La degradación del hormigón puede tener muchas causas diferentes. El hormigón se daña principalmente por la corrosión de las barras de refuerzo debido a la carbonatación de la pasta de cemento endurecida o al ataque de cloruros en condiciones húmedas. Los daños químicos se producen por la formación de productos expansivos producidos por diversas reacciones químicas, por especies químicas agresivas presentes en las aguas subterráneas y marinas (cloruros, sulfatos, iones magnesio), o por microorganismos ( bacterias , hongos ...). Otros procesos dañinos también pueden involucrar la lixiviación de calcio por infiltración de agua y diferentes fenómenos físicos que inician la formación y propagación de grietas. Todos estos procesos perjudiciales y agentes dañinos afectan negativamente a la resistencia mecánica del hormigón y su durabilidad.
El agente más destructivo de las estructuras y componentes del hormigón es probablemente el agua. De hecho, el agua a menudo participa directamente en las reacciones químicas como reactivo y siempre es necesaria como disolvente o medio de reacción, lo que hace posible el transporte de solutos y las reacciones. Sin agua, muchas reacciones dañinas no pueden progresar o son tan lentas que sus consecuencias dañinas resultan insignificantes durante la vida útil prevista de la construcción. El hormigón seco tiene una vida útil mucho más larga que el hormigón saturado de agua en contacto con agua en circulación. Por lo tanto, cuando sea posible, primero se debe proteger el hormigón de las infiltraciones de agua.
La expansión de los productos de corrosión ( óxidos de hierro ) de las estructuras de refuerzo de acero al carbono puede inducir tensiones mecánicas internas ( esfuerzos de tracción ) que provocan la formación de grietas y alteran la estructura del hormigón. Si las barras de refuerzo se han instalado incorrectamente o tienen una cobertura de concreto inadecuada en las superficies expuestas a los elementos, pueden ocurrir hincados de óxido y desconchados durante la vida útil de la estructura: fragmentos planos de concreto se desprenden de la masa de concreto como resultado de la corrosión de las barras de refuerzo.
El hormigón, como la mayoría de las rocas duras consolidadas , es un material muy resistente a la compresión pero que no soporta las tensiones, especialmente las internas. Su resistencia a la tracción es aproximadamente 10 veces menor que su resistencia a la compresión. En sí mismo el hormigón carbonatado es un material muy sólido porque su resistencia a la compresión aumenta debido a la disminución de su porosidad por la precipitación de carbonato cálcico (calcita, CaCO 3 ). En ausencia de barras de refuerzo de acero y sin la formación de productos de reacción expansivos que induzcan tensiones de tracción dentro de la matriz de hormigón, el hormigón puro suele ser un material duradero. Un ejemplo de la durabilidad intrínseca del hormigón es la cúpula del edificio del Panteón de Roma, hecha con hormigón romano hace más de 2000 años.
Cuando el dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ) o los iones carbonato ( HCO−3, CO2-3disueltos en agua) se difunden en el hormigón desde su superficie externa, reaccionan con el hidróxido de calcio ( portlandita , Ca(OH) 2 ) y el pH del agua de los poros del hormigón disminuye progresivamente de 13,5 – 12,5 a 8,5 (pH del agua en equilibrio con calcita ). Por debajo de un valor de pH de aproximadamente 9,5 – 10, la solubilidad de los óxidos de hierro presentes en la superficie del acero al carbono aumenta y comienzan a disolverse. Como consecuencia, ya no protegen el hierro metálico subyacente contra la oxidación por el oxígeno atmosférico y las barras de refuerzo ya no están pasivadas contra la corrosión . Son las considerables fuerzas creadas internamente por la expansión de los productos de corrosión del hierro (alrededor de 6 a 7 veces menos densos que el hierro metálico, es decir, 6 a 7 veces más voluminosos) las que causan grietas en la matriz del hormigón y destruyen el hormigón armado. En ausencia de hierro (y sin algunas reacciones químicas dañinas de degradación que también produzcan productos expansivos), el hormigón sería probablemente uno de los materiales más duraderos. Sin embargo, las barras de refuerzo de acero son necesarias para soportar los esfuerzos de tracción a los que se somete el hormigón en la mayoría de las estructuras de ingeniería y el acero inoxidable sería un metal demasiado costoso para reemplazar al acero al carbono . La galvanización con zinc o el recubrimiento epoxi pueden mejorar la resistencia a la corrosión de las barras de refuerzo, pero también tienen otras desventajas, como su menor adherencia superficial al hormigón (riesgo de deslizamiento), la posible formación de zonas catódicas y anódicas propicias a la corrosión galvánica si el recubrimiento protector está pinchado o dañado localmente, y sus mayores costes.
