Aplicación del protocolo STADIUM® a hormigones producidos con cemento de bajo contenido de carbono (LCC)

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Construcciones. Departamento de Ingeniería Civil. Trabajo de Diploma. Aplicación del protocolo STADIUM® a hormigones producidos con cemento de bajo contenido de carbono (LCC).. Diplomante: Livan Peraza Abreu. Tutor: Lic. Ernesto Díaz Caballero Consultante: Dr.Ing. Raúl González López.. Santa Clara ,2014.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. Trabajo de Diploma Aplicación del protocolo STADIUM ® a hormigones producidos con cemento de bajo contenido de carbono (LCC).. Diplomante: Livan Peraza Abreu. Tutor: Lic. Ernesto Días Caballero Consultante: Dtor.Ing. Raúl Gonzáles López. Santa Clara, 2014 I.

(3) “…quiero que rechaces siempre lo fácil, lo cómodo, todo lo que enaltece y honra implica sacrificio.” Che. II.

(4) ...a mi hermano y mi abuelo, por su ejemplo.. III.

(5) Agradecimientos:. * A mi madre, alma de mi alma, por ser la persona más sacrificada en el mundo. * A mi padre por apoyarme cada vez que lo he necesitado. * A mis hermanas Lisbet y Milexy, por ser mi espíritu de superación personal. * A mi novia por apoyarme cada momento de esta larga carrera. * A mis compañeros de estudio en especial Libán, Jesús, Armando y Javier David por tantas noches en vela. * A Pepe y sus galletas, mis amigos sabrán por qué. * A todos mis amigos y familiares. * A mis profesores, en especial a Artiles y Raúl por su colaboración en este trabajo. * A todo aquel que de una forma u otra han asistido en mi formación como profesional.. IV.

(6) Resumen:. Se presenta el estudio de varias características físico-mecánicas y químicas de hormigones producidos con cemento de bajo contenido de carbono (LCC) elaborados en la EPI Remedios de la zona norte de Villa Clara y en el Centro Técnico de Desarrollo de Materiales de Construcción cito en La Habana, a partir de la aplicación de los procedimientos establecidos en el protocolo STADIUM y la aplicación del método de Torrens para la obtención de su permeabilidad al aire. Fue utilizado en la investigación cemento SIG- B45 de la fábrica de cemento de Siguaney, el cual posee un 45 % de sustitución de clínquer por arcilla calcinada mezclada con roca caliza, y agregado que se corresponde con la disponibilidad de los mismos en las zonas estudiadas. El objetivo principal de esta investigación es determinar la influencia de la utilización de un cemento de bajo contenido de carbono con sustituciones del 45% del clinquer, fabricado en Siguaney, Cuba en el comportamiento de la permeabilidad y penetración de iones cloruros. Los resultados manifestaron que aunque el cemento SIG-B45 presenta una menor resistencia a compresión a 7 y 28 días que el cemento portland ordinario (CPO), el uso del SIG-B45 puede mejorar la permeabilidad y la absorción capilar de los hormigones, aunque la penetración de iones es superior en estos hormigones.. V.

(7) Índice:. Introducción ........................................................................................................................... IX Capítulo 1: Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos........................................................................................................ 1 1.1.. Hormigones Hidráulicos ......................................................................................... 1. 1.1.1. 1.2.. Generalidades ................................................................................................. 1. Acercamiento a la durabilidad de las estructuras de hormigón armado. ........... 2. 1.2.1.. Constituyentes del Hormigón Hidráulico. ...................................................... 2. 1.2.1.1.. Áridos ........................................................................................................... 2. 1.2.1.2.. Cementos ..................................................................................................... 4. 1.2.1.2.1.. Cementos con adiciones......................................................................... 5. 1.2.1.3.. Aditivos ......................................................................................................... 8. 1.2.1.4.. Agua ............................................................................................................. 9. 1.2.2. 1.3.. Estructura del hormigón................................................................................ 10. Mecanismos de transporte en el hormigón hidráulico. ...................................... 12. 1.3.1.. Permeabilidad ................................................................................................ 13. 1.3.2.. Absorción Capilar .......................................................................................... 14. 1.3.3.. Difusión .......................................................................................................... 15. 1.4.. Factores que influyen en la durabilidad de los hormigones .............................. 18. 1.4.1.. Carbonatación: .............................................................................................. 18. 1.4.2.. Penetración de Iones Cloruro: ..................................................................... 19. 1.4.2.1.. Determinación de la presencia de Cloruros: ........................................... 22. 1.5. Evaluación del comportamiento de la durabilidad de las estructuras de Hormigón Armado: ........................................................................................................... 22 1.5.1.. Sorptividad ..................................................................................................... 22. 1.5.2.. Ensayos de medición de la penetración de iones cloruro: ........................ 25. 1.5.2.1.. Prueba de difusión en volúmenes. (NordTest NTBuild 443). ................ 25. 1.5.2.2.. (ASTM C1202) (RCPT, Rapid Chloride Permeability Test): .................. 25. 1.5.2.3.. Ensayo de migración rápida (Ensayo CTH)............................................ 27. 1.5.2.4.. Otros métodos de prueba: ........................................................................ 28. 1.5.3. 1.6.. Permeabilidad ................................................................................................ 29. Modelos de predicción de la vida útil de estructuras. ........................................ 29. 1.6.1. Software para el Transporte y la Degradación de Materiales no Saturados (STADIUM®). ............................................................................................. 30. VI.

(8) Conclusiones parciales......................................................................................... 32. 1.7.. 2. Evaluación del comportamiento físico-mecánico y químico de hormigones hidráulicos en planta empleando un cemento de bajo carbono producido en Cuba. .... 33 Introducción. ..................................................................................................................... 33 Características de los materiales utilizados. ...................................................... 34. 2.1.. 2.1.1.. Cementos....................................................................................................... 34. 2.1.2.. Áridos. ............................................................................................................ 35. 2.1.2.1.. Granulometría de los áridos utilizados. ................................................... 36. 2.1.3.. Aditivo............................................................................................................. 37. 2.1.4.. Desarrollo experimental ................................................................................ 37. 2.1.4.1.. Dosificación y preparación de las mezclas de hormigones utilizados .. 38. 2.1.4.2.. Elaboración y conservación de las probetas. ......................................... 38. 2.1.4.3.. Probetas elaboradas para los distintos ensayos. ................................... 39. Segunda etapa ..................................................................................................................... 39 Características de los materiales utilizados ....................................................... 39. 2.2. 2.2.1.. Cementos........................................................................................................... 39. 2.2.2.. Áridos ................................................................................................................. 39. 2.2.3.. Aditivo ................................................................................................................ 40. 2.2.4.. Dosificación y preparación de las mezclas de los hormigones utilizados .... 41. 2.3.. 2.4.. 2.2.4.1.. Elaboración y conservación de las probetas. ......................................... 41. 2.2.4.2.. Probetas elaboradas ................................................................................. 42. Métodos y procedimientos ....................................................................................... 42 2.3.1.. Medida de la consistencia ............................................................................ 42. 2.3.2.. Resistencia a compresión ............................................................................ 43. 2.3.3.. Protocolo experimental STADIUM ............................................................... 43. 2.3.4.. Medición de la Permeabilidad al Aire: Aplicación del método de Torrens. 53. Resultados obtenidos ............................................................................................... 56 2.4.1.. Resistencia a compresión ............................................................................ 56. 2.4.2.. Ensayos establecidos en el protocolo STADIUM ....................................... 57. 2.4.2.1.. Porosidad Capilar ...................................................................................... 57. 2.4.2.2.. Ensayo de migración................................................................................. 57. 2.4.2.3.. Ensayo de Secado .................................................................................... 58. 2.4.3. 2.5.. Permeabilidad al aire .................................................................................... 58. Conclusiones parciales del capítulo: ....................................................................... 60. VII.

