DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

Transcripción

1 Ing. Edgardo Becker Líder de Asesoría Técnica LOMA NEGRA C.I.A.S.A. INTRODUCCIÓN DURABILIDAD DEL HORMIGÓN Comportamiento del Hormigón Estructural Durante su Vida de Servicio La historia de la construcción nos muestra varios ejemplos de estructuras que han cumplido satisfactoriamente la vida de servicio proyectada e incluso en ocasiones- esta resultó mayor a la esperada durante su ejecución. Sin embargo otras no logran cumplir satisfactoriamente el ciclo de vida para el cual fueron proyectadas. Aquí trataremos de analizar algunas de las principales causas de deterioro de las estructuras de hormigón, entender su mecanismo para luego establecer reglas de diseño que permitan la obtención de estructuras durables. Entendiendo como durabilidad del hormigón a la habilidad del material para resistir las acciones del medioambiente, ataques físicos, químicos u otros procesos de deterioro [1] durante el ciclo de vida para el cual fue proyectado con mínimo mantenimiento [2], resulta evidente que una estructura mantenga adecuadas condiciones de servicio durante el período de diseño debe estar adecuadamente proyectada y construida, utilizando los materiales adecuados. Es por eso que resulta fundamental un minucioso estudio durante la etapa de proyecto de las cargas actuantes sobre la estructura y las condiciones de agresividad a las que estará expuesta, incluyéndose dentro de éstas la erosión, la acción del ambiente, el ataque químico y todos aquellos otros procesos de deterioro que puedan afectar al hormigón y/o la armadura. Una vez conocidas las condiciones de agresividad, se deberá diseñar una estructura que posea las dimensiones, espesores de recubrimientos, calidad de hormigón y, en ocasiones, protecciones adicionales cuando el grado de agresividad resulta muy importante. Proyecto 37,0% Falta de Detalles 78,0% Materiales Inadecuados 5,0% Errores de Cálculo 3,0% Concepción General 14,0% Ejecución 51,0% Materiales 4,5% Uso y Mantenimiento 7,5% 1

2 Figura N 1: distribución de fallas de acuerdo según la etapa del proceso constructivo por la cual se produjo. También se observa un detalle de las causas de falla debidas errores durante la etapa de proyecto [3]. Fuente: J. Calavera, Patología de Estructuras de Hormigón Armado y Pretensado, INTEMAC, Madrid, España En la figura N 1 se observan valores estadísticos [3] donde un 37% de las fallas en estructuras de hormigón se producen por problemas de proyecto. Si bien los profesionales tenemos responsabilidad sobre todos los aspectos de la obra, resulta evidente que donde no debemos equivocarnos es en la etapa de proyecto cuando tenemos el mayor control de la situación por lo cual resulta fundamental conocer y comprender los mecanismos de deterioro más frecuentes de manera de tomar los recaudos de diseño y establecer especificaciones adecuadas para cada estructura en particular. Por otro lado, cuando las especificaciones resultan adecuadas y suficientes el Constructor y la Inspección de Obra cuentan con la información necesaria para reducir los fallos por problemas de ejecución, lo que redundará en estructuras confiables, confortables y durables. DURABILIDAD Principales Procesos de Deterioro En el presente trabajo se desarrollarán algunos de los principales procesos de deterioro a los que están expuestas las estructuras de hormigón: a) Fisuras, grietas y otros defectos b) Ataque físico c) Ataque químico d) Corrosión de armaduras y otros metales embebidos en el hormigón e) Reacción álcali agregado f) Otros procesos internos de deterioro Como luego podrá observarse, la diferenciación entre los distintos procesos no siempre resulta del todo clara, estableciéndose en muchos casos criterios un tanto arbitrarios. Por ejemplo, existen causas de deterioro físico que induce a fisuras que a su vez- facilitan el ingreso de agentes del tipo químico que afectan directamente al hormigón o la armadura. Existen también procesos inversos o intermedios que complican la clasificación. a) FISURAS, GRIETAS Y OTROS DEFECTOS Existen diferentes causas de fisuras en el hormigón, aquí no se tratarán aquellas producidas como consecuencia de ataques físicos, químicos, corrosión de armaduras, reacción álcali-agregado u otras reacciones deletéreas internas ya que serán tratadas particularmente más adelante. Como es sabido el hormigón en condiciones normales presenta, durante un corto período de tiempo que generalmente se extiende entre 2 y 4 horas, un estado plástico y maleable que permite luego de mezclado- transportar y colocar el material dentro de los encofrados para luego compactarlo y terminarlo. Este estado es conocido como estado fresco del hormigón. Luego de este corto período, el material endurece y pasa a un estado endurecido donde es capaz de tomar resistencia a través de las reacciones de hidratación de la pasta cementicia. En estado fresco, cuando no se toman los recaudos necesarios, suelen presentarse fisuras de retracción plástica o asentamiento plástico 2

3 además de otro fenómeno que puede depender de la exudación del hormigón y/o la protección y/o el curado entre otras causas como es la debilidad superficial. En cambio, en estado endurecido, esta parte sólo tratará las fisuras no estructurales como las de contracción por secado y el mapeo o piel de cocodrilo. Las fisuras del tipo estructural producidas por excesos de carga y/o deformación y/o defectos de diseño y/o materiales escapan al alcance del presente trabajo. a.1) Fisuración del hormigón en estado fresco Entendiendo al hormigón en estado fresco como una suspensión concentrada formada por la pasta cementicia compuesta por cemento pórtland y agua (también se incluyen en esta fase a los aditivos y las adiciones si las hubiera) mezclada con la fase sólida constituida por los agregados [4]. Este material luego de colocado y compactado experimenta una segregación de sólidos con desplazamiento hacia la superficie superior de parte del agua de mezclado denominado exudación. Aquellos hormigones mejor diseñados, con una adecuada distribución granulométrica y relación a/c (agua / cemento en masa) suficientemente baja tienden a retener mejor el agua de amasado y la exudación se minimiza. En cambio, cuando alguno o varios de estos factores que hacen a un buen hormigón no se cumple, la exudación puede resultar considerable con la consecuente rápida reducción de volumen del hormigón. Entre los defectos más frecuentes producidos en el estado fresco del hormigón se encuentran las fisuras de retracción plástica y las de asentamiento plástico. Las primeras se producen en elementos del tipo plano o cáscara, donde una dirección resulta poco significativa respecto de las otras dos e implica el hormigonado de grandes superficies no protegidas como puede ser el caso de las losas de estructura, de pavimento o de piso, que al estar sometidas a condiciones atmosféricas que favorezcan una rápida evaporación del agua superficial (velocidad de evaporación > velocidad de exudación), sufren una contracción diferencial que genera las fisuras. Las segundas tienden a ser más frecuentes en elementos de mayor espesor como vigas, tabiques y columnas aunque en casos extremos también se presentan en losas y otras estructuras laminares cuando la exudación del hormigón resulta excesiva. 3

