Ataque de Sulfatos y Corrosión en El Concreto

Escuela Profesional de Ingeniería Civil - UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN Curso de Tecnología del Concreto II ~ Ing. Carlos Damiani Lazo

CAPITULO II ATAQUE DE SULFATOS Y CORROSIÓN EN EL CONCRETO 2.1. INTRODUCCIÓN.La mezcla de concreto está está conformada por materiales materiales de calidad convenientemente convenientemente dosificados y durante el proceso de elaboración, transporte, vaciado, consolidación y curado los ingenieros a cargo del proyecto se encargarán de que el proceso se realice adecuadamente, adecuadamente, asegurando la durabilidad de las construcciones. construcciones. Haciendo algo historia sobre este tema tenemos que las estructuras construidas durante el antiguo Imperio Romano, o las edificaciones contemporáneas con más de 100 años de antigüedad, brindan testimonio de la durabilidad del concreto, sin embargo, debemos pensar que estas estructuras perduran porque las condiciones y el tiempo que fueron construidas quizás le fueron favorables, pero hoy en día y con el desarrollo tecnológico en el que vivimos, debemos preocuparnos en utilizar cementos de mejor calidad y concretos relativamente impermeables, la contaminación se acrecienta producto de nuestra época, ofrece nuevos retos a la ingeniería, En los últimos 50 años se ha producido una importante cantidad de trabajos e investigaciones sobre el ataque químico al cemento y al concreto; que han sido recuperados en nutridos análisis bibliográficos. Sin embargo, el conocimiento alcanzado no guarda relación con la magnitud de las condiciones a las que será sometido. En general apreciamos falta de correlación en las investigaciones que en su mayoría dirigen en dos vertientes: sea desde un aspecto científico privilegiando las reacciones con que ocurren en la matriz orientados principalmente por químicos (Nanociencia), o se llevan con criterio tecnológico, dando importancia a la compacidad del material y considerando la cinética de la penetración del agua y de los gases en la estructura del concreto. “El concreto se comporta satisfactoriamente bajo exposiciones correspondientes a diferentes condiciones atmosféricas, a la mayoría de las aguas y suelos que contienen químicos, y bajo muchos otros tipos de exposiciones a agentes químicos. Sin embargo, existen algunos ambientes químicos en los cuales, a menos que se tomen medidas específicas, la vida útil aún del mejor concreto será muy breve. Comprender estas condiciones permite tomar medidas para evitar el deterioro o reducir la velocidad con la cual se produce. Son escasas o nulas las circunstancias bajo las cuales el concreto es atacado por agentes químicos sólidos secos. Para producir un ataque significativo sobre el concreto, los químicos agresivos deben estar en solución y presentes en una 24


concentración superior a una cierta concentración mínima. Un concreto que está expuesto a soluciones agresivas a presión en uno de sus lados es más vulnerable que uno que no lo está, ya que la presión tiende a forzar la solución agresiva hacia el interior del concreto” 14 A continuación presentamos un esquema que nos permitirá comprender las causas y los efectos que ocurren en los concretos que están en contacto con agua y la humedad del medio ambiente en su vida de servicio.

Fuente: Avances en Especificaciones de Durabilidad de Estructuras de Concreto / Ing. Carlos Arcila López

2.2. ATAQUE POR SUSTANCIAS QUÍMICAS AGRESIVAS. Generalmente el concreto es atacado por sustancias químicas en solución que sobrepasan un determinado nivel de concentración. El concreto es más vulnerable cuando se encuentra bajo el ataque de sustancias agresivas en solución ejerciendo presión sobre alguna de sus superficies, pues la presión tiende a forzar la entrada de la solución agresiva. El ataque de sustancias químicas sobre el concreto es, por lo general, el resultado de su exposición a sulfatos o ácidos. Algunos sulfatos están presentes en forma natural en el suelo, agua subterránea o ambiente marino y al estar en contacto con el concreto