(9) 3. Análisis del comportamiento físico-mecánico y químico de hormigones hidráulicos elaborados en planta empleando un cemento de bajo carbono producido en Cuba..... 61 3.1.. Análisis de la resistencia a compresión. ............................................................. 61. 3.2.. Análisis del ensayo de absorción de agua por capilaridad .............................. 65. 3.3. Análisis de los ensayos de migración y secado correspondientes al protocolo STADIUM. ......................................................................................................................... 67 3.4. 3.5.. Análisis de la permeabilidad al aire por el método de Torrens ......................... 70 Conclusiones parciales del capítulo ........................................................................ 73. Conclusiones generales: ..................................................................................................... 74 Recomendaciones: .............................................................................................................. 75 Referencias bibliográficas. .................................................................................................. 76 Bibliografía. ........................................................................................................................... 80 Anexos .................................................................................................................................. 85. VIII.

(10) Introducción. Introducción. El hormigón armado es el material más empleado en la actualidad a nivel mundial tanto en construcciones civiles como viales, en virtud de sus características que lo hacen ventajoso con relación a cualquier otro material para el mismo uso. Entre estas ventajas se puede destacar su alta resistencia a la compresión, facilidad en la preparación y el transporte, buena trabajabilidad, bajo costo y elevada durabilidad. El estudio de la durabilidad del hormigón constituye el centro de atención de autores e investigadores a nivel mundial, la degradación y deterioro que sufren las estructuras, resultado de su interacción con diferentes ambientes agresivos y la acción del hombre, demandan una mayor calidad de respuesta de este material. La norma cubana (NC-250, 2005)“Requisitos de durabilidad para el diseño y construcción de edificaciones y obras civiles de hormigón estructural”, define la durabilidad como la capacidad del hormigón para soportar durante la vida útil para la que ha sido diseñado, las condiciones físicas y químicas a las que va a estar expuesto. En esta propiedad entran en juego diferentes factores; ampliamente conocidos son los efectos que sobre la durabilidad tienen la relación agua/cemento (a/c), el proceso de curado al cual se someta el material, tipo de cemento y agregados utilizados. En Cuba, por su ubicación geográfica, los agentes que más influyen en el deterioro de los hormigones son los ataques de los cloruros, sulfatos y nitratos, además de las afectaciones que provoca la carbonatación. Sin lugar a dudas el ambiente más agresivo para los hormigones en una isla, son las estructuras que se encuentran en contacto directo con las aguas de mar; en la zona de mareas, zonas de salpicadura y a menos de un kilómetro de la costa. Siendo la zona de mareas y la de salpicadura las posiciones más críticas debido a que en estas se encuentran las condiciones más idóneas para que se desencadene el proceso de corrosión de las armaduras de acero de refuerzo en el hormigón. La corrosión de las armaduras de acero por ingreso del ión cloruro es un problema significativo de durabilidad de las estructuras de hormigón armado. IX.

(11) Introducción. expuestas al ambiente marino. El ingreso de cloruro en hormigón conduce a su despasivación localizada .En ambientes marinos, la presencia de cloruro en la atmósfera circundante es inevitable, y eventualmente el cloruro ingresa en el hormigón. Cuando se alcanza un contenido suficiente de este ión a nivel de los aceros de refuerzo, denominado contenido umbral o límite, se produce la rotura localizada de la capa pasiva de las armaduras. Entonces, los factores determinantes del tiempo requerido para la despasivación del refuerzo en el hormigón en ambiente marino serán: la calidad y espesor del hormigón de recubrimiento.. La mayoría de las aguas de mar presentan una composición química uniforme, caracterizada por la presencia de un 3.5% de sales solubles. Debido a que los iones cloruro son los que se encuentran en mayores concentraciones, cerca de 20.000 mg/l, (Mehta y Monteiro, 1986) el transporte de estos constituye un tópico de alta importancia en la durabilidad de estructuras. El hormigón es penetrado por estos iones debido a su propia naturaleza de material compuesto constituido principalmente por una fase sólida formada por árido, los que están envueltos en una matriz porosa (pasta de cemento), que se forma al reaccionar el agua y el cemento. La porosidad del hormigón tiene un papel importante en la facilidad de penetración que tenga un hormigón, esta está definida por la suma de los poros de gel, sin importancia para la corrosión; vacíos originados por el aire atrapado, se evitan con una buena compactación; y los poros capilares, que se forman al evaporarse el agua de laborabilidad. (Metha, P.K; Monteiro, P., 1994). Si a lo anterior se unen ―errores constructivos‖ típicos de nuestras obras, como la ausencia o ineficiencia en el curado, se tendrá un hormigón con una red continua de poros capilares fácilmente penetrables por iones y humedad. Por lo tanto, el hormigón expuesto a un ambiente marino puede deteriorarse debido a los efectos combinados de: la acción química de estos constituyentes del agua de mar sobre los productos de hidratación del cemento, la expansión álcali-árido (cuando hay áridos reactivos), la presión de cristalización de sales en el hormigón (si una cara de la estructura está sometida a condiciones de humedad y la otra a condiciones de secado), la corrosión de las armaduras y. X.

(12) Introducción. la erosión física debida a la acción de las olas y de las partículas en suspensión. Cada una de estas acciones provoca un aumento de la permeabilidad del hormigón, lo que contribuye a que progrese el ataque de la causa inicial y el de los demás tipos de acción (Mehta y Monteiro, 1986). Especial interés reviste hoy para Cuba el estudio del comportamiento de la resistencia y durabilidad de los hormigones producidos a partir de nuevos constituyentes, como país tropical de clima húmedo, al recibir la acción del aerosol marino y el contacto de las aguas de mar del trópico en zonas marino costeras, a lo que se añade la presencia de huracanes en casi la mitad del año capaces de interactuar con las estructuras de hormigón. De ahí la necesidad dela elaboración de hormigones con cementos ternarios, conocidos como Low Carbon Cement (LCC), donde durante la molienda, parte del clinker es sustituido por otros materiales como arcillas calcinadas (metacaolín) y carbonato de calcio obtenido a partir de rocas calizas.. El trabajo se propone dar respuesta a. la compleja problemática antes. expuesta, al proponer el estudio del comportamiento de hormigones hidráulicos empleando un cemento de bajo contenido de carbono (LCC), con sustituciones del 45% del clinker, que se someten a ensayos de penetración de iones presentes en un ambientes marino y el análisis de la estructura de poros que permita determinar la incidencia de estos factores en la durabilidad del hormigón situado en entornos agresivos.. A partir de los antecedentes surge la siguiente interrogante científica como Problema Científico: ¿En qué medida influye el tipo y contenido de cemento de bajo carbono a emplear en las mezclas de hormigón producido en la EPI Remedios, en la permeabilidad y penetración de iones cloruros de los especímenes de hormigón ensayados en la ECOT Cayo Santa María ?. Campo de acción: Diseño y fabricación de hormigones hidráulicos en plantas para la producción de elementos prefabricados.. XI.

