2.1 DURABILIDAD DEL CONCRETO GENERALIDADES

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1 CAPITULO II MARCO TEORICO 32

2 2.1 DURABILIDAD DEL CONCRETO GENERALIDADES Las estructuras de concreto simple o reforzado, generalmente son diseñadas y construidas para satisfacer un conjunto de requisitos arquitectónicos, funcionales, estructurales, de comportamiento, de estabilidad, y de seguridad, durante un cierto periodo de tiempo, sin que se generen costos inesperados por mantenimiento o reparación. Este periodo de tiempo constituye la vida prevista o vida proyectada en servicio. Normalmente, para edificaciones convencionales este periodo de tiempo puede ser de 50 años. Sin embargo, para obras de infraestructura, algunas recomendaciones estipulan hasta 100 años o más. Lo anterior, no implica necesariamente que al cumplirse el periodo de vida en servicio, la estructura deba ser demolida; sino que el costo de su mantenimiento para garantizar las condiciones originales hacia el futuro, es probable que se incremente por encima del que se considera apropiado durante la vida prevista en proyecto. Por ello, al cabo de la vida de servicio debe estudiarse si el futuro costo de mantenimiento está razonablemente justificado (técnica y económicamente), o si es más apropiado demoler y reconstruir la estructura. 33

3 2.1.2 CONCEPTO DE DURABILIDAD DEL CONCRETO. La durabilidad del concreto hidráulico puede definirse como su capacidad para resistir la acción del medio ambiente que lo rodea, de los ataques químicos o biológicos, de la abrasión y/o de cualquier otro proceso de deterioro. Sobre este particular, afortunadamente el ACI-201.2R contempla una guía para la durabilidad del concreto. De tal manera, que las acciones del medio ambiente y las condiciones de exposición de una estructura se deben considerar como factores de diseño y construcción de las estructuras. Considerando el modelo de la figura 2.1., como factores determinantes de la durabilidad de una estructura de concreto están: el diseño y el cálculo de la estructura (geometría y cuantía de acero de refuerzo); los materiales empleados (concreto, acero y productos de protección); las practicas constructivas (calificación de la mano de obra y control de calidad); y, los procedimientos de protección y curado (condiciones de humedad y de temperatura). 34

4 D U R A B I L I D A D DISEÑO Y CALCULO MATERIALES PROCESOS CONSTRUCTIVOS PROTECCION Y CURADO CAPACIDAD RESISTENTE DEFORMACION TEXTURA SUPERFICIAL, ESTRUCTURA Y MICROESTRUCTURA NATURALEZA Y DISTRIBUCION DE POROS MECANISMOS DE TRANSPORTE DETERIORO DEL CONCRETO DETERIORO DE LAS ARMADURAS COMPORTAMIENTO RESISTENCIA RIGIDEZ PERMEABILIDAD CONDICIONES SUPERFICIALES VULNERABILIDAD Figura 2.1 Relación entre los conceptos de durabilidad y comportamiento del concreto. Diego Sanchez de Guzmán(Durabilidad y Patología del Concreto) 35

5 Lo anterior, genera una capacidad resistente y de deformación máxima permisible ante las cargas de servicio; desarrolla una textura superficial para el intercambio con el exterior (micro-clima); y también, permite obtener una estructura y una micro estructura del concreto, que a su vez definen la naturaleza y distribución de poros al interior de la masa. Si la capacidad resistente es rebasada, hay deformaciones impuestas u otro tipo de acciones mecánicas (p.e. impactos, vibración, abrasión, etc.), invariablemente aparecerán micro fisuras y/o macrofisuras, consideradas como deterioro mecánico. Pero también, dependiendo del tipo, tamaño y distribución de los poros y fisuras (microfisuras y macrofisuras), se establece una cierta y determinada porosidad a través de la cual operan los mecanismos de transporte de fluidos (gases o líquidos, con o sin sustancias suspendidas o disueltas). Que ayudados a su vez por el efecto de la temperatura, la humedad y/o la presión, permiten iniciar y/o propagar el deterior del concreto por acciones físicas, químicas, y/o biológicas, o del refuerzo por el fenómeno de corrosión. Por lo tanto, el tipo, cantidad y magnitud de los procesos de degradación del concreto (mecánico, físico, químico y/o biológico) y de las armaduras de refuerzo activa o pasiva (corrosión y/o ataque de ácidos), determinan a través del tiempo la resistencia, la rigidez y la permeabilidad de los diferentes elementos que conforman la estructura. También, las condiciones superficiales de la estructura influyen en estos y otros factores y todo ello se refleja en seguridad, funcionalidad, hermeticidad, aspecto y apariencia de la estructura. En resumen, esto determina el Comportamiento de la estructura y su Vulnerabilidad (cuantificación del potencial de mal comportamiento con respecto a una solicitación). 36

6 2.1.3 CICLO DE VIDA UTIL DE LAS ESTRUCTRURAS DE CONCRETO. Debido a que las estructuras de concreto simple o reforzado están expuestas, no solamente a la acciones mecánica de las cargas de servicio; sino también, a otros factores que tienden a deteriorarlas y destruirlas como: acciones físicas (cambios bruscos de temperatura y humedad); algunas veces a agresiones de carácter químico o biológico; y eventualmente, a otras acciones mecánicas, se hace indispensable profundizar, no solo, en el diseño y especificaciones de las mezclas de concreto (desde el punto de vista de su durabilidad); sino también, en la concepción y el diseño de los elementos estructurales y arquitectónicos; en los proceso y técnicas de construcción; en la metodología de protección, curado y puesta en servicio; y, en los procedimientos de inspección y mantenimiento de las estructuras. Como consecuencia de lo anterior, debe entonces definirse el concepto de Vida Útil. De la estructura, el cual tiene relación con el comportamiento de la misma, bajo unas ciertas y determinadas condiciones de servicio, durante un periodo de tiempo suficientemente largo. Por lo tanto, se considera como vida útil de una estructura, el periodo de tiempo en el cual, ella conserva los requisitos previstos de seguridad, funcionalidad y estética (aspecto), con costos razonables de mantenimiento. 37