INFORME DEL COMITÉ ACI 201 - CAPÍTULO 2 − EXPOSICIÓN A AGENTES QUÍMICOS AGRESIVOS

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le ocasionan daños. Existen dos reacciones químicas que intervienen en el ataque del concreto por sulfatos: 1. Combinación de los sulfatos con hidróxido de calcio [Ca (OH)2] (cal hidratada) liberada durante el proceso de hidratación del cemento. Esta combinación contiene sulfato de calcio [CaSO4] (yeso). 2. Combinación de yeso y aluminato de calcio hidratado [C4AH6] para formar sulfoaluminato de calcio [C3A·3CaSO4·31H20] (etringita). Estas dos reacciones dan como resultado un aumento en el volumen sólido. Debido a la segunda reacción se producen expansiones y rupturas del concreto causadas por soluciones de sulfatos. Cuando los sulfatos están en contacto con la superficie del concreto producen un debilitamiento y desintegración de ésta. El concreto está sujeto a los ataques de ciertos ácidos producidos por diversas situaciones, por ejemplo al quemarse un gran número de combustibles liberan productos que contienen gases sulfurosos que se combinan con la humedad y forman ácido sulfúrico el cual cae en forma de lluvia ácida. Las aguas de albañal o residuales al colectarse pueden formar ciertos ácidos. También las aguas de algunas minas y las aguas residuales industriales pueden contener ácidos que atacan al concreto. Los ácidos orgánicos de las industrias agrícolas o de las industrias manufactureras o de procesadoras presentan también un peligro para la integridad del concreto.

2.3. CAUSAS DEL ATAQUE QUÍMICO POR SULFATOS PROVENIENTES DE FUENTES EXTERNAS. Los sulfatos representan uno de los mayores riesgos de agresión química para el concreto, las reacciones químicas que incluyen la formación de productos expansivos en el concreto o mortero ya endurecido pueden dar lugar a efectos perjudiciales, ya que la expansión puede producir tensiones mecánicas internas que, eventualmente, se traducen en deformaciones y desplazamientos en diferentes partes de la estructura, en la aparición de grietas y fisuras, desconchados, etc. Una de las formas más frecuentes de ataque químico al concreto endurecido es la acción de los sulfatos. Los sulfatos son sales que afectan la durabilidad del concreto siempre y cuando estén en solución, ya que estos en condición anhidra no producen ningún ataque, por lo general consisten en sulfatos de Sodio, Potasio, Calcio, Magnesio. Muchas de estas sustancias se encuentran en forma de minerales, a continuación se da un listado de estos nombres y su composición general:  

anhidrita CaSO4 basanita CaSO4 · 1/2H2O

tenardita Na2SO4 mirabilita NaSO4 · 10H2O 26


   

yeso CaSO4 · 2H2O arcanita K2SO4 kierserita MgSO4·· H2O glauberita Na2Ca(SO4)2 epsomita MgSO4 · 7H2O langbeinita K2Mg2(SO4)3 taumasita Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)1 · 12H2O

El ión sulfato se encuentra en el suelo. Normalmente en zonas áridas, se pueden presentar en las arenas como material de aporte y en rocas carbonatadas de origen sedimentario, y pese a que pueden no estar en muy alta concentración, si se producen ciclos de humedecimiento y secado sobre el concreto, la concentración puede incrementarse y causar deterioro. Además se encuentra en mayor o menor proporción en todas las aguas libres subterráneas y en solución en agua de lluvia. El agua que se utiliza en las torres de enfriamiento de concreto también puede ser una potencial fuente de ataque por sulfatos debido a la evaporación, particularmente si estos sistemas utilizan cantidades relativamente pequeñas de agua de reemplazo. También se encuentra en aguas contaminadas por desechos industriales, como industrias asociadas con la fabricación de químicos, baterías, aluminio, escorias del procesamiento del hierro, cenizas, etc. El agua de mar y los suelos costeros embebidos en agua de mar constituyen un tipo de exposición particular, que se explico con anterioridad. Resumiendo los sulfatos pueden ser de origen natural, biológico o provenir de la polución domestica e industrial. Los principales factores que afectan al ataque severo de sulfatos en los concretos son: 1. 2. 3. 4.

