TECNOLOGÍA DEL CONCRETO REFORZADO Y SU DURABILIDAD

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1 CENTRO REGIONAL DE DESARROLLO EN INGENIERIA CIVIL TECNOLOGÍA DEL CONCRETO REFORZADO Y SU DURABILIDAD Presenta: M. en C. Daniel Dámazo Juárez Director General del IMCYC Morelia, Mich. 10 de Diciembre del 2005 ANTECEDENTES En el pasado, nos preocupamos por un diseño estructural eficiente y resistente a sismos, nunca por durabilidad. No existían Normas ni reglamentos claros que especificarán diseños por durabilidad. Desconocimiento de nuestros diseñadores, calculistas y supervisores sobre durabilidad. Se consideraba a la relación Agua/Cemento o el f c, un requisito para diseñar por resistencia más no por durabilidad. Desconocimiento de los materiales y sus propiedades; cementos, agregados, puzolanas, aditivos, etc. 1

2 ANTECEDENTES México cuenta con una amplia geografía variable en cuanto a condiciones: Zonas Desérticas Zonas Montañosas Zonas Tropicales Zonas Costeras ANTECEDENTES Por lo tanto las condiciones climatológicas son muy variables. El tipo de materiales disponibles en cada zona, es diverso; agregados, cementos, aditivos, etc. Desconocimiento general del tema de durabilidad por los actores involucrados en la construcción. Falta o desconocimiento de normas, reglamentos y especificaciones adecuadas. Falta de capacitación y entrenamiento para el manejo del concreto en estado fresco. 2

3 ANTECEDENTES A lo largo de poco más de 100 años de uso, el concreto nos empieza a mostrar la necesidad de diseñar con criterios de durabilidad y no sólo por resistencia. El paso del tiempo en las estructuras, las condiciones climáticas y su inadecuado proceso de construcción y diseño, evidencían fallas de origen. Estructuras construidas hace apenas 20 ó 30 años requieren hoy en día reconstrucción o demolición con su consiguiente costo. EN QUÉ CONSISTE EL CONCRETO Cemento 15% Agua 18% Aire 8% Agregado Fino 28% Agregado Grueso 31% 7% 14% 4% 24% 51% Concreto con aire incluido 15% 21% 3% 30% 31% 7% 16% 1% 25% 51% Concreto con aire atrapado 3

4 MATERIALES COMPONENTES Cemento portland Cementantes Agregados Finos (arenas) Gruesos (gravas) Aditivos Agua Concreto Premezclado Acero de refuerzo CLASIFICACIÓN DE CEMENTOS HIDRÁULICOS SEGÚN NMX C-414-ONNCCE-2004 TIPO CLASE CARACT. ESPECIALES CPO Cemento Portland Ordinario CPP Cemento Portland Puzolánico CPEG Cemento Portland Escoria Granulada CPS Cemento Portland Humo de Sílice CPC Cemento Portland Compuesto CEG Cemento Escoria Granulada R 40R RS BRA BCH B EJEMPLOS: CPO 30 R CPP 30 RS / BRA 4

5 CLASIFICACIÓN DE PUZOLANAS SEGÚN NMX C-146-ONNCCE-2000 Puzolanas Naturales Cenizas volcánicas Pomez Tobas Escorias Obsidiana Puzolanas artificiales Cáscara de arroz calcinada Ceniza Volante (Fly Ash) Humo de Sílice (Silica Fume) Escoria de alto horno Metacaolin CLASIFICACIÓN DE AGREGADOS SEGÚN NMX C-111-ONNCCE-2004 Propiedades Físicas Granulometría Peso específico y absorción Sanidad Substancias deletéreas Materiales muy finos Impurezas orgánicas Partículas suaves, desmenusables y ligeras Forma y textura Propiedades Químicas Rocas silíceas reactivas Calizas dolomíticas 5

6 CLASIFICACIÓN DE LOS ADITIVOS SEGÚN NMX C-255-ONNCCE-2005 Tipo A: Reductor de agua Tipo B: Retardante de fraguado Tipo C: Acelerante de fraguado Tipo C2: Acelerante de resistencia Tipo D: Reductor de agua y retardante Tipo E: Reductor de agua y acelerante Tipo F: Reductor de agua de alto rango Tipo F2: Superplastificante Tipo G: Reductor de agua de alto rango y retardante Tipo G2: Superplastificante y retardante Tipo AA: Inclusor de aire CLASIFICACIÓN DEL AGUA PARA CONCRETO SEGÚN NMX C-122-ONNCCE-2004 Impurezas orgánicas Azúcares Ácidos Materia vegetal Aceites Reacciona con el cemento en el proceso de hidratación Actuar como agente dispersante del cemento Lubrica e implementa la trabajabilidad en la mezcla 6

