Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Civil
Concreto II
Durabilidad de las Estructuras de ConcretoElaborado por:
Felipe Calcaneo Maduro A30975 Cristian Fernandez Moreira A21973 Henry Madrigal Calvo A43083
Revisin y modificacin por:
Ana Victoria Oconitrillo Fuentes A43828 Laura Daz Aguilar A31754 Marlon Castro Chinchilla A31281Prof. Ing. Ruben Salas Ph.D.
Fecha de revisin: 8 de setiembre de 2009
II Semestre 2008
Contenido1 2 INTRODUCCIN .............................................................................................................. 3 AGENTES DE DETERIORO DEL CONCRETO ...................................................................... 4 2.1 2.2 2.3 3 4 El agua ...................................................................................................................... 4 Permeabilidad Pasta ................................................................................................ 4 Permeabilidad Agregados ........................................................................................ 5
CAUSAS DEL DETERIORO DEL CONCRETO ...................................................................... 5 CAUSAS FSICAS DEL DETERIORO DEL CONCRETO ......................................................... 6 4.1 DESGASTE DE LA SUPERFICIE ................................................................................... 6 Abrasin ............................................................................................................ 7 Cavitacin ....................................................................................................... 13 Agrietamientos por factores Fsicos ............................................................... 14 Exposicin a temperaturas extremas ............................................................. 16 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2
Endurecedores superficiales .............................................................................................. 9 AGRIETAMIENTO .................................................................................................... 14
Efecto de las altas temperaturas en la pasta ................................................................... 16 Efecto de las altas temperaturas en los agregados .......................................................... 17 Efecto de las altas temperaturas en el concreto .............................................................. 17 Control de la durabilidad frente al congelamiento y deshielo ......................................... 18 4.2.3 4.2.4 4.2.5 5 5.1 5.2 5.3 5.4 Agrietamientos por acciones mecnicas ........................................................ 20 Agrietamientos por acciones fsico-mecnicas .............................................. 20 Reparaciones de Grietas ................................................................................. 24
Causas qumicas de deterioro del concreto ................................................................. 24 Hidrlisis de los componentes de la pasta ............................................................ 25 Reacciones de intercambio de cationes ................................................................ 25 Reacciones que forman productos expansivos ..................................................... 27 Ataque de sulfatos .......................................................................................... 27 Tipos de cemento y agregados que ayudan a la reaccin .............................. 32 Mecanismos de expansin ............................................................................. 32 Tipos de reacciones ........................................................................................ 32 Reacciones lcali agregados................................................................................... 31
5.3.1 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.5
Hidratacin de los cristales MgO y CaO ................................................................. 34
5.6 6 6.1
Corrosin del acero ................................................................................................ 37 Tipologa estructural .............................................................................................. 40 Zona de inmersin: ......................................................................................... 40 Zona de marea: ............................................................................................... 41 Zona de salpicaduras: ..................................................................................... 41 Zona de ambiente marino: ............................................................................. 41 La seleccin apropiada del cemento a utilizar ............................................... 44 Proporciones en la composicin del concreto ............................................... 45 La prevencin ................................................................................................. 46 Investigacin ................................................................................................... 46
Concreto expuesto en ambiente marino ..................................................................... 39 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4
Requerimientos necesarios para el concreto utilizado en el ambiente marino ... 44
7
Vida til ......................................................................................................................... 46 7.1 7.2 7.3 7.4 Vida residual .......................................................................................................... 47 Estado Lmite de Servicio (ELS) y Estado Lmite ltimo (ELU) ............................... 47 Probabilidad de falla .............................................................................................. 48 Diseo por durabilidad .......................................................................................... 48 Mtodos Integrales de Diseo ....................................................................... 49 Modelos de Durabilidad ................................................................................. 50
7.4.1 7.4.2 8 8.1 8.2 8.3 8.4 9 9.1
Acero inoxidable ........................................................................................................... 51 Aceros inoxidables austenticos ............................................................................. 52 Acero inoxidable dplex ........................................................................................ 53 Aceros inoxidables en concreto ............................................................................. 54 Anlisis del costo de vida til ......................................................................... 55 Acero MMFX .......................................................................................................... 58 Sistemas de Barreras Protectoras .......................................................................... 64 Material de la barrera ..................................................................................... 65 Interface barrera-concreto ............................................................................. 65 Concreto hasta una profundidad de 6mm ..................................................... 65 Estructura del concreto .................................................................................. 66 Condiciones de la fundacin........................................................................... 66 Humedad del concreto ................................................................................... 66
8.3.1
Otros sistemas utilizados para mejorar el desempeo y durabilidad del concreto .... 64 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6
9.2 9.3
Humos de Silicio ..................................................................................................... 67 Beneficios de la utilizacin de humos de silicio en el concreto ............................. 70 Humos de silicio y el concreto fresco ............................................................. 70 Humos de silicio y el concreto endurecido..................................................... 71 Reglamentacin del uso de humos de silicio ................................................. 73 Procedimiento para la fabricacin de concreto con humos de silicio ........... 74 Manejo, mezcla y vertido de concreto ........................................................... 74 Fraguado del concreto .................................................................................... 75 Colado del concreto ........................................................................................ 77 Descripcin del modelo: ACI COMIT 365 ......................................................... 79 Entrada de los parmetros para la prediccin del perodo de iniciacin .......... 80 Mezcla de concreto ............................................................................................ 80 Efecto del humo de slice ................................................................................... 81 Efecto de las cenizas volantes y escorias ........................................................... 82 Efecto de inhibidores de corrosin .................................................................... 83 Problemas referentes al modelo ........................................................................ 83 Generalidades .................................................................................................... 84 Categoras y clases de exposicin ...................................................................... 85 Requisitos para mezclas de concreto ................................................................. 87 Requisitos adicionales para exposicin al congelamiento y deshielo ............... 88 Materiales cementantes alternativos para exposicin a sulfatos ..................... 89
9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5
10 Modelo del Comit 365 ................................................................................................ 77
11 Requisitos de durabilidad expuestos por el ACI 318S-08 ............................................. 84
12 Conclusiones ................................................................................................................. 90 13 Fuentes de consulta ...................................................................................................... 90 14 Anexo ............................................................................................................................ 92
3 1 INTRODUCCIN Los diseadores asumieron con el pasar de los aos un enfoque en el cual se tomaban en cuenta las caractersticas de capacidad de los materiales, elementos y estructuras. Debido a problemas surgidos en algunos diseos, especialmente, los ubicados cerca del mar, se conoci la importancia de tomar en cuenta el factor de la durabilidad de las estructuras de concreto. El ACI define la durabilidad del concreto hecho con cemento hidrulico como la habilidad para resistir la accin del intemperismo, ataque qumico, abrasin o cualquier otro proceso de deterioro. Y determina que el concreto durable debe mantener su forma original, calidad y caractersticas de servicio cuando es expuesto a este ambiente. Uno de los agentes principales del deterioro del concreto es el agua, debido a ser un elemento slido y poroso el agua suele determinar el grado de deterioro en un elemento estructural. Cabe destacar que otros factores tambin influyen en la permeabilidad del elemento tales como la pasta, los agregados y el concreto en s utilizado. Entre los aspectos que pueden aumentar el deterioro del concreto podemos encontrar el desgaste superficial, fisuras producto de la cristalizacin de materiales salinos en los poros as como exposiciones a temperaturas extremas ya sea de congelamiento o por el fuego. Una serie de qumicos tambin pueden contribuir al desgaste, soluciones cidas presentes pueden provocar el desgaste de la pasta de cemento, reacciones expansivas pueden provocarse por parte del ataque de los sulfatos, reacciones alkali-agregados o corrosin del acero de refuerzo. Por las razones mencionadas resulta de gran importancia un anlisis enfocado en la durabilidad de los elementos adems de tomar en cuenta sus propiedades mecnicas y de resistencia. Adems de lograrse una vida til ms larga se pueden obtener excelentes resultados en el punto de vista econmico, esto por cuanto se ha demostrado que la reparacin temprana de elementos estructurales debido a problemas de deterioro suelen tener costos muy elevados, los cuales se compensaran y disminuiran si hubiesen sido tomado en cuenta criterios de durabilidad en el diseo.
4 2 AGENTES DE DETERIORO DEL CONCRETO
2.1 El agua Algunas de las caractersticas propias del agua ayudan a que esta se convierta en el principal agente de deterioro de elementos de concreto, su capacidad de penetrar en materiales porosos fcilmente, sus propiedades de solvente de materiales como iones y gases, as como el hecho de poseer una temperatura de fusin muy alta, que provoca que su evaporizacin suela ser muy lenta, contribuyen a que este lquido permanezca dentro del elemento e introduzca agentes causantes de problemas de durabilidad en el concreto. No se debe de olvidar que desde el inicio de la creacin del concreto el agua es esencial, puesto que este lquido se aplica al cemento para provocar su hidratacin adems de trabajar como un agente plastificante para los componentes de la mezcla del concreto. El contenido de agua libre que permanece en el elemento colado, depende tanto de las condiciones climticas del ambiente como del grosor del elemento, esta cantidad de fluido presente es capaz de desplazarse a travs de los poros presentes debido al fenmeno de la conductividad hidrulica, el cual fue estudiado por Darcy y es utilizado para diferentes materiales, tales como suelo, tuberas hidrulicas y en este caso el concreto. 2.2 Permeabilidad Pasta El coeficiente de permeabilidad en una pasta hidratada depende del tamao y la continuidad en los poros presentes en esta, adems como se ha mencionado este parmetro incide considerablemente en la vulnerabilidad del concreto al deterioro por congelamiento y ataque de sales. Cuando se utilizan relaciones agua-cemento muy altas el grado de hidratacin es bajo y la pasta tendr altos grados de porosidad capilar, conforme esta relacin disminuye el concreto se vuelve ms denso y los poros disminuyen considerablemente hasta llegar a valores de coeficiente de permeabilidad cercanos a los 10-12 cm/s.