La permeabilidad del concreto. Los contenidos de sulfatos en solución de agua. Contenidos de C3A Contenidos de Ca (OH)2

2.4. EFECTOS DEL ATAQUE QUÍMICO POR SULFATOS PROVENIENTES DE LA REACCIÓN DEL CONTENIDO DE ALUMINATO TRICÁLCICO DEL CEMENTO EN SU PROCESO DE HIDRATACIÓN. El endurecimiento y fraguado del concreto son el resultado de procesos químicos y físicos entre el cemento portland y el agua, que se denominan hidratación. El clínker de cemento Portland contiene 4 compuestos químicos mayoritarios, los minerales de clínker, que son : C3S = silicato tricálcico, C2S = silicato dicálcico, C3A = aluminato tricálcico y C4AF = ferrita aluminato tetracálcico (Esta fórmula es la composición promedia de una serie de soluciones sólidas entre C6A2F y C6AF2), junto con varios compuestos minoritarios, como MgO, cal libre y sulfatos de álcalis. Al salir del horno el clínker es enfriado y luego es molido junto con yeso (CaSO4.2H2O o más abreviado 2 CSH) formándose así el cemento Portland. La cantidad de minerales 27


principales en el clínker puede variar y por eso el cemento Portland puede tener distintas propiedades. Los minerales C3S y C2S constituyen, generalmente, el 75-80 % del peso del cemento Portland. Las distintas propiedades se refieren, principalmente, a las diferencias en contenidos de C3S y C3A. Las reacciones químicas que describen la hidratación del cemento son muy complejas. Para poder entender los procesos químicos que determinan el fraguado del cemento, es necesario estudiar la hidratación de cada uno de los minerales de clínker por separado. Esto supone que la hidratación de cada compuesto es un proceso independiente de los otros procesos que tienen lugar durante la hidratación del cemento. Esta es una suposición y no siempre es válida, ya que las reacciones entre los compuestos de hidratación pueden tener consecuencias importantes pero, por lo menos con respecto a la hidratación de los silicatos, la suposici6n es bastante representativa. Entre los minerales presentes en el cemento de Portland, el aluminato tricalcico, C 3A es el más reactivo con el agua y tiene una influencia significativa sobre la temprana hidratación y la reología del cemento Portland y concreto. El comportamiento durante hidratación del C3A, como el de los de otros minerales del clinker, depende de varios factores tales como: temperatura, relación agua/cemento, superficie específica del C3A, procedimiento de mezclado y presencia de adiciones.

2.4.2. HIDRATACIÓN EN AUSENCIA DE YESO Cuando el aluminato tricalcico, C3A, se pone en contacto con agua, la reacción inicial que se produce puede dar como resultado un fraguado rápido de la pasta de cemento, causado por la formación rápida de los hidratos de aluminato de calcio. 2C3A + 21H

C4AH19(13) + C2AH8 (Hidratos hexagonales) ∆ H = -340 KJ/mol. (i)

→

Estos hidratos, que son miembros del grupo AFm (A 12O3 - Fe2O3 - monosulfato), no son estables y se convierten fácilmente en otro hidrato, que es el C 3AH6, el cual aparece como partículas icosatetraedricas. C4AH13 + C2AH8

2 C3AH6 + 9H (Hidratos cúbicos)

→

En la Figura (1) la fotografía al microscopio puede verse la morfología típica de los hidratos hexagonales y cúbicos. Un material tipo gel, aparentemente, es el precursor de los hidratos hexagonales, que crecen primero como escamas finas e irregulares, de baja cristalinidad. Con el tiempo, dichas escamas dan lugar a láminas u hojas mejor cristalizadas hexagonales, con las composiciones C2AH8 y C4AH19. Estos cristales tienen una estructura de capas consistiendo láminas Ca 2 Al (OH)6+ + con iones Al (OH) 28


o (OH)- en la región interlaminar, que equilibran la carga neta positiva de la capa, junto con el H2O. 4−

Figura (1) : Micrografias de los productos de hidratación del C3A en ausencia de yeso. (a).- Gel consistente en laminillas irregulares. (b).- Escamas hexagonales de CnAH1m (c).- C4AH19 hexagonal y C3AH6 cúbico. (d).- C3AH6 cúbico. La alta evolución de calor que acompaña la ecuación (i), significa que la temperatura en una pasta de C 3A durante la hidratación fácilmente puede subir muchos grados Celsius. Por encima de 30 ºC la conversión de C4AH13 y C2AH8 en C3AH6 es muy rápida. Una vez que se han formado núcleos de cristales de C 3AH6 los cristales crecen también fácilmente a temperaturas inferiores a 30 ºC. La figura (2) muestra la curva que da la evolución de calor y la secuencia de la hidratación. Existe una reactividad inicial alta seguida de un período de baja reactividad. Ello puede ser debido a que los 29


