Diseñar para obtener durabilidad
Joseph F. Lamond
PRESENTACIÓN:
Construir estructuras de concreto que, además de resistentes, sean durables, requiere de manera ineludible desarrollar especificaciones con ese fin. La permeabilidad del material y las condiciones microclimáticas a que estará expuesto son factores estrechamente relacionados con la durabilidad y deben tomarse en cuenta al diseñar. Si a esto se agrega un buen proporcionamiento de la mezcla, métodos adecuados de construcción y buenos trabajos de consolidación, acabado y curado, el éxito es un hecho.
El diseño de una estructura de concreto requiere una investigación del entorno microclimático en el que va a funcionar. La investigación deberá realizarse al comienzo del proyecto, no cuando se están preparando las especificaciones finales.
El proyectista debe reconocer que la humedad es crítica para la durabilidad del concreto; por lo tanto, se deben disponer el drenaje, las juntas y otros detalles de diseño para mantener la humedad al mínimo. Se ha sabido y documentado a lo largo de los años que la selección de los materiales apropiados tiene influencia en la durabilidad del concreto.
El informe ACI 201.2R1 indica que para obtener resistencia a la congelación y descongelación, resistencia al ataque de sulfatos y resistencia a la corrosión, la relación agua / cemento (a / c) se debe mantener abajo de un valor máximo. Sin embargo, pocos proyectistas especifican una a / c máxima. En cualquier proyecto en que la relación a / c no se pueda convertir a una resistencia a la compresión, se deberá especificar la relación de agua respecto de los materiales cementantes.
El ACI 318 Building Code2 tiene un capítulo sobre durabilidad del concreto para el diseño de estructuras de concreto reforzado El proyectista no siempre comprende los requerimientos del reglamento o los especifica correctamente. En su primera conferencia sobre durabilidad del concreto, Katherine and Bryant Mather desafiaron a los proyectistas:3 el concreto no necesita deteriorarse; los proyectistas deben asegurar que no se deteriore sin que el costo se eleve más de lo necesario; y deben eliminarse las recomendaciones excesivas en las especificaciones. Esto se puede lograr si se proyecta para obtener durabilidad.
Además, Neville4 expresó que sigue existiendo una fascinación por los resultados de la resistencia a la compresión. Nada, o poco, se especifica en lo que toca a durabilidad, y los proyectistas continúan en la creencia de que el concreto resistente es concreto durable.
La Portland Cement Association (PCA) dio a cono conocer un estudio de conciencia del consumidor para una investigación de mercado sobre los temas de cemento y concreto. Los resultados no fueron sorprendentes para cualquiera que esté en la industria de la construcción: 61 por ciento de los consumidores piensan que "cemento y concreto son la misma cosa", y 91 por ciento cree que "el cemento portland viene de Portland, Oregón". Según la experiencia del autor en el seminario para durabilidad, los asistentes de ingeniería y construcción creen que el cemento portland de tipo II es el especificado y empleado cuando se necesita cemento de bajo álcali.
La gente del diseño y de la industria de la construcción deberá entender que el concreto se entrega y se deposita en estado fresco y que, casi inmediatamente, por una reacción química, comienza un proceso de endurecimiento.
En estado fresco o recién mezclado, las preocupaciones principales son las propiedades de trabajabilidad y de colocación. En el estado endurecido, son la resistencia, la durabilidad, la capacidad de servicio y el comportamiento lo que preocupa. Estas inquietudes no se pueden encauzar apropiadamente a menos que el proyectista y el contratista reconozcan que el "tiempo para hacer el trabajo correcto" es durante el estado fresco inicial.
Diseño
Los tres usos más citados del concreto son: 1) calles y caminos; 2) oficinas, almacenes, fábricas y edificaciones; y 3) cimientos, entradas a cocheras y casas. ¿Por qué un propietario de casa no querría una entrada de cochera que dure al menos tanto como la hipoteca?
Importantes para la durabilidad del concreto son los líquidos y gases que lo penetran. Los líquidos y gases más comunes son el agua, los iones puros o agresivos, el dióxido de carbono y el oxígeno. La durabilidad del concreto depende en gran medida de la facilidad con que los líquidos o los gases (o ambos) entran y se mueven a través del concreto. A esto se llama comúnmente permeabilidad del concreto.5 Por lo tanto, durante el diseño se deberá evaluar cada estructura en cuanto a la presencia de estos líquidos y gases y a las exposiciones relacionadas con la durabilidad.
Las condiciones microclimáticas son también importantes. Un puente orientado en la dirección norte-sur tendrá un microclima diferente a otro que esté orientado en la dirección oriente-poniente. El sistema estructural de concreto de una edificación puede no estar expuesto a líquidos o gases mientras está en servicio; sin embargo, el pavimento exterior estará expuesto a la humedad y a la congelación y descongelación. El área de plataforma de carga de la edificación puede estar expuesta a humedad, iones de cloro, congelación y descongelación, y a la abrasión. Estos son sólo dos ejemplos de la necesidad de evaluar condiciones microclimáticas.
