12.0.INTRODUCCIÓN

El ACI define la durabilidad del concreto de cemento Pórtland como la habilidad para resistir la acción del intemperismo, el ataque químico, abrasión, y cualquier otro proceso o condición de servicio de las estructuras, que produzcan deterioro del concreto. (Ref. 12.1 y 12.2).

La conclusión primordial que se desprende de esta definición es que la durabilidad no es un concepto absoluto que dependa sólo del diseño de mezcla, sino que está en función del ambiente y las condicione de trabajo a las cuales lo sometamos.

En este sentido, no existe un concreto “durable” por sí mismo, ya que las características físicas, químicas y resistentes que pudieran ser adecuadas para ciertas circunstancias, no necesariamente lo habilitan para seguir sido “durable” bajo condiciones diferentes.

Tradicionalmente se asoció la durabilidad a las características resistentes del concreto, y particularmente a su resistencia en compresión, pero las experiencias particularmente a su resistencia en compresión, pero las experiencias prácticas y el avance de la investigación en este campo han demostrado que es sólo uno de los aspectos involucrados, pero no el único ni el suficiente para obtener un concreto durable.

En consecuencia, el problema de la durabilidad es sumamente complejo en la medida en que cada situación de exposición ambiental y condición de servicio ameritan una especificación particular tanto para los materiales y diseño de mezcla, como para los aditivos, la técnica de producción y el proceso constructivo, por lo que es usual que en este campo las generalizaciones resulten nefastas.

Bryant Mather, uno de los pioneros en la investigación en Tecnología del Concreto y en el área de la durabilidad indica en uno de sus trabajos (Ref. 12.3): “Está demostrado científicamente que las estructuras de concreto se comportan inadecuadamente debido a que las especificaciones técnicas fueron deficientes o que éstas fueron correctas pero no se siguieron en la obra”. 

Es obvio pues que en este aspecto se debe desterrar una práctica muy común en nuestro medio como es la de repetir, copiar o “adaptar” especificaciones técnicas locales aparentes, pero que sin embargo desde el punto de vista de la Tecnología del Concreto y la durabilidad requieren una evaluación y criterios particulares.

Quines han tenido la oportunidad de laborar en las diferentes regiones de nuestro país, habrán podido comprobar la repetición sistemática de errores conceptuales y prácticas constructivas inadecuadas en lo que a tecnología del concreto y durabilidad se refiere, por el concepto equivocado de que el concreto es un material “noble” que puede asimilar nuestras deficiencias, y que es antieconómico trabajar con los avances de la técnica moderna.

En el desarrollo de este tema, analizaremos algunos conceptos básicos que permitan una mejor aproximación a estos problemas y la utilización más eficiente de nuestros recursos materiales y humanos.

12.1.FACTORES QUE AFECTAN LA DURABILIDAD DEL CONCRETO

En este acápite delinearemos los factores que influyen en el deterioro del concreto y consecuentemente en la durabilidad, debiendo tenerse presente que no se incluye dentro de ellos la fisuración pues este es un síntoma de los cambios volumétricos y no un factor en sí, por lo que su tratamiento ha sido materia de un desarrollo particular en el Capítulo 11.

Los factores mencionados se clasifican en 5 grupos.  (Ref. 12.4)

I.      Congelamiento y descongelamiento (Freezing Thawing)

II.     Ambiente químicamente agresivo

III.    Abrasión

IV.   Corrosión de metales en el concreto

V.    Reacción químicas en los agregados

Existen factores que influyen en la durabilidad, clasificados desde el punto de vista del mecanismo de ataque al concreto y que representan subdivisiones y análisis más profundos que los ya mencionados (reacciones no ácidas, ácido carbónico en el agua, ataque de sales de magnesio, agresión de grasas animales etc.) pero que no trataremos en el presente Capítulo por estar más relacionados con la investigación académica de estos fenómenos que con su trascendencia práctica, ya que la frecuencia de ocurrencia de tales agentes es muy aislada.

12.2.CONGELAMIENTO Y DESHIELO Y SU MECANISMO

Constituye un agente de deterioro que ocurre en los climas en que la temperatura desciende hasta provocar el congelamiento del agua contenida en los poros capilares del concreto.  En términos generales el fenómeno se caracteriza por inducir esfuerzos internos en el concreto que pueden provocar su fisuración reiterada y la consiguiente desintegración.

Es importante tener claro que es un fenómeno que se da tanto a nivel de la pasta de cemento, como en los agregados de manera independiente, así como en la interacción entre ambos, por lo que su evaluación debe abordar cada uno de estos aspectos.

a)         Efecto en la pasta de cemento

Existen dos teorías que explican el efecto en el cemento.  La primera se denomina de “Presión hidráulica” que considera que dependiendo del grado de saturación de los poros capilares y poros del gel, la velocidad de congelamiento y la permeabilidad de la pasta, al congelarse el agua en los poros ésta aumenta de volumen y ejerce presión sobre el agua aún en estado líquido, ocasionando tensiones en la estructura resistente.

Si estas tensiones superan los esfuerzos últimos de la pasta, se produce la rotura (Ref. 12.5).