7 Figura 2.2 Relación entre el comportamiento del concreto y el concepto vida útil de la estructura. FUENTE: HELENE PAULO ROBERTO, EL FENOMENO DE LA CORROSION EN LA VIDA UTIL DEL CONCRETO De acuerdo con el modelo de vida útil desarrollado por Tuutti en 1982 y posteriormente modificado por Helene en 1993 (figura 2.2), se pueden definir varios conceptos diferentes de vida útil Vida útil del proyecto. La vida útil del proyecto o periodo de iniciación, está definida como aquel periodo de tiempo necesario que ha sido previsto por el diseñador de la estructura, para que un mecanismo de daño (p. e. el frente de carbonatación) o un agente agresor (p. e. el frente de cloruros), de inicio al deterioro del concreto simple o reforzado. Es decir, que la vida útil del proyecto se cumple cuando la barrera de protección del concreto (p. e. productos de protección superficial, la capa de recubrimiento sobre el acero de refuerzo, o ambos, etc.), ha sido vencida por el agente agresor (p. e. frente de carbonatación, frente de cloruros, penetración de sulfatos, etc.), pero aun no se ha iniciado el debilitamiento de la estructura. 38

8 Vida útil de servicio. La vida útil de servicio está definida como el periodo de tiempo que se inicia desde la ejecución de la estructura hasta que se completa un cierto y determinado nivel aceptable de deterioro. Es decir, que la vida útil de servicio es la suma del periodo de iniciación y del periodo de propagación del mecanismo de daño o del agente de deterioro que agreden al concreto o al acero de refuerzo. En la etapa de propagación de daños, usualmente se pueden evidenciar distintos niveles o síntomas de deterioro, tales como: manchas superficiales, desintegración parcial del concreto de recubrimiento (degradación de la pasta superficial), exposición del agregado, fisuras en el concreto de recubrimiento desprendimientos del recubrimiento, desintegración total del concreto de recubrimiento, u otras. Por lo anterior, el tiempo de vida útil de servicio de cada estructura es muy variable dependiendo del caso, debido a que cada proyecto tiene un cierto y determinado nivel de aceptación. Por ejemplo, desde el punto de vista estético puede ser inaceptable que una estructura de concreto presente manchas o presencia de hongos o bacterias, además, la hermeticidad puede ser definitiva para que no haya humedad o percolación de fluidos en el concreto (p. e. estructuras estancas); también, la funcionalidad pueden implicar el que no se presenten deflexiones excesivas, fisuras o perdidas de masa; o finalmente, la seguridad demanda que no se rebasen los limites de resistencia previstos bajo las cargas de servicio y las solicitaciones mecánicas. Por ello, en la figura 2.3, se observan varios ejemplos de vida útil de servicio Vida útil última o total. La vida útil última o total o límite de fractura está definida como el periodo de tiempo que va desde que se inicia la ejecución de la estructura hasta que se presente su colapso parcial o total. Es decir, que la vida útil total es la suma del periodo de iniciación del deterioro, del periodo de propagación del mecanismo de daño o del agente de deterioro que agreden al concreto o al acero de refuerzo, y del periodo de colapso parcial o total. 39

9 En la etapa del colapso, se pueden presentar roturas, o colapsos parciales o el colapso total de la estructura; y usualmente, corresponde al periodo de tiempo en el cual puede haber una reducción significativa de la sección neta residente del acero de refuerzo, una pérdida importante de la adherencia entre el concreto y el acero, o una disminución importante de la capacidad resistente de concreto (fatiga del material, como consecuencia de la acción de los mecanismos de daño Vida útil residual. De acuerdo con Paulo Helene, si durante la vida en servicio de una estructura se realiza una inspección, una evaluación y un diagnostico (secuencialmente y en un corto periodo de tiempo), a partir de ellos, se puede entonces determinar con alguna aproximación la vida útil residual de la estructura. Por lo tanto, la Vida útil residual corresponde al periodo de tiempo (contado a partir de la fecha de la inspección), en que la estructura todavía es capaz de desempeñar sus funciones. La inspección, la evaluación y el correspondiente diagnostico, puede ser efectuado en cualquier momento de la vida en uso de la estructura. Por lo tanto, ello puede generar distintas vidas residuales. Es decir, que el plazo final puede ser tanto el límite del proyecto, como el límite de las condiciones de servicio, o el límite de fractura, dándose origen a tres vidas útiles residuales. De otra parte, si la estructura es mantenida periódicamente (lavada y protegida) o rehabilitada, (resanada, reparada, reforzada o re-protegida), necesariamente se da origen a una nueva vida útil del proyecto, cuya extensión en el tiempo dependerá del tipo de mantenimiento o de rehabilitación efectuada, ver figura

10 Deterioro Inspeccion, evaluacion Diagnostico 1 Inspeccion, evaluacion Diagnostico 2 Prestacion inicial Comportamiento de la estructura Mantenimiento Rehabilitacion Prestacion inicial Minimo de falla Vida util residual 1 Vida util residual 2 Vida ultima inicial Tiempo Vida ultima total Figura 2.3 Relación entre el comportamiento del concreto y el concepto vida útil de la estructura repotenciada mediante mantenimiento o rehabilitación. FUENTE: HELENE PAULO ROBERTO, EL FENOMENO DE LA CORROSION EN LA VIDA UTIL DEL CONCRETO 41

11 2.1.4 CARACTERISTICAS GENERALES DEL CLIMA EN EL SALVADOR. La tierra está rodeada por la atmósfera, cuyo espesor es de aproximadamente 800 kilómetros y está compuesta de diferentes gases. La atmosfera está dividida en cinco capas conocidas como la exosfera, la termosfera (que incluye la ionosfera), la mesosfera (50 a 80km.), la estratosfera (12 a 50 km.), y la troposfera (0 a 12 km), que se pueden apreciar en la figura 2.4. Figura 2.4 Estructura de la atmósfera Los gases son más densos cerca de la superficie, y menos densa a medida que aumenta la altura de la atmosfera. Las tres capas superiores, contienen solamente el 6% de los gases; la estratosfera, contiene el 19% de los gases; y la troposfera, contiene el 75% de los gases. La composición típica de los gases de la atmósfera (aire seco), se puede observar en la tabla

