2 Fabian Irassar Ataque Quimico

Ataque de sulfatos - 1

1.- Introduccin

En este captulo se tratarn los ataques qumicos al hormign, entendiendo como tales a los procesos dedegradacin causados por agentes agresivos en el ambiente externo a la estructura que se transportan ensolucin hacia su interior y reaccionan con algn constituyente de la pasta de cemento. La tabla 3.1 presentaun resumen de las sustancias agresivas para el hormign, entre ellas se encuentran las aguas blandas, loscidos, ciertos tipos de sales en solucin, especialmente las que contienen sulfatos, amonio y magnesio solubles[1].

De acuerdo a esta definicin, en el ataque qumico al hormign es necesario la presencia de agua en elmedio ambiente y de un mecanismo de transporte de los agentes agresivos hacia el interior de la pasta decemento. Para poder entender las distintas formas de ataque qumico al hormign y su proteccin, es necesarioremarcar la importancia que merecen los mecanismos de transporte en la masa de hormign [2].

La compacidad del hormign es el factor ms importante que gobierna la capacidad de resistir el ataquequmico. La penetracin del agua que transporta el agente agresivo depende de la porosidad, la estructura delos poros y su grado de conectividad en el hormign. Por consecuencia, los mecanismos de absorcin capilar,permeabilidad y difusin son elementos esenciales en la durabilidad del hormign frente al ataque qumico.Por otro lado, la composicin qumica y mineralgica del cemento, el grado de hidratacin y las caractersticasde la interfase pasta-agregado son tambin importantes cuando se trata aumentar la vida en servicio delhormign.

La mayora de los ataques qumicos externos comienzan por la superficie del hormign y se propaganafectando progresivamente las capas ms profundas produciendo diversas alteraciones en su estructura,tales como, el incremento de la porosidad, la permeabilidad y de la tensin interna, que finalmente afectan lacapacidad resistente y la integridad del hormign.

Los compuestos presentes en la pasta de cemento hidratada son estables debido al equilibrio que existeentre la solucin de poros y la disolucin de los compuestos hidratados que proveen el medio alcalino parasu preservacin. El ataque qumico del hormign puede alterar este equilibrio y producir la descomposicinde los compuestos. Cuando el pH de la solucin de poros disminuye por debajo de 12.5, comienzan los cambiosen la composicin del C-S-H que finalizan con su descomposicin total, con la consecuente prdida de laresistencia y de su capacidad aglomerante. Las alteraciones que se producen en la pasta de cemento portlanda medida que decae el pH en la solucin de poros se muestran en la tabla 3.2.

Sobre la base de estas consideraciones generales, el objetivo de este captulo se centrar sobre losmecanismos de deterioro de cada tipo de ataque qumico y sus aspectos especficos, basados en la qumica delcemento y del hormign.

Edgardo F. Irassar, Ingeniero en Construcciones, Prof. U.N.C.P.B.A., Director INMAT

3. Ataque qumico al hormign


2.- Clasificacin del ataque qumico

El ataque qumico generalmente se clasifica segn las reacciones que se producen entre el medio agresivo ylos compuestos de la pasta de cemento endurecida [3,4]. Para una mejor comprensin, el ataque se divide entres tipos de reacciones como se puede apreciar en la figura 3.1.

El ataque por lixiviacin: ocurre por el lavado de ciertos componentes de la pasta de cemento endurecida porla accin del agua blanda o del agua ligeramente cida que produce fundamentalmente la disolucin del CH.

El ataque por intercambio inico es la formacin de sales de calcio producto de la reaccin entre loscomponentes de la pasta endurecida y las sustancias existentes en el medio agresivo. Segn la solubilidad deestas sales se caracteriza el ataque en la formacin de sales solubles de calcio, la formacin de sales insolublesde calcio no expansivas y la sustitucin de calcio en el C-S-H. Este tipo de ataque se presenta en las solucionescidas, en las sales de amonio y en las sales de magnesio.

El ataque por la formacin de compuestos expansivos generalmente est asociado a la formacin de nuevoscompuestos estables en la masa de hormign endurecido que ocupan mayor volumen que los reactivos y poresta razn producen la fisuracin y prdida de resistencia del mortero y hormign. Existen dos tipos de daosrelacionados con la formacin de compuestos expansivos que depende de la ubicacin de la fuente que proveelos iones agresivos. Si la fuente es externa se est en presencia de un ataque externo y si la fuente es interna alhormign se est en presencia de un ataque interno. Este deterioro es tpico del ataque por sulfatos en susdistintas formas, que incluyen la formacin de ettringita, yeso y thaumasita por accin del medio ambienteexterno o el ataque interno por la presencia de agregados contaminados o por la formacin de ettringita diferida.Tambin en este rubro pueden incluirse la reaccin lcali-agregado, la expansin tarda del MgO y el CaO y lacorrosin de armaduras que se presentan en los Captulos 4 y 5, respectivamente.

Cuando se analizan los procesos de ataques qumicos reales, esta clasificacin no describe correctamentetodas las situaciones, ya que el proceso de ataque es afectado por la modificacin de la concentracin de los

Tabla 3.1: Efecto de distintas sustancias qumicas sobre la degradacin del hormign [1]

Tabla 3.2: Descomposicin previstas en la pasta de cemento al variar el pH de la solucin de poros [2].


agentes agresivos, la interaccin de dos o varios agentes agresivos simultneamente y las alteraciones que elmismo ataque produce en la estructura de poros del hormign.

Biczok [3] presenta una clasificacin del ataque qumico basada en la causa que lo produce:

1. Lixiviacin causada por la disolucin y lixiviacin del Ca2+ de la pasta endurecida.2. Ataque cido, ocasionado por la concentracin de protones (H+) que descomponen los compuestos de

calcio de la pasta.3. Ataque por cido carbnico provocada por el CO2 agresivo del agua, el cual es un ataque cido

particular.4. Ataque por sulfatos que se puede dividir en tres aspectos:

a) la formacin de ettringita en soluciones de baja concentracin de SO42-.b) la formacin de ettringita y yeso o yeso solamente cuando la solucin presenta elevada concentracin de

SO42-.c) la formacin de ettringita, yeso y thaumasita cuando en el caso anterior se agrega la presencia de iones

carbonato externos o internos.5. Ataque por magnesio que puede ser:

a) el ataque puro por magnesio por intercambio de catin.b) el ataque por sulfato de magnesio debido a la accin simultnea de Mg2+ y SO42-

Los reglamentos [5-7] clasifican la agresividad del suelo o del agua en contacto con el hormign segn laconcentracin de iones en su composicin. Por ejemplo, el CIRSOC 201M y la norma europea EN 206 considerantres grados de exposicin segn el pH del agua, el contenido de CO2 agresivo, la concentracin de NH4+, Mg+2y SO42- (ver Tabla 6.3). En ambas recomendaciones, tambin existen distintos tipos de exposicin ambientalsegn la frecuencia de la presencia de agua en contacto con la estructura. Las propiedades del medio agresivo(variacin estacional de la temperatura, concentracin, etc), como las condiciones del contacto (agua que serenueva, agua estancada o agua que fluye a travs del hormign), son muy variadas y todas ellas afectan elgrado de ataque.

Cuando existen distintas sustancias en el medio agresivo, el ataque tambin es muy complejo debido a lamultiplicidad de fenmenos que se producen, a los cuales deben sumarse las distintas causas fsicas queprovocan la fisuracin del hormign. Por lo tanto, resulta difcil dar una nica recomendacin ante el ataquequmico, y la respuesta debe ser integral contemplando todos los factores que afectan el desempeo de unaestructura en el medio agresivo. Un caso tpico de esta concepcin de interaccin est planteada en el BRE

Figura 3.1: Clasificacin del ataque qumico al hormign [adaptado de 4]


Digest 363 [7]. En esta recomendacin, la agresividad qumica del agua o el suelo se clasifica en cinco clasesbasndose en la concentracin de Mg2+ y SO42-. La agresividad qumica del sitio, puede agravarse cuando elpH del agua o del suelo presenta cierta acidez. Si el pH es menor a 7, se reclasifica el grado de agresividadbasndose en el pH de la solucin, la movilidad del agua y la presencia de CO2 agresivo. Por un procesoposterior segn el tipo de estructura de hormign y la exposicin se vuelve a reclasificar el grado de agresividad.Por ejemplo, si el agua subterrnea es esttica, el grado de agresividad se reduce una clase, sin embargo si setrata de una estructura sujeta a mojado y secado, la agresividad se debe incrementar una clase. Segn el tipode hormign, si es colocado in situ en estructuras delgadas (< 140 mm) debe elevarse una clase, mientras quesi la estructura tiene un espesor mayor a 450 mm, el ataque puede reducirse en una clase.

Por esta razn, el ataque qumico no debe relacionarse solamente con la concentracin de sulfatospresentes en el medio, como plantea el ACI 201 [1] que clasifica la agresividad en trminos de concentracinde sulfatos en el suelo y en el agua, mientras que para el caso cido no especifica ningn grado de ataque. Estaconcepcin es tambin la adoptada en el CIRSOC 201-82 (ver Tabla 6.11) [8].

2.- Lixiviacin de los compuestos clcicos

El agua pura generalmente se encuentra en los ros o lagos que reciben el aporte de agua de deshielo, el aguade lluvia o del agua de condensacin en las torres de enfriamiento. El agua es considerada blanda porquecontiene una muy baja proporcin de sales disueltas en su composicin y en contacto con el hormign o lapasta de cemento tiende a descomponer o hidrolizar los productos de hidratacin de base clcica. Este procesose conoce con el nombre de lixiviacin y se agrava cuando el agua pura fluye a travs de la estructura debidoa la presin hidrosttica. La lixiviacin de los compuestos clcicos en las estructuras convencionalesgeneralmente slo causa problemas estticos debido a la formacin de eflorescencias en la superficie delhormign. Estas manchas blancas consisten en sales de calcio que cristalizan en la superficie debido a laevaporacin o carbonatacin por el CO2 atmosfrico. Sin embargo, este tipo de degradacin cobra importanciaen las estructuras para repositorios de residuos radiactivos o en la fijacin de residuos peligrosos que contenganCr, Hg y Tl, en las cuales la vida til de diseo supera varias centurias.

El mecanismo de degradacin por lixiviacin puede modelarse teniendo en cuenta que el principal ionque lixivia es el Ca2+, el cual proviene en una primera fase de la disolucin de CH y luego de la descomposicindel C-S-H. Por esta razn, la velocidad de degradacin es determinada por la tasa de disolucin y el movimientodel Ca2+ dentro del hormign.

La lixiviacin es un proceso de degradacin que afecta capa por capa de la pasta de cemento. La figura3.2 muestra la curva de equilibrio entre la fase slida y la solucin de poros del hormign en funcin de laconcentracin del CH. En este proceso se pueden identificar tres zonas bien definidas del ataque [9]:

Figura 3.2: Curva de disolucin del calcio en los poros y alteracin en la pasta de cemento [adaptado de 9]


1) la regin donde existe una cantidad suficiente de CH que aporta los iones Ca2+ a la solucin de poros,2) la regin de disolucin de gel, donde el agotamiento del CH produce que los iones Ca2+ sean aportadas

por la descalcificacin C-S-H,3) la zona de descomposicin del C-S-H. Cuando la descalcificacin es muy importante produce su

descomposicin y lo convierte a un gel de slice que no tiene propiedades resistentes.