4 Las fisuras de retracción plástica [6] resultan en general relativamente cortas, poco profundas y erráticas (aunque a veces se muestran paralelas) que pueden aparecer en el estado fresco del hormigón durante los trabajos de terminación en días ventosos, con baja humedad y alta temperatura del aire. La rápida evaporación de la humedad superficial supera a la velocidad ascendente del agua de exudación, causando que la superficie del hormigón se contraiga más que el interior. Mientras el hormigón interior restringe la contracción del hormigón superficial, se desarrollan tensiones de tracción que exceden la resistencia del hormigón y consecuentemente se desarrollan fisuras en la superficie. Las fisuras de retracción plástica varían desde unos pocos centímetros de largo hasta 1,50 ó 2,00 m y suelen tener una profundidad de 2 a 3 cm aunque pueden penetran hasta la mitad o más del espesor de la losa cuando las condiciones ambientales son muy adversas y las prácticas de protección y curado resultan deficientes. 4

5 Figura N 2: Fisuras de retracción plástica en pavimento urbano y losa de estructura. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón 5

6 Si no se dispone de adecuadas condiciones de protección, la superficie del hormigón tiende a perder humedad por evaporación. Como resulta obvio, la velocidad de evaporación superficial aumenta a medida que la temperatura (ambiente y del hormigón) y la velocidad del viento son mayores y la HR (humedad relativa) es más baja. En la figura N 3 se muestra un ábaco que permite el cálculo de la tasa de evaporación superficial. Considerando que los hormigones corrientes presentan una tasa HR ambiente [%] Temp. Superficial del H [ C] Temp. del aire [ C] 4,0 Velocidad de Evaporación [kg/(m 2.h)] 3,0 2,0 1,0 0 Velocidad del Viento [km/h] Rango habitual de velocidad de exudación del hormigón que suele variar entre 0,50 y 1,00 kg/m 2 /h, resulta necesaria en una amplia región del país la protección del hormigón recién colocado la mayor parte de los días del año. Figura N 3: Ábaco para determinación de la tasa de evaporación superficial del hormigón dependiendo de la temperatura y humedad relativa del ambiente, la temperatura superficial del hormigón y la velocidad de viento Fuente: Adaptado de ACI Committee 305, Hot Weather Concreting, Manual of Concrete Practice, Part 2, American Concrete Institute 6

7 El asentamiento plástico se produce frecuentemente en hormigones que no están adecuadamente diseñados cuando un exceso de exudación produce una importante reducción en el volumen del hormigón en estado fresco. En aquellas zonas donde el movimiento del hormigón en estado fresco se encuentre restringido se producirán fisuras en coincidencia con dicha restricción generalmente producida por las armaduras superficiales. En la figura N 4 se observa claramente la forma que una viga recién hormigonada que sufre asentamiento plástico y la armadura longitudinal superior y los estribos sirven de restricción produciéndose la fisuración del hormigón en coincidencia casi perfecta T = 0 Inmediatamente después de hormigonar T = 4 a 12 hs Vista de la viga con las armaduras. Estas fisuras afectan la durabilidad de las armaduras y la adherencia acerohormigón de éstos y otros elementos estructurales y se produce por la conjunción del asentamiento plástico propiamente dicho y un espesor de recubrimiento inadecuado. Figura N 4: Fisuras por asentamiento plástico en vigas de hormigón armado Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón Panel tipo π Columna de sección circular Figura N 5: Fisuras por asentamiento plástico columna de hormigón armado y panel premoldeado. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón 7

