Unidad 6 Patología del concreto 6.1. Conceptos fundamentales La patología del concreto puede defnirse como el estudio sistemático de los procesos y características de las enermedades o de los deectos y daños que puede surir el concreto, sus consecuencias y su terapia. Causas Las causas de las alteraciones y las patologías que pueden generarse en el concreto tienen su origen en una gran diversidad de actores. El conocimiento de estas es undamental en cualquiera de las etapas de una construcción construcción que emplee concreto como material. Para ello ay que tener muy en cuenta tanto los actores de diseño, así como su construcción. La determinación de las causas que a provocado el concreto no siempre es ácil, pero es importante como medida previa a la aplicación de remedios y de una terapia adecuada! no ay que olvidar que, en general, las mismas causas producen id"nticos tipos de deectos, de orma que conociendo la causa es posi#le prever el cuadro de fsuras que pueden aparecer, esquemati$ar el enómeno y determinar sus posi#les consecuencias o viceversa. %eniendo en cuenta, que en varias ocasiones las causas pueden ser com#inadas. &e puede reali$ar una pequeña clasifcación de las causas seg'n su origen( • • • •
)erivadas de los componentes del concreto )erivadas de la a#ricación y e*ecución )eectos y deterioro del acero de la armadura +nuencia del am#iente
)eterioro por agentes e-ternos( ísicos /uímicos &e origina siempre que la tensión, generalmente a tracción, a la que se encuentra sometido el material so#repasa su resistencia 'ltima. &e podrán distinguir por varias ra$ones( Edad de aparición en el elemento estructural Por su orma %rayectoria %rayectoria 0#ertura 1ovimiento, 1ovimiento, etc.
o
o o o o o
2ay que tener especial cuidado con distinguir el concreto endurecido del resco y los deectos, allos o lesiones en uno y otro porque, por e*emplo, un deecto del concreto resco puede provocar una lesión en el endurecido 3un concreto con una consistencia muy seca, diícilmente compacta#le, puede quedar con oquedades y poros que permitan la corrosión de las armaduras4. 5n dato a tener en cuenta, es la consideración que se le da al concreto como un sistema omog"neo en su composición, compacto compacto e inerte al medio donde se sit'a.
Pero en realidad es todo lo contrario, se trata de un compuesto de sistema eterog"neo y poroso, sometido, a un medio capa$ de alterarlo y reaccionar con sus componentes! *ugando como actor undamental no solo su protección ísica sino tam#i"n su composición química, que es la que permite la correcta protección de la armadura.
6.2. Tipos de fallas patológicas Corrosión de los metales ahogados
El concreto es un material de alta alcalinidad. El p2 del concreto reci"n me$clado generalmente se u#ica entre 67 y 68. En este rango de alcalinidad, el acero aogado está protegido contra la corrosión por una película de pasivación aderida a la superfcie de la varilla de reuer$o. Por lo tanto, cuando se rompe esta puede surgir la corrosión. La corrosión es un proceso electroquímico que requiere de un ánodo, un cátodo y un electrolito. La matri$ de un concreto 'medo orma un electrolito acepta#le, y el acero de reuer$o proporciona el ánodo y el cátodo. La corriente el"ctrica inuye entre el cátodo y el ánodo, y la reacción da como resultado un incremento en el volumen del metal cuando el e 3ierro4 se o-ida para ormar e 39247 y e 39248 y se precipita como e9 92 3color de errum#re4. Para que la reacción tenga lugar de#e a#er agua y o-ígeno. En concreto de #uena calidad la velocidad de la corrosión será muy lenta. %endrá lugar corrosión acelerada si el p2 3alcalinidad4 se reduce 3car#onatación4 o si se introducen en el concreto químicos agresivos o metales dierentes. 9tras causas incluyen corrientes el"ctricas vaga#undas y celdas de concentración causadas por un am#iente químico dispare*o o varia#le. 0grietamiento y astillamiento inducidos por corrosión El agrietamiento y el astillamiento del concreto inducido por la corrosión del acero son unciones de las siguientes varia#les( 6. :esistencia a tensión del concreto. 7. Calidad y espesor del recu#rimiento del concreto so#re la varilla de reuer$o. 8. 0derencia entre la varilla de reuer$o y el concreto circundante. ;. )iámetro de la varilla de reuer$o. <. Porcenta*e de la corrosión por peso de la varilla de reuer$o. Con una relación de espesor recu#rimiento a diámetro de la varilla 3C=)4 igual a >, el agrietamiento del concreto inicia cuando la corrosión alcan$a el ;?, mientras que con una relación C=) de 8, solamente el 6? de la corrosión es sufciente para agrietar el concreto 3ver ta#la siguiente4.
