Tipos de fallas patológicas

Corrosión de los metales ahogados

El concreto es un material de alta alcalinidad. El pH del concreto recién mezclado generalmente se ubica entre 12 y 13. En este rango de alcalinidad, el acero ahogado está protegido contra la corrosión por una película de pasivación adherida a la superficie de la varilla de refuerzo. Por lo tanto, cuando se rompe esta puede surgir la corrosión.

La corrosión es un proceso electroquímico que requiere de un ánodo, un cátodo y un electrolito. La matriz de un concreto húmedo forma un electrolito aceptable, y el acero de refuerzo proporciona el ánodo y el cátodo. La corriente eléctrica influye entre el cátodo y el ánodo, y la reacción da como resultado un incremento en el volumen del metal cuando el Fe (hierro) se oxida para formar Fe (OH)2 y Fe (OH)3 y se precipita como FeO OH (color de herrumbre). Para que la reacción tenga lugar debe haber agua y oxígeno. En concreto de buena calidad la velocidad de la

77 corrosión será muy lenta. Tendrá lugar corrosión acelerada si el pH (alcalinidad) se reduce (carbonatación) o si se introducen en el concreto químicos agresivos o metales diferentes. Otras causas incluyen corrientes eléctricas vagabundas y celdas de concentración causadas por un ambiente químico disparejo o variable.

Agrietamiento y astillamiento inducidos por corrosión

El agrietamiento y el astillamiento del concreto inducidos por la corrosión del acero son funciones de las siguientes variables:

1. Resistencia a tensión del concreto.

2. Calidad y espesor del recubrimiento del concreto sobre la varilla de refuerzo. 3. Adherencia entre la varilla de refuerzo y el concreto circundante.

4. Diámetro de la varilla de refuerzo.

5. Porcentaje de la corrosión por peso de la varilla de refuerzo.

Con una relación de espesor recubrimiento a diámetro de la varilla (C/D) igual a 7, el agrietamiento del concreto inicia cuando la corrosión alcanza el 4%, mientras que con una relación C/D de 3, solamente el 1% de la corrosión es suficiente para agrietar el concreto (ver tabla siguiente). Tabla 2.37. Relación C/D respecto al porcentaje de corrosión.

RELACIÓN C/D RECUBRIMIENTO, pulgada/mm

TAMAÑO DE VARILLA PORCENTAJE DE CORROSIÓN PARA CAUSAR AGRIETAMIENTO

7 3.5/89 #4 4%

3 1.5/38 #4 1%

Penetración de cloruros

Los cloruros pueden introducirse en el concreto cuando éste entra en contacto con ambientes que los contienen, tales como agua de mar o sales descongelantes.

La penetración de los cloruros empieza en la superficie, posteriormente se mueve hacia adentro. La penetración toma tiempo, dependiendo de:

1. La cantidad de cloruros que entra en contacto con el concreto. 2. La permeabilidad del concreto.

3. La cantidad de humedad presente.

En algunas ocasiones, la concentración de cloruros en contacto con el acero de refuerzo causará corrosión cuando estén presentes humedad y oxígeno.

A medida que se forma una capa de herrumbre, las fuerzas de tensión generales por la expansión del óxido, hacen que el concreto se agriete y se deslamine.

El astillamiento de la laminación ocurre cuando las fuerzas naturales de gravedad o las cargas actúan en el concreto flojo. Cuando el agrietamiento y la delaminación progresan, tiene lugar una corrosión acelerada, debido al fácil acceso de sales corrosivas, oxígeno y humedad. Entonces la corrosión empieza a afectar las varillas de refuerzo ahogadas más adentro del concreto.

La concentración de cloruros necesarios para promover la corrosión, entre otros factores, es afectada grandemente por el pH del concreto. Se demostró que se requiere un nivel de umbral de 8000 ppm de iones de cloruro para iniciar la corrosión, cuando el pH era del 13.2. Cuando el pH se reducía a 11.6, la corrosión se iniciaba con solamente 71 ppm de iones de cloruro.

78 Las grietas y las juntas de construcción en el concreto permiten que los químicos corrosivos tales como las sales descongelantes entren al concreto y se introduzcan en el acero de refuerzo.

