CO2 y HORMIGON: COMO PECAS, PAGAS. HUGO BARRERA VALDES Presidente Ejecutivo de ERRE Ingeniería Ltda.. Casilla 161-2 Stgo. E-mail:
[email protected]
RESUMEN En los últimos años, la protección del medio ambiente se ha convertido en una cuestión de supervivencia. La atención se centra en el efecto invernadero, con su manifestación más sensible como es el aumento del calentamiento calentamiento global. De los gases invernadero, el segundo más abundante es el CO2 antropogénico, entre otros, generado por la industria del hormigón, Se analiza cuantitativamente los aportes de los distintos componentes del hormigón y los que contribuyen algunas faenas de hormigonado. El mayor de estos aportes es el de la industria del cemento, alcanzando a una tonelada de CO2 emitida, por cada tonelada de cemento producida. Por otra parte, cuando se dan las condiciones de humedad relativa adecuadas, el CO2 penetra por los poros del hormigón disminuyéndole el pH y desencadenando d esencadenando el proceso de corrosión de las armaduras que lentamente puede llegar a destruirlo. Se presentan ambos fenómenos, poniendo énfasis en la carbonatación de los hormigones de obras civiles y edificios en Santiago.. Se concluye que, así como el hormigón es gran responsable de la producción de CO2 atmosférico, éste es un gran contribuyente de la carbonatación del hormigón y de su destrucción a largo plazo, cuando se dan las condiciones adecuadas, como las que imperan en Santiago. .
1. INTRODUCCION Después de muchos años de despreocupación por el cuidado del medioambiente, la ONU definió el “desarrollo sostenible” como aquel que satisfaga las necesidades del presente, sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras para atender sus propias necesidades, habiéndose firmado varios protocolos para preservarlo. En este contexto, Al Gore impactó con su presentación sobre el calentamiento global, trabajo que ha tenido el mérito de remover la conciencia de muchos en torno a este problema que tiene un parentesco muy cercano con el tema principal de este trabajo. Cuando se conjugan en forma perfecta las variables que inciden en forma determinante en el ataque medioambiental al hormigón, se desencadena en foma lenta, pero inexorable, el fenómeno conocido como carbonatación que ha sido detalladamente expuesto en varios artículos del autor, (Barrera, 2007a, 2007b, 2008). Por esto, no se redundará en los aspectos centrales ya publicados y se dará énfasis a las condicionantes que inciden en los daños al hormigón y particularmente, a los edificios.
El objetivo de este artículo es mostrar la correspondencia recíproca que existe entre el CO2 atmosférico y el deterioro al hormigón, producto del fenómeno de la carbonatación. Asimismo, se muestra la severidad de esta patología, para que la comunidad profesional tome adecuada conciencia de ella y pueda actuar en su prevención o mitigación.
2. LOS ACTORES PRINCIPALES DEL PROCESO 2.1 El dióxido de Carbono atmosférico y la evolución de su concentración. La atmósfera terrestre es una delgada capa gaseosa que envuelve al planeta. Los gases más abundantes son: el Nitrógeno y el Oxígeno. Los otros gases, en pequeña cantidad, son los llamados “de invernadero”, siendo los principales el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O). Estos gases, en pequeñas concentraciones, son fundamentales para la supervivencia de los seres vivos. El sol produce energía que cruza el espacio. Una parte se refleja en las nubes y el resto atraviesa la atmósfera y llega al suelo. La Tierra aprovecha parte de esta energía en el desarrollo de los seres vivos. Otra parte de la energía la devuelve al espacio en forma de energía infrarroja. Los gases invernadero absorben esta energía, calentando la superficie de la tierra y el aire circundante. De no existir estos gases, la Tierra tendría una temperatura de -20°C. Este es el efecto beneficioso de estos gases. En las últimas décadas, algunas actividades humanas están provocando desequilibrios en el medioambiente con consecuencias nefastas para la humanidad y para sus obras. En los gases invernadero, se ha producido un enorme incremento de algunos de ellos, como el CO2, causado por la quema indiscriminada de combustibles fósiles (como el carbón y el petróleo y sus subproductos); por la deforestación de los bosques, por las emisiones de la industria del cemento, etc. Este aumento tiene varios efectos, principalmente traducido en el aumento de la temperatura media sobre la superficie de la tierra, cambio climático que actúa principalmente sobre los seres vivos, pero también sobre el resto del planeta. A fines del siglo XIX, la concentración de CO2 en ambientes rurales era de 0.028% y hoy se estima en 0.037%.(370 ppm) (Nuclear issues, 2007) En ambientes urbanos, fuertemente industriales, como Santiago, puede crecer hasta en 10 veces. Un subproducto del aumento del CO2 atmosférico es un aumento de las probabilidades de ataque al hormigón armado, material fundamental de las construcciones.