5 2.3 Permeabilidad Agregados La permeabilidad de los agregados tambin juega un papel importante en los efectos de congelamiento, usualmente el volumen de poros en los agregados alcanza del 3% al 10% del volumen total, mucho menor que en la pasta de cemento pero an as resulta de gran importancia su anlisis. Esto debido a que el tamao de los poros es an ms grande de los que se presentan en la pasta causando as una gran posibilidad de la formacin de grietas producto de la expansin del agua congelada. 3 CAUSAS DEL DETERIORO DEL CONCRETO Algunos autores suelen realizar una divisin de las causas del deterioro en estructuras de concreto, con el fin de analizar las implicaciones que estos problemas causan y encontrar la forma ms factible de mitigar los efectos que provocan la reduccin de la vida til en las estructuras. Las dos categorizaciones principales son las causas fsicas y qumicas del deterioro: Causas biolgicas del deterioro del concreto Las acciones biolgicas, las generan los microorganismos, fungicidas y bacterias. Causas fsicas del deterioro del concreto Desgaste de la superficie a) Abrasin b) Cavitacin Agrietamiento a) Cambios de volumen producto de presin de cristalizacin de sales en los poros, as como gradientes de temperatura y humedad. b) Cargas estructurales: Cargas de impacto y cclicas c) Exposicin a temperaturas extremas: Fuego o congelamiento. Causas qumicas de deterioro del concreto
Hidrlisis de los componentes de la pasta de cemento por el agua Reacciones de intercambio de cationes entre la pasta y fluidos agresivos
6 Reacciones que provocan expansiones en el material, tales como los sulfatos, reacciones lcali-agregados y corrosin del acero de refuerzo.
Si bien estas causas se han dividido para su estudio por separado, cabe mencionar que resulta muy difcil que acten separadamente en el deterioro del material, generalmente este detrimento es causado por la suma de varios de estos factores que actan superimpuestos unos de otros y provocan los problemas ya mencionados.
4 4.1
CAUSAS FSICAS DEL DETERIORO DEL CONCRETO DESGASTE DE LA SUPERFICIE Las prdidas de masa que se presentan en los elementos de concreto pueden ser
producto de la erosin, la cavitacin y la abrasin, este ltimo vara de acuerdo al tipo de solicitacin al que est sujeto pero entre los casos ms comunes podemos encontrar: Pavimentos de concreto: sometidos a cargas altas, tales como montacargas, camiones pesados y automviles con o sin cadenas. Estructuras Hidrulicas: es comn en vertederos, tneles y estribos de puentes debido al transporte de material abrasivo por parte de las corrientes de agua. Diques, vertederos y sistemas de transporte de agua: Alta velocidad y presin negativa presenta. Los estudios realizados han demostrado la importancia de evaluar y predecir los efectos especficos de los materiales con el propsito de mejorar el concreto, curado, procedimientos de acabado, endurecedores o materiales de cobertura para disminuir las causas de deterioro posibles, estos estudios se basan en la experiencia as como la introduccin de normativas ASTM referentes a la abrasin, tales como: ASTM C418 Abrasion resistence of concrete by sandblasting ASTM C779: Abrasion resistence of horizontal concrete surfaces ASTM C944: Resistense el concrete or mortar surfaces by the rotatingcutter method
7 ASTM C1138: Abrasion resistance of concrete (Underwater Method)
4.1.1 Abrasin Se define la resistencia a la abrasin como la habilidad de una superficie de concreto a ser desgastada por roce y friccin. Este fenmeno se origina de varias maneras, siendo las ms comunes las atribuidas a las condiciones de servicio, como son el trnsito de peatones y vehculos sobre las veredas y losas, el efecto del viento cargado de partculas slidas y el desgaste producido por el flujo continuo de agua. En la mayora de los casos, el desgaste por abrasin no ocasiona problemas estructurales, sin embargo puede traer consecuencias en el comportamiento bajo las condiciones de servicio o indirectamente propiciando el ataque de algn otro enemigo de la durabilidad (agresin qumica, corrosin, etc), siendo esto ltimo ms evidente en el caso de las estructuras hidrulicas. 4.1.1.1 Recomendaciones para el control de la abrasin Teniendo claros estos conceptos, es obvio que en la medida que desarrollemos las capacidades resistentes de la capa de concreto que soportar la abrasin, lograremos controlar el desgaste. Se estima que la superficie aludida debe tener una resistencia en compresin mnima de 280 kg/cm 2 para garantizar una durabilidad permanente respecto a la abrasin, lo cual indica que es necesario emplear relaciones agua/ cemento bajas, agregados bien graduados y que cumplan con los lmites ASTM C-33 para gradacin y abrasin, as como la menor cantidad posible de aire atrapado. Se ha demostrado que en concretos con una relacin agua cemento muy baja en los cuales se utilizan aditivos plastificantes se logra reducir la porosidad, esto provoca una disminucin importante en el deterioro del concreto producto de la abrasin o erosin y se ha estado utilizando en pisos de industrias donde se requiere un concreto de alta resistencia y durabilidad.
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Figura 1.-Aditivo Plastificante Fuente: Intaco
Adems de la utilizacin de estos aditivos plastificantes se han presentado otro tipo de soluciones como lo son la aplicacin de soluciones endurecedoras superficiales a los pisos de concreto, entre los qumicos comnmente utilizados por los fabricantes encontramos el magnesio, fluorosilicato de zinc y silicato de sodio el cual reacciona con el hidrxido de calcio presente en la pasta del cemento portland formando una reaccin insoluble que cierra los poros capilares cercanos a la superficie del piso.
Figura 2.-Recubrimiento de fosas de concreto contra desgaste ocasionado por sales, cidos Fuente: Poliurea
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Figura 3.- Utilizacin de qumicos protectores en tanques para vida marina Fuente: Poliurea
Una tcnica probada mundialmente, que mejora notablemente la resistencia a la abrasin de las superficies de concreto consiste en emplear el denominado concreto fibroso.
Pisos industriales La construccin de pisos industriales involucra la utilizacin de una gran variedad de productos que complementan al concreto mismo, con el fin de facilitar su construccin o incluso de mejorar su desempeo ante la exposicin de distintos factores, tales como: abrasin, impacto, cargas concentradas, choque trmico, ataque qumico, derrames, etc. En una instalacin industrial moderna, el piso estar sometido a las muchas y diversas cargas diarias de un ambiente comercial e industrial; desde los esfuerzos por las cargas y el trfico hasta el hecho de proporcionar una base estable para maquinaria pesada. Estas demandas colocan la solucin para la construccin de pisos adaptables y efectivos en el primer lugar dentro de la lista de prioridades que debe tener un constructor, siendo vitales para el xito sustentable de una nave industrial.
Endurecedores superficiales Son compuestos en polvo fabricados con distintos tipos de agregados y aditivos, que al ser aplicados sobre la superficie fresca del concreto, aumentan la resistencia a la abrasin y al
10 impacto. Entre los ms comunes se encuentran los fabricados a base de agregado de cuarzo y agregado metlico. Los primeros brindan una resistencia a la abrasin equivalente al doble de la resistencia que presenta un piso de concreto bien curado, mientras que los fabricados con agregado metlico, llegan a alcanzar resistencias de hasta ocho veces la obtenida en un piso de concreto bien curado. Por otro lado estos endurecedores pueden ser de color natural, manteniendo la apariencia del concreto, o bien, pueden brindar un color diferente con el fin de mejorar la apariencia general del piso e incluso la reflectividad del mismo, disminuyendo as el consumo de energa elctrica para iluminacin, adems de disminuir la permeabilidad del concreto, previniendo as la absorcin de lquidos derramados, siempre y cuando sean limpiados oportunamente.
Figura 4.- Endurecedor metlico EUCO FLAT-PLATE Fuente:Renteco
Figura 5.-Aplicacin de endurecedor superficial de cuarzo a losas de naves industriales Fuente:Intaco
11 Sistema de material espolvoreado en seco Gracias al uso del agregado metlico duro y resistente la mezcla resultante genera una capa de desgaste extremadamente dura que hace a una superficie de concreto 40 veces ms resistente a la abrasin que una losa de concreto estndar. Esto se logra gracias a una mezcla de componentes utilizados, combinado con un proceso de aplicacin diseado para producir una superficie con las caractersticas de un material de enrasado especialmente preparado sin el largo tiempo de acabado.
Figura 6.-Sistema de espolvoreado en seco aplicado a losas de naves industriales Fuente: www.quimnet.com
Membranas de curado Son compuestos lquidos, cuya funcin principal es retener al mximo la humedad presente en el concreto recin colado (ya endurecido), de manera tal que se evite una prdida rpida de la humedad presente, lo cual tiene como consecuencia una disminucin de hasta un 66% en la resistencia a la abrasin del concreto, desprendimiento de polvo y la aparicin de fisuras de contraccin por secado. Si bien, el curado con agua puede ser una buena opcin, en muchas ocasiones se dificulta debido a mltiples problemas en el suministro, la supervisin del proceso, la limpieza de la obra, el dao a equipos o materiales adyacentes, etc. As mismo, es importante considerar las caractersticas de los tratamientos o recubrimientos que se vayan a aplicar sobre el piso, ya que muchos de estos no tienen adherencia sobre pisos curados con membranas que dejen residuos, tales como las fabricadas a base de hule clorado o parafinas, entre otras.
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Figura 7.- Aplicacin de una membrana de curado al concreto Fuente: Curamax
Retardadores de evaporacin Son compuestos lquidos monomoleculares aplicados con atomizador, que forman una membrana protectora temporal, que retarda la rpida evaporacin del agua contenida en el concreto, disminuyendo as la aparicin de fisuras por contraccin plstica. Esta membrana se rompe una vez que se comienza a trabajar el concreto, por lo que en ocasiones se requieren varias aplicaciones entre las distintas etapas de flotado y/o pulido del piso. El uso de estos retardadores es particularmente importante cuando se est colando en intemperie bajo condiciones de altas temperaturas o fuertes corrientes de viento. Cabe mencionar que este tipo de productos no sustituyen la utilizacin de membranas de curado.