La velocidad de degradacin es determinada por la velocidad con que se mueven (difusin y migracin)los iones Ca2+ en la fase slida y aumenta notablemente cuando el agua infiltra por presin hidroesttica. Poresta razn, el incremento de la razn a/c que produce un aumento de la porosidad y conectividad de la estructurade poros afecta considerablemente la vulnerabilidad frente al ataque de aguas puras. La reduccin del CHque producen las adiciones minerales activas disminuye la lixiviacin, pues decrece el compuesto ms solublede la pasta de cemento y principalmente reducen la permeabilidad en los hormigones bien curados. De estemodo, los cementos puzolnicos y los cementos con escoria son considerados ms resistentes a la lixiviacindel CH por las aguas blandas que los cementos portland, especialmente aquellos con un elevado contenidode C3S [10].

3.- Ataque de cidos por cambio inico

El ataque de los cidos sobre el hormign produce una reaccin qumica cidobase donde todos loscompuestos clcicos (CH, C-S-H, etc ) de la pasta de cemento se convierten en la correspondiente sal clcicadel cido agresivo. El hormign del cemento portland (pH 12.5) se destruye por el contacto prolongado conambientes cidos (4.5 < pH < 6) y los distintos tipos de cementos portland se comportan en forma similar,debindose recurrir a una apropiada proteccin superficial del hormign para prevenir el deterioro. Loscementos aluminosos pueden resistir sin proteccin soluciones de pH comprendido entre 4 y 6 [10], mientrasque las estructuras de hormign de cemento portland solamente pueden tolerar los ambientes cidos dbiles(pH > 6).

En los cursos de aguas naturales, el agua presenta carcter cido cuando estn en contacto con productosorgnicos en descomposicin, mientras que el agua subterrnea en la mayora de los casos es neutra (pH 7),pues la acidez es neutralizada por la cal presente en el suelo. Sin embargo, los suelos que contiene pirita omascarsita, el sulfuro de hierro (FeS) puede oxidarse para producir cido sulfrico que no alcanza a serneutralizado y permanecen libres en el agua subterrnea. Una situacin similar ocurre en las aguas de lasminas de carbn que contienen sulfuros. Pero, la principal causa de la acidez del agua natural se debe a lapresencia de CO2 disuelto que se trata ms adelante en forma particular. Tambin, en distintas estructurasubicadas en zonas industriales hmedas ha cobrado importancia el ataque originado por la lluvia cidadebida a la contaminacin del aire con SO3 y a la acidificacin de las aguas por contaminacin. Otro casoparticular de ataque cido ocurre en los desages cloacales como resultado de procesos bacterianos que tambinse desarrollan en este captulo.

Los cidos inorgnicos fuertes derivan generalmente de procesos industriales y por esta razn seencuentran presentes en los desages industriales. Los cidos orgnicos que atacan al hormign se presentancomnmente en las industrias manufacturera de alimentos donde existen procesos de fermentacin (cervecera,crnica, lechera, vitivincola, etc.) o en la industria del papel y pulpa, en los lugares donde existedescomposicin de materia orgnica, como en el tratamiento de aguas cloacales y el manejo de residuosdomiciliarios, los comederos de animales, los silos de granos y los pisos de corrales.

Para los distintos tipos de ataque cido, los reglamentos [5-7] clasifican el ataque en funcin de laconcentracin de protones medida en mg/l o por el pH. En el ataque cido, el protn (H+) acelera la lixiviacindel CH y cuando la concentracin es elevada, tambin ataca el C-S-H formando un gel de slice que no tieneresistencia. Las reacciones qumicas que representan el ataque cido se muestran en las ecuaciones 3.1 y 3. 2.

Ca(OH)2 + 2H+ Ca2+ + 2 H2O (ec. 3.1)

C-S-H + 6H+ 3 Ca2+ + 2 (SiO2.nH2O) + 6H2O (ec. 3.2)

Sin embargo, la tasa de degradacin de los distintos cidos est determinada por la solubilidad de la salque produce el ataque y el mecanismo de transporte del ataque, ms que por la concentracin de H+. Estefenmeno se debe a la evolucin de la capa externa del hormign, la cual es determinada por los productos dela reaccin: el gel de slice y la sal que se deposita en los poros, quienes controlan el mecanismo de transportede nuevos protones hacia la zona sana [11].


El ataque cido es mucho ms severo cuando la sal de calcio que se forma es soluble, pues produce unaprdida de materia que genera una estructura ms porosa para el ingreso de los iones H+. As, uno de losataques ms severos corresponden a las sales de amonio que producen amonaco (NH3) en su disociacin.Sin embargo cuando, la sal que se forma es insoluble y no expansiva, el cido no causa un dao apreciable,ya que precipitan en los poros y dificultan el ingreso de los iones H+. Los cidos oxlico, tartrico, hmico yfosfrico presentan sales de calcio insolubles en agua y no expansivas, las cuales no son removidas fcilmentede la superficie del hormign.

Cuando la sal que produce el ataque es soluble, la continua disociacin del CH de la pasta de cementoreduce progresivamente su alcalinidad, aumenta la permeabilidad, y la resistencia del mortero u hormignes seriamente afectada cuando la reduccin del Ca2+ afecta la constitucin del C-S-H. La primera manifestacindel ataque es la presencia de eflorescencias, ms tarde la pasta de cemento se disuelve y quedan expuestoslos agregados silceos, para finalmente desprenderse de la masa del hormign [12].

En el ambiente cido, la degradacin de los materiales cementceos, esquematizada en la figura 3.3,puede entenderse como dos procesos distintos que ocurren simultneamente [13]. El primer proceso presentados corrientes de difusin de sentido opuesto: la solucin cida difunde dentro de la estructura de poroscapilares permitiendo el ingreso de los H+ hacia el interior del hormign y, desde la estructura del hormignhacia el exterior se establece una corriente de difusin de iones (Ca2+, K+, Na+, Mg2+) que provienen decompuestos ms solubles de la pasta. El segundo proceso ocurre cuando el cido provoca la lixiviacin de lamatriz cementcea en ausencia de poros capilares. Los H+ difunden dentro de la matriz y los iones Ca2+difunden hacia afuera del gel provocando que la pasta de cemento se convierta en un gel poroso rico enslice, el cual es mucho ms permeable que el C-S-H original y con menor resistencia.

De acuerdo con este mecanismo, el incremento de la razn a/c provoca un notable aumento de la velocidadde degradacin en la primera etapa del proceso. Mientras que en los hormigones densos, la velocidad dedegradacin es controlada por la difusin de H+ a travs de la zona lixiviada de la matriz. As, cuando msporoso sea el gel de slice resultante de la degradacin, ms rpido es el ataque sobre la pasta interior.

Cuando el ambiente es muy cido, la disminucin de la porosidad por la reduccin de la razn a/ccombinada con la incorporacin de adiciones muy reactivas (humos de slice [13-15] o ceniza de cscara dearroz [16,17]), slo producen una moderada variacin en la velocidad de ataque. La contribucin msimportante de estas adiciones se debe a la disminucin de la reaccin de lixiviacin y de la difusin del H+ enla matriz lixiviada [13]. A igual razn a/c, el grado de ataque en ambientes cidos se incrementa cuandoaumenta el contenido unitario de cemento portland.

Una proteccin razonable frente al ataque de cidos dbiles o moderados se puede obtener con unhormign denso, con una baja razn a/c, en el cual su calidad es mucho ms importante que el tipo de cementousado. Por otro lado, los hormigones con cementos puzolnicos curados apropiadamente tienen generalmenteun efecto beneficioso para reducir el ataque debido a su reducida porosidad y la baja cantidad de CH. La

Figura 3.3: Esquema del ataque cido en la pasta de cemento, en el cual se muestra la zona de interfase dondeel pH varia de 12.5 a 3, y el gel rico en slice [13].


seleccin de agregados calcreos para elaborar el hormign puede incrementar su vulnerabilidad al ataquedebido a la disociacin de la caliza y de la dolomita en medio cido.

En cambio cuando el grado de agresividad es elevado, por ejemplo desechos industriales, el hormignrequiere indefectiblemente de la aplicacin de una capa o membrana protectora. Los detalles acerca de lasmembranas no se tratan en este captulo y pueden encontrarse en la literatura [18].

Las sales de amonio (cloruro, nitrato y sulfato), las cuales generalmente se encuentran en los suelosfertilizados y en las industrias que producen fertilizantes, reaccionan de igual manera que los cidoscorrespondientes, por ejemplo el cloruro de amonio reacciona como el cido clorhdrico. La reaccin qumicade la sal de amonio (ec. 3.3) produce la transformacin CH presente en la pasta de cemento en productoselevadamente solubles que incrementan la porosidad de la pasta y aceleran el ataque.

2 NH4+ + Ca(OH)2 Ca2+ + 2NH3 + 2H2O (ec. 3.3)

El estudio de distinto tipos de cementos (CPN, puzolnico, de escoria, aluminoso y supersiliceo) frenteal ataque de nitrato de amonio durante catorce aos mostr que los cementos aluminosos presentan la mejorresistencia frente a este ataque, mientras que en los cementos de base portland, el cemento de escoria fue unode los que mejor resisti el ataque [20]. Los hormigones conteniendo humo de slice expuestos a una solucinsaturada de nitrato de amonio, tambin presentaron un mejor comportamiento cuando se evalu la prdidade masa; el hormign con humos de slice slo registr una perdida del 0.5 % comparada con la prdida del15 % en el hormign de cemento portland luego de dos aos de exposicin [21].

3.1.- Ataque por cido carbnico

La principal causa de acidez de las aguas naturales se debe a la presencia de CO2 disuelto que se tornaagresivo cuando el agua es blanda, pues se forma cido carbnico (H2CO3) (ec. 3.4). La solubilidad del CO2atmosfrico es relativamente baja en el agua pura. Sin embargo, en presencia de CaCO3, el CO2 se combinapara formar bicarbonatos (Ca(HCO3)2) y cido carbnico (ec. 3.5) que reducen el pH del agua provocando elataque del hormign.

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- (ec. 3.4)

La cantidad de cido carbnico en el agua depende del equilibrio entre la disociacin de los carbonatospresentes como bicarbonato debido al CO2 disuelto. El CO2 en exceso presente en el agua, por encima delnecesario para el mantener equilibrio qumico (ec. 3.5), se convierte en CO2 agresivo para el hormign y suvalor depende del grado de saturacin del bicarbonato de calcio [22].

