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Educación en las enseñanzas técnicas del S. XXI

PERSPECTIVAS GLOBALES SOBRE EL

DESEMPEÑO DEL HOMIGÓN

Ponce 22 y 23 de Enero de 2014

E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid Introducción a la durabilidad de hormigones

INTRODUCCIÓN A LA DURABILIDAD DE HORMIGONES

Amparo Moragues Terrades






• El ACI define la durabilidad del hormigón fabricado con cemento Pórtland, como” la habilidad para resistir el desgaste de las acciones atmosféricas, ataque químicos, abrasión o cualquier otra forma de deterioro. Por ende, las características de un hormigón durable son mantener su forma original, calidad y utilidad al ser expuesto al ambiente circundante por su vida útil.

• Para EHE “La durabilidad del hormigón es la capacidad de comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas o químicas agresivas y proteger, adecuadamente, las armaduras y demás elementos metálicos embebidos en el hormigón durante la vida de servicio de la estructura”.

•

2

Definición de Durabilidad






Estructura de Silicatos

3





E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid Introducción a la durabilidad de hormigones4

Caolinita Al2(SiO5)(OH)4

Cristales de caolinita (MEB)






DETERIORO POR CAUSAS FÍSICAS Mehta y Gerwick (1982)

DESGASTE SUPERFICIAL FISURACIÓN

ABRASIÓN

Pavimentos,

tráfico de

vehículos

EROSIÓN

Fluidos con

partículas

sólidas en

suspensión

CAVITACIÓN

CAMBIOS DE VOLUMEN

Gradientes de humedad y

temperatura (calor de

hidratación)

Sales en los poros

Cargas

TEMPERATURAS

EXTREMAS

Hielo

Fuego

PÉRDIDA DE MASAAUMENTO POROSIDAD y PERMEABILIDADDISMINUCIÓN RESISTENCIAS

Proceso de degradación: ataque físico






Estructura del Gel

Relación Ca/Si = 0.66






GEL CSH

HIDRATACIÓN

ALITA (C3S)

BELITA (C2S)

RESPONSABLE PROPIEDADES

MECÁNICAS DE RESISTENCIA

60% del volumen de la pasta

Fase sólida Matriz del Cemento Hidratada






Estructura del Gel

Estructura del C-S-H ( MIT)






Formación física de laminas de silicatos cálcicos hidratados

FELDMAN Y SEREDA (1968)

POROS DE

POWERS 1968

MUNICH 1985

Modelos del gel






Red Porosa






Red porosa






Red porosa

IUPAC P.Metha, 1986 S. Mindess, 2002EFECTO

Nombre Tamaño Nombre Tamaño Nombre Tamaño

Microporos < 2nm Espacio interpartícular entre láminas de CSH

1-3 nm

Microporos “intercapa”

>0.5nmRETRACCIÓN Y FLUENCIA

Microporos 0.5-2.5 nmRETRACCIÓN Y FLUENCIA

Mesoporos 2-50 nm

Capilares pequeños (gel)

2.5-10 nm RETRACCIÓN

Poros capilares (a/c baja)

10-50 nmCapilares medianos

10-50 nmRESISTENCIA, PERMEABILIDAD Y CONTRACCIÓN

Macroporos > 50 nmPoros capilares

3-50 µmCapilares grandes

50-10 µmRESISTENCIA Y PERMEABILIDAD

Aire atrapado 50 µm-1 mm Aire atrapado 0.1-1 mm RESISTENCIA






MICROESTRUCTURA

Matriz de cemento hidratada Áridos

• Fase sólida• Red porosa• Fase acuosa

• Zona de interfase árido-pasta hidratada de cemento

Matriz de cemento

hidratada






Peso Módulo de elasticidad Estabilidad dimensional del hormigón

Características físicas: Volumen Textura Forma Tamaño Distribución partículas PorosComposición

