Durabilidad de materiales cementicios en contacto con aguas naturales 31

La interacción que presentan los materiales cementicios con el agua produce procesos de deterioro complicados influidos por diferencies parámetros. La acción de las aguas naturales en los materiales cementicios puede provocar descalcificación o lixiviación de las fases hidratadas, pero además es un proceso que suele aparecer asociado a otros procesos de deterioro.

El deterioro de los materiales cementicios por acción de las aguas naturales se produce en contacto con aguas blandas, que contengan pocas impurezas o por aguas de condensación industrial, aguas de fusión de glaciares, aguas de nieve, aguas de lluvia, aguas pantanosas y algunas aguas procedentes de grandes profundidades. Puede ser causada cuando la superficie de la estructura se pone en contacto con aguas débilmente mineralizadas, como por ejemplo arroyos cuando su cuenca de aportación está formada por tipos de rocas poco solubles, como basalto, granito, etc. En este caso la velocidad de degradación viene condicionada por la velocidad de desaparición del hidróxido cálcico disuelto. Este tipo de degradación puede ser intensa en el caso de que el agua agresiva presente un elevado poder disolvente y existe la posibilidad de una circulación de dicha agua, agravándose si la microestructura del material es altamente porosa (Llorente, 2008).

La fase acuosa en los poros del material cementicio es un sistema en equilibrio termodinámico con los productos de hidratación cercanos. Cuando este sistema se pone en contacto con el agua, se genera un gradiente de potencial químico entre la disolución de los poros y la disolución exterior que provoca la difusión de los iones. El gradiente generado es el responsable de que se produzcan cambios de concentración de los distintos iones dando lugar a la alteración de los equilibrios de disolución precipitación de compuestos en el material (Reardon, 1990).

De modo general, el proceso suele producir una descalcificación de los compuestos de la matriz producida por la disolución de portlandita y posteriormente de los silicatos cálcidos hidratados. En la Figura 3 (Segura, 2008) se muestra un esquema del proceso de difusión de iones y los procesos de disolución/precipitación que provocan las aguas desmineralizadas, al entrar en contacto con los materiales cementicios. Los compuestos de la matriz de cemento hidratado se disolverán o cambiarán su composición de acuerdo a determinados pH y a determinadas concentraciones de los iones principales iones (Ca2+, SO4

2-

, CO3 2-

en la fase acuosa de los poros (Segura, 2008).

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La concentración de Ca2+ en la solución de los poros es determiannte para conocer la estabilidad de los silicatos cálcicos hidratados en la matriz cementicia. A altas concentraciones de calcio (20 mM), el CSH y la portlandita permanecen insolubles. Cuando la concentración de calcio disminuye por debajo de un determinado nivel, los cristales de portlandita comienzan a disolverse. En ausencia de portlandita, el equilibrio está controlado por la descalcificación del gel el CSH. Por debajo de un nivel crítico, (2mM), el CSH llega a estar descalcificado y el producto resultante es un gel rico en sílice sin propiedades conglomerantes (Berner, 1992; Gérard y Le Bellego, 1999).

Figura 3. Esquema de difusión de iones y procesos de disolución/precipitación

provocado por el agua

La disolución de portlandita además de incidir en los equilibrios termodinámicos que relacionan los distintos compuestos del material, afecta a la porosidad capilar de la matriz. Sin embargo, la disolución del calcio procedente del gel CSH parece no provocar cambios en la nanoporosidad ni afectar a la continuidad mecánica de la fase sólida microscópica, por lo que los cambios mecánicos y de transporte producidos no serán los mismos dependiendo de si el calcio proviene de la portlandita o del CSH (Llorente, 2008).

Así pues, la lixixiación de compuestos en el material es un proceso complejo en el que influyen multitud de mecanismos. El uso de moldelos resulta de grán utilidad cuando se trata de describir el comportamiento del material de estudio. En ocasiones puede ser empleado para predecir el comportamiento del material a largo plazo.