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 (ec. 3.5)

Cuando el agua es dura, el CO2 disuelto se convierte en bicarbonato quedando solamente la cantidadde CO2 necesaria para mantener el equilibrio. En este caso, el agua no ser muy agresiva para el hormign. Siel agua es blanda, una parte del CO2 se convierte en bicarbonato y otra parte del CO2 quedara libre, la cual essuperior a la necesaria para mantener este equilibrio qumico y puede ser agresiva para el hormign. En latabla 3.3 se muestra la clasificacin de la agresividad del agua propuesta en el BRE 363 [7] en funcin deltenor de CO2 agresivo resultante del equilibrio entre la formacin y descomposicin de los bicarbonatos quedepende de la dureza del agua. El CO2 libre, necesario para mantener el equilibrio, no es capaz de disolverms CaCO3 y por lo tanto no es agresivo. El CO2 agresivo es aquel capaz de disolver ms CaCO3, ya que slouna pequea proporcin ser necesaria para estabilizar la mayor cantidad de bicarbonato que se formar.

Tabla 3.3: Agresividad del CO2 de acuerdo al BRE Digest 363 [7]


El CO2 agresivo est presente en cantidad apreciable en aguas blandas, pues no contienen la cantidadsuficiente de sales disuelta para combinar el CO2 como bicarbonato de calcio. La concentracin del CO2 disueltoen las aguas naturales puede alcanzar una concentraciones de 150 mg/l. La cantidad de CO2 libre en el aguase incrementa con la presencia de otras sales de calcio disueltas y desciende en presencia de Na y K. En el aguade mar, la concentracin de CO2 es de 35 a 60 mg/l.

El mecanismo del ataque cido carbnico es particular debido a la sal (CaCO3) que se forma por la reaccin.Este ataque corresponde a la accin de un cido dbil, disolviendo el CH y formando el CaCO3 que precipitaen los poros del hormign (ec. 3.6) produciendo una zona ms compacta e impermeable del hormign. Estaprecipitacin causa un aumento del CO2 agresivo que disuelve ms CH, la cual finalmente puede causar lainestabilidad del C-S-H perdiendo su capacidad resistente. En este proceso, a medida que avanza el ataquela velocidad de degradacin disminuye por la accin impermeabilizante del CaCO3 depositado en los poros.

H+ + HCO3- + Ca(OH)2 CaCO3 + 2H2O (ec. 3.6)

En las estructuras del hormign, el ataque de las aguas conteniendo CO2 generalmente est limitado a lasuperficie. Locher et al. [23] inform que el hormign denso con agregados de cuarzo mostr una degradacinde 6 mm de profundidad luego de 20 aos de exposicin a una solucin conteniendo 100 mg/l de cidocarbnico. El deterioro puede ser apreciablemente mayor cuando el agua atraviesa la estructura del hormigndebido a la presin hidrosttica, se incrementala movilidad del agua alrededor de la estructura, cuando elhormign es muy permeable o las secciones son delgadas [7]. Pero, cuando el agua esta estancada o esmoderadamente agresiva, la carbonatacin que produce el ataque en la superficie del hormign puede resultarbeneficiosa ya que obstruye los poros capilares para el ingreso de nuevas sustancias agresivas. Los cementoscon elevado contenido de escoria, los cementos con adicin de ceniza volante y los cementos puzolnicosresisten el ataque intenso y prolongado del cido carbnico [10,24].

3.2.- Ataque cido en desages cloacales

En la mayora de los casos, el agua de los desages cloacales es ligeramente alcalina, sin embargo los tanquesy conductos de desages pueden ser atacados debido a la accin de cidos producidos por bacterias. Lafigura 3.4 muestra un esquema del ataque que se produce en este ambiente particular.

En primer lugar, el crudo cloacal se fermenta por la accin de las bacterias y desde la superficie del aguase desprende sulfuro de hidrgeno y metano. Estos gases en la atmsfera del desage reaccionan sobre lassuperficies hormign con el dixido de carbono y el vapor de agua para formar carbonatos y sulfato de calcio(CaSO4), los cuales se depositan por encima del nivel de agua. La deposicin de estos compuestos causa lareduccin del pH superficial del hormign por debajo de 9. Para esta condicin de alcalinidad, en las paredesse crean colonias de varios microorganismo que proliferan rpidamente. Algunas de estas bacterias secretan

Figura 3.4: Esquema del ataque cido causado por la accin de las bacterias en un conducto de desagecloacal [Adaptado de 12].


cido que causan una reduccin localizada del pH. En esta zona, las bacterias ms resistentes se reproduceny secretan ms cido, pudiendo reducir el pH de la zona hasta niveles muy bajos, en el cual proliferen variasbacterias (thiobacilus) que oxidan el H2S. Estos microorganismo convierten en varios pasos el H2S del ambientede la cloaca en cido sulfrico (H2SO4) que ataca al hormign. Los thiobacilus son capaces de secretar grandescantidades de cido sulfrico y su proceso metablico se incrementa a medida que aumenta la temperatura.Este tipo de degradacin es ms frecuente en las reas planas y en climas clidos, pudiendo destruirrpidamente los tanques y caos cloacales [25].

Para evitar este ataque, el proyecto de sistemas de desages generalmente debe realizarse con un hormignnormal compacto, en el cual podra esperarse slo un ataque moderado sobre las superficies expuestas. Laincorporacin de humo de slice al hormign muestra un marcado mejoramiento de la resistencia a este ataquecidos, mientras que la adicin de escoria, ceniza volante y metacaoln son menos resistentes al ataque cidobajo las condiciones de curado de prefabricado en tubos [26]. Para este caso particular de ataque, serecomienda el uso de agregados calizos o dolomticos, pues la disociacin del calcreo tiende a neutralizarmayor cantidad del cido producido por las bacterias, las cuales disminuyen su actividad cuando se incrementael pH. En este caso, el ataque cido es sobre toda la superficie, mientras que cuando se usan agregadossilceos, solamente se ve atacada la pasta [7,26]. En los desages que han sufrido este ataque se debe protegerlas superficies con distintas membranas o recubrimientos para que el microorganismo no pueda desarrollarse.Tambin contribuyen a disminuir el ataque, la cloracin y la ventilacin de los desages.

4.- Ataque de soluciones conteniendo magnesio

Algunas sales de magnesio (por ejemplo, MgCl2, MgSO4, Mg(HCO3)2) se presentan en las aguas subterrneas,en el agua de mar y en algunos efluentes industriales. Cuando el magnesio est presente en pequeasproporciones se forma una capa de brucita (Mg(HO)2) que precipita en los poros superficiales del hormignformando una pelcula protectora. Por otro lado, las soluciones de sales de magnesio concentradas sonparticularmente agresivas para el hormign. Sin embargo, el mecanismo de ataque puede cambiar cuando lasolucin contiene un anin que tambin interacta con la pasta de cemento. De esta manera, el ataque deMgSO4 es diferente al ataque de MgCl2. En el caso del MgSO4, el ataque se debe a la formacin de compuestosexpansivos, que se trata con profundidad ms adelante, mientras que el ataque de MgCl2 produce el ataquepuro por magnesio.

El ataque de MgCl2 (ec. 3.7) conduce a la disolucin del CH y la precipitacin de brucita que luego afectanla estabilidad del C-S-H debido a la prdida de alcalinidad del sistema. Este debilitamiento de la estructura dela pasta se encuentra acompaado por la formacin de cloroaluminatos y para soluciones muy concentradasla formacin de oxicloruro de magnesio (Mg3 (OH)5Cl4H2O) [27]. El ataque de magnesio produce unaestructura ms porosa y con mayor conectividad que acelera el ataque de las capas ms profundas de lapasta [28].

Ca(OH)2 + MgCl2 Mg(OH)2 + CaCl2 (ec. 3.7)

Este aumento de la porosidad se debe esencialmente a la lixiviacin del calcio durante el intercambio Ca2+Mg2+ en el CH y cuando se agota este compuesto, el calcio es provisto por la descomposicin del C-S-H. SegnWakely et al. [29], la prdida de resistencia que ocurre en este ataque se atribuye principalmente a la disminucindel CH con la consecuente inestabilidad del C-S-H, y no a la sustitucin del Mg2+ por Ca2+ en dicho productode hidratacin como propone Mehta [4].

Para este ataque, las adiciones minerales activas presentan un comportamiento variable segn laconcentracin de Mg2+ en la solucin. Los cementos puzolnicos y los cementos de escoria sufren este ataquey la velocidad de degradacin es mayor que la correspondiente a la del cemento portland, cuando el contenidode Mg2+ es mayor de 5000 mg/l [3]. Por otro lado, Van den Bosh [30] muestra una mayor retencin de laresistencia a compresin en los cementos con distintos contenidos de escoria expuestos a 5 % de MgCl2 (curadoprevio 28 das) que la correspondiente a la del mortero de cemento portland. Moukwa [28] en cambio presentaresultados errticos en pastas conteniendo humo de slice y escoria.

5.- Ataque de sulfatos

El ataque de sulfatos ha estado siempre relacionado con la formacin de ettringita que produce expansin enla pasta de cemento endurecida, generando tensiones internas de traccin suficientes para fisurar el hormign.


Pero el ataque de sulfatos es de mayor complejidad, pues tambin pueden formarse yeso, thaumasita ydescalcificar el C-S-H dependiendo de la concentracin de la solucin, los iones presentes en la solucin y losmecanismos de transporte de la solucin.

En el hormign endurecido existen dos tipos de daos relacionados con la formacin de ettringita quedependen de la ubicacin de la fuente que provee los iones sulfatos, en consecuencia el ataque puede serexterno o interno. Con el trmino ataque externo de sulfatos se clasifican a los procesos en los cuales los ionessulfatos se introducen dentro del hormign desde el medio ambiente. El ataque interno de sulfatos ocurre en lasestructuras de hormign que estn expuestas a un ambiente libre de iones sulfatos por una tarda liberacinde sulfatos desde la fase agregados, generalmente contaminados con yeso, del clinker o del cemento con elevadocontenido de SO3 o en el caso de hormigones tratados trmicamente. A este ltimo caso se lo conoce en generalcomo el ataque por formacin de ettringita diferida (FED).

En ambos casos, el ataque de sulfatos al hormign es un fenmeno muy complejo que involucra elmovimiento de iones sulfatos a travs de los poros del mismo mediante distintos mecanismos de transporte,la interaccin de los iones agresivos con algunos compuestos de la pasta de cemento hidratada, y la formacinde compuestos expansivos que producen la microfisuracin del hormign, incrementando la tasa de deterioro,la prdida de resistencia y el ablandamiento superficial.

5.1.- Ataque externo de sulfatos

El ataque externo de sulfato ocurre cuando los iones sulfatos presentes en el agua o en el suelo del medioambiente circundante al hormign penetra a travs de distintos medio de transporte en la estructura delhormign (Figura 3.5). El deterioro severo que experimentan las estructuras de hormign expuestas a suelos oagua subterrneas que contienen sulfatos es ampliamente conocido [32-34]. Durante las ltimas dcadas, lascaractersticas del cemento portland han cambiado notablemente y tambin se ha incrementado el uso deadiciones minerales en los cementos compuestos o mezclas. En nuestros das, el clinker portland contieneuna mayor proporcin de C3S y una mayor finura que hace 40 aos atrs [35], todos estos cambios tambinpueden ocasionar modificaciones en la resistencia a los sulfatos del hormign.

