RELACIÓN ENTRE QUÍMICA Y CONSTRUCCIONES CONST RUCCIONES CIVILES Alguna vez te has detenido a pensar: ¿De qué sustancias está hecho el cemento? ¿Cómo es que el cemento y la cal reaccionan con el agua y se forma una piedra? ¿De qué manera un concreto se hace más resistente? ¿Qué es el acero? ¿Sabes en qué consiste el análisis de suelos? ¿Cuáles son los agentes que afectan la durabilidad del concreto? ¿Cuáles son los aditivos químicos que aceleran y retardan el fraguado del concreto? Preguntas como las anteriores y muchas otras, marcan la pauta para establecer la relación Química-Construcciones Civiles. Antes de responder estas y otras preguntas, debes saber: ¿Qué es la Química? ¿Cuál es la importancia de la Química? ¿Cómo es la relación entre la Química y las Ingenierías? LA QUÍMICA, SU IMPORTANCIA, SU CAMPO DE ACCIÓN Y LA RELACIÓN CON LAS INGENIERÍAS Y EL MUNDO INTRODUCCIÓN Estamos viviendo la época dorada de la Química rodeada por sus productos, tejidos, tinturas, pinturas, plásticos, papel, vidrio, metales, medicamentos, además, la química puede decirnos mucho acerca ace rca de los problemas modernos como son: la disposición de los desechos industriales, la polución, el calentamiento global, la contaminación ambiental y la búsqueda de nuevas fuentes de energía, por lo cual la química es definitivamente comprensible, seductora y segura. La química es fundamental y necesaria para entender y comprender: la ciencia de los materiales, la medicina, la biología, casi todas las ramas de la ingeniería y otras ciencias. Además, la química desempeña un papel importante en nuestra economía, pues las sustancias químicas afectan nuestra vida diaria de múltiples maneras. JUSTIFICACIÓN La era que estamos viviendo se conoce como ―ERA ATÓMICA y el átomo es la base del estudio de la química; por lo tanto, vivimos en la Era de la Química y en consecuencia se debe pensar en profesionales egresados de las áreas de Ciencias Exactas e Ingenierías, en cuya preparación académica, se incluyan los conocimientos de las transformaciones permanentes de la materia, sus cambios de energía, estructura, propiedades y su relación con el entorno como base formativa general para la posterior aplicación de los conceptos y métodos de la ciencia. LA QUÍMICA EN LA INGENIERÍA La Ingeniería es considerada como el área del quehacer humano, encargada de “transformar” los descubrimientos científicos, en aparatos, instrumentos, dispositivos, etc. que puedan beneficiar a la sociedad; sin embargo, esto no implica necesariamente que no se den avances científicos a partir de las ingenierías. Adicionalmente a esto, actualmente se sabe que cualquier avance científico o tecnológico es de carácter multidisciplinario.
Por otro lado, en la actualidad, con el conocimiento que se tiene sobre las reacciones químicas, es posible, la mayoría de las veces, fabricar “materiales sobre pedido”; es decir, materiales que reúnan ciertas características deseables, si no es que ideales para el fin al cual serán destinados. Sin embargo, por lo general, no son los químicos los encargados de aprovechar las propiedades de los materiales; de esto se encargan principalmente los ingenieros, ya que, valga la expresión, “con su ingenio, son capaces de aprovechar al máximo las características y las propiedades de un material particular”. Por lo anterior, todo ingeniero, debe tener una educación integral en el conocimiento de los principios básicos de las ciencias exactas, entre las que se encuentra la Química, a fin de que pueda comprender, lo mejor posible, los cambios que ocurren no sólo en la naturaleza, sino también en los procesos industriales y en los eventos de la vida diaria; además, esos conocimientos le proporcionan las herramientas necesarias para que, dado el caso, pueda optimizar procesos, explicar fenómenos y crear o mejorar dispositivos que redunden en beneficios a la sociedad. Adicionalmente a lo anterior, resulta de singular importancia que el ingeniero conozca el lenguaje técnico básico de las ciencias exactas, para que pueda comprender la literatura especializada en los avances científicos y tecnológicos. En ocasiones, no resulta sencillo identificar en cuáles áreas de las ingenierías se ve involucrada la Química. En este artículo se mencionan algunas áreas y/o actividades de las ingenierías en las que puede observarse, claramente, la importancia de conocer algunos de los conceptos básicos de Química. Para empezar, tenemos que una de las principales áreas de desarrollo de la Ingeniería Civil es la industria de la construcción, donde es indispensable el empleo de cementos y concretos de diferentes tipos; por ejemplo, concretos de fraguado rápido, concretos que inhiben el crecimiento de bacterias, concretos impermeables, etc. Las diferencias en las características físicas y químicas de cada concreto dependen de su composición química; por lo que, resulta de singular importancia que los ingenieros civiles conozcan los conceptos de: unidades de concentración, fuerzas intramoleculares, fuerzas intermoleculares y estructuras cristalinas, que les serán útiles para comprender y aprovechar al máximo las características de cada concreto. Un fenómeno común en la industria de la construcción es la corrosión de las estructuras metálicas; la cual no es otra cosa que una reacción electroquímica, que bien puede evitarse, minimizarse o incluso hacerse reversible. Otras áreas importantes de desarrollo de los ingenieros civiles, son la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Sanitaria, en las cuales el profesionista que pretende aplicar métodos de tratamiento físicos o químicos, de purificación a las aguas residuales, debe de entender claramente conceptos básicos como concentraciones (molar, normal, ppm o % en peso), pH, teorías ácido-base y las técnicas de valoración del grado de acidez de una sustancia. El Ingeniero Mecánico diseña, instala, opera y mantiene los elementos mecánicos que se emplean en las industrias de la transformación; por ello, debe tener amplios conocimientos de las propiedades de los materiales, las cuales dependen (como en el caso de los concretos), de la composición
Por otro lado, en la actualidad, con el conocimiento que se tiene sobre las reacciones químicas, es posible, la mayoría de las veces, fabricar “materiales sobre pedido”; es decir, materiales que reúnan ciertas características deseables, si no es que ideales para el fin al cual serán destinados. Sin embargo, por lo general, no son los químicos los encargados de aprovechar las propiedades de los materiales; de esto se encargan principalmente los ingenieros, ya que, valga la expresión, “con su ingenio, son capaces de aprovechar al máximo las características y las propiedades de un material particular”. Por lo anterior, todo ingeniero, debe tener una educación integral en el conocimiento de los principios básicos de las ciencias exactas, entre las que se encuentra la Química, a fin de que pueda comprender, lo mejor posible, los cambios que ocurren no sólo en la naturaleza, sino también en los procesos industriales y en los eventos de la vida diaria; además, esos conocimientos le proporcionan las herramientas necesarias para que, dado el caso, pueda optimizar procesos, explicar fenómenos y crear o mejorar dispositivos que redunden en beneficios a la sociedad. Adicionalmente a lo anterior, resulta de singular importancia que el ingeniero conozca el lenguaje técnico básico de las ciencias exactas, para que pueda comprender la literatura especializada en los avances científicos y tecnológicos. En ocasiones, no resulta sencillo identificar en cuáles áreas de las ingenierías se ve involucrada la Química. En este artículo se mencionan algunas áreas y/o actividades de las ingenierías en las que puede observarse, claramente, la importancia de conocer algunos de los conceptos básicos de Química. Para empezar, tenemos que una de las principales áreas de desarrollo de la Ingeniería Civil es la industria de la construcción, donde es indispensable el empleo de cementos y concretos de diferentes tipos; por ejemplo, concretos de fraguado rápido, concretos que inhiben el crecimiento de bacterias, concretos impermeables, etc. Las diferencias en las características físicas y químicas de cada concreto dependen de su composición química; por lo que, resulta de singular importancia que los ingenieros civiles conozcan los conceptos de: unidades de concentración, fuerzas intramoleculares, fuerzas intermoleculares y estructuras cristalinas, que les serán útiles para comprender y aprovechar al máximo las características de cada concreto. Un fenómeno común en la industria de la construcción es la corrosión de las estructuras metálicas; la cual no es otra cosa que una reacción electroquímica, que bien puede evitarse, minimizarse o incluso hacerse reversible. Otras áreas importantes de desarrollo de los ingenieros civiles, son la Ingeniería Ambiental y la Ingeniería Sanitaria, en las cuales el profesionista que pretende aplicar métodos de tratamiento físicos o químicos, de purificación a las aguas residuales, debe de entender claramente conceptos básicos como concentraciones (molar, normal, ppm o % en peso), pH, teorías ácido-base y las técnicas de valoración del grado de acidez de una sustancia. El Ingeniero Mecánico diseña, instala, opera y mantiene los elementos mecánicos que se emplean en las industrias de la transformación; por ello, debe tener amplios conocimientos de las propiedades de los materiales, las cuales dependen (como en el caso de los concretos), de la composición
química, de las fuerzas intermoleculares y de las fuerzas intramoleculares presentes. Además, los ingenieros mecánicos, también diseñan y construyen dispositivos y equipos para el campo de la bioingeniería y el uso de los biomateriales, por lo cual es básico que conozcan las propiedades de los materiales a emplear; finalmente, también incursionan en el campo de la industria minera, siderúrgica, petrolera, química y de generación de energía; por ello, deben tener conocimientos básicos de los conceptos empleados en Química. El Ingeniero en Minas y Metalurgia se encarga, principalmente, del aprovechamiento óptimo de los recursos minerales; para ello, debe conocer la composición de los minerales, la cual se determina mediante un análisis químico, que en ocasiones realiza el mismo ingeniero con pruebas de campo y debe saber interpretar los resultados de una prueba de acidez, contenido de carbonatos, contenido de sulfatos, pruebas a la flama, entre otras. Adicionalmente a las pruebas de campo, se tienen los análisis realizados en un laboratorio formal de Química, donde se determina la composición exacta de los minerales; lo que permite al ingeniero decidir si es conveniente la explotación del mineral y, si fuera el caso, cuál es el mejor método de extracción. El Ingeniero Petrolero tiene como principales actividades la programación, la ejecución y la dirección de los procesos de explotación de hidrocarburos, de agua y de energía geotérmica. Una vez que se ubica un yacimiento de petróleo, se debe analizar la composición química del mismo; por lo que el ingeniero debe interpretar adecuadamente los resultados del análisis, para elegir el método apropiado de explotación. Adicionalmente, cuando se está en el proceso de extracción, debe monitorearse continuamente la composición física y química del producto (petróleo) para que, de ser necesario, se modifiquen las condiciones de operación; todo esto implica que el ingeniero petrolero debe ser capaz de interpretar las diferentes unidades de concentración, el grado de acidez y conocer los diferentes métodos de purificación de una mezcla, lo cual es indispensable en la producción de hidrocarburos. Por otro lado, cuando el ingeniero petrolero desea aprovechar la energía geotérmica, debe conocer los conceptos de agua dura, agua blanda, incrustaciones y calor latente, entre otros. El Ingeniero Industrial tiene entre sus funciones, integrar, diseñar, planear, mantener, dirigir y controlar los sistemas productivos en las diversas industrias, dentro de las cuales se encuentra la industria química; por ello, el ingeniero industrial debe poseer conocimientos de las principales operaciones de una industria, como son los procesos de obtención, separación, refinación y pruebas de calidad de un producto. Para una correcta interpretación de los datos recabados en tales procesos, el profesionista debe conocer algunos de los conceptos básicos de química; como por ejemplo, métodos de separación, unidades de concentración, tipos de reacción, valoraciones potenciométricas, entalpía de reacción, equilibrio químico y reacciones electroquímicas. El Ingeniero Geofísico y el Ingeniero Geólogo tienen como principales funciones desarrollar métodos y técnicas para explorar el planeta, investigar y comprender los fenómenos físicos que en éste acontecen, a fin de estudiar su comportamiento, encontrar recursos naturales, o dar apoyo para la creación de obras de infraestructura. Resulta sencillo darse cuenta que, para encontrar recursos