La segunda teoría llamada de “Presión osmótica” asume las mismas consideraciones iniciales de la anterior pero supone que al congelarse el agua en los poros cambia la alcalinidad del agua aún en estado líquido, por lo que tiende a dirigirse hacia las zonas congeladas de alcalinidad menor para entrar en solución , lo que genera una presión osmótica del agua líquida sobre la sólida ocasionando presiones internas en la estructura resistente de la pasta con consecuencia similares al caso anterior (Ref. 12.6)

Bajo ambas teorías, al producirse el descongelamiento se liberan las tensiones y al repetirse este ciclo muchas veces se produce la rotura por fatiga de la estructura de la pasta, si es que no se produjo inicialmente.

b)        Efecto en los agregados

En los agregados existe evidencia de que por los tamaños mayores de los poros capilares se producen generalmente presiones hidráulicas y no osmóticas, con esfuerzos internos similares a los que ocurren en la pasta de cemento, existiendo indicios que el Tamaño máximo tiene una influencia importante. (Ref. 12.7) estimándose que para cada tipo de material existe un Tamaño máximo por de bajo del cual se puede producir el congelamiento confinado dentro del concreto sin daño interno en los agregados.

Por otro lado, cuanto menor sea la capacidad del agregado para absorber agua, menor será el efecto del congelamiento interno de la misma.

c)         Efecto entre la pasta y los agregados.

Existe la denominada “Teoría Elástica” que considera un efecto mixto de los agregados sobre la pasta, ya que al congelarse el agua dentro de ellos, se deforman elásticamente sin romperse por tener una estructura más resistente que la del cemento y ejercen presión directa sobre la pasta generando tensiones adicionales a las ocasionadas en el cemento independientemente.

12.3.CONTROL DE LA DURABILIDAD FRENTE AL CONGELAMENTO Y DESHIELO

a)         Aditivos incorporadores de aire

Uno de los avances más importantes en la tecnología del concreto ha sido el desarrollo de los aditivos incorporadores de aire a fines de la década de los años cuarenta.  Si recordamos las teorías que explican el efecto del congelamiento en el concreto, concluiremos que en ambas existe un desplazamiento de agua en estado líquido o sólido que al encontrar restringida esta deformación genera esfuerzos.

El principio de los incorporadores de aire consiste en introducir una estructura adicional de vacíos no interconectados, que permiten asimilar los desplazamientos generados por el congelamiento eliminando las tensiones.

Se ha establecido el denominado “Factor de espaciamiento” (c > 0.2 mm) que representa la distancia máxima que debe existir entre las partículas de la pasta y los vacíos introducidos por el incorporador de aire para que sea realmente efectivo en cuanto a controlar el efecto del congelamiento y descongelamiento (Ref. 12.8).

Los porcentajes de aire incorporado que se recomiendan en función del Tamaño máximo de los agregados son los que se indican en la Tabla 12.1:

 

TABLA 12.1.

Tamaño máximo nominal en pulgadas

Exposición severa con humedad constante en porcentaje

Exposición moderada con humedad ocasional en porcentaje

3/8

7.5

6.0

½

7.0

5.5

¾

6.0

5.0

1 ½

5.5

4.5

3

4.5

3.5

b)        Curado

No se puede pensar que sólo con los incorporadores de aire se soluciona el problema, pues si no le damos al concreto la posibilidad de desarrollar resistencia, de nada servirá la precaución anterior ante la fatiga que va produciendo la alternancia de esfuerzos en los cielos de hielo y deshielo.

Para un desarrollo normal de resistencia en el tiempo, el concreto debe curarse como referencia a una temperatura de por lo menos 13 °C para un elemento de 30 cm de espesor y 5 °C para espesores de orden de 1.80 m por lo que debe procurarse mantener la temperatura adecuada mediante elementos aislantes que impidan que pierda calor y/o se evapore el agua, o se congele hasta que halla desarrollado al menos 35 kg/cm2.

Hay que recordar siempre el principio básico que se desprende de comprender el mecanismo de hidratación del cemento y que consiste en que la reacción química necesita agua, espacio para desarrollar los productos de hidratación, cierta temperatura y tiempo.  Mientras controlemos estos factores mediante el curado, aseguraremos el desarrollo completo de las propiedades del concreto y favoreceremos la durabilidad.

Una experiencia personal que permitió el desarrollo de una técnica de curado en el Altiplano empleado manta de totora la implementamos durante la construcción del Aeropuerto de Juliaca.

En esta zona de la Sierra Peruana se dan alternancias de temperatura muy amplias que para la época en que se desarrolló la construcción entre Enero y Julio de 1984, significaban tener en el día hasta 35 °C y en la noche la temperatura descendía hasta – 2 |c ocasionando que se dieran en un periodo muy corto las condiciones ambientales de clima cálido y clima frío a la vez obligado a adoptar precauciones en los diseños de mezcla y en los métodos de curado para contrarrestar estos efectos.

El ciclo de hielo y deshielo nocturno motivó el empleo de un incorporador de aire para darle durabilidad al concreto ante esta circunstancia, pero la temperaturas tan bajas en este lapso hacían prever que no se produciría un desarrollo normal de resistencia si no se tomaban algunas medidas.

Los vaciados se planificaron para realizarse durante el día, iniciándose a las 6.00 a.m. en que la temperatura ambiente era del orden de 13 °C, hacia las 12 m había ascendido hasta 35 °C y alrededor de las 3.00 p.m. en que concluían las labores ya había descendido nuevamente a 13 °C lo que daba un período de trabajo de 9 Horas con una temperatura media del orden de 24 °C.  La tasa de evaporación en función de las velocidades del viento y la humedad relativa ambiente se calculó en1.5 a 2.0 km/cm2/ hora, lo que ameritaba tomar precauciones inmediatas para evitar fisuración por contracción plástica.

