INTRODUCCIÓN A LA DURABILIDAD DE HORMIGONES

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA DURABILIDAD DE HORMIGONES Amparo Moragues Terrades

2 Definición de Durabilidad El ACI define la durabilidad del hormigón fabricado con cemento Pórtland, como la habilidad para resistir el desgaste de las acciones atmosféricas, ataque químicos, abrasión o cualquier otra forma de deterioro. Por ende, las características de un hormigón durable son mantener su forma original, calidad y utilidad al ser expuesto al ambiente circundante por su vida útil. Para EHE La durabilidad del hormigón es la capacidad de comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas o químicas agresivas y proteger, adecuadamente, las armaduras y demás elementos metálicos embebidos en el hormigón durante la vida de servicio de la estructura. 2

3 Estructura de Silicatos 3

4 Caolinita Al 2 (SiO 5 )(OH) 4 Cristales de caolinita (MEB) 4

5 Proceso de degradación: ataque físico DETERIORO POR CAUSAS FÍSICAS Mehta y Gerwick (1982) DESGASTE SUPERFICIAL FISURACIÓN ABRASIÓN Pavimentos, tráfico de vehículos EROSIÓN Fluidos con partículas sólidas en suspensión CAVITACIÓN CAMBIOS DE VOLUMEN Gradientes de humedad y temperatura (calor de hidratación) Sales en los poros Cargas TEMPERATURAS EXTREMAS Hielo Fuego PÉRDIDA DE MASA AUMENTO POROSIDAD y PERMEABILIDAD DISMINUCIÓN RESISTENCIAS

6 Relación Ca/Si = 0.66 Estructura del Gel

7 Fase sólida Matriz del Cemento Hidratada GEL CSH HIDRATACIÓN ALITA (C 3 S) BELITA (C 2 S) RESPONSABLE PROPIEDADES MECÁNICAS DE RESISTENCIA 60% del volumen de la pasta

8 Estructura del Gel Estructura del C-S-H ( MIT)

9 Formación física de laminas de silicatos cálcicos hidratados Modelos del gel POROS DE POWERS 1968 FELDMAN Y SEREDA (1968) MUNICH 1985

10 Red Porosa

11 Red porosa

12 Red porosa

13 Red porosa IUPAC P.Metha, 1986 S. Mindess, 2002 Nombre Tamaño Nombre Tamaño Nombre Tamaño Microporos < 2nm Espacio interpartícular entre láminas de CSH Mesoporos 2-50 nm Poros capilares (a/c baja) 1-3 nm nm Microporos intercapa Microporos Capilares pequeños (gel) Capilares medianos >0.5nm nm EFECTO RETRACCIÓN Y FLUENCIA RETRACCIÓN Y FLUENCIA nm RETRACCIÓN nm RESISTENCIA, PERMEABILIDAD Y CONTRACCIÓN Macroporos > 50 nm Poros capilares 3-50 µm Capilares grandes µm RESISTENCIA Y PERMEABILIDAD Aire atrapado 50 µm-1 mm Aire atrapado mm RESISTENCIA

14 MICROESTRUCTURA Matriz de cemento hidratada Matriz de cemento hidratada Áridos Fase sólida Red porosa Fase acuosa Zona de interfase áridopasta hidratada de cemento

15 Áridos Peso Módulo de elasticidad Estabilidad dimensional del hormigón Características físicas: Volumen Textura Forma Tamaño Distribución partículas Poros Composición

16 Contenido significativamente alto de porosidad capilar (gran parte interconcectada) Mayor permeabilidad Bajo contenido de granos de cemento sin hidratar Alto contenido en portlandita, con orientación preferentemente paralela a la superficie de los agregados Elevado contenido en etringita Zona de transición árido-pasta Menor resistencia y rigidez

17 Zona de transición árido-pasta ZONA DEBIL MECÁNICAMENTE EN LA INTERFASE CON LA PASTA PAPEL IMPORTANTE EN LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI Porosiad de esta zona mayor que en la pasta por la mayor cantidad de agua acumulada causa de su menor resistencia

18 Proceso de degradación: ataque químico Proceso de degradación causado por agentes agresivos en el ambiente externo a la estructura que se transportan en solución hacia su interior y reaccionan con algún constituyente de la pasta de cemento POROSIDAD MECANISMOS CEMENTO Porosidad total Distribución de tamaño de poro Estructura del poro Grado de conectividad entre poros Succión capilar Convección Difusión Migración Composición química y mineralógica del cemento Grado de hidratación Interfaz pasta-árido

19 Mehta (1986) Proceso de degradación: ataque químico Intercambio iónico Pérdida masa Pérdida alcalinidad Ataque por lixiviación Formación de compuestos expansivos Aumento del proceso deterioro Pérdida resistencia y rigidez Fisuración Saltaduras Deformación

