domingo, 3 de julio de 2016

Semana 14: "Durabilidad del Concreto"

I. DURABILIDAD DEL CONCRETO:

I.I. INTRODUCCION:


El ACI define la durabilidad del concreto de cemento Pórtland como la habilidad para resistir la acción del intemperismo, el ataque químico, abrasión, y cualquier otro proceso o condición de servicio de las estructuras, que produzcan deterioro del concreto. (Ref. 12.1 y 12.2).

La conclusión primordial que se desprende de esta definición es que la durabilidad no es un concepto absoluto que dependa sólo del diseño de mezcla, sino que está en función del ambiente y las condicione de trabajo a las cuales lo sometamos.

En este sentido, no existe un concreto “durable” por sí mismo, ya que las características físicas, químicas y resistentes que pudieran ser adecuadas para ciertas circunstancias, no necesariamente lo habilitan para seguir sido “durable” bajo condiciones diferentes.

Tradicionalmente se asoció la durabilidad a las características resistentes del concreto, y particularmente a su resistencia en compresión, pero las experiencias particularmente a su resistencia en compresión, pero las experiencias prácticas y el avance de la investigación en este campo han demostrado que es sólo uno de los aspectos involucrados, pero no el único ni el suficiente para obtener un concreto durable.

En consecuencia, el problema de la durabilidad es sumamente complejo en la medida en que cada situación de exposición ambiental y condición de servicio ameritan una especificación particular tanto para los materiales y diseño de mezcla, como para los aditivos, la técnica de producción y el proceso constructivo, por lo que es usual que en este campo las generalizaciones resulten nefastas.
Bryant Mather, uno de los pioneros en la investigación en Tecnología del Concreto y en el área de la durabilidad indica en uno de sus trabajos (Ref. 12.3): “Está demostrado científicamente que las estructuras de concreto se comportan inadecuadamente debido a que las especificaciones técnicas fueron deficientes o que éstas fueron correctas pero no se siguieron en la obra”.

Es obvio pues que en este aspecto se debe desterrar una práctica muy común en nuestro medio como es la de repetir, copiar o “adaptar” especificaciones técnicas locales aparentes, pero que sin embargo desde el punto de vista de la Tecnología del Concreto y la durabilidad requieren una evaluación y criterios particulares.

Quines han tenido la oportunidad de laborar en las diferentes regiones de nuestro país, habrán podido comprobar la repetición sistemática de errores conceptuales y prácticas constructivas inadecuadas en lo que a tecnología del concreto y durabilidad se refiere, por el concepto equivocado de que el concreto es un material “noble” que puede asimilar nuestras deficiencias, y que es antieconómico trabajar con los avances de la técnica moderna.


En el desarrollo de este tema, analizaremos algunos conceptos básicos que permitan una mejor aproximación a estos problemas y la utilización más eficiente de nuestros recursos materiales y humanos.


II. FACTORES QUE AFECTAN LA DURABILIDAD DEL CONCRETO:

En este acápite delinearemos los factores que influyen en el deterioro del concreto y consecuentemente en la durabilidad, debiendo tenerse presente que no se incluye dentro de ellos la fisuración pues este es un síntoma de los cambios volumétricos y no un factor en sí, por lo que su tratamiento ha sido materia de un desarrollo particular en el Capítulo 11.

Los factores mencionados se clasifican en 5 grupos.  (Ref. 12.4)
  • Congelamiento y descongelamiento (Freezing Thawing)
  • Ambiente químicamente agresivo
  • Abrasión
  • Corrosión de metales en el concreto
  • Reacción químicas en los agregados

Existen factores que influyen en la durabilidad, clasificados desde el punto de vista del mecanismo de ataque al concreto y que representan subdivisiones y análisis más profundos que los ya mencionados (reacciones no ácidas, ácido carbónico en el agua, ataque de sales de magnesio, agresión de grasas animales etc.) pero que no trataremos en el presente Capítulo por estar más relacionados con la investigación académica de estos fenómenos que con su trascendencia práctica, ya que la frecuencia de ocurrencia de tales agentes es muy aislada.


III. FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DEL CONCRETO:

El factor principal reside en qué tan resistente es desde el punto de vista estructural o mecánico, la superficie expuesta al desgaste.