Las losas eran de 11” de espesor y la relación Volumen / Ara superficial expuesta del orden de 0.28 indicaba que de no tomarse precauciones especiales, el incremento de temperatura debido al calor de hidratación se disiparía en menos de 24 horas quedado el concreto expuesto a la temperatura ambiente para desarrollar la hidratación.

El principio de curado que se implementó consistió en aplicar inmediatamente después del vaciado un curador de membrana transparente del tipo resina, que controlara la fisuración por contracción plástica pero sin reflejar los rayos solares para concentrar más calor en el concreto.  Cuando el concreto endureció lo suficiente, se colocó lámina plástica de color negro y posteriormente dos mantas de totora que suministraban un espesor aislante de aproximadamente 2”.

Durante 7 días se retiraban en la mañana las mantas de totora para que la plástica negra concentrara el calor y lo transmitiera al concreto, y al atardecer se volvía a colocar la totora para conservar durante la noche gran parte del calor acumulado.

Esta solución se probó inicialmente a nivel de laboratorio y luego en losas de prueba verificándose el mantenimiento de una temperatura promedio del orden de 13 °C durante la aplicación del sistema.  También se probó la alternativa de dejar la cobertura de totora permanente durante 7 días sin embargo no dio los resultados satisfactorios conseguidos con el otro método.

Se ejecutaron 65,000 m2 de losas de concreto correspondientes a las cabeceras de la pista de aterrizaje, calle de rodaje y zona de parqueo de aviones con un volumen de concreto de orden de 18,000 m3 sin problemas de fisuración, habiendo demostrado ser la totora un aislante magnífico para emplearse en curado de concreto (Ref. N° 12.9).

Diseños de mezcla

Los diseños de mezcla deben ejecutarse buscando concretos con la menor permeabilidad posible, lo cual se logra reduciendo la relación Agua/Cemento al mínimo compatible con la trabajabilidad para lo cual el ACI recomienda relaciones entre 0.45 y 0.50.

Hay que indicar que los incorporadores de aire tiene un efecto mínimo en combatir el congelamiento de los agregados, por lo que es importante seleccionar los más adecuados, para lo cual es útil el ensayo ASTM C-88 (Ref. 12.10) que da una idea del comportamiento ante el intemperismo.

Existen ensayos en laboratorio de especimenes de concreto para evaluar su comportamiento ante el congelamiento y descongelamiento (Ref. 12.10) sin embargo no son del todo concluyentes por la dificultad en correlacionarlos con las estructuras in situ.

Si se tiene la curiosidad de investigar y evaluar los procedimientos usuales de diseño de mezclas y producción de concreto para construcciones convencionales en las zonas de la Sierra donde se dan las condiciones de hielo y deshielo, se podrá comprobar que salvo casos excepcionales, se aplican los mismos criterios que para el caso de la Costa, empleando mezclas con gran cantidad de agua y relaciones Agua/Cemento altas con asentamientos de al menos 4”, tendencia hacia los gruesos y consecuentemente problemas de cangrejeras, acabados porosos con poca impermeabilidad y ninguna precaución especial en cuanto al curado.

Sólo se aplican aditivos y curado apropiado en proyectos de cierta importancia cuando lo exigen las especificaciones técnicas, siendo lo corriente al recorrer las calles de estos pueblos y ciudades el comprobar que las pistas de concreto y estructuras esán muy fisuradas y deterioradas por problemas de durabilidad no enfrentados adecuadamente.

Finalmente, es muy importante recalcar que ninguna de las precauciones mencionadas tendrán sentido si no se implementan eficientemente en obra y se establece un programa de control de calidad adecuado en la etapa de producción y colocación. 

12.4.AMBIENTE QUÍMICAMENTE AGRESIVO

El concreto es un material que en general tiene un comportamiento satisfactorio ante diversos ambientes químicamente agresivos.

El concepto básico reside en que el concreto es químicamente inalterable al ataque de agentes químicos que se hallan en estado sólido.

Para que exista alguna posibilidad de agresión el agente químico debe estar en solución en una cierta concentración y además tener la opción de ingresar en la estructura de la pasta durante un tempo considerable, es decir debe haber flujo de la solución concentrada hacia el interior del concreto y este flujo debe mantenerse el tiempo suficiente para que se produzca la reacción.

Este marco de referencia reduce pues las posibilidades de ataque químico externo al concreto, existiendo algunos factores generales que incrementan la posibilidad de deterioro como son: las temperaturas elevadas, velocidades de flujo altas, mucha absorción y permeabilidad, el curado deficiente y los ciclos de humedecimiento y secado.

Los ambientes agresivos usuales están constituidos por aire, agua y suelos contaminados que entran en contacto con las estructuras de concreto.

Se puede decir pues que el concreto es uno de los materiales que demuestra mayor durabilidad frente a ambientes químicamente agresivos, ya que si se compara estadísticamente los casos de deterioro con aquellos en que mantiene sus condiciones iniciales pese a la agresividad, se concluye en que estos casos son excepcionales.

12.5.EFECTO DE COMPUSTOS QUÍMICOS CORRIENTES SOBRE EL CONCRETO (Ref. 12.2).

En la Tabla 12.2 se puede apreciar el efecto de varias sustancias químicas comunes sobre el concreto simple, comprobándose pues que son muy poscas la que realmente le acusan un daño importante.

Dentro de este panorama, los compuestos que por su disponibilidad en el medio ambiente producen la mayoría de casos de ataque químico al concreto están constituidos por los cloruros y los sulfatos.

12.6.CLORUROS

Los cloruros se hallan normalmente en el ambiente en las zonas cercanas al mar, en el agua marina, y en ciertos suelos y aguas contaminadas de manera natural o artificial.