Penetración de cloruros
Los cloruros pueden introducirse en el concreto cuando "ste entra en contacto con am#ientes que los contienen, tales como agua de mar o sales descongelantes. La penetración de los cloruros empie$a en la superfcie, posteriormente se mueve acia adentro. La penetración toma tiempo, dependiendo de( 6. La cantidad de cloruros que entra en contacto con el concreto. 7. La permea#ilidad del concreto. 8. La cantidad de umedad presente. En algunas ocasiones, la concentración de cloruros en contacto con el acero de reuer$o causará corrosión cuando est"n presentes umedad y o-ígeno. 0 medida que se orma una capa de errum#re, las uer$as de tensión generales por la e-pansión del ó-ido, acen que el concreto se agriete y se deslamine. El astillamiento de la laminación ocurre cuando las uer$as naturales de gravedad o las cargas act'an en el concreto o*o. Cuando el agrietamiento y la delaminación progresan, tiene lugar una corrosión acelerada, de#ido al ácil acceso de sales corrosivas, o-ígeno y umedad. Entonces la corrosión empie$a a aectar las varillas de reuer$o aogadas más adentro del concreto. La concentración de cloruros necesarios para promover la corrosión, entre otros actores, es aectada grandemente por el p2 del concreto. &e demostró que se requiere un nivel de um#ral de @AAA ppm de iones de cloruro para iniciar la corrosión, cuando el p2 era del 68.7. Cuando el p2 se reducía a 66.B, la corrosión se inicia#a con solamente >6 ppm de iones de cloruro.
Grietas y cloruros
Las grietas y las *untas de construcción en el concreto permiten que los químicos corrosivos tales como las sales descongelantes entren al concreto y se introdu$can en el acero de reuer$o. La corrosión del acero puede presentarse, inclusive, en un am#iente altamente alcalino cuando ay presencia de cloruros. Los cloruros no se consumen en el proceso de corrosión, pero si act'an como catali$adores para el proceso y permanecen en el concreto. El 0C+ 77; : DA presenta la ta#la siguiente de ancos de grietas tolera#les en el concreto reor$ado.
Cloruros en el colado Pueden encontrarse cloruros ene l concreto reor$ado incluso antes de que las estructura est" en servicio. Los cloruros pueden introducirse deli#eradamente como un acelerante, o en orma de ingredientes naturales locali$ados en algunos agregados. El concreto producido con arena de playa o que tiene agua de mar usada como agua de me$clado dará como resultado cloruros en la me$cla. Los cloruros pueden ser solu#les en agua o solu#les en ácidos. Los cloruros usados como aditivos son solu#les en agua, mientras que los que se encuentran en uentes de agregados sólo pueden ser solu#les en ácido. Los cloruros solu#les en agua son los más dañinos, ya que rápidamente se li#eran para atacar el acero de reuer$o. El 0C+ 7A6.7 : propone los límites para los iones de cloruro en el concreto, antes de la puesta del concreto en servicio, los cuales se muestran en la ta#la 7.8D.
