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UNIDAD No. 6
PATOLOGIA DEL CONCRETO
6.1.- Conceptos fundamentales
DURABILIDAD DEL CONCRETO
Definición
De acuerdo con el comité 116 del ACI, esta característica es la habilidad para resistir la acción del medio ambiente, los ataques químicos, la abrasión y otras condiciones de servicio, de tal manera que sus características y propiedades se mantengan a lo largo de su vida útil. La durabilidad es una propiedad tan importante como la resistencia misma, y por ello merece que se le considere también con especial interés. Aunque el concreto es un material muy durable, se puede deteriorar y llegar a la falla por un sinnúmero de factores que lo pueden afectar; de allí que para el diseño de una estructura se deba conocer muy bien el medio ambiente y las características a la que estará expuesta para que de esta manera se puedan tomar las precauciones pertinentes.
6.2.- Diagnósticos en construcciones de concreto.
Permeabilidad
La propiedad cuantificable a la que con mayor frecuencia se asocia con la durabilidad es la permeabilidad, definida como la capacidad de permitir el paso de un fluido (líquido o gas) a través del concreto. El concreto es inherentemente poroso, debido principalmente a la formación de canales capilares como consecuencia de la evaporación de agua durante el proceso de fraguado, a la permeabilidad del agregado y a la reducción gradual de volumen de la pasta cuando ocurre la reacción química entre el agua y el cemento. Su permeabilidad puede ser medida, determinando la velocidad de flujo de agua a través de una losa de concreto. El paso de líquido a través de éste, es controlado por la ley de Darcy para medios porosos, la cual se presenta a continuación: V=Kp (h/x) Donde: V = Velocidad del flujo de agua h = Cabeza de agua (Presión hidráulica) x = Espesor del espécimen Kp =Coeficiente de permeabilidad Kp es función de la relación a/c y la edad de la pasta, tal como se aprecia en la tabla 1. Tabla 1. Efecto de la pasta de cemento sobre el coeficiente de permeabilidad (a/c=0.51) EDAD (días)
KP
(m/s) Pasta fresca 10 -5^ Independiente de a/c 1 10 - 3 10 -
Utilizar relaciones agua/cemento lo más bajas posibles, compatibles con una adecuada manejabilidad del concreto. Someter el concreto a un buen curado de manera que la hidratación continua del cemento haga que el tamaño de los vacíos se reduzca. El concreto curado sin interrupción es menos permeable, no sólo por la no presencia de fisuras, sino también porque al evitar la evaporación temprana del agua de exudación, se previene la formación de redes capilares que permitan la libre circulación de agua y por ende de las sustancias agresivas tales como los sulfatos y las soluciones ácidas. Dosificar la óptima cantidad de agua de mezclado. Usar cemento con alto grado de finura. Emplear agregados bien gradados, de tal forma que se obtengan concretos más densos y por lo tanto menos porosos. Adicionar aditivos tales como las puzolanas, incluso res de aire, y como es obvio, aditivos para reducir la permeabilidad. Efectuar tratamientos de superficie, especialmente cuando el concreto está sujeto a la presión del agua. Dichos tratamientos pueden ser: membranas adheridas al concreto con asfalto caliente, emulsiones asfálticas, estuco de cemento adecuadamente curado, parafina (compuestos de silicona, disueltos en solventes volátiles), y llenantes inertes en un vehículo de resina. De los anteriores, los dos primeros son los más usados cuando el color negro no es objetable, mientras que los otros se emplean cuando se debe guardar buena apariencia. Además de disminuir la permeabilidad de las estructuras de concreto es importante tener en cuenta otros aspectos complementarios para incrementar la durabilidad, tales como el empleo de mínimo contenido de cemento y uso de materiales apropiados (especialmente el tipo de cemento).
Influencia del medio ambiente sobre la durabilidad
Es claro que la durabilidad de un elemento en concreto depende de las propiedades del concreto y las prácticas de colocación, pero también es función de las condiciones que lo rodean y por esto es importante estudiar muy bien el medio ambiente y las características de servicio a las que estará sometido, para utilizar una mezcla económica de excelente comportamiento.
