El ataque por sales, en nuestro caso especificamente por sulfatos puede deberse a dos causas:
a) La reacción química del hidróxido de calcio (cal libre), que forma sulfato de calcio (yeso).
b) Combinación del yeso con aluminato de calcio hidratado para formar sulfoaluminato de calcio (etringita).
Estas dos reacciones tienen como resultado un aumento del volumen sólido (en aproximadamente un 18%) y a la segunda se le atribuyen la mayoría de las expansiones, rupturas y ablandamiento del concreto causadas por soluciones de sulfato.
De acuerdo con Neville, las consecuencias del ataque de sulfatos no sólo producen degradación por expansión y fisuración; sino también, una reducción en la resistencia mecánica debido a la pérdida de cohesión en la pasta de cemento. Desde luego, lo anterior conlleva una pérdida de adherencia entre la pasta y las partículas de los agregados. El deterioro, por lo general, comienza en las aristas y esquinas agudas, siguiendo una microfisuración y una fisuración que astillan el concreto y lo reducen a una condición friable y blanda.
El ion sulfato que se expresa como (SO4H2) y que causa la degradación del concreto puede ser de origen natural, biológico o industrial.
Entre los sulfatos de origen natural se pueden mencionar algunos suelos orgánicos, suelos que contengan turbas, algunos suelos arcillosos o aguas freáticas de estos misms suelos, que pueden producir sales sulfatadas. Los sulfatos en forma de sales más agresivas son sulfato de amonio (NH4SO4), el sulfato de calcio (CaSO4, o yeso), el sulfato de magnesio (MgSO4), el sulfato de sodio (NaSO4). Algunos sulfatos menos agresivos, pero de todas maneras dañinos son: el sulfato de cobre, el sulfato de aluminio y el sulfato de bario, que son insolubles en el agua.
Otra fuente natural de sulfatos, es el agua de mar, que aparte de contener sales de sulfatos, está compuesta de otras sales, cuya acción química de conjunto puede ser supremamente agresiva con el concreto. Entre
las sales disueltas más comunes en el agua de mar están: Cloruro de Sodio (NaCl), cloruro de magnesio (MgCl2), sulfato de magnesio (MgSO4), sulfato de calcio (CaSO4), cloruro de potasio (KCl), y sulfato de potasio (K2SO4).
Como sulfatos de origen biológico se pueden considerar aquellos que provienen de la presencia de microorganismos sobre la superficie del concreto, o de aguas residuales que experimentan descomposición biológica de carácter aeróbico en sustancias orgánicas albuminoideas que habitualmente contienen proteinas o azufre. También, los abonos artificiales y el estiercol incrementan en forma importante el contenido de sulfatos en el suelo.
Entre los sulfatos de origen industrial, se destacan los que proceden de aguas residuales con derivados orgánicos e inorgánicos del azufre, especialmente sulfatos (aguas domésticas) y sulfitos SO3-2 (aguas industriales). También están los que provienen de plantas industriales y fábricas de fertilizantes, galvanizados, laboratorios fotográficos, coque, u otros, los cuales penetran el suelo y/o las aguas subterraneas.
Por otra parte, en zonas industriales y zonas urbanas donde hay combustión de carbón a gasolina con azufre, se libera dióxido de azufre que en presencia de oxígeno y humedad forman ácido sulfúrico. Las lluvias ácidas, también contienen sulfatos en forma de solución diluída de ácido sulfúrico, el cual ataca la superficie del concreto endurecido.
Entre los factores que más contribuyen con la acción expansiva de los sulfatos, se encuentran los siguientes:
a) Las condiciones de exposición del concreto. b) La presencia de humedad
c) La permeabilidad del concreto, que influye en la velocidad de transporte de los iones sulfato.
d) La descomposición del concreto, principalmente el tipo y cantidad de cemento (Contenido de C3A).
El ataque por sulfatos ocurre por la formación de productos sólidos de la reacción los cuales tienen un volumen mayor que el que ellos reemplazan.
Esto causa una fuerza expansiva que rompe el concreto, especialmente cuando grandes cantidades de solución salina penetran en la masa de concreto.