productos iniciales de la hidratación (hidratos hexagonales) forman una barrera protectora sobre la superficie de las partículas de C3A. Seguidamente la conversión de los hidratos hexagonales a cúbicos rompe la barrera protectora y la hidratación prosigue de nuevo rápidamente, y viene acompañada por un gran desprendimiento de calor. El momento en el que los hidratos hexagonales se convierten en cúbicos depende de las condiciones de la reacción (temperatura, presencia de núcleos de C 3AH6 , etc). Los compuestos, orgánicos o inorgánicos, que estabilizan los hidratos hexagonales con respecto a los cúbicos, retardaran la hidratación del aluminato tricalcico, C3A

Por encima de 80 ºC, el C3AH6 puede formarse directamente: C A3 + 6H

→

C3AH6 ∆ H = -240 KJ/mol (ii)

La conversión de los hidratos hexagonales a cúbicos conduce a un aumento de la porosidad y a una rotura de la microestructura, que da lugar a una pérdida de resistencia de la pasta. Por su parte, la formación directa del C 3AH6 (reacción (3)) da como resultado una matriz resistente.

Figura Nº 2 Hidratación del Aluminato Tricálcico sin yeso (izq. La curva de calorimetría – der. Secuencia de hidratación)

2.4.2. HIDRATACIÓN EN PRESENCIA DE YESO. El yeso permite regular la hidratación del aluminato tricalcico, C3A, que en ausencia de iones sulfato, SO42-, tendría como consecuencia un fenómeno de fraguado rápido del cemento, formando directamente aluminatos hidratados (Reacciones autocataliticas). En presencia de iones sulfato, las reacciones de hidratación son reemplazadas por unas más lentas, que como en el caso del C 3S se desarrollan según una secuencia en la que existen variaciones de velocidad. Sin embargo, la duración de las diferentes 30


etapas de reacción es más grande en el caso del C 3A. La figura (3) muestra un diagrama cinético simplificado de las reacciones del aluminato tricálcico en presencia de yeso y de cal. Este sistema reproduce el medio químico que se encuentra el C 3A en una pasta de cemento. La curva calorimétrica de la hidratación de C3A, que se muestra en la figura (3), es cualitativamente parecida a la curva de C 3S, aunque las reacciones comprendidas son muy distintas y la cantidad de calor desarrollado mucho más elevada. El primer pico de calor se forma durante los primeros 10 a 15 minutos y, principalmente, se debe a la formación de etringita. El segundo pico coincide con la conversión de etringita a monosulfato y el tiempo que pasa antes de que la conversión empiece depende de la cantidad de sulfato disponible.

Figura Nº 3 Hidratación del Aluminato Tricálcico con Yeso (izq. Curva de calorimetría y der. Secuencia de Hidratación del C3A con el Yeso en presencia de cal

Si hay una gran cantidad de yeso disponible en el sistema, etringita puede quedarse estable mucho más tiempo. La conversión a monosulfato suele ocurrir entre 12 a 36 horas en casi todos los cementos, es decir, cuando se ha utilizado todo el yeso para formar etringita. En la hidratación del C3A pueden distinguirse los siguientes periodos: (i).- Periodo inicial. (ii).- Periodo de retardo (iii).- Periodo de espesamiento del yeso. (iv).- Reacciones a largo plazo.

2.5. RESISTENCIA A LOS SULFATOS Los sulfatos representan uno de los mayores riesgos de agresión química para el concreto. Las reacciones químicas que incluyen la formación de productos expansivos en el concreto o mortero ya endurecido pueden dar lugar a efectos perjudiciales, ya que la expansión puede producir tensiones mecánicas internas que, eventualmente, se 31


