Ninguno

A1

A2

A3

M1

Ambiente Normal

Temperatura moderada y fría, congelación. Humedad alta y media o con ciclos de mojado y secado

Climas tropical y subtropical

Húmedo o sumergido, con cloruros de origen diferente del medio marino

A3 Al aire

Al aire M1

Marino

Interiores de edificios no sometidos a condensaciones Elementos exteriores de edificios • revestidos Hormigón masivo interior • Estructuras en ambientes rurales y • climas desérticos, con precipitación media anual < 250 mm

• Corrosión por carbonatación

Interiores de edificios expuestos al aire con HR ≥ 65% o a condensaciones Exteriores expuestos a lluvias con • precipitación anual < 1.000 mm Elementos enterrados en suelos • húmedos o sumergidos

Exteriores expuestos a lluvia con • Corrosión por precipitación media anual ≥ 1.000 mm carbonatación • Temperatura media mensual durante más de 6 meses al año ≥ 25ºC Superficies de hormigón expuestas • Corrosión por al rociado o a la fluctuación del nivel cloruros de agua con cloruros Hormigón expuesto a aguas • naturales contaminadas por desagües industriales A más de 1 km de la línea de marea • Corrosión por alta y contacto eventual con aire cloruros saturado de sales A menos de 1 km de la línea de • Corrosión por marea alta y contacto permanente o cloruros frecuente con aire saturado con sales Sumergidos en el agua de mar, por • Corrosión por debajo de nivel mínimo de mareas cloruros Corrosión por • En zona de fluctuación de mareas o cloruros expuesto a salpicaduras del mar

Ejemplos ilustrativos de estructuras donde se pueden dar las clases de exposición Interiores de edificios no sometidos a • condensaciones Elementos exteriores de edificios • revestidos Hormigón masivo interior • Estructuras en ambientes rurales y climas • desérticos, con precipitación media anual < 250 mmn o están en contacto con el medio ambiente • Parte interior de los mismos • • • • • • • •

Sótanos no ventilados Fundaciones Tableros y pilas de puentes Elementos de hormigón en cubiertas de edificios Exteriores de edificios Interiores de edificios con humedad del aire Alta o media Pavimentos Losas para estacionamiento

• •

Piletas de natación sin revestir Fundaciones en contacto con aguas subterráneas Cisternas en plantas potabilizadoras • Elementos de puentes • •

•

Construcciones alejadas de la costa pero en la zona de influencia de los vientos cargados de sales marinas (*) Construcciones próximas a la costa

• •

Estructuras de defensas costeras Fundaciones y elementos sumergidos de puentes y edificios en el mar Sumergidos M2 Estructuras de defensa costeras, • fundaciones y elementos de puentes y edificios (*) La distancia máxima depende de la dirección de los vientos predominantes. Cuando ellos provengan del mar, como ocurre en la mayor parte del litoral de la Provincia de Buenos Aires, esta zona está entre 1 y 10 km. En la mayor parte de la Patagonia esta zona es inexistente. El Director del Proyecto deberá acotar los límites de aplicación de esta zona de agresividad. Sumergidos

Tabla 2.2. Clases específicas de exposición que pueden producir degradación distinta de la corrosión de armaduras Desig.

Clase

Subclase

Sin sales descongelantes

C1 Congelación

Tipo de proceso

Ataque por congelación y deshielo

Descripción del medio ambiente

Ejemplos ilustrativos de estructuras donde se pueden dar las clases de exposición

Elementos en contacto frecuente con agua, o zonas con HR ambiente media en invierno • Superficies expuestas a la lluvia o a superior al 75%, y que tengan una atmósferas húmedas probabilidad mayor que el 50% de alcanzar al • Estructuras que contienen agua o la menos una vez temperaturas por debajo de conducen 5ºC

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y deshielo C2

Con sales descongelantes

Q1

Moderado

Q2

Ambientes con agresividad química

Ataque por congelación y deshielo y por sales descongelantes

Ataque Químico

Fuerte

Muy fuerte

Q3

Estructuras destinadas al tráfico de vehículos • Pistas de aterrizaje, caminos y o peatones en zonas con más de 5 nevadas tableros de puentes anuales o con una temperatura media en los • Superficies verticales expuestas a la meses de invierno inferior a 0ºC acción directa de rociado con agua que contiene sales descongelantes Suelos, aguas o ambientes que contienen • elementos químicos capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad lenta (Ver Tablas 2.3 y 2.4) Suelos, aguas o ambientes que contienen • elementos químicos capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad media (Ver Tablas 2.3 y 2.4) Exposición al agua de mar • Suelos, aguas o ambientes que contienen • elementos químicos capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad rápida (Ver Tablas 2.3 y 2.4)

Tabla 2.3. Valores límites de sustancias agresivas en aguas de contacto Disolución de cal por ataque con ácido carbónico (CO32-) (4) [mg/litro]