Como se observa en la Tabla 12.2, los cloruros tienen una acción insignificante sobre el concreto desde el punto de vista de la agresión química directa, pero erradamente se les considera en muchas oportunidades causantes del deterioro que es producido por otros agentes.

TABLA 12.2  EFECTO DE SUSTANCIA QUÍMICAS EN EL CONCRETO

VELOCIDAD DE ATAQUE A TEMPERATURA AMBIENTE

ACIDOS INORGANICOS

ACIDOS ORGANICOS

SOLUCIONES ALCALINAS

SOLUCIONES SALINAS

Rápida

Clorhídrico

Fluorhídrico

Nítrico

Sulfúrico

Acético

Fórmico

Láctico

Cloruro de Aluminio

Moderada

Fosfórico

Tánico

Hidróxido de Sodio > 20 %

Nitrato de Amonio

Sulfato de Amonio

Sulfato de sodio

Sulfato de Magnesio

Sulfato de Calcio

Lenta

Carbónico

Hidróxido de Sodio 10 a 20 % Hipoclorito de Sodio

Cloruro de Amonio

Cloruro de Magnesio

Cloruro de Sodio

Insignificante

Oxálico

Tartárico

Hidróxido de Sodio > 10 % Hidróxido de Amonio

Cloruro de Calcio

Cloruro de Sodio

Nitrato de Zinc

Cromato de sodio

 

En este sentido hay que tener perfectamente claro el concepto de que los cloruros no tienen acción perjudicial directa sobre el concreto sino es a través de su participación en el mecanismo de la corrosión de metales embebidos en el concreto, produciéndose compuestos de hierro que al expandirse rompen la estructura de la pasta y agregados.  El no entender a cabalidad este fenómeno lleva muchas veces a confusión pues con frecuencia se descartan materiales con cloruros para su empleo en concreto simple sin ser esto necesario. 

Como nota interesante debemos comentar que para producir concreto no reforzado, se puede emplear incluso agua de mar, (como en efecto se hace en algunos lugares en el mundo) si la estructura en cuestión no estará sometida posteriormente, a humedecimiento que produzca que entre en solución permanente los sulfatos que taimen contiene el agua marina.  Empleando complementariamente algún cemento Puzolánico o resistente a los sulfatos, en los casos mas críticos se controlaría cualquier reacción de los sulfatos, ya que estos constituirían el único riesgo potencial de deterioro.

En el acápite correspondiente a la corrosión se tratará en detalle el rol indirecto que cumple los cloruros en ese fenómeno.

12.7.SULFATOS

Los sulfatos que afectan la durabilidad se hallan usualmente en el suelo en contacto con el concreto, en solución en agua de lluvia, en aguas contaminadas por deshechos industriales o por flujo en suelos agresivos.

Por lo general consisten en sulfatos de Sodio, Potasio, Calcio y Magnesio.

Los suelos con sulfatos se hallan normalmente en zonas áridas, y pese a que pueden no estar en muy alta concentración, si se producen ciclos de humedecimiento y secado sobre el concreto, la concentración puede incrementarse y causar deterioro.

El mecanismo de acción de los sulfatos considera dos tipos de reacción química (Ref. 12.11):

I)      Combinación del sulfato con Hidróxido de Calcio libre (Cal Hidratada) liberado durante la hidratación del cemento, formándose Sulfato de calcio (Yeso) de propiedades expansivas.

II)     Combinación de Yeso con Aluminato Cálcico Hidratado para formar Sulfoaluminato de Calcio (Etringita) también con características de aumento de volumen.  Algunos investigadores indican que existe un efecto puramente físico causado por la cristalización de las sales sulfatadas en los poros del concreto con aumento de volumen y deterioro.

12.8.CONTROL DE LA AGRESIÓN QUÍMICA

La manera más directa consiste en evitar el construir en ambiente agresivo, pero esto no siempre puede llevarse a cabo, por lo que como regla general se debe procurar alguna barrera que evite el contacto de los cloruros y sulfatos en solución con el concreto.

Esta protección puede llevarse a cabo con pinturas bituminosa, a base de caucho o pinturas especialmente diseñadas para este tipo de agresión (normalmente del tipo epóxico), pero que resultan usualmente soluciones caras.

Otra media es crear drenajes adecuados entre el concreto estructural y el suelo agresivo que corten el flujo de la solución impidiendo el contacto entre ambos.  Una medida conveniente en este sentido consiste en emplear rellenos granulares de Tamaño máximo no menor de 1” de granulometría abierta, que limitan la posibilidad de flujo por capilaridad entre el concreto y el material de relleno.

Independientemente de lo anterior, lo básico para que se reduzcan las posibilidades de que el concreto sea deteriorado por agresión química consiste en que el diseño de mezcla considere una relación agua/cemento baja de modo de reducir su permeabilidad, emplear agregados densos y utilizar cementos resistentes a los sulfatos como los Tipo II, Tipo V, Tipo IP, Tipo IPM o añadiendo específicamente Puzolanas que al combinarse con la cal libre del cemento reducen la formación de yeso.

La característica principal de los cementos resistentes a los Sulfatos consiste en un bajo contenido de Aluminato Tricálcico (Máximo entre 5 a 8%) lo que disminuye la formación de compuestos expansivos.

Los aditivos que contribuyen a reducir el agua de amasado ayudan a incrementar la resistencia a los sulfatos, pero los acelerantes que contienen cloruros tienen un efecto negativo por lo que se recomienda prohibir su empleo en estas circunstancias.