traducen en deformaciones y desplazamientos en diferentes partes de la estructura, en la aparición de grietas y fisuras, desconchados, etc. Los cuatro fenómenos asociados con reacciones químicas expansivas son los siguientes: 1.- Ataque por los sulfatos. 2.- Ataque álcali – agregado (árido). 3.- Hidratación retardada de la cal libre y de la periclasa (MgO). 4.- Corrosión de las armaduras en el concreto. Los sulfatos pueden ser de origen natural, biológico o provenir de la polución doméstica o industrial. Los sulfatos están presentes en los suelos donde constituyen un elemento nutritivo de las plantas. Su concentración, habitualmente, es bastante pequeña variando, en media, entre el 0.01 y 0.05 % sobre suelo seco. Sin embargo, no es raro encontrar valores mucho más elevados, superiores al 5 %, en regiones donde el subsuelo puede contener yeso o anhidrita. Los suelos aluviales y arcillosos son susceptibles de contener piritas que se oxidan a sulfatos en contacto con el aire y la humedad con formación de ácido sulfúrico. Este último, por reacción con el carbonato de calcio, finamente repartido en el suelo, puede dar lugar a la formación de yeso. Los sulfatos presentes en el suelo pueden provenir también de la descomposición biológica aerobia de sustancias orgánicas conteniendo azufre: estiércol, plantas en la superficie de los suelos. El sulfato de amonio, particularmente agresivo, resulta de la utilización intensiva de abonos en la agricultura. Las aguas subterráneas y las de infiltración en contacto con los suelos sulfáticos se cargan en iones SO42- . La solubilidad de algunos sulfatos en el agua a 20 ºC se da en la tabla (1). Depende de la temperatura y de la presencia de otras sales. Así, la solubilidad del yeso en un agua cargada de cloruro de sodio se incrementa de forma significativa. El yeso y la anhidrita muestran un máximo de solubilidad a 40 ºC. Los elevados contenidos de sulfatos de las aguas subterráneas son debidos esencialmente a los sulfatos alcalinos a al sulfato de magnesio.

Tabla Nº1: Solubilidad de diferentes sulfatos en el agua (temperatura 20ºC)

En las zonas industriales (industria química, fabricación de abonos, coquerías, galvanización, fotografía, etc) la contaminación de las aguas subterráneas puede 32


conducir a concentraciones muy superiores a los límites de agresividad generalmente admitidos, situándose en el entorno de 1500 mg/l. Por otra parte, en las zonas industriales y en las grandes aglomeraciones urbanas, la combustión del carbón y de, con más o menos contenido de azufre, desprende dióxido de azufre (SO2), que en presencia de oxígeno y de humedad, conduce a la formación de ácido sulfúrico. El efecto indirecto de los humos cargados de dióxido de azufre se manifiesta en las ciudades donde y la degradación de ciertas fachadas son, a menudo, debidas a la formación superficial de yeso y la fijación de polvos (cenizas, partículas carbonosas, etc.). Excepcionalmente, la fuente de sulfatos puede ser interna, es decir, provenir del propio concreto debido a una contaminación de los áridos o a la utilización de áridos con presencia de yeso. La presencia de sulfuros en ciertos áridos puede también contribuir a aumentar el contenido de sulfatos por oxidación de aquellos.

2.6. PROCESOS DE ATAQUE DE SULFATOS La degradación de los concretos por la acción de los sulfatos se debe, principalmente, a los fenómenos de expansión relacionados con la cristalización de etringita denominada “secundaria”, para diferenciarla de la “primaria” , que se obtiene en las primeras etapas de hidratación del cemento Pórtland por reacción del yeso y del aluminato. Esta etringita “primaria” nunca da lugar a fenómenos de expansión. La formación de la etringita “secundaria” se realiza en dos etapas: (i).- Formación de yeso “secundario”, como resultado de una reacción de sustitución entre la portlandita, Ca(OH)2, y el sulfato. En el caso del sulfato de sodio se tiene: Ca(OH)2 + Na2SO4 + H2O

CaSO4 .2H2O + NaOH (iii)

→

Si el contenido en sulfato es elevado, superior a 1000 mg/l, y si la concentración local de iones Ca2+ y SO42- en la fase liquida intersticial del hormigón excede el producto de solubilidad del yeso, este último precipitará. El volumen del sólido precipitado representa un poco más del doble del de los productos de partida, con lo que puede presentarse un fenómeno de expansión. Sin embargo, en la mayoría de los casos dicha reacción está limitada en la medida que el yeso se forma según un proceso de disolución y cristalización en los espacios libres de la pasta endurecida. (ii).- Reacciones entre el yeso “secundario” y los aluminatos de calcio del cemento formando etringita. Se pueden presentar varios escenarios:  A partir de restos de aluminato tricálcico, C3A, anhidro: C3A + CaSO4 .2H2O + (24-26) H2O C3A.3CS.H32 (iv) →

