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TÓPICO: Patologías de las construcciones

“Estudio del deterioro acelerado del hormigón en las plantas

potabilizadoras Dégremont de la provincia de Camagüey, Cuba.”

Ing. Isabel Hilarión Agüero1,a , Dra. Ileana Cadenas Freixas2,b

1Empresa de investigaciones y proyectos hidráulicos (E. I. P. H.), INRH. Camagüey, Cuba

2Facultad de Construcciones, Universidad de Camagüey, Cuba

a [email protected], b [email protected]

Palabras-clave: patología en obras hidráulicas, deterioros en plantas potabilizadoras, ,patología de plantas de tratamiento,deterioro del hormigón

Resumen. La investigación se realizó en las plantas potabilizadoras de tecnología Degremont, de la provincia de Camagüey, destinadas al abasto de agua de la población. Sobre las estructuras de hormigón, actúan factores o combinaciones de factores que aceleran el proceso de deterioro, al ser identificados se podrá actuar sobre los mismos con soluciones o acciones, logrando una mayor durabilidad. Con el objetivo general de definir las causas y proponer acciones a seguir se cumplieron las siguientes etapas: • Evaluación de las condiciones de explotación de la planta, donde se analiza la

influencia del proceso tecnológico y las características físicas químicas del agua. • Evaluación del diseño y construcción de la estructura. • Levantamiento de deterioros. • Elaboración de la ficha técnica que refleja las características del elemento en cuanto

a diseño, construcción, ubicación, condiciones de servicio, agresividad química del ambiente, tipo de lesión y diagnóstico.

• Propuesta de herramientas que permitan realizar acciones, tales como: • Recomendaciones de diseño, construcción y mantenimiento. • Metodología de diagnóstico y actuación. • Guía para el diagnóstico en obras similares. A partir de la ficha técnica elaborada que considera las diferentes etapas del proceso de potabilización y su influencia en la agresividad del ambiente, se realizó el levantamiento de deterioros que brinda como resultado los factores de mayor incidencia, los deterioros más significativos, los elementos y objetos de obra más afectados, la evaluación de los daños, las causas y sus orígenes. Al definir las causas o combinaciones, se proponen soluciones tanto de diseño, construcción, mantenimiento y reparación que garantizan una explotación económica de los recursos financieros del país y del agua, ya que como consecuencia de las pérdidas es necesario consumir mayor energía eléctrica para el bombeo y productos químicos destinados al tratamiento.


Introducción Como parte de las acciones desarrolladas en los últimos años en función de mejorar el servicio de abasto y calidad del agua, se encuentra el interés por aumentar los niveles de potabilidad destinados al consumo de la población, alcanzando ya en el 2007 un promedio del 95% cuando en el año 2000 era solo del 68%, además como parte de la preparación de futuras inversiones se han ejecutado en investigaciones y proyectos en los últimos años 8 millones de pesos asociados a la actividad de abasto y calidad del agua. A pesar de los logros alcanzados en cuanto al desarrollo de la actividad hidráulica, existen dificultades que afectan el abasto de agua a la población y la economía del país, entre los que se encuentran niveles importantes de pérdidas de agua tanto en conductoras como en el interior de los inmuebles estatales y residenciales. Las obras hidráulicas en general, son obras de alto costo de construcción, debido a las cantidades considerables de movimiento de tierra, grandes volúmenes de hormigón armado y complejidad constructiva, de lo que resulta evidente que para este tipo de obra es más económico realizar mantenimientos o reparación antes de construir una nueva. Dentro de las obras hidráulicas existentes en la provincia con gran complejidad constructiva y grandes volúmenes de hormigón armado, se pueden mencionar las Plantas Potabilizadoras de agua, en las que se manifiesta en la actualidad una situación problemática que afecta el proceso de tratamiento ya que se hace cada vez mayor la pérdida de volúmenes de agua tratada a través de las diferentes etapas del proceso. Estas pérdidas se deben fundamentalmente al aumento progresivo de las filtraciones a causa del deterioro acelerado que aparece en los elementos de hormigón. Actualmente en las plantas potabilizadoras de tecnología Degremont, destinadas al abasto de agua de la población de la provincia de Camagüey, se pierde a través del canal de drenaje del lavado de los filtros un gasto considerable a consecuencia de las filtraciones existentes. Estas obras pueden dejar de cumplir las funciones para las cuales fueron concebidas de seguir avanzando el estado de deterioro actual u ocasionar gastos excesivos o inesperados de mantenimiento y reparación. Se hace necesario desarrollar una investigación con el propósito de encontrar las posibles soluciones y acciones a ejecutar para disminuir o evitar el deterioro acelerado del hormigón ya que los gastos de agua a bombear para el consumo de la población en las Plantas Potabilizadoras de agua se hacen mayores a los necesarios para poder suplir las pérdidas ocasionadas por las filtraciones. Como consecuencia, se afecta la economía del país al tener que consumir mayor energía eléctrica para el bombeo y más productos químicos destinados al tratamiento del agua como el Cloro gas y el Sulfato de Aluminio. El estudio permitirá proponer soluciones con el propósito de retardar la aparición o el avance de estas patologías, evitando así los gastos excesivos e inesperados y la interrupción de la distribución de agua potable a la población.