naturales, como yacimientos de petróleo o vetas minerales, tiene que realizarse el análisis de los suelos, el cual involucra forzosamente un análisis químico, que debe ser adecuadamente interpretado para la correcta valoración del recurso natural, dicha valoración generalmente la realiza el ingeniero geofísico o el geólogo, ya que poseen los conocimientos necesarios de Química y Física. Por otro lado, para estudiar los fenómenos sísmicos o volcánicos, también se requiere del análisis de muestras de suelos o de gases emanados. Hasta aquí podría decirse, erróneamente, que el desarrollo de las ingenierías depende de la Química; sin embargo, como se mencionó anteriormente, los avances científicos y tecnológicos son multidisciplinarios; de ahí que el avance de la Química también depende de las ingenierías. ¿Qué sería de la Química sin los modernos aparatos de análisis, diseñados, construidos y mejorados por los Ingenieros Mecánicos y los Ingenieros Eléctricos y Electrónicos?, ¿Qué tan rápida sería la comunicación de los descubrimientos químicos sin los medios de comunicación actuales, diseñados, construidos y mejorados por los Ingenieros en Computación y los Ingenieros en Telecomunicaciones?, ¿Cómo sería el avance de la Química teórica sin los modernos programas de computación, que permiten el análisis estructural de las moléculas?, en fin ..., se podría enumerar una gran cantidad de áreas en donde la Ingeniería y la Química trabajan en conjunto para beneficio de la sociedad, pero por el momento este artículo concluye dejando una pregunta para reflexión: ¿Considera usted pertinente seguir impartiendo un curso de Química General a nuestros futuros Ingenieros? La ingeniería es un puente entre la ciencia y la sociedad, y el papel del ingeniero es el de aplicar los últimos descubrimientos científicos en la solución de problemas. A todos los ingenieros, les interesa mejorar las características del producto que diseñan: los ingenieros civiles desean construir estructuras sólidas y confiables, que sean estéticas y resistentes a la corrosión. Los ingenieros electricistas y electrónicos requieren de circuitos integrados que funcionen adecuadamente, de interruptores que reaccionen instantáneamente en las computadoras y de aislantes que soporten altos voltajes, aún en las condiciones más adversas. Los ingenieros de automóviles buscan materiales de poco peso a la vez que resistentes. Los ingenieros aeroespaciales demandan materiales ligeros que se comporten adecuadamente, tanto a elevadas temperaturas como en el gélido vacío del espacio exterior. Los ingenieros metalúrgicos, así como los especialistas en cerámicas y polímeros desean producir y conformar materiales que sean económicos y con propiedades cada vez mejores. Los ingenieros de petróleo requieren barreras de perforación o tuberías que resistan condiciones severas de abrasión y corrosión. Cada una de estas profesiones y muchas otras que no fueron mencionadas, tiene su campo de acción específico, pero todas ellas tienen a la química como ciencia central. IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA La química es la ciencia que estudia la materia y sus transformaciones. En la vida, nada sería posible sin la ayuda de la química. La química está inmersa en todos los procesos naturales, así como en la mayoría de las ciencias creadas y descubiertas por el hombre. Pensar que la química no es importante, que no tiene
valor alguno, que no es necesaria para la formación académica del futuro ingeniero civil o que no es valioso su estudio, es una equivocación tan grande como pensar que podemos nacer, crecer, desarrollarnos y reproducirnos sin necesidad de consumir alimentos. La principal importancia de estudiar química es que sirve de apoyo para las demás áreas del conocimiento, como la física, la biología, la medicina, la agricultura, la astronomía, etc., además, ayuda a comprender el mundo que nos rodea. Con seguridad, lo que decidas estudiar tiene relación con la química. A continuación encontrarás una serie de lecturas donde podrás entender y comprender la relación directa entre la Química y las Construcciones Civiles: PRIMERA LECTURA: EL CEMENTO Para fabricar clinker de cemento a partir de material crudo es preciso calcinar este hasta una temperatura de 1450ºC alcanzando así la sinterización o clinkerización. El proceso de cocción exige una atmosfera oxidante dentro del horno, ya que en caso contrario se obtiene un clinker de color pardo (en vez de verde grisáceo) y el cemento resultante presenta un fraguado más rápido y resistencias mas bajas. Durante el calentamiento del crudo, y particularmente a la temperatura de cocción (clinkerización o sinterización) tienen ya a lugar importantes procesos fisicoquímicos tales como la deshidratación de los minerales de la arcilla, la descomposición de los carbonatos (descarbonatación o expulsión de CO2, corrientemente llamada calcinación). reacciones en estado solido y reacciones con participación de una fase liquida o fundida, así como cristalizaciones.
1. Secado: El agua libre presente como humedad en el crudo o añadida al mismo, por ejemplo en el proceso de granulación, se desprende de un intervalo de temperaturas que alcanza hasta unos 200ºC.
2. Deshidratación de los minerales de la arcilla: A temperaturas comprendidas entre 100 y 400ºC, aproximadamente, los minerales de la arcilla ceden su agua adsorbida, incluida el agua interlaminar. A temperaturas superiores y dependiendo de los tipos de minerales arcillosos presentes en la arcilla, es decir, entre unos 400 y 750ºC, se desprende también el agua combinada químicamente en forma de grupos hidroxilo (deshidratación), como sucede por ejemplo, en la deshidratación de la caolinita:
Al2(OH8Si4O10) → 2(Al2O3 * 2SiO2)+ 4H2O
El metacaolín se descompone parcialmente a las temperaturas señaladas, pero también y más a temperaturas crecientes hasta unos 900ºC, dando lugar a mezclas de óxidos reactivos, según la ecuación de reacción:
Al2O3 * 2SiO2 → Al2O3 + 2SiO2
En la deshidratación de las arcillas influyen diversos factores, tales como el tipo de minerales arcillosos, la naturaleza y cantidad de las impurezas, el tamaño de las partículas, el grado de cristalización de las arcillas, la atmósfera gaseosa, y otros.
3. Descomposición de los carbonatos: El carbonato cálcico (CaCO3) contenido en el crudo en proporciones comprendidas entre 74 y 79% en masa, se descompone (disociación, descarbonatación, calcinación) a temperaturas teóricamente iguales o superiores a 896ºC, según la ecuación:
CaCO3 → CaO + CaO 2 A estas temperaturas, la presión de disociación es igual o mayor que 1, es decir, por lo menos igual a la presión externa. Para ello es necesaria una entalpía de reacción H de 1660 kJ/kg. La temperatura de 896ºC sólo se refiere a la calcita pura y sólo es válida para ella; al aumentar la proporción de impurezas o adiciones mezcladas con ella (como sucede en los crudos de cemento) la disociación se desplaza hacia temperaturas más bajas. En la práctica, la disociación comienza ya entre 550 y 600ºC. Ello es debido a procesos químicos entre el CaO que se forma y las adiciones de SiO 2, Al2O3 y Fe2O3, por las cuales se originan, por ejemplo y en primer lugar, CaO*Al2O3, 12CaO*7Al2O3, CaO*SiO2 y 2CaO*SiO2, por reacción en estado sólido. El contenido de cal libre CaO es, por lo tanto, escaso por debajo de 800º C (menor de 2% en masa), aumentando hasta alrededor del 20% a temperaturas mayores. La disociación térmica del MgCO 3, de mucha menor importancia en la fabricación de cemento, transcurre de forma análoga, pero a temperaturas más bajas.
4. Reacciones entre fases sólidas (reacciones a temperaturas inferiores a las de sinterización o clinkerización): Como ya queda indicado, a partir de temperaturas comprendidas entre 550 a 600ºC comienzan a producirse reacciones entre sólidos, por las cuales se combinan los productos de descomposición del CaCO3 con los de la arcilla, formándose primero y preferiblemente compuestos de menor contenido de cal (por ejemplo, aluminato monocálcico y silicato bicálcico). La formación de aluminato tricálcico (3CaO*Al 2O3=C3A) y de ferritoaluminato tetracálcico (2CaO(AL2O3, Fe2O3)=C2AF), también presentes en el clinker de cemento portland, comienza aproximadamente a unos 800ºC. Ejemplos de estas reacciones son los siguientes:
CaO*Al2O3 + 2 CaO → 3CaO*Al2O3 C3A CaO*Al2O3 + 3 CaO + Fe 2O3→ 4CaO*Al2O3* Fe2O3 CaO*SiO2 + CaO → 2CaO*SiO2
C4AF C2S
Las reacciones entre sólidos transcurren en general muy lentamente, pero se pueden acelerar, en particular por:
- reducción del tamaño de partículas (aumento de la superficie específica). - aumento de la temperatura de cocción. - distorsión de las redes cristalinas.
5. Reacciones en presencia de fase liquida -fundida- (sinterización o clinkerización): La primera formación de fase líquida (fundida), la cual indica el comienzo de la "sinterización" - o en el caso de la fabricación del cemento "clinkerización", tiene lugar a temperaturas comprendidas entre 1260 y 1310ºC, aproximadamente. Al aumentar la temperatura aumenta también la fase líquida o fundida, alcanzando alrededor del 20% al 30 % en masa a 1450ªC, dependiendo de la composición química del material. A estas temperaturas es ya posible la formación del silicato tricálcico (C 3S), constituyente principal del clínker de cemento portland.
Al comienzo de la clinkerización existen aún cantidades considerables de CaO sin combinar, junto con silicato bicálcico (2CaO*SiO 2= C2S). En presencia de la fase líquida se disuelven el CaO y el C 2S, facilitándose dentro de ella la difusión de los reactantes y formándose el silicato tricálcico (C3S), según la reacción:
CaO+ CaO*SiO2 → 3CaO*SiO2 con lo cual se cumple el objeto principal de clinkerización, a saber, la formación del valioso silicato tricálcico. Esto justifica la necesidad de utilizar altas y costosas temperaturas de clinkerización. Al mismo tiempo, la fase líquida activa también otras reacciones, como por ejemplo las que afectan a las partículas relativamente más gruesas de cuarzo o de caliza. Los silicatos tricálcico y bicálcico se encuentran como fases sólidas en el fundido. A temperaturas superiores a 1450ºC éste contiene la totalidad de Al2O3 y Fe2O3 del clinker en formación, y su composición % en masa es, aproximadamente, la siguiente: 56% CaO, 7% SiO 2, 23% Al2O3 y 14% Fe2O3. A la temperatura de clinkerización se establece un estado de equilibrio. La viscosidad de la fase líquida es tanto menor cuanto menor es el módulo alumínico, férrico o de fundentes, es decir, cuanto mayor es el contenido de Fe2O3. Los constituyentes secundarios o minoritarios influyen también en la viscosidad de la fase líquida, aumentándola, por ejemplo, los álcalis; y disminuyéndola, por el contrario, el SO 3 y el MgO. Las reacciones en la fase líquida se pueden acelerar por:
- aumento de la proporción de dicha fase; - disminución de su viscosidad; - reducción de la proporción de partículas gruesas (particularmente del cuarzo) en el crudo.
6. Reacciones durante el enfriamiento: Si el clinker formado en el proceso de sinterización se enfría lentamente, puede invertirse el sentido de las reacciones de equilibrio, con lo cual se puede disolver en la fase líquida una parte del silicato tricálcico que tan decisiva influencia favorable tiene en el desarrollo de las resistencias. Por consiguiente, un enfriamiento demasiado lento produce una disminución de resistencias del cemento.
En un enfriamiento rápido, el cual es deseable, se "congela" el equilibrio, y en particular la fase líquida que participa en el mismo, con independencia de las fases líquidas presentes en él, de forma que la composición del clinker enfriado técnicamente es prácticamente a la alcanzada a la temperatura de clinkerización. Al contrario que las fases líquidas ricas en SiO2, las cuales en su mayor parte se solidifican en forma vítrea, las fases líquidas alumino-férricas del clinker portland, ricas en cal, cristalizan totalmente en el proceso técnico de fabricación del cemento, a pesar de su enfriamiento rápido. Por consiguiente, el clinker técnico de cemento portland representa un equilibrio de fusión congelado a la temperatura de sinterización. El enfriamiento influye además en el estado de cristalización, y a través del mismo en la reactividad de las fases del clinker, así como la propia textura de este. Observación: Averiguar los nombres de las sustancias (compuestos) que aparecen en este documento.