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

A partir de aluminato tetracalcico hidratado , C 4AH13, C3A + CaSO4 .2H2O + (24-26) H2O C3A.3CS.H32 (v) →



A partir del monosulfoaluminato de calcio (MSA), C3A.CS.H12, que es el producto de hidratación cuando el contenido de es superior al 5 %. C3A + CaSO4 .2H2O + (24-26) H2O C3A.3CS.H32 (vi) →

Según sea la composición de la fase liquida, en particular del contenido de calcio, la cristalización de la etringita puede ser expansiva o no. Si el contenido de calcio es alto según se desprende de los datos de la tabla (2), la solubilidad de la etringita es muy pequeña formándose una disolución fuertemente sobresaturada, con lo que la velocidad de nucleación de la etringita es muy superior a la de crecimiento de sus cristales, produciéndose una formación en masa de cristales muy pequeños de naturaleza más o menos coloidal de baja densidad (Figura 4a). La nueva masa sólida formada, cuyo volumen molar es de 3 a 8 veces mayor que el de la masa inicial, desarrolla tensiones muy elevadas debidas a las presiones de cristalización que acompañan su formación.

Tabla Nº2: Solubilidad de la etringita, a 25 ºC, en función del contenido en CaO de la solución

Por el contrario, en los cementos que liberan menos portlandita la etringita precipita a partir de disoluciones con un grado de saturación menor, formando cristales de forma acicular bien formados con una densidad mayor y, por tanto, el aumento de volumen que se produce es menor que en el caso anterior y se acomoda a los vacíos intersticiales existentes en el hormigón, no dando lugar a fenómenos de expansión (Figura 4.b). Los sulfatos más agresivos frente al hormigón son los sulfatos de magnesio, de amonio, de calcio y de sodio. El sulfato de magnesio es fuertemente agresivo debido a la doble acción del catión Mg2+ que se cambia con el Ca 2+ y del anión SO42- , según las reacciones: Ca(OH)2 + MgSO4 _ CaSO4 + Mg(OH)2 (vii) C3A + CaSO4 .2H2O + 26H2O _ C3A.3CS.H32 (viii) 34


C- S - H + MgSO4 _CaSO4 .2H2O + (C, M) – S – H (ix)

Figura Nº 4 : Micrografías de las Estringita (a).- Etringita masiva expansiva mal cristalizada formada topoquimicamente. (b).-Cristales bien formados de etringita no expansiva precipitados a partir de la solución.

Los cambios del Mg2+ con el Ca2+ conducen a la formación de brucita Mg(OH)2 , que puede ralentizar temporalmente la penetración de los sulfatos. También provocan la transformación progresiva de C- S – H en un silicato de magnesio hidratado M - S – H sin propiedades ligantes. Además, la cristalización de etringita, inestable en presencia de sulfato de magnesio, intensifica la reacción de formación del yeso. El sulfato de calcio, presente en los suelos en forma de yeso y anhidrita y en las aguas subterráneas selenitosas, es agresivo para el concreto a pesar de su pequeña solubilidad (Tabla Nº 2). El proceso de degradación, más lento que en el caso del sulfato de magnesio y de amonio, se debe esencialmente a la formación de etringita expansiva. El sulfato de sodio, muy soluble, entraña una degradación por formación de yeso y de etringita expansiva, cuyas proporciones relativas son función de la concentración de iones SO42- y del contenido de aluminato tricálcico del cemento. El yeso precipita para concentraciones de 1000 mg de SO4 2- /l. Los C – S – H, menos sensibles que la portlandita, no se ven afectados directamente por el sulfato de sodio, pero si son susceptibles de descomponerse en una segunda fase por lixiviación parcial de su cal y posterior formación de yeso. El sulfato de potasio tiene una acción similar a la del sulfato de sodio, pero la velocidad de ataque es un poco más lenta. En la figura Nº5, se puede observar que la resistencia química del concreto aumenta con la dosificación de cemento, es decir con la compacidad del concreto. Así mismo, la 35


velocidad de degradación es prácticamente proporcional al porcentaje de C 3A del cemento, hasta contenidos del 10 % aproximadamente.

Figura Nº 5.- Influencia de la dosificación de cemento y de su contenido en C3A sobre la velocidad de degradación del hormigón.