12 Tabla 2.1 Gases que componen la atmósfera (aire seco). GAS CONSTANTE VOLUMEN (%) GAS VARIABLE VOLUMEN (%) Nitrógeno 78,08 Dióxido de carbono 0,034 Oxigeno 20,95 Monóxido de carbono 0,01 Argón 0,93 Ozono 0,001 Neón 0,0018 Dióxido de Sulfuro 0,0001 Helio 0,00052 Dióxido de nitrógeno 0,00002 Metano 0,00015 Vapor de agua 0-4,0 (*) Kriptón 0,00011 Hidrógeno 0,00005 Xenón 0, Nota: cuando hay vapor de agua presente, los otros componentes se reducen proporcionalmente. FUENTE: TWIST, C; EDEN, PHILIP. WEATHER FACTS. La atmosfera protege a la superficie de la tierra de los efectos dañinos de la radiación solar y también modera la absorción de la energía solar (ver figura 2.5). De todas las capas mencionadas, la que interesa desde el punto de vista de su afectación a las estructuras, es la más baja y la más cargada de gases, es decir la troposfera. Figura 2.5 Perdida de energía solar a través de la atmósfera. FUENTE: TWIST, C; EDEN, PHILIP. WEATHER FACTS. 43

13 El estado del tiempo. El estado del tiempo, es la caracterización del estado de la baja atmosfera (troposfera), en un lugar y tiempo determinados. La troposfera, es la parte más activa de la atmósfera y es donde el aire está en constante movimiento., además, la troposfera, contiene casi todo el vapor de agua de la atmosfera, el cual usualmente es visible en muchas partes de la tierra como bruma o como nubes. En general, el ser humano experimenta el estado del tiempo mediante fenómenos como: la radiación solar; el viento; la presencia de nubes y la lluvia; Estas cinco modalidades de manifestaciones del estado del tiempo, tienen una enorme influencia sobre todo lo que hay sobre la faz de la tierra y aun en su interior. En algunas partes de la tierra el estado del tiempo es estacional y cambia con la época del año, según la variación en la cantidad de luz solar que se alcance irradiar en las diferentes partes de su superficie. Esa variación, es el resultado de la órbita que experimente la tierra alrededor del sol, como consecuencia de los movimientos de traslación y rotación. En general las estaciones (primavera, verano, otoño e invierno), son más notorias en cada hemisferio, en la medida en que se incremente la distancia hacia los polos, con relación a la línea ecuatorial. Sin embargo, en el trópico (franja horizontal de tierra cercana y paralela a línea ecuatorial), prácticamente no hay estaciones ni variaciones significativas en la cantidad de luz durante el día, en cualquier época del año. El Salvador y sus vecinos, son países localizados en el trópico (al norte de la línea ecuatorial) y por lo tanto, sujetos a una intensa radiación solar durante el día en todas las épocas del año El clima. El clima, es el patrón que define el estado del tiempo, y este patrón puede variar o permanecer estable a través del año. El clima, a su vez, está definió en términos de la temperatura, la humedad y la presión atmosféricas. Pero, probablemente el factor que tiene mayor influencia sobre el clima de un sitio en 44

14 particular, es su localización geográfica. Por ejemplo, la temperatura, la humedad y la presión de la baja atmósfera que corresponde a cada lugar específico de la superficie de la tierra, están afectadas por la distancia desde la línea ecuatorial; la altura sobre el nivel del mar; la distancia desde las costas marítimas; o, la cercanía o lejanía de las montañas (ver figura 2.6) Temperatura ambiente. Las temperaturas sobre la tierra dependen de la energía del sol. Pero esta energía no se distribuye uniformemente sobre la superficie de la tierra, pues su distribución depende del ángulo con el cual la luz del sol alcanza la tierra; y además, las nubes pueden absorber energía calórica antes de que esta alcance la superficie de la tierra. Es decir, que la energía que llega a la luz del sol varía con la latitud. Por ejemplo, lejos del ecuador la superficie curva de la tierra hace que cada franja de luz del sol se disperse sobre una gran área y debía pasar a través de un mayor espesor de la atmósfera (ver figura 2.6). Figura 2.6 Distribución de la energía radiante del sol. FUENTE: TWIST, C; EDEN, PHILIP. WEATHER FACTS. Por otra parte, el movimiento de rotación de la tierra, produce un patrón de luz y oscuridad (día y noche), que cambia con la latitud. Por ejemplo, cerca del ecuador, el día y la noche son casi iguales (en tiempo), durante todo el año y la línea que marca la diferencia entre el día y la noche, se mueve a lo largo del ecuador a una velocidad cercana a los 1600 km/h. en latitudes intermedias, el 45

15 patrón es de noches largas en invierno y noches cortas en verano. En altas latitudes (cerca de los polos), cada noche o cada día duran cerca de seis meses. La temperatura del aire cerca de la superficie de la tierra, depende de la temperatura de la tierra, pues los diferentes suelos y plantas absorben diferentes cantidades de energía. Desde luego, las ciudades, los lagos y los mares, también influencian la temperatura del aire directamente encima de ellos. Por ejemplo, los bosques verdes absorben grandes cantidades de calor, pero ellos permanecen frescos porque mucha de esta energía se consume durante la evapotranspiración de las plantas Por el contrario, en las ciudades los materiales de construcción como el concreto y el asfalto absorben calor en días de sol y lo liberan lentamente durante la noche; como resultado de ello, las ciudades usualmente se encuentras unos cuantos grados más calientes durante la noche, que las áreas que las rodean, especialmente cuando no hay viento que mezcle la atmósfera. Figura 2.7 Procesos de transferencias de calor sobre la tierra. FUENTE: TWIST, C; EDEN, PHILIP. WEATHER FACTS. Sin embargo, cuando los cambios de temperatura del medio ambiente son rápidos o bruscos, como suele suceder en algunas regiones tropicales, ello puede afectar dramáticamente al concreto, por cuanto este material es muy mal conductor del calor y los cambios significativos de temperatura pueden generar 46