2.2 La humedad relativa del aire Al contenido de agua en el aire se le conoce como humedad relativa y se define como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua, es decir, es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene un metro cúbico de aire en unas condiciones determinadas de temperatura y presión y la que tendría si estuviera saturado a la misma temperatura y presión. La humedad relativa de una muestra de aire depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre. HR = e/E(100) = presión de vapor actual/presión de vapor a saturación(100). Para medir la humedad relativa del aire se utilizan el higrómetro y los psicrómetros que los hay de diferentes tipos.
Para que tenga lugar la carbonatación, debe haber presencia de humedad. Las humedades relativas entre el 50 y 60% favorecen al máximo la reacción de carbonatación. Humedades superiores al 80% dificultan la difusión de CO2 porque los poros se bloquean progresivamente con agua, evitando el ingreso del CO2 y el fenómeno no se presenta. En hormigones muy secos, el CO2 encuentra mucha dificultad para reaccionar sin la presencia de agua en los poros para que se disuelvan cantidades significativas de hidróxido de calcio. La velocidad de difusión del CO2 en el agua es cuatro veces menor que en el aire, por lo que demora cuatro veces más en alcanzar el frente de carbonatación y la velocidad de ésta disminuye considerablemente. Por este motivo se puede explicar por qué distintas fachadas de un edificio de hormigón, tienen distintas profundidades de carbonatación. Si una parte del edificio está expuesta al mar puede tener menos carbonatación debido a su constante contenido de humedad, mientras que, en otras partes del edificio, la carbonatación puede haber avanzado a niveles más profundos. En el caso de Santiago, hay mediciones durante 40 años que demuestran que las humedades relativas promedio están entre 40 y 70%, con lo cual, se configura una clara propensión a la carbonatación de los concretos. (Barrera, 2007c)
3. LA RESPONSABILIDAD DEL HORMIGÓN EN EL AUMENTO DEL CO2 ATMOSFÉRICO Se analiza la contribución de los componentes del hormigón en dicho aumento.
3.1. La contribución de la industria del cemento De acuerdo al estudio del Instituto Battelle, (Battelle, 2002), la industria del cemento es responsable por aproximadamente el 5% de las emisiones globales antropogénicas de CO2.. Las emisiones de gases invernadero, atribuibles al cemento, vienen de la combustión de combustibles fósiles en la manufactura del cemento (aproximadamente el 40% de las emisiones de la industria); transporte de materias primas (alrededor del 5%) y combustión de combustibles fósiles necesarias para producir la energía eléctrica consumida durante las operaciones de la producción de cemento.(aprox. 5%). Las emisiones restantes atribuibles al cemento (50% del total), se originan en el proceso que convierte la caliza (CaCO3) a óxido de Ca, precursor primario del cemento CaCO3 → CaO + CO2 Como se muestra en la ecuación de la reacción, es químicamente imposible convertir la caliza a óxido de Calcio, y de ahí al clinker, sin generar CO2, que es actualmente emitida a la atmósfera.
Estadísticas al 2002, muestran que en la Plantas cementeras de Sudamérica, el total de emisiones de CO2 fue de 109 millones de toneladas por año (comparadas con 90 de USA y 450 de China), representando una participación de un 8% de la producción de la industria de cemento.
