Concreto durable, el inicio del cambio El ACI 2011 define la durabilidad del concreto hecho con cemento hidráulico como la habilidad para resistir la acción del intemperismo, ataque químico, abrasión o cualquier otro proceso de deterioro. Y determina que el concreto durable debe mantener su forma original, calidad y características de servicio cuando es expuesto a este ambiente. Tomando como base estas condiciones, la expectativa de mejorar la durabilidad y por tanto la vida útil de cualquier estructura, está dada por la definición de sus condiciones de exposición, condiciones de servicio y las prácticas recomendadas en la construcción del elemento. En la determinación de cada uno de esos parámetros, las condiciones de exposición deben ser integradas a la posición geográfica, el carácter del lugar y el medio de contacto. Las condiciones de servicio que generan los daños más comunes que afectan al concreto en su durabilidad están expresadas por ataque de sulfatos, exposición al agua de mar, ataque ácido, carbonatación, abrasión, corrosión del acero de refuerzo y reacciones químicas; y por último, se deben tomar en cuenta las prácticas constructivas recomendadas; previas, durante y posteriores a la colocación del concreto. Puesto que el deterioro prematuro de un elemento de concreto tiene causas muy variadas y que pueden ocurrir en un elemento a un mismo tiempo, es necesario identificarlas todas y reconocer su posible procedencia, más aún, es necesario saber sus mecanismos de ocurrencia y la magnitud de los daños que pueden provocar, ya que el establecimiento de todas estas condiciones es vital para poder prolongar la vida útil de cualquier estructura. Problemática actual del concretoUna forma sencilla de abordar esta problemática actual de las estructuras de concreto es citar algunos ejemplos donde la ignorancia o la poca importancia dada a la durabilidad durante su diseño y la falta de evaluación de las condiciones de exposición y servicio de los elementos se tradujo en el deterioro acelerado de las estructuras, con sus subsiguientes problemas operativos., mantenimiento, costos de reparación y disminución de su vida útil. Caso 1 Datos de la construcción
Condiciones de exposición
Condiciones de servicio
Descripción de daños
Características de los elementos
Consecuencias
Caso 2 Datos de la construcción
Condiciones de exposición
Condiciones de servicio
Descripción de daños
Características de los elementos
Consecuencias
Condiciones de exposiciónLa determinación de las condiciones de exposición de cualquier elemento se deben evaluar han atención al medio ambiente y dependen de la posición geográfica y del carácter urbano, rural o industrial del lugar; y las características del medio de contacto corresponden al suelo, el agua o cualquier otra sustancia sólida, líquida o gaseosa que eventualmente pueda tener contacto con la estructura. En el caso de las condiciones que prevalecen en el interior del concreto, la condición más inestable que afecta la durabilidad del mismo es la que se produce por las reacciones deletéreas entre el cemento y los agregados.2 Posición geográficaCuando se considera la elaboración de concreto, las condiciones climatológicas se tienen como un grupo de variables importantes, las cuales pueden ser identificadas y agrupadas en tres diferentes categorías:3 1. Intervalo de baja temperatura, en que deben aplicarse medidas para proteger el concreto fresco y endurecido contra el frío excesivo. 2. Intervalo de temperatura moderada, en que no se requieren medidas especiales en este aspecto para el uso del concreto en la construcción de estructuras ordinarias. 