Carbonatación
La car#onatación del concreto es una reacción entre gases ácidos en la atmosera y los productos de la idratación del cemento. El aire normal contiene dió-ido de car#ono 3C9 74 en concentraciones relativamente #a*as 3A.A8?4. El nivel del dió-ido de car#ono en atmoseras industriales es, por regla general, alto. El dió-ido de car#ono penetra en los poros del concreto por diusión y reacciona con el ó-ido de calcio disuelto en el agua de los mismos poros. Como resultado de esta reacción, la alcalinidad del concreto se reduce a un valor p2 de apro-imadamente 6A y, consecuentemente, se pierde la protección del concreto del acero de reuer$o. La pasividad de la capa protectora en el acero es destruida. Cuando el acero es despasivado y el am#iente es ácido o ligeramente alcalino, empie$a la corrosión si la umedad y el o-ígeno ganan acceso acia el concreto. En un concreto de #uena calidad, el proceso de car#onatación es muy lento. &e a estimado que el proceso continuará a una tasa de asta A.A; pulgadas 36 mm4 por año. El proceso requiere de cam#io constante en los niveles de umedad desde seco asta mo*ado y nuevamente a seco. o ocurrirá car#onatación cuando el concreto est" constantemente #a*o el agua. 1ecanismos de desintegración La e-posición a químicos agresivos 3naturales o artifciales4 suelen provocar que el concreto altere su composición química, provocando cam#io en sus propiedades mecánicas. )ependiendo del tipo de ataque, el concreto puede a#landarse o desintegrarse, en una parte o en su totalidad. El agua puede ser uno de los am#ientes más agresivos que causan la desintegración. &i el concreto está saturado con agua y sometido a congelación, la uer$a e-pansiva del incremento en volumen puede causar que el concreto se separe en pequeños peda$os. &imilar a los eectos del ielo es la e-pansión de los cristales, de las sales en su superfcie de concreto sometidos a soluciones salinas. o todos los mecanismos de desintegración son causados por actores e-ternos. Las reacciones álcali agregado, están internamente contenidas dentro del concreto originalmente ela#orado. %ales reacciones dan como resultado la e-pansión del agregado aectado. E-posición a químicos agresivos Ciertos químicos en solución atacan a varios constituyentes del concreto. Los químicos agresivos pueden dividirse en las siguientes categorías( 6. Fcidos inorgánicos. 7. Fcidos orgánicos. 8. &oluciones alcalinas. ;. &oluciones salinas. <. Garios. El ataque de ácidos al concreto es la reacción entre el acido y el idró-ido de calcio del cemento portland idratado. La reacción produce compuestos de calcio solu#les al agua, que luego son li-iviados. Cuando se usan agregados de piedra cali$a o dolomitas, el ácido puede disolverlos.
)esintegración por congelación y desielo La desintegración o el deterioro por congelación y desielo tienen lugar cuando se presentan las siguientes condiciones( 6. Ciclos de temperatura de congelación y desielo dentro del concreto. 7. Concreto poroso que a#sor#e agua 3poros capilares llenos de agua4. El deterioro por congelación y desielo generalmente ocurre en superfcies ori$ontales que están e-puestas a agua, o en superfcies verticales que están en la línea de agua en porciones sumergidas de estructuras. El agua de congelación contenida n la estructura de poros se e-pande asta convertirse en ielo. La e-pansión causa uer$as de tensión locali$adas que racturan la matri$ de concreto circundante. La ractura ocurre en pequeñas pie$as, yendo de las superfcies e-teriores acia el interior. La velocidad del deterioro por congelación y desielo está en unción de lo siguiente( 6. Porosidad incrementada 3la velocidad aumentada4. 7. &aturación de umedad incrementada 3la velocidad se incrementa4. 8. umero incrementado de los ciclos de congelación y desielo 3la velocidad se incrementa4. ;. 0ire incluido 3la velocidad se reduce4. <. &uperfcies ori$ontales que atrapan agua estancada 3la velocidad se incrementa4. B. 0gregado con una pequeña estructura capilar y alta a#sorción 3la velocidad aumenta4. :eacción álcaliHagregado Las reacciones álcaliHagregado 300:4 pueden crear e-pansión y agrietamiento severo en estructuras y pavimentos de concreto. Los mecanismos que causan reacciones álcaliHagregado no an sido entendidos completamente. Lo que se conoce acerca de este tipo de reacción es que ciertos agregados, tales, como, ormas reactivas de sílice, reaccionan con el idró-ido de potasio, sodio, y calcio que están en el cemento y orman un gel alrededor de los agregados reaccionantes. Cuando el gel alrededor del agregado es e-puesto a umedad, se e-panden, creando uer$as que causan grietas por tensión y que se orman alrededor del agregado. El concreto no confnado que e-perimenta 00: muestra algunos signos de aviso de agrietamiento superfcial tipo ImapasJ so#re las superfcies e-puestas. 