3.2 Los otros materiales y las faenas de hormigonado Dado que el mayor aporte de CO2 lo hace la industria del cemento portland, frecuentemente se ignora la contribución de los otros componentes, aún cuando, como se verá, algunos merecen una especial consideración. Los otros componentes que participan alternativa o complementariamente como materiales cementantes son la escoria granulada de alto horno, que es un subproducto de la industria del acero, y las cenizas volantes, que son subproductos de la quema de carbón. Su contribución es responsabilidad de las industrias respectivas. Basadas en estadísticas internacionalmente aceptadas y en mediciones locales, en la Universidad de Monash, Australia, se efectuó una investigación en que se calcula no sólo la participación de cada uno de los materiales componentes del hormigón en la producción de CO2, sino además, la contribución de los principales procesos de la faena de hormigonado (Flower & Sanjayan, 2007) Se encontró que el cemento Pórtland es la fuente primaria de las emisiones de CO2, generadas por mezclas típicas comerciales, siendo responsable entre el 74 y 81% del total de emisiones de CO2. La fuente de emisiones de CO2 que la sigue en importancia, son los agregados gruesos, siendo responsables entre el 13 y el 20% del total de emisiones de CO2.. La mayor contribución proviene de la electricidad. (alrededor del 80%). La excavación con explosivos, el carguío y el transporte aportan menos del 25%. Los explosivos producen elevadas emisiones, pero se usan en pequeñas cantidades, contribuyendo muy poco en la producción del agregado grueso. Se encontró que la producción de una tonelada de agregado fino genera entre 30 y 40% de las emisiones que se generan en la producción de igual cantidad de agregado grueso. Ello, debido a que estos agregados son tamizados y no chancados. Los responsables son el diesel y la electricidad. Se estimó que las emisiones debidas a los aditivos son despreciables. Se determinó que las faenas de amasado, transporte y colocación aportan cantidades muy pequeñas de CO2 del total de las emisiones del hormigón. Las emisiones de CO2 generadas en mezclas de hormigón típicas de resistencia normal, usando cemento Pórtland como único conglomerante, se encontraron en el rango entre 0.29 y 0.32 tons de CO2 equiv./m3. Algunos materiales cementicios suplementarios como la escoria granulada de alto horno y las cenizas volantes, tienen el potencial de disminuir las emisiones de CO2 del hormigón, determinándose esta reducción en un 22% para la primera, y de 13 a 15% para la segunda, medida en mezclas típicas.
4. LA CARBONATACIÓN DEL HORMIGON Cuando actúan copulativamente las variables descritas, se puede desencadenar el fenómeno de la carbonatación explicado las publicaciones antes citadas. (Barrera, 2007a) Numerosas investigaciones han demostrado que el CO2, que difunde a través de la fase gaseosa de los poros del concreto, reacciona no sólo con la portlandita o Ca(OH)2 de la pasta de cemento endurecida, sino también con el silicato de calcio hidratado (C-S-H) y con los silicatos de Ca aún no hidratados. Mientras, el Ca(OH)2 y el CO2 reaccionan cuando están disueltos en el agua intersticial. Producida la reacción química, se produce carbonato de calcio (CaCO3), cuya principal misión es reducir el pH básico de 12,5 a 9, umbral en el que comienza la despasivación del acero de refuerzo, iniciándose el proceso de la corrosión de la armadura. Todo el proceso es muy lento, habiéndose estimado que avanza a una velocidad de 1mm por año. Los esfuerzos de los investigadores se han centrado en crear modelos matemáticos que permitan la predicción cuantitativa de la evolución de la carbonatación en el tiempo, estableciendo con precisión la velocidad de avance del frente carbonatado. Estos modelos toman en cuenta parámetros como la composición química del cemento; la composición del concreto (relación a/c, relación agr/cem, etc); concentraciones de CO2 y la humedad relativa de la atmósfera. Asimismo, se han hecho simulaciones matemáticoestadísticas para determinar la profundidad de la carbonatación. Dada la lentitud del proceso, con la consecuente imposibilidad de verificar estos modelos, se han diseñado cámaras de carbonatación acelerada, las cuales operan con distintas concentraciones de CO2 y permiten simular en pocos días el proceso que puede tomar varios años. 4.1 Velocidad de avance del frente de carbonatación Como en todo proceso de difusión, se puede suponer, en una primera aproximación desarrollada por Riki Sano (Hamada, 1968), que el avance del frente carbonatado depende de la raíz cuadrada del tiempo: x c = k c * Con:
kc =
1 k
t
(Ec. 1) (Ec..2)
Siendo: x c : Profundidad de la capa carbonatada en mm 0,5 k c : Constante de carbonatación en mm/año t : tiempo en años Luego la ecuación 1 queda: 2
t=k x (Ec. 3) Posteriormente, Hamada siguió desarrollando esta ecuación, agregando un factor de ajuste que considera el tipo de agregado pétreo, el tipo de cemento, además de la
terminación superficial y logró determinar una constante de carbonatación en función de la razón agua/cemento quedando la ecuación como sigue: 2
t=k x 2 R Siendo
(Ec. 4)
k = 0,3 (1,15 + 3 w) 2 (w – 0,25)
y:
(Ec. 5)
R = r c r a r s
(Ec. 6)
w corresponde a la razón a/c y r c , r a , r s se obtienen de las tablas siguientes: Tabla 1 Valores de la constante de ajuste R para la fórmula de Hamada. Tipos cementos
Cemento de portland
rc
Normal
Alta resistencia
Cemento siderúrgico 30-40% 60% escoria escoria
Cemento puzolánico
Cemento con ceniza volante
1
0,6
1,4
1,7
1,9
2,2
Tipos de agregados
Arena de río, grava Arena de río, grava Arena de pumicita, Ceniza volcánica de río de pumicita grava de pumicita (fina y gruesa)
ra
1
1,2
2,9
3,3
Terminación superficial
Plana
AEA
Agente dispersante
rs
1
0,6
0,4
El avance de la carbonatación, en función de la raíz cuadrada del tiempo, es un modelo que se ajusta muy bien a la realidad para ambientes con baja humedad, por ejemplo, en interiores de edificios. En ambientes con humedades relativas altas, el avance del frente carbonatado es más lento que el que predice la expresión, lo que sugiere una profundidad límite para el frente carbonatado (figura 1).
Figura 1. Avance del frente de carbonatación en función del tiempo.
El valor de la constante de carbonatación, k c , se puede obtener experimentalmente para un determinado caso, si se conoce el tiempo de exposición en años, midiendo la profundidad del frente de carbonatación. ½ Valores de k c entre 2 y 6 mm/año pueden corresponder a hormigones muy 3 compactos y con contenidos en cemento superiores a 350 kg/m ; valores entre 6 y 9 indican concretos de compacidad media; valores superiores a 9 significan hormigones 3 porosos de baja calidad, con contenido en cemento inferior a 250 kg/m y elevada relación agua/cemento. Se ha encontrado experimentalmente una buena correlación entre la resistencia a compresión de un concreto y su profundidad de carbonatación. A mayores resistencias, se tienen menores profundidades de carbonatación, En términos similares y apuntando una buena correlación entre resistencia a compresión y profundidad de carbonatación, se ha encontrado que, para resistencias a 3 compresión superiores a 25 MPa y para contenidos en cemento superiores a 300 kg/m , k c presenta un valor muy reducido pero, por debajo de estos límites, su valor se incrementa en forma drástica, pudiéndose dar los valores de la tabla.siguiente. Tabla.2 Valores de k c según su resistencia a compresión y contenido de cemento.
Variación de k c con la resistencia a compresión Resistencia a compresión (MPa) 10 40
Valor de k c (mm/año 15 2,5
1/2
)
1/2
)
Variación de k c con el contenido de cemento 3
Contenido de cemento (kg/m ) 200 400
Valor de k c (mm/año 15 2,5
El objetivo final de estos estudios es estimar la vida útil de las estructuras de concreto sometidas a carbonatación.
4.2. Efectos de la carbonatación en las estructuras de hormigón armado El autor ha estudiado los efectos de la corrosión de las armaduras, inducida por carbonatación, en edificios (habitacionales, institucionales, industriales, deportivos), puentes, pasos inferiores, estacionamientos subterráneos etc. (Barrera et al., 2003, 2005, 2007a, 2007b) y (Barrera, 2007b, 2008) El efecto principal es la corrosión de las armaduras y los agrietamientos y desconchados en los hormigones. En las fotos siguientes se muestran los daños más representativos en algunas estructuras en Santiago.
Figura 2 Puente sobre el Río Mapocho
Figura 4 Estadio Nacional. Viga
Figura 3 Paso bajo línea férrea al sur
Figura 5 Estadio Nacional. Junta dilatación
En los edificios, si bien todos los paramentos expuestos directamente a la acción atmosférica son potencialmente sujetos de ataque, los más propensos son los planos horizontales con pendiente inapropiada, pues permiten que la humedad ambiental o el agua de lluvia se acumule y pueda infiltrarse lentamente hacia el interior, llegando a traspasarlo, según sea su espesor. En este orden de cosas, los más críticos son los balcones, las marquesinas y losas de cubierta. En la fotos siguientes se muestran daños en edificios, representativos de esta patología, en diversas ubicaciones de la ciudad de Santiago de Chile.
