Mecanismos de deterioro directo

Ataque por sulfatos

El deterioro de los materiales cementicios debido al ataque químico de los sulfatos es un caso típico, ampliamente descrito en múltiple bibliografía de hormigón (Neville, 2002; Skalny, 2002). Este deterioro es el resultado de la penetración de

este agente agresivo y de sus consiguientes reacciones químicas con la matriz de cemento. Las tres principales reacciones que tienen lugar son:

- Formación de ettringita: conversión del aluminato de calcio hidratado al sulfoaluminato de calcio.

- Formación de yeso: conversión de hidróxido de calcio a sulfato de calcio. - Descalcificación: descomposición de los silicatos de calcio hidratado.

Estas reacciones químicas pueden conducir a la expansión y fisuración del material, así como a la consecuente pérdida de resistencias mecánicas del mismo. La forma y el avance de los daños en un mortero u hormigón, dependen de la concentración de sulfato, el tipo de cationes en la solución de sulfato (especialmente en el mar, sodio o magnesio), el pH de la solución y la microestructura de la matriz de cemento endurecido. Algunos cementos son más susceptibles al sulfato de magnesio que al sulfato de sodio, el mecanismo clave es la sustitución del calcio en el silicato de calcio hidratado por magnesio, que forman gran parte de la matriz de cemento. Esto conduce a una pérdida de las propiedades de unión y pérdida de la capacidad resistente. La formación de los hidratos de magnesio (Mg(OH)2) brucita y silicato de

magnesio indica la presencia del ataque de magnesio.

Otro mecanismo de deterioro surge como consecuencia de la formación de yeso como resultado del intercambio químico que se produce entre los iones sulfato provenientes del medio ambiente y los grupos (OH)- del hidróxido de calcio, formado durante la hidratación de la pasta cementica como subproducto de las reacciones de formación de los silicatos de calcio (SCH). Este mecanismo también es conocido como ataque ácido de los sulfatos. La reacción química que se produce está representada por la ecuación (2.3).

Estas formaciones de sulfato actúan modificando la reacción principal de formación de ettringita.

La ettringita cristaliza asociada con 32 moléculas de agua, ecuación (2.4), que causan un fuerte incremento del volumen de la pasta de cemento. En esta pasta, si se encuentra en estado endurecido, se produce una fisuración progresiva con incremento de la permeabilidad y la consiguiente disminución de resistencia (Gaal, 2004). Si la presión generada dentro de la matriz del cemento es superior a su capacidad resistente, el material de base cemento se fisurará llegando a colapsar (Brown, 2002 y Irassar, 2003)

.

3(𝐶𝑎𝑆𝑂₄. 2𝐻₂𝑂) + 3𝐶𝑎𝑂𝐴𝑙₂𝑂₃+ 26𝐻₂𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂𝐴𝑙₂𝑂₃𝐶𝑎𝑆𝑂₄. 32𝐻₂𝑂 (2.4)

La formación de ettringita puede prevenirse con el uso de algunos cementos resistentes a los sulfatos.

La intensidad del ataque o el grado de degradación depende de la calidad del material cementicio (tipo de cemento, relación a/c, condiciones de curado, adiciones minerales, deterioro del hormigón antes del ataque) y de las condiciones ambientales (concentración, distribución y tipo de sulfatos, humedad y temperatura, pH de la solución, efecto combinado de diferentes procesos de degradación, etc.).

El deterioro químico por las sales

El ingreso de sales en la pasta de cemento y las reacciones con los compuestos hidratados del cemento causan deterioro de la matriz y/o la pérdida de la protección frente a la corrosión del acero. Tanto la oposición física de los materiales al ingreso de estas sales, como la resistencia química de los materiales a reacciones con sales, determinan su comportamiento durable frente a este agente. El tipo de

cemento y las proporciones de la mezcla son claves en la resistencia del material cementicio frente a este ataque químico.

Al actuar una sal sobre un hormigón o mortero, pueden formarse productos que pueden ser, bien solubles, o bien insolubles y expansivos. El grado de agresividad depende básicamente del tipo de aniones o de cationes que tenga la sal, del tipo de cemento, de la permeabilidad del material, de la concentración de sal y de la temperatura.

El deterioro por la acción de sales es similar al deterioro por la acción de ácidos. Dos ejemplos de las más agresivas para un material de base cementica son la de magnesio y la de amonio.

Ataque por la acción de ciclos hielo-deshielo

El deterioro de los materiales cementicios por la acción del hielo-deshielo puede darse cuando este está críticamente saturado, con aproximadamente el 91 % de sus poros llenos de agua. Durante el proceso de congelación del agua, su volumen aumenta alrededor de un 9 %. Si no hay ningún espacio para absorber esta expansión de volumen en poros de tamaño grande (macroporos). Esa expansión del volumen del agua provoca la fisuración del hormigón. (Experts, 2006).

En las estructuras de hormigón el hielo se forma desde el exterior hacia el interior. Si los poros presentes en la parte externa de la capa exterior están bloqueados por presencia de agua congelada en los mismos, el agua de poro localizada debajo del hielo no tendrá espacio para expandirse, aumentando la presión. Cuando la presión sube por encima de la capacidad resistente, dañará la capa exterior de la estructura, causando a menudo descascarillamiento. Resumiendo, los principales mecanismos que explican el deterioro por hielo-deshielo corresponden a la presión hidráulica y la presión osmótica inducida en la red porosa de los materiales (Méndez, 2007).

La reacción álcali-árido

Algunos áridos, sobre todo aquellos que contienen sílice amorfa, como los ópalos, o parcialmente cristalizada, como las calcedonias y las tridimitas, reaccionan con los álcalis del cemento cuando existe presencia de agua en los poros, dando lugar a compuestos gelatinosos de silicato alcalino que son expansivos y pueden destruir el mortero u hormigón. La reacción álcali-sílice (en adelante ASR) es la más común y estudiada de las reacciones álcali-árido. Sin embargo, algunos áridos carbonatados también pueden producir este tipo de problemas originados por la reacción con los álcalis del cemento. En la fabricación de un material de base cementicia, la hidratación del cemento Portland da como resultado una solución intersticial que contiene hidróxidos de calcio, de sodio y de potasio. El hidróxido de calcio está en forma cristalizada mientras que los hidróxidos de sodio y de potasio se encuentran presentes en la solución. La reacción álcali-sílice se produce cuando la disolución alcalina de los poros del hormigón y los minerales silíceos de algunos áridos reaccionan para formar un gel que, al embeber agua, aumenta drásticamente el volumen y la presión en la matriz de cemento, y finalmente, ante la falta de capacidad resistente, provocan la aparición de fisuras.

El ataque por la solución alcalina provoca una desintegración de la estructura del árido, y el paso de la sílice en solución al estado de iones positivos (H2SiO4). El

proceso químico de la reacción de sílice-álcali se presenta en la ecuación (2.5) (Segarra, 2005).

2𝑁𝑎𝑂𝐻 + 𝑆𝑖𝑂₂+ 𝐻₂𝑂 → 𝑁𝑎₂𝑆𝑖𝑂₃. 2𝐻₂𝑂

álcali sílice agua álcali – gel de sílice

(2.5)