Capítulo 2. Patologías en Estructuras de Concreto

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Patologías en Estructuras de Concreto

2.1. Introducción

La durabilidad del concreto

El concepto de durabilidad se refiere como la habilidad de una estructura para permanecer sin un deterioro significativo. Un material durable ayuda al medio ambiente a conservar los recursos y reducir los desperdicios y los impactos ambientales de reparación o reemplazo.

El concreto puede resistir acciones de desgaste, ataque químico o físico, manteniendo sus propiedades ingenieriles. Diferentes concretos requieren diferentes grados de durabilidad dependiendo del nivel de exposición y las propiedades deseadas.

La vida de diseño de muchas estructuras es por lo general de 30 años, aunque suele haber de 50, 100 o más años. Debido a esa durabilidad tan larga, muchas estructuras son demolidas debido a que resultan ser obsoletas, más que su deterioración.

Factores relacionados con la durabilidad del concreto

Los factores más importantes en la durabilidad del concreto suelen ser aquellas interacciones químicas y físicas del material con injerencia interna o externa, esta última con el entorno ambiental.

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aquí para definir con mayor alcance los distintos problemas que se asocian con la disfunción del material. En la Fig. 2.1, se muestra un diagrama general que describe y encasilla los puntos de causas y sus efectos (lista de defectos no es exhaustiva) sobre el concreto. Cada estructura de concreto posee términos y selecciones particulares de efectos y causas según su naturaleza de función, sea así en las estructuras de edificación, de infraestructura de transporte, etc.

Fig. 2.1. Diagrama general descriptivo de causas y efectos. (Lista de efectos no es exhaustiva).

Acorde a la Fig. 2.1, se ha clasificado los distintos procesos de acuerdo a su naturaleza y el encasillamiento respectivo de cada uno de estos en distintas derivaciones. Cada uno de estos procesos conlleva los efectos, siendo los más comunes, los agrietamientos, deslaminados, desintegración, desgaste etc., los cuales pueden ser atribuidos exclusivamente o en combinación de los procesos descritos. Tanto las causas como los efectos serán discutidos a detalle en las secciones posteriores.

2.2. Principales Defectos Visibles de Deterioro

61 estructural y deterioración del material y es particularmente importante que el ingeniero sea capaz de diferenciar entre los distintos signos de daño que puedan surgir.

El detallado y la información extraordinaria que se pueda aportar ampliará el radio preliminar de la evaluación de las condiciones de la estructura y robustecerá la formulación del programa de ensayos. La identificación de defectos no debería relegarse sólo a la estructura en investigación, sino que debe incluirse también el entorno, como estructuras vecinas y las condiciones climáticas. Este es probablemente el aspecto más difícil de toda la investigación estructural o cualquier trabajo de diagnóstico, puesto que parece obvio que uno no puede relacionarse con el otro. La importancia y beneficios de esta identificación de deterioros no debería subestimarse, dado que la omisión de lo que parece ser de evidencia insignificante puede conllevar a conclusiones malogradas.

Decoloración

Su presencia es debida a factores como la inconsistencia de los materiales en colados sucesivos, la eflorescencia o la acción de la meteorización del medio con el material. El daño puede ser despreciable o también puede ser un síntoma de un daño importante. (Fig. 2.2).

Fig. 2.2. Decoloración en superficie.

Fisuraciones/Agrietamientos

La discontinuidad de cualquier elemento estructural en planos más o menos de orientación perpendicular a su eje longitudinal o transversal se puede denominar como fisura o grieta. El término fisura se refiere a todas aquellas aberturas incontroladas que afectan solamente a la superficie del elemento o a su acabado superficial. El término grietas se refiere a la condición de todas aquellas aberturas incontroladas de un elemento superficial que afectan a todo su espesor. El uso de estos dos términos supone la condición de la estructura de la cual no es específica una de otra. En el proceso descriptivo siguiente se utiliza el término grieta sin distinguir en específico cuál de estas discontinuidades está presente.

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o curados y para concreto reforzado. Estos agrietamientos ocurren en cualquiera de los procesos: químicos, físicos, de desempeño o de construcción. Enseguida se describe una lista de los tipos de grietas más comunes y sus posibles procesos en particular.

Cuarteaduras

Es un tipo de grietas finas superficiales en distintas direcciones y no llega a ser un problema estructural serio. Suelen ocurrir en un secado rápido en la superficie del concreto en la etapa de curado. (Fig. 2.3).

Fig. 2.3. Cuarteaduras en superficies.

Grietas finas o delgadas

Es un tipo de grieta muy fina, pero muy profunda. Se deben principalmente al asentamiento del concreto cuando fresco. Dada su relativamente alta profundidad pueden dar pie a un agrietamiento serio cuando el concreto ha endurecido. (Fig. 2.4).

Fig. 2.4. Grietas finas o delgadas.

Grietas D (grietas de durabilidad)

63 Fig. 2.5. Grietas D.

Agrietamiento diferencial

Es un desnivel de los elementos a ambos lados de la grieta. Se debe a asentamientos diferenciales de la estructura o a presiones de objetos adyacentes como árboles. (Fig. 2.6).

Fig. 2.6. Agrietamiento diferencial.

Agrietamiento diagonal de esquina

Son grietas que corren a partir de dos juntas perpendiculares una a otra en la esquina de una losa, debido a su alabeo. (Fig. 2.7).

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Ampollado

Son formaciones cónicas en la superficie. Ocurre cuando un agregado cercano a la superficie es absorbente, causando expansión y su consecuente ampollado. (Fig. 2.8).

Fig. 2.8. Ampollado.

Descascarillado

Es el desescamado o despellejamientode la superficie del concreto endurecido debida principalmente a los efectos del hielo-deshielo o erosión. (Fig. 2.9).

 Descascarillado ligero, donde no se expone el agregado grueso.

 Descascarillado medio, se expone el agregado de hasta 3 a 10 mm de la superficie.

 Descascarillado severo, se pierde mucha superficie y el agregado está claramente expuesto.

Fig. 2.9. Descascarillado.

Deslaminado

Son depresiones superficiales mayores en área superficial y profundidad que el descascarillado. Es causado por un plano de esfuerzos localizado a cierta profundidad de la estructura. Ocurre ya sea por juntas de construcción no adecuadas o por la corrosión de la capa del acero de refuerzo. (Fig. 2.10).

Desintegración

65 Fig. 2.10. Deslaminado.

Fig. 2.11. Desintegración.

Algunas otras relaciones de causas de los defectos visibles descritos anteriormente pueden complementarse. Aunque la experiencia es el mejor indicador, el grupo de esquemas de la Fig. 2.12 son croquis de defectos típicos encontrados.

Retracción plástica Asentamiento plástico Agregado expuesto Falla junta de construcción

Falla del cimbrado Asentamiento del cimbrado

Herrumbre severo del acero de refuerzo

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Asentamiento diferencial

Esfuerzos de flexión y

cortante Acción de terremoto

Acero de refuerzo insuficiente

Asentamiento concreto fresco

Herrumbe del acero de

refuerzo Ciclos hielo-deshielo

Condiciones atmosféricas

Fig. 2.12. Croquis de causas de algunos defectos típicos.

2.3. Procesos Químicos

2.3.1. Químicos agresivos

En general y de forma cualitativa, se pueden clasificar en primera instancia varios químicos y su relación con el nivel de daños que se espera pudieran ejercer sobre cualquier estructura de concreto. A forma de resumen, la Tabla 2.1 describe la clasificación de tales químicos y el efecto esperado en el material.

Tabla 2.1. Clasificación de algunos químicos y el nivel de daño en el concreto.