El trabajo se desarrolla con el objetivo general de definir las causas que influyen en la aparición acelerada de los deterioros en las estructuras de hormigón de las Plantas Potabilizadoras destinadas al abasto de agua de la provincia de Camagüey y proponer acciones a seguir. La profundización de los aspectos relacionados con la durabilidad del hormigón y el estudio de las patologías que se observan en obras construidas con este material son problemas que actualmente acaparan la atención de muchos investigadores. Se conocen referencias de numerosos trabajos cuyo objeto de estudio son las edificaciones, carreteras, puentes y obras hidráulicas en general, sin embargo la situación no es la misma cuando se analizan los trabajos que se refieren a obras hidráulicas con las condiciones del territorio cubano y en particular las Plantas Potabilizadoras. Desarrollo Las plantas potabilizadoras de tecnología Degremont de la provincia de Camagüey ocupan un área que varía entre 5000 y 20000 m2, dentro de la cual se encuentran distribuidos 7 objetos de obra que intervienen en los diferentes procesos. Estos objetos de obra son: Edificio de reactivos, Cámara de llegada, Decantadores, Filtros, Galería de sifones, Cisterna y Casa de bombas. El edificio de reactivos es el local donde se almacenan los productos químicos que se emplearán posteriormente en el proceso de potabilización y además se encuentran las oficinas. La estructura consiste en una nave industrial de forma regular, conformada por muros de bloques, columnas de 35x35 cm, cimiento aislado de base 1,6x1,6 m, vigas de sección variable y techo con losas cajón. Se indicó un hormigón con resistencia de 210 kg./cm2 y acero 4000 kg/cm2, con recubrimiento mínimo de 2 cm. En la cámara de llegada se recibe el agua proveniente de las presas. A esta agua se le llama agua cruda ya que no cuenta con ninguno de los agregados químicos. En esta cámara, aprovechando la velocidad que se desarrolla, se le añade al agua el cloro gas y el sulfato de alúmina, para lograr un mejor mezclado. Dentro de ella se encuentran los partidores que se encargan de distribuir equitativamente el agua a los decantadores. El hormigón indicado en dicha cámara es de 170 kg/cm2 de resistencia y el acero 4000 kg/cm2. En los decantadores se clarifica el agua ya que es donde se sedimentan los flóculos que se forman debido a los químicos agregados. Para la sedimentación es necesaria la pasividad del agua, lo que se logra con la campana de vacío. El hormigón indicado en esta área alcanza una resistencia de 210 kg/cm2 y el acero 4000 kg/cm2. Construida con paneles prefabricados y juntas fundidas con hormigón expansivo. En los filtros se eliminan las partículas que logran pasar por los decantadores debido a su diámetro. Los materiales que se emplean para la filtración son las arenas, la antracita, el carbón activado granular y los lechos mixtos formados por arena y carbón activado. El hormigón indicado en ésta área posee una resistencia de 210 kg/cm2 y el acero 4000 kg/cm2.


Al salir de los filtros el agua se dirige hacia la sala de sifones a través de canales de hormigón de sección 1x1,5 m, los cuales se analizarán detalladamente, ya que se consideran relevantes para la investigación por su grado de deterioro. El hormigón indicado en esta área posee resistencia de 210 kg/cm2. En la galería de sifones se dan los últimos tratamientos al agua con el fin de desinfectarla, eliminado así todos los elementos patógenos que en ella se puedan encontrar y en la cisterna se almacena el agua potable para luego distribuirla a la población.

En los laboratorios de las plantas potabilizadoras se realizan diariamente ensayos al agua con el objetivo de conocer su calidad y poder trabajar u operar en cuanto al suministro de productos químicos a través del proceso tecnológico para mantener los parámetros establecidos por las normas. Éstas establecen las concentraciones de microorganismos y sustancias máximas permisibles que puedan estar presentes en el agua, sin que afecte la salud del hombre. Las pruebas realizadas son: Turbidez, PH, Alcalinidad, Cloro residual, Prueba de estabilidad, Prueba de Jarra y Color. Durante los procesos de clarificación del agua, que comprenden la coagulación, floculación y sedimentación, se añaden distintas sustancias químicas, que tienen distintas funciones fundamentales en función del grado de turbidez que posea el agua a la entrada. Entre los coagulantes metálicos más utilizados, el sulfato de alúmina Al2(SO4)3, debido a su bajo costo y manipulación relativamente simple, es el que se prefiere regularmente para las plantas de potabilización. El sulfato de alúmina se suministra al agua en el proceso mediante dos métodos básicos, por la mal llamada vía seca y por la vía húmeda. En ambos casos el sulfato de alúmina se disuelve en el agua, enriqueciéndose así el contenido del ión sulfato presente en la misma, aumentando su potencial agresivo al hormigón, Ec.1, Al2(SO4)3 + 6H2O 2Al(OH)30 + 3H2SO4 (1) Por otra parte, en el proceso de desinfección se utilizan frecuentemente otros compuestos químicos: derivados clorados (como el cloro, cloraminas y dióxido de cloro) y el ozono. El cloro se suministra al agua en dos formas fundamentales, como cloro gaseoso o como hipoclorito de sodio, siendo la primera la más usada. En Cuba y en particular en las plantas analizadas en el presente trabajo, dada la buena capacidad desinfectante, la estabilidad en solución acuosa y por su relativo bajo costo, es el cloro gaseoso uno de los productos que se utiliza con este propósito. Cuando el cloro gaseoso se suministra al agua, ocurre la reacción química, Ec.2, Cl2(g) + H2O HCl + HClO (2) Es así, que en toda la zona donde se realiza la actividad de aplicación del cloro gaseoso, sea en la primera o en la segunda fase de cloración, el ambiente se torna muy agresivo, dado el incremento sustancial del contenido de ión cloruro (tanto en el agua como en el aire), lo cual es deletéreo al hormigón, propiciando particularmente la