3. Intervalo de altas temperaturas, durante cuya manifestación se recomiendan precauciones con el objeto de prevenir los efectos perjudiciales del calor excesivo principalmente sobre el concreto fresco y recién colocado. Esta última categoría representa, en el caso de la República mexicana, la condición más desfavorable para la producción del concreto y la única posibilidad de ocurrencia, por lo que será la única que se discutirá en este documento. Puesto que lo que nos interesa definir son las condiciones de alta temperatura, resulta conveniente cómo define el clima caluroso el comité ACI 305,3 el cual indica que es una combinación de las siguientes condiciones, que tienden a perjudicar la calidad del concreto fresco o endurecido: alta temperatura del ambiente, alta temperatura del concreto, baja humedad relativa, velocidad del viento y radiación solar. En virtud de la combinación de factores que intervienen en la valoración de un clima caluroso, el U.S. Bureau of Reclamation4 especifica para estructuras ordinarias una temperatura máxima de 27 ° C cuando el clima es caluroso pero no seco. El balance de esta condición indica, al esperarse que la temperatura del concreto al ser mezclado sea ligeramente mayor que la promedio del medio ambiente, que para poder colocar el concreto a una temperatura máxima de 27 o 32 ° C, sin adoptar medidas preventivas, es necesario que la temperatura ambiente sea menor de 27 ° C en clima seco y menor de 32 ° C en clima húmedo. Se sabe que el agrietamiento derivado de la contracción por secado en condiciones climáticas desfavorables ocurre cuando la velocidad crítica de evaporación del agua superficial del concreto alcanza 1 kg / m(2) / h. Con los datos de la referencia 5, la República mexicana se localiza entre los 15 y 33 grados de latitud norte, de manera que el trópico de Cáncer (23 ° 27) la divide en dos porciones aproximadamente iguales; de este modo, astronómicamente, a la porción sur le corresponde clima tropical y a la porción norte clima templado. Sin embargo, de acuerdo con las condiciones locales de altitud y distancia al mar, existe cierta tendencia a la definición de tres zonas que presentan diferente clima regional: zona A, que corresponde a la región centro-norte, en donde el ambiente suele ser seco, caluroso en verano y frío en invierno; zona B, que rodea la anterior pero con un clima menos extremoso pues exhibe mayor grado de humedad y más moderación en las variaciones estacionales de temperatura; zona C, que comprende principalmente la región sur-sureste y la llanura costera del litoral del Golfo de México, en donde el clima es sensiblemente tropical, cálido y húmedo, con relativamente menos variaciones entre el verano y el invierno. En la figura 1 se hace una delimitación tentativa de estas tres zonas climáticas, cuyas principales características de temperatura y humedad son aproximadamente como sigue: Conceptos Zonas climáticas (límites probables) (A) (B) (C)
Temperatura mínima absoluta en invierno, ° C -22 / -8 -12 / 0 0 / 12 Temperatura máxima absoluta en verano, ° C 36 / 50 36 / 48 40 / 46 Humedad relativa media anual, % 30 / 40 40 / 60 60 / 80 De esta definición zonal, se concluye que la zona A presenta la mayor velocidad de evaporación del agua superficial del concreto, y por lo tanto la mayor condición de riesgo para la rápida desecación del concreto recién colocado. En tanto que en las zonas B y C, aun cuando representan condiciones menos desfavorables, mantienen condiciones propicias para la rápida evaporación del agua. Carácter del lugarAl definir el carácter del lugar, se pueden definir tres ambientes básicos de referencia: urbano, rural o industrial. En cada uno de estos sitios se pueden definir varias condiciones relativas al carácter del lugar que permiten establecer diversos subambientes; en la creación de esta subdivisión se toman como base la humedad y la exposición a sustancias químicas agresivas. En orden de menor a mayor condición de riesgo se puede obtener la siguiente clasificación de carácter del lugar:
Medio de contacto Una vez colocadas, las estructuras de concreto tienen contacto directo con concreto, suelo o agua. Los últimos dos medios son los únicos que pueden tener un carácter agresivo que afecte la durabilidad de la estructura que se encuentre en contacto con ellos, y esto se debe a que de manera natural estos medios pueden contener, en concentraciones variables, sustancias agresivas que pueden causar daños al cemento portland. Aunque la lista de sustancias agresivas para el concreto puede resultar muy larga, las que se consideran más comunes y agresivas son los sulfatos, los cloruros, los álcalis, el calcio y el magnesio. El ataque por estas sustancias agresivas será tratado más adelante con detalle para el caso de las más importantes y comunes, pero como existen situaciones en las que las condiciones de diseño no permiten la protección total del elemento, se deben tomar precauciones para aislar la estructura de concreto de su medio de contacto, para lo cual se ha recomendado 2 la aplicación de una serie de medidas en forma individual y / o complementaria, que son las siguientes:
Condiciones de servicioAtaque por sulfatos Los medios de contacto agresivos para el concreto están caracterizados por suelos y aguas superficiales o freáticas que contienen sustancias que atacan químicamente al concreto. De manera común, las sales inorgánicas presentes en estos medios son los sulfatos, los cuales se encuentran en diferentes niveles de concentración en la naturaleza. Cuando se estiman en concentraciones pequeñas, se consideran prácticamente inofensivos, pero a medida que incrementan su nivel de concentración, su presencia se vuelve una condición de riesgo para las estructuras de concreto ya que puede producir cambios volumétricos6 en los elementos, de tal forma que ocurra un deterioro prematuro del concreto. Cabe mencionar que la condición más desfavorable cuando existen sulfatos es cuando éstos se encuentran solubles en agua. En la República mexicana existen numerosos sitios donde el suelo o el agua, o ambos, contienen elevadas concentraciones de sulfatos, lo cual reviste importancia cuando en estos sitios se pretende cimentar estructuras de concreto. De manera general, no limitativa, puede decirse que es conveniente evaluar esta condición previamente a la construcción, analizando el suelo y el agua, en las zonas áridas y semidesérticas del norte de la república, en la vecindad de las costas de ambos litorales, particularmente en las zonas bajas y regiones pantanosas colindantes con el golfo de México, y en los lechos de zonas lacustres desecadas tales como el lago de texcoco.2 Exposición al agua de mar El agua de mar contiene de manera natural elevadas concentraciones de sulfatos (1,500 ppm) y de cloruros ( > 20,000 ppm), por lo que representa un medio de contacto francamente agresivo para el concreto, ya que se debe cuidar la combinación de efectos por la concentración elevada de este tipo de sales en el medio. Carbonatación Los principales efectos de la carbonatación son una clara disminución del pH de la pasta de concreto, que como consecuencia genera una disminución de la protección que da la pasta a la corrosión del acero de refuerzo. El principal promotor de la corrosión es el CO2 que se encuentra presente en el ambiente de manera regular, cuando se combina con la temperatura, la humedad relativa y la permeabilidad del concreto. Altas tasas de carbonatación ocurren cuando la humedad relativa se ubica entre 50 y 70 por ciento, y cuando ésta tiene valores < 25 por ciento, la carbonatación se considera insignificante. Se ha identificado que el agua contiene más de 20 ppm de CO2 agresivo, lo cual puede favorecer la rápida carbonatación de la pasta de cemento portland; por otra parte, se ha concluido que en aguas con libertad de movimiento con 10 ppm o menos de CO2 agresivo, el riesgo de carbonatación resulta insignificante.1 Ataque químico El ataque químico al concreto está representado por muy diversos componentes, los cuales pueden tener muy diversos orígenes y fuentes de aporte, de tal manera que es necesario conocerlos para reconocer cuáles son sus posibles efectos nocivos en contacto con el concreto. Corrosión del acero de refuerzo Se ha identificado2 que la principal causa de corrosión del acero del refuerzo embebido en el concreto tiene origen en una diferencia potencial electroquímica en la que es común la presencia de una corriente eléctrica que inicia el fenómeno de corrosión electrolítica, aunque también se reconoce que este tipo de proceso se puede manifestar por un ataque químico directo. Como consecuencia de los procesos de corrosión del acero, se pueden tener dos efectos claramente diferenciados en las estructuras de concreto. Por una parte, debido a la corrosión del acero de refuerzo disminuye la sección del acero, con lo que pierde su adherencia a la pasta, se afectan en forma negativa sus propiedades mecánicas y, por tanto, merma su capacidad de trabajo estructural. Por otra parte, ocurren cambios volumétricos que se derivan de la formación de los productos de la corrosión, donde dichos cambios generan presiones lo suficientemente poderosas para agrietar la pasta de concreto y, en casos extremos, provocar desprendimientos de concreto. Para mitigar la ocurrencia de los procesos corrosivos, se deben identificar las principales causas que lo favorecen, lo cual se ha hecho2 de acuerdo con lo siguiente:
Abrasión Por definición, el ACI 1167 considera como abrasión las acciones de desgaste derivadas de la fricción y el frotamiento, mientras que la erosión corresponde a la acción abrasiva de cavitación en el concreto derivado de la acción de cualquier fluido en movimiento. De tal forma, se identifica que la resistencia a este proceso depende de tres aspectos básicos: la resistencia intrínseca de los agregados a las acciones abrasivas y su composición granulométrica; la resistencia mecánica del concreto, específicamente a la compresión, y los diferentes aspectos prácticos involucrados en el uso del concreto y la ejecución de la obra.6 Las condiciones anteriores, el ACI 3028 las ha resumido y agrupado en una serie de deficiencias que afecta en forma directa la resistencia al desgaste de las superficies de concreto expuestas a la abrasión, por lo que para mejorar la resistencia de las estructuras a este proceso se debe evitar lo siguiente:
Reacciones deletéreas de los agregados Todos los agregados son reactivos en menor o mayor grado cuando se incorporan en concreto elaborado con cemento portland. Esto sólo se convierte en un problema cuando los productos de reacción son de una composición determinada y abundantes y su toma de humedad produce fuerzas de expansión destructivas dentro del concreto. Este proceso de reacción involucra la presencia de álcalis en el concreto (usualmente aportados por el cemento), agua y ciertos agregados silíceos. El deterioro debido a esta reacción se manifiesta usualmente en la superficie de la estructura afectada por un sistema regular de fracturas llamado mapeo o patrón de fisuramiento. Este patrón puede ser influido por el tamaño y la forma de la estructura afectada. La reacción álcali-agregado se define como el proceso físico-químico en el que intervienen algunos minerales de los agregados y los hidróxidos alcalinos del concreto que son aportados principalmente por el cemento, los agregados o por algún agente externo. Este proceso genera presiones de poro lo suficientemente fuertes para producir fisuramiento del concreto y su consecuente deterioro. Las condiciones que permiten su desarrollo son: Desarrollo de altas concentraciones de hidróxidos alcalinos en la solución de poro y migración de los reactantes a los sitios de la reacción. Reacción con las fases reactivas dentro de las partículas de agregado y formación de un producto de reacción (gel). Flujo o absorción de un fluido en o por el producto de reacción, causando fuerzas expansivas. El estrés o fuerza expansiva actúa en el cemento, el agregado y / o en la zona de adherencia pasta / agregado, causando fracturamiento y el subsiguiente deterioro del concreto. Comúnmente se admite que existen tres condiciones cuya ocurrencia en el concreto es necesaria para que se produzca y manifieste una reacción álcali-agregado en grado deletéreo: Primera . Presencia de rocas y minerales reactivos en los agregados, en las proporciones que en cada caso resulten críticas, conforme a su origen y naturaleza. Segunda. Elevado contenido de álcalis en la mezcla de concreto para mantener una solución fuertemente alcalina en contacto con los agregados. Tercera . Presencia de humedad capaz de permitir la formación de las soluciones de poro.9 Prácticas recomendadasEn la fabricación de concreto en nuestro país, los refuerzos se han concentrado en mayor forma en regular la calidad del producto, realizando para ello supervisiones estrictas sobre la calidad de los componentes, la técnica y las condiciones de producción y las características de los equipos con los que se produce. Esta situación permite que las actividades previas y posteriores a la elaboración del concreto ocupen un plano secundario en la mayor parte de los trabajos de supervisión. En la producción de un concreto durable no es posible que las actividades involucradas en su diseño, elaboración y colocación se lleven a cabo de manera