Al ser rocas duras, el hormigón puede soportar altas tensiones de compresión , pero no tensiones de tracción . Como consecuencia, el hormigón se daña fácilmente cuando se forman fases de expansión en su masa.
Las fases expansivas más ubicuas y mejor conocidas son probablemente los óxidos de hierro producidos por la oxidación de las barras de refuerzo de acero al carbono incrustadas en el hormigón. Los productos de corrosión se forman alrededor de las barras de refuerzo ubicadas en hormigón carbonatado (y por lo tanto ya no pasivadas contra la corrosión) o expuestas directamente al oxígeno atmosférico una vez que han comenzado a formarse grietas. Los daños producidos por la corrosión de las armaduras son claramente visibles a simple vista y su diagnóstico es sencillo.
En el hormigón pueden ocurrir otras reacciones químicas expansivas nocivas, más difíciles de caracterizar e identificar. En primer lugar se pueden distinguir según el lugar donde se encuentran en el hormigón: dentro de los áridos o en la pasta de cemento endurecida.
Varios tipos de áridos pueden sufrir diferentes reacciones químicas y hincharse en el interior del hormigón, provocando fenómenos expansivos perjudiciales.
Los más comunes son los que contienen sílice amorfa reactiva , que puede reaccionar en presencia de agua con los álcalis del cemento (K 2 O y Na 2 O). Entre los componentes minerales silíceos más reactivos de algunos agregados se encuentran el ópalo , la calcedonia , el pedernal y el cuarzo colado . La sílice (de hecho, ácido silícico cuando se hidrata) se disuelve fácilmente con hidróxido de sodio (NaOH) para formar silicato de sodio ( Na
2SiO
3), un desecante fuerte con una alta afinidad por el agua. Esta reacción es el núcleo de la reacción álcali-sílice (ASR):
Después de esta reacción, se forma una fase de gel de sílice viscosa, higroscópica y expansiva dentro de los agregados afectados, que se hincha y se agrieta desde el interior. A su vez, la expansión volumétrica de los agregados hinchados daña la matriz del concreto y se propagan extensas grietas causando daños estructurales en la estructura del concreto. En la superficie de los pavimentos de hormigón, el ASR también puede provocar pop-outs, es decir, la expulsión de pequeños conos (de hasta 3 cm (1 pulgada) de diámetro), correspondientes al tamaño de las partículas de árido.
Una reacción bastante similar (reacción álcali-silicato) puede ocurrir cuando hay minerales arcillosos en algunos agregados impuros, y también puede conducir a una expansión destructiva.
Con algunos agregados que contienen dolomita , puede ocurrir una reacción de dedolomitización , también conocida como reacción álcali-carbonato (ACR), donde el carbonato de magnesio ( MgCO
3) reacciona con los iones hidroxilo ( OH−
) y produce hidróxido de magnesio ( brucita , Mg(OH)
2) y un ion carbonato ( CO2-3
). La expansión resultante provocada por el hinchamiento de la brucita puede provocar la destrucción del material:
A menudo, la reacción álcali-silicato y la reacción de dedolomitización quedan enmascaradas por una reacción álcali-sílice mucho más grave que domina los efectos nocivos. Debido a que la reacción álcali-carbonato (ACR) a menudo se ve frustrada por una reacción ASR coexistente, esto explica por qué la ACR ya no se considera una reacción perjudicial importante.