El sulfato de sodio reacciona con el aluminato de calcio hidratado para producir etringita con aumento de volumen. Igualmente reacciona con el hidróxido de calcio para producir yeso cuyo volumen es el doble del de los sólidos iniciales.
El sulfato de magnesio, además de atacar al aluminato hidratado con la formación de etringita, ataca a los silicatos hidratados formando yeso, hidróxido de magnesio casi insoluble y gel sílice.
Siendo la etringita inestable en presencia del sulfato de magnesio, la reacción al continuar forma yeso. Así, el ataque de este sulfato es potencialmente más extenso que los ataques de sodio o potasio.
Los sulfatos de calcio, magnesio o sodio pueden reaccionar con el aluminato tricálcico y la cal libre del cemento para forma sulfoaluminato con gran aumento de volumen, expansión y agrietamiento del concreto.
El sulfoaluminato de calcio que se forma en el ataque es una sal doble de baja solubilidad, la cual tiene un alto contenido de agua de cristalización, lo que le permite un gran aumento de volumen el cual origina presión, agrietamiento y destrucción del concreto.
El sulfoaluminato requiere para formarse de la presencia de aluminato tricálcico, compuesto que reduce la resistencia del concreto al ataque por sulfatos. La reacción sulfato de calcio-aluminato tricálcico forma rápidamente cristales de sulfoaluminato de calcio, apareciendo inmediatamente después el aluminato cálcico hidratado.
Estas reacciones se producen con gran incremento del volumen de sólidos, el cual es el responsable de la expansión y destrucción del concreto causada por la soluciones de sulfatos. Adicionalmente puede presentarse, además de las mencionadas, una acción puramente física por cristalización de los sulfatos en los poros del concreto, la misma que puede causar daño
considerable y ataques destructivos al concreto.
Esta acción destructiva se incrementa con la concentración de sulfatos en el agua, por renovación del medio agresivo, por alternancia de los procesos de saturación y secado, por absorción y elevación capilar, y por la acción del clima que puede favorecer la formación de cristales de sulfatos y sulfoaluminatos.
4.2.- MECANISMO DE ATAQUE
Se han citado muchos casos en los que el deterioro ha ocurrido por acción física de las sales del agua del subsuelo, las que contenían sulfato de sodio, carbonato de sodio o cloruro de sodio. El mecanismo del ataque no está a la fecha claramente entendido, pero posibles mecanismos han sido presentados por diversos y numerosos investigadores.
El mecanismo para ataques físicos por sulfatos de sodio o magnesio puede ser similar a aquel empleado en el test Brard, el cual es la base de la Norma ASTM C 88. El daño ocurre en la superficie expuesta de concreto húmedo que está en contacto con suelos que contienen las sales mencionadas. Cuando éstas se disuelven, los iones pueden ser transportados a través del concreto, y posteriormente concentrarse y precipitarse en la superficie expuesta.
El daño en ésta se manifiesta como un descascaramiento superficial, similar en apariencia al que ocurriría por procesos de congelación y deshielo. Así, la pérdida del concreto expuesto es progresiva, y de continuar ésta exposición, causada por ciclos repetidos de humedad o temperatura, puede llegar a la desintegración total en concretos de pobre calidad. Numerosos ciclos de deshidratación y rehidratación de las sales, causados por ciclos de temperatura, aceleran éste deterioro.
El problema puede ser mitigado tomando medidas que minimicen el movimiento del agua en el concreto. Aunque la incorporación de aire también puede ser una ayuda, no es un substituto para un concreto de baja relación agua-cementante en el proceso de reducción del movimiento de humedad en el concreto.
Haynes en 1996 recomendó una relación agua-cementante máxima de 0.45, empleando una puzolana para mejorar la durabilidad. Un curado adecuado del concreto es igualmente una importante medida preventiva. Un drenaje adecuado del agua también es recomendado para reducir el ingreso de humedad en el concreto.
Las medidas mencionadas son consideradas más efectivas para proteger el concreto de este ataque que el uso de un tipo de cemento o de un aditivo o adición determinados.