8 En general, aquellos hormigones que son adecuadamente diseñados con relaciones a/c (agua / cemento en masa) suficientemente bajas, con contenidos de agua adecuados, con asentamiento bajo compatible con las condiciones de colocación y compactación, con agregados limpios y de buena cubicidad, en proporciones racionales, colocados y compactados adecuadamente que son protegidos de la pérdida superficial de agua inmediatamente, no presentan fisuras en estado fresco. a.2) Fisuración del Hormigón en Estado Endurecido El hormigón en estado endurecido resulta algo sensible a los cambios de humedad en su masa, aumentando su volumen cuando se humedece y contrayéndose cuando se encuentra seco. Los hormigones muy jóvenes a medida que avanzan las reacciones de hidratación sufren en primer lugar una pérdida del agua libre presente en la pasta cementicia para luego, en función del mantenimiento en el tiempo de adecuadas condiciones de curado, comenzar el secado por pérdida del agua adsorbida que se encontraba en estrecho contacto con la superficie sólida de los poros y vacíos de la pasta cementicia endurecida. Este proceso produce una contracción del hormigón que, de no ser absorbida por el elemento estructural a través de armaduras y/o dimensiones adecuadas, provoca las llamadas fisuras de contracción por secado. En el caso de las losas de piso o pavimento, en general se realiza un aserrado adecuado que permite que estas fisuras se produzcan en zonas preestablecidas a través de las juntas de contracción. Por lo explicado anteriormente, resulta bastante obvio que la magnitud de la contracción depende fundamentalmente de la cantidad de agua que pierde el hormigón. Es por ello que los hormigones de menor contenido de agua de mezclado y que se someten a adecuadas condiciones de curado por un período suficientemente prolongado tendrán una menor contracción y esta será más diferida en el tiempo. Existen adicionalmente otras características de la mezcla de hormigón que inciden en la magnitud de la contracción por secado en forma directa o indirecta como el contenido y tipo de cemento; tamaño, forma, composición mineralógica y contenido de polvo de los agregados; uso y características de las adiciones minerales; uso de aditivos; etc., sin embargo en mi opinión- todas estas resultan de un orden de magnitud inferior en importancia salvo cuando inciden directa o indirectamente sobre la demanda de agua de la mezcla. También los cambios diferenciales de humedad pueden generar fisuras en el hormigón endurecido. Es el caso típico de las losas de piso o pavimento cuando la superficie inferior en contacto con el suelo húmedo mantiene una importante cantidad de agua mientras que la superficie superior expuesta a la intemperie o a otros ambientes de menor humedad relativa se seca, este gradiente de humedad en el espesor de la losa de hormigón provoca un alabeo con levantamiento de esquinas en losas rectangulares que puede provocar fisuras por incompatibilidad de deformaciones y tensiones producidas directamente por este efecto o indirectamente a través de la aplicación de una carga circulante por las esquinas que poseen un apoyo nulo o limitado sobre la base. El hormigón en estado endurecido también resulta sensible desde el punto de vista dimensional a los cambios de temperatura. Este fenómeno debe ser adecuadamente considerado por los ingenieros proyectistas y estructuralistas en aquellas estructuras o elementos estructurales que por su tamaño y/o exposición a gradientes térmicos determinen la necesidad de prever mecanismos constructivos para absorber las deformaciones y/o las tensiones en el caso de existir necesariamente restricciones de borde que provocan las fisuras por restricción al cambio volumétrico. A continuación se indica 8

9 la fórmula a aplicar para determinar la deformación un elemento lineal sometido a un gradiente térmico T: L = α T L donde: L: valor absoluta de la dilatación/contracción α: coeficiente de dilatación/contracción térmica del hormigón T: variación máxima de temperatura prevista entre el día y la noche (ó entre media diaria de invierno y media diaria de verano) L: longitud de análisis Como ejemplo (ver figura N 6 caso 1) se supone una viga de hormigón clase H-21 simplemente apoyada de 35 m de luz con una sección de 0,50 m de ancho x 1,20 m de altura expuesta a la radiación solar que sufrirá un gradiente térmico máximo de 40 C (temperatura máxima de verano temperatura mínima de invierno) considerado como temperaturas medias diarias: -5 L = 10 1/ C. 40 C. 35 m = 0, / C. 40 C. 35 m = 0,014 m = 1,4 cm Es decir en este caso habría que diseñar un apoyo que sea capaz de absorber un movimiento de 1,4 cm. Suponiendo que esto resulta imposible por particularidades del proyecto, este movimiento restringido se transformaría en una carga horizontal que debería ser absorbida por la estructura (ver figura N 6 caso 2). La magnitud de este esfuerzo horizontal sería: α T E J H = L donde: H: carga de tracción/compresión provocada por la variación de temperatura E: módulo de elasticidad del hormigón J: momento de inercia de la sección del muro α: coeficiente de dilatación/contracción térmica del hormigón T: variación máxima de temperatura prevista entre el día y la noche (ó entre media diaria de invierno y media diaria de verano) L: longitud del elemento Entonces: H = [(0, / C. 40 C) kg/cm cm. (120 cm) 3 / 12] / 3500 cm = ,14 kg Evidentemente, la carga horizontal que provocaría una restricción al movimiento previsto resulta suficientemente importante como para ser considerada. Una falta de previsión en el proyecto o en el mantenimiento de la estructura provocaría altas tensiones que, al no ser previstas, serían deformaciones no previstas con la consecuente aparición de fisuras y grietas sin descartar el posible colapso de la estructura. 9

10 Caso 1: con apoyo deslizante L H/2 Caso 2: con apoyo restringido H/2 Figura N 6: Efecto de la temperatura sobre una viga de hormigón armado simplemente apoyada sin y con restricción de movimiento horizontal. Evidentemente cuando existe restricción horizontal en el movimiento se deberá prever estructuralmente el efecto de la carga horizontal provocada por el gradiente térmico. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón 10

11 a.3) Otros defectos que afectan la durabilidad Adicionalmente a los anteriormente mencionados y a los que se desarrollarán más adelante, existen otros defectos constructivos y/o de proyecto y/o de mantenimiento que afectan en ocasionesgravemente a las estructuras de hormigón simple, armado y pretensado. Algunos de los más frecuentes son el bombeo y el calentamiento de losas en pavimentos. Figura N 7: El bombeo del material fino de la base que ocurre al paso de cargas pesadas sobre un pavimento cuya base presenta importante cantidad de agua debido a la presencia juntas con sellado deficiente, sufre con la acción conjunta de la repetición de cargas y falta de mantenimiento, la pérdida de material en la base, lo que crea cargas y un cambio de estado de tensiones en el hormigón (efecto viga) por falta de apoyo lo que produce una rápida fatiga del hormigón con la consecuente aparición de fisuras, grietas y escalonamiento de losas. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón Figura N 8: Fisuras, grietas y deformaciones permanentes provocadas por restricciones al movimiento de las losas de pavimento. Este fenómeno es habitual cuando los gradientes térmicos son importantes y existen problemas de diseño o mantenimiento en las juntas de dilatación. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón Otro frecuente defecto que afecta la durabilidad de pisos y pavimentos es la debilidad superficial y el empolvamiento. Es conocido el hecho que, fundamentalmente por efecto de la exudación, los hormigones en la zona cercana a la superficie o de piel presentan una menor calidad. En la figura 11

