Durabilidad del Hormigón. El hormigón.. Pasta. cemento + agua aditivos químicos adiciones minerales. Interfaces. Agregados. partículas de roca

Transcripción

1 Durabilidad del Hormigón El hormigón.. Pasta cemento + agua aditivos químicos adiciones minerales Interfaces Agregados partículas de roca 1

2 Las propiedades del hormigón dependen de.. Propiedades de la Pasta Porosidad relación agua / cemento Productos de hidratación Propiedades de los agregados Tipo de roca, minerales constituyentes, porosidad, procesamiento, etc. Interacción entre pasta y agregados Elaboración, transporte, colocación, curado... SIGNIFICADO vida en servicio implicancias socio económicas (propiedades mecánicas + costo inicial + durabilidad) durabilidad & medio ambiente acción del tiempo, ataques químicos, abrasión y otros tipos de deterioros. 2

3 DURABILIDAD Diseño Materiales Ejecución Curado Naturaleza y distribución de poros Mecanismos de transporte Deterioro del hormigón Deterioro de las armaduras Físico Químico Corrosión Resistencia Condiciones superficiales Rigidez Seguridad Aspecto Funcionalidad Algunos conceptos... Si bien se suelen agrupar las causas de deterioro del hormigón en físicas y químicas en la mayoría de los casos existe una superposición de ambas. Un factor decisivo en la durabilidad del hormigón es la presencia de agua, que también podrá incorporar agentes agresivos desde el exterior. 3

4 Algunos conceptos... La existencia de un sistema de poros continuos, conectados es un factor que define la durabilidad del hormigón cualquiera sea el fenómeno de transporte involucrado. Reducir la porosidad Reducción de a/c Control de elaboración, colocación, curado, etc. Formas de ingreso del agua y sustancias agresivas.. Difusión: se produce por la diferencia de concentración de iones en la solución. Permeabilidad: se produce por un gradiente hidráulico Absorción capilar: por efecto de la energía superficies z ΔP A V = k dh / dz h r θ Jx= Df dc/dx Flujo del constituyente x en la direccion x Coeficiente de difusión C2 C1 Gradiente de concentración según x difusión h = fc (1/r) Velocidad de flujo de agua Coeficiente de permeabilidad Gradiente hidráulico 4

5 PERMEABILIDAD movimiento del fluido debido a un gradiente de presión que actúa como fuerza impulsora. Diferencia de presión hidrostática: presa. Diferencia de presión de gases: avance de un tren de alta velocidad en un túnel. DIFUSION El movimiento del fluido se produce por una diferencia de concentración. El transporte por difusión puede ocurrir: En fase líquida: Cl -, SO 4=, sustancias ácidas En fase gaseosa: CO 2, O 2 El parámetro que cuantifica este mecanismo es el coeficiente de difusión D [longitud 2 /tiempo], definido en la primera ley de Fick: Jx = D. dc/dx Jx: flujo de materia en la dirección x. dc/dx: gradiente de concentración en la dirección x. 5

6 ABSORCION CAPILAR Ley de Jurín h Debido a la curvatura de la superficie del líquido que está en el capilar, en el centro del menisco se produce una sobrepresión, que según Laplace vale: ΔP = (2.γ.cos ө) / r como ΔP = ρ.g.h h = (2.γ.cos ө) / r.g.ρ Ley de Jurín Rige el ascenso del líquido en un tubo capilar ABSORCION CAPILAR La absorción capilar depende del tamaño del poro, de los mecanismos de transporte es el que conduce líquidos en forma más rápida. Norma IRAM 1871 Método de ensayo para determinar la capacidad y velocidad de succión capilar de agua del hormigón endurecido. Unidades de S [g / m 2.s 0.5 ] 6

7 MECANISMOS DE TRANSPORTE EN EL HORMIGON Las sustancias ingresan al hormigón mediante más de un mecanismo de transporte. El mecanismo de transporte depende del contenido de humedad en el hormigón. - El tamaño de las partículas que forman parte del hormigón va desde el cm hasta el nm, abarcando 7 órdenes de magnitud. - El tamaño de los poros va desde el mm hasta el nm, registrándose diferencias de 6 órdenes de magnitud. 7