Áridos






Contenido significativamente alto de porosidad capilar (gran parte interconcectada) Mayor permeabilidad Bajo contenido de granos de cemento sin hidratar Alto contenido en portlandita, con orientación preferentemente paralela a la superficie de los agregados Elevado contenido en etringita

Menor resistencia y rigidez

Zona de transición árido-pasta






ZONA DEBIL MECÁNICAMENTE

EN LA INTERFASE CON LA

PASTA

PAPEL IMPORTANTE EN LA

REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI

Porosiad de esta zona mayor que en la pasta por la mayor

cantidad de agua acumulada causa de su menor resistencia

Zona de transición árido-pasta






Porosidad totalDistribución de tamaño de poroEstructura del poroGrado de conectividad entre poros

Succión capilarConvecciónDifusiónMigración

Composición química ymineralógica del cemento

Grado de hidrataciónInterfaz pasta-árido

Proceso de degradación: ataque químico

Proceso de degradación causado por agentes agresivos en el ambiente externo a la estructura que se transportan en solución hacia su interior y

reaccionan con algún constituyente de la pasta de cemento

POROSIDAD MECANISMOS CEMENTO






Intercambio iónico

Ataque por lixiviación

Formación de compuestos expansivos

Pérdida alcalinidad

Pérdida masa

Pérdida resistencia y rigidez

FisuraciónSaltaduras

Deformación

Aumentodel

proceso deterioro

Proceso de degradación: ataque químicoMehta (1986)






H2O ↔ H+ + OH-

Ca(OH)2 + 2H+ ↔ Ca2+ + 2 H2OC-S-H + 6H+ ↔ 3Ca2+ + 2(SiO2. nH2O) + 6 H2O

Aguas con productos orgánicos en descomposiciciónAguas con contenidos en pirita (sulfuro de hierro)Aguas con sulfurosAguas con contenido óxidos de azufre (SO3 )(lluvia ácida)Aguas con contenido disuelto de CO2

Ataque químico. Tipos de ataqueAtaque ácido






Esquema de ataque ácido en la

pasta de cemento

Formación de sales solubles

Reducción alcalinidad

pH =3

Pérdida resistencia

EflorescenciasDisolución pastaDesprendimiento de masa de hormigón

Ataque químico. Tipos de ataque






Estabilidad de los distintos compuestos






Eflorescencias

Sales de calcio cristalizadas en superficie (evaporación o carbonatación)

Descomposición (hidrolizan)los productos hidratados

Ataque de la matriz cementicia por disolución progresiva

El agua, debilmente mineralizada, reacciona con los iones Ca2+ y

destruye progresivamente el hormigón

Ataque ácido: lixiviación de compuestos cálcicos

Ataque de Agua (H2O)






Aguas residuales Bacterias

FermentaciónSH2 (sulfuro hidrógeno)+CH4 (metano)

Carbonatos +SO4Ca (sulfato cálcico)

pH

Superficie hormigón

+ CO2 O2 H2O

Ataque por ácido en desagües






Carbonatos +SO4Ca (sulfato cálcico)

Ataque por ácido en desagües






32322 HCOHHCOOHCO

23322 )(HCOCaCaCOOHCO

Exceso de CO2(agresivo)

Aguas blandasAguas duras

Sales disueltas en Agua

EQUILIBRIO

Aumento porosidad ypermeabilidad

Ataque superficieLAVADO

Ataque por intercambio iónico






Ataque por ácido carbónico






Cloruros, sulfatos y bicarbonatos se encuentran en agua de mar, industriales y subterráneas. El ataque depende del anión:

Poca concentración de Mg Cierra porosMg(OH)2 Brucita

Mucha concentración de Mg

SO4Mg

Cl2Mg

Ca(OH)2 + Cl2Mg Mg(OH)2 + Cl2Ca

Formación compuestos expansivos

Aumento porosidad y conectividad

Lixiviación y bajada de pH

Ataque por disoluciones con magnesio






Terrenos con yeso Sulfatos alcalinos

• Sulfato sódico• Sulfato potásico• Sulfato de magnesio

Sulfato de aluminio Sulfato de amonio

Ataque por disoluciones con sulfato






Solo ocurre cuando el agua transporta los iones SO4

2- en solución dentro del hormigón

Formación de ettringita Formación de yeso Formación de thaumasita Formación de brucita, yeso y descomposicióndel gel de sílice C-S-H Cristalización de sales

