UAP Clase 10

TECNOLOGÍA DEL CONCRETO

Capítulo VIIIDurabilidad del concreto

El ACI define durabilidad del concreto como la habilidad para resistir la acción del intemperismo, el ataque químico, abrasión, y cualquier otro proceso o condición de servicio de las estructuras, que produzcan deterioro del concreto.En este sentido, no existe un concreto “durable” por sí mismo, ya que las características físicas, químicas y resistentes que pudieran ser adecuadas para ciertas circunstancias, no necesariamente lo habilitan para seguir siendo “durable” bajo condiciones diferentes.


I. Congelamiento y descongelamiento II. Ambiente químicamente agresivoIII. AbrasiónIV. Corrosión de metales en el concretoV. Reacciones químicas en los agregados.

1. Factores que afectan la durabilidad del concreto


I. Congelamiento y descongelamiento

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


a) Efecto en la pasta de cemento

Existen dos teorías:1. “presión hidráulica”: considera que dependiendo del grado de saturación de los poros capilares y poros gel, la velocidad de congelamiento y la permeabilidad de la pasta, al congelarse el agua en los poros ésta aumenta de volumen y ejerce presión sobre el agua aún en estado líquido, ocasionando tensiones en la estructura resistente. Si estas tensiones superan los esfuerzos últimos de la pasta, se produce la rotura.


2. “Presión osmótica”: Considera que dependiendo del grado de saturación de los poros capilares y poros gel, la velocidad de congelamiento y la permeabilidad de la pasta, al congelarse el agua en los poros cambia la alcalinidad del agua aún en estado liquido, por lo que tiende a dirigirse hacia las zonas congeladas de alcalinidad menor para entrar en solución, lo que genera una presión osmótica del agua liquida sobre la sólida ocasionando presiones internas en la estructura resistente de la pasta y con consecuencias similares al caso anterior.

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


b) Efecto en los agregados

En los agregados existe evidencia de que por los tamaños mayores de los poros capilares se producen generalmente presiones hidráulicas y no osmóticas, con esfuerzos internos similares a los que ocurren en la pasta de cemento, existiendo indicios que el Tamaño máximo tiene influencia importante, estimándose que para cada tipo de material existe un TM por debajo del cual se puede producir el congelamiento confinado dentro del concreto sin daño interno en los agregados.Por otro lado, cuanto menor sea la capacidad del agregado para absorber agua, menor será el efecto del congelamiento interno de la misma.


c) Efecto entre la pasta y los agregados

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


1.2 Control de la durabilidad frente al congelamiento y deshielo

a) Aditivos incorporadores de aire.

El principio de los incorporadores de aire consiste en introducir una estructura adicional de vacíos no interconectados, que permitan asimilar los desplazamientos generados por el congelamiento eliminando las tensiones.Se ha establecido el denominado “Factor de espaciamiento” (e>0.2 mm) que representa la distancia máxima que debe existir entre las partículas de la pasta y los vacíos introducidos por el incorporador de aire para que sea realmente efectivo en cuanto a controlar el efecto del congelamiento y descongelamiento.


Categorías y clases de exposición – ACI 318

Categorías Severidad Clase Condición

F Congelamiento y deshielo

No es aplicable F0 Concreto no expuesto a ciclos de congelamiento y

deshielo

Moderada F1 Concreto expuesto a ciclos de congelamiento y deshielo y exposición ocasional a la humedad

Severa F2 Concreto expuesto a ciclos de congelamiento y deshielo en contacto continuo con la humedad

Muy severa F3Concreto expuesto a ciclos de congelamiento y deshielo que estará en contacto continuo con la humedad y expuesto a productos químicos descongelantes

Tabla 1


Tamaño máximo nominal del agregado (mm)

Contenido de aire, porcentaje

Exposición clase F1

Exposición clase F2 y F3

9.5 6.0 7.5

12.5 5.5 7.0

19.0 5.0 6.0

25.0 4.5 6.0

37.5 4.5 5.5

50.0 4.0 5.0

75.0 3.5 4.5

Contenido total de aire para concreto expuesto a ciclos de congelamiento y deshielo (ACI-318)

Tabla 2


b) CuradoPara un desarrollo normal de resistencia en el tiempo, el concreto debe curarse a temperatura adecuada mediante elementos aislantes que impidan que pierda calor y/o se evapore el agua, o se congele hasta que halla desarrollado al menos 35Kg/cm2.