Sulfatos solubles (SO42+) (1) [mg/litro]

Magnesio (Mg2+) (2) [mg/litro]

pH (3)

Moderado

150 a 1.500

300 a 1.000

6,5 a 5,5

15 a 40

15 a 30

Fuerte

1.500 a 10.000

1.000 a 3.000

5,5 a 4,5

40 a 100

30 a 60

Muy fuerte

> 10.000

> 3.000

< 4,5

> 100

> 60

Grado de ataque

(1), (2) y (3) (4) y (5)

Amonio (NH4+) (5) [mg/litro]

Se determinarán con el método especificado en la norma IRAM que se redactará al efecto. Se determinarán con el método especificado en la norma IRAM 1.708 (se encuentra en etapa de redacción el método para determinación del amonio.

Tabla 2.4. Valores límites de sustancias agresivas en suelos de contacto

Grado de ataque

Sulfatos solubles (SO42+) (1) [% en masa]

Grado de acidez Broumann – Gully Modificado (2) [Nº]

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Moderado

0,10 a 0,20

> 20

Fuerte

0,20 a 2,00

-----

Muy fuerte

> 2,00

-----

(1) (2)

Se determinará con el método especificado en la norma IRAM que se redactará al efecto. Se determinará con el método especificado en la norma IRAM 1.707

Tabla 2.5. Requisitos de durabilidad a cumplir por los hormigones, en función del tipo de exposición de la estructura

Requisitos

Tipos de exposición de las estructuras, de acuerdo a la clasificación de las Tablas 2.1. y 2.2. y sus complementarias 2.3 y 2.4 A1 Q2 Q3 (3) A2 A3 M1 M2 C1 (2) C2 (2) Q1

a) Razón a/c máxima (1) ---: Hormigón simple 0,60 0,60 Hormigón armado Hormigón pretensado b) f´c mín [MPa]: Hormigón simple ---20 Hormigón 25 armado Hormigón pretensado

---0,50 0,50

---0,50 0,50

0,45 0,45 0,45

0,45 0,40 0,40

0,45 0,45 0,45

0,40 0,40 0,40

0,50 0,50 0,50

0,45 0,45 0,45

0,40 0,40 0,40

---25 30

---30 35

30 35 40

35 40 45

30 30 30

35 35 35

30 30 35

35 35 40

40 40 45

(1)

Cuando se use cemento Pórtland más una adición mineral activa, se debe reemplazar la razón agua/cemento (a/c), por la razón agua/material cementicio [a/(c+x)], que tenga en cuenta la suma del cemento Pórtland (c) y la cantidad y eficiencia de la adición (x).

(2)

Debe incorporarse intencionalmente aire, en la cantidad requerida en la Tabla 5.3.

(3)

Adicionalmente, se debe proteger a la estructura con una membrana, película o material impermeable, capaz de resistir la agresión.

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Tabla 2.6. Contenido máximo de ión cloruro (Cl-) en el hormigón endurecido

Hormigón

Sin Armar Armado, con curado normal Armado, con curado a vapor Armado, con curado a vapor Pretensado

Cualquier condición Medio ambiente con cloruros

Contenidos máximos de ión cloruro (Cl-) en el hormigón endurecido (IRAM 1.857) % en masa del cemento 1,20 0,15

Medio ambiente sin cloruros

0,30

Cualquier condición

0,10

Cualquier condición

0,06

Condición de exposición en servicio

Tabla 2.7. Resistencias de los hormigones

Clase de Hormigón

H-15 H-20 H-25 H-30 H-35 H-40 H-45 H-50 H-55 H-60

Resistencia especificada a compresión, f´c [MPa] 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

A utilizar en hormigones

simples simples y armados simples, armados y pretensados

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Tabla 2.9. Hormigones con características especiales Tipo de hormigón

Casos típicos

Máxima razón a/c (agua/cemento, en masa)

Hormigón a colocar bajo agua

Hormigón de elevada impermeabilidad

• Pilotes de gran diámetro • • •

Cisternas Depósitos para agua Conductos Tuberías

Hormigón expuesto a abrasión • Resbalamiento de materiales a granel • Movimiento de objetos pesados • Escurrimiento rápido de agua

0,45

espesor ≤ 500 mm: 0,45 espesor > 500 mm: 0,55

0,42

Clase mínima de hormigón

H-30

H-30 para espesor ≤ 500 mm H-20 para espesor > 500 mm

H-40

Aire incorporado Aditivo fluidificante Asentamiento [mm] Penetración de agua

Sí Recomendable

no recomendable

no recomendable

180 ± 20

< 150

< 100

Exigencias adicionales a cumplir por los agregados

-----

espesor ≤ 500 mm: ver 2.2.11

Agregado grueso: ----Tamaño máximo 26,5 mm

----Agregado grueso: • Tamaño máximo ≤ 26,5 mm • Tamaño máximo: no mayor de 1/3 del espesor del elemento estructural • Desgaste “Los Ángeles” menor de 30%