5na ve$ que se a ormado el agrietamiento, más umedad penetra en el concreto, acelerando la reacción álcali agregado y permitiendo daño adicional por congelación y desielo. La reacción álcali agregado puede pasar inadvertida por alg'n tiempo, posi#lemente años, antes de que se desarrollen severos trastornos asociados. Com'nmente las prue#as para detectar la presencia de reacciones álcali agregado se acen por el e-amen petrográfco del concreto. :ecientemente, se a desarrollado un nuevo m"todo capa$ para monitorear una reacción posi#le. Este m"todo utili$a la t"cnica de uorescencia de acero de uranio, es rápido y económico. 0taque de sulatos
La presencia de sulatos solu#les 3principalmente de sodio, calcio y magnesio4 es com'n en $onas de operaciones mineras, y de las industrias químicas y del papel. Los sulatos de sodio y calcio con los más comunes en suelos, agua y procesos industriales. Los sulatos de magnesio son menos comunes, pero más destructivos. Los suelos o las aguas que contienen estos sulatos con recuencia se llaman suelo o aguas IálcaliJ. %odos los sulatos son potencialmente dañinos al concreto. Ellos reaccionan químicamente con la cal idratada de la pasta de cemento y con el aluminato de calcio idratado. Como resultado de esta reacción, se orman productos sólidos con un volumen más grande que los productos que entran en la reacción. La ormación de yeso y ettringita se e-pande, presiona y rompe la pasta. Como consecuencia, se inicia la ormación de escamas y la desintegración, seguido por el deterioro de la masa. La resistencia a sulatos del concreto se me*ora por una #a*a relación a=c y un actor adecuado de cemento, con un aluminato con #a*o contenido tricálcico y con aire incluido apropiado. Con un proporcionamiento apropiado, el umo de sílice 3microsílice4, la ceni$a volante y la escoria molida generalmente me*oran la resistencia del concreto al ataque de sulatos, principalmente reduciendo la cantidad de elementos reactivos necesario para reacciones de sulato e-pansivo. Caitación
La cavitación causa la erosión de las superfcies de concreto como resultado del colapso de #ur#u*as de vapor que se orman por cam#ios de presión en un u*o de agua a gran velocidad. Cuando se orman #ur#u*as de vapor, "stas uyen siguiendo la corriente con el agua. Cuando entran en una región de presión más alta, se colapsan con gran impacto. La ormación de #ur#u*as de vapor y su colapso consecuente se llama cavitación. La energía li#erada al colapsarse causa Idaño por cavitaciónJ. &e orman cavidades cerca de las curvas y re#a*os, o en el centro de los vórtices. El daño por cavitación da como resultado la erosión de la matri$ del cemento, de*ando el agregado más duro en su lugar. 0 velocidades más altas, las uer$as de cavitación pueden ser lo sufcientemente grandes como para desgastar y llevarse grandes cantidades de concreto. El daño por cavitación se evita produciendo superfcies lisas y evitando o#strucciones salientes al u*o. 0#rasión La a#rasión es el desgaste de la superfcie por raspado y ricción. Keneralmente, la superfcie es uniormemente desgastada, incluyendo la matri$ de cemento y los agregados. Los actores que alteran la resistencia a a#rasión son( 6. :esistencia a compresión. 7. Propiedades de los agregados. 8. 1"todos de aca#ado. ;. 5so de capas de desgaste. <. Curado. !fectos de la humedad
En el concreto resco, los espacios entre las partículas están completamente llenas de agua. El e-ceso de agua se evapora despu"s de que endurece el concreto. La p"rdida de umedad ace que el volumen de la pasta se contraiga. Esto, a su ve$, conduce a esuer$os de contracción. El concreto cam#ia de volumen en respuesta a los cam#ios de la umedad am#iental. Contracción por secado En su e-posición a la atmósera, el concreto pierde algo del agua original que tenía a trav"s de la evaporación, y se contrae. El concreto de peso normal se contrae de ;AA a @AA microdeormaciones. La contracción por secado, si no tiene restricciones, da como resultado un acortamiento del elemento sin la deormación de esuer$o por contracción. &i el elemento tiene restricciones para moverse, la creación de esuer$os puede e-ceder la resistencia a tensión del concreto. Este so#re esuer$o da como resultado agrietamiento de#ido a contracción por secado. La colocación correcta del acero de reuer$o en el elemento distri#uye los esuer$os de contracción y controla los ancos y las grietas. %ransmisión