La corrosión del acero puede presentarse, inclusive, en un ambiente altamente alcalino cuando hay presencia de cloruros.

Los cloruros no se consumen en el proceso de corrosión, pero si actúan como catalizadores para el proceso y permanecen en el concreto.

El ACI 224 R – 90 presenta la tabla siguiente de anchos de grietas tolerables en el concreto reforzado.

Tabal 2.38. Anchos de grietas tolerables en el concreto reforzado.

CONDICIÓN DE EXPOSICIÓN ANCHO DE GRIETA TOLERABLE

(pulgada) (mm) Aire seco, membrana

protectora

0.016 0.41

Humedad, aire húmedo, suelo 0.012 0.30

Químicos para deshielar 0.007 0.18

Agua de mar y rociado con agua de mar; mojado y secado

0.006 0.15

Estructuras que retienen el agua

0.004 0.10

Cloruros en el colado

Pueden encontrarse cloruros ene l concreto reforzado incluso antes de que las estructura esté en servicio. Los cloruros pueden introducirse deliberadamente como un acelerante, o en forma de ingredientes naturales localizados en algunos agregados. El concreto producido con arena de playa o que tiene agua de mar usada como agua de mezclado dará como resultado cloruros en la mezcla.

Los cloruros pueden ser solubles en agua o solubles en ácidos. Los cloruros usados como aditivos son solubles en agua, mientras que los que se encuentran en fuentes de agregados sólo pueden ser solubles en ácido. Los cloruros solubles en agua son los más dañinos, ya que rápidamente se liberan para atacar el acero de refuerzo. El ACI 201.2 R propone los límites para los iones de cloruro en el concreto, antes de la puesta del concreto en servicio, los cuales se muestran en la tabla 2.39.

Tabla 2.39. Límites para los iones de cloruro.

CONDICIONES DE SERVICIO % DE CI CON RESPECTO AL PESO DEL CEMENTO

Concreto presforzado 0.06

Concreto convencionalmente reforzado en un ambiente húmedo y expuesto a cloruros

0.10 Concreto convencionalmente reforzado en un

ambiente húmedo no expuesto a cloruros

0.15 Construcción de edificios por encima del suelo

en donde el concreto permanecerá seco

Sin límite

Carbonatación

La carbonatación del concreto es una reacción entre gases ácidos en la atmosfera y los productos de la hidratación del cemento. El aire normal contiene dióxido de carbono (CO2) en concentraciones relativamente bajas (0.03%). El nivel del dióxido de carbono en atmosferas industriales es, por regla

79 general, alto. El dióxido de carbono penetra en los poros del concreto por difusión y reacciona con el óxido de calcio disuelto en el agua de los mismos poros. Como resultado de esta reacción, la alcalinidad del concreto se reduce a un valor pH de aproximadamente 10 y, consecuentemente, se pierde la protección del concreto del acero de refuerzo. La pasividad de la capa protectora en el acero es destruida. Cuando el acero es despasivado y el ambiente es ácido o ligeramente alcalino, empieza la corrosión si la humedad y el oxígeno ganan acceso hacia el concreto.

En un concreto de buena calidad, el proceso de carbonatación es muy lento. Se ha estimado que el proceso continuará a una tasa de hasta 0.04 pulgadas (1 mm) por año. El proceso requiere de cambio constante en los niveles de humedad desde seco hasta mojado y nuevamente a seco. No ocurrirá carbonatación cuando el concreto esté constantemente bajo el agua.

Mecanismos de desintegración

La exposición a químicos agresivos (naturales o artificiales) suelen provocar que el concreto altere su composición química, provocando cambio en sus propiedades mecánicas. Dependiendo del tipo de ataque, el concreto puede ablandarse o desintegrarse, en una parte o en su totalidad.

El agua puede ser uno de los ambientes más agresivos que causan la desintegración. Si el concreto está saturado con agua y sometido a congelación, la fuerza expansiva del incremento en volumen puede causar que el concreto se separe en pequeños pedazos. Similar a los efectos del hielo es la expansión de los cristales, de las sales en su superficie de concreto sometidos a soluciones salinas.