20 Ataque ácido Ataque químico. Tipos de ataque H 2 O H + + OH - Ca(OH) 2 + 2H + Ca H 2 O C-S-H + 6H + 3Ca (SiO 2. nh 2 O) + 6 H 2 O Aguas con productos orgánicos en descomposicición Aguas con contenidos en pirita (sulfuro de hierro) Aguas con sulfuros Aguas con contenido óxidos de azufre (SO 3 )(lluvia ácida) Aguas con contenido disuelto de CO 2

21 Ataque químico. Tipos de ataque Esquema de ataque ácido en la pasta de cemento Formación de sales solubles Reducción alcalinidad Pérdida resistencia ph =3 Eflorescencias Disolución pasta Desprendimiento de masa de hormigón

22 Estabilidad de los distintos compuestos

23 Ataque ácido: lixiviación de compuestos cálcicos Ataque de Agua (H 2 O) Descomposición (hidrolizan) Eflorescencias los productos hidratados Sales de calcio cristalizadas en superficie (evaporación o carbonatación) Ataque de la matriz cementicia por disolución progresiva El agua, debilmente mineralizada, reacciona con los iones Ca 2+ y destruye progresivamente el hormigón

24 Ataque por ácido en desagües Aguas residuales Bacterias Fermentación SH 2 (sulfuro hidrógeno) + CH 4 (metano) Carbonatos + SO4 Ca (sulfato cálcico) + CO 2 O 2 H 2 O Superficie hormigón ph

25 Ataque por ácido en desagües Carbonatos + SO4 Ca (sulfato cálcico)

26 Ataque por intercambio iónico Sales disueltas en Agua CO2 HCO CO H 2O CO3 H 2 H 3 2 H 2O CO3Ca Ca(HCO3 ) 2 Aguas duras EQUILIBRIO Aguas blandas Exceso de CO 2 (agresivo) LAVADO Ataque superficie Aumento porosidad y permeabilidad

27 Ataque por ácido carbónico

28 Ataque por disoluciones con magnesio Cloruros, sulfatos y bicarbonatos se encuentran en agua de mar, industriales y subterráneas. El ataque depende del anión: Poca concentración de Mg Mg(OH) 2 Brucita Cierra poros Mucha concentración de Mg SO 4 Mg Cl 2 Mg Formación compuestos expansivos Aumento porosidad y conectividad Ca(OH) 2 + Cl 2 Mg Mg(OH) 2 + Cl 2 Ca Lixiviación y bajada de ph

29 Ataque por disoluciones con sulfato Terrenos con yeso Sulfatos alcalinos Sulfato sódico Sulfato potásico Sulfato de magnesio Sulfato de aluminio Sulfato de amonio

30 Mecanismos de ataque Ataque por disoluciones con sulfato Solo ocurre cuando el agua transporta los iones SO 4 2- en solución dentro del hormigón Formación de ettringita Formación de yeso Formación de thaumasita Formación de brucita, yeso y descomposición del gel de sílice C-S-H Cristalización de sales

31 Formación de ettringita Ataque por disoluciones con sulfato C 3 ACaSO 4.18H 2 O + 2NaSO 4 + 2Ca(OH) H 2 O Monosulfoaluminato (AFm) Portlandita C 3 A.3(CaSO 4 ).32H 2 O + 4NaOH - Ettringita expansiva (AFt) Fisuración progresiva Aumento porosidad Disminución resistencia

32 Ettringita primaria Ettringita secundaria fuertemente comprimida en la interfase (x2000) Expansiónde ettringita y yeso Desintegración pasta de cemento

33 Ataque por formación de yeso Reacción intercambio iónico Soluciones concentradas (> 1000 mg/l) Cristalización en los poros y en la interfase pasta-agregado 2NaSO 4 + 2Ca(OH) 2 + H 2 O CaSO 4.2H 2 O + 2Na + + 2(OH) - Portandita Yeso Descalcificación gel C-S-H Disminución de resistencia

34 Esquema del ataque por sulfato sódico sobre pasta de cemento Formación de ettringita Formación de yeso

35 Ataque de sulfato de magnesio Concentración baja MgSO 4 < 0.48% Formación ettringita Concentración media 0.48%< MgSO 4 < 0.75% Formación ettringita y yeso Concentración alta MgSO 4 > 0.75% Descalcificación del gel C-S-H

36 Ataque de sulfato de magnesio Brucita a Mg 2+ SO 4 2- Proceso de ataque (OH) - Doble capa superf. (OH) - Mg 2+ SO 4 2- Proceso de ataque Brucita Yeso (OH) - Ca 2+ (OH) - Ca 2+ Incremento de la hidratación y disolución del Ca(OH) 2 b Ca(OH) 2 + MgSO 4 + H 2 O Mg(OH) 2 + CaSO 4.2H 2 O a) Difusión OH hacia fuera y SO 4-2 hacia dentro pasta. Brucita en superficie b) Disociación CH y aceleración hidratación de silicatos de calcio (Ca 2+ y (OH) - ). Formación capa de yeso