7 CLASIFICACIÓN DEL CONCRETO PREMEZCLADO SEGÚN NMX C-155-ONNCCE-2004 Medición de materiales Mezclado Especificaciones Materiales Concreto fresco Concreto endurecido Resultados bajos 10% durabilidad Muestreo Métodos de prueba CLASIFICACIÓN DEL ACERO DE REFUERZO SEGÚN NMX C-407-ONNCCE-2001 Clasificación Tensión Esfuerzo de ruptura Esfuerzo de fluencia Corrugación Separación Altura Alargamiento Doblado 7

8 PROBLEMAS DE DURABILIDAD Formación académica de nuestros Ingenieros o Arquitectos. Desconocimiento del tema. Desconocimiento o falta de normas o reglamentos. Especificaciones mal elaboradas o replicadas. Falta de capacitación o entrenamiento. PROBLEMAS DE DURABILIDAD EN CONCRETO Problemas de carbonatación debido a agrietamientos o filtración de agua: Pérdida de ph, degradación del concreto, pérdida de resitencia, 8

9 PROBLEMAS DE DURABILIDAD EN CONCRETO Corrosión del acero de refuerzo: Concretro inadecuado o poroso Presencia de cloruros y sulfatos Ambiente marino o agresivo PROBLEMAS DE DURABILIDAD EN CONCRETO Pérdida de diámetro de 19 a 16.9 mm Peso unitario de 2,235 a 1759 kg/ml Pérdida de corrugación Pérdida de área de 285 a 224 mm2 Disminución de esfuerzo de ruptura de 63 a 43 kg/mm2 Disminución de esfuerzo de fluencia de 42 a 28 kg/mm2 9

10 PROBLEMAS DE DURABILIDAD EN CONCRETO Medio de contacto el suelo: Nivel freático, sulfatos, cloruros Ciclos humedad y secado Degradación del concreto y corrosión CASOS DE FALLAS Por ataque de ambiente marino: Acapulco. 10

11 CASOS DE FALLAS Por ataque de ambiente húmedo y ácido: Descarga de Aguas ácidas en Río Papagayo. CASOS DE FALLAS Por ataque de ambiente ácido: Planta procesadora de Jugos de fruta y lácteos. 11

12 CASOS DE FALLAS Por corrosión del acero de refuerzo: Concreto expuesto a los vientos marinos dominantes: Veracrúz. Problemas de Durabilidad en Concreto Ataque por sulfatos: Sulfato de calcio (yeso), formación de etringita 12

13 PROBLEMAS DE DURABILIDAD EN CONCRETO Reacción álcali/agregado: Álcalis en el cemento Agregados reactivos Presencia de humedad CASOS DE FALLAS Por una mala elección de agregados: Patios de maniobras en planta industrial por uso de agregados de alto contenido de magnesio: Mexicali, BC. 13

14 CASOS DE FALLAS Reacción álcali/sílice o álcali/agregado en Edo. de Hidalgo RAS MALAS PRÁCTICAS CONSTRUCTIVAS Prácticas constructivas deficientes, inadecuadas o nula supervisión. 14

15 CASOS DE FALLAS Mala calidad en la construcción, mala supervisión Nula Supervisión 15

16 Cómo resolver el tema de Durabilidad? Normas Reglamentos Especificaciones Vida de Proyecto Tipo de estructura Vida de proyecto Pistas de aeropuertos Puentes 120 Presas Edificios residenciales 60 Obras portuarias 80 Fábricas Oficinas, tiendas Fuente: Bratchell, G. E. Nominal Design Life The Structural Engineer, Vol. 53 A No 7 USA 16

17 A C I ACI 201-2R N M X-403-ONNCCE-1999 A S T M N M X ACI Reglamento para Concreto Estructural Relación Agua/Material Cementante. Exposición a Congelamiento y Deshielo. Exposición a Sulfatos. Protección contra la Corrosión del Acero de Refuerzo. Calidad del Concreto Elaboración Transporte Colocación Curado 17