En la Tabla 12.3 se incluyen las recomendaciones que da el ACI con respecto al tipo de cemento a emplearse para diferentes grados de exposición a Sulfatos (Ref. 12.2), siendo importante tener en cuenta que den interpretarse a la luz de las condiciones reales de ataque potencial para cada caso particular.

 

TABLA 12.3  REQUISITOS PARA CONCRETO EXPUESTO A SOLUCIONES CON SULFATOS

TIPO DE EXPOSICIÓN A LOS SULFATOS

SULFATOS SOLUBLES EN AGUA (SO4) PRESENTES EN SUELOS (% EN PESO)

SULFATOS (SO4) EN AGUA

 

(p.p.m.)

TIPO DE CEMENTO RECOMENDADO

RELACIÓN AGUA/CEMENTO RECOMENDADA (CONCRETO NORMAL)

f´c

MÍNIMO

(kg/cm2)

DESPRECIABLE

0 a 0.10

0 a 150

MODERADA

0.10 a 0.20

150 a 1500

II, IP (MS), IS (MS), I (PM)(MS), I (SM)(MS)

0.50

280

SEVERA

0.20 a 2.00

1,500 a 10,000

V

0.45

315

MUY SEVERA

Sobre 2.00

Sobre 10,000

V + PUZOLANA

0.45

315

El hecho de que existan sulfatos en el suelo no significa necesariamente que atacarán al concreto puesto que si se trata por ejemplo de un clima muy seco donde no hay posibilidad de que entren en solución o esta posibilidad es mínima, es obvio que resulta antitécnico y antieconómico especificar cemento especial cuando se pueden tomar precauciones mas baratas y eficientes.

La agresividad por ataque de ácidos que ocurre en estructuras de uso industrial, se puede tratar de combatir con precauciones similares a la de los sulfatos, pero existe el concreto que pueda resistir indefinidamente el ataque de ácidos con alta concentración, por lo que lo usual en estos casos es emplear recubrimientos especiales, como son los pisos epóxicos y pinturas epóxicas, que adicionalmente necesitan un mantenimiento frecuente para garantizar su efectividad.

12.9.ABRASIÓN

Se define la resistencia a la abrasión como la habilidad de una superficie de concreto a ser desgastada por roce y fricción.

Este fenómeno se origina de varias maneras, siendo las más comunes las atribuidas a las condiciones de servicio, como son el tránsito de peatones y vehículos sobre veredas y losas, el efecto del viento cargado de partículas sólidas y el desgaste producido por el flujo continuo de agua.

En la mayoría de los casos, el desgaste por abrasión no ocasiona problemas estructurales, sin embargo puede traer consecuencias en el comportamiento bajo las condiciones de servicio o indirectamente propiciando el ataque de algún otro enemigo de la durabilidad (agresión química, corrosión etc) siendo esto último más evidente en el caso de las estructuras hidráulicas.

12.10.      FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA ABRASIÓN DEL CONCRETO

El factor principal reside en qué tan resistente es desde el punto de vista estructural o mecánico, la superficie expuesta al desgaste.

Se han desarrollado varias maneras de medir el desgaste o la resistencia a la abrasión tanto a nivel de laboratorio como a escala natural (Ref. 12.12), pero los resultados son bastante relativos pues ninguna de ellas puede reproducir las condiciones reales de uso de las estructuras, ni dar una medida absoluta en términos numéricos que pueda servir para comparar condiciones de uso o concretos similares, por lo tanto el mejor indicador es evaluar principalmente factores como la resistencia en compresión, las características de los agregados, el diseño de mezcla, la técnica constructiva y el curado.

12.11.  RECOMENDACIONES PARA EL CONTROL DE LA ABRASIÓN

Teniendo claros estos conceptos, es obvio que en la medida que desarrollemos las capacidades resistentes de la capa de concreto que soportará la abrasión, lograremos controlar el desgaste.

Se estima que la superficie aludida debe tener una resistencia en compresión mínima de 280 kg/cm2  para garantizar una durabilidad permanente con respecto a la abrasión, lo cual indica que es necesario emplear relaciones Agua/Cemento bajas, el menor slump compatible con la colocación eficiente, agregados bien graduados y que cumplan con los límites ASTM C-33 para gradación y abrasión, así como la menor cantidad posible de aire ocluido.

Al margen de estas precauciones previas a la producción, está demostrado que un elemento fundamental en el resultado final lo constituye la mano de obra y la técnica de acabado.

Cuando se procede a realizar el acabado sin permitir la exudación natural de la mezcla, la capa superficial se vuelve débil al concentrarse el agua exudada, incrementándose localmente la relación Agua/Cemento.

Se considera que en condiciones normales, el acabado debe ejecutarse alrededor de dos horas luego de la colocación del concreto y habiéndose eliminado el agua superficial.

La cantidad de energía que pone el operario en el proceso de acabado tiene relación directa con el grado de compactación de la superficie habiéndose comprobado experimentalmente una gran diferencia cuando éste trabajo se ejecuta con acabadoras mecánicas (de uso no muy corriente en nuestro medio).

Es usual apreciar la costumbre generalizada de espolvorear cemento sobre la superficie húmeda con objeto de “secarla” y terminar antes con el acabado, lo cual constituye una práctica negativa si aún continúa la exudación, pues la película de cemento actúa como una barrera impermeable reteniendo el agua y favoreciendo que disminuya localmente la relación Agua/Cemento.