Clasificación Nivel de daño Sustancias

Ácidos

Ninguno Oxpálico Desintegra

lentamente Acético, carbólico, húmico, láctico, tánico Desintegra

superficie lentamente

Aguas ácidas, fosfórico

Desintegra Hidroclórico, _sulfuroso hidrofluórico, muriático, nítrico, sulfúrico,

Sales y álcalis (en solución)

Ninguno

Carbonatos de: amonio, potasio, sodio; Hidróxidos de: amonio, calcio, potasio, sodio; Nitratos de: calcio, potasio, sodio; Permanganato de potasio; Silicatos; Cloruros de*: calcio, potasio, sodio, estroncio; Fluoruros**

Desintegra lentamente

67 Desintegra Nitrato de amonio; Sulfatos de***: aluminio, calcio, cobalto,

cobre, hierro, manganeso, níquel, potasio, sodio, zinc

Aceites de

petróleo Ninguno

Aceites pesados, menores a 35° Baume, aceites ligeros+

mayores a 35°Baume, bencina, gasolina, queroseno, nafta, gasolina de alto octanaje

Destilados de alquitrán

Ninguno Alizarina, antraceno, benzol, parafina, brea, tolueno y xileno Desintegra

lentamente Creosota, cresol y fenol

Aceites vegetales

Ninguno Tupertina Desintegra

lentamente Semilla de algodón

++

Desintegra superficie lentamente

Colofonia, almendra, castor, madera de China, coco, linaza, oliva, cacahuate, semilla de amapola, colza, soya, nogal

Grasas y

Ácidos Grasos (origen animal)

Desintegra

lentamente Aceite de pescado, aceite y manteca de cerdo, cebo

Misceláneos

Ninguno

Alcohol, agua de amonia (hidróxido de amonio), bicarbonato de sodio, ácido bórico, enebro, carbón+++, miel, salitre, fosfato trisódico, solución de blanqueado, sosa cáustica^, lejía^, leche fresca, azúcar seca

Desintegra lentamente

Cerveza, cenizas, jarabe de maíz, cianuro, glucosa, glicerina, licor de sulfito, jugos de fruta^^^, vinagre

Desintegra Sidra, formaldehídos^^, ácido láctico, suero, melaza‡, soluciones de azúcar

* Ninguno, a menos que concreto se exponga a ciclos de secado y mojado con la solución ** Excepto Fluoruro de Amonio

***Sin embargo los productos de concreto curados a vapor de alta presión son muy resistentes a los sulfatos

+_{Pero requiere concretos muy impermeables para evitar penetración} ++

Si es expuesto al aire

+++

Excepto en Pirita

^En concreto con agregado calizo ^^En solución acuosa

^^^Si son ácidos tartárico y cítrico

‡Si es parcialmente refinada ataca al concreto si no está curado apropiadamente

2.3.2. Corrosión del acero de refuerzo

Un medio ácido provoca corrosión en los metales. La alcalinidad que es opuesta a la acidez, puede proteger de la corrosión por los álcalis contenidos en el concreto. Cuando se dice que el concreto es alcalino, significa que contiene poros microscópicos que contienen altas concentraciones de óxidos de calcio, sodio y potasio solubles. Éstos forman hidróxidos, los cuales son muy alcalinos cuando hay presencia de agua, creando una condición muy alcalina de pH de 12 a 13.

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Desafortunadamente, este medio alcalino no siempre puede mantenerse, debido a dos condiciones que pueden romper este equilibrio, siendo éstas la carbonatación y la contaminación con cloruros en el concreto, que serán discutidos más adelante.

El proceso de corrosión

Una vez despasivada la capa o película formada en la superficie del propio acero de refuerzo, comenzarán a aparecer área de herrumbre (corrosión) sobre su superficie. Las reacciones químicas son las mismas si la corrosión ocurre por ataque de cloruros o carbonatación, o ambos a la vez. Cuando el acero en el concreto se corroe, este se disuelve en el poro acuoso y dona electrones:

Reacción anódica: Fe → Fe2+

+ 2e¯ 2.1

Estos dos electrones (2e¯) creados en la reacción anódica se deberán consumir en alguna parte sobre la superficie del acero para conservar la neutralidad electrónica. Debe existir entonces otra reacción química para consumir los electrones. Esta es una reacción que consume agua y oxígeno:

Reacción catódica: 2e¯ + H2O + ½O2 → 2OH ¯

2.2

Esto se muestra en la Fig. 2.13. Nótese que se están generando iones hidroxilo en la reacción catódica. Estos iones aumentan la alcalinidad local, por lo que reforzarán la capa pasiva y alejarán los efectos de carbonatación e iones cloruro en el cátodo. Se debe observar también que el agua y oxígeno son necesarios en al cátodo para que la corrosión ocurra.

Fig. 2.13. Reacciones anódica, catódica, de oxidación e hidratación en la corrosión del acero de refuerzo.

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Fe2+ + 2OH¯→ Fe(OH)2 (Hidróxido ferroso) 2.3

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (Hidróxido férrico) 2.4 2Fe(OH)3 → Fe2O3·H2O + 2H2O (Óxido férrico hidratado,

herrumbre) 2.5

El proceso completo de corrosión se muestra en la Fig. 2.13. El óxido férrico deshidratado, Fe2O3 tiene un volumen aproximado del doble del volumen del acero que reemplaza. Cuando este se hidrata se expande aún más y se vuelve poroso. Esto significa que el volumen se incrementa en la interface acero/concreto de 6 a 10 veces como se ilustra en la Fig. 2.14.

Fig. 2.14. Volumen relativo del hierro y sus óxidos.

Esto conlleva al agrietamiento o deslaminado que se observa como la consecuencia usual de corrosión del acero en estructuras cuyo óxido es de color rojo/marrón, quebradizo que se puede ver directamente sobre la estructura (Fig. 2.15).

Fig. 2.15. Ilustración del acero de refuerzo corroído.

Herrumbe negra

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separados (por algunos cientos de milímetros) y el ánodo está necesitado de oxígeno (por ejemplo en una condición saturada en agua), el hierro como Fe2+ estará en solución. Esto significa que no habrán fuerzas expansivas como en el caso anterior para agrietar el concreto, y así la corrosión no podrá detectarse.

Este tipo de corrosión (conocida como herrumbe verde o negra, debido al color del líquido cuando se expone al aire después del su escurrimiento se encuentra bajo condiciones saturadas. Es potencialmente peligrosa cuando no hay indicación de agrietamiento o delaminación y el acero de refuerzo puede debilitarse severamente antes de ser detectada la corrosión. Algunos ejemplos de varillas que son atacadas de esta forma se muestran en la Fig. 2.16. Las manchas de corrosión en el concreto pueden ser indicativo de este tipo de ataque.

Fig. 2.16. Varillas de refuerzo sujetas a bajas condiciones de oxigeno. No existe crecimiento de óxido expansivo.

Picaduras, Corrosión bacterial y Corriente de Foucault

Formación de picaduras

La corrosión del acero en concreto generalmente comienza con la formación de picaduras. El incremento en número de estas se expande y se unen unas a otras conllevando a la corrosión generalizada. La formación de picaduras se muestra en la Fig. 2.17.

71 Fig. 2.17. Modelo

clásico de corrosión por picadura en acero de refuerzo en concreto.

Fe2+ + H2O→ FeOH +

+ H+ 2.6

MnS + 2H+ → H2S + Mn 2+

2.7

Cuando se forma una picadura, se puede acumular herrumbe sobre ésta, concentrando el ácido (H+) y excluyendo oxígeno de tal forma que el hierro permanece en solución, previniendo la formación de la capa protectora y por ende, acelerando la corrosión.

Corrosión bacterial

Algunas fuentes de bacterias en el suelo (thiobacilos) que convierten azufre y sulfuros a ácido sulfúrico y así como también otras especies (ferrobacilos) que atacan los sulfuros en el acero (FeS) generan corrosión en el acero de refuerzo. Esto se asocia por lo general al olor de sulfuro de hidrógeno (huevo podrido) y a un picado de baja intensidad con herrumbre negra cuando las varillas se exponen a condiciones saturadas de agua. En condiciones anaeróbicas, estas bacterias pueden contribuir también a las picaduras del acero de refuerzo.

Corriente de Foucault

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Electroquímica, Celdas y Celdas Medias

Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas (o bien, de producir reacciones químicas a través de la introducción de energía eléctrica). Un ejemplo común de celda electroquímica es la pila, que es una celda galvánica simple, mientras una batería eléctrica consta de varias celdas conectadas en serie o paralelo.