Mucho menos comunes son la degradación y los estallidos causados por la presencia de pirita ( FeS
2), un Fe2+
disulfuro ( – SS – ) muy sensible a la oxidación por el oxígeno atmosférico , que genera expansión formando óxidos de hierro insolubles menos densos ( Fe
2oh
3), oxihidróxidos de hierro (FeO(OH), o Fe
2oh
3· nH
2O ) y yeso ligeramente soluble ( CaSO
4· 2H
2O ).
Cuando esté completo ( es decir , cuando todo el Fe2+
Los iones también se oxidan en Fe menos soluble.3+
iones), la oxidación de pirita se puede escribir globalmente de la siguiente manera:
El ácido sulfúrico liberado por la oxidación de la pirita reacciona con la portlandita ( Ca(OH
2)) presentes en la pasta de cemento endurecida para dar yeso:
Cuando el hormigón es carbonatado por el dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ), o si se utilizan agregados de piedra caliza en el hormigón, H
2ENTONCES
4reacciona con calcita ( CaCO
3) y agua para formar también yeso y liberar CO 2 a la atmósfera:
El yeso dihidratado es relativamente soluble en agua (~ 1 – 2 g/L) a temperatura ambiente y, por tanto, móvil. Puede lixiviarse fácilmente mediante infiltración de agua y puede formar eflorescencias en la superficie del hormigón, mientras que el Fe insoluble
2oh
3· nH
2O permanecen en su lugar alrededor de los granos de pirita oxidada que tiñen de rojocre .
Los aniones sulfato que reaccionan con diferentes fases de la pasta de cemento endurecida (HCP) para formar productos de reacción más voluminosos pueden causar 3 tipos de reacciones expansivas llamadas ataque de sulfato dentro del HCP:
Estos tres tipos de reacciones de ataque de sulfato se describen con más detalle en secciones específicas más adelante en el texto. Cuando la pasta de cemento endurecida (HCP) se ve afectada, las consecuencias perjudiciales para la estabilidad estructural de las estructuras de hormigón son generalmente más graves que cuando se ven afectados los áridos: DEF, ESA y TSA son mucho más perjudiciales para el hormigón que las reacciones ASR y ACR.
Un punto común a todas estas diversas reacciones químicas expansivas es que todas requieren agua como reactivo y como medio de reacción. La presencia de agua es siempre un agravante. Por ello, las estructuras de hormigón sumergidas en agua, como presas y pilotes de puentes, son especialmente sensibles. Estas reacciones también se caracterizan por una cinética de reacción lenta , dependiendo de las condiciones ambientales como la temperatura y la humedad relativa. Se desarrollan a un ritmo lento y pueden pasar varios años antes de que los daños se hagan evidentes. A menudo se necesita una década para observar sus consecuencias nocivas. Proteger las estructuras de hormigón del contacto con el agua puede ayudar a frenar la progresión de los daños.
Dióxido de carbono (CO 2 ) del aire (~ 412 ppm vol.) y bicarbonato ( HCO−
3) o carbonato ( CO2-3
) los aniones disueltos en agua reaccionan con el hidróxido de calcio ( Ca(OH)
2, portlandita ) producida por la hidratación del cemento Portland en el hormigón para formar carbonato de calcio ( CaCO
3) mientras se libera una molécula de agua en la siguiente reacción:
Con excepción de la molécula de agua, la reacción de carbonatación es esencialmente la inversa del proceso de calcinación de la piedra caliza que tiene lugar en un horno de cemento :
La carbonatación del hormigón es un proceso lento y continuo en el que el CO2 atmosférico se difunde desde la superficie exterior del hormigón expuesto al aire hacia su masa y reacciona químicamente con las fases minerales de la pasta de cemento hidratada. La carbonatación se ralentiza al aumentar la profundidad de difusión. [1]
La carbonatación tiene dos efectos antagonistas para (1) la resistencia del hormigón y (2) su durabilidad:
Esto explica por qué la reacción de carbonatación del hormigón armado es un proceso indeseable en la química del hormigón. La carbonatación del hormigón se puede revelar visualmente aplicando una solución de fenolftaleína sobre la superficie fresca de una muestra de hormigón (núcleo de hormigón, prisma, barra recién fracturada). La fenolftaleína es un indicador de pH , cuyo color pasa de incoloro a pH < 8,5 a rosa fucsia a pH > 9,5. Un color violeta indica zonas todavía alcalinas y, por tanto, hormigón no carbonatado. Las zonas carbonatadas favorables a la corrosión del acero y la degradación del hormigón son incoloras. [2] [3]
La presencia de agua en el hormigón carbonatado es necesaria para reducir el pH del agua de los poros del hormigón alrededor de las barras de refuerzo y para despasivar la superficie del acero al carbono a un pH bajo. El agua es fundamental para los procesos de corrosión. Sin agua, la corrosión del acero es muy limitada y las barras de refuerzo presentes en estructuras o componentes de hormigón carbonatado seco que no se ven afectados por la infiltración de agua no sufren una corrosión significativa.
