La baja permeabilidad es clave

El ataque de los químicos casi siempre ocurre cuando éstos se hallan en solución. Puesto que tales soluciones pueden penetrar profundamente en el concreto, la producción de concreto de alta calidad y baja permeabilidad es la primera línea de defensa. El control del agrietamiento es también una importante medida defensiva para limitar la exposición interna del concreto a los químicos agresivos.

Los aditivos reducen la permeabilidad del concreto de varias maneras; en efecto, pueden:

• permitir el empleo de una menor relación agua/cemento,

• hacer que el concreto se compacte más fácilmente,

• convertir productos solubles de hidratación en insolubles,

• llenar los vacíos dentro de la matriz de la pasta de cemento, y

• reducir la contracción, reduciendo así el potencial de agrietamiento.

El grado en el cual la menor permeabilidad mejora la vida en servicio del concreto en un ambiente de químicos agresivos depende en gran medida del tipo de químicos y su concentración. En la siguiente exposición, trataremos desde las formas más leves de ataque químico hasta las más severas.

Lixiviación

La lixiviación es una forma leve de desarreglo que ocurre cuando el agua disuelve componentes del concreto. El cemento portland hidratado contiene hasta 25 o 30 por ciento de hidróxido de calcio, Ca(OH)₂, el cual es soluble en agua. Este componente, con mucha probabilidad, será lixiviado desde el concreto. Debido a que el hidróxido de calcio es más soluble en agua fría, el agua que viene de los riachuelos de las montañas o de presas es más agresiva que el agua más caliente.¹

La lixiviación produce una apariencia arenosa en las superficies expuestas de concreto de los revestimientos de canales, alcantarillas o tuberías. Si el agua pasa a través de grietas o juntas, la lixiviación también puede erosionar el concreto interior. En el concreto poroso, con una alta relación agua / cemento, la lixiviación puede remover suficiente hidróxido de calcio para reducir la resistencia del concreto. Sin embargo, generalmente es sólo un problema cosmético.

Los aditivos pueden ayudar a controlar la lixiviación a través de dos mecanismos: reduciendo la permeabilidad y convirtiendo el hidróxido de calcio soluble en hidróxido de silicato de calcio insoluble (CSH). La clase de aditivos que reducen la permeabilidad incluye reductores de agua, superplastificadores y agentes inclusores de aire. Bajo la mayor parte de las condiciones, el empleo de estos aditivos en una proporción adecuada, el concreto bien compactado controla apropiadamente la lixiviación.

Los aditivos tales como el humo de sílice u otros materiales cementantes complementarios con propiedades puzolánicas reducen la permeabilidad y convierten algo del hidróxido de calcio en CSH insoluble. Cuando se espera lixiviación más severa, el costo adicional de un aditivo de humo de sílice puede justificarse.

Ataque de sulfatos

El concreto que está expuesto a sulfatos, usualmente en el suelo o en aguas freáticas, puede desintegrarse en sólo unos cuantos años debido a una reacción física o química, o a ambas. El concreto sometido a suelos secos que contienen sulfatos, no será atacado. Pero puede ocurrir desintegración severa si el concreto inapropiadamente proporcionado es expuesto al agua que contiene sulfatos disueltos, o a alternancia frecuente de mojado y secado por las aguas con sulfatos (véase la foto en la página 541).

En vez de destruir el concreto disolviendo los componentes, los sulfatos reaccionan químicamente con otros componentes para formar un mineral expansivo que descompone el concreto. Debido a que el hidróxido de calcio es uno de los componentes involucrados en la reacción, la resistencia a los sulfatos puede mejorarse convirtiendo este componente en el CSH químicamente más resistente. Cuando existen frecuentes ciclos de mojado y secado en un ambiente con sulfatos, la desintegración también puede ser causada por el crecimiento de cristales de sales de sulfato, lo cual es un fenómeno físico.² Ya sea que el mecanismo de desintegración sea químico o físico, la permeabilidad reducida mejora las resistencia a los sulfatos no permitiendo la entrada de soluciones de sulfato.

El humo de sílice es muy efectivo para mejorar la resistencia a los sulfatos mediante la conversión del hidróxido de calcio en CSH. Otras puzolanas, tales como la ceniza volante, pueden también mejorar la resistencia a los sulfatos, pero es necesario tomar algunas precauciones. Debido a su bajo contenido de calcio, la ceniza volante de clase F es más efectiva que la ceniza volante de clase C paran mejorar la resistencia a los sulfatos. Sin embargo, algunos tipos de ceniza volante de clase F con un alto contenido de alúmina no son efectivos para mejorar la resistencia a los sulfatos. La ceniza volante de clase C con bajo contenido de calcio es con frecuencia efectiva, pero la ceniza volante de clase C con alto contenido de calcio a menudo es ineficaz y puede disminuir la resistencia a los sulfatos. En general, se logran los mejores resultados si la ceniza volante se agrega al concreto en vez de utilizarse como un reemplazo del cemento.¹

Los aditivos inclusores de aire mejoran la resistencia a los sulfatos, principalmente debido a que la inclusión del aire permite una menor relación agua / cemento que disminuye la permeabilidad.³ Por la misma razón, los aditivos reductores de agua también mejoran la resistencia a los sulfatos, permitiendo relaciones de agua / cemento de 0.45 o más bajas, para exposiciones severas, sin sacrificar la trabajabilidad. Conviene evitar el empleo de aditivos reductores de agua que contengan cloruro de calcio, ya que las bajas concentraciones de cloruros disminuyen la resistencia a los sulfatos.¹

Además de utilizar aditivos para incrementar la resistencia a los sulfatos, otras estrategias eficaces incluyen:

• el uso de cemento tipo II o tipo V,

• eluso de cementos con bajo contenido de cal (que contienen menos silicato tricálcico, lo que produce hidróxido de calcio cuando se hidrata, y más silicato dicálcido),

• el incremento del contenido de cemento , y

• a ampliación del periodo de curado para reducir la permeabilidad.