Las primeras dos reacciones discutidas fueron la anódica y la catódica para el acero en concreto. los términos ánodo y cátodo viene de la electroquímica el cual es el estudio de la química en las celdas eléctricas. La Fig. 2.18 es una celda básica de Daniell. Esta celda se compone de dos celdas medias: cobre en sulfato de cobre y zinc en sulfato de zinc. El voltaje total en la celda se determina por los metales utilizados y por la naturaleza y composición de sus soluciones acuosas. En cada celda media, se disuelve el metal y se precipitan los iones: MMn+

+ne¯

Fig. 2.18. Celda de Daniell.

El cobre es más resistente a esta reacción que el zinc, así que cuando se conectan las dos soluciones por una membrana semi-permeable y se conectan los dos metales por medio de un alambre, el zinc se va convirtiendo en solución acuosa y el sulfato de cobre se deposita como cobre puro sobre el electrodo de cobre. El voltaje de cualquier celda media puede registrarse contra un electrodo estándar de hidrógeno (celda media o electrodo de referencia). La Tabla 2.2 muestra el electrodo estándar de referencia o potenciales de celda media de interés para evaluar problemas de corrosión.

Tabla 2.2. Potenciales del electrodo estándar de referencia.

Zn→Zn2+

+ 2e¯ -0.76 V

Fe→Fe2+

+ 2e¯ -0.44 V

Cu→Cu2+

73 Los potenciales del electrodo de referencia están en función de una concentración de solución acuosa, así como el tipo de metal. Una solución acuosa más concentrada, por lo general es más corrosiva que una diluida y así la corriente fluirá en una celda de un mismo metal en dos diferentes concentraciones de la misma solución acuosa. Entonces, es posible estimar el riesgo de corrosión trabajando con un electrodo de referencia externo, que se puede mover a lo largo de la superficie de la estructura, con el acero de refuerzo en el concreto que tiene las áreas anódicas (en proceso de corrosión) y áreas catódicas (pasivas). Como se muestra en la Fig. 2.19, colocando el electrodo de referencia sobre la superficie del concreto y conectando el otro extremo en la varilla del concreto se tiene un circuito similar al de Daniell (Fig. 2.18). La diferencia de potencial eléctrico será una función del hierro y su medio poroso-acuoso.

Causas y Mecanismos de corrosión

Carbonatación del Concreto

En ambientes húmedos, el dióxido de carbono presente en la atmósfera forma una solución acuosa ácida que puede reaccionar con la pasta de cemento hidratado y tiende a neutralizar la alcalinidad del concreto. Este proceso se le conoce como carbonatación (Fig. 2.20). Además, otros gases presentes en la atmósfera como el SO2, puede neutralizar la alcalinidad del concreto, pero su efecto se limita normalmente sólo en la superficie del material.

Fig. 2.19. Esquema de la medición del potencial del electrodo de referencia (celda media) del acero en el concreto.

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O H CaCO Ca(OH)

CO₂ ₂H2O,NaOH ₃ _{2 2.8}

Fig. 2.20. Ejemplo de carbonatación en el concreto y su efecto sobre el acero de refuerzo.

Esta es la reacción de más interés, especialmente para el concreto hecho a base de cemento Portland. La carbonatación no causa ningún daño al propio concreto, aunque sólo causa contracción en el concreto. Ciertamente, en el caso de concretos de cemento portland, se puede reducir la porosidad y así incrementar la resistencia. Sin embargo, la carbonatación tiene efectos importantes sobre la corrosión del acero en el concreto. La primera consecuencia, es que el pH de la solución de poro cae de sus valores normales de 13 o 14 a valores cercanos al valor neutro. Si no hay presencia de cloruros en el concreto inicialmente, la solución de poro en la carbonatación estará compuesta de casi pura agua. Esto significa que el acero de refuerzo en concreto carbonatado húmedo, se corroe como si estuviese en contacto con agua. Una segunda consecuencia de carbonatación, es que los cloruros ligados en la forma de hidratos de calcio- cloro aluminatos y otros ligados a otras fases pueden liberarse, haciendo a la solución de poro más agresiva aún.

Penetración de la carbonatación

La reacción por carbonatación comienza en la superficie externa y penetra dentro de concreto produciendo un frente de bajo pH. La medición de la carbonatación se lleva a cabo normalmente esprayando una solución alcohólica de fenolftaleína sobre la el plano recién expuesto a la atmósfera. Las áreas donde el pH es mayor que 9 toma el color rosado característico de la fenolftaleína en un ambiente básico, mientras el color de áreas carbonatadas permanece sin cambio.

El índice de carbonatación disminuye con el tiempo, dado que el CO2 tiene que difundirse a través de los poros de la ya carbonatada zona. La penetración, d de carbonatación en función del tiempo se puede describir por:

1/n kt

d 2.9

75 t

k kt

d 1/2 2.10

El coeficiente de carbonatación, k (mm/y1/2), se puede asumir como una medida del índice de penetración de la carbonatación para un concreto y ambiente dados. En concretos densos y/o húmedos, sin embargo, el índice de la reducción de la carbonatación respecto al tiempo es alto que el descrito por la fórmula parabólica, de tal forma que n > 2. En concretos muy compactos, el índice de carbonatación tiende a ser depreciable después de cierto tiempo.

Factores que afectan el índice de carbonatación

El índice de carbonatación depende de los factores medioambientales (humedad, temperatura, concentración de CO2) y factores relacionados con el concreto (alcalinidad y permeabilidad).

Humedad.

El índice de carbonatación varía con la humedad del concreto por dos razones: la difusión del CO2 con el concreto, dado por los poros aireados, pero muy bajo con aquellos saturados de agua (la difusión del CO2 en agua es cuatro veces más bajo que en aire). El índice de difusión del CO2 en consecuencia disminuye en un incremento de la humedad del concreto hasta volverse cero en concreto saturado en agua. Bajo condiciones de equilibrio, en un medioambiente de humedad relativa constante, el índice de carbonatación puede relacionarse con la humedad del medio ambiente como se muestra en la Fig. 2.21.

Fig. 2.21. Representación esquemática del índice de carbonatación del concreto.

Concentración de CO

2

.

La concentración del dióxido de carbono en la atmósfera

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Temperatura

. Bajo condiciones ambientales constantes como la humedad, que es el parámetro más importante, un incremento en la temperatura aumentará el índice de carbonatación.

Composición del cemento.

La permeabilidad del concreto tiene una gran influencia en la difusión del dióxido de carbono y en consecuencia en el índice de carbonatación. Valores bajos de la relación agua/cemento, w/c disminuirán la porosidad capilar del cemento hidratado, reduciendo la penetración de carbonatación. El tipo de cemento también influencia el índice de carbonatación. Ciertamente, la capacidad del concreto para atrapar CO2 es proporcional a la alcalinidad de la pasta de cemento. En cementos Portland, cerca del 64% de la masa del cemento, está compuesta de CaO y cerca de 0.5 a 1.5% de Na2O y K2O. Si sólo se considera el CaO, óxido de calcio, la cantidad de CO2 (Masa molar=44 gr/mol) que puede reaccionar con el concreto conteniendo 300 kg/m3 de cemento que se supone de 64% de CaO (Masa molar=56gr/mol) sería de: 300×64×(44/56)=150 kg/m3. Para otros tipos de cementos, como los de escoria de alto horno, el porcentaje de CaO es de 44%. Para cementos de mezcla mixta, la cantidad de CaO puede ser entre estos dos valores.

Aplicación de la ecuación parabólica

Aunque existen otros modelos para predecir el fenómeno de la carbonatación, estos incluyen otras constantes empíricas cuya evaluación se hace difícil en la práctica, procesos no estacionarios de difusión, ciclos de humedad-secado, cantidad de CO2 en la atmosfera, etc. La Ec. 2.10 descrita anteriormente puede utilizarse para ilustrar algunos ejercicios.