corrosión del acero de refuerzo. Debe tenerse en cuenta que la presencia de cloro libre en concentración de 0,3 mg/l o más, es un indicador de agua segura, pero que necesita ser certificado con una prueba bacteriológica, lo cual da una idea de su posible presencia en las aguas en contacto con el hormigón. El Comité ACI 201 [1] plantea que generalmente el hormigón no es atacado por sustancias químicas secas y sólidas, para deteriorarlo las sustancias químicas deben estar en solución y sobrepasar un determinado mínimo de concentración. El PH muestra la concentración de componentes ácidos en solución que están en contacto directo con el hormigón. Por la influencia que tienen los productos químicos utilizados en la agresividad del ambiente al que está sometido el hormigón en contacto directo con el agua dentro de las plantas potabilizadoras, se decidió realizar un análisis general de los datos. Se determinó el valor medio, la desviación estándar, el valor máximo y mínimo en tres puntos donde se toman las muestras para los ensayos en el laboratorio: la entrada a la planta, los decantadores y la salida de la planta. Se utilizó como base un registro de datos de 3 años existente en ambos laboratorios, desde el año 2007 hasta el año 2009. En las Tabla 1 y Tabla 2, se muestra el resumen estadístico. Tabla 1 Resumen estadístico del PH del agua en contacto directo con el hormigón en las Plantas Potabilizadoras.

2007-2009 Datos PH (entrada) PH(decantadores) PH(salida) VM 7,21 6,80 6,92 DS 0,38 0,50 0,38

Máximo 11,60 9,99 9,93 Mínimo 5,76 5,05 5,35

Tabla 2 Resumen estadístico del contenido de agentes agresivos al hormigón en las Plantas Potabilizadoras.

Lugar/Estadígrafo CO3 (mg/L)

HCO3 (mg/L)

Cl (mg/L)

SO4 (mg/L)

Mg (mg/L)

Máximo 24 232 55 29 32 Mínimo 0 92 15,98 0 7 Media 4,14 153,80 30,94 9,29 22,58

Entrada

Desv. T. 6,30 32,13 9,71 7,37 6,16 Máximo 15 195 76 58 43 Mínimo 0 4,27 17,75 0 3,89 Media 2,38 135,40 38,02 12,09 23,32

Salida

Desv. T. 4,27 37,84 12,25 11,72 7,32 A partir de los resultados estadísticos se pudo establecer diferencias de agresividad dentro de la planta.


• La acidez es provocada principalmente por los componentes químicos utilizados en el tratamiento como el sulfato y el cloro gas, siendo la presencia del ión cloruro y el ión sulfato factores que desencadenan la corrosión de las armaduras.

• En las plantas los valores medios de PH obtenidos en la entrada son mayores que en los decantadores y en la salida, por lo tanto, la cámara de llegada está sometida a un ambiente menos ácido y menos agresivo desde el punto de vista de la corrosión del refuerzo que los demás objetos de obra.

• Los valores mas bajos de PH registrados fueron localizados en los decantadores, debido al flujo del proceso tecnológico a los filtros, estos valores mínimos son de 5,05.

• En las plantas potabilizadoras la zona de los decantadores y los filtros tiene la disociación del ácido hipocloroso entre un 0 y 20%, ya que los valores de PH medios registrados se encuentran de 6 a 7 y los valores de PH mínimos registrados de 5 a 6.

• El hormigón de estos objetos de obra están expuesto a un ambiente más agresivo ya que el HClO (ácido hipocloroso) presenta un mayor poder desinfectante que el ClO- (ión hipoclorito), atribuible a su poder oxidante fuerte y a su neutralidad eléctrica.