12 N 9 se observa un corte transversal de una losa de hormigón que en estado fresco presenta exudación, evidentemente la relación a/c (agua / cemento en masa) de la zona superficial resultará mayor que la del resto de la masa por lo cual la porosidad de esta zona será mayor y, consecuentemente, la resistencia será inferior. Es por eso que los hormigones en la superficie resultan más permeables por lo tanto, más propensos al ingreso de sustancias perjudiciales y menos resistentes al desgaste y la abrasión. En casos de hormigones con exceso de exudación y, muchas veces acompañados por otros defectos como la falta de curado, hace que la superficie presente polvo suelto durante bastante tiempo [5]. Sólo mediante un adecuado diseño de la mezcla de hormigón y el respeto de las reglas del arte de colocación, compactación, terminación, protección y curado se minimiza este fenómeno. Existen procesos y cuidados especiales cuando los hormigones son sometidos a procesos de abrasión. Estado Fresco Agua de exudación Estado Endurecido Capa de polvo Capa débil Losa de Hormigón Losa de Hormigón Base Base 12

13 Figura N 9: Empolvamiento en losas de piso o pavimento. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón Figura N 10: La fotografía muestra claramente que el material se desprende fácilmente al simple paso del dedo de una mano. Como generalmente el empolvamiento superficial sólo incluye un espesor muy reducido, suele ser suficiente el paso de un equipo de pulido para eliminar la capa débil. Foto: Portland Cement Association Existen otros defectos como las juntas frías que no son tratadas adecuadamente, el diseño de juntas inadecuado y muchos otros que no serán tratados aquí que afectan en forma directa la durabilidad de las estructuras o resultan fuente de ingreso de agentes agresivos como: sulfatos, cloruros, CO 2, etc. que atacan directamente al hormigón o a las armaduras. También los elementos masivos son susceptibles de sufrir fisuración por efectos térmicos cuando el calor generado durante la hidratación no puede ser fácilmente disipado generando un aumento de la masa que luego al enfriarse lentamente puede generar tensiones de tracción que no sean absorbidas por la estructura. Varios de estos y otros defectos que en ciertas ocasiones- sólo afectan la estética de la obra o estructura sin poner en riesgo la durabilidad desde el punto de vista estructural y/o funcional, sin embargo deben ser evitados mediante adecuadas prácticas constructivas y/o de proyecto ya que en muchos casos la estética de la obra resulta fundamental a su funcionalidad. Es por eso que de existir algún defecto en la estructura, éste debe ser cuidadosamente estudiado por profesionales idóneos a fin de obtener la mejor solución técnica y económica. 13

14 b) ATAQUE FÍSICO Arbitrariamente definiremos al ataque físico como al conjunto de acciones del medioambiente causantes de deterioro del hormigón. Sin dudas dentro de esta definición se incluyen algunos deterioros ya tratados anteriormente, sin embargo aquí trataremos la acción de las temperaturas extremas (congelación deshielo y fuego), la abrasión y erosión. b.1) Acción de las bajas temperaturas La acción reiterada de temperaturas cercanas a la de congelación del agua pueden afectar la durabilidad de hormigones que se encuentren tanto en estado fresco como endurecido. En Argentina la zona cordillerana y sur patagónica presenta esta condición cotidianamente por un período de varios meses al año, sin embargo las bajas temperaturas también pueden ser fuente de deterioro en estructuras industriales como las cámaras frigoríficas donde el hormigón puede estar sometido a temperaturas aún más rigurosas. Dependiendo del estado (fresco o endurecido) y la madurez del hormigón, los efectos de la congelación resultan diferentes. Si la misma se produce antes del inicio de fraguado sabiendo que las reacciones de hidratación tienden a desacelerarse hasta detenerse completamente a ( 10ºC) el material permanecerá en estado fresco hasta que la temperatura ambiente permita un calentamiento del hormigón por encima de los 2 a 5ºC durante algún tiempo. En este caso, la expansión del agua producida por el congelamiento originará vacíos que afectan la resistencia del hormigón. Sin embargo, un revibrado oportuno y adecuado podría eliminar los vacíos recomponiendo al hormigón y logrando un desarrollo normal y hasta en algunos casos superior de resistencia. ] Resistencia a Compresión [MPa curado normalizado permanente 24 hs de congelación luego de 24 hs 24 hs de congelación luego de 12 hs 24 hs de congelación luego de 1 h Edad [días] Figura N 11: Efecto de la congelación sobre probetas de mortero normal IRAM 1622 (a/c = 0,50 y relación cemento/arena normal = 1:3 en masa) con CPN durante 25 hs a 5ºC, luego de 1h, 12 hs y 24 hs desde el moldeo respecto del mismo mortero sometido a curado normalizado en forma permanente. Las muestras sometidas a congelación continuaron el curado en condiciones normalizadas luego del período de 24 hs de congelación [4]. 14

15 Fuente: M. Klaric, Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón. AATH Durabilidad del Hormigón Estructural Si el congelamiento se produce luego de algunas horas cuando el hormigón ya ha fraguado pero aún no presenta suficiente resistencia, el efecto sobre el mismo resulta irreparable. En cambio, si se produce cuando el hormigón presenta suficiente resistencia (en general se aceptan valores entre 3,5 y 7,0 MPa) los daños sobre la resistencia resultan de menor magnitud. La figura Nº11 presenta el deterioro sobre mortero normal producido por el congelamiento durante 24 hs para diferentes grados de madurez del material, resultando un daño permanente sobre las muestras que sufrieron congelación a 1 y 12 hs respectivamente mientras que la congelada luego de 24 hs recuperó la resistencia a 28 días. Estos valores sólo deben tomarse en forma orientativa ya que la madurez lograda por el mortero en las condiciones de ensayo antes de ser sometido al período de congelamiento puede resultar bastante superior al de obra debido a que la temperatura de laboratorio que ronda los 20ºC seguramente resulta muy superior a la temperatura ambiente de obra durante la ejecución de los trabajos. Muy diferente resulta el fenómeno de congelación y deshielo en hormigones maduros. Puede observarse en zonas frías el deterioro de estructuras de hormigón expuestas, sobre todo losas de piso, pavimento y tableros de puentes o revestimientos de canales, diques de hormigón o pantallas de hormigón sobre diques de roca o suelo entre otras estructuras de hormigón con alto grado de humedad debido al contacto permanente o frecuente con la humedad. En general el deterioro comienza en la superficie del hormigón debido a la reiteración de ciclos de congelamiento y deshielo. La pasta cementicia que posee agua en su estructura de poros capilares en cantidad suficiente que sufre una serie de ciclos de congelación y deshielo se ve fuertemente dañada por tensiones de tracción que si bien no suelen ser de magnitud suficiente como para dañar al hormigón en un solo ciclo- pueden producir el deterioro de la pasta debido a fatiga del material luego de varios ciclos. Existen diversas teorías acerca del mecanismo de deterioro. No obstante, existe cierta coincidencia acerca de la complejidad del fenómeno y la posible conjunción de efectos. Sin embargo, en general tanto los investigadores como los reglamentos presentan un acuerdo generalizado acerca del beneficio de incorporar pequeñas burbujas de aire en forma intencional y controlada para mejorar el comportamiento de la pasta cementicia ante este tipo de ataque físico. 15