La profundidad de carbonatación, puede calcularse con la siguiente ecuación ya antes descrita.

t k kt

d 1/2 2.11

Donde la penetración, d está en mm y T en años. El valor del índice de carbonatación, k puede estimarse como sigue:

D 0.126 f' 1 72 k c            2.12

Donde f’c es la resistencia a compresión en N/mm 2

77 Fig. 2.22. Profundidad relativa

de carbonatación en función de la humedad relativa.

Si la profundidad de carbonatación, d y el recubrimiento, r se miden in situ, se puede predecir el tiempo hasta el inicio de la corrosión, T1.

Despejando k de la Ec. 2.10 e incluyendo D de la Ec. 2.12:

t D

d

k 2.13

Igualando d=r y t=t1 en la Ec. 2.10 y sustituyendo k de la Ec. 2.13:

1

1 t

t D

d r ; t k

r  _{, despejando t}

1:

t d Dr t

2

1 

    

 2.14

Índice de corrosión

Una vez que el frente de carbonatación ha alcanzado el refuerzo, el acero se despasiva y la corrosión puede ocurrir si hay presencia de oxígeno y agua. Si no se toman en cuenta las condiciones de saturación de humedad completa y permanente, con una suficiente cantidad de oxígeno, el proceso de corrosión puede alcanzar la superficie del acero. En este caso, el índice de corrosión está gobernado por la resistividad del concreto (la corrosión estará bajo control óhmico). La Fig. 2.23 muestra la relación típica entre índice de corrosión del acero y la resistividad eléctrica del concreto carbonatado.

78

90 % es la microestructura del concreto y los factores que lo determinan (tipo de cemento, w/c, curado, etc.).

Fig. 2.23. Representación esquemática del índice de corrosión en concreto carbonatado en función de la resistividad del concreto.

En un concreto de alta calidad, el índice de corrosión es despreciable para una HR menor a 80%, el tiempo de humedecimiento (definido como la fracción de tiempo en el que la HR es mayor que 80%) puede introducirse para evaluar la penetración de ataque, (p) en el tiempo, t. entonces se asume que la corrosión se propaga sólo cuando el concreto está húmedo (HR>80%). También se observa que el índice de corrosión tiende a disminuir con el tiempo. De hecho, los productos de corrosión, aunque no son capaces de pasivar el refuerzo, sí pueden reducir el índice de corrosión.

La Fig. 2.24 muestra el índice de corrosión en concreto carbonatado en función de la HR del medio ambiente. Puede notarse que los índices máximos de corrosión del orden de 100 a 200 μm/año serán alcanzados solamente por un medio ambiente húmedo con HR cercana al 100%. Por otro lado, para otras condiciones típicas de exposición atmosférica (RH=70 a 80%), los valores máximos están entre 5 y 50 μm/año (5 a 50 mA/m2

).

79 Fig. 2.24. Valores máximos y

mínimos para el índice de corrosión en concreto carbonatado en función de la humedad relativa, HR.

Una comparación entre la Fig. 2.21 y Fig. 2.24 muestra que cuando el índice de carbonatación es máximo, el índice de corrosión es modesto y viceversa. Por esta razón, las perores situaciones son aquellas que se caracterizan por alternancia de grandes periodos de baja y alta humedad. Depende del clima si se presentan prolongados periodos de secado y periodos húmedos. En climas costeros del norte de Europa los periodos de secado típicamente son tan cortos como de una semana de duración. En el sur de Europa ocurren temporadas importantes de secado (verano) y periodos largos de humedad (invierno). Este último clima es más probable cause daño por corrosión debido a la carbonatación respecto a estructuras expuestas a la atmósfera. Otro ejemplo puede ser tipos específicos de estructuras, por ejemplo en los túneles donde se exponen a periodos de secado y humedad por condensación.

Concreto carbonatado y contaminado de cloruros

Esta situación es mucho más crítica que la situación de carbonatación sola, si existen cloruros en el concreto, aún en pequeñas cantidades, que por ellos mismos no ocasionarían corrosión.

80

Fig. 2.25. Relación entre HR e índice de corrosión en morteros carbonatados con y sin cloruros.

La Fig. 2.25 muestra el índice de corrosión del acero en morteros artificialmente carbonatados en ausencia y presencia de cloruros. Se puede ver claramente que el índice de corrosión será despreciable sólo si las condiciones de la HR de 75, 60 y aún 40% cuando el contenido de cloruros se incrementa de 0 a 1% en masa de cemento.

Ataque al refuerzo por cloruros

La contaminación por cloruros en el concreto es una de las causas frecuentes de corrosión en el acero de refuerzo del concreto.

Fuentes de ingreso a cloruros

Los cloruros pueden provenir de dos principales fuentes:

 Desde la fabricación del concreto. Pudiendo ser una adición deliberada de aditivos acelerantes para mejorar las propiedades del concreto, el uso de agua de mar en el mezclado y agregados contaminados. Las principales instituciones internacionales de regulación en materia del concreto, (ACI, EN, DIN, etc.) permiten contenidos de cloruros de 0.2 hasta 0.4 % iones de cloruro en masa de cementante para elementos reforzados y 0.1 a 0.2 % de iones de cloruro en masa de cementante para elementos presforzados.

 Por difusión. Esto es los cloruros se pueden difundir por humedecimiento por espray salino o por exposición directa al agua de mar y sales de deshielo usadas en las estructuras para control de nieve.

 Por el contacto con químicos. Esto es el uso de estructuras para almacenamiento de sales, tanques de salmuera, acuarios, etc.

Corrosión por picaduras

81 cloruros conlleva al deterioro de la película de la capa pasiva del refuerzo en el concreto alcalino. Las áreas no protegidas por la capa pasiva actúan como ánodos (zonas activas) respecto a áreas aún pasivas donde la reacción catódica de la reducción de oxígeno toma lugar. Si se alcanzan altos niveles de cloruros en la superficie del acero de refuerzo, el ataque puede involucrar áreas más grandes y la morfología de las picaduras puede ser menos evidente, pero el mecanismo será el mismo. Como se muestra en la pasada Fig. 2.13, una vez iniciada la corrosión, se producirá un medio muy agresivo dentro de las picaduras. De hecho, la corriente eléctrica que fluye de las áreas anódicas a las catódicas incrementarán el contenidos de cloruros. Por el contrario, la corriente eléctrica reforzará la capa pasiva, dado que ésta tiende a eliminar los cloruros produciendo alcalinidad. En consecuencia, el comportamiento anódico y catódico se habrá de estabilizar y la corrosión se acelerará (mecanismo auto-catalítico de picaduras) y se pueden alcanzar niveles tan altos de corrosión hasta de 1 mm/año.

Inicio de la corrosión

El inicio de la corrosión por picaduras toma lugar cuando el contenido de cloruros en la superficie del refuerzo alcanza el contenido crítico de cloruros. Se requiere de cierto tiempo para que el deterioro de la capa pasiva y la formación de la primera picadura. Desde el punto de vista práctico el tiempo de inicio puede considerarse como el tiempo cuando el refuerzo en el concreto, conteniendo contiene una cantidad sustancial de humedad y oxígeno caracterizado por un índice sustancial de corrosión de hasta 2 mA/m2.

Cuando los cloruros son por difusión de una fuente externa, el tiempo de inicio de la corrosión dependerá del índice de penetración de los iones cloruro a través del recubrimiento del concreto. el conocimiento del contenido crítico de cloruros y la cinética de penetración es esencial para la evaluación del tiempo de inicio de corrosión por cloruros.

Contenido crítico de cloruros

El contenido crítico de cloruros para el inicio de corrosión por picaduras depende de numerosos factores, siendo algunos de estos el pH del concreto, concentración de iones hidroxilo en la solución acuosa de los poros, el potencial del acero y la presencia de poros en la interface acero/concreto. La concentración de iones hidroxilo depende del tipo de cemento y adiciones. Un segundo factor que tiene influencia importante en el contenido crítico de cloruros es el potencial electroquímico del acero que se puede relacionar con mucha probabilidad a la disponibilidad del contenido de oxígeno combinado con humedad en el concreto sobre la superficie del acero de refuerzo. El contenido crítico de cloruros se ha encontrado es dependiente de la presencia de poros macroscópicos en el acero cerca de la superficie del concreto.