(13) Introducción. Objeto de Estudio: Estudio de la permeabilidad y penetración de iones cloruro a través de la estructura de poros en especímenes de hormigones hidráulicos. Objetivo general:  Determinar la influencia de la utilización de un cemento de bajo contenido de carbono con sustituciones del 45% del clinquer, fabricado en Siguaney, Cuba en el comportamiento de la permeabilidad y penetración de iones cloruros, mediante la realización de ensayos de laboratorio mediante el empleo del protocolo STADIUM y el método de Torrens. Objetivos específicos:  Establecer la influencia de la porosidad de los hormigones en la durabilidad de las estructuras sometidas a diferentes niveles de agresividad marina.  Puntualizar los diferentes métodos de prueba existentes para evaluar la penetración del ión cloruro los hormigones.  Aplicar el protocolo experimental STADIUM. para evaluar los. mecanismos de difusión de hormigones producidos con cementos de bajo contenido de carbono.  Comparar el comportamiento de la permeabilidad de iones cloruro en hormigones producidos con cementos de bajo contenido de carbono con respecto a hormigones tradicionales producidos en Cuba.  Aplicar el Método Torrens para evaluar la permeabilidad al aire de especímenes de hormigones producidos en plantas con cementos de bajo contenido de carbono.. Al abordar la tarea científica se plantea como hipótesis que: Mediante la utilización de un. cemento de bajo contenido de carbono, fabricado en. Siguaney, Cuba se podría disminuir de forma apreciable la permeabilidad al aire y la penetración de iones cloruros del hormigón hidráulico para su empleo. XII.

(14) Introducción. en la construcción de edificaciones y estructuras sometidas al ambiente trópico marino en la Cayería Norte de Villa Clara.. Tareas de investigación: 1. Localización y análisis de la bibliografía sobre la influencia en la durabilidad del hormigón de los materiales cementantes y demás componentes, mecanismos de transporte que afectan las propiedades del hormigón y métodos de determinación de penetración de iones cloruro y permeabilidad al aire. 2. Caracterización de los materiales utilizados en las mezclas de hormigón. Breve descripción del proceso de obtención de hormigones. 3. Realización de ensayos de permeabilidad al aire en especímenes hormigones producidos con LCC. 4. Determinación de los diferentes valores de porosidad capilar de las diferentes mezclas de hormigón. 5. Aplicación del test de migración y secado de hormigones según el protocolo STADIUM 6. Análisis comparativo de valores obtenidos para evaluar la penetración de cloruros, de hormigones producidos con LCC. 7. Aplicación de software estadísticos para el procesamiento de los resultados de ensayos físico mecánicos al hormigón. Estructura del trabajo de Diploma:  Introducción: Se detallan los elementos del diseño investigativo.  Desarrollo: Incluye el contenido de cada capítulo.  Capítulo I Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.  Capítulo II: Evaluación del comportamiento físico-mecánico y químico de hormigones hidráulicos elaborados en planta empleando un cemento de bajo carbono producido en Cuba.  Capítulo III: Análisis del comportamiento físico-mecánico y químico de hormigones hidráulicos elaborados en planta empleando un cemento de bajo carbono producido en Cuba.  Conclusiones.. XIII.

(15) Introducción. Novedad o aporte científico: Aporte científico:. Evaluar la permeabilidad y la penetración de iones cloruro en hormigones elaborados con cemento de bajo contenido de carbono.. Medio Ambiental:. La sustitución de cemento portland ordinario por cemento de bajo contenido de carbono, puede disminuir considerablemente la emisión de gases de efecto invernadero, logra extender la cantidad de clinquer y la producción nacional de cemento, producto del porciento de sustitución que se logra en este cemento, además puede elevar la durabilidad y el tiempo de vida útil de las estructuras en las que se empleen este cemento.. Justificación de la Investigación:. El presente trabajo de diploma forma parte de una serie de investigaciones en materia de la fabricación y aplicación del cemento de bajo carbono (LCC) que realiza el Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM) en la Facultad de Construcciones de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, en colaboración con el Laboratorio Central de Materiales del Centro Técnico para el Desarrollo de los Materiales de Construcción (CTDMC), de La Habana. La presente tiene como finalidad continuar las investigaciones sobre el comportamiento de los hormigones producidos con este cemento desde el punto de vista de la durabilidad, con el objetivo de que los usuarios de cemento encuentren confiable su uso. A su vez emplear técnicas novedosas para el estudio de la durabilidad de las estructuras como la aplicación del protocolo STADIUM y la permeabilidad al aire por el método de Torrens, técnicas propias de países desarrollados lo que supone un avance en este tipo de estudios para nuestro país.. Para la realización del trabajo se ha seguido la Metodología de la Investigación que se muestra a continuación:. XIV.

(16) Introducción. XV.

(17) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. Capítulo 1: Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos. 1.1. Hormigones Hidráulicos 1.1.1. Generalidades El hormigón puede definirse (según la NC 120: 2007) como un material constituido por la mezcla de cemento, árido grueso, árido fino y agua, con o sin la incorporación de aditivos o adiciones, que desarrolla sus propiedades por la hidratación del cemento.. Puede expresarse, de manera más general, que el hormigón es un material pétreo aglomerado formado por esqueleto mineral (áridos); unido por una matriz cementante que puede estar constituida por distintos materiales como yeso, cal, resinas, distintos tipos de cementos y asfalto. De la utilización de unos u otros surgen los hormigones hidráulicos y hormigones asfálticos. Cuando el aglomerado está formado por árido fino (arena) y aglomerante, se le denomina entonces ―mortero‖. El cemento se hidrata en contacto con el agua, iniciándose complejas reacciones químicas que lo convierten en un producto maleable con buenas propiedades adherentes, que en el transcurso de unas horas, derivan en el fraguado y endurecimiento progresivo de la mezcla, obteniéndose un material de consistencia pétrea. (Rocha Francisco, 2009). Una característica importante del hormigón es poder adoptar formas distintas a voluntad del proyectista. Al colocarse en obra, es una masa plástica que permite rellenar un molde previamente construido con una forma establecida que recibe el nombre de encofrado.. La excelente resistencia del hormigón a los esfuerzos de compresión es sin duda su característica más destacable. Sin embargo su comportamiento resistente frente a esfuerzos de flexión, tracción y cortante es bajo, por tanto el hormigón debe ser utilizado donde estas solicitaciones sean pequeñas.. 1.

(18) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. Para superar este inconveniente se utiliza el hormigón armado, que estructuralmente es más resistente a estos tipos de esfuerzo ya que estos son tomados por las barras de acero de refuerzo que se encuentran embebidas en la masa de hormigón.. La bibliografía (Hernández López, 2009), plantea que el hormigón le confiere a la armadura una protección de doble naturaleza, por un lado, es una barrera física que lo separa del medio ambiente y por otro, el líquido encerrado en los poros del hormigón ofrece estabilidad a las armaduras, debido a la formación de una capa pasiva que es formada por el ambiente alcalino generado por el cemento al hidratarse. Esta solución acuosa está constituida principalmente por hidróxidos de calcio formados durante las reacciones de hidratación, generando un ambiente alcalino (pH = 12,5), e hidróxidos de sodio y potasio, a los que se debe la alta alcalinidad de los poros. La cantidad relativa de cada uno de estos iones depende fundamentalmente de la composición y características del cemento, del grado de hidratación y de la relación agua/cemento.. 1.2. Acercamiento a la durabilidad de las estructuras de hormigón armado. 1.2.1. Constituyentes del Hormigón Hidráulico. Los constituyentes del hormigón hidráulico juegan un papel fundamental en las propiedades durables de este material ante ambientes químicamente agresivos, en este apartado se resume la influencia de los distintos tipos de componentes, y de las interacciones entre estos; en su resistencia ante los factores desencadenantes de la pérdida de vida útil de las estructuras de hormigón hidráulico. 1.2.1.1. Áridos Los áridos constituyen una parte fundamental dentro de la masa de hormigón, no solo en el plano cuantitativo, ya que constituyen aproximadamente el 70% del volumen de este material, sino que es responsable de gran parte de las propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido. Suele dársele a los áridos una importancia meramente económica, presentándose exclusivamente. 2.

