2. MICROESTRUCTURA Y DURABILIDAD 5
2.4. Durabilidad 21
2.4.1. Mecanismos de transporte en el interior de los sistemas cementantes 22
El transporte combinado de calor, humedad y sustancias químicas a través del material, y el intercambio con el medio exterior, así como los parámetros que controlan estos mecanismos de transporte, constituyen los elementos principales de la durabilidad. Excepto el deterioro mecánico, la presencia de agua es el principal factor de deterioro. La estructura de la red de poros –tipo, tamaño y distribución- y la presencia y tipo de fisuras gobiernan la entrada y el transporte de agua a través del material, de modo que su conocimiento puede ser considerado como esencial.
La penetración de elementos agresivos desde el exterior –sustancias y gases disueltos- está controlada por la permeabilidad del material que depende, a su vez de la estructura de los poros, la configuración de las fisuras y el contenido de agua en los mismos (Shazali et al., 2006).
Los agentes potencialmente agresivos penetran a través de la estructura porosa del hormigón, en estado gaseoso o líquido. Del mismo modo, los iones disueltos en la fase acuosa contenida en los poros se abren paso por la red porosa. En general, los mecanismos de transporte difieren
unos de otros por la fuerza impulsora que actúa, pudiendo ser ésta un gradiente de concentraciones (difusión), tensión superficial de los poros capilares (absorción), diferencia en presión (permeabilidad), diferencia en densidad o temperatura (convección) y diferencia de potencial electrostático (migración iónica). A continuación se describen los mismos:
Difusión: es un proceso físico, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente de ellas. Éste es inducido por la existencia de un gradiente de concentración que tiende a equilibrar los diferentes niveles de concentración. El proceso puede producirse en régimen estacionario (donde el caudal se mantiene constante en el tiempo) o transitorio.
Absorción capilar: es una succión que se debe a que la superficie libre de los sólidos tiene un exceso de energía debido a la falta de enlaces con otras moléculas cercanas. Ésto tiende a compensarse absorbiendo moléculas de agua que están en la superficie y continúa hasta alcanzar un estado de equilibrio. El transporte de líquido a través de los poros capilares por la tensión superficial, se genera sobre el menisco provocando que el líquido se eleve en el poro. Este proceso depende de las propiedades de líquido (viscosidad, densidad, tensión superficial) y del sólido (estructura porosa).
Permeabilidad: es la capacidad para permitir que un fluido atraviese sin alterar la estructura interna de un material. Ésta tiene lugar cuando un fluido líquido o gaseoso, atraviesan el material debido a la fuerza impulsora generada mediante un diferencial de presión hidráulica.
Migración iónica: ocurre si entre distintos puntos de un electrolito se producen diferencias en el potencial electrostático. El campo eléctrico resultante es causa de un flujo de carga en sentido del campo. En los materiales cementicios el electrolito es la fase acuosa embebida en los poros del material.
Convección: se produce por la diferencia de temperatura existente entre dos zonas del material. Los fluidos existentes en la zona de mayor temperatura aumentan de volumen, por lo tanto, disminuyen su densidad. El fluido tiende a homogenizar sus propiedades para lo que necesita desplazarse hacia las zonas más frías.
Junto a estos mecanismos existen varios factores que condicionan la entrada de los agentes agresivos. Entre ellos destacan las condiciones ambientales, la concentración local de las
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sustancias, la porosidad total, la distribución y el tamaño de poros en el material, anchura y número de microfisuras existentes, grado de saturación de la red de poros y la temperatura (RILEM, 1999).
En la práctica, el transporte a través del material depende de varios de los mecanismos y no suele ser función exclusiva de uno de ellos. Generalmente varios actúan simultáneamente como consecuencia del amplio rango de tamaños de poros y de la enorme variación de humedad que se produce en los materiales base cemento en función de las condiciones de exposición. Como consecuencia del transporte de los agentes agresivos, la matriz puede alterar su estructura física por la absorción química de determinados iones sobre las fases sólidas (Castellote, 1997).
Otro factor que tiene influencia en la capacidad de transporte de los iones a través del material es la composición química de las soluciones contenidas en los poros de la pasta de cemento. La naturaleza del solvente determina la viscosidad de la disolución y el grado de solvatación de los iones (Helfferich, 1962).
Como ya se ha expuesto, el transporte de iones a través del material se debe a varios mecanismos. A fin de determinar la importancia relativa de cada uno y poder resolver las ecuaciones de flujo que derivan de los mismos, la mayoría de los estudios existentes no consideran la absorción capilar y los provocados por gradientes de presión. No se cometen errores significativos si se considera el material saturado y en condiciones homogéneas.
En esas condiciones el transporte de los agentes agresivos se puede representar utilizando la ecuación de Nernst-Plank, como si de un electrolito se tratara. Esta ecuación considera el movimiento iónico total como la suma de los mecanismos de difusión, migración y convección (Bard y Faulkner, 2001) j j j j j j j j
z F
J
D
C
D C
C v
RT
= − ∇
−
∇∅ +
Ecuación 1
Donde:
Jj es el flujo de la especie j (mol·cm-2·s-1).
Dj es el coeficiente de difusión de la especie j (cm -2
·s-1).
Cj es la concentración de la especie j (mol·cm -3
).
vj es la velocidad del ion (cm·s -1
).
F es el número de Faraday (cal·v-1·eq-1).
R es la constante de los gases (cal·mol-1·K-1).
T es la temperatura (K).
∇ es el vector operador gradiente para la transferencia de masa unidimensional y en coordenadas rectangulares [i·(∂/∂x)] donde i es el vector unidad en eleje de abcisas y x la distancia.
Ø es la diferencia de potencial electróstatico (v).
En el estado no estacionario se emplea la ecuación:
j j j
Cj
zjF
D
Cj
D
Cj
v
t
RT
2∂
=
∇
−
∇( ∇∅) −
∂
Ecuación 2
En situaciones de presión y temperatura constantes, es posible descartar los fenómenos de convección en la fase acuosa de la estructura porosa. En condiciones naturales no se produce la migración. Debido a esto y con el fin de realizar simplificaciones para poder estudiar el transporte de los iones a través del hormigón, en los ensayos se intenta que el flujo de las especies se límite a un solo mecanismo, la difusión.
En 1855, Fick adaptó la ecuación empírica de Fourier para la conducción del calor al estudio de la difusión. De tal manera que el flujo de una sustancia a través de una sección definida es proporcional al gradiente de concentración medido en la dirección perpendicular a la sección de paso (McCabe y Smith, 1981). La primera ley de Fick para la difusión en estado estacionario se define como:
C
F
D
x
∂
= −
∂
Ecuación 3
Donde:
F es la velocidad de transferencia por unidad de área.
D es el coeficiente de difusión.
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x es la longitud de penetración en el sentido normal de la sección.
Al relacionar las variaciones de la concentración con el tiempo y el espacio durante el proceso de difusión, el flujo se considera no estacionario y se aplica la segunda ley de Fick:
2 2
C
C
D
t
x
∂
∂
= −
∂
∂
Ecuación 4
Donde: D es el coeficiente de difusión. C es la concentración de la especie que difunde.
x es la longitud de penetración en el sentido normal de la sección.
La solución de la ecuación requiere definir las condiciones iníciales y de contorno de cada caso.