ligera. Es necesario que todas se cumplan en forma correcta, para tener la seguridad de que el concreto pueda cumplir con las necesidades para las que fue diseñado. Lo anterior se puede sustentar en el reconocimiento que existe sobre las causas principales de problemas en estructuras de concreto, en donde se ha identificado que el mayor porcentaje de defectos observados en los elementos se origina por la aplicación de procedimientos constructivos deficientes y la ignorancia o el inadecuado manejo que existe sobre el producto. En la realidad existe una gran cantidad de prácticas constructivas recomendadas, que son de gran utilidad y están pensadas para disminuir los problemas en las estructuras de concreto. En cada una de ellas se detallan las actividades que deben realizarse en tiempo y forma, de tal manera que este tipo de trabajo no debe representar ninguna causa de deterioro acelerado del concreto. Es una condición obligada que se cumplan todas las prácticas de construcción sugeridas en el diseño, elaboración, transporte, manejo, colocación y acabado para lograr un concreto durable, ya que esto permite hacer un uso más eficiente de los materiales, mejorar las condiciones de diseño, lograr productos de acuerdo con las necesidades del proyecto, disminuir los costosa de mantenimiento, mejorar la relación costo / vida útil, etcétera. ConclusionesEl acelerado deterioro de las estructuras de concreto es la causa fundamental para que se dé un cambio en el diseño y construcción de las mismas. Dicho cambio tiene la obligación de analizar en forma particular las condiciones de exposición y servicio de cada elemento y ejecutarlas mediante la aplicación de las prácticas constructivas recomendadas por los comités internacionales de construcción. La evaluación sistemática de las solicitudes de cada estructura de concreto redundará en beneficios económicos para todas las partes involucradas al hacer estructuras más duraderas y seguras. En la utilización de concreto durable no es posible realizar análisis de costos simplistas, al comparar productos convencionales contra aquellos que son de alto comportamiento, ya que si tomamos en cuenta los casos presentados en este documento, se puede concluir con claridad que los costos finales derivados del producto original, su mantenimiento y reparación, serán siempre superiores a los costos originales derivados de un producto de alto desempeño. De los casos analizados se desprenden dos observaciones significativas, dignas de ser comentadas: Primera. En el caso 1, la resistencia a la compresión obtenida es muy superior a la especificada en el proyecto, es decir, se puede concluir que la resistencia mecánica no es un factor definitivo en el incremento de la durabilidad y se observa una gran cantidad de defectos derivados del diseño y de malas prácticas constructivas que favorecen el tipo de daño que se encuentra en los elementos. Segunda. En el segundo caso se observa la poca efectividad que tienen las técnicas de reparación cuando las condiciones de servicio de la estructura son severas. Referencias
Figura 1. Zonas con diferente condición climática en relación con la humedad relativa. Este artículo reproduce una ponencia presentada por el autor en el XI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural celebrado en Monterrey, Nuevo León. El ingeniero Roberto Uribe Afif es investigador del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Concreto de Cemex. |
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Resumen: Debido a las experiencias reiteradas de deterioro acelerado de las estructuras de concreto en todo el mundo, el concepto de durabilidad ha sufrido un cambio que está relacionado íntimamente con el costo final del producto y la vida útil de la estructura. En este artículo se discuten los tres parámetros que se manejan en la concepción del concreto durable: condiciones de exposición, condiciones de servicio y prácticas constructivas adecuadas. Éstos son, en definitiva, los tres aspectos básicos que hay que considerar en la elaboración de un concreto de larga vida.
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Instituto
Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. |
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