SEGUNDA LECTURA: HORMIGÓN
1.1 INTRODUCCION El hormigón es una piedra artificial formada al mezclar apropiadamente cuatro componentes básicos: cemento, arena, grava y agua. Las propiedades del hormigón dependen en gran medida de la calidad y proporciones de los componentes en la mezcla, y de las condiciones de humedad y temperatura, durante los procesos de fabricación y de fraguado. Para conseguir propiedades especiales del hormigón (mejor trabajabilidad, mayor resistencia, baja densidad, etc.), se pueden añadir otros componentes como aditivos químicos, microsílice (mineral compuesto de esferas de bióxido de silicio SiO2 ultra fino, amorfo y cristalino), limallas de hierro, etc., o se pueden reemplazar sus componentes básicos por componentes con características especiales como agregados livianos, agregados pesados, cementos de fraguado lento, etc. El hormigón ha alcanzado importancia como material estructural debido a que puede adaptarse fácilmente a una gran variedad de moldes, adquiriendo formas arbitrarias, de dimensiones variables, gracias a su consistencia plástica en estado fresco. Al igual que las piedras naturales no deterioradas, el hormigón es un material sumamente resistente a la compresión, pero extremadamente frágil y débil a
solicitaciones de tracción. Para aprovechar sus fortalezas y superar sus limitaciones, en estructuras se utiliza el hormigón combinado con barras de acero resistente a la tracción, lo que se conoce como hormigón armado.
1.2 LOS MATERIALES CEMENTANTES Son materiales aglomerantes que tienen las propiedades de adherencia y cohesión requeridas para unir fragmentos minerales entre sí, formando una masa sólida continua, de resistencia y durabilidad adecuadas. Dentro de esta categoría, además de los cementos propiamente dichos, se encuentran materiales empleados con menos frecuencia como las cales, los asfaltos y los alquitranes. Para fabricar hormigón estructural se utilizan únicamente los cementos hidráulicos (utilizan agua para reaccionar químicamente y adquirir sus propiedades cementantes durante los procesos de endurecimiento inicial y fraguado). Entre los diferentes cementos hidráulicos destaca, por su uso extendido, el cemento Portland, existiendo además los cementos naturales y los cementos con alto contenido de alúmina. El cemento Portland es un polvo muy fino, de color grisáceo, que se compone principalmente de silicatos de calcio y de aluminio, que provienen de la combinación de calizas, arcillas o pizarras, y yeso, mediante procesos especiales. El color parecido a las piedras de la región de Portland, en Inglaterra, dio origen a su nombre El proceso de manufactura del cemento consiste, esencialmente, en la trituración de los materiales crudos (calizas y arcillas); su mezcla en proporciones apropiadas; y su calcinación a una temperatura aproximada de 1400°C, dentro de un cilindro rotativo, lo que provoca una fusión parcial del material, conformándose bolas del producto llamadas clinker. El clinker es enfriado y luego es molido junto con el yeso hasta convertirlo en un polvo fino llamado cemento Portland. Existen diversos tipos de cemento Portland: Tipo I: Se lo conoce como cemento Portland ordinario, que es el de mayor utilización en el mercado. Se lo utiliza en hormigones normales que no estarán expuestos a sulfatos en el ambiente, en el suelo o en el agua del subsuelo. Tipo II: Son cementos con propiedades modificadas para cumplir propósitos especiales, como cementos antibacteriales que pueden usarse
en piscinas; cementos hidrófobos que se deterioran muy poco en contacto con sustancias agresivas líquidas; cementos de albañilería que se los emplea en la colocación de mampostería; cementos impermeabilizantes que se los utiliza en elementos estructurales en que se desea evitar las filtraciones de agua u otros fluidos, etc. Tipo III: Son los cementos de fraguado rápido, que suelen utilizarse en obras de hormigón que están en contacto con flujos de agua durante su construcción o en obras que pueden inestabilizarse rápidamente durante la construcción. Tipo IV: Son los cementos de fraguado lento, que producen poco calor de hidratación. Se los emplea en obras que contienen grandes volúmenes continuos de hormigón como las presas, permitiendo controlar el calor emitido durante el proceso de fraguado. Tipo V: Son cementos resistentes a los sulfatos que pueden estar presentes en los agregados del hormigón o en el propio medio ambiente. La presencia de sulfatos junto con otros tipos de cementos provoca la desintegración progresiva del hormigón y la destrucción de la estructura interna del material compuesto.
1.3 LOS ARIDOS En los hormigones estructurales, los áridos o agregados ocupan alrededor de las tres cuartas partes del volumen total del hormigón; el volumen restante está constituido por pasta endurecida de cemento, agua sin combinar y burbujas de aire. Mientras mayor sea el nivel de compactación del hormigón, mejor será su resistencia y más económica será su fabricación; por esta razón resulta importante cuidar la granulometría (tamaño de los granos y distribución estadística de esos tamaños de grano) de los áridos. También es importante que las características mecánicas de los áridos sean adecuadas y que los áridos estén libres de impurezas. Los áridos naturales se clasifican en finos y gruesos. Los áridos finos o arenas pasan por el tamiz # 4. Los áridos gruesos no atraviesan el tamiz # 4 y se conocen como gravas (ripio en nuestro medio). Los áridos gruesos presentan mejores propiedades de adherencia con la pasta de cemento cuando son triturados, lo que les dota de aristas (los áridos con superficie redondeada tienen menor adherencia).
1.4 DOSIFICACION DE HORMIGONES Las proporciones en que se mezclan los componentes básicos y complementarios del hormigón constituyen su dosificación. Las propiedades del hormigón endurecido dependen de la dosificación inicial de los componentes básicos y complementarios, del proceso de mezclado, y del proceso de curado. En términos generales los agregados dotan al hormigón de una estructura interna en la que los agregados más finos se intercalan entre los agregados más gruesos.
La pasta de cemento (cemento más agua), por su parte, llena los espacios libres entre partículas de áridos, y durante el proceso de fraguado genera cristales hidratados que unen químicamente las partículas de agregados. La formación de estos cristales es una reacción química exotérmica (genera calor) que siempre requiere de agua para que tenga lugar, siendo mucho más intensa la reacción (la creación de los cristales cohesivos) en los primeros días posteriores a la fabricación del hormigón, y luego va disminuyendo progresivamente en su intensidad con el tiempo. Normalmente, dentro del hormigón, una parte del cemento no alcanza a combinarse con el agua, por lo que permanece como cemento no hidratado.
Para asegurar que las reacciones de fraguado continúen, a partir del endurecimiento inicial del hormigón (que normalmente se produce en las primeras doce horas después del mezclado), se requiere dotar continuamente de agua de curado al hormigón, la que sirve para reponer el agua de amasado evaporada por el calor emanado como producto de las reacciones químicas. Esta agua de curado usualmente se la proporciona humedeciendo la superficie de los elementos de hormigón. La propiedad de diseño más importante del hormigón constituye su resistencia; la propiedad constructiva más importante es su trabajabilidad. Usualmente estas dos propiedades son mutuamente conflictivas durante la construcción. En general una relación agua/cemento (a/c) baja, medida al peso, que mantenga una adecuada trabajabilidad en el hormigón fresco, conduce a hormigones de mayor resistencia y mejor calidad. Se requiere aproximadamente una relación a/c mínima de 0.25 para que todo el cemento presente en la mezcla reaccione químicamente con el agua formando pequeños puentes cristalizados entre las superficies de las partículas de áridos. Estos cristales son los responsables de la cohesividad entre las partículas y de la resistencia del hormigón en general. Cualquier exceso de agua durante el amasado, por encima de la relación a/c de 0.25, se convertirá, luego del fraguado inicial, en espacios vacíos por la evaporación del agua (o espacios con agua que no alcanza a escapar de los poros luego del fraguado) que disminuyen considerablemente la resistencia del hormigón, y también provocará que los puentes cristalizados tengan mayor longitud y sean menos resistentes. Lamentablemente una relación a/c cercana a 0.25 (que en teoría nos proporcionaría la mayor resistencia), no puede ser conseguida en un hormigón normal, pues la disminución de agua de amasado provoca una pérdida importante
de trabajabilidad e inclusive puede llegar a imposibilitar la consecución de una mezcla apropiada. Para asegurar una mezcla homogénea y una trabajabilidad razonable en un hormigón normal (sin aditivos) serán necesarias relaciones a/c mínimas del orden de 0.60 La falta de agua de curado durante el fraguado del hormigón (particularmente en los primeros días en que las reacciones son más intensas) tiene efectos adversos sobre la resistencia final del hormigón, pues provoca que las partículas de cemento no reaccionen totalmente, dando lugar a pocos cristales de unión entre partículas de áridos, con lo que disminuye la cohesión.
1.5 LOS ADITIVOS Existen aditivos químicos que, en proporciones adecuadas, cambian (mejoran) las características del hormigón fresco, del hormigón endurecido y del proceso de fraguado. Los aditivos plastificantes son los más utilizados en nuestro medio, y permiten que la trabajabilidad del hormigón fresco mejore considerablemente, por lo que se los suele utilizar en hormigones que van a ser bombeados y en hormigones que van a ser empleados en zonas de alta concentración de armadura de hierro. Estos mismos aditivos pueden conseguir que, manteniendo la trabajabilidad de un hormigón normal, se reduzca la cantidad de agua de amasado mejorando con ello la resistencia del hormigón. Existen aditivos superplastificantes (también se los conoce en el mercado como reductores de agua de alto rango) que pueden convertir a un hormigón normal en un hormigón fluido, que no requiere de vibración para llenar todos los espacios de las formaletas, inclusive en sitios de difícil acceso para el hormigón. Así mismo, si se mantiene una trabajabilidad normal, estos aditivos permiten la reducción de la relación agua/cemento hasta valores cercanos a 0.30, consiguiéndose hormigones de mediana resistencia (entre 350 Kg/cm2 y 420 Kg/cm2) y hormigones de alta resistencia (mayores a 420 Kg/cm2).
Los aditivos acelerantes permiten que el endurecimiento y fraguado de los hormigones se produzca más rápidamente en la fase inicial. Usualmente se los emplea cuando se desea desencofrar en menor tiempo las formaletas. Un efecto similar puede obtenerse utilizando cementos de fraguado rápido o mediante un proceso de curado con vapor de agua circulante. Existen aditivos de fraguado extra rápido que se emplean en casos en que se requiera un endurecimiento y fraguado del hormigón en pocos minutos, como en la fundición de elementos dentro de cauces de ríos, en el mar o en túneles. Los aditivos retardantes retrasan el endurecimiento inicial del hormigón, manteniendo por más tiempo su consistencia plástica. Se los suele utilizar en climas cálidos para evitar el fraguado anticipado por evaporación del agua de amasado, y en obras masivas de hormigón en que se quiere controlar la cantidad de calor emitida por el proceso de fraguado. La aceleración o desaceleración del proceso de fraguado mediante aditivos o mediante cementos apropiados, a más de afectar la velocidad de obtención de resistencia del hormigón a corto plazo, tiene efecto sobre la resistencia del hormigón a largo plazo.
La aceleración inicial del proceso conduce a resistencias menores a largo plazo, pues el agua de curado tiene menor nivel de penetración por el endurecimiento del hormigón. La desaceleración inicial del proceso determina resistencias mayores a largo plazo, pues el curado se vuelve más eficiente.
Hay aditivos introductores de aire que producen burbujas de aire dentro del hormigón, los que se utilizan en estructuras que están sometidas a procesos de congelamiento y descongelamiento periódico, poco frecuentes en nuestro medio (se los suele utilizar en refugios para ascencionismo). Los introductores de aire tienen como efecto colateral la disminución de la resistencia del hormigón aproximadamente en un 5% por cada 1% de burbujas de aire introducidas. Existen sustancias especiales, como la ceniza volcánica pulverizada (fly ash) o la cáscara de arroz quemada y pulverizada, que por su composición química apropiada y por su granulometría aún más pequeña que la del cemento, mejoran la resistencia del hormigón a largo plazo. El uso de aditivos requiere de mezclas de prueba en laboratorio o en obra, antes de ser utilizados en las estructuras, porque ocasionalmente pueden provocar reacciones indeseables con ciertos tipos de cemento y con otros aditivos.