Selladores superficiales Tambin conocidos como endurecedores qumicos, son compuestos fabricados a base de distintos compuestos tales como: flor silicatos, silanos, siliconatos, acrlicos, entre otros, cuya funcin principal es preservar una buena apariencia y facilitar la limpieza de los pisos de concreto. Estos sistemas se dividen en dos grandes grupos: los que forman pelcula, y los que forman cristales. Los primeros generalmente impiden de manera ms eficiente la
13 penetracin de lquidos derramados y proporcionan un brillo inmediato, pero dado el hecho de ser una pelcula expuesta tienden a rayarse y desgastarse rpidamente al estar expuestos a trfico continuo, en cuyo caso se elevan los costos de mantenimiento. Por otro lado, los segundos se aplican de manera que el compuesto sea absorbido por el concreto, para que ste reaccione con la cal libre presente en el concreto, formando cristales dentro del microporo del concreto, los cuales a su vez, reducen, pero no impiden totalmente la penetracin de lquidos derramados. Tambin es importante mencionar que estos sistemas contribuyen a mejorar el curado del piso, pero no lo sustituyen completamente, por lo que generalmente se recomienda curar el piso con agua antes de su aplicacin. De igual forma an cuando en algunas ocasiones se manifiesta que stos selladores o endurecedores densifican la superficie de concreto aumentando la resistencia a la abrasin del mismo, el efecto es mnimo cuando se compara contra un piso de concreto bien curado, pero la diferencia puede ser muy significativa cuando se observa el aumento en resistencia a la abrasin que presenta un piso mal curado despus de un tratamiento con este tipo de productos.
4.1.2 Cavitacin La cavitacin es producida en estructuras hidrulicas y puede ocurrir cuando el fluido pasa por la tubera a una alta velocidad y se encuentra una arista afilada, esto provoca la formacin de burbujas de vapor al alcanzarse la presin de vapor del lquido y estas burbujas pueden implotar causando el da de la estructura, este fenmeno debe de tomarse en cuenta en el diseo de conducciones hidrulicas para as evitar su formacin.
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Figura 8.- Falla por cavitacin en tubera de concreto Fuente: www.construaprende.com
4.2
AGRIETAMIENTO
4.2.1 Agrietamientos por factores Fsicos 4.2.1.1 Fisuras producto de cristalizacin de sales en los poros Distintos tipos de sales pueden estar en contacto con elementos de concreto, los cloruros especficamente presentan un efecto muy nocivo en la mezcla de concreto endurecido puesto que pueden producir rupturas debidas a la presin ejercida por los cristales de sal que se forman en sus poros. Debido a que la cristalizacin se produce en el punto de evaporacin del agua este ataque resulta ms comn y acentuado en el concreto que no est permanentemente en contacto directo con el agua, no se debe obviar que debido a que la sal en solucin penetra y asciende por capilaridad el ataque es ms intenso cuando el agua o la humedad penetran en el elemento de concreto.
Potencial de cloruros en el aire a) Aire martimo. Una gran diversidad de componentes qumicos se encuentran en el agua de mar, con una amplia gama de concentraciones. Resulta entonces improductivo generalizar una presencia promedio de elementos nocivos para el buen comportamiento de las estructuras de concreto. Una reciente investigacin en Japn detect una variacin
15 en cloruros del agua de mar que oscil entre 0.01 y 0.20 mg de cloruro de sodio por cm2. Otro estudio encontr concentraciones particularmente elevadas del ion cloruro, las cuales variaban alrededor de 21,700 ppm. Asimismo, se detectaron contenidos de sulfatos sobre 3800 ppm, y los ms altos valores de sulfitos registrados en el mundo. An cuando en nuestro pas no se conocen datos concretos, resulta evidente la presencia de sulfitos, carbonatos y cloruros en el agua de mar, los cuales necesariamente resultan dainos para las estructuras de concreto. As, con el agravante de la accin de la temperatura, casi constante en todo el ao, asociada al clima tropical de nuestros litorales y a la accin de los vientos tambin propios de estas zonas, se conjuntan todos los factores que generan ambientes altamente propicios para que se produzca la corrosin en el acero de refuerzo de las estructuras de concreto, tal y como se refiri al describir la incidencia de cada uno de esos aspectos en el proceso general.
b) Zonas industriales. La presencia de contaminantes en el medio ambiente, generados por la emisin de las industrias, provoca una diversidad de componentes qumicos mayor de la que se podra observar en un ambiente martimo natural, aunque es altamente probable la preponderancia del xido de carbono, algunos sulfatos y nitratos que, como se refiere, inciden en la disminucin del pH natural del concreto y en procesos de carbonatacin que favorecen la entrada de humedad y agentes corrosivos hacia el acero de refuerzo. Como se mencion anteriormente, las zonas costeras cuentan con condiciones que propician la corrosin del acero de refuerzo por los componentes qumicos que flotan en el aire. Por lo tanto, la emisin de contaminantes de zonas industriales en esas reas viene a aumentar la problemtica, esto debido a la gran aleatoriedad en la presencia de cada componente, lo cual impide el establecimiento de normas o recomendaciones en cuanto a cuidados especficos y hace necesario el estudio de cada caso en particular, con el apoyo del conocimiento que puedan proporcionar todos los estudios referentes al comportamiento de las estructuras de concreto.
16 4.2.2 Exposicin a temperaturas extremas 4.2.2.1 Fuego La consideracin primordial del diseo de concreto es resguardar la vida humana y el fuego sin lugar a dudas es una amenaza directa para las personas por lo que el concreto estructural debe ser capaz de retener el fuego mientras los habitantes de la estructura salen de la misma para estar a salvo. El concreto es incombustible y no emite gases txicos si est en exposicin de altas temperaturas. Adems es capaz de retener la capacidad suficiente por periodos largos de tiempo para que no colapse el edificio y que las personas sean rescatadas. La composicin del concreto es esencial ya que la pasta y los agregados se descomponen en presencia de calor, pero no en la misma proporcin debido a sus diferencias qumicas y fsicas, por lo que se debe de tomar en cuenta. Cabe destacar tambin que los agregados representan la mayor parte del volumen del concreto y por lo tanto va a influir ms que la pasta de cemento. Tambin es necesario sealar que el tipo de agregado va a influir directamente a la resistencia del concreto, siendo muy diferentes los comportamientos de los agregados finos y gruesos unos de otros. El comportamiento del concreto expuesto a altas temperaturas es el resultado de diferentes factores que interactan simultneamente. Entre los factores que pueden influir en el comportamiento del concreto estn la permeabilidad, el tamao del elemento y el rango de valores entre los que cambia la temperatura, ya que estas gobiernan el desarrollo de las presiones internas. Efecto de las altas temperaturas en la pasta Este efecto depende del grado de hidratacin y de la humedad del concreto. En el caso de cemento Portland bien hidratado, este contiene silicato de calcio, hidrxido de calcio y sulfoaluminatos de calcio. Si la pasta estuviera saturada, esta contendr agua libre, por capilaridad y adsorbida por lo que la temperatura del concreto no se incrementar hasta que se evapore toda esta agua que est dentro del concreto. Cabe destacar que no es bueno que haya mucha agua en el concreto debido a que la resistencia se ver
17 disminuida. Adems si el incremento de temperatura es alto y la permeabilidad del concreto es baja se podran caer trozos del concreto en la superficie. Efecto de las altas temperaturas en los agregados La porosidad y mineraloga de los agregados tienen una influencia importante en el comportamiento del concreto cuanto este est expuesto al fuego. Si el agregado es muy poroso, dependiendo del rango de calor, el tamao del agregado, la permeabilidad y la humedad se puede perturbar. Y si el agregado es poco poroso no tendra problemas si este es expuesto al fuego. Los agregados que tengan silicio pueden empezar a tener problemas a partir de los 573C y los que contengan carbonatos a partir de los 700C. En cuanto a la mineraloga, esta puede influir en los cambios de fases y en las descomposiciones por calor en el concreto. Por lo que la mineraloga va a determinar la diferencia entre las expansiones de la pasta y los agregados. Efecto de las altas temperaturas en el concreto Para observar el efecto de la alta temperatura en el concreto M. S. Abrams (1973) hizo tres ensayos distintos con diferente tipo de agregados. Los ensayos fueron sin esforzar el concreto y calentndolo, concreto esforzado a un 40% de la capacidad original y caliente y por ltimo despus de enfriar a temperatura ambiente y sin cargas, es decir sin esforzar. Los agregados utilizados fueron los que contienen cada uno por aparte carbonato, silicio y arena liviana. Cuando se hizo el experimento en el cual se calentaba el concreto sin cargarlo, se observ que los especmenes hechos de carbonato y arena liviana conserv ms del 75% del esfuerzo original al llegar a temperaturas de 650C, mientras que los hechos con base en silicio llegaron a un 25% del esfuerzo original a la misma temperatura. Los especmenes esforzados en un 40% y calentados llegaron un 25% ms alto que los especmenes que no se cargaron y se calentaron. Pero cuando se redujo la temperatura a la ambiental el efecto de la mineraloga de los agregados afecto bastante ya que se apreciaron microfisuras.
18 4.2.2.2 Congelamiento. Una causa que genera grandes problemas y disminuciones en la vida til de elementos de concreto corresponde al congelamiento, este es producto de las condiciones ambientales que rodean la estructura, donde se encuentran temperaturas muy bajas y luego se producen ciclos de congelacin y deshielo. El deterioro del concreto se puede presentar en forma de fisuras causadas por la expansin progresiva de la pasta de cemento presente, mientras que por el congelamiento y la presin de los agregados se pueden encontrar grietas D, este es un tipo de grieta muy normal en losas de concreto en el cual se observa una grieta curveada que sale de dos de las esquinas de la losa rectangular y forma una D.