8 zona expuesta al aire (capilaridad y difusión) zona de marea (capilaridad y difusión) zona sumergida (difusión) Parámetros que influyen en los Mecanismos de Transporte Influencia de la cantidad de agua y razón a/c Actúa directamente sobre el tamaño de poros y la conectividad. La permeabilidad se reduce a medida que disminuye el tamaño de los poros, porque el Q depende de r. La difusividad se torna lenta cuando los capilares están segmentados con productos de hidratación. 8

9 Grado de hidratación necesario para obtener la segmentación de capilares Coeficiente de permeabilidad al agua de pastas en función de la razón a/c 9

10 Influencia de los Agregados A > Tmáx se magnifican las características adversas de la zona de interfaces, aumenta la exudación, la permeabilidad y la difusividad. Resistencia cuc[kg/m 3 ] a/c Tmáx[mm] k [cm/s] moderada x10-10 baja a x10-10 Influencia de los Agregados Variación de k en función de la razón a/c para hormigones de distinto tamaño máximo, mortero y pasta. 10

11 Influencia de las Adiciones Minerales Activas - Refinan la estructura de poros capilares. - Incrementan la tortuosidad de la red de poros capilares disminuyendo la conectividad. - Reducen el espesor de interfaces pasta-agregado. El efecto combinado de todas estas modificaciones se traduce en una disminución notable del transporte de sustancias, cualquiera sea el mecanismo. Influencia del Hormigón de Recubrimiento El espesor del recubrimiento cumple una doble función: - actúa como barrera física - actúa como barrera química En una estructura las propiedades del hormigón no son homogéneas en todo el volumen del elemento, se diferencian dos zonas: el núcleo del elemento, de mejor calidad, vinculada a la resistencia. el recubrimiento, de menor calidad, asociada a la durabilidad. 11

12 Influencia del Hormigón de Recubrimiento El recubrimiento se ve afectado por: - el efecto pared producido por los encofrados. - la segregación. - el tiempo y tipo de compactación. - la terminación superficial. - el tiempo y tipo de curado. Estas variables producen un aumento local de la a/c y de la porosidad. Reducción del Transporte de Fluidos. Medidas a Tomar - Reducir el tamaño de los grandes capilares (> 100 nm). - Reducir la conectividad de la red de capilares. - Reducir los efectos adversos en las interfaces disminuir la a/c. aumentar el cuc. considerar Tmáx y granulometría de los agregados compactación y curado adecuados. reducir la fisuración. 12

13 Causas físicas del deterioro del hormigón Desgaste de la superficie Fisuración Abrasión Cavitación Cambios de volumen Erosión Carga estructural - Sobrecarga e impacto - Cargas cíclicas -Gradientes de humedad. Temperatura normal - Presión por cristalización de sales en los poros Exposición a temperaturas extremas - Congelación y deshielo. - Fuego Desgaste superficial Abrasión (tránsito) Erosión (partículas sólidas en suspensión) Cavitación (implosión burbujas por cambios de presión) Factores a considerar a/c Tipo de agregados Tamaño máximo Capa superficial, terminación, formas 13

14 Agrietamiento por sales en poros SO 4 = Cristalización sin ataque químico Superficies permeables en contacto con soluciones concentradas Similar a monumentos de piedra El deterioro por cristalización de sales que contienen sulfatos es un proceso físico y no químico. Se da en estructuras parcialmente enterradas en suelos en contacto con soluciones de Na 2 SO 4 o MgSO 4. La solución con sulfatos asciende por capilaridad a zonas donde el hormigón está seco, el agua se evapora, los ciclos de mojado y secado se repiten, cuando se excede la concentración de saturación se produce la cristalización, generando fuertes tensiones que fisuran al hormigón. nivel suelo 14