(19) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. como material de relleno dentro de la masa, sin embargo, los mismos desempeñan además una importante función técnica. La disminución de la fisuración y de las variaciones volumétricas en general, así como las propias resistencias mecánicas que se logran, se debe en gran medida a la presencia de los áridos en el aglomerado. De gran impacto en las características durables de los hormigones, resulta la presencia de los áridos ya que estos, al ser prácticamente inertes no reaccionan con los agresivos del medio ambiente. Se recomienda usar áridos que cumplan ciertas condiciones de forma y tamaño, que estén exentos de sustancias perjudiciales y sean resistentes y estables a efectos físico-mecánicos, ya que muchas veces el deterioro prematuro y los problemas que se presentan en morteros y hormigones, se deben al empleo de áridos inadecuados.. Las propiedades físicas, térmicas y a veces químicas de los áridos influyen en la formación de las propiedades del hormigón. Los áridos no sólo limitan la resistencia del hormigón, sino que sus propiedades afectan de manera fundamental a la durabilidad, a la estructura del hormigón y a su estabilidad dimensional.. Dependiendo del tipo de roca a utilizar como árido pueden encontrarse diferentes problemas que pueden reducir la durabilidad, las rocas calizas son las que dan mejores resultados ya que estas generalmente no están contaminadas con materiales blandos, como las arcillas, los limos y las sustancias orgánicas; que pueden llegar a ser muy perjudiciales ya que limitan su adherencia a la pasta de cemento y debilitan las reacciones de fraguado y endurecimiento del hormigón. De especial cuidado resulta la presencia de sulfuros en los áridos ya que la formación de sulfoaluminatos conlleva a la destrucción del hormigón. (Fernández Cánovas, 2007). En cuanto al tamaño máximo de los áridos a emplear y las curvas granulométricas (Mahmoud Abdelkader, 2010) plantea que los tamaños mayores y curvas granulométricas bien graduadas disminuyen la demanda de agua para consistencias equivalentes al existir menor superficie específica, lo que resulta en un incremento en la resistencia.. 3.

(20) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. 1.2.1.2. Cementos La (NC-120, 2007)define cemento como: material mineral finamente molido, que después de ser mezclado con agua forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, después de endurecer, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua.. La composición química del cemento tiene una gran importancia desde el punto de vista de la durabilidad del material acabado, en los diferentes medios ambientes a los que se encuentra expuesto el hormigón en sus distintos emplazamientos. Así, por ejemplo, el contenido de la parte alumínica (Al 2O3) jugará un papel muy relevante en las estructuras cuyos emplazamientos estén en. contacto. con. el. agua. de. mar. o. se. encuentren. en. terrenos. yesíferos.(Mahmoud Abdelkader, 2010). (Díaz Fernández, 2007) expone en su tesis doctoral un aspecto que hay que tener en cuenta, la capacidad que tiene el cemento de retener iones cloruro. Así, no todos los cloruros que entran en el hormigón serán los responsables de la corrosión de las armaduras, sino que parte de ellos quedan combinados. Por lo tanto, cuanto mayor sea la cantidad de cloruros que un cemento es capaz de atrapar, menor será la probabilidad de que tenga lugar la corrosión en las armaduras. La capacidad de enlace de cloruros está controlada por el tipo de materiales que se hayan usado en el hormigón. El contenido en C 3A del cemento influye en su capacidad de enlace, de forma que un mayor contenido en ese componente implicará un mayor número de enlaces.. Este autor considera que para la utilización de este criterio de selección del cemento hay que reflexionar sobre el papel del C 3A en los procesos de hidratación. Este compuesto es el responsable del calor de hidratación de la mezcla, si se utiliza un cemento con demasiado contenido de C 3A puede haber repercusiones negativas debido a las altas temperaturas que se generarían en el hormigonado producto al excesivo calor de hidratación que se generaría. Por otro lado hay que tener en cuenta que el C3A reacciona de una manera similar con los sulfatos pero en este caso producto de esta reacción se genera la ettringita expansiva que es perjudicial para el hormigón.. 4.

(21) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. 1.2.1.2.1. Cementos con adiciones Producto de estos inconvenientes se hace necesario el uso de adiciones activas en el hormigón, estas adiciones son conocidas además con el nombre de puzolanas. Las puzolanas de uso general incluyen las cenizas volantes, humo de sílice, y metacaolín. Estos materiales son generalmente agregados al concreto como constituyente de cemento mezclado o en la planta mezcladora de concreto como sustitución parcial del cemento hidráulico.(Taylor et al., 2013) plantea que aunque el uso de estos materiales (en particular, cenizas volantes) a veces es impulsado principalmente por la economía, la mayoría puede mejorar diversos aspectos de la durabilidad del hormigón si se realizan consideraciones correspondientes a sus características. Dichas características químicas y físicas de. Materiales Cementicios Suplementarios (MCS). individuales deben ser usadas en conjunción con el conocimiento de las características de los otros materiales de hormigonado y las propiedades concretas requeridas y de durabilidad, para guiar su uso.. Según la norma (ASTM-C-618, 2003) las puzolanas son materiales silíceos o aluminio-silíceos compuestos principalmente por sílice amorfa, que por sí solas poseen poco o ningún valor cementante o propiedades hidráulicas, pero que finamente dividido y en presencia de humedad reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio o cal a temperatura ambiente y forman un compuesto que posee propiedades aglomerantes.. En contraposición, la norma cubana (NC-120, 2007) no define las puzolanas sino que hace mención a un término más general: adiciones, definiendo éstas últimas como: ―Materiales inorgánicos finamente molidos incorporados al hormigón con el objetivo de mejorar ciertas propiedades o de alcanzar propiedades especiales‖. El profesor Fernando Martirena en el 2003 resumía de la siguiente manera los beneficios de la utilización de las adiciones minerales activas, los cuales habían sido descritos anteriormente por prestigiosos autores sobre el tema como Malhotra y Mehta:. 5.

(22) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. “Los beneficios funcionales se derivan del hecho de incorporar partículas muy finas en el hormigón, ayudando a mejorar la laborabilidad de la mezcla, e incluso a reducir la demanda de agua para una consistencia determinada. Adicionalmente, se mejoran la compacidad e impermeabilidad de la matriz del hormigón, lo que aumenta la resistencia y durabilidad ante el ataque de sustancias químicas agresivas. Finalmente, las adiciones minerales activas ayudan a disminuir el calor de hidratación del cemento, y disminuyen con esto las posibilidades de fisuración por efecto térmico”.. La utilización de adiciones ha sido estudiada por varios autores, (Baghabra AlAmoudi et al., 2009) estudiaron varios tipos de hormigones fabricados con cemento Portland, humo de sílice y cenizas volantes, preparados con diferentes relaciones agua/material cementicio y diferentes contenidos de materiales cementicios. El comportamiento de los hormigones se analizó mediante la resistencia a compresión, la permeabilidad al agua, la permeabilidad al cloruro y el coeficiente de difusión de cloruros. En base a los datos obtenidos concluyeron que las características de durabilidad de los hormigones mezclados con humo de sílice y cenizas volantes son mejores que el hormigón fabricado con cemento normal.. En los ambientes marinos donde los hormigones quedan expuestos al ingreso de iones cloruro e iones sulfato fundamentalmente, la bibliografía, (Lorenzo, 2003, Lee, 2005, Ganjian and Pouya, 2005, Shannag and Shaia, 2003) recomiendan que se utilicen cementos con bajo contenido de aluminatos (sulforresistentes) o cementos con adiciones minerales, cenizas volantes y humo de sílice principalmente. Estudios realizados por (Bargaheiser and S. Butalia, 2012) demostraron que el uso de cenizas volantes tiene un papel significativo en la reducción de la permeabilidad, lo que trae como consecuencia una reducción de la penetración de humedad, iones cloruro, CO2 y otros químicos agresivos, esto conlleva a una mejora del comportamiento durable de hormigones producidos con este material. Estos estudios plantean además que la penetración de iones cloruro en hormigones que contengan cenizas volantes es significativamente inferior. 6.