Si este procedimiento se efectúa luego de la exudación y se integra el cemento o un mortero seco con el resto de la pasta, el efecto es muy beneficioso pues se consigue reducir localmente la relación Agua/cemento e incrementar la resistencia, por lo que el concepto básico está en la oportunidad en que se hace esto y no en la acción misma.

Otra precaución importantísima está constituida por la técnica de curado pues de nada sirve tener materiales y un diseño de mezcla excelentes si luego no propiciamos las condiciones para que se desarrolle la resistencia, y que son temperatura y humedad adecuadas.

El curado debe iniciarse inmediatamente después de concluido el acabado superficial siendo  recomendable mantenerlo no menos de 7 días cuando se emplea cemento Tipo I y un tiempo mayor si se emplean cementos de desarrollo lento de la resistencia.

Otras técnicas de curado como el secado al vacío son mucho más eficientes en cuanto a resultados, pero no constituyen soluciones que se puedan generalizar en nuestro medio por su costo, por lo que es necesario aplicar las técnicas convencionales como son el riego continuo o las “arroceras” que son alternativas simples y efectivas si se aplican bien y con continuidad.

Una técnica probada mundialmente (Ref. 12.13) que mejora notablemente la resistencia a la abrasión de las superficies de concreto consiste en emplear el denominado “concreto fibroso” (Fiber concrete) del cual ya hemos hablado en el Capítulo 10.      

Hay una variedad muy grande de tratamientos adicionales para lograr una superficie mucho más resistente que la obtenida con un concreto standard, y par ciertos casos especiales no hay otra opción que recurrir a ellos, sin embargo la recomendación principal es el no usarlos sin antes evaluarlos en forma práctica.  En el caso de productos del tipo que vienen listos para su uso en obra, hay que tener cuidado pues los fabricantes no pueden cubrir con un solo producto la infinidad de parámetros involucrados en lo que al concreto se refiere, luego hay que aplicar las recomendaciones de ellos con sentido común y comprobar sus bondades antes de incluirlos en las obras.

12.12.      CORROSIÓN DE METALES EN EL CONCRETO

El concreto por ser un material con una alcalinidad muy elevada (pH > 12.5), y alta resistividad eléctrica constituye uno de los medios ideales para proteger metales introducidos en su estructura, al representar una barrera protectora contra la corrosión.  Pero si por circunstancias internas o externas se cambian estas condiciones de protección, se produce el proceso electroquímico de la corrosión generándose compuestos de óxidos de hierro que llegan a triplicar el volumen original del hierro, destruyendo el concreto al hincharse y generar esfuerzos internos.

En el concreto pueden incluirse una serie de metales dependiendo de la utilidad que queramos darle, pero lo real es que el acero es el metal de mayor uso desde que se desarrolló el concreto reforzado y sus múltiples aplicaciones, por lo que en este acápite nos limitaremos a considerar sólo el caso de la corrosión del acero de refuerzo.

12.13.      MECANISMO DE LA CORROSIÓN

En la Figura 12.1 (Ref. 12.14) se describe el esquema típico general de la celda electroquímica, consistente en un ánodo de Fierro, un cátodo de otro metal que para nuestro caso también sería Fe, con iones en su medio ácido, un elemento que permita el flujo iónico del cátodo al ánodo, y una conexión entre ánodo y cátodo para canalizar el flujo de electrones.  En las Fig. 12.2 y 12.3 (Ref. 12.14) se establece el esquema de la celda electroquímica en le caso del acero de refuerzo, y el mecanismo de acción sobre el concreto, permitiéndonos las siguientes conclusiones:

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1)     El ánodo y cátodo están separados, pero dicha separación puede ser una micra o un distancia muy grande e igualmente se verifica el fenómeno, por lo que en el acero de refuerzo se puede dar la corrosión por microceldas (Fig. 12.4) o macroceldas (Fig. 12.5. (Ref. 12.15).

 

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2)     El oxigeno no está involucrado en el lugar donde se produce la corrosión, que es exclusivamente el ánodo, sin embargo sí es imprescindible que en el cátodo haya oxígeno y agua para el proceso electroquímico.

3)     Debe existir la suficiente concentración de iones para que se inicie el flujo electroquímico, lo que en la práctica se produce cuando ingresan cloruros en cantidad suficiente, se reduce la alcalinidad (pH < 8.0) y se dan las condiciones de humedad en el cátodo.

4)     El flujo se interrumpe y consecuentemente la corrosión, cuando se elimina el conductor metálico entre ánodo o evitando que haya oxígeno en el cátodo o eliminando el agua entre ambos que es el medio de transporte de los iones.

En consecuencia., analizando el mecanismo es evidente que deben cumplirse varias condiciones para que se produzca la corrosión y en general salo casos especiales esto no ocurre con frecuencia.

Sólo si tenemos cloruros en una determinada concentración referida al peso del cemento estimada normalmente del orden del 0.2% existe la posibilidad de corrosión si a la vez se cumplen los otros requisitos (Ref. 11.16).

Es importante aclarar que tanto el ACI como otras instituciones dan porcentajes menores o mayores dependiendo de si se trata de concreto pretensado o si las condiciones de exposición son muy severas, ero lo real es que no hay evidencia concluyente que permita establecer límites aplicable a todos los casos particulares, por lo que siempre es imprescindible analizar todos los parámetros involucrados para establecer el verdadero riesgo potencial.