TERCERA LECTURA: Fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento El cemento al ser mezclado con agua forma una pasta, que tiene la propiedad de rigidizarse progresivamente hasta constituir un sólido de creciente dureza y resistencia. Estas características son causadas por un proceso físico - químico derivado de la reacción química del agua con las fases mineralizadas del clinquer y que en su primera etapa incluye la solución en agua de los compuestos anhidros del cemento, formando compuestos hidratados. Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, iniciándose con el C 3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S en ese mismo orden. A partir de ese momento el proceso no es cabalmente conocido, existiendo teorías que suponen la precipitación de los compuestos hidratados, con la formación de cristales entreverados entre si que desarrollen fuerzas de adherencia, las que producen el endurecimiento de la pasta (Teoría cristaloidal de Le Chatelier) o alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel formado a partir de dichos compuestos hidratados (Teoría coloidal de Michaelis), estimándose actualmente que el proceso presenta características mixtas.
El endurecimiento de la pasta de cemento muestra particularidades que son de interés para el desarrollo de obras de ingeniería: La reacción química producida es exotérmica, con desprendimiento de calor, especialmente en los primeros días. Durante su desarrollo se producen variaciones de volumen, de dilatación si el ambiente tiene un alto contenido de humedad o de contracción si este es bajo.
El proceso producido es dependiente de las características del cemento, principalmente de su composición y de su finura, los cuales condicionan en especial la velocidad de su generación. Fraguado del concreto. Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química exotérmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en el cual la consistencia
ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se denomina fraguado final. La determinación de estos dos estados, cuyo lapso comprendido entre ambos se llama tiempo de fraguado de la mezcla, es muy poco precisa y sólo debe tomarse a título de guía comparativa. El tiempo de fraguado inicial es el mismo para los cinco tipos de cemento enunciados y alcanza un valor de 45 a 60 minutos, el tiempo de fraguado final se estima en 10 horas aproximadamente. En resumen, puede definirse como tiempo de fraguado de una mezcla determinada, el lapso necesario para que la mezcla pase del estado fluido al sólido. Así definido, el fraguado no es sino una parte del proceso de endurecimiento. Es necesario colocar la mezcla en los moldes antes de que inicie el fraguado y de preferencia dentro de los primeros 30 minutos de fabricada. Cuando se presentan problemas especiales que demandan un tiempo adicional para el transporte del concreto de la fábrica a la obra, se recurre al uso de “retardantes” del fraguado, compuestos de yeso o de anhídrido sulfúrico; de igual manera, puede acelerarse el fraguado con la adición de sustancias alcalinas o sales como el cloruro de calcio. Endurecimiento del concreto. El endurecimiento del concreto depende a su vez del endurecimiento de la lechada o pasta formada por el cemento y el agua, entre los que se desarrolla una reacción química que produce la formación de un coloide “gel”, a medida que se hidratan los componentes del cemento. La reacción de endurecimiento es muy lenta, lo cual permite la evaporación de parte del agua necesaria para la hidratación del cemento, que se traduce en una notable disminución de la resistencia final. Es por ello que debe mantenerse húmedo el concreto recién colado, “curándolo”. También se logra evitar la evaporación del agua necesaria para la hidratación del cemento, cubriendo el concreto recién descimbrado con una película impermeable de parafina o de productos especiales que se encuentran en el mercado desde hace varios años. Articulo escrito por: Raúl E. Mercedez M. País: España CUARTA LECTURA: Principales procesos químicos del suelo Los principales procesos químicos que ocurren en el suelo son: la hidratación, hidrólisis, solución, oxidación, reducción e intercambio iónico. La solvatación es el proceso de interacción entre las moléculas de un solvente y las de un soluto formando agregados. Algunos de estos agregados son estables y tienen un número determinado de moléculas de solvente y otras no. Cuando el solvente es el agua, al proceso se le llama hidratación. Cualquier soluto covalente polar puede interactuar con solventes polares. Cuando un cristal de un compuesto iónico como el cloruro de sodio se introduce en agua, las moléculas de agua que son polares se auto orientan con relación a los iones de la superficie del cristal de cloruro de sodio. La fuerza de atracción
entre las moléculas de agua y los iones superficiales del cloruro de sodio es suficientemente intensa para causar que los iones abandonen sus posiciones en el cristal y que se muevan a situarse entre moléculas de agua, a tal proceso se le llama solvatación de ambos iones. La naturaleza polar de las moléculas de agua es importante cuando se usa como solvente. El agua disuelve con facilidad a muchos compuestos iónicos debido a la hidratación de los iones. Un ion hidratado es un agregado formado por un ion y una o más moléculas de agua. Por ejemplo: CuCl 2•4H2O (cloruro de cobre II tetrahidratado), MgCl 2•6H2O, ZnCl2•6H2O, CuSO2•5H2O (color azul). El CuSO 4 , sulfato de cobre II, es de color blanco. Higroscopía es la propiedad de las sustancias que absorben vapor de agua. Se le llama hidrólisis a cualquier reacción química con el agua; oxidación a la reacción química mediante la cual un átomo aumenta su estado de oxidación por la pérdida de uno o más electrones; reducción al proceso químico mediante el cual un átomo disminuye su estado de oxidación por la ganancia de uno o más electrones. Factores
que
influyen
en
el
color
del
Una de las propiedades del suelo que se puede observar a simple vista es el color de los suelos. Se utiliza para diferenciar los horizontes y para clasificar los diferentes tipos de suelos. Por ejemplo, los grandes grupos de suelos como los podsólicos rojos y amarillos; las tierras pardas; los suelos cafés forestales y los suelos negros (Chernosems).
Chernosems
Los suelos de colores oscuros absorben más el calor mientras que los de colores claros lo reflejan. La cubierta vegetal también absorbe y refleja el calor, por lo que actúa como regulador o amortiguador del calor. Los colores del suelo tienden a ser menos grises y más rojizos con el incremento de la temperatura. Los colores de los suelos están relacionados con la absorción
suelo
(albedo y capacidad calorífica) y conservación del calor y por lo tanto con la capacidad de retención de humedad.
Cristales
Cuarzo
Podsol
de
El color del suelo depende tanto de los procesos pedogenéticos (que lo originan) como de la composición de la materia madre de la que se derive. La mayor parte de los minerales constituyentes del suelo son de color claro como el cuarzo y los feldespatos. Por lo general, el color cuarzo del suelo se lo proporcionan pequeñas cantidades de óxidos metálicos como el fierro, el manganeso y la materia orgánica. Los suelos que contienen fierro son rojizos debido a los compuestos férricos si están bien aireados y son de color amarillo si tienen aireación intermedia. Los compuestos ferrosos de color azul y verde con frecuencia se encuentran en condiciones mal aireadas, es decir, condiciones de reducción química. Los suelos moteados indican condiciones rosado alternadas de buena y mala aireación. Los compuestos de manganeso y la materia orgánica producen colores oscuros en los suelos. La pigmentación del humus es menos intensa en las regiones húmedas que en las áridas, los colores pardos predominan en los materiales vegetales ligeramente descompuestos y en los materiales vegetales casi totalmente descompuestos son de color casi negro. El color es un indicador de varias características importantes del suelo como su origen geológico y el grado de intemperización del material edáfico, así como, su grado de
Ilmenita
Goethita
oxidación y reducción, contenido de material orgánico, lixiviación o acumulación de compuestos químicos. El color no es un indicador muy confiable de las condiciones del suelo debido a que hay otros factores que tienen mayor importancia, por ejemplo, el color gris de un horizonte en suelos mal drenados se debe a los compuestos ferrosos del suelo, pero un color similar es resultado de la lixiviación del fierro y de materia orgánica del horizonte A2 de los podsoles. El color es una característica de los suelos que se relaciona con el material parental, el contenido de materia orgánica, la condición de drenaje y aireación del suelo. Se utilizan 3 variables de matiz (hue) que varía del rojo al amarillo, la intensidad (value) que se define como pureza y varía de 0 a 10 y que es modificada por el tono (Chroma) que varía del 10, blanco, al 0, negro. Por ejemplo, Color 5 Y R 5/4 = Olivo, donde 5 Y R representa el matiz, 5 intensidad y 4 tono.Color negro, indica, generalmente, abundancia de materia orgánica, sin embargo, en suelos derivados de caliza, ricos en calcio, magnesio o sodio, no es totalmente cierto. En ocasiones las arenas deben su color negro a la presencia de magnetita (Fe3O2) o de ilmenita (titanato de fierro, FeTiO3). El color rojo, indica abundancia relativa de hematita (Fe 2O3), es común en suelos tropicales con buen drenaje y aireación y por lo tanto buena estructura. El color amarillo u ocre, es atribuido a
Limonita
la Goethita (Fe2O3 n •H 2O o Fe•HO 2), a la estilpnosiderita (Fe 2O3n • H2O). Cuando el fierro es producto de la destrucción del humus, produce tonalidades amarillo herrumbre más o menos amarillento, en este caso se debe a la limonita, nombre genérico para los óxidos hidratados de fierro. Color gris, en general es atribuido a materiales parentales pobres en fierro o a remoción del fierro por agentes quelantes o agua ácida o bien cuando existen condiciones permanentes de saturación de agua, característico de los horizontes gley. Colores azul y verde, son debidos a la presencia de compuestos ferrosos, que se reducen en condiciones de suelos pantanosos o de manto freático elevado. El color azul se atribuye a la vivianita, Fe3(PO4)•8H2O.
Hematita
Vesuvianita
Color anaranjado o rosado, son consecuencia de la mezcla de hematita, Goethita y estilphosiderita, con elementos blanquecinos, caliza o arena silicea. Color violeta, es atribuido al magnesio y es un color que identifica a la terraroxa del Brasil, que está mezclada con otros colores. Color moteado es debido a oxidaciones o reducciones incompletas y condiciones de aireación y drenaje. Por sus características sobresalen los jaspeados o marmoreos, en donde aparecen bandas de diferentes colores como el gris, amarillo y rojizo de los horizontes plínticos. Los estratos superficiales de color oscuro absorben el calor con mayor
Caliza
facilidad que los de colores claros, pero a causa de su contenido en materia orgánica que, generalmente, es mayor a menudo tienen un mayor contenido de humedad. Por lo tanto, los suelos oscuros se calientan más lentamente que los suelos de color claro bien drenados. Cabe hacer notar que aunque el color del suelo influye en el calentamiento de los suelos sin vegetación, su efecto es mucho menor en suelos forestados.