18 REGLAMENTO DEL ACI Relación Agua/Cementante. Cementos (ASTM C-150). Ceniza volante y puzolanas (ASTM C-618). Escorias (ASTM C-989). Humo de sílice (ASTM C-1240). REGLAMENTO DEL ACI Exposición a congelamiento y deshielo. Concreto normal y ligero incluir aire. Contenido total de aire para concreto resistente a congelaci ón Tamaño Máximo del Agregado, mm (pul) Contenido de aire % Exposición severa Exposición moderada 10 (3/8 ) (1/2 ) (3/4 ) (1.0 ) (1 ½ ) (2.0 ) (3.0 ) NOTA: Tolerancia de % 18

19 REGLAMENTO DEL ACI Requisitos para condiciones de exposición especial Condiciones de exposición Con. Agr. Normal: Rel. máxima Agua/Cementantes Con. Agr. normal o ligero F c mínima (kg/cm 2 ) Concreto que se pretenda tenga baja permeabilidad en exposición al agua Concreto expuesto a congelación y deshielo en condición húmeda o descongelamiento por medio de químicos. Para proteger de la corrosión al refuerzo en concretos expuestos a cloruros de químicos, sales descongelantes, agua salobre, agua de mar o salpicaduras del mismo origen REGLAMENTO DEL ACI Requisitos para concreto expuesto a productos químicosdescongelantes Materiales cementantes Porcentaje máximo de materiales cementantes totales por peso Cenizas volantes u otras puzolanas que cumplen con ASTM C Escorias que cumplen con ASTM C Humo de sílice que cumpla con ASTM C Total de cenizas volantes u otras puzolanas, escorias, y humo de sílice 50* Total de cenizas volantes u otras puzolanas y humo de sílice 35* 19

20 REGLAMENTO DEL ACI Exposición a los sulfatos Exposición a Sulfatos Sulfatos (SO 4) en el subsuelo solubles al agua, % en peso Sulfatos (SO 4) en el agua, ppm Tipo de cemento Despreciable Moderada II, IP(MS), IS(MS) Severa ,000 V Muy Severa > 2.00 > 10,000 V más puzolana TIPOS DE CEMENTO NECESARIOS PARA CONCRETO EXPUESTO AL ATAQUE DE SULFATOS REGLAMENTO DEL ACI Protección contra corrosión del acero de refuerzo Contenido máximo deiones de cloruro para la protección contra la corrosi ón del acero de refuerzo Tipos de cemento Contenido máximo de iones cloruro (Cl - ) acuosolubles en el concreto, % por peso de cemento Concretos presforzados 0.06 Concreto reforzado en servicio expuesto a cloruros Concreto reforzado en servicio que estará seco o protegido contra la humedad Otras construcciones de concreto reforzado

21 ACI 201.2R; GUÍA PARA OBTENER UN CONCRETO DURABLE Congelamiento y Deshielo. Mecanismos de acción del congelamiento. Congelamiento en pasta. Congelamiento en agregado. Efectos totales en el concreto. Agentes removedores de hielo. Cloruro de sodio y/o cloruro de calcio. Aceleran corrosión Recomendaciones para estructuras durables. Diseño de la estructura minimizando la humedad. Baja relación agua/cementante. Inclusión de aire. Curado antes del primer ciclo de congelamiento. Buenas prácticas constructivas. ACI 201.2R; GUÍA PARA OBTENER UN CONCRETO DURABLE Exposición a químicos agresivos. Tipos de químicos agresivos. Ataque por sulfatos. Exposición al agua de mar. Ataque de ácidos. Carbonatación. Por dióxido de carbono. Contaminación atmosférica. Por el agua del suelo. 21

22 ACI 201.2R; GUÍA PARA OBTENER UN CONCRETO DURABLE Abrasión. Pruebas del concreto para resistencia a la abrasión. Factores que afectan la resistencia a la abrasión. Recomendaciones para la obtención de superficies resistentes a la abrasión. Mejoramiento de la resistencia al desgaste en pisos. Desgaste en el concreto por llantas. Resistencia al deslizamiento en pavimentos. Resistencia al desgaste hidráulico. ACI 201.2R; GUÍA PARA OBTENER UN CONCRETO DURABLE Corrosión del acero de refuerzo. Principios de corrosión. Efectos de los componentes para la elaboración del concreto. Cemento, cementantes, agregados, aditivos y agua. Calidad del concreto y recubrimiento sobre el acero. Recubrimiento sobre el acero. Permeabilidad del concreto y resistividad eléctrica. Relación agua/cementante. Diseño de la mezcla. Colocación y curado del concreto. Sistemas protectores positivos. Corrosión de materiales diferentes al acero. Aluminio, plomo, cobre y aleaciones de cobre y zinc. 22