Las fuentes externas de iones sulfatos en el agua subterrnea estn casi siempre relacionada a los terrenosconteniendo yeso (CaSO4 2H2O), o a los denominados sulfatos alcalinos (Na2SO4, K2SO4 y MgSO4). Tambin seencuentran presentes en algunas aguas residuales de procesos industriales y en las piletas de tratamiento deagua por las sales de floculacin de Al2(SO4)3. La naturaleza del ataque de sulfatos depende del catin presenteen el suelo. En los suelos selenitosos, el yeso tiene una solubilidad limitada a temperatura ambiente (1.44 g/lSO4-2), sin embargo esta concentracin es suficiente para provocar el ataque por formacin de ettringita. Cuandoestn presentes en el suelo sulfatos con mayor solubilidad, como el caso del Na2SO4 o K2SO4, tambin contribuyela degradacin por la formacin de yeso. Por otro lado, el MgSO4 tiene una elevada solubilidad y tambinproduce la descomposicin del C-S-H. El sulfato de amonio es tambin muy destructivo porque el amonio esvoltil y provoca una cada muy importante del pH del sistema que causa la inestabilidad del C-S-H, peroaparece como menos perjudicial que el MgSO4. Todos estos mecanismos se tratan ms adelante.

Figura 3.5: Esquema del ataque externo de sulfatos al hormign [31].


En Argentina, vastas zonas presentan suelos con concentraciones importantes de sulfatos, entre lascuales cabe citar a las grandes extensiones de la Patagonia, importantes reas de San Juan, Mendoza, SanLuis y Santiago del Estero, una gran extensin de la zona costera anegadiza de la provincia de Buenos Airesbordeada por el Ro de La Plata y el Ro Paran [36].

Los principales mtodos que se utilizan para prevenir el ataque externo de sulfatos son: a) la reduccinde permeabilidad del hormign, b) la reduccin de la cantidad de C3A en el cemento portland, y c) el uso deadiciones minerales activas tales como la escoria de alto horno, las puzolanas naturales, la ceniza volante debajo calcio y humo de slice. Sin embargo, resulta claramente insuficiente considerar que los distintos tipos deataque externo de sulfatos pueden ser disminuidos usando slamente un cemento altamente resistente a lossulfatos (ARS) en cualquier mezcla de hormign. El contenido de C3S swl cemento y las distintas adicionestambin pueden afectar la resistencia a los sulfatos del cemento con bajo contenido de C3A.

A continuacin se abordan los distintos mecanismos de ataque por sulfatos, como as tambin la influenciaque tiene la composicin del cemento y el uso de adiciones minerales activas sobre el comportamiento dehormigones en ambientes con sulfatos, pues todos los reglamentos para el ataque severo indican el uso decemento resistente a los sulfatos ms una adicin mineral activa de probada eficacia.

5.1.1.- Mecanismo de transporte

Para poder entender el ataque de sulfatos al hormign y su proteccin, es necesario remarcar la importanciaque merecen los mecanismos de transportes de los iones sulfatos en la masa de hormign [37]. La reduccinde la permeabilidad del hormign es considerada como el factor ms importante para prevenir el ataque desulfatos [38].

Khatri y Sirivivatnanon [39] analizaron el rol de la permeabilidad del hormign sobre la resistencia alos sulfatos de hormigones de distinta clase resistente (35 y 40 MPa a 28 das) elaborados con diferentes tiposde cementos (CPN, CPARS y CPE). Los resultados mostraron que la expansin depende en mayor medida dela permeabilidad del hormign, la cual controla el ingreso de los iones agresivos, y en segundo plano deltipo de cemento usado que controla la formacin de compuestos expansivos. Desde el punto de vista delhormign, la permeabilidad y la absorcin capilar depende del tamao de poros, su conectividad y la topologasuperficial de la estructura de poros [40].

La difusin es definida como el transporte de material debido a un gradiente de concentracin de SO42-. Elcoeficiente de difusin de iones sulfatos es una propiedad altamente dependiente del tiempo y de la interaccinentre los SO42- con la pasta de cemento que cambia la porosidad del hormign [28] y tambin es alterado por lapresencia del CO2 en el agua que puede dar lugar a la formacin de CaCO3. Para hormigones elaborados con370 kg/m3 de cemento ARS y a/c = 0.42, el valor del coeficiente de difusin fue de 2.6 x 10-12 m2/s y de 1.0 x 10-12 m2/s a uno y cinco aos, respectivamente [41]. En pastas de CPN y de CPN con 30 % de ceniza volante, losvalores del coeficiente de difusin de SO42- (0.56-1.34 x 10-14 m2/s) fueron dos orden de magnitud menores queel correspondiente al hormign [42]. Esta diferencia en el coeficiente puede atribuirse a la mayor porosidad dela zona de transicin pasta-agregado [42]. La velocidad de difusin de los SO42- es mucho menor que lacorrespondiente a los iones cloruros, debido a la dimensin relativa de aniones frente al tamao de los porosde la pasta de cemento (el dimetro es varias veces mayor al dimetro del Cl-) y al equilibrio dinmico que seproduce entre la solucin de poros y las nuevas fases que se desarrollan en el hormign.

Finalmente se debe puntualizar que el ataque de sulfatos slo ocurrir cuando el agua transporte losSO42- en solucin dentro del hormign por uno o la combinacin de estos mecanismos. Los hormigones con unabaja razn a/c, un elevado contenido unitario de cemento, bien compactados y apropiadamente curados tienengeneralmente una baja permeabilidad y una buena resistencia a los sulfatos independientemente del tipo decemento usado en su elaboracin [44]. Por otro lado, los hormigones porosos y permeables son muy vulnerablesal ataque de sulfatos cuando contienen compuestos inestables en su interior que pueden causar la degradacin.En la figura 3.6 se muestra claramente la influencia de estos factores en hormigones con cementos de distintocontenido de C3A, y en ella se puede observar que un hormign impermeable con elevado contenido decemento y baja razn a/c es ms resistente que un hormign permeable con cemento de bajo contenidode C3A [45-46].

5.1.2.- Mecanismos de ataque por sulfatos

En el ataque por sulfatos se presentan distintos mecanismos de degradacin que actan simultneamente,los cuales causan expansin, fisuracin, y/o ablandamiento del mortero u hormign provocando la cada de


la resistencia mecnica y la prdida de masa. Segn la literatura [10,47], se pueden identificar los siguientesmecanismos de degradacin en ambientes con sulfatos: a) la formacin de ettringita, b) la formacin de yeso, c)la formacin de thaumasita, d) la formacin de brucita, yeso y descomposicin del C-S-H, y e) la cristalizacinde sales.

Formacin de ettringitaDesde 1892, el ataque de sulfato a la pasta de cemento portland se atribuye a la formacin de ettringita, llamadael bacilo del cemento por Michaelis, que cristaliza con aumento de volumen en la masa del hormign endurecido.La formacin de ettringita es el resultado de la reaccin entre los SO42- y los hidratos de los aluminatos decalcio o las fases AFm de la pasta (ec. 3.8).

C3A.CaSO4.18H2O + 2Na2SO4 + 2Ca(OH)2 + 12H2O C3A.3(CaSO4).32H2O + 4NaOH- (ec. 3.8)

Monosulfoaluminato (AFm) Ettringita (AFt)

La ettringita, correctamente llamada trisulfoaluminato de calcio o fase AFt, cristaliza asociado con 32molculas de agua que causan un elevado incremento del volumen o expansin, y cuando esto ocurre en lapasta endurecida produce la fisuracin progresiva, el incremento de la porosidad y la prdida de resistenciamecnica de la pasta, del mortero o del hormign. Las fases hidratadas provenientes del ferroaluminato decalcio, tambin pueden formar ettringita en sistemas acuosos conteniendo SO42-, pero la cintica de esta reaccines mucho ms lenta que la correspondiente a la originada de la fase aluminatos [48]. Sin embargo, en la mayorade los mbitos, es comn considerar que esta reaccin no tiene lugar debido al ataque externo de sulfatos.

Todava existen controversias acerca del mecanismo exacto por el cual se produce la expansinpor la formacin de ettringita. Entre varias teoras expuestas para explicar este mecanismo, de ellas hancosechado el mayor apoyo: la teora de la dilatacin por adsorcin de agua y la teora del crecimientocristalino direccional.

La teora de la dilatacin [49-51] sostiene que, en presencia de CH, la ettringita se forma a travs de unproceso en solucin y presenta muy pequeos cristales coloidales y pobremente cristalizados (2 m x 0.1-0.2m) los cuales son altamente insolubles y estables. Los conglomerados de esta forma de ettringita coloidal soncapaces de adsorber grandes cantidades de agua en su superficie que producen una elevada presin dedilatacin por repulsin entre ellos que se manifiesta en la expansin volumtrica.

La teora del crecimiento cristalino direccional [52-54] justifica la expansin producida por la formacin deettringita a travs de una reaccin topoqumica. De acuerdo a esta aproximacin, la ettringita se forma porla conversin in-situ en estado slido-slido sobre la superficie de la fase portadora de almina y en contactocon la solucin de poros portadora de SO42- y sobresaturada en CH. El mecanismo de expansin es atribuidoal crecimiento anisotrpico de los cristales de ettringita. Los cristales en forma de agujas y su arreglo radialtienden a concentrar la presin de cristalizacin en la punta de las agujas causando una elevada tensinsobre el material endurecido.

Figura 3.6: a) Tasa de deterioro por ao en hormigones con cementos de distinto contenido de C3A ydistinto CUC [45]. b) Deterioro visual de hormigones elaborados con cemento portland de distinto

contenido de C3A, CUC y razn a/c variable [46].


Otros autores [55-58] han desarrollado una teora basada en los principios termodinmicos-qumicos.Esta teora sugiere que el mecanismo de expansin de sulfatos es un proceso en el cual la energa qumica seconvierte en trabajo mecnico que sobrepasa la cohesin del sistema. La expansin se produce cuando lapresin de cristalizacin de los cristales de ettringita interacta con la pasta de cemento. La magnitud de laexpansin depende del crecimiento confinado de los cristales y del incremento de la actividad de los reactivosen el poro. Esta teora tambin indica que uno de los factores ms significantes para que la ettringita causeexpansin es la concentracin de Ca2+ en la solucin de poros. Min y Mingshu [59] basados en estos principiosfisicoqumicos concluyen que la formacin de ettringita se debe a un proceso de solucin-precipitacin y laexpansin es el resultado de la accin simultnea de la presin de cristalizacin por el crecimiento direccionaldel cristal y de la presin de dilatacin causada por la adsorcin de agua. Pero, el primer mecanismo esmucho ms significativo que el segundo.

La figura 3.7 muestra las distintas formas en que se encuentra la ettringita en la pasta de cemento atacada.Gollop y Taylor [60] sostienen que la ettringita que produce la disrupcin de la pasta acta a nivelsubmicroscpico y no se detecta por DRX o SEM, mientras que la ettringita que se muestra en la figura es productode un proceso de mineralizacin secundaria [61].

Formacin de yesoLa formacin de yeso es el resultado de una reaccin de intercambio qumico donde los iones sulfatosprovenientes del ambiente reemplazan a los (OH)- del CH formado durante la hidratacin de los silicatos decalcio (ec. 3.9). La degradacin por yeso ocurre principalmente en soluciones concentradas (>1000 mg/l) ytambin se la conoce como el ataque cido de los sulfatos [62].