Se han desarrollado varias maneras de medir el desgaste o la resistencia a la abrasión tanto a nivel de laboratorio como a escala natural (Ref. 12.12), pero los resultados son bastante relativos pues ninguna de ellas puede reproducir las condiciones reales de uso de las estructuras, ni dar una medida absoluta en términos numéricos que pueda servir para comparar condiciones de uso o concretos similares, por lo tanto el mejor indicador es evaluar principalmente factores como la resistencia en compresión, las características de los agregados, el diseño de mezcla, la técnica constructiva y el curado.

IV. MECANISMO DE LA CORROSIÓN:

En la Figura 12.1 (Ref. 12.14) se describe el esquema típico general de la celda electroquímica, consistente en un ánodo de Fierro, un cátodo de otro metal que para nuestro caso también sería Fe, con iones en su medio ácido, un elemento que permita el flujo iónico del cátodo al ánodo, y una conexión entre ánodo y cátodo para canalizar el flujo de electrones.  En las Fig. 12.2 y 12.3 (Ref. 12.14) se establece el esquema de la celda electroquímica en le caso del acero de refuerzo, y el mecanismo de acción sobre el concreto.



V. COMO COMBATIR LA CORROSIÓN:

Los cloruros pueden estar dentro del concreto desde su colocación, si los agregados, el agua de mezcla o los aditivos ya los incluían, luego el primer paso consiste en evaluar los materiales del concreto para estimar si contribuirán a la corrosión, y de ser así existen alternativas en cuanto a cambiarlos por otros que no los contengan o en le caso de los agregados someterlos por otros que no los contengan o en el caso de los agregados someterlos a lavado para reducir su concentración.
La otra forma como se pueden introducir es entrando en solución por los poros capilares del concreto.  Esto se verifica cuando el concreto está en exposición directa a agua con cloruros como es el caso de estructuras marinas o en el aire con alta humedad relativa, y en muchos casos se va depositando sobre el concreto por la humedad ambiental y el viento que arrastra partículas de suelo contaminado, introduciéndose la solución cuando llueve.

Como se apreciará, para que se produzca el ingreso es necesario que el concreto sea lo suficientemente permeable para que los cloruros lleguen hasta donde se encuentra el acero de refuerzo, por lo que se aplican las mismas recomendaciones que para la agresividad de los sulfatos, con la condición adicional de la importancia extrema del concreto de recubrimiento, que es la barrera principal para el ingreso.  En los casos de ambientes agresivos con cloruros deben especificarse recubrimientos mayores de los normales y calidades de concreto que aseguren baja permeabilidad.
Se han desarrollado pinturas especiales par el acero con objeto de prevenir la corrosión bajo condiciones muy agresivas, pero en este aspecto es muy importante el establecer perfectamente las zonas catódicas de modo que con la pintura se evite el oxígeno y el agua que son los requisitos para el fenómeno y por otro lado, nunca se puede garantizar del todo que el proceso constructivo ocasione que existan algunas zonas desprotegidas en el acero por donde se inicie el proceso.

Existen aditivos llamados inhibidores, que añadidos a la mezcla de concreto combaten la corrosión anulando los cloruros (Ref. 12.17) sin embargo su efectifidad no está del todo garantizada, y algunos causan efectos secundarios como modificación del tiempo de fraguado, disminución de resistencia en compresión y eflorescencias.

Dentro de estos inhibidores están el Nitrito de Calcio, Nitrito de Sodio, Dicromato de Potasio, Cromato de Zinc, Cromato de Sodio, Benzoato de Sodio etc.

El método de protección probado como el más eficiente es el equematizado en la Figura 12.6 (Ref. 12.19) denominado de protección catódica, ya que el principio consiste en generar una corriente inversa a la originada por la celda electroquímica de modo de anular el flujo y eliminar el proceso de corrosión.


VI. RECOMENDACIONES SOBRE REACCIONES QUÍMICAS EN LOS AGREGADOS:

Como ya mencionamos, en nuestro medio no hay muchos antecedentes de ocurrencia de este tipo de reacciones pese a que por ejemplo la andesita es un mineral muy abundante en nuestro país, pero es probable que la cantidad de obras que se hayan ejecutado en las zonas que pudieran ser potencialmente reactivas no hayan ameritado el empleo masivo de estos materiales, o simplemente no tienen la reactividad que tienen en otros países donde le problema sí es grave.