15 Congelación y deshielo Descascaramiento - agrietamiento Congelación y deshielo Proceso de degradación Estructura de poros frontera de escape, a/c, curado Grado de saturación Temperatura mínima Velocidad de enfriamiento Efectos de agregados 15

16 Mehta and Monteiro Alta temperatura Probetas expuestas a temperaturas > 500 ºC, se observa significativa fisuración superficial, diferencias de color, descascaramientos, etc 16

17 Alta temperatura Resistencia residual Proceso de degradación con la temperatura Factores a considerar Composición Tamaño de las piezas Temperatura máxima Tiempo de exposición Velocidad de calentamiento enfriamiento 17

18 1.2 1 fc/fco Eurocode Si Eurocode Ca Exp.-a Exp.-w CEB T[ºC] 1 E/Eo CEB-LW CEB-NW Exp-a Exp-w T [ºC] 18

19 Deterioro del hormigón por ataque químico Reacciones de intercambio entre fluidos agresivos y componentes de la pasta de cemento hidratada Remoción de iones Ca ++ como productos solubles Remoción de iones Ca ++ como productos insolubles no expansivos Reacciones de sustitución de Ca ++ por Mg ++ en el S-C-H Reacciones de hidrólisis y lixiviación de los componentes de la pasta de cemento hidratada Reacciones con formación de productos expansivos Incremento en la porosidad y permeabilidad Incremento en las tensiones internas Pérdida de alcalinidad Pérdida de masa Incremento en los procesos de deterioro Pérdida de resistencia y rigidez Fisuración, descascaramiento reventones Deformación Deterioro del hormigón por ataque químico ph < 12.5, CO 2, SO 4=, Cl -, H + puede ser agresivo 1- Lixiviación: ej. aguas puras 2- Intercambio catiónico: ácidos, sales de amonio, sales de magnesio, etc. 3- Ataque con formación de productos expansivos Sulfatos Formación de ettringita Formación de yeso 19

20 Agua de mar Acciones químicas (eliminación de Ca, formación de ettringita, formación de cloroaluminatos, carbonatación superficial ) Cristalización de sales Congelación Desgaste mecánico OMg y OCa Corrosión de armaduras 4- RAS Minerales de sílice reactivos + álcalis + humedad + temperatura + tiempo silicato alcalino ávido de agua expande Ataque Externo de Sulfatos Los sulfatos pueden estar presentes en el agua o en los suelos que se hallan en contacto con el hormigón Ingresan por permeabilidad, absorción capilar, difusión (DSO 4= < DCl - ). DSO 4 = 10-8 mm 2 /seg. DCl mm 2 /seg. No todos los sulfatos producen el mismo ataque sobre el hormigón, el tipo de ataque depende del catión asociado al anión SO 4=. 20

21 Ataque Externo de Sulfatos Existen distintos mecanismos de degradación: - Formación de ettringita. - Formación de yeso. - Formación de brucita, yeso y descomposición del CSH. - Formación de thaumasita. - Cristalización de sales. Formación de ettringita es el resultado de la reacción entre los SO 4 = y los aluminatos de calcio hidratados o AFm hidratados: C 3 ACSH 18 +2Na 2 SO 4 +2CH+12H C 3 A.3CS.H 32 +4NaOH - monosulfoaluminado ettringita Con los SO 4 = reacciona: - el monosulfoaluminato de calcio hidratado. - los hidratos del ferroaluminato de calcio, pero en forma más lenta. Para muchos investigadores no se produce. 21