Las condiciones medioambientales que afectan la durabilidad del concreto pueden ser de origen químico o físico, tal como las que se presentan en la tabla 2. Generalmente, estos factores no se presentan de manera individual, sino que lo hacen en combinación y se manifiestan por la aparición de manchas, eflorescencias o fisuras. Es importante identificar todas las causas potenciales de deterioro antes de definir las características de la mezcla de concreto o las medidas de protección que se deben tomar. Ataque por ácidos Si se revisan los diferentes tipos de cemento se puede apreciar que ninguno tiene la propiedad de resistir los ácidos, lo que hace suponer que el concreto es relativamente débil al ataque de estos compuestos químicos. La fuente más común de ataque por ácido al concreto se da especialmente en climas muy calientes, en los alcantarillados por acción de las bacterias aeróbicas y anaeróbicas, las cuales en ese ambiente de aguas negras generan gas de hidrógeno sulfuroso que se disuelve en el agua, condensada sobre las paredes de conductos y cámaras sobre el nivel de agua residual. Así mismo, los ácidos inorgánicos están presentes en la atmósfera (lluvia ácida) y los ácidos orgánicos están en las aguas superficiales y freáticas procedentes de las industrias manufactureras, ensilajes agrícolas, productos de fermentación, productos de pulpa de madera o caña de azúcar, destilerías etc. Tabla 2. Influencia de las condiciones medioambientales sobre los componentes del concreto.
Fuente Componentes^ mas^ afectados^ en^ orden^ de
Las sales de calcio se precipitan, así sea poca la cantidad de ácido que entra en contacto de la superficie del concreto. Este fenómeno puede ser aprovechado para aumentar la durabilidad del concreto sometiéndolo a la acción de pequeñas cantidades de ácido productor de sales insolubles, las cuales taponan los poros superficiales e impiden la entrada de nuevos agentes agresivos. Además del deterioro del concreto, cuando éste es muy permeable, los ácidos pueden llegar hasta el acero de refuerzo y ocasionar su corrosión, con consecuencias lamentables para la estructura. La resistencia al ataque de los ácidos se puede mejorar si se deja secar el concreto antes de que quede expuesto, ya que se forma una capa de carbonato de calcio que bloquea los poros y reduce la permeabilidad en la parte superficial. Existen también tratamientos superficiales con alquitrán de hulla, pinturas bituminosas, resinas epóxicas, silicofluoruro de magnesio y otros agentes que han demostrado resultados altamente satisfactorios. Hay que tener en cuenta que el grado de protección de los diferentes tratamientos varía, por ello es importante que la capa protectora producida por el método utilizado permanezca sin deteriorarse por agentes mecánicos, de tal forma que se hace necesario inspeccionar y renovar el recubrimiento. 3.1.2 Ataque de sulfatos Los sulfatos de sodio, potasio y magnesio, presentes en los subsuelos y agua con álcalis, son muchas veces los responsables del deterioro de las estructuras de concreto. La causa del deterioro puede tener dos orígenes: en primer lugar, porque los sulfatos reaccionan químicamente con la cal y el aluminato de calcio hidratados en la pasta de cemento, formando sulfato de calcio y sulfoaluminato de calcio respectivamente. Dichas reacciones van acompañadas de una considerable expansión, que ocasionan esfuerzos de tracción internos y que culminan con agrietamiento y rompimiento de la masa de concreto. La segunda causa se presenta cuando el concreto está en contacto con aguas alcalinas, lo cual produce la deposición de cristales de sulfato en los poros y canales capilares como consecuencia de la evaporación. El crecimiento de los cristales tiene
lugar cuando se tiene un ciclo de humedecimiento y secado que puede eventualmente llenar los poros y desarrollar presiones suficientes para la rotura del concreto. Para prevenir el deterioro del concreto por acción de la primera causa, normalmente se utiliza el cemento tipo 2 o tipo 5, dependiendo del grado de ataque. Todos los cementos normales desarrollan completa desintegración dentro de uno o dos años, pero con los cementos de bajo contenido de C 3 A, la resistencia al deterioro se prolonga a períodos mucho más largos. La resistencia a la desintegración por el crecimiento de cristales, se logra mediante el uso de un concreto denso, de muy baja permeabilidad, elaborado con una relación agua/cemento baja y preferiblemente con inclusión de aire. Adicionalmente se ha encontrado que concretos elaborados con cementos Portland puzolánicos poseen considerable resistencia al ataque de los sulfatos. El contacto de soluciones ácidas y sulfatadas con el concreto se debe evitar o controlar. El mecanismo de deterioro causado por ácidos y sulfatos se produce cuando entran en reacción con el hidróxido de calcio del cemento; proceso que acelera la corrosión del acero de refuerzo. 3.1.3 Reacción álcali-agregado Es una reacción química que se puede presentar entre agregados que contengan (óxidos de sílice inestables) y el cemento (hidróxidos alcalinos) y que originan expansiones dentro del concreto endurecido. Algunos agregados conocidos que reaccionan con el álcali del cemento son: el sílice opalino, la caliza silicea y en general rocas con alto contenido de sílice. En consecuencia, cuando se requiere aprovechar una fuente de agregados cuyo comportamiento sea desconocido, es muy aconsejable hacer ensayos petrográficos y exámenes químicos, así como ensayos de expansión de morteros.