QUINTA LECTURA: LA CARBONATACIÓN, ENEMIGO DEL CONCRETO La carbonatación es un tipo de reacción ácida, de excepcional importancia en la durabilidad del hormigón. La carbonatación es el proceso por el cual el hormigón de recubrimiento pierde la alcalinidad que mantiene protegida la armadura. Se produce avanzando desde el exterior. Las posibilidades de difusión de la carbonatación están en relación al tiempo y a la profundidad. El espesor del recubrimiento incide en la acción de estas variables. Por lo tanto, un hormigón puede presentar varios niveles de penetración de la carbonatación que estaría relacionado con la calidad del hormigón en cuestión. El mecanismo por el cual se produce la carbonatación es la reacción del dióxido de carbono de la atmósfera con las sustancias alcalinas de la solución de los poros y con los componentes hidratados del hormigón. Esto genera un descenso del pH del hormigón por debajo de un valor crítico situado alrededor de 9,5. A partir de dicho valor no se puede garantizar la protección de la armadura. La carbonatación es también el proceso por el cual la alcalinidad de un hormigón se ve afectada por los efectos de las reacciones causadas por atmósferas contaminadas con anhídrido carbónico desprotegiendo a la armadura. Se trata de un caso especial de ataque ácido. Las armaduras están protegidas frente a riesgos de oxidación por el recubrimiento y por la presencia del hidróxido de calcio; en esta situación el pH es de 12 ó 13. Cuando la humedad ambiental mezclada con anhídrido carbónico penetra por los poros, el hidróxido cálcico se transforma en carbonato, disminuyendo la alcalinidad a los valores antes mencionados (un pH 9 ó 9,5), en este momento es imposible proteger la armadura, ha comenzando la oxidación (corrosión). El mecanismo de reacción es relativamente complejo e intervienen en él la cantidad de sodio y potasio presentes en el cemento. La carbonatación es un fenómeno natural que ocurre todos los días en miles de estructuras de concreto en todo el mundo. Es un proceso bien sabido por los
ingenieros civiles que ha sido investigado y documentado perfectamente. En concretos que no contienen acero de refuerzo, la carbonatación es, generalmente, un proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto reforzado, este proceso químico aparentemente inocuo, avanza lenta y progresivamente hacia adentro desde la superficie expuesta del concreto, y asalta al acero de refuerzo causando la corrosión. Aunque la carbonatación es una causa de la corrosión menos importante que los cloruros, no por ello es menos seria en términos del daño que provoca y del dinero que cuesta remediar sus efectos. La carbonatación es un proceso común y natural que causa la corrosión de las varillas de refuerzo. Algunos creen que la carbonatación es causada por los calentadores que queman combustible y que se usan en interiores. Aunque estos calentadores pueden liberar grandes cantidades de dióxido de carbono (el culpable de la carbonatación), sólo se requiere una pequeña concentración de CO2, que normalmente se encuentra en la atmósfera (0.03 por ciento) para que ocurra la carbonatación del concreto. ¿En qué consiste realmente la carbonatación? La carbonatación en el concreto es la pérdida de pH que ocurre cuando el dióxido de carbono atmosférico reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y convierte el hidróxido de calcio con alto pH a carbonato de calcio, que tiene un pH más neutral. ¿Por qué es un problema la pérdida de pH? Porque el concreto, con su ambiente altamente alcalino (rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo ahogado contra la corrosión. Esta protección se logra por la formación de una capa de óxido pasivo sobre la superficie del acero que permanece estable en el ambiente altamente alcalino. Esta es la misma capa pasivadora que ataca los cloruros cuando alcanzan el acero de refuerzo expuesto a sales descongelantes y ambientes marinos. Cuando progresa la carbonatación hacia la profundidad del refuerzo, la capa de óxido protectora y pasivadora deja de ser estable. A este nivel de pH (por debajo de 9.5), es posible que empiece la corrosión, resultando finalmente en el agrietamiento y astillamiento del concreto. Aunque la difusión del dióxido de carbono a través de los poros de concreto pueda requerir años antes de que ocurra el daño por corrosión, puede ser devastadora y muy costosa de reparar. Es muy importante identificar la presencia de la carbonatación cuando también hay cloruros en el concreto. En el concreto nuevo que tiene un pH de 12 a 13, se requieren aproximadamente de 7,000 a 8,000 partes por millón (ppm) de cloruros para comenzar la corrosión del acero ahogado. Sin embargo, si el pH baja a un rango de 10 a 11, el umbral de cloruro para la corrosión es significativamente menor (100 ppm o menos). Por esta razón, una investigación de la condición para la mayoría de las estructuras de concreto en proceso de corrosión debe siempre incluir un análisis de la profundidad de carbonatación.
Afortunadamente para los ingenieros civiles y contratistas, la carbonatación es una condición relativamente sencilla de identificar y diagnosticar. La manera más fácil de detectar la carbonatación en una estructura es romper un pedazo de concreto (preferentemente cerca de un borde) en donde se sospeche que hay carbonatación. Después de soplar todo el polvo residual del espécimen o del substrato, se pulveriza una solución de 1 o 2 por ciento de fenolftaleína en alcohol sobre el concreto. Las áreas carbonatadas del concreto no cambiarán de color, mientras que las áreas con un pH mayor de 9 a 9.5 adquirirán un color rosado brillante. Este cambio muy apreciable de color muestra cuán profundamente ha progresado el "frente" de carbonatación dentro del concreto. Existen otros métodos y otros indicadores para detectar la carbonatación, pero éste es el método más fácil y común de detección. Las agencias de prueba calificadas realizan estas pruebas rutinariamente como parte de una investigación de la condición en edificios y estructuras de concreto. Además de las pruebas de carbonatación, estas investigaciones de la condición incluyen con frecuencia pruebas de resistencia del concreto, valoraciones de la profundidad del recubrimiento, contenido de cloruro y permeabilidad del concreto.
Factores
que
afectan
la
carbonatación
Tal como se mencionó antes, el proceso de carbonatación es completamente natural. También se ve afectado por variables naturales que se encuentran en el concreto. El aumento de carbonatación depende, en gran medida, del contenido de humedad y permeabilidad del concreto. Contenido de humedad del concreto: Para que tenga lugar la carbonatación, debe haber presencia de humedad. La reacción de carbonatación avanza más rápidamente cuando la humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50 y 55 por ciento. A humedad más baja, no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan cantidades significativas de hidróxido de calcio. Por encima de 75 por ciento de humedad, la situación se revierte y los poros se bloquean progresivamente con agua. Aunque esto permite que se disuelva libremente el hidróxido de calcio, evita en gran medida el ingreso del dióxido de carbono. Así se explica por qué diferentes lados de la fachada de un edificio de concreto, por ejemplo, pueden variar grandemente en la profundidad de sus frentes de carbonatación. Una fachada expuesta al mar puede tener poca carbonatación debido a su contenido constantemente alto de humedad, mientras que la carbonatación puede haber avanzado a niveles más profundos en los otros lados del edificio. Permeabilidad del concreto: El concreto permeable se carbonatará rápidamente. Muchos años de protección contra la carbonatación pueden sumarse al concreto reforzado si los ingenieros civiles simplemente siguen las prácticas estándar para
producir concreto de baja permeabilidad. stas incluyen relaciones bajas de agua/cemento, compactación apropiada por vibración, uso de puzolanas tales como ceniza volante o humo de sílice y curado apropiado. Todas estas prácticas reducen la permeabilidad del concreto y hacen más difícil para que el dióxido de carbono se difunda a través de él. Recubrimiento del concreto y defectos de superficie: La carbonatación puede inclusive causar problemas de corrosión aun en concretos de alta calidad. Un recubrimiento bajo del concreto y defectos de superficie tales como grietas y pequeños hoyos proporcionan una ruta directa hacia el acero de refuerzo. Una grieta puede llevar a la carbonatación muy por debajo de la superficie expuesta de concreto. No pasará mucho tiempo antes de que el acero en el área de esta grieta empiece a corroerse debido a la pérdida de pasivación. Del mismo modo, los pequeños hoyos pueden, a veces, dar como resultado la pérdida de 12 mm o más del recubrimiento protector del concreto. Si ha de usarse un recubrimiento protector anticarbonatación, los pequeños hoyos y otros defectos de la superficie deben rellenarse primero con un "mortero nivelante" para evitar roturas en el recubrimiento protector. Los bordes del recubrimiento de concreto son notables por su susceptibilidad a la corrosión inducida por carbonatación. Si los bordes o las esquinas tienen dióxido de carbono, éste se difunde hacia el acero de refuerzo en dos direcciones. Si el acero en estas áreas no tuviera un recubrimiento de concreto adecuado, la carbonatación conduciría a la corrosión y podría causar astillamiento en los bordes en muy pocos años. Durante la construcción original, las esquinas son también áreas donde con frecuencia el concreto no está bien compactado. Los huecos y los agregados expuestos de la superficie reducen el recubrimiento de concreto, permitiendo que la carbonatación alcance rápidamente el acero. Estrategias
de
reparación
y
protección
La investigación de la condición debe siempre constituir la base para un enfoque de reparación y protección. Antes de que pueda prescribirse un remedio apropiado, debe completarse un diagnóstico minucioso. Para estructuras a las que se ha diagnosticado corrosión, agrietamiento y astillamiento inducidos por la carbonatación, existen pocas opciones de reparación. Se puede elegir la protección catódica (PC) si el daño por corrosión es severo. Sin embargo, esta es una opción costosa y requiere la continuidad eléctrica del refuerzo, así como también costos sustanciales para el mantenimiento progresivo. La realcalinización es una técnica bastante nueva que pretende restaurar la alta alcalinidad del recubrimiento de concreto extrayendo electroquímicamente un químico con alto contenido de pH en la estructura. Se trata también de una opción costosa con un historial muy limitado.
Con frecuencia, la opción más factible es reparar y proteger el concreto. Esta es una técnica de reparación directa que atiende claramente la necesidad inmediata del propietario. Sin embargo, la reparación del daño visible es sólo el primer paso para una reparación duradera del concreto dañado por la corrosión. Las áreas resanadas cubren usualmente sólo alrededor de 15 por ciento de toda el área de la superficie, pero el área total de ésta ha sido carbonatada. Si sólo se resana el daño visible, sin preocuparse por las causas subyacentes, no pasará mucho tiempo antes de que ocurra mayor astillamiento. Recubrimientos anticarbonatación: Para detener efectivamente el avance del "frente de carbonatación", con frecuencia se emplean recubrimientos anticarbonatación. Al contrario de las pinturas de mampostería o los recubrimientos elastoméricos comunes, los recubrimientos anticarbonatación están específicamente diseñados para detener el ingreso del dióxido de carbono. Existen métodos de prueba estandarizados para evaluar la resistencia al dióxido de carbono de un recubrimiento. También se realizan pruebas, donde puede medirse el coeficiente de difusión del CO2 de un material. Estas pruebas han demostrado que un recubrimiento anticarbonatación de alta calidad puede agregar protección a la varilla de refuerzo en una cantidad igual a muchos centímetros de recubrimiento de concreto. Los recubrimientos anticarbonatación deben ser recubrimientos respirables que puedan obtenerse en variedades rígidas o capaces de puentear grietas. Es importante entender que no todos los recubrimientos resisten el dióxido de carbono. Muchos recubrimientos elastoméricos impermeables al agua no forman una barrera efectiva para el CO2. El uso de tal recubrimiento puede, en efecto, acelerar la carbonatación, secando el concreto a tal grado que permita el ingreso más rápido del CO2. De manera similar, los selladores penetrantes con frecuencia se usan erróneamente para proteger contra la carbonatación. Los materiales a base de silicón tales como los silanos y los siloxanos son repelentes del agua, pero no evitan que entre el dióxido de carbono a los poros del concreto. Y al secar el concreto, también pueden incrementar la rapidez de carbonatación. Inhibidores de corrosión: Cuando el frente de carbonatación ha alcanzado ya la profundidad del refuerzo de acero. El recubrimiento anticarbonatación, aunque detiene el progreso ulterior de la carbonatación, no podrá detener la corrosión existente que ya está teniendo lugar. La investigación ha demostrado que existe todavía suficiente humedad en el concreto para continuar corroyendo la varilla de refuerzo. La tecnología actualmente en desarrollo de los inhibidores de corrosión puede ayudar a resolver la corrosión existente. En estas situaciones, los inhibidores de corrosión aplicados a la superficie, y que se pueden difundir a través del concreto que sirve de recubrimiento, pueden aplicarse en espray o con rodillos en la superficie de concreto antes de aplicar un recubrimiento anticarbonatación.
Este enfoque utiliza el inhibidor de corrosión para tratar la corrosión existente en la varilla de refuerzo, y el recubrimiento anticarbonatación agrega una protección efectiva. Los inhibidores de corrosión pueden probar su efectividad cuando se usan en situaciones similares, con selladores y membranas, donde los cloruros han alcanzado ya el nivel del refuerzo. La carbonatación es una causa seria de la corrosión del acero de refuerzo. A diferencia de los cloruros, el papel de la carbonatación en la corrosión de la varilla de refuerzo se ha descuidado con mucha frecuencia. Para evitar esto, las pruebas de la profundidad de la carbonatación deben siempre incluirse en la evaluación del concreto dañado por corrosión.
Referencias bibliográficas: http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonataci%C3%B3n http://www.imcyc.com/revista/2000/dic2000/carbonatacion.htm http://www.proesval.com/pdf/informes%20tecnicos/carbonatacionvsaluminosis.pdf
SEXTA LECTURA: POR QUÉ LA QUÍMICA INTERESA EN EL HORMIGÓN?