Control de la durabilidad frente al congelamiento y deshielo
a)
Aditivos incorporados de aire En concretos normales, existe un promedio de 1% de poros de aire atrapado, los
cuales no son suficientes para evitar el deterioro del concreto cuando el agua llega a congelarse en los poros saturados del mismo. Ello es debido a que los poros de aire atrapado no se encuentran lo suficientemente cerca de todos los poros capilares, en los que el hielo puede formarse y por tanto no son una ayuda segura en el control de los esfuerzos resultantes. El principio de los incorporadores de aire, consiste en introducir una estructura adicional de vacos no interconectados, que permiten asimilar los desplazamientos generados por el congelamiento eliminando las tensiones. Para que sea realmente efectivo el control del efecto de congelamiento y deshielo, se requiere que la distancia mxima que debe existir entre las partculas de la pasta y los vacos introducidos por el incorporador de aire, sea de 0.2 mm, al cual se le denomina Factor de espaciamiento. El aire incorporado, al aumentar la porosidad de la pasta, causa reduccin en las resistencias mecnicas del concreto; pero el incremento de la trabajabilidad permite
19 disminuir los contenidos de agua y agregado fino de mezcla, reduciendo as la prdida de resistencia. b) Curado No se puede pensar que slo con los aditivos incorporadores de aire se soluciona el problema, si no le damos al concreto la posibilidad de desarrollar resistencia, de nada servir la precaucin anterior entre la fatiga que va produciendo la alternancia de esfuerzos en los ciclos de hielo y deshielo. Para que el concreto tenga un desarrollo normal de resistencia en el tiempo, debe curarse, como referencia, a una temperatura de por lo menos 13C para un elemento de 30cm. de espesor y 5C para espesores del orden de 1.80m.; por lo que debe procurarse mantener la temperatura adecuada mediante elementos aislantes que impidan que pierden calor y/o se evapore el agua, o se congele hasta que halla desarrollado al menos 35 Kg/cm2. Hay que recordar siempre el principio bsico que se desprende de comprender el mecanismo de hidratacin del cemento y que consiste en que las reacciones qumicas necesitan agua, espacio para desarrollar los productos de hidratacin, cierta temperatura y tiempo. Mientras se controle los factores mencionados mediante el curado, se
asegurar el desarrollo completo de las propiedades del concreto y favoreceremos a la durabilidad. En conclusin, el uso de los aditivos incorporadores de aire debe ir complementado con un buen curado que asegure el desarrollo de resistencia. c) Diseos de mezcla Los diseos de mezcla deben ejecutarse buscando concretos con la menor permeabilidad posible, lo cual se logra reduciendo la relacin agua/cemento a mnimo compatible con la trabajabilidad para lo cual el ACI recomienda relaciones entre 0.45 y 0.50. Los aditivos incorporadores de aire, tienen un efecto mnimo en combatir el congelamiento en los agregados, para lo cual es til el ensayo de durabilidad de los agregados, que da una idea del comportamiento ante el intemperismo.
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4.2.3 Agrietamientos por acciones mecnicas Por su parte, las acciones mecnicas ms comunes que pueden daar la durabilidad de una estructura son las cargas, sobrecargas, impactos, vibraciones, etc. que pueden estar provocadas por causas naturales, como el viento y el agua o por causas artificiales, que afectan el comportamiento futuro del elemento estructural. Este tipo de accin se debe considerar en el proyecto y es en general, de las que mayor conocimiento se tiene. 4.2.4 Agrietamientos por acciones fsico-mecnicas Son de mayor significado que se producen en la estructura de concreto armado y que requieren de un estudio ms detenido est el fenmeno de la fisuracin que debe ser objeto de anlisis por parte de los especialistas. Si excluimos las fisuras motivadas por causa ssmica, se deben estudiar: 4.2.4.1 Fisuras por efectos directos Traccin pura: Se forman a lo largo de la direccin de las barras de refuerzo principal. Son fisuras provocadas por el exceso de traccin longitudinal. Se forman planos de falla (fisuras y grietas) transversales a lo largo de la seccin. Los incrementos de la traccin actuante en la seccin provocan de manera sbita una grieta que afecta la unin entre el hormign y la barra de refuerzo en una determinada zona (distancia de deslizamiento). Como consecuencia de ello, se interrumpe la transferencia de los esfuerzos actuantes por prdida de la adherencia mecnica entre el acero y el hormign.
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Figura 9.- Agrietamientos por flexin pura Fuente: http://www.docentes.unal.edu.co
Compresin axial
Las fisuras de compresin axial o compresin simple provocan diferentes formas de fisuracin, segn la esbeltez del elemento y el grado de restriccin transversal que tengan en sus extremos.
Figura 10.- Agrietamientos por compresin axial Fuente: Jos Toirac Corral, 2004
22 Flexin
Las fisuras de flexin pueden corresponder a flexin pura o combinacin otros esfuerzos principalmente el cortante. En vigas, la fisura se inicia en la armadura, progresa en vertical a la fibra neutra y se curva al final buscando la aplicacin de la carga y detenindose hasta alcanzarla zona comprimida. Estas fisuras avisan con mucho tiempo, aparecen varias y muy juntas; son perpendiculares al eje del elemento y se inclinan segn el valor del esfuerzo cortante, aparecen bajo la accin de la carga y desaparecen al retirarse esta. Cortante
Los esfuerzos cortantes y de traccin provocan fisuras oblicuas que tambin son transversales a la direccin del acero longitudinal principal. Aparecen inclinadas en zonas cercanas a los apoyos (cortante mxima) o bajo cargas puntuales elevadas. El ngulo entre las grietas de cortante inclinadas y el eje de la viga es de aproximadamente 45. Las grietas de cortante siempre atraviesan todo el espesor de la viga y su anchura depende de la seccin de la viga.
Figura 11.- Agrietamientos por flexin y cortante Fuente: http://www.docentes.unal.edu.co
Torsin
Las fisuras por torsin tambin son oblicuas pero continuas y en espiral. Atraviesan completamente la seccin de los miembros afectados.
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Figura 12.- Agrietamientos por torsin Fuente: http://www.docentes.unal.edu.co
4.2.4.2 Fisuracin debida a la existencia de deformacin impuesta La cual puede proceder de movimiento de apoyo, contraccin o variacin de temperatura. A diferencia del caso anterior, para este y para el siguiente, las indicaciones en las instrucciones son inexistentes o muy escasas. 4.2.4.3 Fisuracin debida a fenmenos plsticos a muy temprana edad en el concreto Fisuras originadas por la contraccin plstica. Retraccin hidrulica durante el fraguado (Contraccin plstica). Exceso de vibracin.
Fisuras originadas por asentamiento plstico. Acomodamiento. Poco recubrimiento y excesivos dimetros en el acero. Cambios de consistencia en vaciados continuos. Desplazamiento del encofrado. Deformacin del terreno de sustentacin
24 4.2.5 Reparaciones de Grietas Se pueden desarrollar grietas en el hormign por una amplia variedad de causas. Antes de realizar cualquier reparacin se debe identificar el origen y luego se considera seriamente el mtodo de reparacin. Cdigos de prcticas han establecido lmites de aceptacin de la anchura de las grietas en el concreto estructural, pero los ingenieros con frecuencia demandan la reparacin de las grietas de cualquier ancho de grietas ya que existe la creencia de que constituyen faltas graves y perjudicarn a la durabilidad de las estructuras. Si se decide que una grieta debe ser tratada, se debe establecer una filosofa de reparacin: es necesario llevar a cabo una restitucin estructural o es tan solo un tratamiento cosmtico. Las reparaciones cosmticas se dan principalmente en grietas pasivas, donde no son de ndole estructural y no poseen actividad no consecuencias significativas; la reparacin puede hacerse con algn cemento epxico, pero se requiere habilidad y prctica para lograr una aceptacin visual. Debe haber una evaluacin realista para lograr la restauracin estructural de un miembro roto. Si el concreto est sometido a grandes esfuerzos despus de la reparacin, probablemente se fisure una vez ms, a menudo siguiendo la misma ruta, lo cual da como resultado una reparacin intil. Si bien se reconoce que la es grieta activa, entonces ser necesario el examen y tratamiento adecuados.
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Causas qumicas de deterioro del concreto
Entre las acciones qumicas que influyen negativamente en la durabilidad del concreto se consideran: la corrosin del acero embebido en el concreto, la lixiviacin de la pasta de cemento, las reacciones expansivas que incluyen el ataque de sulfato y la reaccin lcaliagregado. Estas acciones son las ms agresivas a la masa de concreto y las ms temidas por lo que se deben tener en cuenta desde que se concibe el proyecto estructural de una construccin. Los agentes qumicos ms frecuentes que producen el
deterioro del concreto son:
25 El aire y otros gases, en ambiente natural o contaminado. Las aguas agresivas (puras, de mar, industriales, negras agrcolas, negras urbanas) y otros lquidos. Los productos qumicos orgnicos o inorgnicos. Suelos y terrenos agresivos.
Los agentes qumicos citados pueden actuar solos o de forma combinada lo que no nos permite definir una forma de actuacin similar, o con resultados semejantes. Internacionalmente se clasifica la agresin qumica formada por uno o varios de los siguientes procesos: 5.1 Hidrlisis de los componentes de la pasta
Si el agua contiene iones de calcio y se pone en contacto con la pasta, el agua atacar la pasta hidrolizando los compuestos que contengan calcio pero va a llegar a un momento en que se detiene. Pero si hay agua libre o filtrada en el concreto, la hidrlisis ser continua. El hidrxido de calcio es el que va a ser ms susceptible a la hidrlisis debido a su alta solubilidad en agua. Cuando el hidrxido de calcio es consumido por completo, los otros componentes del cemento estarn ms expuestos a la descomposicin. Esto adems de causar prdida de capacidad de resistencia tambin se convierte en un problema de esttica, esto debido a que el hidrxido de calcio precipita en la superficie con un color blanco, este fenmeno se llama eflorescencia. 5.2 Reacciones de intercambio de cationes
Formacin de sales de calcio solubles: Esta formacin de sales solubles favorece a las sales de calcio como cloruro de calcio, acetato de calcio y bicarbonato de calcio, los cuales sern consumidos por el agua. El ataque de cido carbnico se da al hidrxido de calcio tambin. Ca(OH)2 + H2CO3 CaCO3 + 2H2O CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 Luego de la precipitacin del carbonato de calcio, el cual es insoluble, la primera reaccin descrita se detendr, a no ser que haya CO2 libre presente en el agua. Si hay CO2 libre se
26 detonar la segunda reaccin, la cual ayudar a la hidrlisis del hidrxido de calcio. Si el pH del agua es menor a 7, el CO2 va a ser daino para el concreto. Este tipo de agua pueden ser de mar o subterrneas. Como va a disminuir la basicidad del concreto, la proteccin que ste le ofrece a las armaduras de acero disminuye, posibilitando que otros agentes puedan atacarlos, transformando el acero en xido de hierro por la corrosin, generando un aumento del volumen de ste, que ejerce esfuerzo de tensin sustancial en el concreto circundante a las barras oxidadas. Tambin se manifiesta este proceso por la aparicin de manchas, agrietamientos y fisuracin del recubrimiento de concreto de refuerzo. Al propio tiempo, la seccin transversal del acero de refuerzo se reduce. El CO2 tambin se puede encontrar en el ambiente, y este por lo general no representa un dao potencial del concreto, pero si la humedad del ambiente se mantiene entre 50% y 75%, puede ser una fuente considerable de dao. En la formacin de carbonatos pueden ocurrir dos casos. En un caso, durante la produccin del concreto, la formacin de carbonatos ayudar mejorar la resistencia y la rigidez. Por otra parte, puede ocurrir deterioro del concreto y una disminucin del pH de la pasta cemento, por lo tanto causara corrosin en el acero de refuerzo.