• Si se analizan individualmente las concentraciones de agentes agresivos al hormigón contenidos en el agua, no llegan a alcanzar los valores a partir de los cuales se puede correr riesgo de ataque químico al hormigón. Sin embargo, sí es de considerar que en las plantas potabilizadoras están presentes varios agentes agresivos en condiciones de PH de hasta 5,05 como valor mínimo registrado, por lo que se considera que la acción simultánea de estos factores genera un ambiente químicamente agresivo al hormigón.

El Comité ACI 201 [1], define la resistencia del hormigón a la abrasión como “la habilidad de una superficie para resistir el desgaste producido por fricción o frotamiento”. Esta definición muestra la importancia que tiene en un estudio patológico o en el diseño de un elemento dentro de la planta, conocer las zonas más expuestas al desgaste provocado por la circulación del agua. En la Tabla 3, se resumen las velocidades obtenidas en cada objeto de obra dentro de las plantas potabilizadoras. Tabla 3 Velocidad del agua dentro de la planta.

Objeto de obra Velocidad (m/s)

Cámara de llegada 0,022 Decantadores 0,017m/s Canales salida de decantadores 0,6m/s Canal decantadores filtros 0,6m/s Filtros 0,0001m/s Canal de unión filtros sifones 0,813m/s Unión canales de drenaje del lavado de los filtros:

2,51m/s

Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected] Figura 1. Deformación del elemento Canal.

Combinación de carga total

Sección transversal.

Canal 3D.

Canal de drenaje del lavado de los filtros

0,95m/s

Canal principal hasta la cisterna 0,38m/s Después de analizar los datos anteriores se puede concluir:

• Los objetos de obra donde el agua circula con mayor velocidad son los canales, los cuales tienen la función de llevar o distribuir el agua hacia los diferentes puntos dentro de la planta.

• Las mayores velocidades se desarrollan en el canal de drenaje de los filtros y en los canales de unión filtros sifones, por lo tanto éstas son las zonas más vulnerables al desgaste del hormigón por fricción.

Como los canales son objetos de obra que trabajan bajo condiciones desfavorables, desde el punto de vista de la velocidad y composición química del agua en contacto con el hormigón se decidió modelar la estructura para evaluar cualitativa y cuantitativamente los estados tenso deformacionales de la pared de la canal usada en los decantadores y comprobar el daño estructural al considerar las cargas actuantes y sus combinaciones. Se modela la estructura en tres dimensiones con el empleo del programa profesional SAP 2000 [2]. La canal está constituida por una sección transversal de 0,9 m de ancho, una altura de 1,05 m y de longitud 4,80 m, con espesores de pared y fondo de 0,15 m. La geometría de la canal se modela con elementos tipo sólidos para el análisis en 3D, que son cuadriláteros de 6 caras y 8 nudos ubicados en las esquinas de las caras. En las Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 y Fig. 4, se muestran los resultados gráficos obtenidos del programa SAP 2000 los cuales permitieron establecer las conclusiones de la etapa correspondiente a la modelación estructural.

Figura 2. Distribución de la Tensión σx(S11). Combinación de carga total. Valor min.: -6013.127 kN/m2 Valor máx.: 8356.62 kN/m2

Sección transversal Canal 3D


En la Fig. 1, se presenta la deformación del elemento mediante la sección transversal ubicada en el centro de la luz, y un esquema en tres dimensiones para la combinación de la carga total y el estado de carga de temperatura respectivamente, donde se puede apreciar la forma que adoptan las paredes de la canal. Las paredes tienen un movimiento hacia adentro de la sección transversal, cuantificándose un valor máximo en la dirección horizontal de 6 mm, que desde el punto de vista cuantitativo no es significativo, pero desde el punto de vista cualitativo se puede llegar a considerar este efecto como un fenómeno de repeticiones sobre la base de la variaciones de las temperaturas en la zona de ubicación de la planta y durante los años de explotación. Esta situación crea condiciones para el envejecimiento acelerado y progresivo del hormigón armado de la canal e induce otros tipos de daños. La ubicación de los mayores valores de los desplazamientos horizontales está en los nudos del borde superior de las paredes. Resalta la importancia del estado de carga bajo el efecto de la variación de temperatura, que frecuentemente se obvia en el análisis y diseño estructural en la etapa de diseño de la obra. En las Fig. 2, 3 y 4, se presentan las solicitaciones internas de cálculo, sobre la base de las tensiones que se generan en la pared y fondo de la canal para la combinación de carga de explotación y se especifican los valores mínimos y máximos de cada uno. En una escala de colores se puede apreciar la distribución de estas variables, donde los colores que corresponden a valores negativos indican zonas de tracción y los valores positivos indican compresión. Se evidencian zonas de tracción importantes en las

Canal 3D Sección transversal

Figura 3. Distribución de la Tensión σy (S22). Combinación de carga total. Valor min.: -12492.59 kN/m2 Valor máx.: 3818.045 kN/m2

Figura 4. Distribución de la Tensión σz (S33). Combinación de carga total. Valor min.: -12492.59 kN/m2 Valor máx.: 3818.045 kN/m2

Canal 3D Sección transversal


paredes de la canal, que constituyen una causa que favorece la aparición de fisuras que no se corresponden con daños por corrosión del acero de refuerzo. Por la necesidad de contar a la hora de realizar la inspección detallada, con una herramienta que sea capaz de reflejar los factores que inciden directamente sobre las estructuras de hormigón en contacto directo con el agua dentro de las plantas potabilizadoras de tecnología Degremont, se diseñó una ficha técnica capaz de cumplir con los siguientes objetivos: • Valorar la influencia de los factores constructivos y tecnológicos en la aparición de

los deterioros de las estructuras de hormigón en contacto directo con el agua dentro de las plantas potabilizadoras.