Por otra parte, no solamente hay tener en cuenta el contenido de C3A del cemento, sino el valor de la relación (C3A) / (SO3). La figura Nº 6 muestra que mantener el valor de dicha relación por debajo de 3 es buen criterio para una adecuada resistencia del concreto frente al agua de mar.

Figura Nº 6 Relaciones entre los contenidos de C 3A y SO3 del cemento y el hinchamiento de morteros conservados en agua de mar durante un año.

Además de la figura anterior se puede deducir lo siguiente:

36








Si el contenido de SO3 es inferior al 3 %, el hinchamiento es pequeño ( < 1000 mm/m), aunque el contenido de C 3A sea elevado (12,8 %). Si el contenido de C 3A sobrepasa el 7 % el hinchamiento aumenta rápidamente si el contenido de SO3 es superior al 3 %. Los contenidos elevados de SO3 no causan expansiones excesivas si el contenido de C3A permanece bajo (< 2 %).

2.7. PROTECCIÓN DEL CONCRETO CONTRA EL ATAQUE DE SULFATOS La protección contra los ataques por sulfatos se logra utilizando concretos que retrasen el ingreso y el movimiento del agua e ingredientes adecuados para producir concretos que tengan la resistencia a los sulfatos necesaria. El ingreso y el movimiento del agua se reducen disminuyendo la relación a/c. Se debe tener cuidado para asegurar que el concreto se diseñe y construya de manera tal de minimizar la fisuración por contracción. Incorporar aire resulta beneficioso si es acompañado por una reducción de la relación a/c (Verbeck 1968). Para minimizar el ingreso y el movimiento del agua, la cual es la portadora de las sales agresivas, es fundamental colocar, compactar, acabar y curar el concreto adecuadamente. Las normas ACI 304R, ACI 302.1R, ACI 308.1, ACI 305R y ACI 306R recomiendan procedimientos para realizar estas operaciones. La resistencia a los sulfatos del cemento pórtland generalmente disminuye cuando aumenta el contenido calculado de aluminato tricálcico (C 3A) (Mather 1968). La norma ASTM C 150 incluye al cemento resistente a los sulfatos Tipo V, para el cual el contenido máximo calculado de C3A permitido es de 5%, y el cemento moderadamente resistente a los sulfatos Tipo II, para el cual el contenido máximo calculado de C3A permitido está limitado a 8%. También hay algunas evidencias que indican que la alúmina presente en la fase aluminoferrítica del cemento pórtland podría participar en los ataques por sulfatos. En consecuencia, la norma ASTM C 150 establece que en el cemento Tipo V el contenido de C 4A+2C3A no debe ser mayor que 25%, a menos que se invoque el requisito alternativo que se basa en el uso del ensayo de comportamiento (ASTM C 452). En el caso del cemento Tipo V, en lugar de los requisitos químicos se puede utilizar el ensayo de expansión por sulfatos (ASTM 452) (Mather 1978b). Patrias (1991) discute el uso de ASTM C 1012. En la Tabla Nº 3 presentamos recomendaciones acerca de la máxima relación a /c para los concretos que estarán expuestos a sulfatos presentes en el suelo o el agua subterránea. Las dos recomendaciones son importantes. Para lograr una resistencia satisfactoria a los ataques por sulfatos no alcanza con establecer limitaciones relacionadas con el tipo de material cementicio a utilizar (Kalousek et al. 1976). 37


La Tabla Nº 3 contiene recomendaciones para diferentes grados de exposición potencial. Estas recomendaciones están diseñadas para proteger al concreto contra los sulfatos provenientes de fuentes externas, como por ejemplo aquellos presentes en el suelo y el agua subterránea. Tabla Nº 3 Requisitos para proteger al hormigón contra los daños provocados por ataques por sulfatos provenientes de fuentes externas