Formacin de sales de calcio insolubles y no expansivas: algunos aniones presentes en el agua pueden reaccionar con la pasta de cemento y formar sales insolubles de calcio. Estas sales no necesariamente harn dao, al menos que los productos de la reaccin sean expansivos. Si el concreto est expuesto a desperdicios animales o materia orgnica, el cido hmico de estos desperdicios es el que causa el deterioro qumico. Ataques qumicos por soluciones que contienen sales de magnesio: Las sales de magnesio se encuentran en aguas subterrneas, agua de mar o industriales y estas reaccionan con el hidrxido de calcio y forma sales de calcio solubles en agua. El sulfato de magnesio es el ms agresivo de todos. Una caracterstica de este ataque es que tambin ataca al silicato de calcio
27 hidratado, el cual es el constituyente principal del cemento. Esto induce a que los iones de calcio sean reemplazados por los iones de magnesio, perdiendo as las caractersticas cementantes. Tambin los productos de la mayora de combustibles contienen gases con sulfuros, los cuales forman cido sulfrico, as como las aguas residuales, aguas subterrneas y aguas industriales. Si se tiene un concreto denso con una relacin agua cemento baja, est estar lo suficientemente protegido para resistir ataques cidos leves. Tambin ayuda el que tenga puzolanas. 5.3 Reacciones que forman productos expansivos
Estas reacciones son de mucho peligro, esto debido a que puede ocasionar daos severos al concreto estructural. La expansin causa un aumento en las fuerzas internas del concreto, las cuales se manifiestan en cierres de juntas de expansin, deformaciones y desplazamientos de diferentes partes de la estructura, grietas, cadas de partes del concreto, entre otros. Hay cuatro manifestaciones asociadas a las reacciones qumicas que causan expansin, a saber, ataque de sulfatos, ataques de agregados alcalinos, hidratacin atrasada de xidos de calcio y magnesio libres y corrosin del acero estructural.
5.3.1 Ataque de sulfatos Los sulfatos existen naturalmente como sulfato de calcio, potasio, sodio y magnesio y estn por lo general en el suelo o en aguas subterrneas. Estos sulfatos pueden atacar el concreto causando grandes daos en la estructura. El departamento de reclamos de Estados Unidos advierte en su manual de construccin de concreto que suelos con concentraciones de sulfatos mayores a 0.1% o 150mg/l en agua puede poner en riesgo la estructura pero si el suelo tiene concentraciones de sulfatos mayores a 0.5% o 2000mg/l en agua se pueden tener serios daos en la estructura. La mayora de los suelos son inofensivos para el concreto debido a su poco porcentaje contenido de sulfatos (0.01% a 0.05%). Por su parte las aguas subterrneas tienen
28 mayores concentraciones de sulfatos, esto debido a la presencia de magnesio y sulfatos. Los desechos de la materia orgnica pueden ser una amenaza para el concreto ya que forman sulfuro de hidrgeno y este es transformado en cido sulfrico por accin bacteriana. La degradacin del concreto debido a las reacciones qumicas entre el cemento y los iones de sulfato externos tienen dos formas de manifestarse. Cada una depende de la concentracin y fuente de sulfato que haya en el agua, la composicin del cemento y la formacin de etringita o yeso en la reaccin. Se puede manifestar en una expansin del concreto, por lo tanto ocurren grietas, ya que la permeabilidad aumenta y el agua va a filtrarse acelerando el proceso de deterioro. Estas expansiones son causas de problemas estructurales como desplazamiento de muros y por ende expansiones de losas. La otra manifestacin es una prdida de capacidad de resistencia y masa, esto debido a la prdida de capacidad de cohesin de los componentes del cemento. Cabe destacar que el hidrxido de calcio, componente del cemento es uno de los componentes ms vulnerables al ataque de los sulfatos. Esto es a causa de que cuando se pone en contacto con los sulfatos, se convierte en etringita. Las expansiones en el concreto debido al ataque de sulfatos es asociado con la etringita. Pero el mecanismo por el cual la etringita causa la expansin puede ser por el exceso de esfuerzo de los cristales de etringita formados o por el hinchamiento por la absorcin de agua. La formacin de yeso es tambin una causa de expansin del concreto. Pero ms que todo, ste disminuye la rigidez y la capacidad de resistencia, seguido de expansiones del concreto y por lo tanto agrietamiento, terminando as en una transformacin del material a una masa blanda y sin cohesin. Las fuentes de sulfatos son el suelo, aguas subterrneas, agua de mar, aguas industriales y tambin la lluvia. La lluvia contiene sulfatos debido a la gran contaminacin que existe en el ambiente. Cuando se forma la lluvia, esta est en un ambiente contaminado por lo que las gotas de lluvia contienen sulfatos y otros agentes que podran provocar hasta una lluvia cida, esta agua contaminada cae sobre el concreto causndole deterioro. Si el concreto es permeable, va a ser ms vulnerable a este ataque adems si durante el diseo
29 y la construccin no se toman medias por el drenaje al respecto, el dao va a ser ms severo. En caso de concreto expuesto a aguas marinas, el concreto que est arriba del nivel del agua, ser atacado por los sulfatos en la pasta cemento y agrava la corrosin del acero por los cloruros. Esto es ms daino en climas tropicales.
Figura 13.- Propiedades qumicas Fuente.- Silica Fume Association.
Control de los ataques de sulfatos Para lograr controlar el ataque de los sulfatos es necesario saber los factores que inducen al ataque, a saber: la cantidad y naturaleza de sulfato, el nivel del agua, la porosidad del concreto y la corriente de agua subterrnea, la forma de la construccin y la calidad del concreto. Cabe destacar que los tipos de estructuras ms afectados por los sulfatos son las bases, muros y contrapisos. Estos ms que los pilotes y fundaciones. La razn por la cual sucede esto es porque si la humedad de la estructura se puede perder por evaporacin en alguna de sus caras, es ms daino que si todas las caras del elemento estn expuestas a los sulfatos del agua.
30 Para proteger al concreto del ataque de los sulfatos, la mejor solucin es que sea de baja permeabilidad. Para obtener esta caracterstica, es necesario que el concreto tenga gran cantidad de cemento, por ende baja relacin agua cemento y la compactacin y curado del mismo debe ser el apropiado. El cemento Prtland tipo V tiene la resistencia suficiente para resistir ataques de sulfatos moderados. Pero si hay una concentracin alta de sulfato el cemento no ser efectivo ante el intercambio de cationes, formndose as yeso. Si el cemento tiene poco hidrxido de calcio, va a resistir mucho mejor el ataque de sulfatos, por lo tanto un cemento con 70% de escoria o puzolnico con al menos un 25% de puzolana van a tratar el problema mejor. La exposicin del concreto a sulfatos por lo tanto depende de la agresividad de los sulfatos, la saturacin del suelo, del flujo del agua, humedad y temperatura ambiente, concentracin de sulfatos y el tipo o combinacin de sulfatos presentes. La oficina de reclamos de Estados Unidos as como el ACI 201 clasificaron las exposiciones a los sulfatos de la siguiente manera: Ataque insignificante (clase 0): cuando el contenido de sulfato es menor de 0.1 por ciento en el suelo o por debajo de 150 ppm en agua no hay restriccin del tipo de cemento ni de la relacin agua cemento. Ataque moderado (clase 1): cuando el contenido de sulfato est entre 0.1 y 0.2 por ciento en el suelo o entre 150 y 1500 ppm en agua, se requiere del tipo de cemento II con puzolanas con escorias con una relacin agua cemento menor a 0.5. Ataque severo (clase 2): cuando el contenido de sulfato est entre 0.2 y 2 por ciento en el suelo o entre 1500 y 10000 ppm en agua, se requiere del tipo de cemento V con una relacin agua cemento menor a 0.45. Ataque muy severo (clase 3): cuando el contenido de sulfato est por encima del 2 por ciento en el suelo o por encima de 10000 ppm en agua, se requiere del tipo de cemento V con puzolanas con una relacin agua cemento menor a 0.5, con una capacidad de compresin a los 28 das muy alta.
31 A continuacin se muestra en una tabla los tipos de ataques al concreto con las respectivas caractersticas que debe tener el concreto para lograr controlar este ataque. Tabla 3: Clase de ataque de sulfatos.
Fuente ACI 201 Se sugiere que para concretos de resistencia normal tengan una relacin agua cemento baja para proteger contra los ataques de sulfato y la corrosin del acero. En caso de que el concreto est expuesto a aguas marinas, si el cemento Prtland utilizado contiene un 10% de C3A, est proveer suficiente resistencia al ataque de sulfatos, adems de contar con una permeabilidad baja. El concreto se debe de disear y construir de manera tal que las fisuras que se hagan sean del menor espesor posible para minimizar la exposicin del mismo al agua de mar. Tambin ayuda el hacer un recubrimiento mayor y con caractersticas tales que sea hidrofbico.
5.4
Reacciones lcali agregados
Las reacciones qumicas de los agregados en el concreto pueden ser beneficiosas y otras pueden causar daos severos en el concreto a causa de expansiones anormales que pueden producir agrietamiento, desplazamiento de elementos estructurales o prdida de resistencia. Debido a estas reacciones de los agregados que contienen silicio con el cemento, tambin puede ocurrir prdida de elasticidad y durabilidad del concreto. El deterioro del concreto a causa de estas reacciones se da bsicamente en lugares hmedos como presas, puentes o muelles.
