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Durabilidad del Concreto u Hormigón

Norma ASTM E 632, “La capacidad demantener en servicio un producto,componente, conjunto o construcción duranteun tiempo especificado”

Comité 201 del ACI “Capacidad para resistir laacción de la intemperie, el ataque químico laabrasión o cualquier otro proceso dedeterioro”.

Habilidad para resistir acción del ambiente, ataques químicos, abrasión, u otros procesos de deterioro.

Permeabilidad

Propiedad que gobierna la velocidad de flujo de un fluido a travésde un solido poroso; interconectividad de poros, microgrietas ygrietas.

• Permeabilidad de la pasta (a/cm)• Permeabilidad y gradación de los agregados• Calidad de la pasta y de ITZ• Proporción relativa agregado/pasta

Norma ASTM E 632:

Agentes Atmosféricos: Radiación, calor, agua, aire, hielo-deshielo,viento.Factores biológicos: Micro organismos, fungicidas, bacterias.Factores de Carga: Cargas periódicas, acción física agua y viento.Factores físicos y químicos.Factores de servicio: diseño, desgaste, etc.Factores de la estructura: bajo espesor o grietas en recubrimientoFactores propios material: tipo cemento, adiciones mineralescaracterísticas agregados, agua utilizada, relación a/c, condicionespreparación, puesta en obra y curado

Pueden fomentar o controlar fenómenos de deterioro del concreto.

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Factores físicos:

No se produce transformación de la materia en el hormigón,pero si degradación

Erosión por: Abrasión y cavitación.Formación de fisuras, grietas (estado plástico y endurecido)por:diferencia tensiones, deformaciones, alta densidad armaduras,efectos térmicos, gradientes de temperatura, asentamientos.Acción del hieloFenómenos de impactoExposición al fuego.

Causan mayor dañoCemento componente atacable y agua elemento motor

CarbonataciónReacción agregado – álcaliAtaque por sulfatosAcción de sales, ácidos (minerales u orgánicos), bases,alcoholes, azucares, aceites (vegetales y animales).Acción de sales de deshielo.Agua dulce, agua con CO2 agresivo, agua de mar, aguasindustriales, aguas residuales, etc.Bacterias, algas, micro organismos.

Características compuestos hidratados cemento (composición estructural clinker) y características - cantidad adiciones.

Características y concentración del medio agresivo. Condiciones ambientales (Temperatura, humedad,

contaminación, viento, etc). Características hormigón (dosificación, edad,

permeabilidad, forma elemento estructural, etc.). Condiciones de la interacción agente agresivo - hormigón

(sumergido total o parcialmente en medio, agente agresivo en reposo o en movimiento, etc).

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Cada uno de estos mecanismos requierehumedad para producirse.

La velocidad de deterioro del concreto dependede cuan fácil puede moverse la humedad a travésdel concreto

O cuan fácil las especies agresivas como sulfatos ocloruros pueden moverse a través de la humedaden el concreto.

Si el concreto se puede hacer mas resistente almovimiento de agua, este se hará mas resistente alos procesos de deterioro

Factores PrincipalesRelación agua/cementanteContenido de AguaCurado

Uso de materiales alternativos

Humo de SíliceCeniza VolanteEscoriaPuzolanas Naturales

Factores Secundarios

Tipo de Cemento

Aditivos Químicos

Tipo de Agregado

Contenido de Aire

• Relacionada con el volumen de poros capilares

• El tamaño de poros es muy importante, el agua se mueve a través deporos capilares (10-50+nm), NO en poros gel (<10nm)

• En concreto, ITZ también es muy importante para transporte

Porosidad o distribución del tamaño de poros determina velocidad depenetración de sustancias agresivas.

Dr. Jekyll y Mr. Hyde.

Esencial para una hidratación del CP.

Pasta totalmente saturada es casi impermeable al oxígeno y al CO2.

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Alta permeabilidad Contribuye a proceso

corrosión Medio difusión de iones

cloruro hacia el refuerzo y destruye capa pasiva

Corrosión del aceroembebido en concreto es laprimera causa de deteriorode estructuras de concreto enmuchas regiones del mundo.

El pH alto del concreto, forma capa protectora o pasivante sobreacero protegiéndolo de la corrosión.

Esta capa se puede destruir por acción de cloruros (sales descongelantes o agua de mar) o fuentes internas (acelerantes con CaCl2 o agregados o agua de mezclado contaminados)

La perdida de protección ayuda a corrosión de acero y eventualmente hay agrietamiento, delaminación y descascaramiento del recubrimiento de concreto.

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Contenido de Cl- mantenerse bajo.

Prevenir penetración iónica.