Figura 6 Daño en fachada
.Figura 8 Daño en marquesina superior
Figura 10 Balcón en barrio Providencia
Figura 7 Daño en marquesina sobre piso 1
Figura 9 Daño en marquesina y ampliación
Figura 11 Balcón en barrio Av. Matta
Figura 12 Balcón barrio Las Condes
Figura 14 Balcón conjunto habitacional
Figura 13 Balcón barrio Mapocho
Figura 15 Balcones en centro antiguo
Como puede verse, la carbonatación no distingue entre barrios populares y acomodados. Se distribuye por igual en toda la ciudad de Santiago.
5. CONCLUSIONES El aumento del CO2 atmosférico ha sido creciente en las últimas décadas, producto de varias acciones antropogénicas, siendo una de las mayores contribuciones cuantitativas, el aporte de la industria del hormigón. Analizado este aporte, los mayores contribuyentes son la producción de cemento en un mayor porcentaje, seguido por la producción de áridos gruesos y, en menor cantidad, la de áridos finos. Los aportes de los aditivos y de las faenas de hormigonado son bajísimos y pueden despreciarse. El CO2 atmosférico, unido a la humedad relativa del aire, producen el fenómeno de la carbonatación del hormigón que, cuando tiene refuerzo, producen la corrosión de las armaduras y la degradación del hormigón, como pasos previos a su colapso estructural.
La corrosión de armaduras por carbonatación es un proceso de degradación del hormigón armado que está gobernado por múltiples variables, muchas de ellas, perfectamente controlables. Es la principal amenaza para las estructuras, particularmente los edificios, de centros urbanos, fuertemente industriales, en zonas con humedades relativas entre 40 y 70% como Santiago u otras áreas urbanas con similares características. medioambientales En los edificios, todos los paramentos o planos expuestos a la humedad son potencialmente peligrosos, en especial, los balcones y las marquesinas. Aun cuando es un proceso muy lento, sin embargo, aparecen señales en las estructuras que permiten darse cuenta que el proceso está en marcha. Debe aplicarse de inmediato un mantenimiento preventivo (o correctivo si el proceso estuviera muy avanzado) Si nada se hace, se podría llegar al colapso de algún miembro estructural. Pero, siempre es posible recuperar una estructura ya dañada, para lo cual hay que recurrir a los profesionales con experiencia al respecto.
6. REFERENCIAS Barrera, Hugo; Pérez, Horacio y Sandoval, Román (2003) “La Carbonatación en los Edificios de Santiago” XIV Jornadas Chilenas del Hormigón. Valdivia, Chile. Barrera, Hugo; Calcagno, Renato y González, Carolina (2005) “La Carbonatación de los Hormigones en Algunos Puentes sobre el Río Mapocho” XV Jornadas Chilenas del Hormigón. Santiago. Chile Barrera, Hugo (2007a) “Carbonatación en Edificios de Concreto: Dióxido de Carbono, el Enemigo Silencioso” Revista NOTICRETO N° 84, Bogotá, Colombia. Barrera, Hugo (2007b) “La Corrosión por Carbonatación en Balcones, Marquesinas, Terrazas y Planos expuestos en Edificios de Santiago”. XVI Jornadas Chilenas del Hormigón, Talca, Chile. Barrera, Hugo y Burgos, Julia. (2007a)“El Deterioro del Coliseo Central del Estadio Nacional de Santiago de Chile y su Rehabilitación” CONPAT 2007, Quito, Ecuador. Barrera, Hugo; Galarce, Danitza; Martínez, Constanza y Pineda, Carlos. (2007b) “Los Mecanismos de Transporte y su Influencia en la Corrosión por Carbonatación en el Hormigón Armado” XVI Jornadas Chilenas del Hormigón, Talca, Chile. Barrera, Hugo (2008) “Carbonatación en Edificios de Concreto Armado. ¡Es Urgente Hacer Algo Ahora!” XII Reunión del Concreto, Cartagena, Colombia. Battelle Institut (2002) “Climate Change” Substudy 8 Flower, DJM & Sanjayan, JG (2007) “Green House Gas Emissions due to Concrete Manufacture” Int.J.LCA 12 (5) 282-288 Nuclear Issues Briefing (2007) Paper 24 “Global Warming. The Science”