• Cuantificar la magnitud de cada tipo de deterioro. • Caracterizar las lesiones más comunes en cada objeto de obra y en las plantas

potabilizadoras de tecnología Degremont. • Determinar a partir de los resultados las zonas críticas en cuanto al fallo estructural

y tecnológico. • Determinar las causas preliminares de cada síntoma estudiado para posteriormente

actuar sobre ellas tomando las medidas preventivas y evitar la aparición acelerada del deterioro del hormigón.

• Seleccionar las zonas en las que se necesita realizar ensayos, mediciones, cálculos y la técnica apropiada para cada caso.

• Reflejar el estudio patológico de una obra en diferentes etapas de su vida útil y así poder sistematizar la información para mostrar y analizar la evolución del proceso patológico en general.

Para la Clasificación de los fenómenos patológicos se tomó como base el análisis realizado en el Manual de Rehabilitación de Estructuras de hormigón. CYTED [3], ya que al ser una clasificación basada en el origen de la acción o acciones, permite al investigador comprender con facilidad, las causas del fenómeno o el camino a seguir para llegar a éstas. Se realizaron modificaciones con el objetivo de adaptar los problemas a las condiciones de trabajo específicas de los elementos investigados, éstas son: incorporación de la fisuración en depósitos y eliminar el análisis de la acción sísmica por no ser objetivo de la investigación [4,5]. El modelo de fenómenos patológicos propuesto por esta investigación es el siguiente:

1- Corrosión de armaduras. 2- Acción de los cambios de humedad y temperatura. 3- Acciones que generan desintegración en el hormigón. 4- Acción de las cargas exteriores. 5- Acciones inducidas. 6- Fallas típicas del proceso constructivo. 7- Fisuración en depósitos.

Partes que componen la ficha técnica: Nº: Se enumerarán las fichas técnicas de forma consecutiva y por objeto de obra.


Fecha: Es importante reflejar la fecha ya que se puede ubicar el tiempo en que se realizó el levantamiento de deterioros y permitir la confección de un expediente de la obra. Ubicación: Permite conocer de inmediato la planta potabilizadora, el objeto de obra y el elemento que se analiza. Diseño y Construcción: Como no se han realizado los ensayos y mediciones por estar en la etapa del diagnóstico del estudio patológico, se reflejarán los datos encontrados en la etapa de diseño; sólo prevalecerá el criterio constructivo si existen datos de la construcción de la obra o si a simple vista se puede determinar el cambio de alguna solución dada en el proyecto original. Condiciones de servicio y características del ambiente: Tiene como objetivo fundamental reflejar y unificar los factores que influyen en el deterioro del hormigón en cuanto al proceso tecnológico y características del agua en las diferentes etapas. Características de cada lesión: Tiene como objetivo clasificar los síntomas que aparecen en el hormigón, basados en el modelo de fenómenos patológicos propuesto para las plantas potabilizadoras, además de cuantificar el daño existente al reflejar su dimensión en dependencia de las características de la lesión. Valoración preliminar de las causas: Tiene como objetivo principal brindar una valoración preliminar de las causas que han provocado las lesiones en el hormigón basados en el modelo de fenómenos patológicos propuesto para las plantas potabilizadoras. Imagen: Muestra información visual del daño, con el objetivo de familiarizar al profesional con la imagen y brindarle una herramienta más para identificar éste con facilidad en trabajos posteriores. Posible solución: Tiene como objetivo orientar a los técnicos y especialistas sobre las posibles técnicas constructivas a utilizar en cada caso y poder hacer valoraciones económicas si fuera necesario. En la Tabla 4, se muestra el diseño de la ficha propuesta para la etapa de diagnóstico con todos los elementos que la componen.


Tabla 4. Ficha técnica propuesta No Fecha

Obra general

Objeto de obra

Ubicación

Elemento

Hormigón

Tipo de Cemento.

Acero

Recubrimiento

Diseño y Construcción

Solución constructiva

Función del objeto de obra.