Disueltos en agua incrementan “lavado” portlandita aumenta porosidad, disminuye propiedades

Remoción o penetración capa pasiva protectora Ánodo: produce electrones Cátodo: acepta electrones Oxigeno Agua Electrolito conductor (cloruro) Baja resistividad concreto

Condiciones deben darse simultáneamente.

Intrusión iones cloruro es el factor mas importante.

Recubrimientos gruesos y densos protegen contracorrosión.

Si el pH cambia:

• pH > 10 : no hay corrosión

• 4 < pH < 10 : velocidad de corrosión constante

• pH < 4 : rápidamente se corroe

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Una estrategia paraextender la vida útil delconcreto reforzadoexpuesto al ataque porcloruros es asegurarse deque el concreto provea unrecubrimiento al acero conuna alta resistencia alingreso de los cloruros.

Si, pero …

(a) Concreto siempre seco, no H2O para formar oxido. agentes agresivos no se difunden fácilmente.

(b) Concreto siempre saturado, no hay oxigeno para formar oxido.

(d) Aplicar recubrimiento polimérico apartar agentes agresivos del concreto. Costosos.

(e) Aplicar recubrimiento polimérico a las barras proteger de humedad y agentes agresivos. Costosos y efectividad a largo plazo.

(f) Acero inoxidable. Muy costoso.

Se debe producir concreto que protejaacero de refuerzo para conservar lacapa pasivante.

Con un mejor concreto solo decemento portland no habrá mejorasignificativa.

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La clave esta en un concreto muchomas impermeable.

Una puzolana ayuda a producirconcretos con muy bajapermeabilidad, demorando arribocarbonatación y cloruros al refuerzo.

Reduciendo la velocidad de difusión:

Los productos de la reacción puzolánica llenan losespacios capilares en la pasta cementante, mejorapropiedades resistentes y reduce permeabilidad.

El efecto real de MCA es refinar sistema de poros mas pequeños en el tiempo incrementando volumen y área superficial de poros menores a 5 nm.

La población mas importante de poros en concreto de baja a/cm es la de poros con radios menores a 50 nm.

Refinamiento de la red capilar y su evoluciónrelacionada con tipo y características de la adiciónmineral.

Puede ser a edades tempranas

Induce retracciones por auto-desecamiento.

A tener en cuenta: distribución de poros en pastacementante, tamaño de poros y conectividad

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Humo de sílice reduce el numero de poros < 10μm

Influencia de SF

Profundo efecto enpermeabilidad delconcreto, reducción ~ 5veces adición del 10%.

Alta resistividad eléctrica

FA, escoria y otras puzolanas: Poco efecto a edades tempranasReducción se vuelve significante con la edadReducción sustancial a mayores edades

SF, MK Reducción significante a edades tempranas(puzolanas altamente reactivas) Decrece conel tiempo

Ataca todo tipo de estructuras OH-, Na+, K+ del cemento

atacan al SiO2 del agregado.

Se forma una gel de álcali-sílice.

La gel absorbe agua y se expande.

Ocurre agrietamiento

1) El pH alto de la pasta del cemento promueve la hidrolisis de la sílice

2) SI-OH reacciona con la pasta para formar Si-O-

3) Si-O- adsorbe Na, K y Ca para formar una gel

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1) Óptica

2) SEM

1) Óptica

Sierra Nevada, construido en 1965

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Medidas Para Evitar EAS

Uso de agregados no reactivos Uso de agregados bajos en

álcalis Limitar el contenido de álcalis en

concreto Uso de aditivos apropiados Uso de adiciones minerales

Sulfato de Hidróxido de YesoSodio (o potasio) del + Calcio delSuelo o agua subterránea Concreto

Yeso + Aluminato de EtringitaCalcio hidratado en el concreto

Estas reacciones van acompañadas de expansiones volumetricasde la matriz cementicia.

Cerca de zonas industriales y de grandes aglomeraciones urbanas la combustión de carbones y de fuel-oil, más ó

menos cargados de azufre, desprende dióxido de azufre que, en presencia de oxígeno y de humedad, se transforma en

ácido sulfúrico.

Origen de los sulfatos

Iglesia de St. Pedro and St. Pablo en la vieja ciudad de Cracovia, Polonia.

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los sulfuros presentes en ciertos áridos aumentan el contenido

en sulfatos. Se oxidan

Excepcionalmente, la fuente de sulfatos puede ser interna en el hormigón

contaminación accidental de los áridos (restos de yeso)

utilización de áridos yesíferos

El contenido en azufre total, expresado en SO3, está limitado a un 0,4% por la norma (EH-91)

la fabricación de hormigón debe contener una cierta proporción

de yeso, conforme a la reglamentación (norma EH-91)

Procesos de ataques por parte de los sulfatos

“ettringita secundaria"

La degradación de los hormigones por los sulfatos es debidoprincipalmente a los fenómenos de expansión por formación de ettringita

"ettringita primaria"

a) La formación del yeso “secundario” resulta de una reacción

de substitución entre la portlandita y el sulfato. Por ejemplocon el sulfato de sodio.