(23) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. que las de hormigones ordinarios y que la permeabilidad se reduce con el incremento de los porcientos de adición. A pesar de sus ventajas la literatura (Mehta, 1999) plantea que, de la producción mundial de ceniza volante; cercana a los 450 millones de toneladas métricas al año, solo el 6% se utiliza como adición en la industria de la construcción.. El uso de materiales cementicios suplementarios a nivel mundial ha sido hasta el momento una característica predominante de los países industrializados producto a que la mayor parte de las materias primas que se usan con este fin lo constituyen los subproductos del sector industrial. Ante este escenario los países en vía de desarrollo se ven afectados ya que la obtención de estos productos se les encarece en el mercado internacional.. Debido a esta problemática en los últimos años se han realizado estudios acerca de la utilización de materiales puzolánicos representados por las puzolanas naturales y las arcillas activadas térmicamente por constituir una potencial reserva de materiales puzolánicos, ampliamente disponible en prácticamente todas las regiones independientemente de su grado de desarrollo económico.(Alujas, 2010).. Dentro de las arcillas calcinadas, el metacaolín (MK) es el material puzolánico más extensamente estudiado y el único que existe en el mercado como un producto comercializable. El MK, una puzolana altamente reactiva que se obtiene a partir de la calcinación bajo condiciones cuidadosamente controladas de arcillas caoliníticas de alta pureza, ha demostrado un excelente potencial para, mezclado con el CPO, mejorar significativamente la resistencia y la durabilidad del hormigón. (Ambroise et al., 1994) determinó que, para pastas con un 30% de reemplazo del CPO por MK, la distribución del tamaño de poros se desplaza hacia valores más pequeños, el contenido de Ca(OH) 2 en la pasta se reduce y se mantienen los valores de resistencia mecánica. Más recientemente (Torres et al., 2007) comparó el desempeño que poseían mezclas de mortero con un 10 y un 20% de sustitución por un caolín colombiano sometido a tratamiento térmico en un rango de temperaturas entre 600 y 800 °C ante la penetración de cloruros. El resultado de esta investigación. 7.

(24) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. ayudó a comprender la influencia de la temperatura de calcinación de la acilla, ya que demostró que los morteros adicionados con metacaolín obtenido a 800 °C, y de estos aquéllos con mayor porcentaje en la mezcla (20% con respecto a la cantidad de cemento) presentaban la menor porosidad capilar y la menor permeabilidad a cloruros. Esto, como cabía esperar, es atribuible a una modificación en la distribución de la red de poros. 1.2.1.3. Aditivos El uso de aditivos ha crecido en los últimos años hasta tal punto que en muchos países un hormigón sin aditivos es considerado una excepción. El motivo de este creciente empleo es su capacidad para proporcionar mejoras tanto físicas como económicas.(Díaz Fernández, 2007). Un aditivo se define por el American Concrete Institute (ACI) como un material, distinto del agua, de los agregados, del cemento y de los refuerzos, usado como un ingrediente en hormigones o morteros y añadido inmediatamente antes o durante el proceso de mezcla.. La NC-120:2004 los define como; ¨material añadido al hormigón durante el proceso de mezclado en pequeñas cantidades en relación con la masa de cemento, para modificar las propiedades del hormigón fresco o endurecido. ¨ Independientemente de la definición que se desee emplear varios autores se hacen eco de sus bondades. La durabilidad del hormigón y hormigón armado puede ser mejorada significativamente con el uso de varios aditivos químicos. Estos incluyen aditivos incorporadores. de aire para la resistencia a la. congelación y descongelación, reductores de agua (plastificantes) y aditivos reductores de agua de alto rango (superplastificantes), para reducir el contenido de agua y disminuir la relación agua-cemento; todo lo cual resulta en menor permeabilidad a elementos agresivos. Esto se traduce en una reducción de la tasa de penetración de sustancias potencialmente nocivas, como los iones de cloruro en ambientes marinos o donde se utilizan productos químicos de deshielo que contienen cloruro. En general, más baja relación (a/c) reduce la permeabilidad y viceversa. La reducción del impacto de la carbonatación y. 8.

(25) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. una mejor resistencia al ataque químico son beneficios adicionales. Los beneficios secundarios de aditivos reductores de agua. es que permiten la. consecución de bajos valores de relación (a/c) sin aumentar el contenido de cemento, que puede conducir a un aumento de la contracción por secado y las tensiones térmicas. Además, se puede mejorar la trabajabilidad en un determinado rango de relación (a/c) de manera que se mejora la consolidación del hormigón.(Taylor et al., 2013) La EHE-08 establece que en el hormigón armado o pretensado no se puede utilizar aditivos de cloruro cálcico, ni en general, productos en cuya composición intervengan cloruros, sulfuros, sulfitos u otros componentes químicos que puedan ocasionar o favorecer la corrosión de las armaduras. 1.2.1.4. Agua El agua de amasado tiene dos misiones en su calidad como uno de los componentes del hormigón. La primera es que participa en el proceso de hidratación del cemento. La segunda función es aportar la trabajabilidad necesaria del hormigón, siendo determinante para definir su fluidez(Fernández Cánovas, 2007). Como consecuencia, es un componente fundamental del hormigón, ya que su presencia condiciona tanto el desarrollo de las propiedades en estado fresco, como en la etapa de endurecimiento (porosidad, retracción y resistencia).. Los deterioros que pueden sucederse en el hormigón relacionados con el agua de amasado son principalmente dos: los relacionados con la utilización de aguas no potables en la elaboración de los mismos y la utilización de una excesiva cantidad del líquido en el amasado. De la primera se expresa en la literatura que la utilización de aguas contaminadas con iones cloruro o sulfatos, por solo citar las más perjudiciales, puede traer consecuencias nefastas a la estructura; el ión cloruro produce la corrosión de las armaduras de refuerzo y los sulfatos pueden tener un efecto doble atacando no solo a las armaduras sino también al propio hormigón. Los sulfatos contenidos en el agua reaccionan con el aluminato tricálcico del cemento dando lugar a ettringita expansiva (sulfoaluminato tetracálcico hidratado, también conocido por ¨sal de Candlot¨).. 9.