22 Formación de yeso es una reacción de intercambio iónico entre los SO 4= y los (OH) - del CH Na 2 SO 4 + CH + 2H CSH Na(OH) yeso La degradación por yeso se produce en soluciones concentradas > 1000 mg/l de SO 4=, el yeso cristaliza cuando se agota la formación de ettringita por consumo de la fase que aporta los aluminatos. Como se forma a partir de los cristales de CH, crece en los poros y en las interfaces pasta-agregado, se los observa como grandes cristales aciculares. Formación de yeso. Mecanismo que produce la expansión No hay consenso respecto del mecanismo expansivo. - Cuando el CH se transforma en yeso, el proceso produce una disminución de la resistencia y rigidez del SCH adyacente, tornándolo más vulnerable a las presiones de cristalización. - Cuando se consume todo el Ca ++ del CH, se produce la descalcificación del SCH, se debilita y se torna más susceptible a las presiones de cristalización. - Crecimiento de grandes cristales en espacios confinados. 22

23 Formación de brucita, yeso y descomposición del SCH En presencia de soluciones de MgSO 4, según sea la concentración, se producen distintos ataques: - [MgSO 4 ] < 0.48%: formación de ettringita < [MgSO 4 ] < 0.75%: formación de ettringita y yeso. - [MgSO 4 ] > 0.75%: formación de yeso, brucita y descomposición del SCH. CH + MgSO 4 + 2H Mg(OH) 2 + CSH 2 brucita yeso Formación de brucita, yeso y descomposición del SCH La brucita y el yeso se forman a partir de CH, en principio forman una doble capa que dificulta el ingreso del MgSO 4. La brucita tiene una baja solubilidad y disminuye el ph del interior de la pasta, desestabilizando al SCH. Cuando se consume todo el CH, el Ca++ y los (OH) - son aportados por el SCH para seguir formando brucita y yeso. La doble capa es removida, continúa la descomposición del SCH hasta que se transforma en un gel poco cohesivo. SCH + xmgso 4 + H xmg(oh) 2 + xcsh 2 + nsio 2.H 2 O brucita yeso gel de sílice 23

24 Ataque externo de sulfatos. Formación de thaumasita se requiere la presencia simultánea de: CH y SCH + SO 4= + CO 3= + alta HR + bajas tº ( 5ºC) pasta solución agregados disminuyen la solubilidad de la thaumasita atmósferas ricas en CO 2 La formación de thaumasita comprende distintas reacciones: 1) MgSO 4 + CH + H CSH 2 + Mg(OH) 2 2) MgSO 4 + SCH + H CSH 2 + Mg(OH) 2 + nsio 2.H 2 O 3) nsio 2.H 2 O + CH + CaCO 3 + MgSO 4 + H CaSiO 3.CaSO 4.CaCO 3.15H 2 O + CSH 2 + Mg(OH) 2 thaumasita yeso brucita Medidas para aumentar la resistencia al ataque externo de sulfatos - baja a/c baja - alto cuc permeabilidad - buena compactación y curado Alta resistencia a los SO 4= independientemente del tipo de cemento usado. - cementos: resistentes a los sulfatos (MRS, ARS) con AMA 24

25 Ataque interno de sulfatos. Formación de ettringita diferida Se produce debido a la liberación lenta de SO 3 luego que el hormigón ha endurecido. Fuentes internas que liberan SO 3 : - Agregados contaminados con yeso. - Cementos con altos contenidos de SO 3 debido al empleo de combustibles ricos en sulfuros. - Hormigones curados a vapor. Agregados contaminados con yeso Producen una expansión diferida debido a la lenta reacción entre los sulfatos y la fase AFm de la pasta endurecida. En la zona fisurada no se detecta la presencia de ettringita, seguramente se forma algún compuesto expansivo que aún no ha sido del todo identificado. Alto contenido de SO 3 en el cemento No está resulta la causa de la expansión debido a la lenta liberación del SO 3 presente en los cementos. 25

26 Hormigones curados a vapor La expansión se debe a la transformación del monosulfato en ettringita cuando el hormigón, luego del curado a vapor, es expuesto a un curado húmedo. Se cree que la expansión se debe a la formación de ettringita en la interfase pasta-agregado, especialmente en parte inferior de los agregados y/o a la formación de pequeños cristales de ettringita en la pasta de cemento. Reacción álcali-sílice Se produce entre los agregados con sílice reactiva y los álcalis presente en el hormigón. El producto de la reacción es un gel expansivo que conduce a la fisuración del hormigón. El patrón de fisuración depende del tipo de estructura. Es común observar en la superficie del hormigón fisuras que parte desde un punto y se orientan a 120º. El gel que rellena las fisuras presenta distintos colores, ámbar, caramelo, marrón brillante y blanco cuando se carbonata. 26