Mecanismos de ataque







C3ACaSO4.18H2O + 2NaSO4 + 2Ca(OH)2 + 12 H2O

C3A.3(CaSO4).32H2O + 4NaOH-

Monosulfoaluminato (AFm) Portlandita

Ettringita expansiva (AFt)

Fisuración progresivaAumento porosidad Disminución resistencia

Formación de ettringita







Expansiónde ettringita y yeso

Desintegración pasta de cemento

Ettringita secundaria fuertemente

comprimida en la interfase (x2000)Ettringita primaria






• Reacción intercambio iónico• Soluciones concentradas (> 1000 mg/l)• Cristalización en los poros y en la interfase pasta-agregado

2NaSO4 + 2Ca(OH)2 + H2O CaSO4.2H2O + 2Na+ + 2(OH)-

Portandita Yeso

Descalcificación gel C-S-H

Disminuciónde resistencia

Ataque por formación de yeso






Esquema del ataque por sulfato sódico

sobre pasta de cemento

Formación de ettringita

Formación de yeso






Ataque de sulfato de magnesio

Concentración bajaMgSO4 < 0.48%

Concentración media 0.48%< MgSO4 < 0.75%

Concentración alta MgSO4 > 0.75%

Formación ettringita

Formación ettringita y yeso

Descalcificación del gel C-S-H






Proceso de ataque Proceso de ataque

Brucita

Mg2+

SO42-

(OH)-

(OH)-Mg2+

SO42-

(OH)-

Ca2+

Doble capa superf.

Brucita Yeso

(OH)-

Ca2+

Incremento de la hidratación y disolución del Ca(OH)2

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

a b

a) Difusión OH hacia fuera y SO4-2 hacia dentro pasta. Brucita en superficie

b) Disociación CH y aceleración hidratación de silicatos de calcio (Ca2+ y(OH)- ). Formación capa de yeso







(OH)-

Descalcificación CSH

Mg2+

SO42-

Ca2+

Ca2+

SO42-

SO42-

Ca2+

(OH)-

SO42-

Difusión de iones OH desde el poro a la solución

Disolución parcial de CH

C-S-H + xMgSO4 + H2O xMg(OH)2 + xCaSO4.2H2O + nSiO2.H2O

c) Descalcificación del C-S-H y formación continua de capas de yesod) Disociación parcial CH en zona interior y estabilidad de la

microestructura por supresión de la difusión como resultado del crecimiento de la doble capa

d







Formación de thaumasita CaSiO3CaSO4CaCO315H2O

Hormigón o mortero con agregados con carbonatos o expuestos a CO2

Acción conjunta de iones sulfatos y carbonatos• iones sulfato + portlandita yeso• iones carbonato + gel C-S-H descomposición C-S-H SiO2• SiO2 + iones sulfato thaumasita

Contribuye•Humedad elevada•Bajas temperaturas

ME

CA

NIS

MO

Solubilidad thaumasita TemperaturaSolubilidad CO2 Temperatura






Formación de thaumasita






Se necesitan solo iones: carbonato, sulfato, silicato y calcio

Formación de thaumasita






Daños por formación de thaumasita

Imágenes cedidas IETcc.






Imágenes cedidas IETcc.