Adaptación del Artículo publicado en ACI Concrete International, de marzo de 2002
Autores: Vagn C. Johansen, Waldemar A. Klemm, and Peter C. Taylor Porqué interesa la Química? Interesa porque controla la vida extendida del hormigón. La Química explica porqué el cemento endurece y la interacción entre éste y su entorno. Se tratará la química inorgánica básica del cemento y del hormigón bajo condiciones de servicio. Por supuesto, hay otros tipos de procesos químicos que ocurren cuando se mezcla el hormigón, tales como los aspectos misteriosos de la química
orgánica y de la química de superficies. Estos temas se dejan de lado, no a causa de que no sean importantes, sino porque ellos no son el foco principal de este artículo.
Química y hormigón El primer principio para comprender es que, en un amplio sentido, el hormigón es termodinámicamente inestable. Cuando la pasta de cemento está expuesta a la atmósfera, comienza a deteriorarse, lo cual es una forma de corrosión química. La pasta reaccionará a la exposición a la lluvia ácida o en la cantidad normal de dióxido de carbono en el aire. Esta reacción causa que las superficies se descascaren y carbonaten, y luego, el silicato de calcio se hidrata para dar la resistencia al hormigón que lo convertirá otra vez a carbonato de calcio, gel de sílice, y gel de aluminio. Este es un aspecto de la química, pero la química no es solamente termodinámica, es también cinética. En otras palabras, el hormigón tiene el potencial para cambiar, pero cuán rápido ocurrirá esto? El hormigón hecho cuidadosamente con los materiales adecuados en las proporciones correctas, puede durar durante muchos cientos, y aún miles de años. Un ejemplo de esto es el Panteón de Roma, construido con un Cemento Romano puzolánico, que ha durado durante más de 2000 años.
Cuando Joseph Aspdin patentó su cemento Portland en 1824, se tituló Una mejora en los Modos de Producir Piedra Artificial. El Hormigón se consideró como una piedra artificial que tiene la apariencia, la resistencia, y la durabilidad de la cosa real. Algunas de las estructuras tempranas de hormigón que se hicieron con el cemento de Aspdin aún están en pie hoy en día, ninguna destruida por desgaste.
El aspecto importante es que el hormigón (el sistema de pasta de cemento que liga las partículas en el cuerpo de una piedra artificial) es inherentemente reactivo y, dada su estructura particular y las
condiciones de exposición, esa reactividad resultará en una durabilidad excelente o pobre. En plazos, cortos o largos, es la química la que hace la diferencia en la permanencia del hormigón. Ejemplos de agentes de exposición típicos que afectan la durabilidad son:
Humedad y agua de napas. Ciclos de temperatura. Sales descongelantes. Ambiente marino. Dióxido de carbono y contaminantes aéreos ácidos(NO2 y SO2). Dependiendo de la composición del hormigón y las condiciones de exposición, varias reacciones químicas pueden deteriorar el hormigón. A veces, sin embargo, el enemigo no es algún elemento exterior, sino más bien, las semillas de destrucción que pueden inocentemente contener dentro del hormigón mismo.
La humedad, o el agua, juegan el rol más importante en el fraguado, el desarrollo de resistencia, y el eventual deterioro del hormigón. El cemento portland se endurece debido a un proceso químico llamado hidratación.
Esto significa que los minerales silicato y aluminato en el cemento portland reaccionan y se combinan con agua para producir la ¨ cola ¨ que mantiene juntos a los agregados que se denomina hormigón. El cemento portland es solamente un tipo de cemento hidráulico, y se deberá notar que la ASTM C 1157-00, la especificación de performance para los cementos, se denomina ¨ Especificación de Performance Estándar para Cemento Hidráulico ¨, e incluye los cementos portland y los mezcla.
Como enfatizara Duff Abrams en su trabajo de seminario “Diseño de Mezclas de Hormigón” , sin embargo, que presentó en el Meeting de Diciembre de 1918 de la Portland Cement Association y luego publicado
en el Bulletin 1 del Lewis Institute, la relación agua – cemento (a/c) dicta la resistencia del hormigón. Aunque el tamaño y la granulometría del agregado y la cantidad de cemento influyen sobre la cantidad de agua requerida para producir una mezcla trabajable, la misma controla en una mezcla la resistencia del hormigón. Por eso, se debería usar la cantidad más pequeña de agua que produzca un hormigón plástico, o trabajable. El agua puede, dependiendo de la calidad y naturaleza del agregado usado y la historia del curado del hormigón, disparar tales otros sucesos deletéreos como la reactividad álcali agregado(ASR) o la formación de etringita diferida (DEF). El agua puede también actuar como un medio de transporte para especies potencialmente agresivas, tales como sulfatos, para entrar en el sistema.
La temperatura afecta la velocidad de las reacciones químicas, y una regla práctica general es que una velocidad de reacción química se duplica por cada incremento de 10 °C en la temperatura. Entonces, la temperatura influencia la velocidad del fraguado y el endurecimiento. El curado del hormigón por encima de ciertas temperaturas críticas puede conducir a la expansión y fisuración asociadas con la DEF.
Varios factores externos del medio ambiente pueden iniciar las reacciones químicas destructivas en el hormigón, particularmente el hormigón con porosidad más abierta(debido a una relación a/c elevada). Algunos de estos factores incluyen sales descongelantes que contienen cloruro usados para tratar las carreteras en invierno, rociado de sales o exposición a las mareas del agua de mar, y suelos que contiene sulfatos o agua de napa.
Los cloruros pueden lentamente difundir en el hormigón y, en la presencia de humedad y oxígeno, iniciarán la corrosión de la armadura. La oxidación del hierro para producir óxido de hierro es un proceso químico que genera un gran volumen de producto de oxidación que no solamente debilita estructuralmente al metal, sino que produce también presión localizada interna que puede provocar una fisuración severa del
recubrimiento de hormigón. Una vez iniciada la fisuración, se expone más superficie del hormigón a un ataque químico posterior.
Una parte vulnerable del hormigón es la pasta de cemento. Aunque el hormigón está compuesto de 10 a 15 % en peso de cemento portland, se convierte en el foco de los agentes químicos agresivos exteriores como el dióxido de carbono atmosférico (CO2) y los gases ácidos que se disuelven en la humedad para producir la lluvia ácida. La pasta de cemento es altamente alcalina, con un pH mayor de 12,5. Este pH se debe a la presencia de los productos de hidratación, el hidróxido de calcio y las menores cantidades de sales alcalinas(de sodio y de potasio). Bajo condiciones ideales de carbonatación (50 al 70 % de humedad relativa y una superficie de pasta expuesta), la cal hidratada (hidróxido de calcio) reacciona con el CO2 para formar carbonato de calcio, que es el mismo mineral que la calcita o la caliza. Como este proceso progresa lentamente, tal vez aún a velocidades de solamente un milímetro o menos por año, el pH disminuye y el carbonato de calcio finamente cristalino reemplaza a los productos de hidratación.
La lluvia ácida es agresiva, puede corroer y desmenuzar las superficies expuestas, destruyendo eventualmente los minerales hidratados del cemento que proveen la resistencia y la durabilidad. Un ejemplo de este comportamiento destructivo es el obelisco de caliza en el Central Park de Nueva York. Ha sobrevivido miles de años en el desierto de Egipto, permaneciendo en condiciones cuasi prístinas, pero ahora después de solamente décadas de exposición a los gases ácidos en la atmósfera de esta ciudad, las inscripciones jeroglíficas han desaparecido. Aunque la caliza no es hormigón, los efectos globales de la lluvia ácida son completamente similares.
Durante el diseño de una mezcla de hormigón, se debe considerar la química. Por ejemplo, si el hormigón se coloca donde puede estar expuesto a los medios agresivos tales como cloruros o sulfatos, se deberá seleccionar otro tipo de cemento ASTM. El Tipo I es cemento portland normal, mientras que el Tipo II provee moderada resistencia a
los sulfatos, y el Tipo V provee una resistencia mucho mayor a los sulfatos.
Ahora hay muchas especificaciones de normas ASTM, los métodos de ensayo normalizados de ASTM, los principios del ACI, y otras recomendaciones para el profesional de ingeniería sobre cómo diseñar las mezclas de hormigón, y todas éstas se basan en el conocimiento fundamental de la química del cemento y el hormigón(Weaver, 1978).
Durante los pasados 10 a 20 años, la experiencia de campo ha demostrado que no solamente el diseño de las mezclas, sino también el curado del hormigón es muy importante. El curado, por supuesto, es el proceso que provee suficiente humedad y energía térmica para promover el proceso de hidratación. Las condiciones de curado controlan el desarrollo de resistencia y la fisuración térmica; por eso, ellas tiene un impacto significativo sobre la durabilidad del hormigón. Un ejemplo reciente de la importancia del curado y el control de la temperatura es la degradación del hormigón por DEF. La formación de etringita es un suceso normal y útil a medida que el cemento portland comienza a fraguar. Si su formación está muy demorada ( días o meses después que endurece el hormigón), sin embargo, puede provocar serios problemas de durabilidad.
Las reacciones químicas del cemento El cemento portland contiene silicatos y aluminatos de calcio formados mediante una secuencia de procesos térmicos y químicos, incluyendo la descomposición de la caliza, la reacción con otros materiales de cantera tales como la arcilla, el mineral de hierro, y la arena; la fusión parcial de estos componentes, y da origen a la formación de nódulos duros, redondeados denominados clinker. Todo esto ocurre a la temperatura de 1450 °C en un horno rotatorio de una planta de cemento. Después del enfriamiento, el clinker se muele junto con aproximadamente 5 % de yeso (sulfato de calcio dihidratado) hasta una finura tipo harina,
produciendo el producto final, cemento portland (Kosmatka y Panarese, 1994).
El conocimiento presente de la composición química del cemento portland y lo que le sucede con él cuando se lo mezcla con agua fue primero revelado en 1887 por el químico francés Henry Le Chatelier(1905). En su tesis doctoral, identificó correctamente los minerales importantes del cemento como silicato tricálcico, silicato dicálcico, y aluminato tricálcico.
En 1915, los científicos en el Laboratorio Geofísico en Washington DC, estuvieron estudiando las relaciones de fase en altas temperaturas del sistema ternario CaO- SiO2 – Al2O3. Entre las fases minerales investigadas estaban, por supuesto, el silicato tricálcico, el silicato dicálcico, y el aluminato tricálcico. En el proceso de publicación del diagrama de fases en forma de triángulo, se inventaron ciertas abreviaturas simplificadas para las composiciones químicas de cada fase mineral. Por ejemplo, el silicato tricálcico, Ca3SiO2, se podría escribir también como la secuencia combinada de los dos óxidos, tales como 3CaO.SiO2. Los investigadores, Rankin y Wright, usaron entonces la notación abreviada de CaO= C, SiO2= S, y Al2O3 = A. De acuerdo con ello, 3 CaO.SiO2 podía escribirse como C3S. En forma similar, el silicato dicálcico, 2 CaO.SiO2, se transformó en C2S, y el aluminato tricálcico, 3CaO.Al2O3 se transformó en C3A(Bogue y Steinour, 1961).
Esta notación fue tan conveniente y útil que, en las futuras publicaciones durante los años siguientes, se introdujo una notación similar para los otros óxidos.Entonces, Fe2O3 = F, MgO = M; H2O = H; Na2O = N y K2O = K. El problema adicional de la S del trióxido de azufre SO3 se resolvió simplemente indicándolo con S barra. Otros nombres para los minerales del cemento o sus hidratos entraron concurrentemente en el lenguaje y se usan comúnmente hoy en día. Durante aproximadamente 100 años, los minerales silicato tricálcico y dicálcico, en su composición impura como cristalizan en el clinker han sido denominados alita y belita, respectivamente. Otros se denominan
por su nombre mineralógico equivalente, tales como periclasa para los cristales de MgO en el cemento, portlandita para el hidróxido de calcio (CH en la notación abreviada) y etringita para el silicoaluminato de calcio hidratado(C3A.SiO2.32H). La fórmula para la etringita en la notación de la química del cemento parece ser complicada, pero es simplificada comparada a una fórmula química convencional (Ca5[al(OH)3]24 H2O.(3SO2).(2 H2O).