16 Es habitual que los pliegos especifiquen un cierto contenido de aire que habitualmente varía entre 4 y 7% en función del tamaño máximo nominal del agregado grueso y de las condiciones de exposición de la estructura. Sin embargo, en muchos casos no se especifica el factor de espaciamiento, que es un índice que brinda información acerca de la distancia entre burbujas de aire. En la figura Nº12 se esquematiza la importancia de la obtención de un factor de espaciamiento adecuado Burbujas pequeñas, bien distribuidas Vacíos de aire Pasta de cemento Partículas de arena Burbujas grandes, con mayor distancia promedio entre ellas Figura N 12: Esquema de la incorporación correcta (izquierda) e incorrecta (derecha) de aire en forma intencional [4]. En ambos casos el volumen de aire incorporado resulta similar, sin embargo una correcta distribución del aire asegura un mejor desempeño del hormigón ante los ciclos de congelación y deshielo. Fuente: M. Klaric, Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón. AATH Durabilidad del Hormigón Estructural No obstante las precauciones que se tomen en el diseño mediante una correcta incorporación intencional de aire, el hormigón sometido a congelación y deshielo puede fallar por congelamiento del agregado grueso. El riesgo de deterioro por esta causa aumenta cuando mayor es el tamaño máximo y contenido de humedad del agregado. La falla típica por esta causa comienza en la rotura del agregado ubicado cerca de la superficie con el consiguiente reventón localizado del hormigón. Estado original Reventón Estado final Figura N 13: Reventón del hormigón debido a congelamiento del agregado. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón 16

17 La fisuración en D, producida en pavimentos en la zona cercana a las juntas, resulta una consecuencia típica debido a la saturación del hormigón en las zonas cercanas a las juntas debido a la mayor permanencia de agua. Un adecuado mantenimiento de juntas minimiza el riesgo de fallas por esta causa. Figura N 14: Esquema de fisuración en D típica de losas de pavimentos debido a congelamiento de los agregados. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Patologías Habituales en el Hormigón En aquellas zonas donde es habitual la formación de hielo sobre el pavimento, suelen utilizarse agentes anticongelantes a base de cloruro de calcio o de sodio que si bien tienden a evitar o mitigar el deterioro por congelación y deshielo- aceleran el deterioro superficial del pavimento de hormigón por peladura y descascaramiento. También estas sales provocan la corrosión de armaduras afectando sobre todo a los tableros de puentes y losas de edificios de estacionamiento, estas últimas debido a la presencia de cloruros debido al transporte y su posterior deposición a través de los neumáticos de los vehículos. b.2) Acción de las altas temperaturas Ya se mencionaron algunas causas de fisuras y otros defectos debido a la exposición del hormigón a la temperatura, sin embargo en esta sección se tratarán los efectos del exceso de temperatura durante el proceso de curado a vapor y la exposición al fuego. Es conocido que la dinámica de los procesos de hidratación de la pasta cementicia dependen de la temperatura. Este hecho suele ser aprovechado por la industria del hormigón premoldeado mediante el curado a vapor de las piezas, de manera de aumentar la resistencia temprana y mejorar considerablemente la productividad de las plantas. No obstante estos procesos sólo resultan exitosos cuando los ciclos de curado a vapor resultan adecuados. 17

18 En la figura Nº15 se muestran el proceso correcto (gráfico a) y los procesos inadecuados (gráfico b) de curado a vapor. Cuando el hormigón es calentado o enfriado en forma demasiado violenta puede fisurarse debido al shock térmico. Si no se respeta el período de descanso o prefragüe o la temperatura de curado es demasiado alta, el hormigón puede sufrir un proceso de disecación que afecta considerablemente al proceso de hidratación produciendo un daño irreparable. Otro importante proceso de deterioro puede presentarse en estructuras de hormigón armado sometidas a la acción del fuego. Si bien es conocido que el hormigón, debido a su baja conductividad térmica e incombustibilidad, presenta un mejor comportamiento ante el fuego que otros materiales de construcción, una exposición prolongada a temperaturas extremas puede producir daños irreparables en las estructuras. Resulta habitual encontrar en hormigones que fueron expuestos al fuego diferente coloración en función de la temperatura adquirida y un descascaramiento superficial provocada por el aumento de la presión de vapor dentro del material que resulta mayor que la disminución de presión de vapor generada por el desprendimiento de vapor hacia la atmósfera [4]. En los gráficos a) y b) de la figura 16 puede observarse la disminución de resistencia del hormigón por efecto de la temperatura. En el gráfico a) se observa que el hormigón prácticamente no disminuye su resistencia hasta los 300ºC, sin embargo en el gráfico b) se observa que este hormigón al enfriarse a la temperatura ambiente sufre un daño mayor, rado [ C] Temperatura de cu o [ºC] Temperatura de curad Período de Prefragüe Período de Calentamiento Período de Mantenimiento Período de Enfriado Tiempo [horas] a) Curva típica de evolución de temperatura en cámaras de curado a vapor(*). (*) El período de mantenimiento o meseta se mantendrá por el tiempo necesario de acuerdo a los requerimientos del fabricane. rado [ C] curado [ºC] obteniendo una resistencia residual bastante inferior a la original. Temperatura de cu Temperatura de Tiempo [horas] b) Curvas de evolución de temperatura inadecuada en cámaras de curado a vapor 1 Gradiente de elevación y descenso de temperaturas demasiado pronunciado. 2 Inexistencia del período de prefraguado. 3 Temperatura de curado excesivamente alta. 18