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Tabla 5.3. Total de aire natural e intencionalmente incorporado al hormigón

Tamaño máximo del agregado grueso [mm] 13,2 19,0 26,5 37,5 53,0

Total de aire natural e intencionalmente incorporado al hormigón, de acuerdo al tipo de exposición o para hormigones especiales (Capítulo 2, Tablas 2.5. y 2.9.) Exposición tipo C2 Exposición tipo C1 y Hormigón a colocar bajo agua [% en volumen] [% en volumen] 5,5 ± 1,5 7,0 ± 1,5 5,0 ± 1,5 6,0 ± 1,5 4,5 ± 1,5 6,0 ± 1,5 4,5 ± 1,5 5,5 ± 1,5 4,0 ± 1,5 5,0 ± 1,5

Tabla 3.4. Sustancias nocivas en el agregado fino

Sustancias nocivas

Unidad

Terrones de arcilla y partículas friables

Finos que pasan el tamiz IRAM 75 µm: • Hormigones expuestos a desgaste superficial • Otros hormigones Materias carbonosas: • Cuando es importante el aspecto superficial • Otros casos Sulfatos, expresados como SO3 Otras sales solubles Cloruros

Otras sustancias perjudiciales

Máximo Admisible 3,0

Método de Ensayo IRAM 1.674

3,0 5,0

IRAM 1.540

0,5 1,0

IRAM 1.647

0,1 1,5 Ver 2.2.7 (*) 2,0

IRAM 1.647 IRAM 1.647 IRAM 1.857 IRAM 1.649

g/100g

---g/100g

(*) El artículo 2.2.7 sobre contenidos máximos de cloruros en el hormigón dice en su primer párrafo: “Los contenidos máximos de cloruros solubles en el hormigón endurecido, aportados por todos los materiales componentes, incluyendo los aditivos y eventualmente adiciones minerales, deben ser iguales o menores a los límites fijados en la Tabla 2.6. Asimismo, el hormigón debe cumplir con los requisitos que se establecen en la Tabla 2.5.”.

57

Tabla 3.6. Sustancias nocivas contenidas en el agregado grueso

Sustancias nocivas Finos que pasan el tamiz IRAM 75 µm: • Agregados gruesos naturales • Agregados gruesos de trituración, libres de arcilla (el índice de plasticidad de los finos menor de 2,0 s/norma IRAM 10.502) Materias carbonosas: • Cuando es importante el aspecto superficial • Otros casos Otras sustancias perjudiciales Sulfatos, expresados como SO3 Otras sales solubles Cloruros

Unidad

Máximo Admisible

Método de Ensayo

1,0 IRAM 1.540 1,5 g/100g

----

0,5 1,0

IRAM 1.647

5,0 0,075 1,5 Ver 2.2.7 (*)

IRAM 1.649 IRAM 1.647 IRAM 1.647 IRAM 1.857

(*) El artículo 2.2.7 sobre contenidos máximos de cloruros en el hormigón dice en su primer párrafo: “Los contenidos máximos de cloruros solubles en el hormigón endurecido, aportados por todos los materiales componentes, incluyendo los aditivos y eventualmente adiciones minerales, deben ser iguales o menores a los límites fijados en la Tabla 2.6. Asimismo, el hormigón debe cumplir con los requisitos que se establecen en la Tabla 2.5.”.

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En la zona existen estructuras similares, construidas con materiales equivalentes y con más de 15 años de servicio ( ) S S

N

La estructura está deteriorada y la reacción álcali-sílice (RAS) es uno de sus causales (ver 2.2.9.3.) N La estructura a construir estará en un medio más riguroso que la estructura en servicio observada

SI

N Usar sin requerimien tos

N

La identificación petrográfica del agregado IRAM 1.649 (ver 2 2 9 5 ) indica RAS potencial SI Los ensayos de barra de mortero, según IRAM 1.674, (ver 2296)

SI Opcional

El ensayo de prismas de hormigón según IRAM 1.700 (ver 2.2.9.7) Confirma que los agregados son

SI

SI

Usar alguno de los requerimientos

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Cambiar total o parcialmente el agregado (2.2.9.8.a)

Usar cemento RRAA IRAM 50.001Tabla 6 (2.2.9.8.b)

Usar cemento con o sin adiciones minerales, efectivo para evitar RAS (2.2.9.8.c)

Usar mezcla de cemento más adiciones minerales, efectiva para evitar RAS (2.2.9.8.d)

Limitar el contenido total de álcalis en el hormigón (2.2.9.8.e)

Usar adiciones inhibidoras químicas (2.2.9.8.f)

Verificar efectividad de la solución adoptada Figura 2.2.9. Reacción álcali-sílice. Diagrama de flujo[18].

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