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


c) Diseños de mezcla

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


II. Ambiente químicamente agresivo

El concreto es químicamente inalterable al ataque de agentes químicos que se hallan en estado sólido.Para que exista una posibilidad de agresión, el agente químico debe estar en solución en una cierta concentración y además tener la opción de ingresar en la estructura de la pasta durante un tiempo considerable.Este marco de referencia reduce las posibilidades de ataque químico externo al concreto, existiendo algunos factores generales que incrementan la posibilidad de deterioro como son: Las temperaturas elevadas, velocidades de flujo altas, mucha absorción y permeabilidad, el curado deficiente y los ciclos de humedecimiento y secado.


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

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


Efectos de compuestos químicos corrientes sobre el concreto.

a) Cloruros:

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


Tienen una acción insignificante sobre el concreto desde el punto de vista de la agresión química directa, pero es a través de su participación en el mecanismo de la corrosión de metales embebidos en el concreto, produciéndose compuestos de hierro que al expandirse rompen la estructura de la pasta y agregados.


b) Sulfatos:Los sulfatos que afectan la durabilidad se hallan usualmente en el suelo en contacto con el concreto, en solución en agua de lluvia, en aguas contaminadas por desechos industriales o por flujo en suelos agresivos. Por lo general son sulfatos de Sodio, Potasio, Calcio y Magnesio.El mecanismo de acción de los sulfatos considera dos tipos de reacción química:1. Combinación del sulfato con hidróxido de Calcio libre (Cal

hidratada) liberado durante la hidratación del cemento, formándose Sulfato de Calcio ( Yeso) de propiedades expansivas.


2. Combinación de Yeso con Aluminato Cálcico hidratado para formar Sulfoaluminato de Calcio (Etringita) también con características de aumento de volumen.


Control de la agresión química.

La manera mas directa consiste el evitar en construir en ambiente agresivo, no siempre siendo posible, por lo que como regla general se debe procurar alguna barrera que evite el contacto de los cloruros y sulfatos en solución con el concreto. Esta protección se realiza con pinturas bituminosas, a base de caucho o pinturas especialmente diseñadas para este tipo de agresión, pero resultan generalmente caras.Otra medida es crear drenajes adecuados entre el concreto estructural y el suelo agresivo que corten el flujo de la solución impidiendo contacto entre ambos ( rellenos granulares de TM no menor de 1” con granulometría abierta, que limitan la posibilidad de flujo por capilaridad entre el concreto y el material de relleno.


Independiente a lo anterior, es necesario que el diseño de mezcla considere una relación a/c baja de modo de reducir su permeabilidad, emplear agregados densos y utilizar cementos resistentes a los sulfatos como los tipo II, tipo V, tipo IP, tipo IPM o añadiendo específicamente puzolanas que al combinarse con la cal libre del cemento reducen la formación de yeso.La característica principal de los cementos resistentes a los sulfatos consiste en un bajo contenido de Aluminato Tricalcico (máximo entre 5 a 8%) lo que disminuye la formación de compuestos expansivos.


Categorías Severidad Clase Condición

Sulfatos solubles en agua (SO4)

en el suelo, % en pesoSulfato (SO4) disuelto en

agua, ppm

S Sulfato

No aplicable S0 SO4 < 0.10 SO4 < 150

Moderada S1 0.10 ≤ SO4 < 0.20 150 ≤ SO4 < 1500 agua marina

Severa S2 0.20 ≤ SO4 ≤ 2.00 1500 ≤ SO4 ≤ 10000

Muy severa S3 SO4 > 2.00 SO4 > 10000

P Requiere baja permeabilidad

No aplicable P0 En contacto con el agua donde no se requiere baja

permeabilidad.

Requerida P1 En contacto con el agua donde se requiere baja permeabilidad.

C Proteccion del

refuerzo para la corrosion

No aplicable C0 Concreto seco o protegido contra la humedad

Moderada C1 Concreto expuesto a la humedad, pero no a una fuente externa de cloruros.

Severa C2

Concreto expuesto a la humedad, y a una fuente externa de cloruros provenientes de productos químicos descongelantes, sal, agua salobre, agua de mar o salpicaduras del mismo origen.

Tabla 3


Tabla 4 Clase de exposición

Rel. a/mc máx.. f`c min. Mpa.