Como referencia se establecen en la Tabla 12.4 las recomendaciones del Reglamento ACI – 318 con respecto al contenido máximo de cloruros en función del tipo de concreto y condición de exposición expresado en porcentaje referido al peso del cemento.  La forma de aplicar estas limitaciones, consiste en primero determinar el contenido de cloruros de cada uno de los componentes mediante análisis químicos; luego en base a los pesos del agua, los agregados, los aditivos y el cemento en la mezcla, se calcula el aporte de cloruros de cada uno en peso y se suman constituyendo este valor el contenido total de cloruros del concreto.  Dividiendo esta cantidad entre el peso del cemento en el diseño y multiplicándolo por 100, obtenemos el porcentaje de cloruros referido al peso del cemento que se comparara con los valores de la Tabla 12.4.

TABLA 12.4.  CONTENIDO MÁXIMO DE ION CLORURO PARA PREVENIR CORROSIÓN

TIPO DE ELEMENTO

CONTENIDO MÁXIMO DE ION CLORURO EN CONCRTO (% EN PESO DEL CEMENTO)

CONCRETO PRETENSADO

0.06

CONCRETO ARMADO EXPUESTO A CLORUROS

0.15

CONCRTO ARMADO PROTEGIDO DE LA HUMEDAD

1.00

OTRO TIPO DE CONCRETO

0.30

En la tabla 12.5 se detallan las recomendaciones de ACI – 318 sobre las relaciones Agua/Cemento máximas a aplicarse bajo condiciones especiales de exposición.

TABLA 12.5 – RELACIONES AGUA/CEMENTO MÁXIMAS PARA CONDICIONES ESPECIALES DE EXPOSICIÓN

CONDICION DE EXPOSICIÓN

RELACIÓN AGUA/CEMENTO  MÁXIMA (CONCRETO NORMAL)

f´c MINIMO (CONCRETO NORMAL Y LIGERO)

(kg/cm2)

CONCRETO CON BAJA PERMEABILIDAD AL AGUA

0.50

280

CONCRETO EXPUESTO A HIELO Y DESHIELO EN CONDICION HUMEDA

1.00

315

PARA PREVENIR CORROSIÓN EN CONCRETO EXPUESTO A SALES PARA DISOLVER HIELO

0.40

350

12.14.      COMO COMBATIR LA CORROSIÓN

Los cloruros pueden estar dentro del concreto desde su colocación, si los agregados, el agua de mezcla o los aditivos ya los incluían, luego el primer paso consiste en evaluar los materiales del concreto para estimar si contribuirán a la corrosión, y de ser así existen alternativas en cuanto a cambiarlos por otros que no los contengan o en le caso de los agregados someterlos por otros que no los contengan o en el caso de los agregados someterlos a lavado para reducir su concentración.

La otra forma como se pueden introducir es entrando en solución por los poros capilares del concreto.  Esto se verifica cuando el concreto está en exposición directa a agua con cloruros como es el caso de estructuras marinas o en el aire con alta humedad relativa, y en muchos casos se va depositando sobre el concreto por la humedad ambiental y el viento que arrastra partículas de suelo contaminado, introduciéndose la solución cuando llueve.

Como se apreciará, para que se produzca el ingreso es necesario que el concreto sea lo suficientemente permeable para que los cloruros lleguen hasta donde se encuentra el acero de refuerzo, por lo que se aplican las mismas recomendaciones que para la agresividad de los sulfatos, con la condición adicional de la importancia extrema del concreto de recubrimiento, que es la barrera principal para el ingreso.  En los casos de ambientes agresivos con cloruros deben especificarse recubrimientos mayores de los normales y calidades de concreto que aseguren baja permeabilidad.

Se han desarrollado pinturas especiales par el acero con objeto de prevenir la corrosión bajo condiciones muy agresivas, pero en este aspecto es muy importante el establecer perfectamente las zonas catódicas de modo que con la pintura se evite el oxígeno y el agua que son los requisitos para el fenómeno y por otro lado, nunca se puede garantizar del todo que el proceso constructivo ocasione que existan algunas zonas desprotegidas en el acero por donde se inicie el proceso.

Existen aditivos llamados inhibidores, que añadidos a la mezcla de concreto combaten la corrosión anulando los cloruros (Ref. 12.17) sin embargo su efectifidad no está del todo garantizada, y algunos causan efectos secundarios como modificación del tiempo de fraguado, disminución de resistencia en compresión y eflorescencias.

Dentro de estos inhibidores están el Nitrito de Calcio, Nitrito de Sodio, Dicromato de Potasio, Cromato de Zinc, Cromato de Sodio, Benzoato de Sodio etc.

El método de protección probado como el más eficiente es el equematizado en la Figura 12.6 (Ref. 12.19) denominado de protección catódica, ya que el principio consiste en generar una corriente inversa a la originada por la celda electroquímica de modo de anular el flujo y eliminar el proceso de corrosión.

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No son sistemas baratos ya que las pinturas conductivas son caras, y debe hacerse un estudio de la resistividad de la estructura in situ, pero el mantenimiento es económico pues se necesita una fuente de poder muy pequeña para cubrir áreas grandes.

Existe evidencia experimental en U.S.A. basada en la evaluación de muchas estructuras marinas con mas de 30 años de antigüedad construidas son emplear cementos resistentes a los sulfatos, que indica que en el concreto saturado permanentemente con agua de mar, la acción de los sulfatos no es significativa ya que la acción de éstos se mitiga debido a la presencia de los cloruros, predominando el riesgo potencial de corrosión.