Materiales
El concreto está compuesto por materiales cementantes, agregados, agua y, usualmente, un aditivo químico. Cada constituyente puede tener un efecto en la durabilidad del concreto.
Los materiales cementantes son cementos hidráulicos que están algunas veces combinados con ceniza volante, puzolanas naturales, escoria molida granulada de alto horno o humo de sílice. Cada uno de estos materiales cementantes puede tener un efecto en la durabilidad; algunos pueden ser benéficos y otros pueden ir en detrimento de la misma.
El problema más común que afecta a los materiales cementantes es la reacción álcali-agregado. El proyectista deberá conocer la disponibilidad de cemento de bajo álcali. Si se cuenta con ésta, deberá especificarse. De lo contrario, habrá que emplear otros requerimientos para anular este problema de durabilidad.
Los agregados pueden tener efecto sobre la resistencia a la abrasión, congelación y descongelación y reactividad álcali-agregado. El proyectista deberá saber si los agregados son potencialmente reactivos, de manera que se puedan proporcionar especificaciones para nulificar este problema de durabilidad.
El agua que es potable y no tiene sabor u olor pronunciado se puede utilizar como agua de mezclado al mezclar el concreto. Sin embargo, el agua que no es potable puede ser conveniente para mezclar concreto. El agua que no es conveniente para beber puede contener ingredientes que afecten la durabilidad del concreto. Cuando se utiliza agua cuestionable, las especificaciones deberán incluir criterios de aceptación, los cuales se basan usualmente en la resistencia a la compresión y en los resultados de pruebas establecidas.
Algunos aditivos químicos pueden tener un efecto en la corrosión de metales empotrados en el concreto y otros se pueden utilizar para reducir el contenido de agua. La evaluación de las propiedades de aditivos químicos da por resultado especificaciones que pueden anular la corrosión de metales. Un contenido inferior de agua puede hacer más impermeable el concreto.
Exposiciones de durabilidad
Además de dar al contratista la más amplia selección de materiales especificados al menor costo, el proyectista debe también atender a las exposiciones de durabilidad a las que la estructura de concreto estará sometida durante su construcción y servicio.
Una solución es proyectar para obtener durabilidad a fin de evitar el problema. La alternativa es que alguien tenga que aprender a vivir con el problema. Para proporcionar un diseño completo, es preciso saber qué datos son necesarios para las condiciones de durabilidad.
Las condiciones externas más comunes comprenden: resistencia a congelación y descongelación, exposición química agresiva, abrasión y prevención de corrosión de metales empotrados. El problema interno más común en el concreto es una reacción química de agregados y álcalis.
Para obtener resistencia a congelación y descongelación, el informe ACI.201.2R1 recomienda:
El informe ACI 201.2R1 también tiene recomendaciones para exposiciones químicas agresivas tales como ataque de sulfato, exposición al agua de mar, ataque de ácido y carbonatación. Para reducir al mínimo el ataque moderado de sulfato se deberá utilizar cemento portland de tipo II, cemento hidráulico portland de tipo IP (MS) mezclado con puzolana, cemento portland hidráulico mezclado con escoria de alto horno de tipo IS (MS), una mezcla de cemento portland de tipo I, y una escoria de alto horno molida granulada o una puzolana que se ha determinado que da resistencia a sulfato equivalente. La máxima a / c deberá ser de 0.50.
Para resistencia a la abrasión, el informe ACI 201.2R1 recomienda que la resistencia a la compresión sea de más de 28 MPa. La consistencia (revenimiento) del concreto deberá ser del menor valor práctico para colocar y compactar. Cuando las losas de servicio pesado estén sujetas a severa abrasión, se deberá utilizar un piso de dos capas con una capa superior para servicio pesado. Los agregados resistentes a la abrasión se deberán tomar en cuenta, y los métodos de construcción deberán incluir procedimientos apropiados de colocación y acabado.
Para corrosión de metales empotrados en el concreto, el informe ACI 201.2R1 y ACI222R13 recomienda una a / c baja y el recubrimiento adecuado para la condición de exposición del acero de refuerzo. Además, el concreto tiene que ser compactado apropiada y completamente.
Para agregados potencialmente reactivos en el concreto, el informe ACI 201.2R1 y el 221R10 recomiendan un cemento portland de bajo álcali o una mezcla de cemento portland y una puzolana, escoria de alto horno molida granulada o un cemento hidráulico mezclado.