Requisitos minimos adicionales

Contenido de aire Limites en los cementantesF0 N/A 17 N/A N/AF1 0.45 31 Tabla 2 N/AF2 0.45 31 Tabla 2 N/AF3 0.45 31 Tabla 2 Tabla ACI 318

Tipo de material cementanteAditivo cloruro de calcio ASTM C 150 ASTM C 595 ASTM C 1157

S0 N/A 17 Sin restricción en el tipo

Sin restrccion en el tipo

Sin restrccion en el tipo Sin restrccion

S1 0.50 28 IIIP (MS), IS (<70)

(HS)MS Sin restrccion

S2 0.45 31 VIP (HS), IS (<70)

(HS)HS No se permite

S3 0.45 31V puzolanas o

escoria

IP (HS)y puzolanas o escoria o

IS(<70) (HS) y puzolanas o

escoria

HS y puzolanas o escoria No se permite

P0 N/A 17 NingunaP1 0.50 28 Ninguna

Contenido maximo de iones de cloruro (Cl-) soluble en agua en el concreto, porcentaje por peso de

cemento Requisitos relacionados

Concreto reforzado

Concreto pre esforzado

C0 N/A 17 1.00 0.06 NingunoC1 N/A 17 0.30 0.06C2 0.40 35 0.15 0.06 ACI - 318


III. Abrasión

Habilidad de una superficie de concreto a ser desgastada por roce o fricción.

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


En la mayoría de los casos, el desgaste por abrasión no ocasiona problemas estructurales, pero puede traer consecuencias en el comportamiento bajo condiciones de servicio o indirectamente propiciando el ataque de algún otro agente, siendo este último más evidente en el caso de estructuras hidráulicas.


Factores que afectan la resistencia a la abrasión del concreto.

El factor principal reside en que tan resistente es desde el punto de vista estructural o mecánico, la superficie expuesta al desgaste.Se han desarrollado varias maneras de medir el desgaste tanto a nivel de laboratorio como a escala natural, pero con resultados bastantes relativos, pues ninguna de ellas puede reproducir las condiciones reales de uso de estructuras, ni dar una medida absoluta en términos numéricos que pueda servir para comparar condiciones de uso o concretos similares, por lo que el mejor indicador es evaluar principalmente factores como la resistencia en compresión, las características de los agregados, el diseño de mezcla `la técnica constructiva y el curado.


Recomendaciones para el control de la Abrasión.

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

Por otro lado podemos decir que está demostrado que un elemento fundamental en el resultado final lo constituye la mano de obra y la técnica de acabado.


Cuando se realiza el acabado de un elemento de concreto sin permitir la exudación natural de la mezcla, la capa superficial se vuelve débil al concentrarse el agua exudada, incrementándose localmente la relación a/c.Se considera que en condiciones normales, el acabado debe ejecutarse alrededor de dos horas luego de la colocación del concreto y habiéndose eliminado el agua superficial.


La cantidad de energía que pone el operario en el proceso de acabado tiene relación directa con el grado de compactación de la superficie, habiéndose comprobado experimentalmente una gran diferencia cuando este trabajo se ejecuta con acabadoras mecánicas.


Otra precaución importante está constituida por la técnica de curado, pues de nada sirve tener materiales y un diseño de mezcla excelente si luego no propiciamos las condiciones para que se desarrolle la resistencia, y que son temperatura y humedad.El curado debe iniciarse inmediatamente después de concluido el acabado superficial, siendo recomendable mantenerlo no menos de 7 días.


Una técnica probada mundialmente que mejora notablemente la resistencia ala abrasión de las superficies de concreto, consiste en emplear el denominado “concreto fibroso”.


IV. Corrosión de metales en el concreto.

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


Como combatir la corrosión.

Los cloruros pueden estar dentro del concreto desde su colocación, si los agregados, el agua de mezcla o los aditivos ya los incluían, luego el primer paso consiste en evaluar los materiales del concreto para estimar si contribuirán a la corrosión, y de ser así existen alternativas en cuanto a cambiarlos por otros que no los contengan o en el caso de los agregados someterlos a lavado para reducir su concentración.La otra forma como se pueden introducir es entrando en solución por los poros capilares del concreto. Esto se verifica cuando el concreto està en exposición directa a agua con cloruros como el caso de estructuras marinas o en el aire con alta humedad relativa, y en muchos casos se va depositando sobre el concreto por la humedad ambiental y el viento que arrastra partículas de suelo contaminado, introduciéndose la solución cuando llueve.


Como se aprecia, para que se produzca el ingreso es necesario que el concreto sea lo suficientemente permeable para que los cloruros lleguen hasta donde se encuentra el acero de refuerzo, por lo que aplicamos las mismas recomendaciones que para la agresividad de los sulfatos, con la condición adicional de la importancia extrema del concreto de recubrimiento, que es la barrera principal para el ingreso.


V. Reacciones químicas en los agregados

Las reacciones químicas que se presentan en los agregados están constituidas por la llamada reacción Álcali – Sílice y la reacción Álcali – Carbonato.

Recomendaciones

Realizar ensayos químicos a los agregados y ensayos de reactividad con los diferentes tipos de cementos con los que se pueda contar en una determinada obra, además de recopilar información estadística sobre el uso anterior de los agregados en la producción de concreto e inspeccionar las obras ejecutadas para poder estimar el riesgo.

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