Na2SO4 + Ca(OH)2 + H2O CaSO4.2H2O + 2{Na+ + (OH)-} (ec. 3.9)

Segn Mehta [63], la cristalizacin de yeso comienza cuando cesa la cristalizacin de ettringita debido a ladeficiente provisin de aluminatos desde la fase slida a la solucin.

Los cristales de yeso (Figura 3.8) se encuentran generalmente localizados en los poros y en la interfasepasta-agregado. Evidentemente, el yeso se forma a partir de los cristales de CH que precipitan alrededor de losagregados durante la hidratacin del cemento y en los poros donde existe espacio disponible para el crecimientode los mismos. La cristalizacin preferencial del yeso en la zona de transicin no slo debe atribuirse a ladisponibilidad de CH sino tambin a su mayor porosidad [43]. Esta observacin demuestra la elevadasusceptibilidad de la interfase al ataque por sulfatos, que ocasiona diferencias entre los resultados obtenidosen pasta y en mortero u hormign.

La formacin de yeso produce el ablandamiento de la capa exterior del mortero u hormign mientras queel interior de la matriz permanece cohesivo [62-65]. Una manifestacin tpica de la formacin de yeso son los

Figura 3.7: Microfotografas de ettringita formada en morteros y hormigones debida al ataque de sulfatos: a)agujas en forma de erizos en los poros, b) agujas libres en la pasta de cemento; c) ettringita en paquetes y d)

agujas en la interfase pasta-agregado.


primeros signos que se reportan en la degradacin de las esquinas y bordes de las probetas expuestas a lasolucin de sulfatos, especialmente cuando se controla el pH del medio agresivo. Estos primeros signos delablandamiento de la superficie slo se aprecian en el aspecto visual, pero no producen cada de la resistencia.La figura 3.9 muestra un esquema de la secuencia de este ataque en cementos portland normales y ARS [60-66]. Sin embargo, no existe claridad acerca del proceso expansivo asociado a la formacin de yeso [62]. Mehta[63] puntualiza que la formacin de yeso es una de las principales causas de la expansin en ambiente consulfatos. Rasheeduzzafar [64] sugiere que cuando se transforma el CH ntimamente mezclado en la pastacemento en yeso, produce una reduccin de la resistencia y rigidez intrnseca del C-S-H que lo circundagenerando un mortero muy dbil. En esta situacin, la cristalizacin de yeso puede contribuir a la expansin[67]. Gollop y Taylor [66] usando pasta de cemento (a/c = 0.3) expuesta a una solucin de Na2SO4encontraron la formacin de venas de yeso masivo paralelas al frente de ataque que los autores atribuyeron ala recristalizacin. Estos autores, tambin confirmaron la descalcificacin del C-S-H por accin de la solucinde Na2SO4 cuando se consume totalmente el CH en la pasta. La expansin tambin podra deberse a ladeposicin de yeso en la zona de transicin pasta-agregado [68], pues el crecimiento de cristales en un espaciorestringido puede generar una presin de cristalizacin suficiente como para causar la fisuracin.

Ataque de sulfato de magnesioSegn Cohen y Mather [62], el ataque de sulfato de magnesio puede ser divido en tres partes segn laconcentracin del medio. Para una baja concentracin (menor de 0.48 % MgSO4), el ataque es dominado por la

Figura 3.8: Microfotografas de yeso presente en mortero y hormigones debida al ataque de sulfatos: a)cristal de yeso en la interfase pasta-agregado, b) cristal de yeso en un poro.

Figura 3.9: a) Esquema del ataque de Na2SO4 sobre la pasta de cemento [60] y b) distribucin del ataqueen la barra mortero obtenida por anlisis de capas por DRX .


formacin de ettringita. Cuando la concentracin de MgSO4 est entre 0.48 y 0.75 %, el ataque es controladopor la formacin combinada de ettringita y yeso que se describi anteriormente. Finalmente, el ataque severosobre el C-S-H de la pasta de cemento ocurre para concentraciones de MgSO4 mayores que 0.75 %. Esta ltimasituacin es el caso ms comn en suelos contendiendo MgSO4 debido a su elevada solubilidad. El MgSO4reacciona con el C-S-H para formar yeso, brucita (un hidrxido relativamente insoluble) y un gel de sliceque no tiene propiedades cementantes (ec. 3.3 y 3.4).

La figura 3.10 muestra un esquema del ataque de solucin de MgSO4 elaborado por Bonen y Cohen[61,69]. Estos autores atribuyen la naturaleza deletrea del ataque a dos corrientes opuestas de difusin:los (OH)- difunden desde la solucin de poros hacia la superficie de la pasta donde se forma brucita,mientras que los SO42- difunden desde la superficie hacia adentro de la pasta. Los iones sulfatosreaccionan Ca2+ para formar yeso y tambin una cierta cantidad de iones Mg2+ difunden hacia el interiordonde reaccionan con el CH formando brucita (ec. 3.10).

Ca(OH)2 + MgSO4 + H2O Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O (ec. 3.10)

Como resultado de esta reaccin se forma una doble capa o una banda compuesta de brucita y yeso sobrela superficie, en la cual la brucita ocupa la zona ms externa. Esta doble capa se comporta como una barrerade proteccin que bloquea el ataque de magnesio.

Como la solubilidad de la brucita es muy baja, el pH en el interior de la pasta decae y puede reducir laestabilidad del C-S-H. Cuando se consume todo el CH, el aporte de (OH)- y Ca2+ proviene de la descalcificacindel C-S-H para forma brucita y yeso. Con el progreso del ataque, la doble capa protectora es removida y eldeterioro es ms severo por la descomposicin del C-S-H y la formacin de yeso y un gel de slice no cohesivo(ec. 3.11). En este caso, la ettringita no se detecta como producto de esta reaccin debido a que se descomponepor el bajo pH que causa la precipitacin de la brucita.

C-S-H+x MgSO4+H2O x Mg(OH)2 + x CaSO4.2H2O + n SiO2.H2O (ec. 3.11)

Esta reaccin se caracteriza por la degradacin progresiva de la matriz de cemento y finalmente el morterou hormign es reducido a una masa granular no cohesiva.

Los cementos ARS y los cementos con adiciones minerales no estn exentos a este tipo de ataque. Enparticular, los cementos con elevado contenido de adiciones activa o con adiciones muy activas son muysusceptibles a este ataque debido a la temprana descalcificacin del C-S-H por la ausencia de CH en lapasta [70].

Figura 3.10: Esquema del ataque de magnesio y el desarrollo de la microestructura. a) Corriente de difusin de sentido contrario: los (OH)- desde la pasta hacia afuera y los SO

4-2 desde la solucin hacia adentro de

la pasta, y se forma brucita en la superficie. b) disociacin del CH y aceleracin de la hidratacin de los silicatos de calcio queproveen los iones Ca2+ y (OH)- y se forman capas de yeso. c) descalcificacin del C-S-H y formacin continua de nuevas capas deyeso, y d) disociacin parcial del CH en el zona interior y estabilidad de la microestructura debido a la supresin de la difusin

como resultado del crecimiento de la doble capa [61].


Formacin de thaumasitaEn ambientes con sulfatos, la formacin de thaumasita (CaSiO3CaSO4CaCO315H2O) tambin es un mecanismode deterioro del mortero u hormign que contiene agregados carbonticos o cuando estn expuestos enatmsferas ricas en CO2 [71]. En esta reaccin, el C-S-H y el CH de la pasta de cemento son transformados ayeso y thaumasita debido a la accin conjunta de los iones sulfatos y carbonatos. Este mecanismo dedegradacin involucra varios estados. Los iones sulfatos reaccionan con el CH de la pasta para formar yeso yla thaumasita es el resultado de la reaccin entre la SiO2 provista por la descomposicin del C-S-H con losiones carbonatos (fuente interna o externa) y los iones sulfatos de la solucin (ec. 3.12). Segn Berra y Baronio[72], la formacin de thaumasita requiere de un ambiente con elevada humedad relativa y una temperaturareducida (cercana a los 5 C). Las bajas temperaturas contribuyen a la velocidad del deterioro porque lathaumasita a 5 C es del orden de 100 veces menos soluble que a 20 C [71] y la solubilidad del CO2 en agua essignificativamente mayor [73].

C-S-H + 3Ca(OH)2 +2 CaCO3+ 4 MgSO4 +28 H2O (Ca3Si(OH)6.CaSO4.CaCO3.15H2O) + 2 CaSO4.2H2O + Mg(OH)2 (ec. 3.12)

En este mecanismo de ataque, es necesario que exista una causa previa que produzca la descomposicindel C-S-H en la pasta de cemento [71,73], las cuales pueden deberse al ataque cido o al ataque de magnesio.Recientemente, Hartshorn et al. [74] remarcan la importancia de la presencia del MgSO4 en la solucin deataque para que tenga lugar la formacin de thaumasita. Nuestros estudios [75] en solucin de Na2SO4 ,muestran que la thaumasita se forma luego que se ha consumido la totalidad del CH en el mortero y estasituacin produce la descomposicin del C-S-H. Gaze [76] informa que la thaumasita slo se puede encontraren pastas que contienen originalmente ettringita en las primeras edades del ataque y un elevado contenido deyeso. Sin embargo, la thaumasita tambin puede formarse en los morteros hechos con silicatos puros (C3S oC2S), concluyendo que la ettringita puede ser la causa de fisuracin pero no necesariamente el precursorde la thaumasita [77]. Los estudios llevados a cabo por el Building Research Establishment [78] sugieren queel hormign que contiene una fuente interna de calcita o dolomita finamente dividida (p.e. cementos con fillercalcreo) es potencialmente susceptible a este tipo de ataque. Los cementos altamente resistente a los sulfatostambin pueden presentar un mal comportamiento, como se ha reportado en estructuras ubicadas en el MarArtico [73].

Cristalizacin de salesEl deterioro del hormign por la cristalizacin de sales de sulfatos ha sido muchas veces confundido con elataque qumico de los sulfatos. Las soluciones concentradas de Na2SO4 y MgSO4 pueden causar el deteriorosuperficial por este fenmeno. La cristalizacin de sales ocurre en forma reversible (ec. 3.13 y ec. 3.14) por losciclos de secado y mojado o por leves cambios en las condiciones del ambiente, ya sea de la temperatura y/ode la humedad relativa [79].

2Na+ + SO4-2 Na2SO4 + 10H2O Na2SO4.10H2O (ec. 3.13)

MgSO4 MgSO4.H2O MgSO4.6H2O MgSO4.7H2O (ec. 3.14)

Este mecanismo de ataque ha sido descripto por Reading [80-81]: la solucin de sulfatos asciende en laporcin seca del hormign por la absorcin capilar, donde el agua se evapora muy fcilmente. Luego, cuandola concentracin de solutos excede la concentracin de saturacin, tiene lugar la cristalizacin de sal en losporos produciendo tensiones internas suficientemente grandes como para fisurar el hormign. Los ciclosrepetidos de cristalizacin causan un descascaramiento progresivo de la superficie del hormign. Este procesoes puramente fsico, ya que los compuestos de la pasta de cemento no se encuentran involucrados y por lotanto no se detecta ettringita o yeso en esta zona deteriorada.