82

composición del cemento, la composición o rugosidad de la superficie del acero o la polarización con la corriente anódica y catódica puede afectar el contenido crítico de cloruros.

El contenido de cloruros en el concreto y su contenido crítico se puede expresar en varias formas, unas de estas refiriéndose como concentración de cloruros en la solución acuosa de poro (cloruros libres) o el contenido total de cloruros en el concreto (incluyendo cloruros vinculados a los constituyentes del cemento). Se cree por lo general que sólo los iones de cloruro disueltos (libres) en la solución acuosa de poro pueden generar la corrosión por picaduras, mientras que aquellos químicamente unidos a los constituyentes del cemento, tal como aquellos absorbidos por el C-S-H no lo hacen. En la práctica, dado que el contenido total de cloruros puede estimarse mucho más fácil que la concentración de cloruros libres, el contenido crítico de cloruros puede expresarse como el contenido crítico total de cloruros. Este valor crítico se expresa por lo general en porcentaje de cloruros respecto a la masa del cemento.

Penetración de cloruros

El ingreso de cloruros desde el medio ambiente externo produce un perfil dentro del concreto caracterizado por un alto contenido de cloruros cerca de la superficie y disminuyendo con la profundidad. La experiencia tomada de estructuras marinas y carreteras expuestas a sales de cloruros muestran que en general, estos perfiles se pueden aproximar por medio de la relación obtenida de la segunda ley de Fick.

Donde:

C=Contenido de cloruros en función de x, que es la distancia desde la superficie y t, el tiempo

Cs=Contenido de cloruros en la superficie D=Coeficiente de difusión

ferror=Función de error complementaria de Gauss, donde:

dt e π 2 (z) f 2 t z 0 error    2.16

La función de error del valor z o viceversa se pueden encontrar en tabulaciones, como la mostrada en Tabla 2.3. La Ec. 2.16 refleja raramente la realidad. Sólo en concretos completa y permanentemente saturados de agua, pueden los cloruros penetrar por difusión. Esto es debido en parte a que existen otros medios de transporte como la succión capilar de cloruros, el secado y mojado, que hace que la evaporación de agua enriquezca el contenido de iones de cloruro, así como los enlaces químicos del cloruro con los constituyentes del cemento que alteran la concentración de los iones cloruro en

83 la solución acuosa de poro. Sin embargo, la experiencia muestra que aún en estos casos los perfiles de cloruros pueden matemáticamente modelarse con muy buena aproximación utilizando una Ec. idéntica a la Ec. 2.16. En esta Ec. el contenido total de cloruros incluye cloruros enlazados químicamente:

Tabla 2.3. Valores de la función de error de Gauss (Ec. 2.18).

z Ferror (z) [Dígitos en centésimas de z]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.0 0.00000 0.01128 0.02256 0.03384 0.04511 0.05637 0.06762 0.07886 0.09008 0.10128 0.1 0.11246 0.12362 0.13476 0.14587 0.15695 0.16800 0.17901 0.18999 0.20094 0.21184 0.2 0.22270 0.23352 0.24430 0.25502 0.26570 0.27633 0.28690 0.29742 0.30788 0.31828 0.3 0.32863 0.33891 0.34913 0.35928 0.36936 0.37938 0.38933 0.39921 0.40901 0.41874 0.4 0.42839 0.43797 0.44747 0.45689 0.46623 0.47548 0.48466 0.49375 0.50275 0.51167 0.5 0.52050 0.52924 0.53790 0.54646 0.55494 0.56332 0.57162 0.57982 0.58792 0.59594 0.6 0.60386 0.61168 0.61941 0.62705 0.63459 0.64203 0.64938 0.65663 0.66378 0.67084 0.7 0.67780 0.68467 0.69143 0.69810 0.70468 0.71116 0.71754 0.72382 0.73001 0.73610 0.8 0.74210 0.74800 0.75381 0.75952 0.76514 0.77067 0.77610 0.78144 0.78669 0.79184 0.9 0.79691 0.80188 0.80677 0.81156 0.81627 0.82089 0.82542 0.82987 0.83423 0.83851 1.0 0.84270 0.84681 0.85084 0.85478 0.85865 0.86244 0.86614 0.86977 0.87333 0.87680 1.1 0.88021 0.88353 0.88679 0.88997 0.89308 0.89612 0.89910 0.90200 0.90484 0.90761 1.2 0.91031 0.91296 0.91553 0.91805 0.92051 0.92290 0.92524 0.92751 0.92973 0.93190 1.3 0.93401 0.93606 0.93807 0.94002 0.94191 0.94376 0.94556 0.94731 0.94902 0.95067 1.4 0.95229 0.95385 0.95538 0.95686 0.95830 0.95970 0.96105 0.96237 0.96365 0.96490 1.5 0.96611 0.96728 0.96841 0.96952 0.97059 0.97162 0.97263 0.97360 0.97455 0.97546 1.6 0.97635 0.97721 0.97804 0.97884 0.97962 0.98038 0.98110 0.98181 0.98249 0.98315 1.7 0.98379 0.98441 0.98500 0.98558 0.98613 0.98667 0.98719 0.98769 0.98817 0.98864 1.8 0.98909 0.98952 0.98994 0.99035 0.99074 0.99111 0.99147 0.99182 0.99216 0.99248 1.9 0.99279 0.99309 0.99338 0.99366 0.99392 0.99418 0.99443 0.99466 0.99489 0.99511 2.0 0.99532 0.99552 0.99572 0.99591 0.99609 0.99626 0.99642 0.99658 0.99673 0.99688 2.1 0.99702 0.99715 0.99728 0.99741 0.99753 0.99764 0.99775 0.99785 0.99795 0.99805 2.2 0.99814 0.99822 0.99831 0.99839 0.99846 0.99854 0.99861 0.99867 0.99874 0.99880 2.3 0.99886 0.99891 0.99897 0.99902 0.99906 0.99911 0.99915 0.99920 0.99924 0.99928 2.4 0.99931 0.99935 0.99938 0.99941 0.99944 0.99947 0.99950 0.99952 0.99955 0.99957 2.5 0.99959 0.99961 0.99963 0.99965 0.99967 0.99969 0.99971 0.99972 0.99974 0.99975 2.6 0.99976 0.99978 0.99979 0.99980 0.99981 0.99982 0.99983 0.99984 0.99985 0.99986 2.7 0.99987 0.99987 0.99988 0.99989 0.99989 0.99990 0.99991 0.99991 0.99992 0.99992 2.8 0.99992 0.99993 0.99993 0.99994 0.99994 0.99994 0.99995 0.99995 0.99995 0.99996 2.9 0.99996 0.99996 0.99996 0.99997 0.99997 0.99997 0.99997 0.99997 0.99997 0.99998 3.0 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99999 0.99999 0.99999

84 Donde

Cx=Contenido total de cloruros (% en masa de cemento o concreto) en la profundidad, x en metros en un tiempo, t en seg.

Cs=Contenido total de cloruros en la superficie, s del elemento (% en masa de cemento o concreto). Dap=Coeficiente de difusión aparente para el cloruro en m

2 /seg.

El coeficiente de difusión aparente, Dap y el contenido de cloruros superficial, Cs, se calculan ajustando los datos experimentales en la Ec. 2.17 y por lo general se usa para describir los perfiles medidos en estructuras reales. Entre menor sea Dap mayor la resistencia a la penetración de cloruros. Dap obtenido de estructuras reales también depende de otros factores como las condiciones de exposición y tiempo de exposición, por lo que resultados en pruebas de laboratorio en cortos plazo no pueden aplicarse a otras condiciones de exposición. Además, la Ec. 2.17 es aplicable también al desempeño a largo plazo de estructuras expuestas a entornos de cloruros, durante la etapa de diseño o la evaluación durante la vida residual de la estructura. En principio, Dap y Cs son conocidas y consideradas constantes con el tiempo y puede ser posible el evaluar la evolución en el tiempo con el perfil de cloruros y entonces estimar el tiempo, t en el cual, un contenido crítico de cloruros es alcanzado y se inicie la corrosión. Como ejemplo, la Fig. 2.26 muestra un ejemplo de curvas de perfiles de cloruros calculados con la Ec. 2.17.