Descripción del medio

Tipo de agua

Agentes químicos presentes

PH

Condiciones de servicio y Características del ambiente

Velocidad del agua

Imagen

Características de cada lesión

Síntomas

Dimensión:

Valoración preliminar de las causas


Posible solución

Al realizar el levantamiento detallado de las plantas potabilizadoras se confeccionaron las fichas técnicas correspondientes con el objetivo de contar con esta herramienta para los estudios del proceso patológico actual y posterior de las obras. En las Tablas 5, 6 y 7, se muestran algunos ejemplos: Tabla 5 Ficha técnica correspondiente a la fisuración de la canal principal de los decantadores. No Fecha 1 11/2009

Obra general Potabilizadora Amistad Cubano

Búlgara Objeto de obra Decantadores

Ubicación Elemento Canal principal Hormigón 210 kg/cm2

Tipo de Cemento. P-350 Acero 4000 kg/cm2 Recubrimiento -



Fundido in situ


Mantener el agua en estado pasivo para sedimentar los flóculos que se forman debido a los químicos agregados


En contacto con el agua

Tipo de agua Tratada Agentes químicos presentes

Sulfato de alúmina

Cloro gas PH

V.M. 6,80 Max. 9,99 Min. 5,05


Velocidad del agua

0,6m/s

Imagen



Síntomas

Fisuración

Dimensión: Ancho: 1-2mm


Se manifiestan fisuras, grietas y sistemas de estas. Se consideran como causas principales de la fisuración las tensiones de tracción provocadas por las repetidas variaciones de temperatura y humedad entre las distintas partes del elemento, así como una gran parte provocada por la retracción del hormigón.

Posible solución

Remover el hormigón fisurado y agrietado. Aplicación de puente de adherencia. Reconstrucción de la sección transversal del elemento con mortero de reparación. Aplicación de un impermeabilizante superficial que sea lo suficientemente flexible como para asimilar las variaciones de volumen.

Tabla 6 Ficha técnica correspondiente a las eflorescencias y estalactitas en la canal principal de los decantadores. No Fecha 2 11/2009

Obra general Potabilizadora Amistad Cubano

Búlgara Objeto de obra Decantadores

Ubicación Elemento Canal principal Hormigón 210 kg/cm2 Tipo de Cemento. P-350 Acero 4000 kg/cm2 Recubrimiento -



Fundido in situ


Mantener el agua en estado pasivo para sedimentar los flóculos que se forman debido a los químicos agregados


En contacto con el agua


Tipo de agua Tratada

Imagen



Sulfato de alúmina

Cloro gas PH

V.M. 6,80 Max. 9,99 Min. 5,05

Velocidad del agua

0,6m/s


Síntomas

Eflorescencias Estalactitas

Dimensión: 3.50 m²


Presencia de distintos tipos de deposiciones minerales extraídos del hormigón, principalmente de composición cálcica. Variada morfología y coloración de las formaciones superficiales. Presencia de micro-organismos de manera superficial.

Posible solución

Remoción de todas las formaciones salinas superficiales (estalactitas, mantos, etc.) que tengan escasa adherencia con el soporte. Limpieza de las superficies y aplicación de puente de adherencia. Aplicación de impermeabilizantes superficiales.

Tabla 7 Ficha técnica correspondiente a la desagregación del hormigón en las cubas dosificadoras. No Fecha 1

11/2009 Obra general Potabilizadora

Amistad Cubano Búlgara

Objeto de obra

Cubas dosificadoras

Ubicación

Elemento

Columnas para colocar rejillas

Hormigón

210 kg/cm2

Tipo de Cemento.

P-350

Acero

4000 kg/cm2

Recubrimiento

-


Solución Fundido in situ

Imagen


constructiva Función del objeto de obra.

Dosificar Sulfato de Aluminio


Agua en contacto con el hormigón

Tipo de agua Mezclada con sulfato de alúmina


Sulfato de alúmina

PH

4,3


Velocidad del agua

-


Síntomas

Desagregación del hormigón

Dimensión: 2.00 m2


Corrosión sulfática del hormigón. Los iones sulfato reaccionan con los compuestos de la pasta de cemento endurecida (particularmente hidro-aluminatos y portlandita), formando compuestos de carácter expansivo que deterioran al hormigón.

Posible solución

Remover todas las partes dañadas del hormigón, hasta llegar a zonas sanas. Limpieza de las superficies, aplicación de puente de adherencia. Reposición del las partes removidas con morteros de reparación (mortero a base de cemento Pórtland). Aplicación de impermeabilizante superficial.

A partir de la ficha técnica elaborada que considera las diferentes etapas del proceso de potabilización y su influencia en la agresividad del ambiente, se obtienen como resultados los factores de mayor incidencia, los deterioros más significativos, los elementos y objetos de obra más afectados, la evaluación de los daños, mecanismos, causas y sus orígenes. Estos resultados están reflejados en las Tablas 9 y 10, podrán ser utilizados como herramienta para el diagnóstico de los procesos patológicos en plantas potabilizadoras con tecnologías similares. Sobre la base de la información reflejada en la ficha técnica, se confeccionó un catálogo general de patologías típicas con información visual adicional para poder identificar con mayor rapidez los daños en las estructuras a estudiar, en la Tabla 8, se muestra un ejemplo de las patologías que conforman el catálogo general.


Tabla 8 Ejemplo de presentación de las patologías en el Catálogo general elaborado.