Haynes et al. [82-83] han presentado una amplia investigacin bibliogrfica acerca de este tipo de deterioroen suelos salinos. La figura 3.11 muestra el dao superficial causado por la cristalizacin de sales en vigasconteniendo diferente tipos de cementos luego de diez aos de exposicin en suelo salino. La evidencia tpicadel proceso de cristalizacin de sales es la presencia de una eflorescencia blanca (generalmente tenardita,miriabilita, halita, nacolita, epsomita y keiserita) en la superficie del hormign sobre el nivel del suelo [83,84].De acuerdo a los estudios de Novak y Colville [84], en suelos salinos permeables conteniendo Na2SO4, latenardita es la eflorescencia dominante cuando el hormign est expuesto al aire, y en condiciones de elevadahumedad relativa y baja temperatura, tambin se puede encontrar miriabilita.

Los hormigones expuestos a ciclos de mojado y secado, el principal mecanismo de transporte de agua osolucin es la absorcin capilar [85]. Los hormigones que contienen una elevada proporcin de adicionesminerales generalmente son ms susceptibles al ataque por cristalizacin de sales [45, 86-87], pues presentanuna mayor tasa absorcin capilar [86].


5.1.3.- Cementos resistentes a los sulfatos y su evaluacin

Para aumentar la resistencia a los sulfatos del hormign en ambientes muy agresivos, generalmente losreglamentos requieren de un cemento portland resistente a los sulfatos o un cemento con adiciones mineralesactivas para prologar la vida til de la estructura. Sin embargo, como se ha desarrollado anteriormente, elataque de sulfatos involucra varios mecanismos de ataque y un mismo cemento no siempre es aceptable paratodos los casos.

A continuacin se analizan los distintos mtodos de ensayos para probar la capacidad del cemento aresistir el ataque de sulfatos como as tambin el comportamiento de los distintos tipos de cementos frente alos distintos mecanismos de ataque de sulfato.

5.1.3.1.- Mtodos de evaluacin de la resistencia a los sulfatos del cemento

La complejidad del ataque de sulfatos ha derivado en que existan varios mtodos de ensayo para evaluar laresistencia de los cementos, pero ninguno de ellos es aceptado universalmente. Sin embargo, los resultados dela mayora de mtodos tienen una buena relacin entre el contenido de C3A del cemento portland ya queevalan el ataque por formacin de ettringita.

Para ser de utilidad, un mtodo de ensayo debe cumplir con tres premisas fundamentales: a) debe servirpara demostrar en forma real y reproducible la resistencia a los sulfatos de los distintos tipos de cemento, b)debe poder evaluar la mezcla en un tiempo relativamente corto (3 meses), y c) el ensayo debe representar elmecanismo de ataque en la estructura real. Generalmente, los mtodos utilizados hasta el momento no cumplensimultneamente estas premisas. Los mtodos no son de aplicacin para todos los tipos de cementos, ya quefavorecen a ciertos cementos y desfavorecen a otros. Los ensayos que cumplen con la segunda premisageneralmente se alejan de la tercera premisa, y viceversa. De manera que hasta el momento no existe un mtodode ensayo aceptado universalmente para probar la resistencia a los sulfatos de los distintos tipos de cementosque permita obtener resultados en corto tiempo.

En los distintos mtodos, la resistencia a los sulfatos se juzga por la variacin de indicadores o parmetrosingenieriles (expansin, resistencia a flexin, resistencia a compresin, prdida de masa, aspecto visual, mdulodinmico, etc.) que se miden durante un cierto tiempo y representan diferente informacin relacionada alcomportamiento funcional de la estructura. En la figura 3.12, se muestra en forma esquemtica la evolucinde estos parmetros en el tiempo.

Expansin: Como la expansin est asociada al ataque de sulfatos, generalmente es el parmetro ms usadopor los distintos autores. La expansin es intrnseca a la formacin de ettringita secundaria en el interior de lamasa del mortero u hormign y se requiere que toda la masa se vea afectada para que su valor pueda medirse.Cuando la expansin es localizada, slo se producen reventones que se pueden apreciar a travs del aspectovisual. Este parmetro no permite evaluar el proceso de ablandamiento de la superficie provocado por laformacin de yeso.

Figura 3.11: Fotografa de vigas expuestas (CUC = 300 kg/m3, a/c = 0.53) diez aos en suelo arenosoconteniendo sulfato.

H8 - CPARS, H7-80% escoria, H6-40% puzolana natural, H5-20% puzolana natural, H4-40% ceniza volante, H3-20%ceniza volante y H2-cemento portland normal.


Resistencia mecnica: La resistencia a la flexin y compresin se ven afectadas debido a la fisuracin o a ladescomposicin del material cementceo, pero no reflejan el estado inicial del ataque que corresponde a unablandamiento superficial. La resistencia a la flexin es mucho ms sensible y su decaimiento ocurre antes delas grandes expansiones debido a la microfisuracin que produce el ataque [88]. Bajo ciertas condiciones, elataque de sulfatos puede producir productos de hidratacin que llenen los poros del mortero u hormigny conduzcan a un aumento de la resistencia en las primeras edades. La cada de la resistencia siemprees precedida por otras manifestaciones. Por ejemplo, la resistencia a compresin se ve afectada cuandola expansin es mayor a 0.10 % como lo indica la teora de dao acumulado [89].

Modulo de elasticidad esttico y dinmico: El mdulo dinmico o esttico se ve afectado cuando toda lamasa interna de la probeta ha sido afectada por el ataque provocando la microfisuracin. Este parmetro norevela los primeros estadios del ataque ya que se trata de un ataque superficial.

Prdida en masa: La prdida de masa o la variacin del peso se produce cuando el ataque es severo y parte delas esquinas se desprenden de las probetas o la pasta se salta. Generalmente, este estado corresponde a lasetapas final del deterioro en sulfatos. En las primeras edades, tambin se puede observar una ganancia demasa. La prdida de masa es muy usada en el caso de ataque cidos o de magnesio que produce variacionesimportantes de este parmetro [90]. Tambin ha resultado de gran utilidad para evaluar el ataque porcristalizacin de sales [91].

Observacin visual: Un sistema de calificacin del aspecto visual es muy til para identificar el progreso,tipo y magnitud del deterioro por sulfato. Muchos autores [92-94] han utilizado estas tcnicas para describirlos cambios que no se reflejan en otros parmetros, especialmente los cambios superficiales, dividiendo laevaluacin visual en cinco o seis etapas: (1) saltadura de la pasta en la superficie de las probetas, (2)desprendimiento de los granos de arena, (3) fisuras en los bordes, (4) rotura de los bordes, (5) fisuras generalizadasy (6) deformaciones visibles a simple vista. Esta simple tcnica, acompaada de un registro fotogrfico del estadode las probetas, puede ser muy apropiada para identificar los primeros estado del ataque.

La evolucin de los parmetros enunciados anteriormente depende en gran medida del tamao de lasprobetas [95-96], el desarrollo de la porosidad capilar (razn a/c, grado de hidratacin, curado previo, etc) queafecta a la permeabilidad, la granulometra y el tipo de arena usada [95], el contenido de material cementanteen la mezcla [45,46], la concentracin de solucin, el tipo de sulfato presente y el valor del pH al cual secontrola a la solucin [97].

Entre los distintos ensayos, solamente se presenta una breve descripcin de los ms utilizados son: a)ASTM C 452, b) Ensayo de Koch & Steinegger, c) ASTM C 1012, d) Ensayo Le Chatelier-Anstett-Blondiau (IRAM 1659) y e) ensayo de Mehta y Gjorv. Una interesante revisin de otros mtodos puedenencontrarse en la bibliografa [10,98-99].

Ensayo ASTM C 452En este ensayo se evala la resistencia potencial a los sulfatos del cemento portland midiendo la expansinde prismas (25 x 25 x 285 mm) de mortero (a/c = 0.485 y 1:2.75 cemento/arena C 778) conteniendo un exceso deSO3. Al cemento se agrega una cantidad de yeso natural molido con granulometra determinada (> 90 % pasatamiz 45 m), de manera que la mezcla contenga 7 % en peso de SO3. Las probetas se curan 24 horas encmara hmeda, se desmoldan, se toma la lectura inicial y luego se depositan en agua. La expansin de los

Figura 3.12: Esquema de la variacin de los distintos parmetros frente el ataque de sulfatos


prismas se mide a los 14 das, la cual no debe superar 0.040 % (ASTM C 150) para que el cemento portland seaclasificado como resistente a los sulfatos (Tipo V o ARS). Como lo indican los alcances de la norma, estemtodo es aplicable exclusivamente a cementos portland sin adiciones.

El mtodo es muy efectivo para diferenciar los cementos de bajo C3A y elevado C3A, pero no essuficientemente preciso para discernir diferencias entre los cementos de 0 y 5 % de C3A. Esta correlacin sedebe a que el mtodo slo mide la interaccin entre el cemento portland sin hidratar y el exceso interno desulfatos para formar ettringita expansiva, pero no evala la resistencia del cemento al ataque producido porla formacin yeso, como es el caso de cementos de elevado C3S [99]. Este ensayo no cumple con las premisaspreviamente desarrolladas, pues no es aplicable a todos los tipos cementos y tampoco representa el fenmenodel ataque de sulfatos. La inviabilidad del mtodo para ser aplicado a los cementos con adiciones se originaen que la puzolana o escoria se ve impedida de mejorar la estructura de poros o reducir el CH antes del ataqueinterno de sulfatos. Por otro lado, ciertos constituyentes aluminosos en la escoria o puzolana pueden reaccionarante la presencia de sulfatos internos [99]. En Argentina, existi un ensayo similar normalizado por IRAM1659-II en el cual la granulometra de la arena era distinta y los lmites de expansin nunca fueron propuestos.

Ensayo de Le Chetelier-Anstett-BlondiauEste mtodo de ensayo fue normalizado por IRAM 1659 y actualmente ha cado en desuso. En el mismo elcemento es previamente hidratado en pasta (a/c= 0.50) durante 14 das. Luego, la pasta se seca a 40 C, sereduce a polvo y se mezcla con yeso molido en una proporcin 2:1 en masa. Esta mezcla del material molidose humedece con 6 % en peso de agua destilada, se llena un molde cilndrico de 80 mm de dimetro por 30 mmde altura, y se comprime bajo una presin de 2 MPa durante un minuto. La probeta se coloca sobre un papelabsorbente cuyos extremos estn sumergidos en agua destilada. La probeta se coloca en un espacio hermticoal aire, por ejemplo una campana de vidrio o plstico con cierre hidrulico. El dimetro inicial del cilindro semide luego de 24 horas de confeccionada la probeta y finalmente a los 28 y 90 das de almacenamiento. Paraconsiderar un cemento como resistente a los sulfatos, la expansin no debe exceder 1.25 %.

La expansin es el resultado de la formacin de ettringita debido a la presencia de fase AFm en la pastahidratada que reacciona con los sulfatos provistos por el yeso cuando se suministra agua. Como la estructurade la pasta fue reducida por la molienda, la mismas no opone resistencia a la expansin que se manifiesta enun corto tiempo.