16 choque térmico el cual a su vez ocasiona altos esfuerzos de tracción que lo pueden fracturar causando en algunos casos microfisuras y grietas. De otra parte, los cuerpos de agua pueden crear sus propios sistemas de circulación del aire. Un lago por ejemplo, se caliente más lentamente que la tierra que lo rodea, causando que el aire encima él descienda y genere brisa Humedad ambiente. Aún el aire más seco contiene alguna cantidad de vapor de agua. Si el aire está suficientemente frio, en la noche por ejemplo, parte del vapor de agua se con densa sobre las superficie de la tierra como rocío. La temperatura a la cual el aire no puede retener toda el agua, es llamada punto de roció. Las nubes se forman cuando el aire ascendente se enfría hasta el punto de roció y el vapor se condensa en forma de pequeñas gotas de agua. Posteriormente, el aire continúa elevándose y suministrando más vapor de agua para el crecimiento de las nubes. Estas a su vez, pueden ser transportadas grandes distancias por el viento antes de que liberen el agua en forma de precipitación (como roció, lluvia, granizo o niebla). Esto es lo que se conoce como el ciclo del agua. Figura 2.8 Ciclos de agua en la atmosfera cercana FUENTE: TWIST, C; EDEN, PHILIP. WEATHER FACTS. De otra parte, el vapor de agua no puede condensarse en aire puro, el proceso en realidad requiere de un núcleo de condensación. La mayoría de los núcleos de condensación que causan las nubes y la lluvia son partículas naturales de 47

17 polvo, sal o humo; aunque las partículas creadas artificialmente (como los productos emanados de la combustión en fábricas y vehículos), también pueden actuar como núcleos de condensación. La evaporación remueve grandes cantidades de calor de la superficie de la tierra. La cantidad de energía calorífica requerida para vaporizar una cierta y determinada cantidad de agua líquida a 100ºC es más de cinco veces la cantidad de energía calorífica que es requerida para elevar la temperatura de esa misma cantidad de agua desde 0ºC hasta 100ºC. Dependiendo del ciclo que cumple el agua, el aire cercano a la superficie de la tierra presenta una humedad relativa (cantidad de vapor de agua en el aire) que puede ser cambiante según la localización geográfica, la temperatura, la época del año y el régimen de vientos. Ello, desde luego afecta al concreto y particularmente cuando hay frecuentes ciclos de humedad y secado Presión Atmosférica. La transferencia de energía entre la tierra y la atmósfera ocurre, porque el aire tibio tiende a elevarse; el aire frio tiende a descender; y, el aire tibio retiene mas humedad que el aire caliente. Estos son los principios fundamentales sobre los cuales opera el estado del tiempo. Cuando el aire tibio se eleva, se dice que la atmosfera es inestable. Cuando el aire frio desciende (fenómeno conocido como subsidencia), la atmosfera se describe como estable. El viento es simplemente aire en movimiento, desde zonas de alta presión hasta zonas de baja presión. El patrón de la dirección del viento, es el resultado de las diferencias que se generan entre los polos y el ecuador, como consecuencia de la velocidad de rotación de la tierra y el calor solar. Cerca del ecuador, la tierra rota más rápido que la atmósfera y ello produce vientos desde el este. En las latitudes intermedias, la atmósfera rota más rápido que la tierra y ello produce vientos desde el oeste (ver figura 2.9). La presión atmosférica y el régimen de vientos, también tienen incidencia sobre la durabilidad de las estructuras de concreto. 48

18 Figura Clasificación del clima. Esquemas de la dirección del viento sobre la tierra. FUENTE: TWIST, C; EDEN, PHILIP. WEATHER FACTS. En general el clima sobre la tierra se puede clasificar como: tropical, seco, templado, frio, y nieve perpetúa a polar. Las altas temperaturas combinadas con lluvias fuertes, son características del clima tropical. Cerca del ecuador, la lluvia se distribuye de manera aproximadamente uniforme a través del año; mientras que hacia el norte o hacia el sur la lluvia tiende a concentrarse en las estaciones húmedas. Las regiones de clima tropical se extienden a lo largo de Centro-América, las islas del Mar Caribe, la parte norte de Sur América y África. Foto 2.1 Clima tropical típico de las costas salvadoreñas 49

19 Condiciones extremas del estado del tiempo. Además de los climas mencionados, hay condiciones particulares del tiempo, como las tormentas de rayos que pueden traer lluvia densa, relámpagos o granizo. Una manifestación particularmente poderosa de los diferentes sistemas del estado del tiempo, la constituyen las tormentas tropicales, con velocidades del viento por encima de los 350 km/h (200 mph). Estas, son llamadas huracanes. Desde luego, su potencial de daño y destrucción es muy alto, y por ello deben considerarse en el diseño y cálculo de estructuras. Para el caso de El Salvador, una tormenta tropical como las que suelen ocurrir, solamente es clasificada como huracán si alcanza una velocidad del viento superior a los 118 km/h (73 mph), pero a pesar de la clasificación por la ubicación geográfica de nuestro país no es muy común que una tormenta tropical sea declarada huracán. Otra condición asociada al estado del tiempo que puede afectar dramáticamente las construcciones son las inundaciones, que ocurren cuando el agua en grandes cantidades invade una porción de tierra. En el trópico, algunas inundaciones son el resultado de súbitos y torrenciales aguaceros en ciertas localidades (por ejemplo, la costa salvadoreña en las épocas del invierno); también causan inundaciones las lluvias sobre amplias extensiones de tierra (sobre todo en las regiones donde pasa el caudal del rio lempa siendo el más caudaloso de todo el país). Siendo esta inundaciones por consecuencia del desbordamiento incontrolable de los ríos. Todas estas situaciones, afectan notablemente las construcciones y sobre todo sus cimentaciones. 50