Fig. 2.26. Ejemplos de perfiles de difusión para cloruros Cx en concreto para diferentes valores de Dap con Cs=5% y t=10 años.

85 Fig. 2.27. Ejemplos tiempos de inicio, t de corrosión en función de x, Dap

asumiendo Cs=5% y Cx=1%.

Aunque este criterio para la evaluación del inicio de corrosión es simple, se debe señalar que la fiabilidad depende fuertemente de aquella confiabilidad de los parámetros usados, no sólo Dap y Cs, sino también del contenido crítico de cloruros como se discutió anteriormente. Dap y Cs en general no se pueden asumir como constantes en estructuras reales, donde los enlaces químicos del cloruro y procesos diferentes a la difusión tienen lugar.

86

Contenido de cloruros en la superficie (C

s

)

Algunos estudios del análisis de perfiles en estructuras reales muestran que el contenido de cloruros en la superficie es diferente en muchas de estas, además de su variación en el tiempo. Para estructuras expuestas a ambiente marino algunos procesos de transporte pueden interactuar como absorción capilar y difusión dependiendo de la posición respecto al nivel medio del agua, altura de olas, ciclos de mareas, etc. (Fig. 2.28).

Además, de que los ciclos de mojado y secado pueden causar acumulación de cloruros, las exposiciones de viento y precipitación, pueden lavar los cloruros previamente absorbidos. Muchos de estos factores dependen de la composición del cemento (tipo, enlaces de cloruros, absorción, permeabilidad, etc.). La penetración de cloruros es una función compleja de posición, ambiente y concreto. Como ejemplo, en la Fig. 2.29 se muestran los contornos e penetración de cloruros.

Fig. 2.29. Ejemplo de contornos de penetración de cloruros en una estructura marina.

87 Por lo tanto, el contenido de Cs dependerá de la composición del concreto, la posición de la estructura, la orientación de su superficie y el medio ambiente, la concentración de los cloruros y las condiciones generales de exposición respecto a los vientos y lluvia dominantes. Los valores más altos de Cs se encuentran en la zona de chapoteo, donde la evaporación de agua conlleva a un incremento de cloruros en la superficie del concreto.

Índice de corrosión

En estructuras expuestas a la atmósfera, el índice de corrosión puede variar de algunas décimas hasta la unidad de μm/año, cuando la humedad relativa va del 70 al 95% y el contenido de cloruros se incrementa a valores < de 1% en contenido de cemento. En cualquier caso, este límite está a humedades relativas menores que aquel que hace la corrosión inducida por carbonatación despreciable. En la presencia de altos contenidos de cloruros, sobre todo con sales higroscópicas como cloruro de calcio o cloruro de magnesio aún con humedades relativas del 50% el índice de corrosión puede ser de hasta 2 μm/año. La influencia de la temperatura y humedad afectan el índice de corrosión por la influencia de reacciones electroquímicas en la interface acero/concreto y por la influencia del transporte de iones entre los ánodos y cátodos.

Sólo en estructuras completa y permanentemente sumergidas en agua, aún si se satisfacen las condiciones para el inicio de corrosión, la falta de oxígeno mantendrá el índice de corrosión tan bajo que el ataque por corrosión será despreciable aún en largos periodos.

Agrietamiento por corrosión por hidrogenación

Las fallas en el acero de presfuerzo por corrosión están relacionadas a estructuras presforzadas (edificios, puentes, líneas de conducción, tanques de almacenamiento, etc), anclajes en roca o suelo y tendones expuestos a la atmósfera. Respecto a esto, se puede decir que estas fallas pueden ocurrir solamente por agrietamiento debido a esfuerzos por corrosión en conjunto con algunos defectos en el acero. Sin embargo, el número de fallas de este tipo es muy bajo comparado con el número de estructuras presforzadas que existen, pero sus consecuencias son bastante serias. Este tipo de agrietamiento por hidrogenación puede afectar sobre todo a aceros de alta resistencia usados en concreto presforzado y no afecta a acero con resistencias a la tensión menores de los 700 a 900 MPa.

La corrosión del acero de presfuerzo no sólo se podrá relacionar con la corrosión inducida por hidrógeno, sino que también a la muy usual penetración por cloruros o carbonatación.

Agrietamiento por esfuerzo por corrosión

88

pueden sufrir el fenómeno de corrosión que conlleva al inicio y propagación de grietas, que pueden generar una falla catastrófica. Este fenómeno se le conoce como agrietamiento por esfuerzo de corrosión (AEC). Bajo ciertas condiciones las grietas se propagan debido a la disolución de sus puntas de grieta por la reacción anódica y se le conoce como agrietamiento por esfuerzo de corrosión anódica. En otras condiciones, las grietas se propagan debido a que el hidrógeno producido por la reacción catódica penetra la estructura del metal y se acumula cerca de la punta de grieta.

Agrietamiento por esfuerzo por corrosión por Hidrogenación

El acero de alta resistencia utilizado en presfuerzo puede estar sujeto a agrietamiento causado por hidrogenación producida en su superficie. Este tipo de fallas corresponde a una familia de fenómenos conocidos como agrietamiento por esfuerzo de corrosión por hidrogenación. Las condiciones necesarias para este agrietamiento son un material sensible, un esfuerzo a tensión y un medio que produzca hidrogenación sobre la superficie del acero. La evolución de la hidrogenación sobre la superficie del acero puede provocar tanto el inicio y propagación de grietas comenzando desde la superficie del metal, especialmente en hendiduras o ataques por corrosión localizados. Aún en ausencia de defectos sobre la superficie la hidrogenación puede penetrar el acero y acumularse en las áreas sujetas al esfuerzo por tensión más alto, conduciendo a la falla comenzando por alguno de estos puntos. Este tipo de ataque no requiere ningún medio específico para desarrollarse, puesto que sólo necesita un medio neutral o ácido.

Inicio de agrietamiento

El inicio de agrietamiento es promovido por corrosión y particularmente por ataque de picaduras o hendiduras aún en profundidades cortas que pueden causar las condiciones locales de acidez y así el desarrollo de la hidrogenación. La duración de esta etapa depende de las características del acero (acabado superficial, pH del entorno, etc.) y el tiempo necesario para iniciar el ataque por picaduras o hendiduras, que no dependerán del esfuerzo aplicado en el acero. La duración de esta etapa puede ser cero si:

 El hidrógeno está ya presente en el metal, por ejemplo que el acero haya sido ya tratado con un galvanizado o esté ya precorroido en el lugar de construcción.

 El hidrógeno se haya producido en la superficie del acero por corrientes de Foucault, protección catódica o macroceldas).

 El acero tenga defectos sobre la superficie.

Si el acero es pasivo y su entorno es un concreto libre de carbonatación y cloruros, esta etapa no se lleva a cabo y en consecuencia las demás de estas tampoco. Por el contrario, si el medio esta carbonatado y contaminado con cloruros esta se lleva a cabo.

Propagación de grietas

89 donde están presentes defectos o hendiduras de la superficie del acero, haciendo al metal en esa zona frágil dado que los átomos de hidrógeno dificultan el movimiento de dislocación en el metal. Cuando la cantidad de hidrógeno y el esfuerzo a tensión son altos se produce una microfractura. Esto se llama propagación subcrítica. Este índice puede variar de valores cercanos a cero hasta valores de pocos mm/año

Para estudiar la propagación de grietas, debido a AEC, se puede considerar el parámetro llamado factor de intensidad de esfuerzo, KI:

Donde:

β=Factor que varía de entre 0.5 y 2.0 de acuerdo a la geometría de la varilla y a la grieta

σ=Esfuerzo nominal

w=Tamaño de la grieta sobre la superficie del material

El índice de propagación de la grieta se determina por KI. Si KI está por debajo del valor del factor de intensidad de esfuerzo crítico KISCC la grieta no se propaga debido al esfuerzo por corrosión. Para valores de KI > KISCC la grieta se propaga a un índice que se incrementa cuando el tamaño de la grieta se incrementa. KISCC depende de algunos factores metalúrgicos (éste por lo general disminuye cuando la resistencia del acero se incrementa) y en factores ambientales (medios alcalinos y en ausencia de cloruros). El índice de la propagación de la grieta disminuye cuando KI disminuye. Si Kl es menor que KISCC, la grieta no se propaga aún ya haya iniciado. Cuando el tamaño de la grieta se incrementa debido a la propagación, Kl puede alcanzar la tenacidad de fractura del material y se lleva a cabo una rápida propagación y producir una fractura frágil. De la Ec. 2.18, el tamaño crítico de la grieta, w se puede calcular como:

Para un material de una tenacidad de fractura dada (KIC) y para un esfuerzo nominal, σ se puede calcular un tamaño crítico de grieta sobre el cual ocurrirá la falla.