Para muchos autores este mtodo de ensayo es considerado extremadamente severo y se aleja demasiadode la realidad [99,100]. No est en concordancia con la prctica y coloca en desventaja a los cementos conadiciones o siderrgicos por diversas razones. Los cementos de escoria se comportan mal en este ensayo [100]y solo cumplen los requisitos los cementos ARS y algunas mezclas con ceniza volante [67]. Los resultadosobtenidos concuerdan con los obtenidos para el ensayo ASTM C 452 en cementos portland de bajo y elevadoC3A debido a que ambos ensayos slo miden la susceptibilidad a la formacin de ettringita [10,100].

Ensayo ASTM C 1012Este ensayo consiste en medir la expansin de barras de mortero inmersas en una solucin de Na2SO4, la cualse renueva peridicamente. Se confeccionan seis barras (25 x 25 x 285 mm) de mortero (1:2.75 cemento/arenaC 778 y a/c = 0,485) y veintin cubos de 50 mm. Estos son curados durante 24 horas a 35 C en un tanque deagua, y luego se colocan en agua saturada en cal hasta que alcancen una resistencia a la compresin de 20MPa o ms. Cuando se alcanza la resistencia especificada, las barras son inmersas en una solucin de Na2SO4(50 g/l), la cual se renueva peridicamente cuando el pH se encuentra fuera de rango (6.0 a 8.0). Alternativamente,se puede usar una solucin combinada de Na2SO4 y MgSO4 como en la primera versin del mtodo (ASTM C1012-84). La expansin se mide a los 7, 14, 21, 28, 56, 91, 105 das y si la velocidad de expansin es lenta a los120, 180, 270 y 365 das. Tambin incluye un examen visual de las probetas luego de la lectura de expansin.

El ensayo es aplicable a todos los tipos de cementos con adiciones, ya que la exposicin al medio agresivose realizan cuando alcanzan una resistencia similar de manera de asegurar las reacciones puzolnicas. Enmezclas con adiciones, el ensayo se realiza con un mortero de escurrimiento (flow) constante para contemplarel mayor consumo de agua de algunas adiciones. El criterio de falla adoptado es un incremento en la longituddel 0,10 % [101], indicando como tiempo de falla la ltima lectura. Para los cementos mezclas (IS e IP), lanorma ASTM C 595 establece un mximo de 0.10 % de expansin a 180 das para ser considerado resistente alos sulfatos. En argentina, est normalizado un ensayo similar (IRAM 1635-92).

Para obtener la expansin lmite son necesario varios meses, siendo uno de las principales desventajasque tiene este ensayo. Todos los mecanismos de ataque, excepto la cristalizacin de sales, se pueden observaren este mtodo de ensayo.


Ensayo de Koch & SteineggerEn este mtodo, desarrollado en 1960 [102], se moldean pequeos prismas de mortero de 10 x 10 x 60 mm,usando una mezcla de una parte de cemento y tres partes de arena de granulometra discontinua, con unarelacin a/c de 0.6. Luego de desmoldada, las probetas se almacenan durante veintin das en agua destiladaantes de comenzar el ensayo. A esta edad, las probetas se dividen en dos grupos, uno de los cuales sersuspendido en una solucin al 10 % de Na2SO4.10 H2O (29800 mg/l), y el otro grupo contina en agua. A los35, 49 y 77 das se evalan los siguientes parmetros: (a) El consumo de sulfatos por los prismas de mortero,(b) La variacin de la resistencia a flexotraccin y (c) El estado de las probetas (grietas, variacin de volumen,disgregacin). El consumo de sulfatos se valora por medio de una titulacin con una solucin de H2SO4 (2N)y usando como indicador fenoltaleina.

La relacin entre la resistencia a flexotraccin de las probetas de mortero depositadas en solucin desulfatos (fs) y en agua dulce (fa), se indica como factor de corrosin (R= fs/fa). Los cementos se consideran que sonaltamente resistentes a los sulfatos cuando R es mayor a 0.7 a los 77 das de exposicin.

Este mtodo con las modificaciones que puede presentar, permite medir la resistencia del cemento a laaccin externa de la solucin agresiva y a la accin interna por formacin de yeso. Las ventajas que presentason: permite evaluar cementos con adiciones, la accin del catin de los distintos sulfatos y la concentracinde sulfatos. Sus inconvenientes son que no regula constantemente el pH de la solucin, aunque permite hacerlo;el perodo de curado debera ser funcin de la adicin utilizada; y presenta una gran lentitud por ser necesarioprolongarlo a un ao para evaluar cementos con adiciones [103].

Ensayo del Mehta y GjorvBasado en los trabajos de Markested, Mehta y Gjorv [99] proponen un mtodo que consiste en la inmersin deprobetas cbicas de 12,5 mm de pasta de cemento con una razn a/c igual a 0,5 en una solucin al 4 % desulfato de sodio. El pH de la solucin se mantiene constante (pH =6.2 0,5) por titulacin automtica de gotasde 0.1 N de H2SO4. El curado de las probetas se realiza durante siete das a una temperatura de 50 C paralograr una buena hidratacin del cemento. La resistencia al ataque por sulfatos se determina por la prdidade resistencia a compresin de las probetas luego de 28 das de inmersin. El ensayo es apropiado para distintostipos de cementos con adiciones y distintos medios agresivos.

Este mtodo presenta el control del pH del medio agresivo, cuya importancia ha sido explicada porBrown [97]. Cuando se colocan las probetas en solucin, se produce la solubilidad del CH que produce unapronunciada elevacin del pH en pocos das y esta variacin origina cambios en la expansin debido a lainestabilidad de la ettringita y propicia la formacin de yeso como mecanismo de ataque. La dimensinde las probetas es ventajosa para facilitar la penetracin de los SO42, permitiendo que alcance toda lamasa de la probeta, presenta una gran dispersin en la medicin de la resistencia a la compresin. Laeleccin de la resistencia a la compresin como indicador del deterioro es criticable. Varios autoresindican que la resistencia a la compresin de probetas expuestas a soluciones de sulfatos es determinadapor las micro y macrofisuras originadas por el ataque, y no por la porosidad de la pasta, que cambia porlos productos que se forman. La orientacin aleatoria de las fisuras causa una elevada dispersin en losresultados que presenta el mtodo. Tambin se ha aplicado este mtodo utilizando cubos de mortero[30,64].

5.1.1.2.- Cementos portland

Influencia de las fases portadoras de alminaDesde principios de 1930, se acepta que la resistencia a los sulfatos del cemento portland estdirectamente relacionada con el contenido de C3A. Por esta razn, la mayora de las normas que definenel cemento portland altamente resistente a los sulfatos (ARS, SRPC o Type V) proponen una limitacindel contenido de C3A entre el 3 y 5 %.

La reduccin del C3A en el cemento portland se logra usando materias primas ricas en hierro oincorporando limadura de hierro para disminuir el mdulo de fundentes (Al2O3/Fe2O3) durante la fabricacindel clinker. Tambin, pueden influir sobre la velocidad de deterioro otros parmetros del proceso de fabricacin,tales como la velocidad de enfriamiento del clinker [22,104] y las distintas formas cristalinas en las cuales sepresenta el C3A [105]. Los cambios de estructura del C3A producen un incremento en la sustitucin de lcalisen el cristal (cbico > ortorrmbico > tetragonal > monoclnico) y afecta el comportamiento del cemento frentea las soluciones de sulfatos. En los clinkeres industriales, el C3A generalmente se presenta en forma cbica uortorrmbica, y esta ltima forma de cristalizacin produce una mayor tasa de expansin [105].


De la misma manera que el C3A, la hidratacin de la fase C4AF produce una fase AFt que se puedetransformar en una fase AFm [106], que reacciona lentamente en ambientes con sulfatos para dar lugar a laformacin de ettringita ferrosa [107]. La mayora de las normas de cemento ARS tambin adoptan unalimitacin de la fase C4AF a travs de una funcin que combinan las fases que aportan aluminio 2C3A +C4AF < 25 % (ASTM C 150) C3A +C4AF < 22 % (IRAM 50000). La importancia de esta limitacin para loscementos de bajo contenido de C3A ha sido demostrada por Nadu [104].

Influencia de los silicatos de calcioEl contenido de C3S es otro parmetro de la composicin del cemento portland que influye sobre sucomportamiento en ambientes de sulfatos, tambin se expresa como la relacin de silicatos (C3S/C2S). Elincremento del contenido de C3S en el cemento implica un incremento de la cantidad del CH liberado durantela hidratacin, ya que en su hidratacin produce 2.2 veces ms CH que la hidratacin del C2S. Tambinocasiona una modificacin del desarrollo de la resistencia, de la liberacin de calor y de la estructura deporos de la pasta de cemento. Es de recordar que el CH juega un rol decisivo en varios de los mecanismos deataque por sulfatos.

Durante las ltimas dcadas, la relacin C3S/C2S presente en el clinker ha variado notablemente debidoa la necesidad de alcanzar mayor resistencia a temprana edad. Con los cementos actuales es posible obtenerla misma resistencia a compresin a 28 das que hace 40 aos atrs con un incremento del 50 % en la razn a/c. Esta condicin, asociada al criterio de aceptacin por resistencia, implica que los hormigones son msporosos y permeables y poseen una mayor cantidad de CH liberado durante la hidratacin.

En 1930, los estudios de Thorvaldson mostraron que las probetas elaboradas con silicato de calciopuro se destruyen cuando son expuestas a soluciones de Na2SO4 o de MgSO4 [108]. Mehta y Polivka[109] han determinado que los cementos de alita tambin son destruido por soluciones de sulfatoscausando la prdida de resistencia y la descohesin, pero sin una importante expansin. Bellport [110]sugiere que los cementos portland ARS o de bajo contenido de C3A no son efectivos frente la reaccin deintercambio que produce la formacin de yeso, especialmente cuando presentan un elevado contenidode C3S. Usando su ensayo, Mehta [111] concluye que los cementos con cero C3A no son necesariamentems durables que los cementos ARS que contienen una baja proporcin de C 3A (2 a 4 %). Pero, es necesariopuntualizar que la composicin de estos cementos con cero C3A contenan 69 a 75 % de C3S, mientrasque los otros cementos contenan 56 % de C3S. Dimic y Droljc [112], usando el ensayo de Koch &Steinegger, encontraron que el cemento de bajo C3A y un contenido de C3S mayor al 60 % sufren unaprdida de la resistencia a flexin al finalizar el ensayo

En cementos con elevado contenido de C3A, Rasheeduzzafar [64] atribuye la influencia de la relacinC3S/C2S sobre la resistencia a los sulfatos a tres factores: 1) la solubilidad de los aluminatos de calcio hidratadodecrece en ambientes saturados de Ca(OH)2 causando una reaccin expansiva de naturaleza topoqumica; 2)la ettringita es expansiva cuando existe una elevada concentracin de (OH)- y Ca2+ de acuerdo a la teora deexpansin por dilatacin, y 3) existe un incremento de la formacin de yeso debido a la mayor cantidad de CHen la pasta.

