ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL HORMIGÓN
2.1 MESOESTRUCTURA DEL HORMIGÓN
2.2.2 Estructura y mecanismos de transporte
En tecnología del hormigón el término durabilidad se puede definir como la habilidad que posee el hormigón de resistir las acciones del medio ambiente en el que está emplazado, el comité ACI 201 la define como la capacidad para resistir la acción del tiempo, los ataques químicos, la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro, es decir para ser durable el hormigón deberá retener su forma original, su calidad y su servicio al ser expuesto al medio ambiente.
Para controlar la velocidad de deterioro del hormigón es esencial diseñar por durabilidad restringiendo los mecanismos de deterioro cerca de la superficie. A través de una superficie deteriorada ingresan más fácilmente agentes agresivos del medio que a su vez incrementan el daño favoreciendo la continuidad del proceso. Tal vez la propiedad más importante del hormigón para asegurar su durabilidad sea la de resistir el flujo de fluidos a través de él, esta propiedad se conoce como permeabilidad.
La durabilidad del hormigón está relacionada con la velocidad con que el agua y los agentes agresivos que ésta transporta ingresan en el material. El movimiento de la humedad dentro del hormigón es bastante complejo debido al amplio rango de tamaño de poros, los cambios en la estructura de poros en el tiempo y la interacción entre el agua, el vapor de agua y el sistema de poros. El mecanismo de ingreso dominante en períodos cortos de tiempo (horas) especialmente en superficies no saturadas o parcialmente saturadas, es la absorción capilar, el transporte a través de los poros capilares. En cambio el transporte de humedad en períodos largos de tiempo está dominado por el transporte a través de los poros del gel y por difusión (Neithalath, 2006).
Se analizan a continuación las propiedades de transporte vinculadas con la durabilidad.
La Permeabilidad es la propiedad que describe el movimiento de fluidos a través de la estructura de poros saturados del hormigón bajo una presión externa. La permeabilidad al agua está definida por la ley de Darcy como:
Q = -KA(ΔP/Δl) siendo K = coeficiente de permeabilidad al agua. Q = caudal.
ΔP = variación de presión. Δl = trayectoria del flujo.
A = área sobre la que está aplicado el flujo.
En el caso del hormigón la permeabilidad depende de la estructura interna, el contenido de humedad y las características del fluido que se infiltra (agua, gases). Dado que la resistencia y la permeabilidad están relacionadas a través de la porosidad capilar muchos de los factores que afectan la resistencia del hormigón también afectan la permeabilidad. La permeabilidad comienza y continúa incrementándose en la medida que exista una trayectoria de flujo continua, por esta razón es más perjudicial la existencia de una gran cantidad de poros interconectados que el tamaño de los mismos.
El coeficiente de permeabilidad puede ser un buen índice para evaluar la durabilidad del hormigón (De Schutter y Audenaert
, 2004).
En cuanto a órdenes de magnitud el coeficiente de permeabilidad de un hormigón de resistencia moderada (a/c=0.50) es del orden de 1x10-12 m/s mientras que en un hormigón de bajaresistencia (a/c=0.75) crece significativamente y alcanza cerca de 30x10-12 m/s.
Las cargas a las que se encuentra sometida una estructura durante su vida en servicio no son, en general, suficientemente importantes como para causar un daño grave. Sin embargo con el tiempo la degradación puede crecer, formándose microfisuras. En estructuras de retención de agua, estas variaciones en la estructura interna del material son de gran interés ya que dan lugar a grandes diferencias en la permeabilidad. En general, en todo tipo de estructuras de hormigón armado las fisuras aumentan significativamente la permeabilidad del hormigón, acelerando los procesos de deterioro.
La caracterización en el mesonivel adquiere interés ya que los cambios dependen del tipo de fisuras. Se ha observado que cuando las fisuras poseen un ancho mayor a 100 μm aproximadamente la permeabilidad se incrementa sustancialmente (Wang et al, 1997, Aldea et al, 1999a y b). Wang et al (1997) presentaron ensayos de permeabilidad sobre muestras prefisuradas, las fisuras se generaron en el centro de cada probeta a través de tracción por compresión diametral;
se encontró que para aperturas de fisuras menores a 50 μm no se observaron variaciones con respecto a la permeabilidad, para aperturas entre 50 y 200 μm se producía un rápido incremento y para aperturas mayores a 200 μm la velocidad de incremento de la permeabilidad se tornaba más estable.
Varios estudios han demostrado que el hormigón reforzado con fibras mejora la permeabilidad ya que las fibras actúan de manera tal que favorecen la formación de múltiples fisuras de menor magnitud (Persson, 2004, Bhargava y Banthia, 2008). Rapoport et al (2002) observaron que para anchos de fisura mayores a 100 μm la inclusión de fibras reducía la permeabilidad del hormigón, pero no tendría mayor influencia en anchos menores.
El proceso a través del cual los líquidos, gases o iones se mueven a través de los poros del material bajo la acción de un gradiente de concentración se denomina Difusión. Se puede definir un coeficiente de difusión como:
J = -DΔc/Δx siendo J = velocidad de transferencia de la masa a través de una sección unitaria.
Δc/Δx = gradiente de concentración. D = coeficiente de difusión.
Este mecanismo puede ocurrir en hormigones parcial o completamente saturados y es importante en estructuras expuestas a la acción de agentes agresivos. En particular la difusión de cloruros es altamente peligrosa para las estructuras de hormigón armado ya que el ingreso de éstos produce la despasivación de las armaduras. La velocidad de difusión depende de la temperatura, la humedad interna, el tipo de difusor y de la difusividad inherente del material.
Según Gerard y Marchand (2000) la presencia de fisuras continuas dentro del hormigón incrementa la difusividad del material entre 2 y 10 veces. Los mismos autores observaron que su influencia se hace más notoria a medida que aumenta la relación D1/D0 siendo D1 el coeficiente de difusión de iones en solución libre y D0 el
coeficiente de difusión de iones en el material homogéneo es decir sin fisuración, esto esencialmente significa que el efecto de las fisuras es más importante en materiales densos como los hormigones de alta performance en los cuales el coeficiente de transporte inicial (sin fisuración) es pequeño (Gerard y Marchand, 2000).
La Absorción Capilar es el mecanismo por el cual un fluido ingresa por acción de fuerzas capilares a un material poroso que no se encuentra saturado. La absorción de agua por capilaridad es inversamente proporcional al radio de poros. También depende de la geometría del poro y del nivel de saturación del material (este fenómeno no ocurre en un material completamente saturado), evidentemente a mayor cantidad de poros interconectados mayor será el ingreso de agua y de agentes agresivos.
La absorción capilar es el mecanismo de transporte que habitualmente se presenta en aquellas estructuras en las que el hormigón se encuentra sujeto a ciclos de humedecimiento y secado. El mecanismo es cuantificado a través de la velocidad de succión capilar que representa la velocidad de penetración del líquido por capilaridad.
A = C + st1/2 siendo A= masa de agua absorbida por unidad de área de la
sección mojada.
C = perturbación inicial (según algunos investigadores es dependiente de la terminación de la superficie).
s = velocidad de succión. t = tiempo.
La absorción capilar es muy sensible al tipo de curado, curados prolongados disminuyen la absorción capilar en forma considerable, el efecto es más notorio en hormigones de razones agua/cemento bajas (Tasdemir, 2003, Taus et al, 2005).