Los modelos termodinámicos establecen las ecuaciones termodinámicas implicadas en los procesos de reacción del material en base a datos empíricos Con estos datos implementan los parámetos constitutivos del modelo. El modelo de Berner constituye la base de muchos modelos

numéricos exitentes por la gran compilación de datos de solubilidad que recoge (Berner, 1988 y 1992).

Los modelos numéricos emplean ecuaciones que describen los procesos fisico químicos que caracterizan la degradación del material, implementados sobre modelos de elementos finitos. Todos ellos toman como base la 2º Ley de Fick, descrita por la ecuación 4, aplicada a la concentración del ion en estudio. Los modelos más conocidos son los de Adenot y Buil (1992) y Mainguy et al. (2000), el modelo de Gérard (1999), el modelo de Moranville et al. (2004) y el modelo Stadium (Maltais et al., 2004; Marchand y Delagrave, 1999; Marchand, 2001; Samson y Marchand, 1999 y 2007; Samson et al., 1999 y 2000).

Los modelos de Adenot y Buil (1992) y Mainguy et al. (2000) que estudian la cinética del proceso de degradación por agua desionizada y plantea un modelo que, tomando como factores dominantes la difusión y el equilibrio químico local, permite describir la zonificación que tiene lugar en el material (Segura, 2008).

El modelo de Gérard (1999) parte del modelo de Berner y toma la concentración de Ca2+ como la variable de estado que define el modelo. A partir de una serie de premisas establece la ley de conservación de masas en base al coeficiente de difusión del calcio, que es función de la porosidad (Segura, 2008).

El modelo de Moranville et al. (2004) simula el proceso mediante acoplamiento de las interacciones que se producen entre el la fase acuosa y los compuestos del material. Asume que la fase acuosa se encuentra saturada, lo que permite aceptar la hipótesis de un proceso controlado por la difusión.

El modelo Stadium modeliza el transporte multiiónico para materiales cementicios en estado saturado y no saturado. Tiene en cuenta los mecanismos clásicos de difusión de Fick, el acoplamiento eléctrico entre varios iones y los efectos de la actividad química. Considera también el fenómeno de la succión capilar y una amplia cantidad de reacciones químicas típicas en este tipo de materiales, por lo que constituye uno de los más completos y complejos (Segura, 2008).

Los modelos estadísticos emplean datos empíricos del proceso de degradación para obtener ecuaciones que permitan relacionar los parámetros implicados en el proceso de degradación. El proceso consiste en elaborar un cierto número de hipótesis sobre las causas que producen un

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determinado efecto y estas hipótesis son luego verificadas o no según el modelo estadístico. El modelo más clásico es la regresión múltiple, que se aplica cuando el conjunto de variables en juego son cuantitativas (Segura, 2008). En base a estudios previos llevados a cabo en el marco de la presente investigación se empleará este tipo de modelo para describir las alteraciones en la microestructura que se producen en el material en función de la disolución potencialmente agresiva empleada.

El modelo asume que la degradación se produce por la difusión de las especies agresivas en la matriz sólida siguiendo la 2º Ley de Fick. Numerosos autores han demostrado que el proceso de descalcificación por agua desionizada, aguas naturales, u otros agresivos es un proceso controlado por la etapa de difusión (Adenot y Buil, 1992; Cardé y Francois, 1997; Carde et al. 1996; Gérard et al., 2002; Mainguy et al. 2000; Perlot et al., 2006). La cantidad de ion lixiviado en un proceso difusional es proporcional a la en raíz del tiempo, por lo que la velocidad de las reacciones químicas de disolución/precipitación es mayor que la difusión.

Los límites del modelo se encuentran cuando las características físicas del material se modifican de forma importante, como puede ser debido al aumento de la porosidad. El régimen controlado por difusión (lineal con raíz de t) deja paso a una cinética lineal en t cuando se agota la portlandita y comienza la disolución del CSH en la superficie del material (Faucon et al, 1997).

2.4.4.DURABILIDAD DE MATERIALES CEMENTICIOS EN CONTACTO CON