Nuestras experiencias [68] corroboran la mayor expansin (Figura 3.13) y la prdida de resistencia enlos cementos portland de bajo contenido de C3A cuando se incrementa el contenido de C3S. El ataque a estoscementos involucra tres estados: la induccin, la formacin de yeso y la formacin de ettringita. La presenciade hierro en los cristales de ettringita detectado por EDAX indica que provienen de la fase ferrtica. La solucinpara resolver este tipo de ataque en ambientes muy agresivos es incorporar adiciones minerales activas quereduzcan el CH y la permeabilidad. La figura 3.13 tambin muestra la reduccin en la expansin que produceuna buena puzolana natural en el cemento con elevado contenido de C3S.

5.1.3.3.- Adiciones minerales

Las adiciones minerales, tambin llamadas materiales suplementarios, incluyen la escoria granulada de altohorno, las puzolana naturales, la ceniza volante, el humo de slice, el filler calcreo, el metacaoln, y otrossubproductos o substancias finamente divididas. Las adiciones minerales se pueden introducir directamenteen el hormign o pueden molerse en forma conjunta con el clinker portland para dar lugar a los cementosmezcla. Actualmente, tambin se realiza la combinacim de adiciones en plantas de mezclado para lograr losllamados cementos a medida.

Generalmente, existe un preconcepto que las adiciones minerales activas mejoran la resistencia a lossulfatos de los cementos adecuadamente curados. Este mejoramiento se atribuye a los siguientes factores: 1)


remueve el CH liberado durante la hidratacin de los silicatos de calcio, 2) reduce la permeabilidad de lamatriz debido al refinamiento del tamao de poros, 3) diluye el contenido de C3A cuando se reemplaza partedel cemento por la adicin, 4) crean un ambiente desfavorable para la formacin de ettringita expansiva, y 5)mejora las propiedades de la zona de transicin pasta-agregado.

Las adiciones minerales presentan amplias variaciones en sus caracterstica qumicas y fsicas, yconsecuentemente diferentes contribuciones frente a los distintos mecanismos de ataque por sulfatos. Unaconcisa revisin de las adiciones ms utilizadas se presenta a continuacin.

Escoria granulada de alto hornoComo resultado de las reacciones que ocasiona la incorporacin de escoria, la porosidad capilar y el contenidode CH decrece en la pasta de cemento proveyendo un microestructura extremadamente densa, que aumentala inmunidad ante el ataque de sulfatos. Sin embargo, algunos cementos pueden presentar una baja resistenciaa los sulfatos cuando el porcentaje de escoria es inapropiado, la escoria presenta una elevada proporcin dealmina en su composicin o cuando los cementos con elevado contenido de escoria son expuestos a solucionesde magnesio.

La experiencia alemana [113] indica que los cementos que contienen al menos 65 % en masa de escoriatiene un comportamiento similar a un cemento ARS, independientemente del contenido de Al2O3 de la escoria.En ambientes muy severos, la norma DIN 1045 establece el uso de cementos de escoria. En el mismo sentido, elBRE Digest 363 [7] recomienda el uso de cementos con alto contenido de escoria o la combinacin de cementoportland y un contenido de escoria entre el 70 y 90 % con un mximo de 15 % de almina en su composicin.

Para los cementos de alto contenido de escoria, su comportamiento es independiente de composicin delclinker. Frearson [114] confirma el aumento de la resistencia a los sulfatos del cemento cuando se incrementael contenido de escoria y los morteros con ms de 70 % de escoria presentan una resistencia a los sulfatossuperior a los cementos ARS. La influencia del contenido de escoria es ms significativa que la razn a/c yconfirma la pobre resistencia a los sulfatos de las mezclas de cemento CPN o ARS cuando el contenido deescoria es bajo. Van den Bosch [30] estudio mezclas con reemplazo de escoria de 50, 70 y 85 % expuestos asoluciones de 5% de Na2SO4 y 5% de MgSO4. La resistencia a los sulfatos se increment cuando aument lafinura y el contenido de escoria. La mejor resistencia se obtuvo para contenidos de escoria mayores a 70 %. Sinembargo, el anlisis de la resistencia a compresin y a flexin mostr, que los cementos conteniendoescoria presentan un marcado decaimiento en las probetas expuestas a la solucin de MgSO4.

Hooton y Emery [115] evaluaron la resistencia a los sulfatos de hormigones ricos hechos con cementoCPN, MRS y ARS, y reemplazos de escoria del 45, 65 y 72 %. Luego de ocho aos de exposicin a soluciones deNa2SO4 , ninguno de las probetas mostr signos de deterioro superficial. Los mismos cementos mezclas fueronestudiados con el ensayo ASTM C 1012, frente a distintas soluciones de sulfatos (Na2SO4, K2SO4 y MgSO4) conconcentraciones de 3 a 50 g/l. Las conclusiones de estos trabajos indican que el contenido de C3A en el cementotiene una leve incidencia cuando se usa elevado porcentaje de escoria (> 50 %) y que la escoria incrementa lasusceptibilidad del material en las soluciones de MgSO4 de la misma concentracin. La mejora de la escoria esatribuida principalmente a la reduccin de la permeabilidad, la reduccin del CH y la dilucin del C3A en lamezcla dependiendo del porcentaje de reemplazo usado.

Figura 3.13: Expansin en cementos ARS conteniendodiferente contenido de C3S y 40% de puzolana natural.

Figura 3.14: Expansin de morteros conteniendoescoria expuestos a una solucin combinada deNa2SO4 y de MgSO4, y a un solucin de Na2SO4.


Luego de cinco aos de exposicin a soluciones de Na2SO4 y MgSO4, los ensayos del BRE muestran quelos hormigones elaborados con cemento portland y escoria presentan una buena resistencia a los sulfatoscuando el contenido de escoria es mayor al 70 % [116] . La combinacin de escoria de baja almina concemento CPN o ARS permite desarrollar hormigones muy resistente a soluciones muy concentradas de sulfato.

Por el contrario, el ltimo informe de la PCA [87] sobre durabilidad de hormigones en suelos salinosricos en sulfatos concluy que para una razn a/c dada, el cemento que contiene entre 45 y 65 % de escoria,generalmente reduce la resistencia a los sulfatos y aumenta el grado de deterioro cuando se incrementa elporcentaje de escoria. En estos ensayos se utilizan vigas semienterradas y el deterioro es ms severo en lazona de las probetas que sobresalen del suelo debido a la accin de la cristalizacin de sales. La figura 3.11muestra el deterioro en las vigas semienterradas de nuestro estudio de campo donde puede apreciarseclaramente la diferencia entre la zona enterrada y la zona sobre el nivel del suelo [91].

La resistencia de los cementos de escoria frente al ataque de MgSO4 debe considerarse moderada. Kolleky Lumley [117] informan que los cementos de escoria son particularmente vulnerables en solucionesconcentradas de MgSO4 para cualquier porcentaje de escoria utilizado. Luego de un ao de exposicin, eldistinto comportamiento que presentan la mezcla de cemento CPN y 70 % de escoria frente a las soluciones deigual concentracin de Na2SO4 y MgSO4 se ejemplifica con una reduccin de la resistencia a compresin del 18% en la solucin de Na2SO4 y del 75 % en la solucin de MgSO4; mientras que la expansin fue mayor en losmorteros expuestos a la solucin de Na2SO4 que en los morteros expuestos a la solucin de MgSO4 [70]. Lafigura 3.14 muestra la elevada expansin que presentaron los morteros conteniendo 65 y 75 % de escoria utilizadaen nuestras experiencias [118] cuando fue expuesta a una solucin combinada de sulfatos (0.176M Na2SO4 y0.176 M MgSO4). En el mismo grfico se observan los resultados de estas mezclas expuestas a una solucin0.35M Na2SO4 con muy baja expansin y pueden considerarse con comportamiento similar al cemento ARS.No cabe dudas que el ataque de sulfato de magnesio es el responsable del mayor deterioro de los cementos conescoria.

Puzolanas naturalesEn nuestro pas existen vastos recursos naturales de puzolana y los cementos puzolnicos estn disponiblesen el mercado desde hace varias dcadas con un porcentaje de reemplazo que varia entre el 20 y 50 %. Lasobras realizadas con este tipo de cemento en la provincia de Mendoza demuestran la elevada resistencia a lossulfatos de los mismos [119].

El comportamiento del cemento puzolnico en ambientes con sulfatos depende de la naturaleza delclinker, la naturaleza de la puzolana, la finura de la misma y la cantidad de reemplazo. La naturaleza de laspuzolanas presenta variaciones muy marcadas porque depende de su origen geolgico y de la composicinqumica y mineralgica.

Las puzolanas naturales derivan en su gran mayora de rocas volcnicas, salvo las de origen clstico, y seclasifican en rocas incoherentes (tobas, vidrios volcnicos y tierra de Santorin) y en rocas coherentes alteradas(Trass). Los materiales puzolnicos de origen clstico se dividen en puzolanas de origen orgnico (tierrasdiatomeas), de origen mixto (Moler) y materiales de deposicin sedimentaria (arcillas no activas).

La adicin de vidrios volcnicos finamente divididos es muy efectiva para reducir el ataque de sulfatos,siempre que el hormign tenga un curado apropiado. Ensayos realizados por Mehta [120] mostraron que laspastas de cemento CPN conteniendo 20 y 30 % de tierra de Santorin (S=65.1%, A= 14.5%, SAF= 85.1) presentanuna elevada retencin de resistencia y una baja expansin. Sin embargo, las pastas con 10 % de reemplazo deesta excelente puzolana griega no tienen una buena resistencia a los sulfatos, confirmando la importancia dela cantidad de puzolana en la mezcla. K. Mather [121] tambin informa una baja expansin de morterosconteniendo 30 % de tierra de Santorin cuando se combina con cementos de elevado C3A (14.6, 13.1 y 9.4%).En nuestro estudio de campo tambin se utiliz una buena puzolana natural en reemplazos del 20 y 40 % decemento portland [86]. Luego de diez aos de exposicin, los hormigones presentaron un excelente estado deconservacin se la zona enterrada (Figura 3.11), retuvieron la resistencia mecnica y slo se detect la formacinde ettringita y yeso en la superficie del hormign. Sin embargo, los hormigones con 40 % de puzolana naturalmuestran un dao considerable sobre el nivel del suelo debido a la cristalizacin de sales. Resultados similaresfueron obtenidos por Oshiro y Rocha [122] en una experiencia de campo llevada a cabo en Las Salinas.

Tambin algunas puzolanas naturales con baja puzolanidad o elevado consumo de agua provocan undesmejoramiento de la resistencia a los sulfatos de hormign. Polivka y Brown [123] concluyen que el reemplazoparcial de cemento de bajo C3A (2.3 %) por 25 % de puzolana naturales (pizarra calcinada y pumicita)desmejoran la resistencia a los sulfatos. Mientras que dicho reemplazo en un cemento de elevado C3A mejorasu comportamiento, pero no llega a ser comparable con la resistencia del cemento ARS. Analizando los datos


de estos autores, se puede observar que ambas puzolanas producen un incremento de la demanda de agua (larazn a/cm crece de 0.50 a 0.66) y consecuentemente aumenta su permeabilidad. Stark [46] tambin informauna pobre resistencia a los sul

2 Fabian Irassar Ataque Quimico

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