19 Figura N 15: Evolución de la temperatura en cámaras de curado. En el gráfico a) se muestra un ejemplo de evolución adecuada respetando en forma adecuada los períodos de prefragüe o descanso, calentamiento o gradiente ascendente, mantenimiento o meseta y enfriado o gradiente descendente, en el gráfico b) se muestran 3 ejemplos de evolución inadecuada de la temperatura. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Durabilidad del Hormigón sión 100 sión 100 Resistencia a Compre [% del original] Resistencia a Compre [% del original] Temperatura [ºC] Temperatura [ºC] a) Ensayados a la temperatura de exposición b) Ensayados a temperatura ambiente Agregado liviano Agregado siliceo Agregado carbónico Figura N 16: Efecto del tipo de agregado sobre el comportamiento resistente del hormigón expuesto a alta temperatura. Resistencia original del hormigón = 27 MPa. Fuente: M. Klaric, Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón. AATH Durabilidad del Hormigón Estructural Para el análisis de estructuras que fueron sometidas a la acción del fuego por algunas pocas horas, resulta importante antes realizar ensayos sobre profundidad de carbonatación y nivel de resistencia residual del hormigón, poder estimar la temperatura aproximada que adquirió el hormigón durante el episodio, ya que esto brindará información muy importante tanto para realizar un adecuado diagnóstico sobre el estado real de la estructura como para realizar un adecuado proyecto de reparación. En el caso de los hormigones elaborados con agregados del tipo sedimentarios o metamórficos como la piedra caliza esto resulta bastante sencillo debido a que el hormigón presenta un permanente cambio de color al calentarlo. En la figura Nº 17 puede observarse que hormigones que toman una coloración permanente rosado intensa presentaron temperaturas cercanas a los 300ºC y comienza a ser un hormigón algo dañado, en cambio al pasar por el rojo y luego gris seguramente este hormigón ha sufrido un daño mayor obteniéndose un hormigón poroso, con elevada penetración de carbonatación y de baja resistencia que debe ser reemplazado. 19

20 125 Resistencia a Compresión [% del original] Temperatura [ºC] Coloración del hormigón Natural Rosado a rojo Gris Marrón Figura N 17: Efecto de la temperatura sobre la resistencia residual y coloración de hormigones elaborados con agregados calizos [3]. Fuente: E. Becker, Seminario sobre Durabilidad del Hormigón. Algunos trabajos sugieren [3] que los hormigones más densos, de menor relación a/c y mayor resistencia presentan menor durabilidad ante el ataque de fuego debido a la mayor dificultad para eliminar el agua interna evaporada. b.3) Erosión y Abrasión La mayor parte de los elementos estructurales no presentan requerimientos especiales respecto del desgaste superficial, sin embargo los pisos, pavimentos, revestimientos y algunas estructuras hidráulicas son sometidas al desgaste y en muchos casos su resistencia a la erosión y/o abrasión resulta fundamental para su durabilidad y/o funcionalidad. Si bien la erosión y la abrasión suelen tomarse como sinónimos, algunos autores diferencian ambos términos denominando abrasión al desgaste producido por la acción del roce y fricción de partículas sólidas sobre la superficie del hormigón, mientras que se reservan el término erosión para cuando el deterioro se realiza por un elemento que tenga al agua como vehículo de transporte incluyendo la cavitación, abrasión y la acción química. Sin ser específico respecto del grado de agresividad, el Proyecto de Reglamento CIRSOC 201:2002 recomienda para hormigones expuestos a abrasión debido a resbalamiento de materiales a granel o movimiento de objetos pesados o escurrimiento rápido de aguas diseñar hormigones de relación a/c 0,42, f c 40 MPa, asentamiento < 10 cm, sin aire intencionalmente incorporado y agregado grueso con Tmáx 26,5 mm y desgaste Los Ángeles < 30%. De esta 20

21 manera se prevé el uso de hormigones de alta resistencia, baja porosidad y mínima tendencia a exudar, elaborados con agregados de bajo desgaste, sin embargo no brinda información del desempeño en servicio esperado para estos hormigones. En la figura Nº18, tomada de un trabajo de Liu [7] se observa que, si bien existe una cierta relación entre la resistencia a la compresión del hormigón y su resistencia al desgaste, su relación y magnitudes pueden ser algo diferentes en función de las características de los agregados utilizados. Algunos trabajos demuestran que la resistencia a la abrasión del hormigón puede ser mejorada a través de la utilización de algunos polímeros y/o un cuidadoso y esmerado curado. En pisos industriales la resistencia al desgaste suele mejorarse a través del uso de endurecedores de superficie compuestos básicamente por cemento pórtland y arena de cuarzo (en ocasiones también se incorpora algún pigmento) que al ser aplicados adecuadamente sobre hormigones en estado fresco mejoran notablemente la resistencia superficial al desgaste del hormigón. 10 Pérdida de Masa [%] Piedra Caliza (24 % de pérdida a 500 ciclos) Piedra Cuarcita (35 % de pérdida a 500 ciclos) Piedra Basalto (13 % de pérdida a 500 ciclos) Piedra Chert (24 % de pérdida a 500 ciclos) Resistencia a Compresión [MPa] Figura N 18: Influencia de la resistencia del hormigón y del tipo de agregado en la resistencia al desgaste por abrasión del hormigón [7]. Fuente: M. Klaric, Fisuración y Ataques Físicos al Hormigón. AATH Durabilidad del Hormigón Estructural En pisos donde se prevé una acción abrasiva muy severa puede considerarse la posibilidad de pulir la superficie de hormigón de manera de eliminar la capa superficial de menor resistencia y/o la aplicación de revestimientos. En este último caso siempre que se trate de ambientes que permanecen a temperatura normal- resulta habitual el uso de productos epóxicos diseñados a tal fin. Si el ataque resulta combinado (abrasión + ataque químico) se deberá optar por una solución que permita una adecuada protección del hormigón. c) ATAQUE QUÍMICO Definiremos como ataque químico al hormigón a aquellos procesos de degradación causados por agentes agresivos provenientes del ambiente externo a la estructura que se introducen al interior generalmente en solución reaccionando con la pasta cementicia. Existe una importante lista de 21