Daños por formación de thaumasita






Ataque de sulfato






Reducción permeabilidad

Reducción C3A

Uso de adiciones activas

Baja relación a/cAlto contenido en cementoCorrecto compactadoCurado prolongado

Cenizas volantes de bajo calcioEscorias de alto hornoPuzolanas naturalesHumo de sílice

Cementos con características adicionales SR

Recomendaciones frente al ataque por sulfatos






• El ACI define la durabilidad del hormigón fabricado con cemento Pórtland, como” la habilidad para resistir el desgaste de las acciones atmosféricas, ataque químicos, abrasión o cualquier otra forma de deterioro. Por ende, las características de un hormigón durable son mantener su forma original, calidad y utilidad al ser expuesto al ambiente circundante por su vida útil.

• Para EHE “La durabilidad del hormigón es la capacidad de comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas o químicas agresivas y proteger, adecuadamente, las armaduras y demás elementos metálicos embebidos en el hormigón durante la vida de servicio de la estructura”.

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Definición de Durabilidad






Proteger el acero






Potencial del acero






Pila de corrosión






Desencadenantes






Penetración gaseosa de contaminantes: Carbonatación






ATAQUE POR PICADURAS

v <2µm/añodespreciable

Cloruros:picadura






Cambios en los cristales de portlandita






Cambios en los

cristales de portlandita

(a) Sin NS

(b) 3% NS

(c) 3% SF

Y.Qing, Z.Zenan, K.Deyu,C.Rongshen. Cons. Build.

Mater. 21 (2007) 539-545






Árido

Pasta

CH sobre el árido perdiendo su formaCristalina por el ataque de NS





E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid Introducción a la durabilidad de hormigonesCH ≈ 1.3 µm

Reducción de cristales por velocidad de hidratación






500 nm

CH ≈ 550 nm

Reducción de cristales por velocidad de hidratación






Cambios en los cristales de Ettringita






Cambios en los cristales de

Ettringita






Cambios en los cristales de

Ettringita

4NCV-7D






M-4NCV-28D

M-4FCV-28D

CH≈ 1µm

Desaparición de agujas de AFt






Agujas de AFt

≈ 200 nm






Resultados de ensayos mecánicos






Resultados de ensayos de durabilidad

0

50

100

150

200

CO

NT

RO

L

SF

-3

SF

-6

SF

-10

nS

-3

nS

-6

SF

-3/n

S-3

SF

-3/n

S-6

SF

-6/n

S-3

18,5

30,8

41,4

146,5

22,6

41,4

58,4

109,7

146,5

Resis

tivit

y (

K

.cm

)

Concrete Mix

0

2

4

6

8

10

12

CO

NT

RO

L

SF

-3

SF

-6

SF

-10

nS

-3

nS

-6

SF

-3/n

S-3

SF

-3/n

S-6

SF

-6/n

S-3

9,30

4,604,08

1,92

6,44

2,612,17

1,00

2,01

Dn

ss

m (

10

-12 m

2/s

)

Concrete Mix

0

10

20

30

40

50

60

70

80

CO

NT

RO

L

SF

-3

SF

-6

SF

-10

nS

-3

nS

-6

SF

-3/n

S-3

SF

-3/n

S-6

SF

-6/n

S-3

67

41

20

11

2018

22

7

12

Ma

x w

ate

r p

en

etr

ati

on

dep

th (

mm

)Concrete Mix






Energía de Fractura






Ensayo de vértice






Ensayos de dureza y Los Ángeles






Ciclos hielo/ deshielo y ensayos de

degradación






Carbonatación






Resultados de ensayos mecánicos

Series1

Series30

50

100

150

200

1 2 3 4

Resistencia a compresión de rocas y morteros a

distintas edades

050

100150200250300350400450

1 2 3Muestras ensayadas

Limites de dureza en morteros y rocas

Series1Series20

5

10

15

20

1 2 3

Resultado del ensayo de los

angeles

Muestars de morteros y rocas ensayadas

Comparativa del ensayo de los angeles para morteros

y rocas

Series1Series20

20

40

60

80

100

1 2 3

Energia de Fractura N/m

Morteos y rocas ensayados

Energia de fractura de morteros y rocas






MUCHAS GRACIAS

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