Sin embargo se ha observado en las estructuras intactas, que la presencia de contenidos de Aluminato Tricálcico del orden del 8% o más en el cemento, crea una barrera química contra la corrosión, lo que cambia pues el criterio tradicional de especificar Cemento Tipo V (con C3A < 5%) para este tipo de estructuras, en las que conviene usar Cementos Puzolánicos en vez de los que tienen alta resistencia a los sulfatos, que favorecen la corrosión en estos casos particulares.

12.15.      REACCIÓN SÍLICE – ÁLCALIS

Se produce con algunos agregados del tipo ópalo, calcedonia, ciertas formas de cuarzo, andesita, dacita que reaccionan con los Hidratos de Calcio del cemento ocasionando compuestos expansivos.

Se han desarrollado varios métodos químicos, físicos y petrográficos para estimar el riesgo potencial de reactividad (Ref. 12.19), y que se han tratado en el Capítulo 5, pero se reconoce que la mejor evaluación es la evidencia práctica del empleo de los agregados en concreto sin problemas.

Una de las dificultades para evaluar el riesgo consiste en que el desarrollo del fenómeno es lento, por lo que debe existir evidencia estadística de al menos cinco años para poder opinar sobre la habilidad práctica de algún agregado en particular sobre el que exista duda.

La reacción propicia el desarrollo de un gel expansivo en la interfase agregado – pasta, que rompe la estructura interna del concreto provocando fisuración y desintegración.

Es importante anotar que además de la reactividad potencial que pueden tener los agregados, deben darse otras condiciones para que se produzca la reacción, como son la calidad partícular del agregado en cuestión, alto contenido de álcalis del cemento (superior al 6%) humedad relativa del orden del 80% y en el caso de climas cálidos con temperatura ambiente elevada la reacción se acelera.  Sin embargo, se concluye que no es tan fácil que se conjuguen todos los factores a la vez, por lo que este tipo de reacciones no se da con mucha frecuencia.

12.16.      REACCIÓN CARBONATOS – ÁLCALIS

Se produce con algunos agregados del tipo ópalo, calcedonia, ciertas formas de cuarzo, andesita, dacita que reaccionan con los Hidratos de Calcio del cemento ocasionando compuestos expansivos.

Se han desarrollado varios métodos químicos, físicos y petrográficos para estimar el riesgo potencial de reactividad (Ref. 12.19), y que se han tratado en el Capítulo 5, pero se reconoce que la mejor evaluación es la evidencia práctica del empleo de los agregados en concreto sin problemas.

Una de las dificultades para evaluar el riesgo consiste en que el desarrollo del fenómeno es lento, por lo que debe existir evidencia estadística de al menos cinco años para poder opinar sobre la habilidad práctica de algún agregado en particular sobre el que exista duda.

La reacción propicia el desarrollo de un gel expansivo en la interfase agregado – pasta, que rompe la estructura interna del concreto provocando fisuración y desintegración.

Es importante anotar que además de la reactividad potencial que pueden tener los agregados, deben darse otras condiciones para que se produzca la reacción, como son la calidad particular del agregado en cuestión, alto contenido de álcalis del cemento (superior al 6%), humedad relativa del orden del 80% y en el caso de climas cálidos con temperatura ambiente elevada la reacción se acelera.  Sin embargo, se concluye que no es tan fácil que se conjuguen todos los factores a la vez, por lo que este tipo de reacciones no se da con mucha frecuencia.

12.17.      REACCIÓN CARBONATOS – ÁLCALIS

Se produce en algunas piedras calcáreas dolomíticas con un mecanismo aún no perfectamente definido en que aparentemente difiere del anterior pues no se produce ataque al sílice siendo el patrón de fisuración similar.

Mediante el análisis petrográfico y rayos X es posible establecer en cierto modo el riesgo de reactividad pero se mantienen las mismas consideraciones que en el caso anterior.

12.18.      RECOMENDACIONES SOBRE REACCIONES QUÍMICAS EN LOS AGREGADOS

Como ya mencionamos, en nuestro medio no hay muchos antecedentes de ocurrencia de este tipo de reacciones pese a que por ejemplo la andesita es un mineral muy abundante en nuestro país, pero es probable que la cantidad de obras que se hayan ejecutado en las zonas que pudieran ser potencialmente reactivas no hayan ameritado el empleo masivo de estos materiales, o simplemente no tienen la reactividad que tienen en otros países donde le problema sí es grave.

En todo caso, es factible efectuar en el Perú los ensayos ASTM para evaluar estos materiales (Ref. 12.19), y sería posible también implementar la prueba sudafricana y la de la Universidad de Cornell (Ref. 12.20), sin embargo no existe la experiencia práctica desde el punto de vista de los ensayos petrográficos por ejemplo, donde tiene suma importancia la experiencia del evaluador que usualmente es un Geólogo o un Ingeniero de Minas que no pueden opinar mucho del mineral con relación a su comportamiento con el cemento, dado que no existe en nuestras Universidades de especialidad de Tecnologistas en Concreto, que pudieran ir formando profesionales orientados hacia estos problemas.

En conclusión, la mejor recomendación al evaluar una cantera donde haya sospecha de reactividad alcalina es recopilar la mayor información estadística sobre el uso anterior de los agregados en la producción de concreto e inspeccionar las obras ejecutadas para poder estimar el riesgo.

Finalmente, se ha comprobado (Refs. 12.20 y 12.21) que algunos métodos alternativos para prevenir la reactividad alcalina son el empleo de sales de Litio (LiOH, LiF, Li2CO3), como aditivos en la mezcla, el reemplazo de al menos el 25% del cemento por cenizas volátiles y el uso de puzolanas.

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