22 sustancias y agentes agresivos para el hormigón [8], sin embargo las más habituales son las aguas blandas, los ácidos y algunas sales en solución que contienen sulfatos, amonio y magnesio solubles. Sin dudas la primer barrera para impedir el ataque químico externo es la compacidad del hormigón. Por ello un buen entendimiento de los mecanismos de transporte, nos brindará información muy importante para el diseño de hormigones resistentes al ataque químico. La penetración de agua que transporta al agente agresivo depende de la porosidad, estructura de poros y su grado de conectividad [9], dando lugar a los mecanismos de absorción capilar, permeabilidad y difusión. Por otro lado, resulta necesario que la composición química y mineralógica del cemento pórtland, su grado de hidratación y las características de la interfase pasta-agregado resulten adecuadas para resistir el ataque químico. La acción degradante de los agentes químicos externos comienza en la superficie del hormigón, penetrando progresivamente hacia el interior a medida que incrementan la porosidad, permeabilidad y tensiones internas produciendo pérdida de masa y capacidad resistente a medida que avanza el grado de deterioro. En la tabla C.1 se muestra conceptualmente la velocidad de degradación que genera el ataque de diferentes sustancias en contacto con el hormigón. Por otro lado, los compuestos formados durante la hidratación de la pasta de cemento se mantienen estables mientras exista un equilibrio entre la solución de poros y la disolución de los compuestos hidratados que proveen el medio alcalino para su preservación. Sin embargo, el ataque químico puede alterar este equilibrio modificando el ph de la solución de poros produciendo la descomposición de los compuestos. En la tabla C.2 se muestra que el deterioro comienza en valores de ph por debajo de 12 a 12,5 hasta que en valores por debajo de 9 se produce una descomposición total de los compuestos SCH (silicatos de calcio hidratados) responsables de la resistencia y durabilidad de la pasta cementicia, quedando sin efecto su poder aglomerante con la consiguiente pérdida de masa del hormigón. Tabla C.1: Efecto de distintas sustancias químicas sobre la degradación del hormigón [1][9]. Velocidad de degradación (*) Rápido Ácidos Inorgánico s Clorhídrico Fluorhídric o Nítrico Sulfúrico Bromhídric o Ácidos Orgánico s Acético Fórmico Láctico Soluciones Alcalinas Moderado Fosfórico Tánico Na(OH) 2 < 20% (**) Soluciones Salinas Cloruro de aluminio Nitrato de amonio Sulfato de Otras Sustancias Bromo (gas) 22

23 Lento Carbónico Sin ataque - Oxálico Tartárico (*) a temperatura ambiente (**) agresivo solamente cuando el hormigón contiene agregados siliceos (hidróxido de sodio) 10% < Na(OH) 2 < 20% (**) Hipoclorito de sodio Na(OH) 2 < 10% (**) Hidróxido de amonio amonio Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Sulfato de calcio Cloruro de magnesio Cloruro de amonio Cianuro de sodio Cloruro de sodio Cloruro de calcio Nitrato de Cinc Cromato de sodio Agua de mar Aguas blandas Cloro (gas) Amoníaco (líquido) Tabla C.2: Descomposición prevista en la pasta cementicia al variar el ph de la solución de poros [9]. ph Cambios previstos en la pasta de cemento 12,5 12,0 Se disuelve el CH y C 4 AH 13 y posiblemente el monosulfoaluminato precipita la ettringita 11,6 10,6 Precipita el yeso 10,6 Se descompone la ettringita, se forma gibbsita y yeso 8,8 Se descompone el SCH para formar gel de sílice Para un mejor ordenamiento se establecerá una clasificación de los diferentes mecanismos de ataque químico basado en la causa que lo produce: 1) Lixiviación: causada por la disolución y lixiviación del Ca 2+ de la pasta de cemento endurecida. 2) Ataque ácido: debido a la concentración de protones (H + ) que descomponen los compuestos cálcicos de la pasta. 3) Ataque por ácido carbónico: es un tipo especial de ataque ácido provocado por el CO 2 agresivo del agua. 4) Ataque ácido por acción de bacterias: es el caso donde la proliferación de colonias de bacterias en contacto con superficies de hormigón capaces de secretar ácidos disminuyen el ph y degradan la pasta de cemento. 5) Ataque por sulfatos: en general tienen relación con la presencia de SO4 2- en solución en contacto con el hormigón. Aquí se proponen tres subgrupos: 5.1) la formación de ettringita en soluciones de baja concentración de SO ) la formación de ettringita y yeso o solamente yeso cuando la solución presenta elevada concentración de SO ) la formación de ettringita, yeso y thaumasita cuando en el caso anterior se adiciona la presencia de iones carbonato externos o internos. 23