(26) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. La expansión de dicha sal produce fisuración y desprendimiento progresivo del hormigón. Para su incorporación en el hormigón, la NC 120:2007 ha exigido que el agua debe presentar ciertas características de calidad, a continuación se presentan en la Tabla 1.1:. Tabla1.1: Características para el agua de amasado según NC-120:2007 PH. mayor o igual a 5. Sustancias disueltas. menor o igual a 15 g/L o 15 000 ppm. Sulfatos expresados como SO4. menor o igual a 1 g/L o 1 000 ppm (excepto para cemento resistente a los sulfatos en que este límite se admite que sea menor o igual a 5 g/L o 5 000 ppm). Ión cloruro Cl-.  . Hidratos de carbono Sustancias solubles. Para hormigón pretensado, menor o igual a 1 g/L o 1 000 ppm Para hormigón armado o simple, menor o igual a 3 g/L o 3 000 ppm. EXENTA menor o igual a 15 g/L (15 000 ppm). En resumen, el agua debe estar libre de sales, impurezas, sólidos en suspensión y materias orgánicas. 1.2.2. Estructura del hormigón El hormigón se puede modelar como un material compuesto de partículas de árido dispersas en una matriz de pasta de cemento, compuesta a su vez por fase sólida, poros y agua. A nivel microscópico presenta una elevada complejidad ya que ambas fases no están distribuidas homogéneamente ni son homogéneas entre sí. Según (Belén Díaz, 2007) el gel C-S-H (Silicato de Calcio Hidratado) es un producto coloidal procedente de la reacción de hidratación de las fases silicato C3S y C2S. Su morfología cambia con el grado de hidratación y también con las condiciones de la mezcla, como por ejemplo la cantidad de agua disponible o la temperatura. Este gel es el constituyente más importante de la pasta de. 10.

(27) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. cemento (constituye entre un 50-60% del volumen de sólidos) y es el responsable de su resistencia mecánica.. Los cristales de portlandita (Ca(OH) 2) procedentes de la reacción de hidratación de los silicatos constituyen entre el 20-25% del volumen de la pasta de cemento hidratada. Es la responsable del elevado pH del hormigón y compone la llamada ―reserva alcalina‖ que frena la despasivación del acero cuando tiene lugar la acidificación del hormigón. Las fases alumínicas y ferríticas (Sulfoaluminatos de Calcio o de Hierro y Calcio), resultado de la hidratación de los aluminatos (C3A y C4AF), constituyen entre el 15-20% del volumen de sólidos en la pasta de cemento. Aunque no contribuyen en gran medida a la resistencia del producto final si son importantes debido a su elevada reactividad. ( Díaz Fernández, 2007). (Alujas, 2010)plantea que la fase ferrita (C4AF) reacciona más lentamente, con la formación de hidratos similares a los formados por el C 3A pero con el Fe3+ sustituyendo parcialmente al Al 3+ en su estructura. Numerosos tipos de fases AFm pueden ocurrir cuando los iones que estas contienen son liberados a la solución de poros de la pasta hidratada, y son clasificados en dependencia del anión que contienen (C4AHx, C4AC0,5Hx, C4ACHx, C4A$Hx Y C4ASHx). La pasta de cemento contiene varios tipos de poros que juegan un papel muy importante en las propiedades del hormigón. El tamaño de los poros en el hormigón está comprendido entre 10 -2 y 10-10 m. En general se clasifican como macroporos, poros capilares y microporos. De estos, los relacionados directamente con la durabilidad y comportamiento frente a los agresivos, son los poros capilares y los macroporos.(Mahmoud Abdelkader, 2010) Los espacios interlaminares del gel CSH son los llamados microporos. Su tamaño varía entre 0,5 nm y 2,5 nm, representando aproximadamente un 28% de la porosidad total, su rango varía en función del contenido en agua entre las láminas. Debido a su pequeño tamaño, no influyen negativamente en la durabilidad y resistencia mecánica del hormigón. No obstante, el agua contenida en ellos puede afectar a la estabilidad volumétrica del conjunto. Esto. 11.

(28) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. implica que pueden afectar a la retracción y fluencia del hormigón(Mehta and Monteiro, 2006) Los poros capilares son los poros que representan el espacio no ocupado por las fases sólidas, y contienen el agua libre que no ha reaccionado. Según,(Mahmoud Abdelkader, 2010). el volumen y el tamaño de poros. capilares vienen determinado por la relación agua/cemento y el grado de hidratación del cemento. Presentan tamaños comprendidos entre 50 nm - 2 nm, zona catalogada como macroporos-mesoporos. Los poros capilares que presentan tamaños mayores de 50 nm, son los conocidos como macroporos. Estos son los que inciden en mayor medida en todos los mecanismos de transporte a través del hormigón. Facilitan la entrada de agentes agresivos disueltos en los fluidos, por fuerza capilar y de tensión superficial. De este modo los poros capilares influyen negativamente en la resistencia mecánica del material y permeabilidad. Mientras que los poros menores de 50 nm, también conocidos como microporos, desempeñan un papel importante en la contracción por secado y la fluencia. 1.3. Mecanismos de transporte en el hormigón hidráulico.. La durabilidad del hormigón depende de muchos factores. Entre los más importantes, se pueden destacar la distribución geométrica de los poros y los mecanismos de transporte que se presentan en su interior. Si bien hay otros indicadores de la durabilidad, tal como lo puede ser de una forma indirecta la resistencia del material, es interesante analizar otros fenómenos que también afectan a la apariencia y a la textura de los hormigones. Estos últimos son dos aspectos que también pueden influir en la durabilidad indirectamente.. El movimiento de gases, líquidos e iones por el hormigón es importante debido a sus interacciones con los componentes del hormigón o el agua de poro, y a consecuencia de ello cambiar la integridad del hormigón directa e indirectamente, conduciendo al deterioro de las estructuras del hormigón. Estos movimientos, generalmente conocidos como penetración, ocurren debido a varios factores: diferenciales de presión de agua, diferenciales de humedad y concentración, o diferencias de temperaturas de soluciones (Basheer et al.,. 12.

(29) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. 2001).Estos diferenciales generan distintos mecanismos de transporte, entre los que destacan permeabilidad, absorción capilar y difusión. En ambientes marinos donde la concentración de iones es alta aparecen mecanismos de transporte propios de las especies iónicas como la migración.. La permeabilidad ocurre cuando existe un gradiente de presión entre dos puntos que es capaz de impulsar un gas o un líquido, generándose un flujo entre los correspondientes puntos (Pereira, 2003). El transporte de líquidos en los poros debido a la tensión superficial (succión) que actúa en los poros capilares se define como la absorción capilar. La absorción está relacionada no solo con la estructura de poros, sino también con la humedad del hormigón (Basheer et al., 2001). La difusión es un fenómeno que se produce cuando, entre dos puntos, existe una diferencia de concentración del elemento que se difunde. La migración se caracteriza por la acción de una diferencia de potencial electrostático que genera el flujo de iones en el sentido del campo eléctrico resultante. 1.3.1. Permeabilidad El transporte de un fluido está controlado por la permeabilidad del hormigón cuando existe una diferencia de presión hidráulica entre dos secciones adyacentes que provoca o induce un movimiento del fluido. Como norma general, cuanto menos poroso sea un hormigón, mayor resistencia tendrá y, si ha tenido un buen curado, será menos permeable. Es condición necesaria que ambas caras del hormigón estén en contacto con el fluido para poder considerar que el mecanismo de transporte es la permeabilidad.(Mahmoud Abdelkader, 2010). El aspecto de la dosificación del hormigón que más influye en la permeabilidad es la relación a/c; cuanto más baja sea, mas impermeable será el hormigón. Otro aspecto fundamental de la fabricación del hormigón es el sistema del curado. La exposición al aire en condiciones de ambiente seco es la más perjudicial. El curado con agua reduce la permeabilidad del hormigón (Ferreira, 2004). 13.