del vapor de umedad El vapor de agua via*a a trav"s del concreto cuando las superfcies de un elemento estructural están su*etas a dierentes niveles de umedad relativa 32:4. El vapor de umedad se traslada desde una alta 2: a otra 2: más #a*a. La cantidad de la transmisión de vapor de umedad es una unción del gradiente 2: entre las caras, y la permea#ilidad del concreto. El vapor de umedad tam#i"n se mueve acia a adentro y acia auera de la estructura de poros del concreto, al ocurrir dierencias en la umedad relativa. El vapor de umedad se mueve desde lugares de umedad alta asta lugares de #a*a umedad. El vapor tam#i"n se mueve con los cam#ios en la temperatura. Cuando la temperatura se eleva, el vapor se e-pande y se mueve uera de las estructura de poros. Cam#io de volumen contenido de umedad El concreto cam#ia de longitud dependiendo de su contenido de umedad. El concreto 'medo que se seca se contrae, mientras que el concreto seco que se umedece se e-pande. El concreto puede tener cam#ios de acuerdo a las estaciones( los veranos calientes y 'medos generan altos contenidos de umedad, mientras que los veranos ríos y secos reducen los contenidos de umedad. &e pueden esta#lecer valores para la cantidad de contracción o e-pansión causada por un cam#io en el contenido de umedad, recurriendo a una estimación con #ase en los valores de contracción por secado se #asan en un contenido inicial de umedad del 6AA? reducido a una umedad am#iental relativa de apro-imadamente
La ondulación es un pro#lema com'n con las losas coladas en el terreno. Este es causado por los gradientes desiguales de umedad y temperatura a trav"s del espesor de la losa. El ala#eo se incrementa a medida que aumenta la contracción por secado. Las superfcies de losas, usualmente están secas en la parte superior, en donde están e-puestas al aire, y 'medas en la parte inerior, en donde están e-puestas al suelo. La superfcie más seca tiende a contraerse a lo largo, en relación con la superfcie 'meda de la parte inerior. La contracción de la superfcie superior sólo puede aliviarse por medio de la ondulación de la losa acia arri#a. Los gradientes de temperatura a trav"s de una losa pueden crear los mismos pro#lemas que los gradientes de umedad. La situación típica es el calentamiento solar de la superfcie superior de la losa, causando una temperatura más alta en esta superfcie. La superfcie superior tiene entonces una tendencia a crecer a lo largo con relación a la superfcie inerior. 9curre un alivio en el esuer$o cuando la losa se ondula acia a#a*o. Eectos t"rmicos El eecto de la temperatura en las estructuras y elementos de concreto es producido por el cam#io de volumen. La relación del volumen a temperatura se e-presa por el coefciente de e-pansión=contracción t"rmica. Los cam#ios de volumen crean esuer$os cuando el concreto está restringido. Los esuer$os resultantes pueden ser de cualquier tipo( tensión, compresión, cortante, etc. Las condiciones de esuer$o pueden resultar en un comportamiento indesea#le( agrietamiento, astillamiento y dee-ión e-cesiva. Cam#io de volumen por temperatura El concreto, como todos los materiales, cam#ia de volumen cuando está sometido a cam#ios de temperatura. 5n incremento en la temperatura incrementa el volumen de concreto! inversamente, un decremento en la temperatura reduce el volumen de concreto. Cargas t"rmicas dierentes Los gradientes de temperatura e-isten en mucas estructuras. La temperatura en la superfcie de una losa de cu#ierta e-puesta a los rayos directos del sol puede alcan$ar ;@ C, mientras que el lado inerior de la cu#ierta puede ser de solamente 7B C una dierencia de 77 C conocida como calentamiento solar diurno. Esto provoca quela superfcie de arri#a tienda a e-pandirse más que la superfcie de a#a*o. Esto da como resultado un movimiento acia arri#a durante el calentamiento, y un movimiento acia a#a*o durante el enriamiento. %ramos continuos El calentamiento solar diurno aecta las estructuras de manera dierente, dependiendo de su confguración. Las estructuras de tramos simples se e-ionan acia arri#a y acia a#a*o y están li#res de girar en los soportes de los e-tremos. Las estructuras continuas pueden comportarse de orma dierente porque no tienen la li#ertad para girar en los soportes. &i e-iste sufciente gradiente t"rmico, *unto con sufciente capacidad de tensión en la parte inerior del miem#ro, puede ormarse una #isagra. Las articulaciones pueden ocurrir al a$ar en las grietas reci"n ormadas, o pueden ormarse en las *untas de construcción cerca de las columnas. Las articulaciones se a#ren y se cierran con los cam#ios diarios de temperatura.