23 ACI 201.2R; GUÍA PARA OBTENER UN CONCRETO DURABLE Reacciones químicas de los agregados. Tipos de reacciones. Reacción álcali/sílice. Reacción álcali/carbonato. Preservación del concreto que contiene agregado reactivo. Recomendaciones para estudios futuros. ACI 201.2R; GUÍA PARA OBTENER UN CONCRETO DURABLE Reparación del concreto. Evaluación del daño y selección del método de reparación. Tipos de reparación. Preparaciones para la reparación. Agentes adhesivos. Apariencia. Curado. Tratamiento de grietas. 23

24 NORMA NMX C-403-ONNCCE-1999 La norma Mexicana NMX-C-403-ONNCCE fué elaborada para diseñar estructuras que deben resistir la acción ambiental, ataque químico, abrasión, corrosión del acero de refuerzo o cualquier otro proceso de deterioro y mantener su forma original, condiciones de servicio y propiedades mecánicas. NORMA NMX C-403-ONNCCE-1999 Esta norma exige: Vida útil de diseño de 50 años en estructuras. Vida útil de diseño en obras de infraestructura de 100 años. Como regla general los concretos de tipo estructural deben tener una relación agua / cementante menor que 0.60 Considerar factores de durabilidad tales como: Permeabilidad Compactación adecuada Protección del acero de refuerzo Curado Recubrimiento adecuado 24

25 CLASIFICACIÓN DE EXPOSICIÓN La norma clasifica el ambiente de exposición como: 1 Ambiente seco 2a Ambiente húmedo sin congelamiento 2b Ambiente húmedo con congelamiento 3 Ambiente húmedo con congelamiento y descongelantes 4 Ambiente marino 5a Ambiente de agresividad química ligera 5b Ambiente de agresividad química moderada 5c Ambiente de agresividad química alta 5d Ambiente de agresividad química muy alta REQUISITOS DE DURABILIDAD La norma establece como requisitos de durabilidad: Resistencia a la compresión Relación Agua/Cementante Contenido mínimo de cemento Contenido de aire Requisitos para agregados Requisitos para cementos Revenimiento máximo sin aditivos de 10 cm. 25

26 REQUISITOS DE DURABILIDAD SEGÚN LA CLASE DE EXPOSICIÓN: Requisito Clase de exposición según la tabla A.1 1 2a 2b 3 4 5a 5b 5c 5d Resistencia a compresión (Kg/cm2) Concreto reforzado = 200 = 250 = 250 = 250 = 300 = 250 = 300 = 350 = 350 Concreto presforzado = 250 Relación agua/cementante Concreto reforzado = 0.60 = 0.60 = 0.55 = 0.55 = 0.55 = 0.55 = 0.50 = 0.45 = 0.45 Concreto presforzado = 0.60 = 0.60 Contenido de cemento para agregados gruesos entre 20 Concreto reforzado = 270 = 300 = 300 = 300 = 300 = 300 = 300 = 300 = 300 y 40 mm Concreto presforzado = 300 = 300 = 300 = 300 REQUISITOS DE DURABILIDAD SEGÚN LA CLASE DE EXPOSICIÓN: Requisito Clase de exposición según la tabla A.1 1 2a 2b 3 4 5a 5b 5c 5d Contenido de aire por tamaño máximo de agregado en % = 40 mm Si el concreto se puede = 4 Se permite una tolerancia de ± 1.5% = 20 mm saturar ver clase 3 = 5 = 10 mm = 6 Requisitos adicionales para agregado Resistentes al Congelamiento. Requisitos adicionales para cemento Ver tablas complementarias La norma limita la temperatura máxima de colocación del concreto en temperaturas altas a 32 C y establece la necesidad de calentar los materiales cuando la temperatura sea baja. 26

27 REQUISITOS DE DURABILIDAD. Tablas adicionales: Especificaciones contra el ataque químico de agentes agresivos cuando existen sulfatos. Parámetro Exposición 5 a Exposición 5 a Exposición 5 b Exposición 5 c Exposición 5 d Ligera Ligera Moderada Alta Muy Alta Tipo de Cemento CPO RS RS RS RS Máxima relación Ag. / Cem Mínimo contenido de cementante Protección adicional No necesaria No necesaria No necesaria No necesaria No necesaria REQUISITOS DE DURABILIDAD. Tablas adicionales: Especificaciones contra el ataque químico de agentes agresivos cuando NO existen sulfatos. Parámetro Exposición 5a Exposición 5b Exposición 5c Exposición 5d Ligera Moderada Alta Muy Alta Tipo de Cemento CPO RS RS RS Máxima relación Agua/Cementante Mínimo contenido de cementante Protección adicional No necesaria No necesaria No necesaria No necesaria 27