(30) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. La ley de Darcy, en su forma más general, constituye el fundamento para la determinación y cálculo de la permeabilidad aplicada al flujo de un fluido. Esta ley está formulada de acuerdo con las siguientes ecuaciones(1.1-1.3):. (1.1) (1.2) (1.3). donde: v= velocidad media del flujo (m/s) Q= caudal de fluido (m3/s) A= sección transversal de la muestra (m2) k= coeficiente de permeabilidad intrínseco (m2) = viscosidad dinámica del fluido (N.s/m2) = variación de la presión en la longitud L (N/m2/m). 1.3.2. Absorción Capilar La succión capilar es un fenómeno físico complejo de penetración y movimiento del agua líquida dentro de un material poroso, no debido a la presión de aquella, sino a la combinación de fuerzas electromoleculares, tensión superficial del agua y presión atmosférica. Puede decirse que la penetración del agua por capilaridad se debe a que la fuerza de atracción entre esta y el sólido, supera la tensión superficial de la gota, que en ausencia de presiones externas la lleva a adoptar la forma esférica para minimizar su superficie exterior, y la obliga a extenderse y recubrir la red porosa mojando de ese modo el cuerpo. El ascenso capilar, aplicado al caso de los poros capilares del hormigón, será tanto mayor cuanto menor sea el radio del poro y la densidad del líquido capilar, y se puede expresar mediante la ecuación 1.4: (1.4). 14.

(31) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. Donde la altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial, y está en razón inversa a la densidad del líquido y al radio del tubo. La Figura 1.1 presenta, de forma esquemática, la altura h correspondiente a la ascensión capilar.. Fig. 1.1 Altura h correspondiente a la ascensión capilar. 1.3.3. Difusión Por difusión se designa el proceso de transporte de un constituyente dentro de un medio cualquiera bajo el efecto de su agitación aleatoria a escala molecular. Cuando existe una diferencia de concentración entre dos puntos del medio, aparece una resultante del movimiento aleatorio que genera un transporte global (o neto) del constituyente considerado desde la zona con mayor concentración hacia la zona de menor concentración. El parámetro que cuantifica la capacidad de transporte por este mecanismo se denomina coeficiente de difusión, también llamado difusividad.. La difusión de un ión en el hormigón, como cualquier proceso de difusión, está controlada según la Primera Ley de Fick, ecuación (1.5). De acuerdo con esta ley, 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:(Stanish et al.) (1.5). donde Fj es el flujo de iones de cloruro, Deff es el coeficiente de difusión eficaz, C es la concentración de iones y x es una variable de posición. En términos prácticos, esta ecuación sólo es útil después de que se han alcanzado las condiciones de estado estacionario, es decir, no hay cambio en la concentración con el tiempo. Se puede utilizar, sin embargo, para derivar la. 15.

(32) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. ecuación relevante para las condiciones de no equilibrio (cuando las concentraciones están cambiando), a menudo referida como la segunda ley de Fick, ecuación (1.6): (1.6) que incluye el efecto del cambio de concentración con el tiempo (t). Esto ha sido resuelto mediante el límite de la condición C. (x = 0, t> 0). = C0 (la. concentración de superficie es constante en C 0), la condición inicial C (x > 0, t = 0) = 0 (la concentración inicial en el hormigón es 0) y la condición de punto infinito. C. (x =∞, t> 0). = 0 (suficientemente lejos de la superficie, la. concentración será siempre 0). La solución de la ecuación es:. (. √. ). (1.7). donde erf (y) es la función de error de Gauss, una construcción matemática que se encuentra en las tablas de matemáticas o como una función en hojas de cálculo de la computadora común.. Aunque este método se basa en fundamentos científicos muy inestables, todavía se utiliza para estimar la vida útil de las estructuras parcialmente saturadas, expuestas a entornos de cloruro cargados. En un intento para afinar el análisis, algunos autores se han basado en el método de la isoterma para describir las reacciones químicas (Tang and Nilsson, 1993). De acuerdo con este enfoque, la cantidad de cloruros consolidados está vinculada a la concentración de cloruro en solución por una función empírica.. Este enfoque de modelado se ha utilizado en(Nagesh and Bhattacharjee, 1998, Martín-Pérez, 2001). Estos enfoques anteriores pueden ser considerados como mejoras sobre la segunda ley de difusión de Fick, que todavía descuidan la interacción entre las diferentes especies iónicas presentes en la solución. La tendencia actual de la modelización del transporte iónico se centra en enfoques multi-iónicos. Por ejemplo, los modelos propuestos por Masi et al. (Masi 1997) y Truc et al. (Truc 2000) consideran que el transporte de cloruros se acopla a la de otras especies iónicas.. 16.

(33) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. En el modelo presentado por (Samson and Marchand, 2007), el transporte de cloruro se basa en las ecuaciones de masa y conservación de energía. El modelo presentado por los autores se basa en un enfoque secuencial no iterativo donde las ecuaciones de transporte y las reacciones químicas se resuelven por separado.. En este modelo la ecuación macroscópica para el transporte de especies iónicas i se basa en la ecuación de Nernst-Planck extendida con un término de succión:. (1.8). donde ci es la concentración de la especie i en solución (Mmol / L), csi es la concentración en la fase sólida (mol/m3), ws es el contenido volumétrico de sólidos (m3/m3), w es el contenido volumétrico de agua (m3/m3), Di es el coeficiente de difusión (m2 / s), zi es el número de valencia de la especie, F es la Constante de Faraday (96,488.46 C / mol), R es la constante de los gases ideales (8,3143 J / mol / K), T es la temperatura del material (K), ψ es el potencial eléctrico (V),. (-) es el coeficiente de actividad química, Vx es la. velocidad promedio del fluido en el sistema de poros bajo la acción de succión capilar (m / s), y ri es un término fuente / sumidero que representa la creación de i de iones en solución como resultado de reacciones químicas homogéneas (mol/m3/s). El coeficiente de difusión Di se expresa como:. ( donde. τ. ). es la tortuosidad de la fase líquida,. (1.9) es el coeficiente de difusión. en agua libre para la especie i (m2 / s) y ø es la porosidad (m3/m3). Los términos en la ecuación consisten en el coeficiente de difusión para un material saturado.. 17.

(34) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. 1.4. Factores que influyen en la durabilidad de los hormigones. Varios son los mecanismos que se desencadenan alrededor de las estructuras de hormigón que pueden afectar su durabilidad. Dentro de los más agresivos se encuentran el ataque de sulfatos, la carbonatación del hormigón y la penetración de iones cloruro. Estos dos últimos de vital importancia debido a su repercusión en el deterioro de las armaduras de refuerzo en el hormigón armado, ya que debilitan su capa de protección, desencadenando de esta manera la corrosión. 1.4.1. Carbonatación: La carbonatación del hormigón se produce cuando el anhídro carbónico CO 2 presente en el aire reacciona en presencia de humedad con el Ca(OH) 2 para formar carbonato de calcio según muestra la siguiente ecuación: Ca (OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O. (1.10). Este proceso va reduciendo progresivamente la alcalinidad del hormigón, que pasa de un valor de pH en torno a 12 - 13 a tener valor de 9.5 o incluso inferiores.. El daño por carbonatación ocurre más rápidamente cuando existe un espesor de recubrimiento pequeño, aunque en caso de que el recubrimiento del refuerzo tenga una estructura de poros muy manifiesta que permita la difusión del CO2 de forma rápida, este fenómeno puede ocurrir aunque el espesor sea considerable. También puede ocurrir cuando las reservas alcalinas sean pobres en la solución de poros, fenómeno que se da cuando el contenido de cemento en la mezcla es pobre.(Ferreira, 2004). Si los poros del hormigón se encuentran secos, el CO2 se difunde fácilmente, pero la carbonatación no puede ocurrir debido a la falta de agua. Este caso solo se presenta en hormigones que están sobresecados, como ocurre en climas muy secos. Por otra parte si los poros están llenos de agua hay apenas alguna carbonatación debido de la poca difusión de CO 2 en el agua, este es el. 18.