En todo caso, es factible efectuar en el Perú los ensayos ASTM para evaluar estos materiales (Ref. 12.19), y sería posible también implementar la prueba sudafricana y la de la Universidad de Cornell (Ref. 12.20), sin embargo no existe la experiencia práctica desde el punto de vista de los ensayos petrográficos por ejemplo, donde tiene suma importancia la experiencia del evaluador que usualmente es un Geólogo o un Ingeniero de Minas que no pueden opinar mucho del mineral con relación a su comportamiento con el cemento, dado que no existe en nuestras Universidades de especialidad de Tecnologistas en Concreto, que pudieran ir formando profesionales orientados hacia estos problemas.

En conclusión, la mejor recomendación al evaluar una cantera donde haya sospecha de reactividad alcalina es recopilar la mayor información estadística sobre el uso anterior de los agregados en la producción de concreto e inspeccionar las obras ejecutadas para poder estimar el riesgo.

Finalmente, se ha comprobado (Refs. 12.20 y 12.21) que algunos métodos alternativos para prevenir la reactividad alcalina son el empleo de sales de Litio (LiOH, LiF, Li2CO3), como aditivos en la mezcla, el reemplazo de al menos el 25% del cemento por cenizas volátiles y el uso de puzolanas.

VII. AMBIENTE QUÍMICAMENTE AGRESIVO:

El concreto es un material que en general tiene un comportamiento satisfactorio ante diversos ambientes químicamente agresivos.

El concepto básico reside en que el concreto es químicamente inalterable al ataque de agentes químicos que se hallan en estado sólido.

Para que exista alguna posibilidad de agresión el agente químico debe estar en solución en una cierta concentración y además tener la opción de ingresar en la estructura de la pasta durante un tempo considerable, es decir debe haber flujo de la solución concentrada hacia el interior del concreto y este flujo debe mantenerse el tiempo suficiente para que se produzca la reacción.

Este marco de referencia reduce pues las posibilidades de ataque químico externo al concreto, existiendo algunos factores generales que incrementan la posibilidad de deterioro como son: las temperaturas elevadas, velocidades de flujo altas, mucha absorción y permeabilidad, el curado deficiente y los ciclos de humedecimiento y secado.

Los ambientes agresivos usuales están constituidos por aire, agua y suelos contaminados que entran en contacto con las estructuras de concreto.

Se puede decir pues que el concreto es uno de los materiales que demuestra mayor durabilidad frente a ambientes químicamente agresivos, ya que si se compara estadísticamente los casos de deterioro con aquellos en que mantiene sus condiciones iniciales pese a la agresividad, se concluye en que estos casos son excepcionales.

VIII. EFECTO DE COMPUESTOS QUÍMICOS CORRIENTES SOBRE EL CONCRETO:

En la Tabla 12.2 se puede apreciar el efecto de varias sustancias químicas comunes sobre el concreto simple, comprobándose pues que son muy poscas la que realmente le acusan un daño importante.

Dentro de este panorama, los compuestos que por su disponibilidad en el medio ambiente producen la mayoría de casos de ataque químico al concreto están constituidos por los cloruros y los sulfatos.

VIII.I. CLORUROS:

Los cloruros se hallan normalmente en el ambiente en las zonas cercanas al mar, en el agua marina, y en ciertos suelos y aguas contaminadas de manera natural o artificial.
Como se observa en la Tabla 12.2, los cloruros tienen una acción insignificante sobre el concreto desde el punto de vista de la agresión química directa, pero erradamente se les considera en muchas oportunidades causantes del deterioro que es producido por otros agentes.

VIII.II. SULFATOS:

Los sulfatos que afectan la durabilidad se hallan usualmente en el suelo en contacto con el concreto, en solución en agua de lluvia, en aguas contaminadas por deshechos industriales o por flujo en suelos agresivos.

Por lo general consisten en sulfatos de Sodio, Potasio, Calcio y Magnesio.

Los suelos con sulfatos se hallan normalmente en zonas áridas, y pese a que pueden no estar en muy alta concentración, si se producen ciclos de humedecimiento y secado sobre el concreto, la concentración puede incrementarse y causar deterioro.

El mecanismo de acción de los sulfatos considera dos tipos de reacción química:

Combinación del sulfato con Hidróxido de Calcio libre (Cal Hidratada) liberado durante la hidratación del cemento, formándose Sulfato de calcio (Yeso) de propiedades expansivas.

Combinación de Yeso con Aluminato Cálcico Hidratado para formar Sulfoaluminato de Calcio (Etringita) también con características de aumento de volumen.  Algunos investigadores indican que existe un efecto puramente físico causado por la cristalización de las sales sulfatadas en los poros del concreto con aumento de volumen y deterioro.




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