El principal efecto de los iones cloruro sobre el hormigón armado es provocar corrosión por picadura de las barras de refuerzo de acero (barras de refuerzo). Es una forma subrepticia y peligrosa de corrosión localizada porque las secciones de las barras de refuerzo pueden reducirse hasta el punto de que el refuerzo de acero ya no sea capaz de resistir los esfuerzos de tracción que se supone que deben resistir por diseño. Cuando las secciones de las barras de refuerzo son demasiado pequeñas o las barras de refuerzo se rompen localmente, los refuerzos se pierden y el hormigón ya no es hormigón armado.
Se han utilizado cloruros, particularmente cloruro de calcio , para acortar el tiempo de fraguado del hormigón. [4] Sin embargo, se ha demostrado que el cloruro de calcio y (en menor medida) el cloruro de sodio lixivian el hidróxido de calcio y provocan cambios químicos en el cemento Portland , lo que lleva a la pérdida de resistencia, [5] además de atacar el refuerzo de acero presente en la mayoría de los casos. concreto. El hospital Queen Elizabeth de diez pisos en Kota Kinabalu contenía un alto porcentaje de cloruro que provocó fallas tempranas .
La reacción álcali-sílice (ASR) es una reacción química nociva entre el álcali ( Na
2O y K
2O ), disuelto en agua de poros del hormigón como NaOH y KOH, con agregados silíceos amorfos (no cristalinos ) reactivos en presencia de humedad. La forma más sencilla de escribir la reacción de forma estilizada es la siguiente (también existen otras representaciones):
Esta reacción produce una sustancia similar a un gel de silicato de sodio ( Na
2SiO
3• norte H
2O ), también señaló Na
2h
2SiO
4• norte H
2O , o NSH (silicato de sodio hidrato). Este gel higroscópico se hincha en el interior de los agregados reactivos afectados, que se expanden y se agrietan. A su vez, provoca una expansión concreta. Si el hormigón está muy reforzado, primero puede provocar algún efecto de pretensado antes de agrietarse y dañar la estructura. La ASR afecta a los áridos y es reconocible por los áridos agrietados. No afecta directamente a la pasta de cemento endurecida (HCP).
Cuando la temperatura del hormigón supera los 65 °C durante demasiado tiempo a una edad temprana, la cristalización de etringita (AFt) no se produce debido a su mayor solubilidad a temperatura elevada y se forma el monosulfato (AFm), que entonces es menos soluble. . Después de la disipación del calor de hidratación del cemento, la temperatura vuelve a la ambiente y las curvas de temperatura de las solubilidades de las fases AFt y AFm se cruzan. El monosulfato (AFm), ahora más soluble a baja temperatura, se disuelve lentamente para recristalizar como etringita (AFt), menos soluble. La estructura cristalina de AFt alberga más moléculas de agua que AFm. Entonces, AFt tiene un volumen molar mayor que AFm debido a sus 32 moléculas de H2O . Durante meses o años, después del enfriamiento del concreto joven, AFt cristaliza muy lentamente como pequeñas agujas aciculares y puede ejercer una presión de cristalización considerable sobre la pasta de cemento endurecida (HCP) circundante. Esto provoca la expansión del hormigón, su agrietamiento y, en última instancia, puede provocar la ruina de la estructura afectada. El rasgo característico de la formación retardada de etringita (DEF) es un patrón de agrietamiento aleatorio en forma de panal similar al de la reacción álcali-sílice (ASR). De hecho, este patrón de fisura típico es común a todas las reacciones internas expansivas y también a la contracción restringida donde un sustrato rígido o una densa red de barras de refuerzo impide los movimientos de una capa superficial de hormigón. El DEF también se conoce como ataque interno por sulfato (ISA). El ataque externo de sulfato (ESA) también implica la formación de etringita (AFt) y una expansión nociva con los mismos síntomas dañinos, pero requiere una fuente externa de aniones sulfato en los terrenos o el medio ambiente circundantes. Para evitar reacciones DEF o ISA, la mejor manera es utilizar un cemento con bajo contenido de C 3 A (aluminato tricálcico) que impida la formación de etringita (AFt). Los cementos resistentes a sulfatos (SR) también tienen un bajo contenido en Al 2 O 3 . El DEF, o ISA, sólo afecta a la pasta de cemento endurecida (HCP) y deja intactos los áridos.