1. Patología: Corrosión del hormigón.

IMAGEN

Ubicación: Muro del registro de entrada para mezclado del sulfato de alúmina y cloración inicial.

Descripción y Diagnóstico: Los iones sulfato reaccionan con los compuestos de la pasta de cemento endurecida (particularmente hidro-aluminatos y portlandita), formando compuestos de carácter expansivo que deterioran al hormigón. El deterioro se complementa con la erosión superficial propia de un elemento de piso.

Soluciones: Remover todas las partes dañadas del hormigón, hasta llegar a zonas sanas. Limpieza de las superficies, aplicación de puente de adherencia. Reposición del las partes removidas con morteros de reparación (mortero a base de cemento Pórtland). Aplicación de impermeabilizante superficial.

Tabla 9 Patologías típicas del hormigón en plantas potabilizadoras Patología Descripción Desagregación del hormigón

Corrosión sulfática del hormigón. Los iones sulfato reaccionan con los compuestos de la pasta de cemento


endurecida (particularmente hidro-aluminatos y portlandita), formando compuestos de carácter expansivo que deterioran al hormigón.

Corrosión del hormigón Los iones sulfato reaccionan con los compuestos de la pasta de cemento endurecida (particularmente hidro-aluminatos y portlandita), formando compuestos de carácter expansivo que deterioran al hormigón. El deterioro se complementa con la erosión superficial propia de un elemento de piso.

Eflorescencias y Estalactitas

Presencia de distintos tipos de deposiciones minerales extraídos del hormigón, principalmente de composición cálcica. Variada morfología y coloración de las formaciones superficiales. Presencia de micro-organismos de manera superficial. Depósito de sales del hormigón que se cristalizan al evaporarse el agua que las transportó.

Manchas de óxido y Desconchado

Aparecen en la superficie del hormigón unas grietas a lo largo del refuerzo, el recubrimiento del hormigón se desprende y se evidencian manchas de herrumbre y óxido del acero. Corrosión en conductos pasantes, eflorescencias y manchas. En casos puntuales pueden originar vía de acceso del agua (fugas). Presencia de deposiciones salinas en la superficie de los muros de hormigón.

Fisuración y agrietamiento del hormigón

Se manifiestan fisuras, grietas y sistemas de estas. Se consideran como causas principales de la fisuración, las tensiones de tracción provocadas por las repetidas variaciones de temperatura y humedad entre las distintas partes del elemento, así como una gran parte provocada por la retracción del hormigón.

Manchas de humedad y Moho

Filtración por vías de acceso creadas por la descomposición química del hormigón y el posterior crecimiento de microorganismos.


Tabla 10 Mecanismos de deterioro del hormigón más frecuentes en plantas potabilizadoras. Mecanismos Descripción

Lixiviación por aguas blandas

El elevado poder disolvente que poseen las aguas blandas y medianamente blandas, que son características típicas de las aguas de embalses, son capaces de producir la lixiviación de los compuestos más o menos solubles que se encuentran en la pasta de cemento endurecida del hormigón, tales como los hidróxidos de calcio (portlandita), de sodio, potasio, etc., ocasionando daños de distinta envergadura en los elementos por donde circula el agua.

Corrosión sulfática

El ataque por sulfatos constituye uno de los mayores riesgos de agresión química al hormigón de cemento Pórtland y a otros materiales de construcción. Principalmente en estructuras expuestas a aguas selenitosas y suelos ricos en sulfatos, ocurre dicho fenómeno; pero también puede ocurrir en hormigones en contacto con aguas con elevado contenido de iones sulfato, independientemente de la fuente de origen de los mismos. El deterioro se produce por la formación de compuestos expansivos, como la etringita, yeso, etc.

Reacción álcali-sílice

La reacción álcali-sílice resulta de complejas reacciones químicas, que ocurren entre algunos tipos de áridos, los cuales contienen ciertos tipos de sílice reactiva (sílice amorfa o criptocristalina), y los álcalis del cemento, en presencia de humedad. Dichas reacciones están acompañadas de la formación de geles silico-calcáreos alcalinos, de menor densidad que los productos reaccionantes, y que como consecuencia se expanden y provocan deterioro en el hormigón. Se manifiesta un tipo particular de fisuración en una forma muy típica (llamada “en forma de mapa”), caracterizadas por trazas de humedad y exudación de gel.

Corrosión del acero de

refuerzo en el hormigón armado

La corrosión del acero de refuerzo en el hormigón armado es un fenómeno de naturaleza esencialmente electroquímica, que se desencadena cuando por distintas causas se destruye la película pasivante que espontáneamente se forma sobre las barras de refuerzo, cuando las mismas están embebidas en el ambiente alcalino que caracteriza al agua de poros que posee el hormigón de cemento Pórtland. Las causas que pueden


provocar el desencadenamiento de la corrosión bajo las condiciones antes descritas son variadas, pero dos de ellas son realmente las más frecuentes: la disminución de la elevada alcalinidad que se describió antes y/o la presencia de iones despasivantes como el cloruro, sulfuro, sulfato, etc. La esencia de la protección contra la corrosión del acero de refuerzo consiste entonces en garantizar la permanencia de la película protectora, o sea, evitar que en el hormigón, particularmente en la zona de recubrimiento, accedan iones despasivantes o agentes que sean capaces de provocar la disminución de los altos valores de pH.