32 5.4.1 Tipos de cemento y agregados que ayudan a la reaccin Compuestos usados para crear el cemento Prtland como el xido de sodio y el xido de potasio hacen del cemento un material alcalino. Estos compuestos estn presentes entre 0.2% y 1.5% del cemento, dependiendo de este porcentaje el pH del fluido de los poros est entre 12.5 y 13.5, siendo esto muy alcalino. La norma ASTM C150 designa a los cementos con un porcentaje de 0.6 de xido de sodio y de xido de potasio como alcalino bajo y con ms del 0.6% alcalino alto. Cabe destacar que si el cemento es de baja alcalinidad entonces no habra que considerar las reacciones alcalinas para prevenir daos. Para que se d la expansin es necesario que estn presentes los iones hidroxilo y los iones de metales alcalinos. Como el cemento contiene dixido de calcio, este aporta una buena cuota de iones hidroxilo, independientemente de si es de baja o alta alcalinidad. En cuanto a los agregados alcalinos (los que contienen silicio), pueden reaccionar con soluciones alcalinas dependiendo de la temperatura, tamao de las partculas y el tiempo.
5.4.2 Mecanismos de expansin La formacin del gel de silicato depende del tamao de la partcula, la porosidad y la forma y distribucin de la estructura del agregado, adems de la presencia de los iones hidroxilo que aporta el hidrxido de calcio y los iones alcalinos descritos anteriormente. Para atacar el concreto se debe romper la estructura del silicio seguido de una adsorcin de los iones del metal en la superficie creada por la reaccin. Cuando el gel se pone en contacto con el agua, este se hincha provocando as una presin hidrulica, causando expansiones y agrietamiento del agregado, la pasta de cemento y por ende el concreto. El agua libre que quede en el concreto va a facilitar el agrietamiento y la expansin del concreto, llegando en algunos casos hasta la superficie del mismo.
5.4.3 Tipos de reacciones
33 Reaccin lcali silicio Es la reaccin que se da entre los hidrxidos de materiales alcalinos del cemento (xidos de sodio y potasio) con materiales que contienen silicio como el agregado fino. El refuerzo del concreto ayuda a contrarrestar el mal causado pero no previene la expansin y desplazamientos de elementos estructurales. Los agregados livianos tienden a tener consistencias amorfas con presencia de silicatos, por lo que estos tienen el potencial de reaccionar con los materiales alcalinos del cemento, aunque no se han reportado problemas asociados a esta reaccin. El mecanismo inicia debido a que el silicio se disuelve en un medio con pH alto como el del cemento, producindose el gel de silicato descrito anteriormente. Si un agregado es un reactivo en potencia ste no debera ser utilizado a la hora de producir concreto que est expuesto al agua marina u otros ambientes que contengan materiales alcalinos y que entren al concreto en solucin de un agente externo, ya que los daos asociados a stos agregados son importantes y pueden causar colapsos de estructuras. Si es necesario utilizar agregados reactivos o que el concreto est en contacto con ambientes alcalinos, se deben establecer los lmites apropiados de alcalinidad del cemento o la utilizacin de puzolanas. Adems se debe poner especial atencin a las siguientes condiciones: Se debe utilizar cemento bajo en alcalinidad, para la mezcla no se puede usar agua marina y se debe evitar cloruros de potasio y sodio. Se puede utilizar puzolanas para prevenir expansiones excesivas en el concreto por la reaccin alcalina. Cabe destacar que el uso de puzolanas incrementa la demanda de agua por lo que hay que tomarlo en consideracin a la hora de poner la puzolana en la mezcla. Adems la resistencia del concreto a los 28 das puede exceder la resistencia de un concreto hecho con base en cemento Prtland solamente. La evaporacin en la superficie del concreto causa un incremento en la concentracin alcalina en los fluidos de los poros cerca de la superficie seca y por ende un deterioro en la estructura del concreto.
34 Reaccin lcali carbonato de la roca Estas reacciones tambin producen expansin y agrietamiento. Se le asocia a estas reacciones la alteracin qumica de la periferia de las partculas de los agregados, perjudicando el concreto en general. Aqu se involucra a la dolomita, la cual promueve la formacin de brucita (Mg(OH)2), que va a incentivar la regeneracin de la alcalinidad del cemento. La presencia de arcilla es significativa para que se d la reaccin. Adems esta reaccin es asociada con el cambio de distribucin del silicio y el carbonato ente las partculas de agregados y en los alrededores del cemento. En el concreto afectado se da un mapa de agrietamiento, el cual se intensifica en las reas que se suple humedad constantemente como en muelles, muros de retencin, losas de aceras, entre otros. Un signo adicional de la severidad del dao causado es el cierre de juntas de expansin con posible aplastamiento del concreto adyacente. Entre los procedimientos que se puede utilizar para apaciguar los efectos de las reacciones estn: Evitar las rocas reactivas. Usar un tamao mximo nominal ms pequeo. Usar cemento de muy baja alcalinidad, lo que evitar daos por expansin.
Evitar las rocas reactivas es lo ms segura que se pueda hacer adems de ser lo ms econmico, adems las puzolanas no sirven de mucho para disminuir estas reacciones, ya que sirve solo de diluyente.
5.5
Hidratacin de los cristales MgO y CaO
Gran cantidad de reportes indican que la hidratacin del xido de magnesio y del xido de calcio, pueden ocasionar aumentos volumtricos as como la aparicin de grietas en el concreto, si las cantidades que este contiene, no son las establecidas por las normas correspondientes. El xido de magnesio es conocido tambin como magnesia, la cual se encuentra en los cementos portland proveniente del carbonato de magnesio, que es uno de los componentes de las calizas. Estos significan aproximadamente la stima parte de la composicin del crudo. Este carbonato de magnesio se disocia en xido de magnesio y
35 dixido de carbono (CO2). La magnesia que se obtiene del carbonato, no se combina con los otros xidos de cemento y se mantiene en solucin slida en los minerales conformadores del clinker. Al momento en que la magnesia alcanza su forma cristalizada, presenta una expansin de su volumen al hidratarse y puede producir la fractura del concreto, por lo cual se considera de suma importancia cuidar aspectos como la cantidad de MgO en el cemento. La expansin de la magnesia se produce generalmente luego de un perodo prolongado, y para identificarla en el concreto es necesario someter las muestras a un anlisis por medio de un microscopio. Cuando la magnesia se presenta en forma de vidrio, es prcticamente inofensiva, para efectos de la expansin de la misma. La norma ASTM 150-83 estableci que el requerimiento de magnesia para el cemento no debe exceder el 6% de su composicin, ya que esta es la cantidad mxima para formar una solucin slida en las fases de formacin del clinker, debido a que a partir de este valor se garantizan problemas en el concreto resultante. La norma ASTM mencionada, adems prescribe la prueba de expansin en autoclave para asegurar, por medio de un ensayo acelerado, la estabilidad del cemento a las expansiones. Existen algunos casos en el sur de Amrica as como en Sudfrica en los cuales, debido a los altos contenidos de carbonato de magnesia en sus yacimientos, se lleva a cabo un rpido enfriamiento del clinker, y de esta manera la magnesia se manifieste en forma de vidrio, y no produzca efectos expansivos en el concreto. Las cantidades de xido de calcio (CaO), tambin conocido como cal libre, presentes en el cemento deben ser controladas de manera similar al MgO, ya que cuando excede un cierto porcentaje de presencia, produce expansiones en los concretos. Este fenmeno se present inicialmente durante la produccin del cemento, a principios del siglo pasado. Debido a los problemas que se presentaron en un pasado, los concretos modernos cuentan con un lmite de cal libre establecido en un 1%, esto con el fin de aumentar los estndares de calidad de las empresas. A pesar de esta situacin, no existe a nivel internacional ninguna norma especfica que limite el porcentaje de cal libre presente en el cemento, pues se considera que esta posibilidad es inactual y por razn del mtodo de ensayo.
36 Sin embargo, de acuerdo a las condiciones del comportamiento fsico del concreto requeridas por la norma ASTM, se establecieron lmites referentes a la expansin del concreto. Estas condiciones aplican tanto para las muestras prismticas como de los cementos colocados en la prueba de autoclave, a temperatura y presin determinada. Dicho ensayo est normalizado por la ASTM, logrando la estabilidad de la muestra y de esta manera garantizar la calidad del cemento. La cal libre presente en el cemento, se puede presentar por una serie de situaciones, las cuales se muestran a continuacin: Combinacin incompleta de los constituyentes del crudo, por trituracin y homogenizacin insuficiente. Exceso de material grueso, de la caliza del crudo por molienda incompleta, que impide que la reaccin con los elementos arcillosos en el proceso de clinkerizacin. Elevada dosificacin de xido de calcio en el crudo, que impide que la totalidad de este xido se combine con los xidos de slice, aluminio y fierro en el proceso de clinkerizacin. Deficiente proceso de segregacin en el horno o temperatura de calcinacin por debajo del nivel ptimo establecido. Se debe tomar en cuenta el hecho de que puede encontrarse la cal libre como cal liberada, esto debido a que el silicato triclcico es un compuesto estable que tiende a descomponerse en silicato biclcico ms xido de calcio. El xido de calcio desprendido del silicato triclcico se encuentra en estado amorfo, de fcil reaccin con el agua de hidratacin y puede ocasionar expansiones que desaparecen en un breve lapso, pero que se deben tomar en cuenta.