Condiciones medioambientales

La condición necesaria para que el agrietamiento por esfuerzo por corrosión inducida por hidrogenación sea posible es que la superficie del acero este recubierto con una capa de hidrógeno. Las condiciones que pueden promover el agrietamiento por esfuerzo por corrosión por hidrogenación es un medio ácido, la polarización catódica del acero y la presencia de algunos agentes promotores como compuestos de sulfuro, etc. La reducción de iones de hidrógeno a hidrógeno atómico se lleva a cabo cuando el

πw σ β

K_I  2.18

π σ β

K w

2 2

2 IC

90

potencial, E del acero es más negativo que el potencial de equilibrio para esa reacción, EeqH. Este último disminuye linealmente con el pH de acuerdo a la Ley de Nernst:

La reacción se puede llevar a cabo solamente en la parte baja izquierda del potencial vs el pH como se muestra en la Fig. 2.30.

Fig. 2.30. Campo potencial-pH en la cual la evolución del hidrógeno puede ser posible.

2.3.3. Reacciones expansivas

Uno de los principales procesos de degradación del concreto son los productos de reacciones químicas de la pasta con los agregados que pueden provocar expansiones. Estas reacciones producidas, se clasifican en tres categorías según el tipo de agregado utilizado:

 Reacciones álcali – sílice (RAS)  Reacciones álcali – carbonato (RAC)  Ataque sulfático

En esta sección se pretenden estudiar los distintos tipos de reacciones de forma general enfocándose en aquellos reactivos necesarios para que se produzcan así como en aquellos factores que pueden tener cierta influencia tanto en la rapidez como en la intensidad de sus reacciones.

Reacción Álcali-Sílice

Reacción

La reacción álcali-sílice (RAS) ha resultado ser el problema más común y estudiado de

0.059pH E

91 la categoría de las reacciones álcali-agregado. Como lo descrito en otros Capítulos, la hidratación del cemento portland da como resultado una solución intersticial que contiene hidróxidos de calcio, sodio y potasio. El hidróxido de calcio está en forma cristalizada mientras que los hidróxidos de sodio y potasio se encuentran presentes en la solución. La reacción álcali-sílice se produce en el momento en que la disolución alcalina de los poros del concreto y los minerales silíceos de algunos agregados reaccionan para formar un gel, que al absorber agua, incrementa su volumen. La Fig. 2.31 muestra un esquema sintetizado del este proceso.

Fig. 2.31. Esquema sintetizado del proceso de reacción álcali-sílice.

__________

Anteriormente se creía que el mecanismo de la reacción era distinto para las rocas con minerales silíceos cristalizados que para las rocas con estructura no ordenada, distinguiéndose entre una denominada reacción álcali-silicato (RASS) y reacción álcali-sílice (RAS) respectivamente. Sin embargo, se ha demostrado que no es así y que la reacción es la misma, sólo que en función del grado de cristalización de la sílice, la cinética de la reacción varía, dándose más rápidamente cuanto menor es este grado. Es por esta razón que en adelante, sólo hablaremos de la reacción álcali – sílice.

92

 Reacción 1. Reacción ácido-base, neutralización de los grupos silanol (Si-OH) por la solución alcalina con sosa cáustica:

En primer lugar el grupo silanol reacciona con el OH- y da como producto Si-O-, que al reaccionar con el Na+, produce un gel de silicato:

 Reacción 2. Ataque de los puentes de siloxeno por la solución alcalina, lo que provoca una desintegración de la estructura y el paso de la sílice en solución al estado de iones positivos (H2SiO4).

De las anteriores formulaciones, se puede apreciar la importancia que tienen los iones OH- en las mismas, porque para que se produzcan es primordial la presencia de este ión.

Para que sea posible la reacción álcali-sílice, es necesaria la presencia de sílice reactiva, álcalis sodio y potasio y agua. Pero además, para que la reacción produzca fisuración y expansión, se requiere que las cantidades tanto de sílice reactiva como de álcalis disponibles, sean un tanto significativas y que el agua provenga de una fuente externa al material.

Por otro lado, la reacción cesará cuando uno de los reactivos se consuma o cuando la concentración de ión hidroxilo sea tan baja que la sílice reactiva no sea atacada. En la Fig. 2.32, se pueden observar ejemplos donde se establece el equilibrio ya sea porque la reacción se ha completado, o bien porque se ha llegado al equilibrio físico:

 Caso 1. La expansión se detiene cuando ya no hay agua disponible.

 Caso 2. La expansión se estabiliza cuando se reduce todo el sílice disponible.  Caso 3. La concentración de metal alcalino o la de ión hidroxilo se reduce a un

nivel umbral.

Dado que la expansión causada por la RAS se debe a los esfuerzos inducidos por el crecimiento del gel al absorber el fluido intersticial, ésta va a depender del volumen de concentración del gel, de su rapidez de crecimiento y de sus propiedades físicas. Si la rapidez de crecimiento es lenta, las fuerzas internas se disipan por la migración del gel a través del concreto, mientras que si la velocidad es relativamente rápida, las fuerzas internas pueden llegar a un nivel en el que pueden ocasionar fisuras y la expansión del concreto.

NaOH = Na+ OH- 2.21

Si-OH + OH- → Si-O-+ H2O

Si-O- + Na+ → gel de silicato (Si-ONa) 2.22

Si-O-Si + 2 OH- →Si-O- + O- - Si + H2O →en solución H2SiO4

93 Fig. 2.32. Ejemplos de equilibrio.

En la Fig. 2.33, se muestra un cierto nivel de formación de las fisuras debido a los esfuerzos internos. El nivel de crecimiento se puede categorizar en cuatro niveles:

Fig. 2.33. Nivel determinado de crecimiento de fisuras debidas a la reacción álcali-agregado.

 Nivel 1. El gel crece induciendo tensiones internas, pero no se dan microfisuras.

 Nivel 2. Los esfuerzos inducidas son lo suficientemente grandes para causar microfisuras en la proximidad de las partículas reactivas, sólo ocurre una expansión insignificante.

94

 Nivel 4. Las fuerzas internas inducidas alrededor del gel que llena las microfisuras son lo suficientemente grandes para causar microfisuras extensivas y se pueden producir grandes expansiones.

En algunas estructuras monitoreadas en Dinamarca, EE. UU. y Sudáfrica las fisuras tardaron en aparecer entre 1 y 3.5 años. En el caso de estructuras de concreto afectadas en el Reino Unido examinadas en 1976, el examen petrográfico muestra que las macro-fisuras se formaron probablemente algunos años antes del momento del examen, que en ese momento tenían entre 5 y 7 años.

Como en todos los casos de expansión del concreto, las fisuras y expansiones causadas por la RAS, están influenciadas por la geometría del elemento del concreto, la presencia de armado y la carga aplicada.

La anchura de las macro-fisuras inducidas por la RAS en la superficie expuesta del elemento de concreto puede oscilar desde menos de 0.1 mm hasta más de 10 mm en casos extremos. Si el proceso de la expansión no ha finalizado, las anchuras de las fisuras se incrementarán durante periodos húmedos prolongados. Las macro-fisuras se localizan normalmente en 25 a 50 mm de la superficie expuesta del elemento y se encuentran alineadas perpendicularmente a la superficie expuesta.