Ataque de ácidos

El concreto de cemento portland no resiste bien los ácidos.Sin embargo, la velocidad con que éstos destruyen el concreto depende de:

• la resistencia a los ácidos y su concentración,

• la temperatura de la solución de ácido,

• las condiciones de exposicón –soluciones ácidas estáticas o movibles, y

• la solubilidad de productos reactivos.

Los ácidos sulfúrico, hidroclorhídrico y nítrico son fuertes y altamente agresivos. La agresividad se incrementa al aumentar la concentración y la temperatura del ácido. Las soluciones móviles son más agresivas que las estáticas, debido a que constantemente nuevo ácido llega a estar en contacto con el concreto. Y los ácidos que forman productos solubles reactivos, generalmente son más agresivos que los ácidos que forman productos insolubles de reacción.¹

El ácido ataca al concreto disolviendo los productos de hidratación del cemento o a través de reacciones químicas ácido-base. El hidróxido de calcio, el producto de reacción que se disuelve más rápidamente, es atacado aun por las concentraciones leves o bajas de soluciones de ácido. Los ácidos más fuertes y más concentrados atacan a todos los hidratos de silicato de calcio.

Puesto que ningún concreto de cemento portland es totalmente inmune al ataque de los ácidos, los aditivos pueden emplearse sólo para disminuir la tasa de deterioro. Los aditivos reductores de agua, incluyendo los superplastificadores, reducen la relación agua / cemento y, por lo tanto, la permeabilidad. Sin embargo, a medida que el concreto se deteriora, nuevas superficies están expuestas al ácido, especialmente cuando los productos de la reacción son solubles. Los ácidos oxálico y fosfórico forman productos de reacción insolubles que no se pueden quitar fácilmente. En el caso de los concretos expuestos a estos ácidos, al reducir la permeabilidad con aditivos tales como reductores de agua o puzolanas se puede incrementar la vida de servicio.

También se ha utilizado humo de sílice para mejorar la resistencia al ataque de los ácidos, convirtiendo el hidróxido de calcio en CSH, y reduciendo la permeabilidad del concreto. En un estudio, dosis de humo de sílice de hasta 30 por ciento en peso del cemento incrementaron la resistencia del concreto a algunos ácidos. Se remojaron alternativamente cilindros de concreto de 7.5 cm de diámetro y 15 cm de alto en una solución de ácido durante varios días. Después se secaron durante siete días antes de volver a sumergirse en una solución fresca.⁴ El criterio de falla fue una pérdida de peso de 25 por ciento. Los cilindros hechos con 30 por ciento de humo de sílice y empapados en una solución al 5 por ciento de ácido acético no habían fallado todavía después de 60 ciclos. Y una dosis de 15 por ciento de humo de sílice fue suficiente para lograr que los cilindros soportaran 50 ciclos en una solución de ácido fórmico de 5 por ciento sin fallas.

Sin embargo, inclusive las grandes dosis de humo de sílice no mejoraron marcadamente la resistencia a los ácidos fuertes. Los cilindros que contenían 25 por ciento de humo de sílice fallaron después de solamente cinco ciclos en un solución de ácido sulfurico de 5 por ciento, y los cilindros con 30 por ciento de humo de sílice soportaron únicamente 32 ciclos en una solución de ácido sulfúrico del 1 por ciento.

Elegir la mejor estrategia de aditivo

Al reducir la permeabilidad del concreto con reductores de agua, puzolanas, o ambos, se incrementa la resistencia al ataque químico. Los aditivos de humo de sílice son particularmente efectivos debido a que a altas tasas de dosificación pueden convertir la mayor parte del hidróxido de calcio en el CSH químicamente más resistente. Sin embargo, en algunas exposiciones químicas, inclusive el concreto con una alta dosificación se deteriora tan rápidamente que la elevada tasa de dosis no proporciona beneficios palpables.

Antes de decidir el empleo de una combinación de aditivos para mejorar la resistencia a los químicos, se sugieren las pruebas en servicio.³ Las pruebas de diferentes combinaciones en instalaciones existentes pueden proporcionar datos que ayudarán a cuantificar los efectos del aditivo en el desempeño. Los datos pueden emplearse después para determinar si algún incremento en la vida de diseño del concreto es lo suficientemente significativo para justificar el costo agregado del aditivo utilizado.

Referencias

1. G.W. DePuy, "Chemical Resistance of Concrete",.Significance of tests and properties of concrete-making materials, STP 169C, ASTM, West Conshohocken, Pa., 1994, pp. 263-281.

2. W.C.Hanson, "Attack on portland cement concrete by alkali soils and waters –A critical review", Highway Research Record núm. 113, Highway Research Board, Washington, D.C., 1966.

3. ACI Committee 201, Guide to durable concrete, ACI 201.2R-92, American Concrete Institute, Farmington Hills. Mich., 1992, p. 9.

4. T.A. Durning y M.C. Hicks, "Using microsilica to increase concrete´s resistance to aggressive chemicals", Concrete International, marzo de 1991, pp. 42-48.

Resumen:

Los aditivos pueden mejorar significativamente el desempeño del concreto expuesto a químicos agresivos –en un ambiente natural o industrial– en el caso de algunas exposiciones, pero no de todas. Aquí se menciona lo que pueden y lo que no pueden hacer los aditivos para aumentar la resistencia a la lixiviación, a los sulfatos y a los ácidos.