28 APÉNDICE INFORMATIVO. Esta norma incluye un apéndice informativo que complementa las especificaciones establecidas en el cuerpo de la norma. El apéndice ofrece recomendaciones para: Proporcionamiento y dosificación. Fabricación del concreto. Transporte del concreto. Colocación del concreto. Compactación del concreto. Curado. Remoción de cimbras. Inspección del concreto. Guía para la buena práctica de manejo y colocación de concreto. RELACION CON OTRAS NORMAS MEXICANAS. La norma NMX-C-414-ONNCCE-1999 establece los tipos de cemento y sus características de comportamiento y aplicación. La norma NMX-C-111-ONNCCE-2004 establece los tipos y calidades de los agregados. La norma NMX-C-255-ONNCCE-2003 establece los tipos y calidades de aditivos químicos para concretos. La nueva norma NMX-C-155-ONNCCE-2004 establece estos mismos requerimientos para concreto premezclado. 28

29 POR QUÉ LAS FALLAS? Diseños inadecuados del concreto Ambientes agresivos Elevada temperatura Elevada humedad relativa Elección inadecuada de agregados Ataque álcali / sílice Ataque álcali / carbonato Prácticas constructivas deficientes Concretos de mala calidad CUÁLES SON LAS FALLAS? Concretos porosos Concretos segregados Bajas resistencias a compresión Carbonatación del concreto Ataque químico (sulfatos, cloruros, etc.) Corrosión del acero de refuerzo Pérdida de acero de refuerzo Pérdida por abrasión o desgaste Permeabilidad excesiva. 29

30 Una Pregunta Impertinente Para el diseño de una estructura de concreto es suficiente el f c? El no conocer otras condiciones puede conducir al diseño de la estructura a que no cumpla con su resistencia, durabilidad y trabajabilidad. Se solicita o nos proporcionan la información suficiente y adecuada?. La información no es únicamente para especialistas en concreto, es importante que la conozcan los que diseñan estructuras. Factores que afectan la vida de un proyecto Factores técnicos Factores Económicos Factores Socio-políticos Tiempo de obsolescencia 30

31 Reglamentos, Normas y Especificaciones Reglamentos: ACI Reglamento Para Concreto Estructural ACI 201-2R Guía para Obtener un Concreto Durable NMX C Concreto Hidráulico para uso Estructural Reglamentos Nacionales, Regionales y/o Locales. Normas: NMX C-414-ONNCCE-2004 Cementos NMX C-111-ONNCCE-2004 Agregados para Concreto NMX C-255-ONNCCE-2005 Aditivos para Concreto NMX C-122-ONNCCE-2004 Agua para Concreto NMX C-155-ONNCCE-2004 Concreto Premezclado Reglamentos, Normas y Especificaciones Especificaciones: Es una serie de requisitos basados en Normas y Reglamentos para un proyecto de carácter particular que fija el diseñador, proyectista o director de obra para que el constructor se apegue a lo indicado. 31

32 Calidad de la obra, calidad del concreto Prácticas constructivas adecuadas? Gente capacitada o entrenada Gente certificada Herramientas adecuadas y en buenas condiciones Obras bien planeadas Bitácoras de obra Concretos de buena calidad? Elección adecuada del concreto Materiales adecuados y correctos El f c es el adecuado o por Durabilidad Resistencias, control de calidad adecuadas Uniformidad del concreto Plantas certificadas? Es la misma calidad del concreto? 32

33 CONCLUSIÓN Conocer perfectamente bien las condiciones ambientales y giro del proyecto para elaborar las especificaciones adecuadas. Recordar que baja relación agua cemento, mejora la permeabilidad en el concreto. Elección adecuada de los materiales a usar y de acuerdo a las condiciones ambientales. Recordar que tenemos cementantes adicionales que mejoran la durabilidad. Prácticas constructivas adecuadas. Equipo de trabajo adecuado, no improvisar. Protección adecuada del acero de refuerzo. Colocación, acabado y curado correcto de las estructuras. CENTRO REGIONAL DE DESARROLLO EN INGENIERIA CIVIL MUCHAS GRACIAS. M. en C. Daniel Dámazo Juárez Director General. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. Insurgentes Sur 1846 Col. Florida México, D.F Tel: 01 (55) ddamazo@mail.imcyc.com 33