20 Foto 2.2 Inundación por lluvias 51

21 2.1.5 PARAMETROS GENERALES DE LA AGRESIVIDAD DEL CLIMA SOBRE EL CONCRETO Las condiciones del medio ambiente que rodea una estructura de concreto simple o reforzado, tienen una incidencia directa sobre los procesos de deterioro de la misma y para ello, deben tenerse en cuenta el macroclima, el clima local y el microclima. En estructuras expuestas al aire, las condiciones atmosféricas que se encuentran en torno a la estructura (macroclima), tienen una influencia relativamente pequeña sobre la durabilidad del concreto cuando la atmósfera no está enrarecida. Pero cuando hay presencia de aire poluto (smog) y lluvias ácidas, su impacto sobre la durabilidad del concreto puede ser alto. El clima local, o sea aquel que rodea a la estructura hasta pocos metros de distancia; y el microclima, medio ambiente próximo a la superficie de la estructura a escasos milímetros o centímetros, son los que ejercen una influencia decisiva en la durabilidad de los elementos que la componen. Foto 2.3 Relación del medio ambiente al aire con la estructura. Del mismo modo, las estructuras sumergidas en el suelo (cimientos, muros de contención, etc.), o en el agua (pilotes u otras estructuras), pueden verse afectadas en su durabilidad, por contacto superficial o saturado de sustancias agresivas con la pasta de cemento o con el acero de refuerzo. 52

22 Foto 2.4 Relación del medio ambiente sumergido con la estructura Clasificación de la agresividad del medio ambiente. La clasificación de la agresividad del medio ambiente, de acuerdo con las condiciones de exposición de la estructura debe tener en cuenta: el macroclima, el microclima, la durabilidad del concreto, y la durabilidad del acero. Para hacer esta clasificación y tomando como base las normas del ACI, se pueden mencionar las siguientes clases de ambiente, para ambientes tropicales como el de El Salvador Ambiente ligero o débil. Hace referencia a ambientes secos como el interior de edificaciones de vivienda, oficinas o comercio (dormitorios, salas oficinas, almacenes, etc.); y, ambientes exteriores rurales donde la humedad relativa es inferior al 60%. Es decir, ambientes en donde el concreto no estará expuesto a ciclos de humedecimiento y secado; o con presencia de sustancias potencialmente agresivas para el concreto. 53

23 Foto 2.5 Ambiente ligero o débil, propio de zonas rurales Ambiente moderado. Se refiere el interior de edificaciones con ambientes húmedos y cambiantes (humedad relativa entre 60% y 98%), o con riesgo temporal de vapores de agua (baños, cocinas, garajes, lavanderías, etc.) y condensación del agua; estructuras expuestas a ciclos de humedecimiento y secado, estructuras en contacto con agua dulce en movimiento; Ambientes rurales lluviosos; ambientes urbanos sin alta condensación de gases agresivos; y estructuras en contacto con suelos ordinarios. Foto 2.6 Ambiente moderado, propio de zonas urbanas no contaminadas. 54

24 Ambiente severo. Contempla ambientes húmedos, ambientes marinos o con macroclima industrial y humedad relativa entre el 60% y el 98%; ambientes urbanos con alta condensación de gases agresivos; y, estructuras en contacto con suelos también agresivos Ambiente muy severo. Incluye zonas de salpicaduras o sumergidas en agua de mar con una cara expuesta al aire; elementos en aire saturados de sal; ambientes con agua de mar; exposición directa a: líquidos con pequeñas cantidades de ácidos, ambientes salinos o aguas fuertemente oxigenadas; gases agresivos o suelos particularmente agresivos y, ambientes industriales muy agresivos. Para ilustrar lo anteriormente expuesto, en la tabla 2.2, se presenta una clasificación de la agresividad del medio ambiente en función de las condiciones de exposición del concreto; y en la tabla 2.3, se presenta la clasificación de la agresividad del medio ambiente con base en la durabilidad de la armadura. 55

25 Tabla 2.2 Clasificación de la agresividad del medio ambiente (por ataque químico), en función de las condiciones de exposición del concreto en contacto con agua o suelos que contienen agentes agresivos según recomendaciones de Cembureau) AGENTE AGRESIVO AGRESION DEL AMBIENTE Ligera Moderada Severa Muy Severa En agua Valor del ph 6,5-5, ,5 4,5-4 Menor 4,0 CO 2 agresivo mg/l Mayor 100 Ión amonio NH + 4 mg/l Mayor 100 Ión magnesio Mg 2+ mg/l Mayor Ión sulfato mg SO 4 mg/l Mayor 6000 Sólidos Disueltos Menor 50 Menor 50 En suelo Grado de acidez según Baumann- Gully Mayor Ión sulfato mg SO 4 mg/l de suelo seco Mayor FUENTE: COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON. 56

26 Tabla 2.3 Clasificación de la agresividad del medio ambiente con base en la durabilidad de la armadura. AGRESION DEL MEDIO AMBIENTE MACRCO CLIMA MICROCLIMA GAS CARBONICO CO2 EN EL AMBIENTE CLORUROS CL- EN EL AMBIENTE Ligera Moderada Severa Muy Severa Atmosfera rural Atmosfera urbana Atmósfera marina o industrial Polos industriales Humedad relativa 60% interiores secos 0,3% 200 mg/l Humedad relativa de 60 a98% Humedecimiento y secado. 0,3% <500 mg/l Humedad relativa de 60 a 98% Congelamiento y deshielo. 0,3% >500 mg/l Zonas húmedas o industriales y altos agentes agresivos. > 0,3% >500 mg/l FUENTE: HELENE PAULO ROBERTO, EL FENOMENO DE LA CORROSION EN LA VIDA UTIL DEL CONCRETO Factores que afectan al proceso del deterioro. De otra parte, los procesos de deterioro del concreto se pueden ver adicionalmente acentuados, por el efecto de tres factores: la humedad, la temperatura y la presión Efecto de la humedad. En general, para que haya procesos de deterioro en el concreto, se requiere de la presencia de agua; y, el factor principal es el estado de humedad en el concreto y no en la atmósfera circundante. Sin embargo, la humedad de la atmosfera circundante contribuye con los fenómenos de deterioro en la medida en que se presenten ciclos de humedecimiento y secado en el concreto. En la tabla 2.4 se puede apreciar la influencia de la humedad relativa efectiva (humedad relativa dentro del concreto), sobre algunos procesos de deterioro del concreto y del acero. 57