Cristaliza en los espacios libres de la pasta de cemento endurecido.

Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O → CaSO4.2H2O + 2NaOH

[SO4-2] >1000 mg/ l

[Ca2+] [SO4-2] > KPS

CaSO4.2H2O

SI

El sólido recién formado presenta un volumen molar de tres a ocho

veces más elevados que aquel del sólido inicial

según que se trate de

C3A o de C4AH13

Lo cual implica el desarrollo de presiones

muy elevadas que acompañan su formación.

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Por el contrario, en los cementos que liberan

menos portlandita

(cementos con escorias, cementos aluminosos, etc)

la ettringita precipita a partir de la disolución en los intersticios vacíos del

hormigón

y la cristalización en agujas bien formadas no

es expansiva

Ca(OH)2

C3A

SO4-2 yeso

etringita

El proceso se puede esquematizar de la siguiente forma:

++

Y podría visualizarse de la siguiente manera, según el esquema propuesto tras los estudios:

Ca(OH)2

C3A

SO4-2

1º.- puesta en contacto de lasuperficie del hormigón conla disolución agresiva;

2º.- penetración de losaniones SO4

-2 por difusiónlimitada a una zonasuperficial

3º.- asociado a una reacciónde substitución:

catión(Mg+2,Na+,NH4+,...)→

Ca+2 y formación de yesoen disolución o cristalizado segúnlas concentraciones de yeso y deCa(OH)2

yeso

etringita

4º.- reacción puntual de los

iones sulfato con los

aluminatos anhidros

(C3A ó hidratados (C4AHx y

C3A·CaSO4.H12)

con la formación, in situ, de

etringita expansiva

5º.- fisuración por "efecto

de cuña" debido a las

presiones de cristalización

de la ettringita

6º.- evolución de lapenetración de los sulfatosfavorecido por las fisuras

7º.- progresión del ataque

siguiendo un frente dedegradación donde el

espesor tiende a aumentar

con el curso del tiempo

PROGRESO DE LA AGRESIÓN

Ca(OH)2

C3A

SO4-2

yeso

etringita

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6º.- evolución de lapenetración de los sulfatosfavorecido por las fisuras

7º.- progresión del ataque

siguiendo un frente dedegradación donde el

espesor tiende a aumentar

con el curso del tiempo

PROGRESO DE LA AGRESIÓN

Ca(OH)2

C3A

SO4-2

yeso

etringita

8º.- destrucción más o

menos completa delhormigón

La resistencia química del hormigón crece con la dosificación del cemento,

es decir crece con la compacidad del hormigóngeneralmente acompañada de una reducción de la relación a/c.

3. Parámetros que condicionan la durabilidad del hormigón en un medio con sulfatos

la velocidad de degradación

es prácticamente proporcional al porcentaje

de C3A del cemento

Portland, hasta contenidos

de alrededor del 10%+R

+ Velocidad

Iones sulfato + aluminatos de calcio hidratados del clinker → saldoble trisulfato de calcio – aluminato tricálcico

Ettrignita (sal de Candlot),“el bacilo del concreto” .

Aumento aprox. 250% volumen, cristalizar fisuras, expansiones,descascaramientos y destrucción hormigón .

Sulfatos mas peligrosos: amónicos, cálcicos, magnésicos, ysódicos

Menos peligrosos sulfato potásico, cúprico y alumínico

Inofensivos: sulfatos bárico y de plomo (insolubles) .

Formación tardía de etringita Delayed ettringite formation (orsecondary) (DEF)

Es un caso de ataque interno por sulfatos.

Ocurre en concreto curado a temperaturas elevadas. Debido al calor, se suprime la formación normal de etringita o la etringita inicial se disuelve.

Eventualmente, el sulfato reacciona con las fases que contienen calcio- yaluminio y la pasta de cemento se expande. (Bajo condiciones normalesla etringita que se forma antes del fraguado no causa esfuerzos)

Originalmente se identifico en traviesas para ferrovías curadas al vapor.También puede ocurrir en grandes volúmenes de concreto donde el calorde hidratación da como resultado altas temperaturas al interior delconcreto.

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La resistencia del concreto al ataque por sulfatos se puede mejorar:

Usando Cementos con bajos contenidos de AC3

› Moderada resistencia a los sulfatos (Tipo II)

› Alta resistencia a los sulfatos (Tipo V)

› Uso de bajas relaciones a/c (para reducir permeabilidad

› Uso de adiciones

CH en la pasta hidratada reacciona para formar CaCO3 insoluble y bicarbonato insoluble:

Mas rápido a 50-80% HR

Solamente con recubrimientos muy delgados o de baja calidad.