37 Ataque de sulfato de magnesio Descalcificación CSH Mg 2+ (OH) - (OH) - Difusión de iones OH desde el poro a la solución d SO 4 2- Ca 2+ SO 4 2- SO 4 2- Ca 2+ SO 4 2- Ca 2+ Disolución parcial de CH C-S-H + xmgso 4 + H 2 O xmg(oh) 2 + xcaso 4.2H 2 O + nsio 2.H 2 O c) Descalcificación del C-S-H y formación continua de capas de yeso d) Disociación parcial CH en zona interior y estabilidad de la microestructura por supresión de la difusión como resultado del crecimiento de la doble capa

38 Formación de thaumasita CaSiO 3 CaSO 4 CaCO 3 15H 2 O Hormigón o mortero con agregados con carbonatos o expuestos a CO 2 MECANISMO Acción conjunta de iones sulfatos y carbonatos iones sulfato + portlandita yeso iones carbonato + gel C-S-H descomposición C-S-H SiO 2 SiO 2 + iones sulfato thaumasita Solubilidad thaumasita Temperatura Solubilidad CO 2 Temperatura Contribuye Humedad elevada Bajas temperaturas

39 Formación de thaumasita

40 Formación de thaumasita

41 Formación de thaumasita Se necesitan solo iones: carbonato, sulfato, silicato y calcio

42 Daños por formación de thaumasita Imágenes cedidas IETcc.

43 Daños por formación de thaumasita Imágenes cedidas IETcc.

44 Daños por formación de thaumasita Imágenes cedidas IETcc.

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46 Ataque de sulfato

47 Recomendaciones frente al ataque por sulfatos Reducción permeabilidad Uso de adiciones activas Baja relación a/c Alto contenido en cemento Correcto compactado Curado prolongado Cenizas volantes de bajo calcio Escorias de alto horno Puzolanas naturales Humo de sílice Reducción C 3 A Cementos con características adicionales SR

48 Definición de Durabilidad El ACI define la durabilidad del hormigón fabricado con cemento Pórtland, como la habilidad para resistir el desgaste de las acciones atmosféricas, ataque químicos, abrasión o cualquier otra forma de deterioro. Por ende, las características de un hormigón durable son mantener su forma original, calidad y utilidad al ser expuesto al ambiente circundante por su vida útil. Para EHE La durabilidad del hormigón es la capacidad de comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas o químicas agresivas y proteger, adecuadamente, las armaduras y demás elementos metálicos embebidos en el hormigón durante la vida de servicio de la estructura. 48

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50 Proteger el acero 50

51 Potencial del acero

52 Pila de corrosión

53 Desencadenantes

54 Penetración gaseosa de contaminantes: Carbonatación

55 Cloruros:picadura v <2µm/año despreciable ATAQUE POR PICADURAS

56 Cambios en los cristales de portlandita

57 Cambios en los cristales de portlandita (a) Sin NS (b) 3% NS (c) 3% SF Y.Qing, Z.Zenan, K.Deyu,C.Rongshen. Cons. Build. Mater. 21 (2007)

58 CH sobre el árido perdiendo su forma Cristalina por el ataque de NS Árido Pasta

59 Reducción de cristales por velocidad de hidratación CH 1.3 µm

60 Reducción de cristales por velocidad de hidratación CH 550 nm 500 nm

61 Cambios en los cristales de Ettringita

62 Cambios en los cristales de Ettringita

63 4NCV-7D Cambios en los cristales de Ettringita

64 Cambios en los cristales de Ettringita

65 M-4FCV-28D CH 1µm M-4NCV-28D Desaparición de agujas de AFt

66 Cambios en los cristales de Ettringita

67 Agujas de AFt 200 nm

68 Resultados de ensayos mecánicos

69 200 Resultados de ensayos de durabilidad Resistivity (K.cm) ,5 CONTROL 30,8 SF ,30 41,4 SF-6 146,5 41,4 22,6 SF-10 ns-3 ns-6 Concrete Mix 58,4 SF-3/nS-3 109,7 SF-3/nS-6 146,5 SF-6/nS-3 Max water penetration depth (mm) ,60 4,08 1,92 6,44 2,61 2,17 1,00 2,01 0 CONTROL SF-3 SF-6 SF-10 ns-3 ns-6 SF-3/nS-3 SF-3/nS-6 D nssm (10-12 m 2 /s) SF-6/nS-3 CONTROL SF-3 SF-6 SF-10 ns-3 ns-6 Concrete Mix SF-3/nS-3 SF-3/nS-6 SF-6/nS-3 Concrete Mix

70 Energía de Fractura

71 Ensayo de vértice

72 Ensayos de dureza y Los Ángeles

73 Ciclos hielo/ deshielo y ensayos de degradación

74 Carbonatación

75 Resultados de ensayos mecánicos Resistencia a compresión de rocas y morteros a distintas edades Comparativa del ensayo de los angeles para morteros y rocas Series3 Series Series2 Resultado del Series1 1 ensayo de los 2 3 angeles Muestars de morteros y rocas ensayadas Limites de dureza en morteros y rocas Energia de fractura de morteros y rocas Muestras ensayadas Morteos y rocas ensayados 3 Series2 Energia de Series1Fractura N/m

76 MUCHAS GRACIAS 76