No todos los mecanismos de desintegración son causados por factores externos. Las reacciones álcali – agregado, están internamente contenidas dentro del concreto originalmente elaborado. Tales reacciones dan como resultado la expansión del agregado afectado.

Exposición a químicos agresivos

Ciertos químicos en solución atacan a varios constituyentes del concreto. Los químicos agresivos pueden dividirse en las siguientes categorías:

1. Ácidos inorgánicos. 2. Ácidos orgánicos. 3. Soluciones alcalinas. 4. Soluciones salinas. 5. Varios.

El ataque de ácidos al concreto es la reacción entre el acido y el hidróxido de calcio del cemento portland hidratado. La reacción produce compuestos de calcio solubles al agua, que luego son lixiviados. Cuando se usan agregados de piedra caliza o dolomitas, el ácido puede disolverlos. Desintegración por congelación y deshielo

La desintegración o el deterioro por congelación y deshielo tienen lugar cuando se presentan las siguientes condiciones:

1. Ciclos de temperatura de congelación y deshielo dentro del concreto. 2. Concreto poroso que absorbe agua (poros capilares llenos de agua).

El deterioro por congelación y deshielo generalmente ocurre en superficies horizontales que están expuestas a agua, o en superficies verticales que están en la línea de agua en porciones sumergidas de estructuras. El agua de congelación contenida n la estructura de poros se expande hasta convertirse en hielo. La expansión causa fuerzas de tensión localizadas que fracturan la matriz de concreto circundante. La fractura ocurre en pequeñas piezas, yendo de las superficies exteriores hacia el interior.

80 1. Porosidad incrementada (la velocidad aumentada).

2. Saturación de humedad incrementada (la velocidad se incrementa).

3. Numero incrementado de los ciclos de congelación y deshielo (la velocidad se incrementa). 4. Aire incluido (la velocidad se reduce).

5. Superficies horizontales que atrapan agua estancada (la velocidad se incrementa). 6. Agregado con una pequeña estructura capilar y alta absorción (la velocidad aumenta). Reacción álcali-agregado

Las reacciones álcali-agregado (AAR) pueden crear expansión y agrietamiento severo en estructuras y pavimentos de concreto. Los mecanismos que causan reacciones álcali-agregado no han sido entendidos completamente. Lo que se conoce acerca de este tipo de reacción es que ciertos agregados, tales, como, formas reactivas de sílice, reaccionan con el hidróxido de potasio, sodio, y calcio que están en el cemento y forman un gel alrededor de los agregados reaccionantes.

Cuando el gel alrededor del agregado es expuesto a humedad, se expanden, creando fuerzas que causan grietas por tensión y que se forman alrededor del agregado.

El concreto no confinado que experimenta AAR muestra algunos signos de aviso de agrietamiento superficial tipo “mapas” sobre las superficies expuestas. Una vez que se ha formado el agrietamiento, más humedad penetra en el concreto, acelerando la reacción álcali – agregado y permitiendo daño adicional por congelación y deshielo.

La reacción álcali – agregado puede pasar inadvertida por algún tiempo, posiblemente años, antes de que se desarrollen severos trastornos asociados.

Comúnmente las pruebas para detectar la presencia de reacciones álcali – agregado se hacen por el examen petrográfico del concreto. Recientemente, se ha desarrollado un nuevo método capaz para monitorear una reacción posible. Este método utiliza la técnica de fluorescencia de acero de uranio, es rápido y económico.

Ataque de sulfatos

La presencia de sulfatos solubles (principalmente de sodio, calcio y magnesio) es común en zonas de operaciones mineras, y de las industrias químicas y del papel. Los sulfatos de sodio y calcio con los más comunes en suelos, agua y procesos industriales. Los sulfatos de magnesio son menos comunes, pero más destructivos. Los suelos o las aguas que contienen estos sulfatos con frecuencia se llaman suelo o aguas “álcali”.