37 5.6 Corrosin del acero
Figura 14.- Corrosin del acero Fuente: Wikipedia La corrosin del acero se ha convertido en uno de los factores ms determinantes relacionados con la reduccin en la durabilidad del concreto estructural, lo cual se debe principalmente a la falta de control de la corrosin en los aceros de refuerzo. Las obras realizadas por medio de concreto estructural, que presentan problemas de corrosin en el acero, poseen la particularidad de que el problema permanece encubierto durante mucho tiempo, y cuando este se descubre muchas veces es demasiado tarde para recuperar la funcionalidad de la estructura. La corrosin se identifica como la accin qumica, electromecnica, mecano qumica, o biolgica, lenta o acelerada de la naturaleza o el medio ambiente, que degrada y destruye los materiales. Este fenmeno se manifiesta ms evidentemente en los cuerpos slidos como son los metales, las cermicas, los polmeros artificiales, los agregados y los minerales fibrosos de origen natural. El fenmeno de la corrosin de la materia slida consiste bsicamente en la prdida del equilibrio en las fuerzas cohesivas, las cuales son de naturaleza elctrica, y son el resultado del equilibrio de las fuerzas de atraccin entre los ncleos atmicos positivos y los electrones con carga negativas, con las fuerzas de repulsin de los electrones entre si y de los ncleos atmicos entre s. Los daos producidos cuando se presenta la corrosin se pueden clasificar de acuerdo a la forma en que se producen, como se muestra a continuacin:
38 Cuando la superficie del metal se corroe en una forma casi uniforme se dice que la corrosin es de tipo "superficial". Es la forma ms benigna o menos peligrosa pues el material se va gastando gradualmente extendindose en forma homognea sobre toda la superficie metlica y su penetracin media es igual en todos los puntos. Un ataque de este tipo permite evaluar fcilmente y con bastante exactitud la vida de servicio de los materiales expuestos a l. A veces el ataque se profundiza ms en algunas partes pero sin dejar de presentar el carcter de ataque general constituyendo un caso intermedio entre corrosin uniforma y corrosin localizada, en este caso se dice que se trata de una corrosin "en placas". Existe otra forma de corrosin, conocida como corrosin "por picadura" que se presenta cuando una superficie metlica que ha sido cortada se expone a un medio agresivo. Durante el picado, el ataque se localiza en puntos aislados de superficies metlicas pasivas y se propaga hacia el interior del metal formando en ocasiones tneles microscpicos. La corrosin tambin se puede clasificar de acuerdo a la apariencia de las distintas formas en las que se presenta a continuacin se presentan las ms comunes encontradas en campo: Corrosin general La corrosin general es la forma ms comn que se puede encontrar y la ms importante en trminos de prdidas econmicas. Se caracteriza por un ataque ms o menos uniforme en toda la superficie expuesta con solamente variaciones mnimas en la profundidad del dao. En las estructuras se pueden usar recubrimientos especiales para minimizar el ataque de la corrosin. Corrosin galvnica Se puede producir un dao severo por corrosin cuando dos o ms metales distintos se acoplan elctricamente. Esto se conoce como corrosin galvnica y resulta por la existencia de una diferencia de potencial entre los metales acoplados que causa un flujo de corriente entre ellos. El metal ms activo padece una corrosin ms acelerada, mientras que la corrosin en los miembros menos activos se retarda o se elimina. Corrosin por hendiduras
39 La corrosin por hendiduras es un tipo que se presenta en espacios confinados o hendiduras que se forman cuando los componentes estn en contacto estrecho. Para que se presente la corrosin por hendidura, la hendidura debe ser muy cerrada, con dimensiones menores a un milmetro. Aunque no se han definido los lmites de la brecha, es conocido que este tipo de corrosin no se presenta en espacios ms grandes. Agrietamiento por corrosin y esfuerzos: El agrietamiento por corrosin y esfuerzos es una falla corrosiva en la que se forman las grietas de un componente bajo la accin combinada de esfuerzos mecnicos y un medio ambiente agresivo. Los esfuerzos y el medio ambiente agresivo se unen para ocasionar una falla sbita. Existen dos hechos principales por los cuales se presenta la corrosin en algn elemento. La primera es por la presencia de un metal o aleacin susceptibles, ya sean aceros de alta resistencia, latones y aceros inoxidables, as como aleaciones comunes de aluminio, acero, fierro, etc. La segunda causa es por la presencia de un medio ambiente especfico, el cual, por lo general es un ambiente hmedo o salado, o un ambiente lleno de iones especficos (iones de cloruro, iones de amonio, etc.).
6 Concreto expuesto en ambiente marinoEn el medio marino, los procesos de corrosin en las estructuras de concreto reforzado se aceleran, por la accin directa del mar o la actividad de la brisa y niebla marina. La agresin de las sales marinas sobre el concreto no es significativa, generalmente no llegan a causar desarreglos que inhabiliten la estructura, como si ocurre con la corrosin de las barras de refuerzo en el concreto armado. En este caso, el concreto se dilata y se fractura, la seccin del acero se reduce, pierde resistencia a la traccin y a la fatiga, generalizndose progresivamente el proceso corrosivo. La accin del agua de mar en el concreto ha sido materia de numerosas investigaciones y trabajos, desde el inicio del siglo. Existe una tendencia que considera el ataque del agua de mar como un fenmeno bien definido y homogneo. Pese a ello, es conveniente tener en cuenta la multiplicidad de factores incidentes, como es la variacin del clima, la presencia de factores mecnicos como la erosin y la accin de las mareas, que modifican las condiciones de inmersin, aparte de los actores biolgicos. En el concreto reforzado que se encuentra en contacto, ya sea permanente o intermitente con agua de mar, los sulfatos y cloruros de calcio, magnesio y alcalinos, que se encuentran de forma inseparable, pueden penetrar por porosidad, capilaridad, smosis
40 y difusin. Los sulfatos atacan al concreto formando compuestos expansivos causantes de fisuras en el concreto. Los cloruros, si llegan hasta la armadura, provocan su corrosin. Las fisuras ocasionadas por los sulfatos, facilitan la penetracin de los cloruros y la corrosin de la armadura. Los productos expansivos de la corrosin dan lugar a prdida de adherencia y la fisuracin interna que se suma a la externa producida por los sulfatos, incrementando y acelerando ambas acciones. Estos fenmenos, en principio pueden presentarse sucesivamente, inicindose con la difusin del ion cloruro cuyo radio inico es menor que el del sulfato, por lo que se difunde ms rpidamente, terminando por ocurrir de forma simultnea, con superposicin de causa y efecto. El ion sulfato, que penetra ms lentamente que el cloruro, entra en contacto con el aluminato triclcico anhidro si lo hay y con aluminatos de calcio hidratados. Con los aluminatos anhidro e hidratado libres de sulfato se puede formar etringita expansiva. Tambin con el cloroaluminato de calcio hidratado por razones de solubilidad. Esta transformacin, libera aluminato triclcico, que pueden formar con el sulfato que lo ha liberado y con el que sigue penetrando, etringita secundaria y diferida, expansiva la cual es ms daina an que la primera, para un concreto consolidado. Adems, se liberan aniones cloruro, los cuales quedan aptos para seguir penetrando a las armaduras y provocando corrosin.
6.1 Tipologa estructuralLas estructuras en ambiente marino pueden clasificarse segn su ubicacin y las condiciones agresivas del medio, en las siguientes zonas:
6.1.1 Zona de inmersin:El concreto que se encuentra permanentemente sumergido por debajo de las zonas de mareas, es capaz de proteger las barras de acero de refuerzo pues debido a la dbil concentracin de oxgeno en el agua que impide la actividad corrosiva del ion cloruro, en el caso de haberse introducido hasta las barras. En algunos elementos sumergidos, que sobresalen por encima de las zonas de mareas altas como ocurre en los pilotes - se produce la corrosin en las zonas emergentes por efecto del fenmeno denominado de macro celdas. Esto se debe al estado de humedad permanente del concreto que facilita la corrosin electroltica. El mecanismo se inicia en las zonas de mareas, en una seccin de concreto pobre en cemento (generalmente por segregacin), que bajo la accin del ion cloruro acta como nodo y en la zona sumergida, se constituye el ctodo, con eventual despasivacin del acero, sin corroerse por la falta de oxgeno. En las zonas sumergidas, la penetracin del agua tiene lugar inicialmente por succin capilar y se acelera en razn de la presin hidrulica, el agua ingresa con sustancias disueltas como el cloro y los sulfatos. En estos casos el comportamiento del concreto a la corrosin se diferencia segn la profundidad en que se encuentra. En las zonas ms profundas, la permeabilidad del concreto disminuye, pues se cierran los poros superficiales.
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6.1.2 Zona de marea:Comprende los elementos entre los niveles de marea alta y baja, donde el concreto est permanentemente hmedo, debido a que la inmersin es cclica en el lapso de un da. Los poros se encuentran saturados, pues, el tiempo de baja marea es reducido y no se produce la desecacin, lo que disminuye el peligro de corrosin, pues el concreto absorbe agua ms rpidamente que la pierde. En esta zona el agua ingresa por succin capilar, transportando las sustancias disueltas como el cloro y los sulfatos, sin difusin de gases. En el concreto comprendido entre mareas, se pueden producir fisuras que adelanten la corrosin, sea por golpes de impacto o por la accin de las olas.
6.1.3 Zona de salpicaduras:Se ubica por encima del nivel de la marea alta, propensa a la salpicadura de las olas y el bao de la espuma, presenta el riesgo de ciclos alternados de humedad y secado, de acuerdo a las condiciones de temperatura y humedad del medio, que pueden afectar severamente el concreto. En el perodo hmedo se produce el ingreso del ion cloruro por difusin, en el secado se elimina el agua en exceso, pero el concreto retiene el cloro, al repetirse el ciclo sucesivamente el porcentaje ion cloruro resulta muy elevado. En esta zona de abundante oxgeno, la corrosin por cloro puede darse conjuntamente con la corrosin por carbonatacin.
Figura 15.- Corrosin por salpicadura Fuente: La corrosin del concreto en ambiente marino, Ing. Manuel Gonzales de la Cotera
6.1.4 Zona de ambiente marino:El concreto no est en contacto con el agua de mar, pero recibe las sales procedentes de la brisa marina y la niebla salina. Puede comprender muchos kilmetros al interior de la costa dependiendo de las caractersticas de los vientos dominantes. Las construcciones de concreto ubicadas en el litoral o alrededores, son propensas a la corrosin por cloro en suspensin en la atmsfera, en forma de microscpicas gotas de agua de mar. En la niebla o aerosol la concentracin salina de cloruros y sulfatos eventualmente puede ser mayor que en el agua de mar, debido a la gran dispersin de las
42 gotas y la evaporacin parcial de agua, en especial cuando la temperatura es alta y la humedad relativa es baja.