27 Si-OH + (OH) - Si-O - + H 2 O Cuando los (OH) - penetran dentro de la estructura de la sílice amorfa de los agregados, las uniones siloxano (Si-O-Si) son atacadas: Si-O-Si + 2(OH) - 2(Si-O - ) + H 2 O La carga negativa del Si-O - es compensada con K + o Na +, la rotura de las uniones siloxano degradan al agregado y liberan hidróxidos alcalinos a la solución, la reacción se autopromueve. Condiciones necesarias para que se produzca la RAS Agregado reactivo con sílice metaestable Sílice amorfa o criptocristalina: ópalo, tridimita, cristobalita, vidrio volcánico. Pequeños porcentajes de estos minerales (1 a 2%) en los agregados producen la reacción en forma relativamente rápida (1 año o menos). Cuarzo microcristalino, tensionado o deformado, dan lugar a reacciones lentas (8 a 25 años posterior a la construcción). La reactividad del agregado depende del componente reactivo y del tamaño de partículas, cuando estas dos variables se combinan de modo de favorecer la reacción, dan lugar a un efecto de pesimum. 27

28 Concentración mínima de iones alcalinos en la solución de poros El contenido de álcalis (Na +, K +, Ca ++, OH - ) presente en la solución de poros depende del aporte: Interno - Tipo de cemento utilizado. - Agregados: los feldespatos aportan álcalis. - Aditivos químicos. - Adiciones minerales Externo - Sales descongelantes. - Agua de mar. - Aguas alcalinas de desagües industriales. Presencia de humedad Para que la reacción se inicie y progrese es necesario un elevado contenido de humedad dentro del hormigón (80-85%) para la formación del gel. Geles deshidratados por el secado parcial del hormigón, se pueden rehidratar y volver a expandir. Geles deshidratados y carbonatados por lo general no se rehidratan. 28

29 Temperatura A > temperatura > velocidad de reacción > expansión, aunque la expansión final puede ser menor. No obstante, se ha detectado RAS en climas fríos. Gradientes de temperatura en las primeras edades conducen a la microfisuración del hormigón, > permeabilidad > ingreso de agua que contribuye a la RAS. Tiempo para que se alcancen las condiciones óptimas para el inicio de la reacción (1) Período de inducción (2) Período de reacción franca (3) Período de amortiguamiento 29

30 Medidas para disminuir los efectos deletéreos de la RAS 1) Reemplazo del agregado por otro no reactivo. 2) Reemplazo parcial del agregado reactivo por otro no reactivo. 3) Limitar el contenido de álcalis en el hormigón: - mediante el uso de cementos de bajo álcali. - controlando la cantidad de álcalis que aportan los aditivos, adiciones minerales. El límite máximo de álcalis totales expresados en Na 2 O es de 3 kg/m 3. 4) Incorporar AMA. 5) Emplear aditivos químicos: sales de litio. El tipo y cantidad depende del tipo de cemento y agregado reactivo. Li/(Na+K) < 0.6 a ) Reducir la permeabilidad del hormigón. Ataque en Agua de Mar - El agua de mar contiene aproximadamente 3.5 g/l de sales, constituidas por: Cl mg/l. Na mg/l. SO 4= 3000 mg/l. Mg mg/l. K mg/l. Ca mg/l. -CO 2 disuelto en pequeñas cantidades. -ph 8 30