Reacciones de hidratación normal La reacción más rápida que ocurre cuando se mezclan cemento y agua es la hidratación del aluminato tricálcico (C3A). Solo él mismo, el C3A y el agua formarán rápidamente hidratos de aluminato tricálcico tales como C4AH13 y C2AH8. Esto puede ocurrir tan rápidamente que el hormigón se puede volver espeso al cabo de unos minutos y volverse completamente intrabajable debido al calor emitido. Esta condición se denomina de falso fraguado. En el siglo diecinueve, cuando el cemento desarrolló la resistencia lentamente debido a que era molido en partículas grandes y reaccionaba imperfectamente, el falso fraguado no era un problema. Eventualmente, con la introducción de hornos rotatorios, una proporción más científica de los componentes de las materias primas y una molienda mucho más fina del clinker, el agregado de yeso (CSH2) al cemento eliminaron los problemas del falso fraguado.
Químicamente el C3A, el yeso y el agua formarían un recubrimiento protector de sulfoaluminato de calcio hidratado(etringita)sobre las superficies expuestas de aluminato tricálcico que permanecería durante varias horas. La hidratación del C3A se reactiva a medida que comienza el principio de fraguado, consumiendo el sulfato y formando más etringita. Si el cemento portland es del tipo ASTM Tipo I, sin embargo, probablemente contiene más de 8% de C3A, que es un porcentaje mucho más alto que el sulfato presente. Cuando todo el sulfato ha sido combinado como etringita, el exceso de C3A continúa hidratándose, y luego comienza a eliminar sulfato de algo de la etringita (trisulfato) para formar otro compuesto estable sulfoaluminato de calcio denominado
monosulfato, C3ACSH12(ec. 1 y 2). Un cuarto mineral importante en el cemento, la fase ferrita que contiene hierro, o el aluminoferrito tetracálcico(C4AF) también se hidrata, aunque mucho más lentamente, para formar compuestos químicamente similares trisulfato y monosulfato, en los que el hierro (Fe2O3)reemplaza una porción del aluminio(Al2O3)(Steniour, 1958). Los químicos del cemento genéricamente denominan a éstos las fases Aft( aluminato- ferrito – trisustituidos) y AFm (aluminato – ferrito – monosulfato), respectivamente.
C3A + 3CSH2 + 26 H
C6AS3H32 (etringita) (1)
2 C3A + C6AS3H32 + 4 H
3 C4ASH32
(2)
(monosulfoaluminato)
El desarrollo de la resistencia principal del hormigón, sin embargo, resulta de la hidratación de las fases silicato de calcio(C3S y C2S). Ambos silicatos de calcio se combinan con agua para formar el silicato de calcio tipo gel hidratado, o C-S-H (ec. 3 y 4)
2 C3S + 6 H
-S-H + 3 CH
2 C2S + 4 H
C-S-H + CH
(3)
(4)
Microestructura de la pasta de cemento Cuando endurece el hormigón debido a la hidratación de la pasta de cemento, el volumen total de los productos de hidratación es mayor que el volumen original del cemento portland y el agua. Como un resultado de estas reacciones de hidratación y la disminución en el volumen de la pasta, se crea un sistema de poros capilares. Esta porosidad en el
hormigón gobierna su grado de susceptibilidad a varios factores químicos que tienen una influencia profunda sobre la durabilidad. Las reacciones de mayor interés en la pasta de cemento son aquéllas entre los componentes de la solución en los poros, y las fases sólidas presentes, que son los minerales del cemento originales, sus productos de hidratación y, posiblemente superficies de agregados susceptibles, en el caso de RRAA. Esto significa que, a medida que pasa el tiempo, algunas de las fases sólidas se disuelven y precipitan nuevas fases. El transporte en solución de las diversas sustancias que participan en las reacciones controla la velocidad a la cual ocurre la reacción química. De manera de que el agua esté disponible, tiene que poder entrar al hormigón y moverse a través de la estructura de poros, donde se hace parte de la solución de los poros a partir de los materiales sólidos. Estos son principalmente iones oxhidrilo (OH-) e iones alcalinos (K + y Na+) así como menores cantidades de iones calcio, aluminato y sulfato. Los iones de fuentes externas, tales como las sales descongelantes, pueden incluir sodio y cloruro. Este es el punto en donde es evidente la importancia de la microestructura de la pasta, en la forma del sistema capilar de poros. Si se descartan las fisuras en el agregado, solamente la pasta tomará parte en el transporte de iones reactivos en el hormigón. En tal sistema, hay tres posibilidades para el movimiento de agua: A través del sistema capilar; A través de los productos de hidratación; A través de fisuras en la estructura de la pasta. Si el hormigón está saturado de humedad, la solución de los poros llenará ambos el sistema capilar de poros y las fisuras en la pasta. La conectividad de estos sistemas es crítico en controlar cuán lejos y rápido las soluciones se pueden mover en el hormigón. Para el hormigón con una relación a/c de 0,6 y más altas, el sistema capilar será continuo (sistema percolador) y agentes agresivos se moverán fácilmente a través de la masa de hormigón. Con una relación a/c decreciente, sin embargo, el sistema de poros se vuelve aislado en racimos más pequeños no conectados de poros. Estos racimos pequeños próximos a la superficie se pueden volver saturados con solución y reactivos disueltos. Cualquier movimiento posterior a través de la pasta tiene que ocurrir a través del gel C-S-H o a través de los productos de hidratación. La velocidad de transporte del líquido a través de la fase C-S-H está en el orden de 1000 veces más lenta que la que ocurre a través de los
poros capilares. Por eso, aún si los poros capilares representan solamente el 1% del transporte total a través de la sección transversal, ellos proveerán también el 90% del transporte de la solución. Cualquier reacción química que dependa únicamente del transporte a través de CS-H es desestimable con propósitos prácticos. Si están presentes las fisuras llenas de líquido, el movimiento de una solución será proporcional al número y tamaño de las fisuras. Además, las fisuras también proveerán cortocircuitos entre los racimos de poros y por ello expondrán capas más profundas de hormigón a la solución penetrante. Con suficiente fisuración, las fisuras mismas pueden formar un sistema percolante conectado dentro del hormigón y que permita que los reactivos disueltos se muevan dentro del sistema más rápidamente. El tipo más común de ataque químico sobre el hormigón resulta de la exposición a los suelos o agua subterránea que contiene contenidos elevados de sulfatos. Esta enfermedad es una ocurrencia común en el oeste de los Estados Unidos, y ha sido conocida durante muchos años. La producción de cementos Tipo II y V intenta particularmente proveer la resistencia a la exposición deletérea a los sulfatos. El mecanismo de ataque a los sulfatos es relativamente simple. Si el cemento contiene una cantidad elevada de C3A se formará una cantidad sustancial de la fase monosulfoaluminato de calcio(Afm) durante la hidratación. Esta sustancia es reactiva, y un sulfato adicional de la fuente exterior tal como el suelo o el agua subterránea que penetra en el hormigón, provocará que el monosulfato reaccione rápidamente con él y lo convertirá otra vez en la fase Aft, o etringita. La conversión de la fase monosulfato a etringita resulta en un incremento significativo de volumen y es destructivo para el hormigón. Si esto se permite que continúe, el hormigón eventualmente será destruido. El hormigón hecho con una relación a/c alta y sujeto al agua subterránea que contiene sulfato de sodio puede ser dañado por otro mecanismo. Los estudios efectuados en California han demostrado que, aún con el uso de tipos de cemento II y V, si el agua puede percolar a través del hormigón, el humedecimiento y secado sobre la superficie expuesta al aire resulta en el deterioro serio. El daño es principalmente debido a la recristalización repetida de los sulfatos y carbonatos alcalinos durante los ciclos de secado (Stark 1989).
Química y fisuración Las fisuras en el hormigón se pueden desarrollar por una razón física tal como la contracción por secado o la carga mecánica. Las reacciones químicas locales en el hormigón, sin embargo, pueden también provocar
una expansión, un desarrollo de presión interna, y luego la fisuración. El hormigón es un material quebradizo y por eso se puede expandir solamente hasta un grado limitado antes de la fisuración. En términos amplios, la expansión observada es igual a la suma de los anchos de las fisuras. Si no es posible determinar la causa de la expansión y la fisuración por la aparición del patrón de fisuras sobre la superficie del hormigón, las muestras de hormigón interior se debe examinar microscópicamente o químicamente, para determinar la causa de la expansión interna. En el hormigón de campo expuesto a los elementos agresivos, hay dos modos básicos de expansión: El agregado se puede expandir con relación a l a pasta de cemento; y La pasta de cemento se puede expandir con relación al agregado. Se deduce de consideraciones físicas que, en un sistema compuesto de partículas que se expanden en una matriz, se forman las fisuras radiantes desde las partículas en la matriz. La expansión de las partículas es una pasta endurecida, tal como las partículas de agregado que sufren la RRAA, provoca que las partículas se fisuren y la fisura se extienda hacia fuera dentro de la pasta circundante. Una fisuración de la partícula, cuando se expande desde la superficie, es realmente una experiencia casi común. Cuando se dejan caer los cubos de hielo en una bebida y se escucha el sonido de una crepitación familiar – éste es el sonido del hielo que se calienta en el exterior, expandiendo y luego fisurando. La expansión en la superficie provoca que la parte interior de la partícula esté bajo tensión de tracción, y se fisure desde la parte interior hacia fuera. La contracción de la pasta de cemento es un fenómeno común relacionado con la hidratación, y desde un punto de vista de la fisuración, es equivalente a la expansión de las partículas de agregado. Qué sucedería si la pasta realmente se expande con relación a las partículas de agregado? Cuando la pasta de cemento se expande con relación a las partículas de agregado, como se tiene en el DEF, se abren espacios alrededor de las partículas. Este concepto es realmente un poco contraintuitivo, en que uno podría esperar que la pasta que se expande realmente rompa la partícula más bien que crea un espacio alrededor de ella. Esto es similar a la cuestión de si un agujero que ha sido perforado a través de una pieza de metal se volvería más pequeño o más grande en diámetro a medida que el metal se calienta y expande.
Una manera de comprender el fenómeno es considerar al hormigón constituido por agregado que no se expande, y efectuar la siguiente experiencia imaginaria. Primero, suponer que el hormigón, incluyendo la pasta y el agregado, se expande en un 20%, en todas las direcciones. No hay distorsión, ni fisuración, y el hormigón es de alguna manera más extendido. Luego, dado que las partículas de agregado no se expanden, contraerlas a su tamaño original. Qué ha sucedido? Las partículas entonces se desparraman alrededor de los agujeros y, además, estos espacios son proporcionales al tamaño de las partículas.
Reactividad álcali
–
sílice
La reacción química AA ocurre entre la solución altamente alcalina de los poros (pH muy alto) y las porciones silíceas reactivas de algunas partículas de agregados. La gran cantidad de iones oxhidrilo (OH-) presente en la solución de los poros, debido a la concentración altamente alcalina (sodio y potasio), disuelve la sílice reactiva sobre las superficies del agregado para formar un gel de sílice alcalino. Aunque cualquier forma de sílice puede reaccionar con los hidróxidos alcalinos en teoría, son las rocas silíceas tales como el ópalo, el chert, y materiales volcánicos vítreos los que parecen ser los más reactivos. Los agregados silíceos reactivos formarán un gel de sílice – álcali comenzando en la superficie del agregado y moviéndose hacia adentro. Los esfuerzos de tracción producidos durante la reacción, provocan que las partículas de agregado y la pasta circundante se fisuren. En varios casos, las fisuras se interconectarán y conducirán al debilitamiento del hormigón. El debilitamiento se debe solamente a las fisuras; la pasta entre las fisuras mantiene su composición y resistencia. Las rocas policristalinas más densas, tales como los granitos, reaccionarán más lentamente. La reacción química ocurrirá en aquellas áreas heterogéneas de los bordes de los granos. En tales casos, solamente un mínimo grado de reacción puede ser necesario para provocar la fisuración. En el deterioro por RRAA, dado que cada fractura interna en el hormigón crea un espacio vacío, la reacción álcali – árido provoca el incremento de volumen (Helmuth, 1993). La evidencia visual resultante de la reacción es el “mapa de fisuración” observado sobre la superficie del hormigón.