(35) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. caso de estructuras que se encuentran sumergidas. Finalmente si los poros están parcialmente llenos de agua, la carbonatación puede proceder hasta un espesor donde los poros del concreto están secos.. Asumiendo que la concentración de CO 2 es prácticamente la misma y relativamente constante en cada ambiente, el factor que más influye en el proceso de carbonatación es la humedad del hormigón. Según(Hernández López, 2009), las circunstancias más propicias para la carbonatación son las correspondientes a humedades intermedias (HR ≈ 50-70%) y más aún las alternancias de humectación y secado.. Un efecto secundario de la carbonatación es el encogimiento que trae acompañado. Cuando el hormigón armado se ve envuelto en ciclos de secado y humedad el encogimiento debido a la carbonatación se vuelve irreversible y esto conduce a la fisuración de la superficie del hormigón armado.(Alonso, 2013) 1.4.2. Penetración de Iones Cloruro: La corrosión inducida por cloruro se presenta en nuestro país en estructuras expuestas al medio marino. Los iones cloruro están presentes en el agua de mar, pero es posible que también los desplace el viento de la brisa marina a la zona costera y los deposite en estructuras de hormigón cercanas a la línea de costa.. Los iones cloruro son los iones despasivantes que afectan más directamente a la pasivación del refuerzo, provocando una disolución localizada de la capa protectora del acero de refuerzo, dando lugar a ataques puntuales (picaduras) que pueden reducir drásticamente la sección de trabajo del acero en períodos de tiempos relativamente cortos.(Hernández López, 2009). Los cloruros son transportados desde la superficie hasta la armadura a través de la estructura de poros. De esta manera, se forma una celda de corrosión con una zona catódica en la cual se da el proceso de reducción y un área. 19.

(36) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. anódica pequeña, la picadura, donde se disuelve el acero(Pérez Méndez, 2010). Fig. 1.2 Esquema del fenómeno electroquímico de la Corrosión por ClLos iones cloruro pueden estar presentes en el concreto de tres maneras: enlazados, adsorbidos y disueltos en el agua que se conserva en los poros, lo que constituye la disuloción poro. (Rodríguez Roble, 2010). (Samsom et al., 2009) plantea que es aceptado que la penetración de iones de cloruro en materiales basados en cementos no conduce fácilmente a la formación de fases perjudiciales que pueden causar expansión y agrietamiento. Al contrario, la interacción entre el cloruro en la solución y la pasta es considerada a menudo para tener una influencia beneficiosa en lo duradero del hormigón armado, ya que la pasta ata iones incisivos, desacelerando la tasa de admisión hacia el acero de refuerzo.. (Pérez Méndez, 2010) expone que una parte de los cloruros presentes en el hormigón pueden estar químicamente ligados con el cemento para formar la llamada Sal de Friedell. Los iones de cloruro en forma libre son los únicos que representan un peligro para la corrosión de armaduras. Por su parte (Rodríguez Roble, 2010) a estudiado los equilibrios que se presentan y concluye que, es posible que los iones que están adsorvidos se incorporen a la solución y se tornen peligrosos.. Mientras muchos estudios enfocaron la atención en la formación de la sal de Friedel de los sistemas hidratados C3A, el papel de Fe en la disminución de la. 20.

(37) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. penetración recibió muy poca atención. Es sólo recientemente que la formación de minerales a partir de C4AF hidratado reaccionando con cloruro, ha despertado interés. Suryavanshi estudió la atadura de cloruro en el sintético C4AF. Hidrató con niveles diferentes de NaCl disuelto en el agua de la mezcla. Las fases con Cloruro estaban identificadas usando difracción de rayos X y tomografía de calorimetría diferencial. Los resultados mostraron que se forma: C3F.CaCl2.10H2O un análogo de ferrita para la sal de Friedel. (Samsom et al., 2009). La despasivación del acero a causa de la presencia de iones cloruros depende de dos parámetros que son: . Coeficiente de difusión del hormigón, el cual varía en función del tamaño y distribución de los poros del hormigón.. . La capacidad del hormigón para fijar o combinar cloruros.. Los cloruros por si solos no son capaces de iniciar la corrosión de las armaduras, dependiendo en los primeros momentos de la presencia de una de las siguientes características: . Tipo de cemento: Finura, cantidad de C3A, cantidad de yeso, presencia de adiciones.. . Relación agua-cemento.. . Curado-compactación.. . Contenido en humedad y variación.. . Tipo de acero y calidad superficial de éste (presencia de óxido exterior).. . Disponibilidad de oxígeno para que se desencadene la corrosión.. Varios métodos se han propuesto para proteger las estructuras de hormigón de la corrosión inducida por cloruros. A modo de ejemplo, pueden citarse los hormigones de baja permeabilidad, diferentes capas protectoras y sellantes a base de polímeros, recubrimientos de mayor espesor, la protección catódica y diversos refuerzos alternativos.(Sun et al., 2002). 21.

(38) Capítulo1 Comportamiento durable de los hormigones hidráulico en ambientes químicamente agresivos.. 1.4.2.1. Determinación de la presencia de Cloruros: La cantidad de cloruros en los elementos de hormigón es usualmente determinada disolviendo muestras de polvo de hormigón en ácido. Las muestras son tomadas con taladro, preferiblemente a difentes profundidades, así, el perfil de cloruros puede ser hecho correctamente. Como la prueba de profundidad de carbonatación, el perfil de cloruros debe ser relativo al recubrimiento, entonces la profundidad del acero respecto a los cloruros puede ser determinada.. La cantidad de cloruros puede ser medida por diferentes métodos. En el laboratorio la (NC-272, 2003) ―Hormigón endurecido, Cemento y Áridos. Determinación de Cloruros Totales por Valoración Potenciométrica” expone el proceder para determinar la cantidad de cloruros presentes en estos materiales. El método de ensayo de dicha normativa se basa en la reacción que se produce entre el ión cloruro y la solución de Nitrato de Plata a un pH entre 3 y 5 lo cual genera un salto brusco en el potencial en el punto de equivalencia. (Pérez Méndez, 2010) plantea un método que puede ser utilizado en obras para una detección rápida de la presencia de cloruros, el mismo consiste en rociar una superficie de fractura reciente con una disolución de nitrato de plata al 1%, la valoración es positiva cuando el área rociada se vuelve blanca. 1.5. Evaluación del comportamiento de la durabilidad de las estructuras de Hormigón Armado: 1.5.1. Sorptividad El grado de la penetración del agua dentro de la muestra se define como la sorptividad. Es el factor que podría medir el grado en que el hormigón es penetrado por el agua en un tiempo determinado, dependiendo ésta de su porosidad y por ende de la permeabilidad del hormigón.. Éste es un parámetro simple a determinar y es usado como una medida de la resistencia de un material a la exposición a los fluidos (sobre todo la humedad y las soluciones reactivas) en los ambientes agresivos.. 22.