27 Tabla 2.4 Efecto de la humedad efectiva sobre la durabilidad del concreto y de las armaduras. HUMEDAD RELATIVA EFECTIVA EJEMPLO DE MECANISMOS DE DAÑO EN EL CONCRETO Corrosión de la Carbonatació Ataque armadura n Químico Con Carbonatado cloruros Muy baja < 45% Ligero Mínimo Mínimo Mínimo 45- Baja 65% Alto Mínimo Ligero Ligero Media 65-85% Medio Mínimo Alto Alto Alta 85-98% Ligero Ligero Medio Alto Saturación > 98% Insignificante Alto Ligero Ligero FUENTE: COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON Efectos de la temperatura. Cuando se hace referencia a la agresividad de los procesos físicos, mecánicos, químicos o biológicos del concreto, se suele olvidar el hacer mención de la temperatura. Sin embargo, el efecto de la temperatura, es muy importante por cuanto ella incide notablemente en la velocidad con la cual pueden ocurrir los fenómenos de deterioro en el concreto. Las reacciones químicas usualmente son aceleradas por el aumento de la temperatura. Una regla general es que: Un aumento de la temperatura de 10ºC, dobla la velocidad de la reacción. Por ello, los climas tropicales (cálidos y húmedos), se consideran más agresivos que los demás Efectos de la presión. Como se menciono anteriormente, la presión atmosférica y el régimen de vientos, también tienen incidencia sobre la durabilidad de las estructuras de concreto expuestas al aire, por cuanto puede darse deterioro por erosión de 58

28 partículas arrastradas por el viento; porque se pueden promover los ciclos de humedecimiento y secado; porque, también se pueden ver afectados los ciclos de calentamiento y enfriamiento de la superficie de la tierra; etc. Para estructuras sumergidas en el suelo o en el agua, la acción de la presión del medio que las rodea, el cual puede ser: liquido (agua); sólido (suelo contaminado o húmedo); o gaseoso (vapor de agua, oxigeno u otros gases), puede ser más dramática, por cuantos e promueve la penetración de elementos o sustancias que pueden percollar el concreto. 59

29 2.1.6 ESTRUCTURA Y MICROESTRURA DEL CONCRETO El concreto está compuesto de cemento, agua, agregados, aire, aditivos y eventualmente adiciones. El principal componente del concreto, es el cemento Portland, el cual ocupa entre el 7% y el 12% del volumen de la mezcla y tiene propiedades de adherencia y de cohesión que proveen buena resistencia a la compresión. El cemento Portland es producido por el hombre y proviene de la calcinación de rocas calizas y arcillas. El segundo componente, el agua, ocupa entre el 14 y el 20% del volumen de la mezcla e hidrata al cemento Portland, por medio de complejas reacciones químicas. La mezcla de cemento Portland y agua es llamada la pasta de cemento y sirve como lubricante de la mezcla fresca. Adicionalmente, la pasta endurecida provee resistencia mecánica y durabilidad al concreto. El tercer componente, los agregados, ocupan entre el 59% y el 68% del volumen de la mezcla. Por lo anterior, las características y propiedades de los agregados ejercen una notable influencia en las propiedades del concreto Son esencialmente materiales, naturales o artificiales, de forma granular, que por conveniencia práctica ha sido separados en fracciones finas (arenas) y fracciones gruesas (gravas). En general, provienen de las rocas, pero también existen agregados artificiales. Los agregados, son considerados un llenante de la mezcla, que controlan los cambios volumétricos de la pasta de cemento y que también proveen resistencia mecánica. El agregado debe estar constituido por partículas limpias, duras, resistentes y durables, que desarrollen buena adherencia con la pasta de cemento, libres de recubrimientos de arcilla y de impurezas que interfieran el desarrollo de la resistencia del cemento. Adicionalmente, el concreto también contiene alguna cantidad de aire atrapado (usualmente entre 1% y 3% del volumen de la mezcla), lo cual se logra con el uso de aditivos o con cementos que tengas agentes inclusores de aire. Por último con alguna frecuencia se añaden aditivos y/o adiciones a la mezcla con el objeto de modificar una o más propiedades del concreto tales como mejorar la manejabilidad en estado fresco, reducir los requerimientos de agua 60

30 de mezclado, acelerar o retardar los tiempos de fraguado, incrementar resistencia, aumentar la durabilidad, o alterar otras propiedades. composicion del concreto cemento agua arena grava 12% 37% 20% 31% Figura 2.10 COMPOSICION APROXIMADA DEL CONCRETO FUENTE: SANCHEZ, DIEGO. CONCRETOS Y MORTEROS CERTIFICADOS MANUAL DE MANEJO La proporción relativa de los distintos ingredientes, debe estar suficientemente compensada, de tal manera que, el concreto sea compacto (denso y sólido), homogéneo, poco poroso y resistente Compacidad del concreto. La compacidad del concreto, hace referencia a la capacidad de acomodamiento que tienen las partículas de los ingredientes sólidos que lo componen, y está definida como la cantidad de materiales sólidos (en volumen absoluto), por unidad de volumen de concreto. Una alta compacidad, conduce por lo tanto a un alto peso unitario del concreto, dentro de ciertos límites. La compacidad, depende en una buena medida de la calidad y cantidad de los ingredientes del concreto, lo cual afecta a su vez la solidez del material (un cemento de baja calidad y /o una cuantía baja del mismo, no garantizan una buena solidez). Por otra parte, dada la naturaleza heterogénea del concreto (por la diversidad de sus componentes), la compacidad se puede ver afectada por el fenómeno de segregación, cuando la mezcla se encuentra en estado plástico. Por ello, la 61

31 correcta distribución de todos y cada uno de los componentes, a través de su masa, es importante para mantenerlo tan homogéneo como sea posible. Para que un concreto sea compacto, denso, sólido, homogéneo y por lo tanto resistente y durable, se requiere lo siguiente: El uso de un cementante (cemento Portland más eventuales adiciones), de buena calidad y la aplicación de bajas relaciones agua/material cementante. El uso de agregados densos, poco porosos y bien gradados (compensados en su relación arena/agregado total). El más bajo contenido posible de agua de mezclado, lo cual se logra con el uso de aditivos reductores de agua. Un adecuado manejo y una correcta colocación de compactación (sin segregación) del concreto dentro de la formaleta. Un cuidadoso procedimiento de retiro de las formaletas. Una protección y un curado apropiados, después del fraguado final de la mezcla, acompañado de unas buenas prácticas de protección y puesta en servicio. Sin embargo, aún con una alta compacidad y una buena homogeneidad, el concreto presenta en su interior una estructura relativamente porosa; y, eventualmente microfisuras o fisuras. La estructura, forma y tamaño de los poros, lo mismo que la configuración de las fisuras, dependen de muchos factores. Para entender entonces la estructura porosa del concreto, se definirán los siguientes términos Porosidad. La porosidad del concreto, está definida como la cantidad de espacios vacios que quedan inmersos dentro de la masa del material, como consecuencia de la evaporación del agua libre de la mezcla y de la presencia de aire naturalmente atrapado. Los poros del concreto, dependiendo de su tamaño, se subdividen en: 62