* En los informes de los análisis químicos realizados sobre los cementos pórtland, el sulfato expresado como SO4 se relaciona con el sulfatoexpresado como SO3 de la siguiente manera: SO3% × 1,2 = SO4% † La norma ACI 318 incluye requisitos para condiciones de exposición especiales, por ejemplo para el hormigón con armaduras de acero que puede estar expuesto a cloruros. Para los concretos que probablemente estarán sujetos a estas condiciones de exposición, si es menor que el valor indicado en la Tabla 2.3, w/c debería ser como se especifica en el Capítulo 4 del ACI 318. ‡ Estos valores se aplican para el concreto de peso normal. También se aplican al concreto estructural liviano, excepto que las máximas relaciones w/c requeridas (es decir 0,50; 0,45 y 0,40) se deberían reemplazar por una resistencia a la compresión especificada a 28 días igual a 26, 29 y 33 MPa (3750, 4250 y 4750 psi) respectivamente. § En las Secciones 2.2.5, 2.2.6 y 2.2.9 se describen equivalentes para el caso de exposición Clase 1. En las Secciones 2.2.5, 2.2.7 y 2.2.9 se describen equivalentes para el caso de Exposición Clase 2. En las Secciones 2.2.5, 2.2.8 y 2.2.9 se presentan recomendaciones para las puzolanas y escorias para el caso de Exposición Clase 3. En obra, las condiciones de exposición del hormigón a los sulfatos son muchas y muy variables. Entre otros factores, la agresividad de las condiciones depende de la saturación del suelo, del movimiento del agua, de la temperatura y la humedad ambiente, de la concentración de los sulfatos y del tipo de sulfato o combinación de sulfatos involucrados. Dependiendo de estas variables, generalmente las soluciones 38


que contienen sulfato de calcio son menos agresivas que las que contienen sulfato de sodio, las cuales a su vez en general son menos agresivas que las que contienen sulfato de magnesio. La Tabla Nº3 presenta criterios cuyo objeto es maximizar la vida útil de los concretos expuestos a las condiciones de exposición más agresivas. Se puede establecer que las cenizas finas, las puzolanas naturales, los vapores de sílice y las escorias son adecuados para proveer resistencia a los sulfatos demostrando que su expansión es ≤ 0,10% en un año al ser ensayados individualmente con cemento pórtland de acuerdo con la norma ASTM C 1012.

2.8. EVALUACIÓN DE LOS CONTENIDOS DE SULFATOS EN EL CONCRETO Para evaluar la severidad de la potencial exposición del hormigón a cantidades perjudiciales de sulfatos se deberían tomar muestras del agua que podría llegar al hormigón o del suelo que podría ser lixiviado por el agua que se desplaza hacia el hormigón. El Apéndice A presenta un procedimiento para preparar un extracto acuoso a partir de las muestras de suelo que se puede utilizar para analizar los sulfatos. Este extracto se debería analizar para determinar la presencia de sulfatos utilizando algún método adecuado según la concentración de sulfatos en la solución

Apéndice A – MÉTODO PARA PREPARAR UN EXTRACTO PARA ANALIZAR LOS SULFATOS SOLUBLES EN AGUA PRESENTES EN EL SUELO Pérdida por ignición: Determinar la masa de una porción representativa de suelo (aproximadamente 100 g) en un depósito cerámico de masa conocida. Registrar la masa del depósito más la muestra. Secar a 110ºC durante la noche. Retirar y disecar hasta que esté frío. Registra la masa seca. Calcular la pérdida por ignición de la siguiente manera: %PpI 100ºC = 100 × [masa muestra + crisol antes del secado (g) – masa muestra + depósito después del secado (g)] / [masa de la muestra antes del secado)] Triturado Triturar la muestra de suelo seco hasta que pase un tamiz de 600 μm.

Extracción: Determinar la masa de una muestra de 10 g de suelo secado al miligramo más próximo. Registrar la masa de la muestra. Colocar suelo en un vaso de 400 mL y agregar una barra para agitar. Agregar 200 mL de agua desionizada a temperatura ambiente. Cubrir el vaso con un vidrio. Agitar utilizando una placa de agitación mecánica durante 1 hora, verificando que todo el suelo esté suspendido en el agua. Filtrar la solución a través de un papel de filtro Whatman 40 utilizando un embudo Buchner y un matraz de 500 mL. Si la solución continúa turbia filtrar nuevamente a través de papel de filtro Whatman 42 o un filtro Millipore. Transferir sin enjuagar a una botella Nalgene de 250 mL. Bibliografía: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion7.HidratacionCEMENTO.pdf) Guía para la Durabilidad del Hormigón - ACI 201.2R-01 39

Ataque de Sulfatos y Corrosión en El Concreto

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