El DEF se agrava a pH alto en cemento con un contenido demasiado alto en álcalis y por lo tanto en hidróxidos . Esto se debe a la transformación de etringita (AFt) en monosulfato de aluminoferrita (AFm) bajo la acción de los aniones hidroxilo (OH – ), como se esquematiza a continuación:
La reacción completa se puede derivar de las fórmulas moleculares de los reactivos y productos involucrados en la reacción. Esta reacción favorece la disolución de AFt y la formación de AFm. Cuando se combina, es un factor agravante de los efectos nocivos de las temperaturas demasiado altas. Para minimizar el DEF, también se recomienda el uso de cementos bajos en álcali. La cristalización perjudicial de la etringita (AFt) ocurre preferentemente cuando el hormigón está expuesto a infiltraciones de agua y el pH disminuye debido a la lixiviación de los iones (OH – ): la reacción se invierte como cuando la temperatura disminuye.
Los sulfatos en solución en contacto con el hormigón pueden provocar cambios químicos en el cemento, lo que puede provocar efectos microestructurales importantes que conduzcan al debilitamiento del aglomerante del cemento (ataque químico de sulfatos). Las soluciones de sulfato también pueden causar daño a los materiales cementosos porosos mediante cristalización y recristalización (ataque de sal). [6] Los sulfatos y sulfitos son omnipresentes en el entorno natural y están presentes en muchas fuentes, incluido el yeso (sulfato de calcio), a menudo presente como aditivo en cementos "mezclados" que incluyen cenizas volantes y otras fuentes de sulfato. Con la notable excepción del sulfato de bario, la mayoría de los sulfatos son de ligeramente a muy solubles en agua. Estos incluyen la lluvia ácida , donde el dióxido de azufre de la cuenca atmosférica se disuelve en la lluvia para producir ácido sulfuroso. En las tormentas eléctricas, el dióxido se oxida a trióxido, lo que hace que el ácido sulfúrico residual de la lluvia sea aún más ácido. La infraestructura de alcantarillado de hormigón es más comúnmente atacada por ácido sulfúrico y aniones sulfato que surgen de la oxidación del sulfuro presente en las aguas residuales. Los sulfuros se forman cuando las bacterias reductoras de sulfato presentes en las tuberías de alcantarillado reducen los ubicuos iones sulfato presentes en los desagües de agua y los convierten en gas de sulfuro de hidrógeno ( H
2S ). h
2El S es volátil y se libera del agua en la atmósfera de las aguas residuales. Se disuelve en una fina película de agua condensada en la pared de los conductos de alcantarillado, donde también va acompañado de hidrogenosulfuro ( HS−
) y sulfuro ( S2-
) iones. Cuando h
2S y SA−
Los aniones se exponen además al oxígeno atmosférico o a las aguas pluviales oxigenadas, se oxidan fácilmente y producen ácido sulfúrico (de hecho, iones de hidrógeno ácidos acompañados de iones sulfato y bisulfato ) según las respectivas reacciones de oxidación:
o,
La corrosión que a menudo se presenta en la corona (parte superior) de las alcantarillas de hormigón es directamente atribuible a este proceso, conocido como corrosión por pudrición de la corona . [7]
La taumasita es un mineral de silicato de calcio que contiene átomos de Si en una configuración octaédrica inusual , con fórmula química Ca 3 Si ( OH ) 6 ( C O 3 ) ( S O 4 )·12 H 2 O , a veces también escrita más simplemente como CaSiO 3. ·CaCO 3 ·CaSO 4 ·15H 2 O.