32 Poros de aire o macroporos. Estos, corresponden a las burbujas de aire que quedan naturalmente atrapadas y/o intencionalmente incluidas (mediante un aditivo incluso de aire) en la masa de concreto. Es decir, que constituyen los llamados poros de compactación y poros de aire ocluido (aire incluido). En general, su diámetro es mayor de 0.2 mm (200 micras) y no suelen estar interconectados Poros capilares. Son los poros que se encuentran por fuera del gel de cemento. Su forma es variable y su tamaño oscila entre mm (0.02 micras) y 0.2 mm (200 micras) de diámetro. Cuando están interconectados y abiertos al exterior, son susceptibles de ser saturados y por ellos ocurre la permeabilidad del concreto a los fluidos. En general, cuando aumenta la cantidad de poros capilares, se reduce significativamente la resistencia del concreto a los ataques físicos, químicos y/o biológicos Poros de gel o microporos. Son los poros que presenta la pasta de cemento hidratada y endurecida (poros intersticiales del gel de cemento) y su diámetro es menor de mm (0.02 micras). Usualmente estos poros no intercambian agua con el medio ambiente, a menos que la humedad que presenten se encuentre por debajo del 20%. 63

33 Figura 2.11 FUENTE: CONFORMACION DE LA ESTRUCTURA POROSA DEL CONCRETO SEGÚN SETZER. COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON. De todos los poros descritos, los más importantes para la durabilidad del concreto, son los poros capilares y los macroporos. Considerando la estructura porosa que se ha descrito, puede definirse entonces dos términos de vital importancia para la durabilidad del concreto, como son: la absorción y la porosidad fundamental o abierta Absorción. La absorción del concreto, está definida como la relación que existe entre la masa de agua que penetra los poros saturables y el peso seco de la muestra penetrada por el agua. A = (Psss Ps)100 Ec. 2.1 Ps Donde: A = Absorción, en porcentaje. Psss = Peso de la muestra saturada y superficialmente seca. 64

34 Ps = Peso seco de la muestra Porosidad fundamental o abierta. La porosidad fundamental o porosidad abierta, está definida como la relación que hay entre el volumen de poros accesible al agua y el volumen aparente de la probeta. P A = (Psss Ps)100 Ec. 2.2 (Psss Pm) Donde: A = Porosidad abierta en porcentaje. Psss = Peso de la muestra saturada y superficialmente seca. Ps Pm = Peso seco de la muestra. = Peso sumergido de la muestra. Es decir, que la porosidad fundamental o abierta, está estrechamente relacionada con los poros y oquedades interconectadas a través de los cuales es posible que ocurra el transporte de fluidos y/o el intercambio de sustancias disueltas. Lo anterior, permite a su vez, estudiar dos términos que se relacionan directamente con los cambios por humedad en el concreto. Estos son, la permeabilidad y la hermeticidad Permeabilidad del concreto. La permeabilidad del concreto, como la de cualquier material, consiste en que éste pueda ser atravesado por un fluido (líquidos, gases, iones) a causa de una diferencia de presión entre las dos superficies opuestas del material. Usualmente, la permeabilidad se determina por el caudal filtrado de agua, de acuerdo con la ley de Darcy (a través de un medio poroso), en la cual el flujo es laminar y permanente. v = Kp h Ec. 2.3 x 65

35 Donde: v h x Kp = Rata del flujo de agua. = Cabeza de la gua (presión hidráulica). = Espesor del espécimen. = Coeficiente de permeabilidad. La permeabilidad del concreto al agua, depende de: la permeabilidad de la pasta de cemento (poros capilares); de la permeabilidad y granulometría de los agregados; de la proporción de pasta en relación a los agregados; y de los vacios causados por una compactación deficiente o por los capilares del agua de exudación (macroporos). La velocidad, profundidad de penetración y efectos del fluido y/o los agentes agresivos disueltos, desde luego están regidos por la forma y estructura de los poros y por el microclima que rodea la superficie del concreto. En general, la permeabilidad de la pasta depende de la relación agua/material cementante, del grado de hidratación del cemento y de la edad, como se puede apreciar en la tabla 2.5. Tabla 2.5 Efecto de la edad de una pasta de cemento sobre el coeficiente de permeabilidad para una rotación agua/material cementante de 0.51 EDAD (días) Kp/m/s OBSERVACIONES Pasta fresca 10-5 Independiente de a/c Poros capilares interconectados Poros capilares discontinuos FUENTE: MINDES, SIDNEY; YOUNG FRANCIS J. CONCRETE. Según Mindess y Young. Un concreto de baja permeabilidad no sólo requiere de una baja relación agua/material cementante, sino también de un adecuado 66

36 periodo de hidratación del cemento, la red de poros se va cerrando como consecuencia del bloque de los mismos por la formación de C-S-H. Es decir, que con el curado húmedo continuo se va disminuyendo el valor de Kp hasta llegar a una completa discontinuidad de los poros capilares, pero en función de la relación agua/material cementante. Ver tabla 2.6 Tabla 2.6 Tiempo de curado requerido para producir un sistema discontinuo de poros capilares en el concreto, asumiendo un curado húmedo continúo. RELACION Agua/material cementante TIEMPO CURADO (días) DE 0,40 3 0,45 7 0, , , > 0,70 No es posible FUENTE: MINDES, SIDNEY; YOUNG FRANCIS J. CONCRETE. En esta tabla además se observa que en concretos cuya relación agua/material cementante sea mayor de 0.70 la completa discontinuidad de los poros capilares nunca puede ser alcanzada, aun con un curado húmedo continuo; y por lo tanto, el coeficiente de permeabilidad Kp de un concreto maduro de buena calidad es de aproximadamente 1x10-13 m/s. En casos extremos cuando la porosidad capilar ha sido eliminada, el valor de Kp puede llegar hasta valores de 1x10-22 m/s Hermeticidad. La hermeticidad, se refiere a la capacidad del concreto de refrenar el agua sin escapes visibles. Al igual que con la permeabilidad, las bajas relaciones agua/material cementante, reducen la segregación y la exudación, contribuyendo a la hermeticidad del concreto. La inclusión de aire, también ayuda a la 67