Figura 16.- Corrosin en zona de ambiente marino Fuente: La corrosin del concreto en ambiente marino, Ing. Manuel Gonzales de la Cotera En esta zona la corrosin produce fallas caractersticas en el concreto, como fisuras, grietas y desprendimientos del revestimiento, pero adems, causa un peligroso dao invisible, que afecta las estructuras en casos de sismos. En efecto, los cloruros de la brisa marina atacan la estructura reduciendo la seccin del acero de refuerzo, de manera que cuando recibe solicitaciones por efecto del sismo, nicamente puede soportar una pequea parte de la carga de diseo. En las estructuras areas los poros mayores del concreto generalmente se llenan de aire pero cuando la humedad del ambiente es mayor, la superficie de los poros se cubre con una capa de agua adsorbida. Los cloruros disueltos se difunden a travs de esta capa de agua que recubre las paredes de los poros o a travs de los poros llenos de agua; si la cantidad de agua es menor, entonces la cantidad de difusin se reduce. El transporte de las sustancias disueltas en el agua es un proceso de difusin por la humedad del aire, inducido por la gradiente de tensiones. Por medio de la siguiente figura (Figura 16), se ilustran cada una de las zonas o tipologas estructurales descritas anteriormente:
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Figura 17.- Tipologa estructural en zonas de ambiente marino Fuente: La corrosin del concreto en ambiente marino, Ing. Manuel Gonzales de la Cotera Cada una de estas zonas, pertenecientes a la tipologa estructural de la zona con ambiente marino, tiene un riesgo a sufrir corrosin por parte de la estructura. Este riesgo cambia de acuerdo a la zona en la cual se est. Por medio de la Figura 17 se muestra el riesgo proporcional para cada una de las zonas:
Figura 18.- Riesgo de corrosin de acuerdo a la zona Fuente: La corrosin del concreto en ambiente marino, Ing. Manuel Gonzales de la Cotera
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6.2 Requerimientos necesarios para el concreto utilizado en el ambiente marino6.2.1 La seleccin apropiada del cemento a utilizarSi solamente se tomara en consideracin la corrosin de la armadura por los cloruros, con olvido de la carbonatacin y la accin de los sulfatos, se podra pensar que el cemento ms adecuado para un elemento estructural en exposicin marina area, sera el Tipo I y no el resistente a los sulfatos. En efecto, su pasta tiene un pH elevado, sustentado por una gran reserva alcalina, que mantiene la pasividad del acero y adems, es rico en aluminatos de calcio al no contener adiciones. De esta manera, los aluminatos se combinaran con los cloruros que penetran del entorno, impidiendo la corrosin. Lo mencionado anteriormente se aplica por los abundantes aluminatos de calcio hidratados que posee la pasta del portland Tipo I, que son capaces de fijar iones cloruro para formar cloroaluminato de calcio hidratado, que producen dos efectos positivos. Por una parte, inmovilizan iones cloruro bloqueados en forma molecular, inoperantes a efectos corrosivos sobre la armadura; y por otra se bloquean algunos aluminatos hidratados evitando la formacin con los sulfatos, de trisulfoaluminato de calcio hidratado (etringita) expansivo y destructivo para el concreto. Sin embargo, como queda dicho, en ambiente marino la corrosin de la armadura por cloruros no se puede separar del ataque qumico por sulfatos y por el magnesio. En el concreto, se puede dar la formacin de brucita potencialmente expansiva, intercambio catinico de calcio por magnesio en la tobermorita clcica, convirtindola parcialmente en magnesiana no hidrulica, con prdida de cohesin y resistencia, sobre todo en las acciones que tienen lugar en zona de mareas o en inmersin. Los cementos adicionados son favorables para minimizar la permeabilidad a los cloruros debido a su capacidad para entrar en combinacin, con los agentes agresivos. El Cdigo de Construccin de Concreto Armado del ACI, producido por el Comit 318, considera el agua de mar como un ambiente de exposicin moderada a la accin de los sulfatos, a pesar de que esta clasificacin comprende un rango de sulfato de 150 a 1500 ppm. Esto se explica por la atenuacin de la accin de esta sal al combinarse con otras propias del medio. Para los concretos expuestos al agua de mar, prescribe el empleo del cemento portland tipo II y los cementos portland adicionados. En la seccin comentarios del Cdigo se menciona que cualquier tipo de cemento portland con contenido de C3A hasta el 10% puede utilizarse, cuando la relacin agua cemento igual o menor que 0,40. El Comit del ACI 357 que trata de las estructuras offshore de concreto, acepta en obras marinas los cementos Portland tipos I, II III y los cementos portland adicionados. Tambin indica que el contenido de C3A del cemento debe ser mayor que 4%, para la proteccin al acero, y menor del 10% para garantizar la resistencia a los sulfatos. Si tomamos en cuenta los elementos de concreto ubicados entre la alta y la baja marea y aquella expuesta a las salpicaduras, podra adoptarse criterios ms exigentes,
45 indicando el empleo de un cemento portland tipo V para estos elementos sujetos a mayor riesgo. En cuanto a la seleccin del concreto en estructuras areas es el ingeniero quien deber decidir sobre el tipo de cemento considerando su ubicacin, las condiciones del microclima y la experiencia con estructuras vecinas.
6.2.2 Proporciones en la composicin del concretoEl factor ms significativo en la constitucin del concreto expuesto al ambiente marino es su composicin intrnseca. La experiencia internacional ha establecido condiciones similares en los reglamentos ms acreditados. La relacin agua cemento es el factor ms importante en la proteccin de las armaduras, gobierna el volumen de vacos capilares y su interrelacin en el interior del concreto, siendo ste el vehculo para la penetracin de las sales agresivas. Se ha establecido que el mnimo de vacos se obtiene con relaciones agua cemento cercanas a 0,37. El Comit del ACI 318 prescribe una relacin agua cemento de 0,40 para los concretos expuestos al agua de mar o corrientes de vientos marinos. El Comit 352 recomienda este mismo valor para la zona de salpicadura y para las construcciones areas, asumiendo un valor de 0,45 para los concretos sumergidos. Es conveniente considerar el contenido mnimo de cemento, como garanta de la formacin de productos de hidratacin, que aseguren el buen comportamiento del concreto frente a la corrosin. Esta prctica generalizada en el continente europeo, ha sido adoptada por el comit 357 del ACI que recomienda un mnimo de 356 kg/m3, para proteger el acero de la corrosin y un contenido mximo de 415 kg/m3 a efecto de evitar las fisuras por deformacin trmica. Adicionalmente a las dos condiciones establecidas en los prrafos anteriores, los Comits del ACI 357 y 318 estipulan una resistencia mnima, de 35 MPa y de 42 MPa respectivamente para los elementos de concreto expuestos a ataques severos. Esta prescripcin es conveniente debido a que el ensayo de resistencia est generalizado y es de fcil ejecucin, por lo que resulta til en el control de calidad, a diferencia de los mecanismos de control que es necesario asegurar para verificar el contenido de cemento y la relacin agua cemento que se aplica en obra. Finalmente, es necesario asegurar el espesor del concreto que recubre las armaduras. En efecto, la corrosin del concreto se desarrolla en razn de la raz cuadrada del tiempo, en consecuencia si el recubrimiento se reduce a la mitad, la corrosin podr ocurrir aceleradamente en la cuarta parte del tiempo. El recubrimiento del concreto debe ser de espesor tal que retarde el ingreso de cloruros y de ser posible del CO 2. Un factor adicional que facilita la corrosin lo constituyen las fisuras producidas por asentamiento plstico y contraccin, ocasionadas por deficiencia del diseo de mezcla o por el curado inadecuado del concreto. Tambin contribuyen a la corrosin las fisuras por deformacin trmica, que se presenta tardamente y son ocasionadas por exceso en la dosificacin de cemento, por encima de los 400 kg/m3. En todo caso todas las fisuras son peligrosas cuando exceden los 0,4 mm.
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6.2.3 La prevencinPara proteger de la corrosin las estructuras de concreto armado, en especial en zonas de ambiente marino, la medida ms eficiente y econmica es proteger las barras con un recubrimiento de concreto de apropiado espesor y mnima porosidad. Este ltimo factor, se evala por una diminuta relacin agua cemento, alrededor de 0,4 y por la cantidad de cemento, en un lmite de 350 k/m3 estas condiciones se controlan generalmente por la resistencia a la compresin. La seleccin de cemento ms apropiado como son los tipos resistentes a los sulfatos y los cementos adicionados o los Portland tipo I segn sea el caso, contribuye efectivamente a la prevencin. En obras especiales, en las cuales se justifique econmicamente otras medidas de proteccin directa utilizando barras de acero recubiertas de epxicos. Eventualmente, se puede llevar a cabo la proteccin catdica (Se coloca una pieza de aleaciones de zinc, aleaciones de magnesio y aleaciones de aluminio, que se van a corroer en lugar de la pieza que se quiere proteger; la reaccin qumica entre el ambiente y la pieza sacrificada impide la reaccin entre el ambiente y la pieza til. En medio acuoso, basta con atornillar el nodo de sacrificio a la pieza que se debe proteger. Al aire, hay que recubrir totalmente la pieza; es el principio de la galvanizacin), que puede hacerse extensiva a las estructuras existentes. Tambin son aplicables los inhibidores de corrosin, aplicados como adiciones en la masa del concreto, que recientemente han cobrado nuevo desarrollo.
6.2.4 InvestigacinEl anlisis terico dirige la investigacin con el propsito de obtener parmetros cualitativos aplicables al diseo. Los trabajos desarrollados hasta la dcada del 70 se efectuaban sobre especmenes no armados, con propsitos ajenos al de la corrosin del acero. Se daba importancia en cuanto reaccionaban, sin incidir en la velocidad de penetracin. Posteriormente, los estudios de corrosin en laboratorio y en estaciones experimentales se han dirigido a investigar la velocidad de penetracin de los cloruros, sin dar nfasis a su combinacin en las fases del cemento. Se hace evidente la necesidad de tratar experimentalmente en conjunto la penetracin de los cloruros y las reacciones que se producen.
7 Vida tilLa vida til de una estructura puede definirse como el perodo en el cual la estructura conserva los requisitos del proyecto referentes a la seguridad, funcionalidad y esttica, sin tener que incurrirse en costos inesperados de mantenimiento. En el momento en que alguno de los tres factores antes mencionados se viera afectado, se podra concluir
47 que se ha l