24 6) Ataque por magnesio: caso se presentan de dos tipos: 6.1) el ataque puro por magnesio por intercambio de catión. 6.2) el ataque por sulfato de magnesio debido a la acción simultánea de Mg 2+ y SO ) Ataque por agua de mar: es un ataque complejo que en ocasiones puede ser del tipo químico de los iones Cl - y SO4 2- o fisico-químico dependiendo del grado de exposición indirecta o directa a la acción del mar. 8) Ataque por carbonatación: que causa una importante disminución del ph superficial debido a la acción del CO 2 atmosférico que se combina con el Ca(OH) 2 de la pasta cementicia para formar carbonato de calcio. c.1) Ataque por lixiviación de los compuestos cálcicos La presencia de aguas con nula o muy baja cantidad de sales en disolución (aguas blandas) en la masa del hormigón resulta perjudicial debido a su tendencia a descomponer o hidrolizar los compuestos cálcicos. Cuando el agua proveniente de lluvia, deshielo, condensación u otro proceso que implique la presencia de aguas puras penetran con cierta facilidad por una estructura de hormigón provocan la lixiviación de los compuestos cálcicos que suelen manifestarse exteriormente a través de manchas blancas denominadas eflorescencias [10] y en ocasiones- formación de estalactitas debido a la cristalización de sales de calcio por efecto de la evaporación y la posterior carbonatación. Si bien en general este fenómeno sólo causa deterioro estético del hormigón debido a la eflorescencia, en el caso de estructuras diseñadas para almacenamiento de residuos radiactivos o en la fijación de residuos peligrosos que contengan Cr, Hg y Tl resulta ser extremadamente importante su control debido a que la vida de diseño de estas estructuras prevista de cientos de años supera ampliamente los requerimientos de las estructuras convencionales. En la pasta cementicia el compuesto más soluble resulta el Ca(OH) 2 (hidróxido de calcio) formado como subproducto de la hidratación del cemento pórtland [11]. Conociendo que cuando la relación a/c (agua / cemento en masa) resulta suficientemente baja, la formación de Ca(OH) 2 y la porosidad de la pasta disminuyen, resulta adecuada su implementación. Por otra parte, el uso de cementos con adiciones minerales activas (como las puzolanas y la escoria granulada de alto horno) y contenidos moderados de SC 3 (silicato tricálcico) tienden a minimizar aún más la lixiviación del Ca(OH) 2. c.2) Ataque de Ácido por Cambio Iónico El hormigón de cemento pórtland es un material altamente alcalino (ph 12,7) que presenta un pobre desempeño durable frente al contacto permanente o frecuente con ambientes ácidos. Por esta causa aquellos hormigones expuestos a ambientes ácidos con ph < 6 deben protegerse adecuadamente mediante recubrimientos especialmente diseñados. Si bien el desempeño de todos los cementos tipo pórtland es bastante pobre, aquellos que poseen suficiente cantidad de puzolana o escoria granulada de alto horno suelen presentar mayor desempeño frente a los ácidos débiles. Para ambientes con 4,5 < ph < 6 también puede utilizarse cementos aluminosos aunque no se fabrican en el país y su comportamiento ante ambientes húmedos y cálidos suele ser bastante pobre debido a la llamada transformación de los compuestos que pueden afectar severamente la resistencia mecánica luego de unos pocos años. Durante el ataque ácido, el protón (H + ) acelera la lixiviación del hidróxido de calcio (ecuación 1). Cuando la concentración de protones es suficientemente (H + ) importante también ataca los compuestos SCH (sílico-calcáreoshidratados) descomponiéndolos en un gel de sílice sin resistencia (ecuación 2). Ca(OH) 2 + 2H + Ca H 2 O (ecuación 1) C-S-H + 6H + 3Ca (SiO 2.n H 2 O)+ 6 H 2 O (ecuación 2) Otro tipo de ataque ácido se produce debido a las sales (cloruro, nitrato y sulfato) de amonio generalmente presentes en suelos fertilizados o en las industrias que las producen. En la ecuación 3 se muestra la transformación del hidróxido de calcio presente en la pasta cementicia en compuestos 24

25 altamente solubles debido a la reacción con la sal de amonio. Este proceso aumenta la porosidad de la pasta acelerando el proceso de ataque. 2 NH Ca(OH) 2 Ca NH H 2 O (ecuación 3) La experiencia muestra que el mejor comportamiento ante este ataque dentro de los cementos tipo pórtland se obtiene con CAH (cemento de alto horno). También el uso de microsílice tiende a mejorar el desempeño del hormigón ante el ataque de las sales de amonio. c.3) Ataque por Ácido Carbónico La presencia de CO 2 disuelto en el agua se torna agresivo cuando el agua es blanda debido a la formación de ácido carbónico (ecuación 4): CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - (ecuación 4) La solubilidad del CO 2 presente en la atmósfera es relativamente baja en aguas puras pero, en presencia de CaCO 3, se combina para formar bicarbonatos y ácido carbónico (ecuación 5) que reducen el ph del agua provocando el ataque al hormigón en contacto: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 (ecuación 5) El CO 2 en exceso presente en el agua, por encima del necesario para obtener el equilibrio químico planteado en la ecuación 5, se convierte en CO 2 agresivo para el hormigón y su valor depende del grado de saturación del bicarbonato de calcio. El CO 2 agresivo está presente en cantidades apreciables en las aguas blandas debido a la poca cantidad disponible de sales disueltas necesarias para combinarse con el CO 2 y formar bicarbonato de calcio. La concentración de CO 2 disuelto en aguas naturales puede alcanzar a 150 mg/l. La cantidad de CO 2 libre en el agua aumenta con la presencia de otras sales de calcio y disminuye en presencia de álcalis (Na y K). En agua de mar la concentración de CO 2 es de 35 a 60 mg/l. El ataque ácido carbónico corresponde a la acción de un ácido débil, disolviendo al hidróxido de calcio y formando carbonato de calcio (ecuación 6) que precipita en los poros del hormigón produciendo una zona más compacta e impermeable. Dicha precipitación causa un aumento del CO 2 agresivo que disuelve más hidróxido de calcio. Finalmente este proceso tiende a causar la inestabilidad del SCH perdiendo su capacidad resistente. H + + HCO Ca(OH) 2 CaCO H 2 O (ecuación 6) En este proceso la velocidad de degradación disminuye con el avance del ataque debido a la disminución de la permeabilidad por acción del CaCO 3 depositado en los poros. 25