Inclusión de CO2 atmosférico en el concreto.Altas relaciones a/c - curado insuficiente.

Portlandita (CH) transforma en carbonato de calcio:

CO2 reacciona con álcalis (hidróxidos de Calcio, Sodio y Potasio), enpresencia de humedad los neutraliza formando carbonatos, disminuye PHbajo 10 despasiva y corroe acero

Se pueden sellar los poros por carbonato (solamente a nivel superficial)reduciendo permeabilidad incrementando resistencia capacarbonatada

Al continuar hacia interior aumenta porosidad y permeabilidad portransformación de carbonatos en bicarbonatos y su posterior disolución.

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3

Dióxido de Carbono (CO2) del ambiente se difunde en elconcreto y se disuelve en la solución de poros de la pastacementante, produciendo iones CO32-, que reaccionan con Ca2+para producir calcita (CaCO3):

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O Si el concreto esta muy seco, (HR <40%) CO2 no se disuelve y no

ocurre carbonatación. Si está muy húmedo (H >90%) CO2 nopuede entrar en el concreto y tampoco concreto no secarbonata. Las condiciones optimas ocurren a HR de 50% (rango40-90%).

Puede tener efectos positivos o negativos en la durabilidad del concreto: → La resistencia a la compresión del concreto carbonado puede

ser mayor que le sin carbonatar. → En las zonas carbonadas el pH del concreto cae a 8 o menos,

que es insuficiente para mantener la capa protectora en el acero de refuerzo → Fe-corrosión!

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Muchas soluciones ácidas pueden desintegrar rápida olentamente un concreto de cemento Portland dependiendo deltipo y concentración del ácido. la mayoría generalmenteatacan los componentes de calcio de la pasta de cemento,como algunos tipos de agregados.

pueden ser atacados los calcáreos que reaccionanrápidamente, los silíceos deben evitarse en presencia de altasconcentraciones de hidróxido de sodio ya que son altamentereactivos.

Ataque Acido

Acidos (pH < 7) tienen una acción de lavado similar a la del agua, pero mucho mas fuerte.

Los ácidos disuelven Ca(OH)2 de acuerdo a la reacción:2 HX + Ca(OH)2 -> CaX2 + 2H2O (X es el ion negativo del acido)

Acidos agresivos son: HCl, HNO3, H2SO4 muy dañino al concreto causando ataque acido y por sulfatos.

Ejemplos de otras soluciones corrosivas: sulfato de amonio, sulfato de sodio, sulfato de magnesio, nitrato de sodio, CaCl2, MgCl2, y NaCl.

Se puede identificar por dos características principales: - Ausencia/disminución de hidróxido de calcio en la pasta

cementante - Disolución superficial de pasta cementante exponiéndose

agregados

Concreto tiene la mejor resistencia al fuego delos materiales de construcción. Cuando seexpone al fuego no emite humos tóxicos,polución o se funde parcialmente.

Tiene una conductividad térmica relativamentebaja y es una buena protección para el acerofrente al fuego.

El fuego puede dar resultado a‘descascaramiento' del concreto (ruptura decapas o pedazos de la superficie del concreto),debido a (i) expansión de agregados, (ii) presiónde gas, o (ii) transiciones de fase.

Fvuego puede causar secado inicial extremo yretracciones y por esto agrietamientos.

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Concreto tiene resistencia al fuego superior comparada con la demuchos otros materiales para construcción :

Baja conductividad térmica (aislante) baja rata de penetración No produce humos tóxicos al quemarse El calor se consume , evaporando el

agua libre en la pasta y el agregado como vapor agrietando descascarando

T>600-800°C descompone productos de hidratación , las capas descompuestas tienen aun menos conductividad térmica proveyendo mayor protección.

Perdida de agua y descomposición causan perdida de resistencia ygrandes retracciones. Pero el núcleo, incluyendo el refuerzo, puedepermanecer relativamente intacto por varias horas.

La resistencia, E se pueden retener por algún periodo de tiempo.

Lixiviación en concreto principalmente involucra disolución de Ca(OH)2:

Ca(OH)2 → Ca++ + 2OH resulta en menor pH, que puede llevar a inestabilidad de C-S-H si se deja progresar hasta pH<9

Eflorescencia es la deposición de sales y sales carbonatadas en la superficie del concreto.

Sales mas comunes incluyen carbonatode sodio, carbonato de potasio, ycarbonato calcio.

Pastas con alto contenido de Ca(OH)2son mas susceptibles a lixiviación y eflorescencias.

Aguas suaves y bajas temperaturas son mas agresivas.