:estricción al cam#io de volumen &i un elemento estructural está li#re de deormarse como resultado de cam#ios en la temperatura, umedad., o cargas, no ay acumulación de esuer$o interno. &i el elemento estructural está restringido, ocurre acumulación de esuer$o y puede ser muy signifcativo. Cuando se li#era el esuer$o acumulado, ocurrirá en la porción más d"#il del elemento estructural o en su cone-ión a otras partes de la estructura. El esuer$o puede derivar en grietas por tensión o grietas por cortante o pandeo. 0grietamiento t"rmico temprano del concreto reci"n colado El concreto reci"n colado e-perimenta elevación de temperatura proveniente del calor generado por la idratación del cemento. La elevación de calor sucede en las primeras oras o días despu"s del colado, luego se enría asta la temperatura am#iente circundante. Cuando tiene lugar el enriamiento dos o tres días despu"s del colado, el concreto tiene muy poca resistencia a tensión. La d"#il resistencia a la tensión, aunada a un miem#ro que se contrae t"rmicamente, crea las condiciones para grietas por tensión. Los actores que aectan la temprana elevación de la temperatura incluyen( 6. %emperatura inicial de los materiales. los materiales calientes generan un concreto caliente. La temperatura del agregado es el actor más crítico. 7. %emperatura am#iental. %emperaturas am#ientales más altas conducen a picos más altos. 8. )imensiones. Las secciones más grandes generan calor. ;. Curado. El curado con agua disipa la acumulación de calor. )e#e evitarse el socM t"rmico. <. %iempo para remoción de cim#ras. La remoción temprana de las cim#ras reduce la temperatura pico. B. %ipo de cim#ras. Las cim#ras de madera producen temperaturas más altas que las de ferro. >. Contenido de cemento. 1ás cemento en la me$cla signifca más calor. @. %ipo de cemento. El cemento tipo +++ produce más calor que la mayoría de los otros cementos usados. D. :eempla$os del cemento. La ceni$a volante reduce la cantidad de calor acumulado. 1ovimientos t"rmicos en grietas e-istentes Los esuer$os t"rmicos pueden ser aliviados de dierentes maneras a la ormación de grietas. Las grietas que se ormaron por medio de otros mecanismos, tales como agrietamiento por contracción por secado, pueden proporcionar un lugar en el miem#ro en donde las deormaciones por cam#ios t"rmicos pueden ser a#sor#idas. La grieta se mueve en el mismo ciclo que lo ace el ciclo de temperatura en el miem#ro de concreto. El movimiento t"rmico asumido por estas grietas reduce el movimiento en las *untas de e-pansión planeadas. )año por uego El uego aecta al concreto de varias maneras, algunas de las cuales se enlistan enseguida(
6. Cam#ios desiguales en el volumen de miem#ros aectados, que en consecuencia presentan torsión, pandeo, y agrietamiento. 7. 0stillamiento de las superfcies de concreto que se e-panden rápidamente, de#ido al calor e-tremo cerca de la uente del uego. 0lgunos agregados se aumentan a manera de pequeñas e-plosiones, astillando la matri$ adyacente. La umedad rápidamente se transorma en vapor, causando e-plosiones locali$adas de pequeñas pie$as de concreto. 8. El mortero de cemento se convierte en cal viva a temperaturas de ;AA C, causando así desintegración del concreto. ;. El acero de reuer$o pierde se capacidad de resistencia a tensión a medida que se eleva la temperatura. <. 5na ve$ que el acero de reuer$o está e-puesto por la acción del astillamiento, el acero se e-pande más rápidamente que el concreto circundante, causando pandeo y p"rdida de aderencia al concreto adyacente, en donde el reuer$o está completamente empotrado.