3.2.1 Congelamiento-deshielo
Al disminuir la temperatura de un concreto saturado, el agua que se encuentra dentro de los porosos aumenta de volumen por congelación produciendo expansión y fisuras en el elemento. Esta condición se vuelve crítica cuando los ciclos congelamiento- deshielo se hacen repetitivos porque su efecto es acumulativo.
3.2.2 Humedecimiento y secado
En estructuras hidráulicas, una de las principales causas de deterioro es el continuo humedecimiento y secado, el cual produce expansiones y contracciones creando condiciones de agrietamiento y descascaramiento del concreto, al igual que pueden aumentar la corrosión del acero de refuerzo. Cuando un elemento en concreto está sujeto a ciclos de humedecimiento secado, se presentan eflorescencias en la superficie del concreto, las cuales son el resultado de la percolación de agua a través del material de manera continua o intermitente. Las eflorescencias constan de un depósito de sales que son lixiviadas del concreto y cristalizadas por la evaporación del agua y la interacción con el dióxido de carbono presente en la atmósfera. Las sales típicas son carbonatos de sodio, potasio o calcio, siendo el mayor constituyente el carbonato de calcio. La eflorescencia es mas un problema estético que de durabilidad, pero indica que está ocurriendo lixiviación dentro del concreto. Su exceso aumenta la porosidad, disminuye la resistencia e incrementa la vulnerabilidad a los químicos agresivos. La tasa de lixiviación depende de la cantidad de sales disueltas contenidas en el agua que se percola. Las aguas blandas, tales como el agua de lluvia, son las más agresivas mientras que las aguas duras que contienen grandes cantidades de calcio son menos peligrosas. La temperatura del agua también se debe considerar, porque el hidróxido de calcio es más soluble en agua fría que el agua caliente.
3.2.3 Abrasión
La abrasión se ocasiona por fluidos en movimiento que están en contacto con estructuras de concreto, creando fricción o cavitación y produciendo desgaste sobre la superficie de este. En la medida en que la resistencia a la compresión aumenta se incrementa su resistencia a la abrasión. Esta propiedad es importante en elementos sometidos a tráfico, deslizamientos y rozamiento como son los pavimentos, pisos,
túneles y estribos de puentes sujetos a la acción de corrientes de agua, vertederos, etc.
3.2.4 Fuego
En términos generales, el concreto tiene buenas propiedades de resistencia al fuego, siendo este uno de sus méritos como material estructural. La resistencia a los daños producidos por el fuego es cada vez menor a medida que aumenta el espesor de la estructura. En el concreto armado sujeto al fuego, las capas superficiales calientes tienden a separarse y descascararse desde la parte de la estructura más fría, en consecuencia, se produce la formación de grietas en las juntas, en las paredes de concreto mal compactadas o en los planos de las varillas de refuerzo. Sin embargo, la pérdida de resistencia comienza aproximadamente a los 330ºC y aún a los 500ºC se considera que el concreto conserva el 80% de su resistencia inicial. Una vez el refuerzo queda al descubierto, se calienta rápidamente con la consecuente pérdida de resistencia. El acero dulce pierde aproximadamente el 50% de su resistencia a 600ºC mientras que el acero pretensado sufre la misma pérdida pero a 400º C. La resistencia al ataque del fuego depende principalmente de tres factores, a saber: el tipo de agregados y contenido de humedad, el tipo de cemento y el espesor del elemento de concreto. Los agregados de mejor resistencia al ataque del fuego son los livianos. Esto se debe a que la mayoría de partículas de agregado ligero son manufacturadas por un proceso que involucra altas temperaturas. De los agregados naturales se destacan los calcáreos, tal es el caso de las calizas. El contenido de humedad del concreto también influye en la velocidad de descascaramiento. Algunos análisis de estructuras expuestas al fuego, muestran que a mayor contenido de humedad del elemento se produce más rápido el descascaramiento. Es posible la elaboración de concretos refractarios. Esto se logra con el uso de un cemento especial con alto contenido a de alúmina, el cual produce concretos con una