Todos los sulfatos son potencialmente dañinos al concreto. Ellos reaccionan químicamente con la cal hidratada de la pasta de cemento y con el aluminato de calcio hidratado. Como resultado de esta reacción, se forman productos sólidos con un volumen más grande que los productos que entran en la reacción.

La formación de yeso y ettringita se expande, presiona y rompe la pasta. Como consecuencia, se inicia la formación de escamas y la desintegración, seguido por el deterioro de la masa.

La resistencia a sulfatos del concreto se mejora por una baja relación a/c y un factor adecuado de cemento, con un aluminato con bajo contenido tricálcico y con aire incluido apropiado. Con un proporcionamiento apropiado, el humo de sílice (microsílice), la ceniza volante y la escoria molida generalmente mejoran la resistencia del concreto al ataque de sulfatos, principalmente reduciendo la cantidad de elementos reactivos necesario para reacciones de sulfato expansivo. Erosión

81 La cavitación causa la erosión de las superficies de concreto como resultado del colapso de burbujas de vapor que se forman por cambios de presión en un flujo de agua a gran velocidad. Cuando se forman burbujas de vapor, éstas fluyen siguiendo la corriente con el agua. Cuando entran en una región de presión más alta, se colapsan con gran impacto. La formación de burbujas de vapor y su colapso consecuente se llama cavitación. La energía liberada al colapsarse causa “daño por cavitación”. Se forman cavidades cerca de las curvas y rebajos, o en el centro de los vórtices. El daño por cavitación da como resultado la erosión de la matriz del cemento, dejando el agregado más duro en su lugar. A velocidades más altas, las fuerzas de cavitación pueden ser lo suficientemente grandes como para desgastar y llevarse grandes cantidades de concreto.

El daño por cavitación se evita produciendo superficies lisas y evitando obstrucciones salientes al flujo.

Abrasión

La abrasión es el desgaste de la superficie por raspado y fricción. Generalmente, la superficie es uniformemente desgastada, incluyendo la matriz de cemento y los agregados. Los factores que alteran la resistencia a abrasión son:

1. Resistencia a compresión. 2. Propiedades de los agregados. 3. Métodos de acabado.

4. Uso de capas de desgaste. 5. Curado.

Efectos de la humedad

En el concreto fresco, los espacios entre las partículas están completamente llenas de agua. El exceso de agua se evapora después de que endurece el concreto. La pérdida de humedad hace que el volumen de la pasta se contraiga. Esto, a su vez, conduce a esfuerzos de contracción. El concreto cambia de volumen en respuesta a los cambios de la humedad ambiental.

Contracción por secado

En su exposición a la atmósfera, el concreto pierde algo del agua original que tenía a través de la evaporación, y se contrae. El concreto de peso normal se contrae de 400 a 800 microdeformaciones.

La contracción por secado, si no tiene restricciones, da como resultado un acortamiento del elemento sin la deformación de esfuerzo por contracción. Si el elemento tiene restricciones para moverse, la creación de esfuerzos puede exceder la resistencia a tensión del concreto. Este sobre – esfuerzo da como resultado agrietamiento debido a contracción por secado. La colocación correcta del acero de refuerzo en el elemento distribuye los esfuerzos de contracción y controla los anchos y las grietas.

Transmisión del vapor de humedad

El vapor de agua viaja a través del concreto cuando las superficies de un elemento estructural están sujetas a diferentes niveles de humedad relativa (HR). El vapor de humedad se traslada desde una alta HR a otra HR más baja. La cantidad de la transmisión de vapor de humedad es una función del gradiente HR entre las caras, y la permeabilidad del concreto.

El vapor de humedad también se mueve hacia a adentro y hacia afuera de la estructura de poros del concreto, al ocurrir diferencias en la humedad relativa. El vapor de humedad se mueve desde lugares de humedad alta hasta lugares de baja humedad. El vapor también se mueve con los cambios en la temperatura. Cuando la temperatura se eleva, el vapor se expande y se mueve fuera de las estructura de poros.

82 Cambio de volumen – contenido de humedad

El concreto cambia de longitud dependiendo de su contenido de humedad. El concreto húmedo que se seca se contrae, mientras que el concreto seco que se humedece se expande. El concreto puede tener cambios de acuerdo a las estaciones: los veranos calientes y húmedos generan altos contenidos de humedad, mientras que los veranos fríos y secos reducen los contenidos de humedad.