37 hermeticidad. Para ser hermético, desde luego el concreto también debe tener una alta compacidad y estar libre de fisuras y vacios INTERACCION ENTRE LOS POROS Y EL MEDIO AMBIENTE. Para que se desarrollen procesos de deterioro de carácter físico, químico o biológico, tanto en el concreto como en las armaduras de acero, debe darse una interacción entre los materiales de la estructura y el medio ambiente circundante. En ello, intervienen: la permeabilidad del concreto a los fluidos (gases o líquidos), a través de los macroporos, los poros capilares y las fisuras; y el microclima (condiciones de humedad, de temperatura, de presión y la presencia de agentes agresivos), que rodea a la superficie del concreto. El alcance de la penetración, la velocidad y el efecto del transporte de agentes agresivos dentro del concreto, depende principalmente de: la estructura de los poros y fisuras dentro del concreto; de la presencia de humedad; y, de los mecanismos de transporte. Del mismo modo, la velocidad y magnitud de las reacciones que se puedan presentar entre los agentes agresivos y el concreto, depende a su vez de: el tipo y la concentración de las sustancias agresivas; la composición química del cemento y las propiedades químicas y mineralógicas de los agregados; de la temperatura y presión; de la humedad relativa efectiva; y, de la naturaleza y distribución de los poros y fisuras. (Ver figura 2.12). 68

38 CONCRETO (MATERIAL POROSO) Figura 2.12 FUENTE: PROCESO DE TRANSPORTE EN EL CONCRETO COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON Interacción entre los poros y el agua. Para estudiar los mecanismos de transporte a través del concreto y comprender la interacción entre los poros del concreto y el agua, es necesario definir tres términos de vital importancia. Ellos son: la adsorción; la condensación capilar; y, la difusión. 69

39 Adsorción. La superficie libre de cualquier solido, generalmente tiene un exceso de energía debido a la falta de enlaces con las moléculas cercanas. En los poros de la pasta de cemento, esta energía superficial tiende a compensarse adsorbiendo moléculas de vapor de agua sobre dichas superficies y el espesor de la capa de agua que se forma depende del grado de humedad en el interior de los poros (ver figura 2.13). El término adsorción se refiere a la adherencia de moléculas a una superficie; y no es lo mismo que absorción, que se refiere a la incorporación de moléculas en el interior de otra sustancia o masa (como por ejemplo, cuando una esponja absorbe agua). Figura 2.13 FUENTE: Condensación capilar. ESQUEMA DEL FENOMENO DE FIJACION DEL AGUA POR ABSORCION EN LOS POROS DEL CONCRETO. COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON. Como la relación que existe entre el área superficial y el volumen de los poros se incrementa en la medida en que los poros son más pequeños, el agua adsorbida también se incrementara en relación con la cantidad de poros, hasta un cierto y determinado diámetro de los poros para el cual estos se encontraran totalmente llenos de agua. Este proceso es lo que se le denomina condensación capilar. (Ver figura 2.14). 70

40 Figura 2.14 FUENTE: ESQUEMA DEL FENOMENO DE FIJACION DEL AGUA POR CONDENSACION CAPILAR EN LOS POROS DEL CONCRETO. COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON Difusión. La difusión está definida como la dispersión de una sustancia dentro de un espacio o dentro de una segunda sustancia; por ejemplo, cuando las moléculas de un perfume se difunden dentro de una habitación; o cuando un líquido se dispersa dentro de otro. Si la humedad relativa efectiva de un concreto es baja y hay presencia de gases, estos se difunden fácil y rápidamente por los poros del concreto. Pero, en la medida en que se da el proceso de condensación capilar, que produce el llenado de agua de los poros, se reduce el espacio disponible para la difusión de gases; y como consecuencia de ellos, la permeabilidad del concreto a los gases (p.e difusión de CO2, O2, etc.) se disminuye considerablemente Mecanismos de transporte. Para que operen los mecanismos de transporte entre el concreto y el microclima que rodea su superficie, se pueden presentar tres situaciones: transporte en aire húmedo (por difusión); transporte por agua lluvia o salpicaduras de agua (por succión capilar); transporte por inmersión (por presión hidrostática). 71

41 Transporte en el aire húmedo. Los procesos de transporte de gases, agua o sustancias disueltas en el agua, son procesos de difusión que se dan en función de la humedad relativa del aire. Estos procesos de difusión, son inducidos por una tendencia al equilibrio cuando hay un gradiente de concentraciones. Por ejemplo, la difusión del oxigeno avanza a través del concreto a medida que este es consumido durante la corrosión del acero de refuerzo, lo cual causa una diferencia de concentraciones de O 2 dentro de los poros del concreto. Del mismo modo, el dióxido de carbono se difunde en el concreto, en la medida en que se da una reacción química entre el CO 2 y la cal libre que hay en las paredes de los poros, reduciendo a su vez la concentración de CO 2. Concent racion (presion) (O2, C O, H2O CL, SO4, NH, MG) C C Difusion Figura 2.15 FUENTE: RELACION ENTRE LA CONCENTRACION A PRESION DE LAS MOLECULAS DE UN GAS Y SU DIFUSION. COMISION IV, GRUPO ESPAÑOL DE HORMIGON, DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE HORMIGON. La difusión del agua o el vapor de agua, ocurren cuando se producen cambios en la humedad del ambiente o cuando el concreto se seca, es decir cuando hay un diferencial de concentración. Para el caso de las eventuales sustancias disueltas en el agua (carbonatos, cloruros, sulfatos, amonio, magnesio, etc.), su difusión se realiza a través de la capa de agua que recubre las paredes de los poros (agua de adsorción), o a 72