Distribución de tensiones y deformaciones

Se presentan estados tensos - deformacionales, bajo la acción de los efectos de las cargas actuantes y de la temperatura, que generan zonas de tracción importantes, que constituyen una causa favorable para la aparición de fisuras que no se corresponden con daños por corrosión del acero de refuerzo y representan una vía rápida de acceso a los agentes agresivos.

Conclusiones 1- En el levantamiento se detectaron numerosos deterioros, los que inciden en el funcionamiento de la planta y originan grandes pérdidas de agua potable. Los deterioros más significativos son: Fisuración, Agrietamiento, Eflorescencias, Manchas de humedad, Manchas de óxido, Oquedades, Corrosión del acero de refuerzo, Estalactitas, desagregación, y desconchado del hormigón. 2- Dentro de los deterioros presentes en las plantas potabilizadoras inspeccionadas, las manchas de humedad, las eflorescencias, las estalactitas y algunas de las fisuras (como las dadas por retracción hidráulica), constituyen afectaciones leves pero son signos evidentes de utilizar un hormigón no adecuado para las condiciones de explotación y agresividad del ambiente. 3- Las fisuras, oquedades, corrosión del acero de refuerzo y el desconchado del hormigón constituyen afectaciones graves, ya que son la causa principal de la pérdida de los grandes volúmenes de agua y modifican en algunos casos las características estructurales de los elementos (como la reducción de la sección transversal de las columnas y muros de contención).


4- La ficha técnica elaborada constituye un aporte metodológico para la evaluación y control del estado patológico de la obra ya que brinda una herramienta al especialista para reflejar el estudio en diferentes etapas de la vida útil de la estructura y permite sistematizar la información para mostrar y analizar la evolución del proceso patológico en general. 5- Analizando el grupo de deterioros presentes en la obra en general y su incidencia en el proceso de explotación, los daños son evaluados de severos, pues aunque en la actualidad no se encuentra comprometida la estabilidad y resistencia de los elementos, se pronostica que pueden comprometer la estructura a mediano plazo.

6- Se puede apreciar que las características del agua es un factor importante en la aparición de estos deterioros, ya que la concentración de lesiones en el hormigón aparece en las zonas donde son utilizados los productos químicos para el tratamiento. La concentración de deterioros aumenta con la disminución del PH y en los elementos expuestos a las mayores velocidades de circulación del agua.

7- Si se analizan individualmente las concentraciones de agentes agresivos al hormigón contenidos en el agua, no llegan alcanzar los valores a partir de los cuales se puede correr riesgo de ataque químico al hormigón, sin embargo, en las plantas potabilizadoras existe la presencia de varios agentes agresivos en condiciones de PH de hasta 5,05 como valores mínimos registrados, por lo que se considera que la acción simultanea de estos factores genera un ambiente químicamente agresivo al hormigón. 8- En los canales de los decantadores y los filtros se presentan estados tenso - deformacionales, bajo la acción de los efectos de las cargas actuantes y de la temperatura, que generan zonas de tracción, que constituyen una causa para la aparición de fisuras que no se corresponden con daños por corrosión del acero de refuerzo y representan una vía rápida de acceso a los agentes agresivos.

9- Por ser los canales objetos de obra que trabajan bajo condiciones desfavorables desde el punto de vista de la velocidad, composición química del agua en contacto con el hormigón y estados tenso – deformacionales, es importante el estado de cargas a considerar para el análisis y diseño estructural, así como la solución de impermeabilización propuesta. Se deben utilizar materiales flexibles capaces de asimilar las deformaciones.

Recomendaciones:

1. Dada la importancia que reviste la obra estudiada, se recomienda continuar la investigación de la misma, sobre la base de cálculos y técnicas que complementen las teorías aquí presentadas.


2. Extender el estudio a otras obras similares con el objetivo de sistematizar y enriquecer las herramientas elaboradas para caracterizar los deterioros en Plantas con tecnologías similares para el tratamiento del agua.

Referencias [1] Comité (ACI-201) “Durabilidad del concreto”, nueva serie/IMCYC/20, México, D.F, 1989. [2] SAP2000: Computer Software for Structural and Earthquake Engineering. [3] Helene, P. y Pereire, F. Manual de Rehabilitación de Estructuras de Hormigón. Reparación, Refuerzo y Protección. CYTED. REHABILITAR, 2005. 586p. [4] Rincon, Gladis T. & others. Manual de Inspección, Evaluación y Diagnóstico de Corrosión en Estructuras de Hormigón Armado. Maracaibo: CYTED Red DURAR, 1997.205p. [5] Muñoz Hidalgo, Manuel. Diagnosis y Causas en Patología de la Edificación. Madrid, 1994. 517p.

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