Dado que las macro-fisuras inducidas por RAS están generalmente restringidas a una profundidad de 50 mm más o menos desde la superficie expuesta del elemento de concreto, puede deducirse que las capas de la superficie han estado sujetas a esfuerzos y el núcleo del concreto a compresión.

Consecuentemente más expansión, y por lo tanto reacción, ocurre dentro del núcleo de concreto. Un modelo idealizado de posible micro y macro-fisuras causado por RAS se muestra en la Fig. 2.34. Según la experiencia, en concreto plano y armado, la profundidad de las macro-fisuras es una décima parte del espesor del elemento.

95

Factores que afectan la reacción

Entre los factores que influyen en la reacción álcali-sílice destacan los siguientes:  Propiedades de los materiales:

o Agregados: composición, granulometría

o Cemento  Humedad ambiental  Temperatura

Propiedades de los materiales

Propiedades de los agregados

Composición

Los agregados que se ven afectados por la RAS, son aquellos que en su composición cuentan con minerales silíceos. Los agregados que componen los concretos vienen de unas rocas que se encuentran en un estado distinto a sus condiciones naturales, por lo que evolucionarán hasta encontrar un nuevo equilibrio. Esto es lo que se conoce como reactividad, y dependerá tanto de los minerales como de las rocas de las que forman parte estos minerales. Por un lado, dependerá del tipo de mineral, y de su historia tectónica; y por otro, de la estructura, tamaño de los granos, porosidad, permeabilidad de la roca y de la composición de la misma.

Se debe tener en cuenta que en el momento que se produzca la reacción, ésta será más rápida en tanto que más desordenada sea la estructura del mineral: si la forma de sílice se encuentra bien cristalizada o es relativamente densa, el ataque será superficial, mientras que si está pobremente cristalizada los iones hidroxilos y sodio o potasio entrarán en el interior, esto se puede apreciar en Fig. 2.35. En el caso (A) los iones no pueden penetrar y el ataque se reduce a la superficie, lo contrario sucede en el caso (B).

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Debe tenerse en cuenta que el cuarzo es la forma más común de sílice y tiene una disposición ordenada del tetraedro de silicio y oxígeno que es estable bajo condiciones normales. Por otro lado, el ópalo es la forma más desordenada y reactiva de sílice, que forma una clase de retícula aleatoria de tetraedros con espacios entre los grupos de moléculas.

En la Tabla 2.4, preparada por el CSIR en Pretoria, se detallan varios de los minerales, rocas y otras sustancias que resultan potencialmente nocivos para las reacciones de álcali-agregado:

Tabla 2.4. Minerales, rocas y otras sustancias potencialmente nocivas reaccionando con los álcalis del cemento. (Esta lista no es exhaustiva).

Minerales

Ópalo, calcedonia, tridimita, cristobalita, cuarzo vitrificado cripto-cristalino, micro-cristalino, cuarzo de grano grueso intensamente fracturado, granulado y deformado con incrustaciones sub-microscópicas, siendo la ilita una de las más comunes; sílice volcánica cristalizada, intermedia y básica, cuarzo jaspeado

Rocas

Ígneas

Granitos, más del 30% de cuarzo deformado con 25˚ o más de extensión ondulante, granodiorita, charnockites, pómez, riolita, andesitas, sílice o sílice intermedia, rica en cristales volcánicos, cristales desvitrificados, tridimita, dacitas, latitas, perlitas, obsidiana, toba volcánica, basalto, calcedonia, cristobalita, palagonita, vidrio volcánico básico

Metamórficas

Gneis, más del 30% de cuarzo deformado con 25˚ o más de extensión ondulante, esquisto, cuarcita, cuarzo con 5 % o más de sílice, corneana, cuarzo micro-cristalino a cripto- cristalino, filita, argilita

Sedimentarias

Areniscas, 5 % o más de sílice, ópalo, grauwacas, cuarzo micro-cristalino a cripto-cristalino, limos, cuarzo micro-cristalino a cripto-cristalino, pizarras, tillitas, cuarzo micro-cristalino a cripto-cristalino, sílice, cuarzo cristalino; calcedonia ópalo, sílex, diatomita ópalo, cuarzo cripto-cristalino, calizas arcillosas dolomíticas, dolomita, filosilicatos expuestos por dedolomitización, dolomitas arcillosas cálcicas, calcita arcillosa dolomítica con cuarzo

Otras sustancias Vidrio sintético, gel de sílice

En algunas investigaciones se ha estudiado la expansión producida en barras de mortero al utilizar formas distintas de sílice. Los ensayos se llevaron a cabo utilizando distintas proporciones de constituyentes reactivos con arenas de cuarzo inerte. Todas las barras de mortero tenían un contenido alcalino de cemento de 6.2 kg/m3 y fueron almacenadas a 20 ºC. Los resultados que obtuvieron son los de la Tabla 2.5.

97 Tabla. 2.5. Resultados obtenidos de constituyentes agregado a mezcla.

Constituyente agregado a mezcla y su porcentaje en masa total del agregado que provocó expansiones del mas de 0.05% en 6 meses

·Ópalo, 5, 10 y 20% ·Calcedonia, 20%

·Esquisto (ópalo y calcedonia), 5 y 20%

·Esquisto (calcedonia y cuarzo cripto cristalino), 10 y 20% ·Pirex, 10, 50 y 100%

Constituyente agregado a mezcla y su porcentaje en masa total del agregado que provocó expansiones del mas de 0.05% en 4 a 5 años

·Cristobalita, 10, 20 y 50% ·Tridimita, 10 y 20%

·Calcedonia (cuarzo micro cristalino y calcedonia), 5% ·Esquisto (cuarzo cripto cristalino), 20%

Efecto pésimo

Si se comparan las expansiones que se producen al variar las proporciones de agregado reactivo, se puede observar que se produce un pico para una proporción dada. Esto significa que hasta un determinado porcentaje, la expansión aumenta a medida que lo hace el contenido de agregado reactivo, pero se llega a un punto a partir del cual, al seguir aumentando la proporción de agregado, la expansión disminuye. Esto es lo que se conoce como el efecto pésimo y se puede observar en la Fig. 2.36.

Fig. 2.36. Influencia del contenido de agregados reactivos frente a la expansión.

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como el ópalo, se sitúa en un 3.5 % mientras que para otros menos reactivos la proporción es de un 10-20 %. La explicación que se puede dar a este comportamiento es la siguiente: si la proporción de sílice reactivo en el total de los agregados es pequeña y está libre, será consumida rápidamente por la reacción y la cantidad de gel no será suficiente para provocar daño, mientras que si la proporción es grande, la concentración de iones alcalinos en el agua intersticial se reduce debajo de un cierto nivel durante el tiempo de endurecimiento del concreto y por consiguiente el volumen de gel formado no provoca una expansión total. Algo similar ocurre con la relación expansión/tiempo como se puede observar en la Fig. 2.37. Para proporciones muy grandes o muy pequeñas no se dan expansiones, pero si se observan los valores intermedios, la expansión es mayor cuanto menor es la edad de comienzo de las expansiones, es decir, que con la proporción de agregado reactivo del efecto pésimo además de comenzar antes a expandirse, esta expansión será la mayor posible.

Fig. 2.37. Relación expansión-tiempo.

El efecto pésimo se esquematiza en la Fig. 2.38 para relaciones agua/cemento y agregado/cemento de 0.4 y 2.75 respectivamente y un contenido de álcali de 6 kg/m3, y su desarrollo se explica a continuación.

Región A. El contenido de sílice reactivo es bajo y crecimiento del gel después del endurecimiento del concreto no es de la suficiente intensidad como para inducir fisuras. El crecimiento del gel ocurre sin ningún efecto adverso en el concreto.

Región B. La reacción continúa después de que el concreto ha endurecido, y la intensidad de la reacción es suficiente para inducir fisuración. La expansión se detiene cuando todo el sílice reactivo se ha reducido o cuando la reacción cae a un nivel lo suficientemente bajo. En esta región hay un exceso de álcalis.