31 Ataque en Agua de Mar resultado de la combinación de procesos físicos y químicos. zona atmosférica ataque químico (corrosión de las armaduras) ataque químico (corrosión) zona de mareas ataque físico (abrasión, congelamiento y deshielo) zona sumergida ataque químico (sulfatos, magnesio, CO 2 ) Ataque Químico del Agua de Mar Acción del CO 2 Ca(OH) 2 + HCO 3- + H + CaCO 3 + 2H 2 O precipita, tapona los poros Acción del MgSO 4 sustitución del Mg ++ por el Ca ++ Ca(OH) 2 + MgSO 4 + H 2 O CaSO 4.2H 2 O + Mg(OH) 2 soluble precipita precipita lixiviación expansión tapona poros Acción del Na 2 SO 4 C 3 A.CSH Na 2 SO 4 + 2CH + 12H C 3 A.3(CS)H 32 ettringita expansión 31

32 Ataque Químico del Agua de Mar Acción de los cloruros C 3 A + CaCl H 2 O Acción de los sulfatos C 3 A.CaCl 2.10H 2 O sal de Friedel, expande C 3 A.3(CaSO 4 ).32H 2 O ettringita, expande Acción del CO 2 del agua de mar CaCO 3 interno y SiO 2 de la CaSiO 3.CaSO 4.CaCO 3.15H 2 O descomposición del SCH thaumasita, expande Ataque Químico del Agua de Mar Formación de la capa protectora de CaCO 3 y Mg(OH) Formación de sal de Friedel Transformación de la sal de Friedel en ettringita Destrucción de la capa protectora Formación de yeso y thaumasita Descomposición del SCH 32

33 Medidas para aumentar la resistencia al ataque del agua de mar 1.- Controlar la permeabilidad - baja a/c (< 0.50). - altos cuc (350 a 450 kg/m 3 ). - buena compactación y curado adecuado - empleo de adiciones activas. 2.- Controlar la formación de hidratos del AC 3 Tipo de cemento: se recomienda cementos de MRS (AC 3 = 5 a 8%) favorece la formación de sal de Friedel, parte de los cloruros se ligan, es menor el deterioro por corrosión de las armaduras. En los cementos ARS (AC 3 < 4%) mayor corrosión. Durabilidad del hormigón Tipo de ataque Componente más afectado ATAQUE QUIMICO LAVADO Y EFLORESCENCIA PASTA ATAQUE DE SULFATOS PASTA REACCION ALCALI - AGREGADO PASTA - AGREGADO ACIDOS Y ALCALIS PASTA CORROSION DE METALES ARMADURA ATAQUE FISICO CONGELACION Y DESHIELO MOJADO Y SECADO CAMBIOS TERMICOS DESGASTE Y ABRASION PASTA - AGREGADO PASTA PASTA - AGREGADO PASTA - AGREGADO 33

34 Medidas generales para una mayor durabilidad Apropiado diseño de mezclas Reducción en el grado de fisuración Optimo recubrimiento Adecuada compactación y curado Calidad de la construcción Correcto mantenimiento Medidas generales para una mayor durabilidad Reducir porosidad baja relación agua / cemento compactación, curado, etc. Sulfatos cemento con bajo C 3 A. ARS, MRS. adiciones minerales activas CUC Reacción Alcali-Sílice evitar agregados reactivos cemento de bajo álcalis adiciones minerales activas aditivos inhibidores 34

35 Medidas generales para una mayor durabilidad Reducir porosidad baja relación agua / cemento compactación, curado, etc. Congelación y deshielo incorporación de aire. agregados de baja porosidad Lixiviación ataque de ácidos mayor recubrimiento uso de revestimientos BIBLIOGRAFIA Mindess, S. and Young. J.F. "Concrete", Prentice Hall Inc. NJ, Mehta, P.K. and Monteiro, P.J.M., "Concrete: Structure, Properties and Materials", (Prentice Hall, NJ, 1993). Neville, A.M. and Brooks, J.J., Concrete Technology. Longman Scientific and Technical publ., Neville, A.M., Properties of Concrete, Pitman Publishing, Inc. Marshfield, Mass., Popovics, S., Concrete-making materials, Mc Graw- Hill Book Company,