Expansión de la pasta La RRAA es un ejemplo de una reacción química en la cual el agregado en el hormigón juega un rol en el mecanismo del deterioro. Las
reacciones relacionadas con el sulfato son un grupo que involucran solamente a la pasta de cemento. Las reacciones DEF que están asociadas con la exposición del hormigón a altas temperaturas durante el curado, en sistemas que contienen cementos de sulfato normal, han sido un tópico de atención en las discusiones durante algún tiempo. Los resultados DEF de una reacción química o conjuntos de reacciones, no están aún bien comprendidas en este momento, pero la diagnosis es relativamente simple; de la expansión de la pasta en el hormigón afectado, resultya el deterioro. En el hormigón afectado de DEF, se observa generalmente la fase Aft , o etringita. La etringita es un producto de la hidratación normal, formado por la reacción química entre las fases aluminato del cemento, el agua, y el sulfato de calcio(yeso). La formación de etringita ocurre en la pasta y está distribuida uniformemente. Dentro del hormigón maduro expuesto a las condiciones húmedas, la etringita se encuentra generalmente en los poros y fisuras. Esto no es una indicación de daño, sino más bien el resultado de un proceso de recristalización normal conocido como ¨ maduración de Ostwald ¨ . Esto significa que los cristales pequeños tienen una mayor solubilidad que los grandes en cualquier espacio disponible, tal como las fisuras y poros. La maduración de Ostwald es un principio químico general, y la cristalización del hidróxido de calcio se comporta en una manera similar. Considerando la DEF, sin embargo, una temperatura alta del hormigón a una edad temprana es un parámetro muy importante. A ciertas temperaturas, generalmente por encima de 70 °C, y más frecuentemente por encima de 80 °C, la etringita se vuelve inestable porque aumenta su solubilidad. Esta temperatura es fuertemente dependiente del contenido de álcalis y otros factores de composición del cemento que son menos comprendidos. Donde los componentes de la etringita se van después de su descomposición no está clara. Ciertas porciones de etringita se pueden consumir en el C-S-H o puede permanecer en solución. Lo que está claro, sin embargo, es que la química importa, aún si no se comprende completamente la secuencia precisa de las reacciones. Un signo de la expansión de la pasta es la presencia de vacíos o fisuras alrededor de las partículas de agregado. Generalmente, la etringita llena estos vacíos. Hay también ejemplos de la expansión de la pasta que muestran espacios vacíos, sin embargo.
La siguiente es una explicación posible de la expansión de la pasta observada relacionada con las partículas anhidras e hidratadas de aluminato en la pasta de cemento endurecida. La pasta endurecida, el mortero, tratados con calor así como el hormigón curado normalmente son todos lugares donde uno puede encontrar partículas de clínker no hidratadas en cantidades varias. Por encima de ciertas temperaturas la etringita es inestable, y la fase primaria aluminato hidratada es monosulfoaluminato de calcio (AFm). Por eso, después del enfriamiento a temperatura ambiente que sigue al tratamiento térmico, el hormigón contendrá partículas de aluminato anhidro, con fases AFm y AFM. Durante el paso del tiempo y el curado húmedo del hormigón, estas partículas continuarán reaccionando con sulfato en la solución de los poros. Se forman la etringita y las fases AFm, dependiendo de la composición de la solución de los poros. El sulfato, liberado del C-S-H que lo tenía inicialmente absorbido durante el tratamiento con calor, mantiene la concentración de sulfato de la solución de los poros. La pasta endurecida confina a las partículas reaccionantes y el volumen de la AFm y la etringita (Aft) formadas provocarán una presión localizada. Los cristales bajo presiíon tienen una solubilidad más alta que aquélla que tendrían cuando no están bajo presión. Cuando más y más fases AFm y Aft se formen sobre las partículas, la presión aumenta y, por eso, lo hará también la solubilidad. Si la solubilidad aumenta hasta un nivel correspondiente con la concentración real en la solución de los poros, el crecimiento del cristal se interrumpe y la presión actuará localmente sobre la partícula y su entorno. En esta forma, la partícula reaccionante puede actuar como un centro de presión local. Esto provocará un esfuerzo en la pasta circundante alrededor de la partícula, como una clase de esfera de influencia: Si la presión creada es mayor que la resistencia a la tracción de la pasta, ésta se fisurará. Si las partículas reaccionantes están suficientemente próximas una con otra, resultará una expansión volumétrica.
Conclusión Volviendo a la pregunta original: Porqué importa la química? La respuesta se puede resumir como sigue: la química importa porque la composición del hormigón y su comportamiento se basan en una variedad de reacciones químicas que varían desde el fraguado original y el endurecimiento de los constituyentes del cemento a las propiedades ingenieriles deseadas. LA durabilidad del hormigón depende de los
procesos químicos que desarrollan tanto el cemento como los agregados, las condiciones de curado y la exposición a una variedad de efectos ambientales. Las reacciones químicas que ocurren durante la hidratación de los minerales del clinker determinan la micro estructura del hormigón. El hormigón endurecido es químicamente reactivo. Por eso, es esencial para diseñar mezclas de hormigón adecuadas y erigir estructuras en una manera de controlar o compensar adecuadamente la reactividad química.
SÉPTIMA LECTURA: EL ESTUCO El estuco es una pasta de grano fino compuesta de cal apagada (normalmente, cales aéreas grasas), mármol pulverizado y pigmentos naturales, que se endurece por reacción química al entrar en contacto el carbonato cálcico de la cal con el dióxido de carbono (CO2) y se utiliza sobre todo para enlucir paredes y techos. Admite numerosos tratamientos, entre los que destacan el modelado y tallado para obtener formas ornamentales, el pulido para darle una apariencia similar al mármol y el pintado polícromo con fines decorativos. El estuco se empleó ya en las antiguas Grecia y Roma como base para las pinturas al fresco, algunos de cuyos restos se conservan en Roma y Pompeya. Los árabes lo utilizaron con frecuencia para sustituir al mármol, tallándolo en forma de mocárabes, atauriques u otros motivos ornamentales como los que se pueden contemplar en la Alhambra. Durante el renacimiento italiano se perfeccionaron un gran número de técnicas, que más tarde se difundieron por toda Europa. El estuco blanco se utilizó mucho en los muros de las iglesias, en ocasiones para pintar figuras de ángeles. Rafael y otros artistas de la época utilizaron frisos de estuco coloreado para decorar palacios y pabellones. Entre los más relevantes destacan los relieves de Francesco Primaticcio (1533-1565) para el castillo de Fontainebleau, cerca de París. Sin embargo, este material alcanzó sus cotas más espléndidas durante los siglos XVII y XVIII. Tanto el barroco como el rococó decoraron con estuco sus interiores, especialmente en Baviera y Austria, donde los palacios e iglesias de peregrinación presentaban estucos polícromos con infinidad de formas —motivos especulares, columnas pareadas y elaborados altares—. El arquitecto inglés Robert Adam también lo empleó para sus exquisitas ornamentaciones de paredes y techos, en estilo neoclasicista. El término estuco proviene del italiano "stucco", siendo una forma de terminación o decoración de paredes y techos, interiores o exteriores, basada en pinturas y diferentes tipos de morteros, que permite la obtención de diferentes texturas. Dada su versatilidad, se adapta a cualquier tipo de construcción o época. Además de la
función decorativa, refuerza el muro y lo impermeabiliza, permitiendo la transpiración natural. El estuco más famoso es el veneciano, también llamado "Lustro Veneciano". Es un revestimiento que se inventó en Venecia (Italia) a comienzos del siglo XV. Su acabado muestra una pared plana, lisa y brillante como un cristal, con diferentes tonalidades de color, de gran belleza. COMPOSICIÓN Dentro del estuco tradicional, los morteros están compuestos de cal, arena de mármol y pigmentos naturales, que se suelen barnizar con ceras o aguarrás. También puede estar compuesto por yeso o escayola, resinas y colas naturales. En el estuco de nueva generación, se suele añadir resina sintética. APLICACIÓN La superficie debe estar sana y limpia, libre de partes sueltas, contaminación de aceites, polvo u otras sustancias extrañas. Puede estar seca, húmeda o saturada, pero libre de encharcamientos. Sobre bloque: Se Humedece ligeramente la superficie, y se aplica una capa de 2 a 4 mm cubriendo todo el área con una llana lisa. Se deja secar la aplicación durante 12 horas y se aplica una segunda capa no mayor a 3 mm para dar el acabado final. Sobre una superficie fina de cemento o yeso: Se aplica el estuco con una llana lisa cubriendo toda la superficie con una capa no mayor a 4 mm. Una vez comenzado el secado se le puede dar textura.
OCTAVA LECTURA: LA QUIMICA EN LA INGENIERIA CIVIL
Como todos sabemos, la Química es el estudio de composición de la materia, como son sus propiedades, estructuras y de que se compone la misma, mas aun los cambios de estado como son los líquidos, sólidos y gaseoso, aunque existen otros como el plasma y mas por investigación científica moderna. Pero ¿en qué se relaciona la química en la ingeniería civil? Desde la antigua Grecia quienes desde una manera sistematizada propusieron algunas teorías sobre la composición de la materia y dieron a exponer un metal precioso como fue el oro, que ya hoy en día puede servir en algunos casos de mejor conductor de electricidad, le dieron una mayor perspectiva para exponer la construcción y darle una calidad de vida
sumariamente mejor, como son los templos en Grecia, la ingeniería egipcia, castillos, entre otros. Ya aun en esta época tenían inquietudes sobre los comportamientos del clima, de que se componía el aire, los procesos de combustión, entonces pasando al siglo XXI y tras de muchos años de investigación la materia como tal, está expuesta a comprender unos series de transformaciones o cambios en su estado, según el ambiente en el que se encuentre. En la ingeniería son muchos los factores que determina la química para las construcciones, como son los materiales: Los más destacados comúnmente son la madera, el hormigón, ladrillo, acero, plástico, el vidrio, caucho, aluminio, cobre, cemento, la cal, aditivos, acelerantes, retardantes,, la arena, el agua, y muchos más son vistos y diseñados para en un momento dado mezclar algunos de estos componentes y darle varias características a la tarea que se vaya a realizar, como pueden ser la resistencia al concreto, los comportamientos del Acero con el concreto, las propiedades del asfalto, los comportamientos de la madera impermeabilizada, el bambú, el cambio de estado del metal expuestos a baja y altas temperaturas como se sabe tienden a expandir o contraerse, todas estas y muchos más comportamientos el ingeniero debe tener en cuenta la estructura interna y las propiedades de los dicho materiales debido a que como ingenieros debemos determinar la aplicación adecuada y la capacidad de desarrollar un mejor método de procesado. Podré dar un ejemplo básico y elemental sobre un punto de encuentro de la química en la ingeniería, como bien es el proceso de endurecimiento del concreto respecto a la relación agua- cemento, esta reacción química solo toma una pequeña parte de H2O y la mayor regula la viscosidad o resistencia. Gracias a la Ingeniería Civil, ésta es multidisciplinaria, es decir que maneja una gran extensión en campos que pueden desempeñar. Estas aéreas además de la construcción pueden ser la Hidráulica, la Ingeniería Sanitaria y Ambiental, en las cuales el profesionista que pretende aplicar métodos de tratamiento físicos o químicos, de purificación a las aguas residuales, debe de entender claramente conceptos básicos como concentraciones (molar, normal, ppm o % en peso), pH, teorías ácido-base y las técnicas de valoración del grado de acidez de una sustancia, etc.; además de los materiales de construcción también observamos qué nos proporciona los recursos de sostenimiento para mejorar la calidad de vida, como son la Hidrología, la flora, el saneamiento, que son materia de diseño más avanzado que podrían determinarse en represas, túneles, puentes, diseños urbanísticos, Vías, entre otros. El acero es fundamental para la Ingeniería, ya que gracias a la composición química le proporciona una mayor resistencia y mayor deflexión para tener un mejor soporte en las cargas vivas y muertas.