Cada estructura de concreto tiene diferentes condiciones de entorno y de exposición de durabilidad. Por lo tanto, el proyectista debe especificar y seleccionar los materiales y las propiedades del concreto recién mezclado y endurecido que proporcionará comportamiento de largo plazo durante la vida de servicio proyectada.
Construcción
El contratista selecciona los materiales más económicos para el concreto. Los mismos deben estar en proporciones tales que permitan su trabajo y colocación, y satisfagan los requerimientos de resistencia y durabilidad. Hay muchos factores durante la construcción que pueden dar por resultado la baja durabilidad del concreto:
El concreto de la estructura debe estar plenamente compactado. Si no ocurre así, particularmente en el recubrimiento de concreto, el resultado será un concreto más permeable y, consecuentemente, menos durable que lo proyectado.
Cuando el concreto está expuesto a congelación y descongelación en presencia de sales para deshielo, deberá tener un contenido de cemento de 310 kg. / m3.2 Si el contenido de cemento es menor que el necesario, el concreto puede ser menos durable que lo proyectado.
Cuando el revenimiento excede lo especificado, el contenido de agua es usualmente más alto que lo requerido, y esto da por resultado una a / c más alta que la necesaria, lo cual hace nuevamente menos durable el concreto.
En muchos proyectos en los que se necesita concreto con aire para obtener resistencia a la congelación y la descongelación, no se determina el contenido de aire. Si éste es menor que lo especificado o requerido, el sistema de vacíos de aire puede ser inadecuado, y el concreto, menos durable. El concreto expuesto a congelación y descongelación a una edad temprana en una condición saturada con resistencia insuficiente y sin secado al aire adecuado puede también ser menos durable.
Otro aspecto que puede volver al concreto menos durable son las malas prácticas de acabado, tales como acabado con agua de sangrado presente, lo cual da por resultado una a / c más alta en la superficie.
El curado se puede realizar por varios métodos. Sin embargo, en muchas obras no se aplica y se ha determinado que un curado inadecuado o la falta de curado puede dar por resultado un concreto menos durable.
Resumen
Durante el diseño del proyecto se deberá estudiar la exposición al entorno de cada segmento de la estructura de concreto, poniendo especial atención en las condiciones microclimáticas. Habrá que considerar todos los aspectos de durabilidad que vayan a tener efecto durante la construcción y la vida en servicio de la estructura.
Estos estudios de diseño se deben traducir en requerimientos de especificaciones de proyecto que sean razonables y no excesivas. La mezcla de concreto deberá estar proporcionada con base en los materiales seleccionados por el contratista para asegurar que se satisfagan los requerimientos de durabilidad. Para asegurar la durabilidad proyectada, se tendrán que mantener los métodos de construcción apropiados, particularmente aquellos que afectan las propiedades del concreto fresco conforme es entregado. La consolidación, el acabado y también el curado se deberán ejecutar de tal manera que las propiedades del concreto endurecido tengan la durabilidad proyectada.
Referencias
1. ACI Committee Report 201.2R-92, "Guide to Durable Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 38.
2. ACI 318-95, "Building Code Requirements for Reinforced Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, pp. 33-37.
3. Mather, K. y B. Mather, "Reflections on Concrete Durability and on International Conference on Durability"., Concrete Durability / Proceedings of the Katharine and Bryant Mather International Symposium, SP-100, American Concrete Institute, Detroit, 1987, pp. 1-9.
4. Neville, A., "Why We Have Concrete Durability Problems", Concrete Durability / Proceedings of the Katharine and Bryant Mather International Symposium, SP-100, American Concrete Institute, Detroit, 1987, pp. 21-30.
5. Neville, A. M., Properties of Concrete, 4a. de., Longman Group Ltd., Londres, 1995, p. 483.
6. ACI Committee Report 225R-91, "Guide to the Selection and Use of Hydraulic Cements", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 29.
7. ACI Committee Report 232.2R-96, "Use of Fly Ash in Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 29.
8. ACI Committee Report 233R-95, "Ground Granulated Blast Furnace Slag as a Cementitious Constituent Concrete and Mortar", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 34.
9. ACI Committee Report 234R-96, "Guide for Use of Silica Fume in Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 56.
10. ACI Committee Report 221R-96, "Guide for Use of Normal-Weight Aggregates in Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 29.
11. ACI Committee Report 212.3R-91, "Chemical Admixtures for Concrete", of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 31.
12. ACI Committee Report 212.4R-93, "Guide for the Use of High-Range Water-Reducing Admixtures (Superplasticizers) in Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 28.
13. ACI Committee Report 222R-96, "Corrosion of Metals in Concrete", Manual of Concrete Practice, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1997, p. 30.
Joseph F. Lamond es ingeniero consultor de Jefferson, Virginia
Este artículo fue publicado en Concrete International, en noviembre de 1997 y se reproduce con la autorización del Aberdeen Concrete Institute.