Se pueden establecer valores para la cantidad de contracción o expansión causada por un cambio en el contenido de humedad, recurriendo a una estimación con base en los valores de contracción por secado se basan en un contenido inicial de humedad del 100% reducido a una humedad ambiental relativa de aproximadamente 50%.

Ondulación (alabeo)

La ondulación es un problema común con las losas coladas en el terreno. Este es causado por los gradientes desiguales de humedad y temperatura a través del espesor de la losa. El alabeo se incrementa a medida que aumenta la contracción por secado. Las superficies de losas, usualmente están secas en la parte superior, en donde están expuestas al aire, y húmedas en la parte inferior, en donde están expuestas al suelo. La superficie más seca tiende a contraerse a lo largo, en relación con la superficie húmeda de la parte inferior. La contracción de la superficie superior sólo puede aliviarse por medio de la ondulación de la losa hacia arriba.

Los gradientes de temperatura a través de una losa pueden crear los mismos problemas que los gradientes de humedad. La situación típica es el calentamiento solar de la superficie superior de la losa, causando una temperatura más alta en esta superficie. La superficie superior tiene entonces una tendencia a crecer a lo largo con relación a la superficie inferior. Ocurre un alivio en el esfuerzo cuando la losa se ondula hacia abajo.

Efectos térmicos

El efecto de la temperatura en las estructuras y elementos de concreto es producido por el cambio de volumen. La relación del volumen a temperatura se expresa por el coeficiente de expansión/contracción térmica. Los cambios de volumen crean esfuerzos cuando el concreto está restringido. Los esfuerzos resultantes pueden ser de cualquier tipo: tensión, compresión, cortante, etc. Las condiciones de esfuerzo pueden resultar en un comportamiento indeseable: agrietamiento, astillamiento y deflexión excesiva.

Cambio de volumen por temperatura

El concreto, como todos los materiales, cambia de volumen cuando está sometido a cambios de temperatura. Un incremento en la temperatura incrementa el volumen de concreto; inversamente, un decremento en la temperatura reduce el volumen de concreto.

Cargas térmicas diferentes

Los gradientes de temperatura existen en muchas estructuras. La temperatura en la superficie de una losa de cubierta expuesta a los rayos directos del sol puede alcanzar 48 °C, mientras que el lado inferior de la cubierta puede ser de solamente 26 °C una diferencia de 22 °C conocida como calentamiento solar diurno. Esto provoca quela superficie de arriba tienda a expandirse más que la superficie de abajo. Esto da como resultado un movimiento hacia arriba durante el calentamiento, y un movimiento hacia abajo durante el enfriamiento.

83 El calentamiento solar diurno afecta las estructuras de manera diferente, dependiendo de su configuración. Las estructuras de tramos simples se flexionan hacia arriba y hacia abajo y están libres de girar en los soportes de los extremos. Las estructuras continuas pueden comportarse de forma diferente porque no tienen la libertad para girar en los soportes. Si existe suficiente gradiente térmico, junto con suficiente capacidad de tensión en la parte inferior del miembro, puede formarse una bisagra. Las articulaciones pueden ocurrir al azar en las grietas recién formadas, o pueden formarse en las juntas de construcción cerca de las columnas. Las articulaciones se abren y se cierran con los cambios diarios de temperatura.

Restricción al cambio de volumen

Si un elemento estructural está libre de deformarse como resultado de cambios en la temperatura, humedad., o cargas, no hay acumulación de esfuerzo interno. Si el elemento estructural está restringido, ocurre acumulación de esfuerzo y puede ser muy significativo.

Cuando se libera el esfuerzo acumulado, ocurrirá en la porción más débil del elemento estructural o en su conexión a otras partes de la estructura. El esfuerzo puede derivar en grietas por tensión o grietas por cortante o pandeo.

Agrietamiento térmico temprano del concreto recién colado

El concreto recién colado experimenta elevación de temperatura proveniente del calor generado por