La taumasita se forma en condiciones especiales en presencia de iones sulfato en concreto que contiene o está expuesto a una fuente de aniones carbonato , como agregados de piedra caliza o relleno de piedra caliza finamente molido ( CaCO 3 ). Aniones de bicarbonato ( HCO −3) disuelto en agua subterránea también puede contribuir a la reacción. La reacción perjudicial se produce a expensas de los hidratos de silicato de calcio (CSH, con guiones que indican aquí su falta de estequiometría ) presentes en la pasta de cemento endurecida (HCP). La forma de taumasita de ataque por sulfato (TSA) es un tipo particular de ataque por sulfato muy destructivo . Los CSH son el "pegamento" de la pasta de cemento endurecida que rellena los intersticios entre los agregados de hormigón . Como la reacción del TSA consume los silicatos del "cemento cola", puede provocar una decohesión nociva y un reblandecimiento del hormigón . Rara vez se observan dilataciones y grietas. A diferencia del ataque con sulfato común , en el que el hidróxido de calcio ( portlandita ) y los hidratos de aluminato de calcio reaccionan con los sulfatos para formar respectivamente yeso y etringita (una fase expansiva), en el caso del TSA se destruyen los CSH que aseguran la cohesión del HCP y los agregados. Como consecuencia, incluso el hormigón que contiene cemento Portland con bajo contenido de C 3 A y resistente a los sulfatos puede verse afectado. [8]
A veces, la TSA es fácilmente reconocible en el campo al examinar el hormigón alterado. El hormigón afectado por la TSA se vuelve polvoriento y puede excavarse con una pala o incluso rasparse con los dedos. La decohesión del hormigón es muy característica de TSA.
TSA fue identificado por primera vez durante los años 1990 en Inglaterra en el Reino Unido en los pilotes de cimentación de puentes de la autopista M5 ubicados en las margas de Kimmeridgian . Estas margas son una mezcla de arcilla y caliza sedimentadas en condiciones anóxicas y son ricas en pirita ( FeS 2 , un disulfuro de Fe 2+ ). Una vez excavadas estas margas, la pirita se expuso al oxígeno atmosférico o al agua de infiltración rica en oxígeno y se oxidó rápidamente . La oxidación de la pirita produce ácido sulfúrico . A su vez, el H 2 SO 4 reacciona con la portlandita (presente en la pasta de cemento endurecido, HCP) y la calcita ( CaCO 3 (presente en los áridos calizos o en los HCP carbonatados). La fuerte acidificación del medio provocada por la oxidación de la pirita libera iones bicarbonato . ( HCO−3) o dióxido de carbono (CO 2 ) junto con calcio ( Ca 2+ ) e iones sulfato ( SO2-4).
La oxidación total de pirita se puede esquematizar como:
El ácido sulfúrico liberado por la oxidación de la pirita reacciona con la portlandita ( Ca(OH
2)) presentes en la pasta de cemento endurecida para dar yeso:
Cuando el hormigón también contiene agregados de piedra caliza o una adición de relleno, H
2ENTONCES
4reacciona con calcita ( CaCO
3) y agua para formar también yeso liberando CO 2 :
El yeso es relativamente soluble en agua (~ 1 – 2 g/L) , por lo que hay muchos iones de calcio y sulfatos disponibles para TSA.
Simultáneamente, el ácido carbónico ( H 2 O + CO 2 ⇌ H 2 CO 3 ) disuelve la calcita para formar bicarbonato de calcio soluble :
Entonces, cuando todos los ingredientes químicos necesarios para reaccionar con el CSH de la pasta de cemento endurecida en el concreto están presentes juntos, puede ocurrir la reacción TSA. Cuando se excavan para obras de ingeniería civil terrenos ricos en pirita, como muchas arcillas o margas, la fuerte acidificación producida por la oxidación de la pirita es la poderosa fuerza impulsora que desencadena el TSA porque libera y moviliza todos los iones necesarios para atacar la CSH y formar taumasita ( CaSiO 3 ·CaCO 3 ·CaSO 4 · 15H 2 O ).
El TSA se ve favorecido por las bajas temperaturas, aunque se puede encontrar a temperaturas más altas en áreas cálidas. La razón se encuentra en la solubilidad retrógrada de la mayoría de los ingredientes necesarios para la reacción de TSA. De hecho, la solubilidad del dióxido de carbono (CO 2 ), la portlandita ( Ca (OH) 2 ), la calcita ( CaCO 3 ) y el yeso ( CaSO 4 ·2 H 2 O ) disueltos aumenta cuando se reduce la temperatura. Esto se debe a que las reacciones de disolución de estas especies minerales son exotérmicas y liberan calor. Una temperatura más baja facilita la liberación de calor y por tanto favorece la reacción exotérmica. Sólo la solubilidad de la sílice (de CSH) aumenta con la temperatura porque la disolución de la sílice es un proceso endotérmico que requiere calor para continuar.
Cuando el agua fluye a través de las grietas presentes en el hormigón, el agua puede disolver diversos minerales presentes en la pasta de cemento endurecida o en los áridos , si la solución está insaturada respecto a ellos. Los iones disueltos, como el calcio (Ca 2+ ), se lixivian y transportan en solución a cierta distancia. Si las condiciones físico-químicas que prevalecen en el agua que se filtra evolucionan con la distancia a lo largo del recorrido del agua y el agua se sobresatura con respecto a ciertos minerales, estos pueden precipitarse aún más, formando depósitos de calthemita (predominantemente carbonato de calcio ) dentro de las grietas o en el exterior del hormigón. superficie. Este proceso puede provocar la autocuración de las fracturas en determinadas condiciones.
Fagerlund [9] (2000) determinó que “aproximadamente el 15% de la cal debe disolverse antes de que la resistencia se vea afectada. Esto corresponde a aproximadamente el 10% del peso del cemento, o casi todo el Ca(OH) 2 formado inicialmente ”. Por lo tanto, se debe lixiviar una gran cantidad de " hidróxido de calcio " (Ca(OH) 2 ) del hormigón antes de que se vea afectada la integridad estructural. Sin embargo, el otro problema es que la lixiviación de Ca(OH) 2 puede permitir que la corrosión del acero de refuerzo afecte la integridad estructural.
Dentro del hormigón fraguado queda algo de " hidróxido de calcio " libre (Ca(OH) 2 ), [1] que puede disociarse aún más para formar iones Ca 2+ e hidróxido (OH − )". [10] Cualquier agua que encuentre un camino de filtración a través de microfisuras y huecos de aire presentes en el concreto, transportará fácilmente (Ca(OH) 2 ) y Ca 2+ (dependiendo del pH de la solución y la reacción química en ese momento) a la parte inferior de la estructura donde la solución de lixiviado entra en contacto con la atmósfera. [11] El dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera se difunde fácilmente en el lixiviado y provoca una reacción química que precipita (deposita) carbonato de calcio (CaCO 3 ) en el exterior de la estructura de hormigón, que consiste principalmente en CaCO 3. Este depósito secundario. El derivado del hormigón se conoce como " calthemita " [11] y puede imitar las formas de los " espeleotemas " de las cavernas , como estalactitas , estalagmitas , piedras flotantes , etc. [12] Otros oligoelementos, como el hierro de las barras de acero de refuerzo oxidadas, pueden ser transportado y depositado por el lixiviado al mismo tiempo que el CaCO 3 . Esto puede colorear las calthemitas de naranja o rojo. [13] [14]
La química que implica la lixiviación del hidróxido de calcio del hormigón puede facilitar el crecimiento de las calthemitas hasta ≈200 veces más rápido que los espeleotemas de las cavernas debido a las diferentes reacciones químicas involucradas. [15] La vista de calthemita es una señal visual de que el calcio se está lixiviando de la estructura de concreto y el concreto se está degradando gradualmente. [11] [16]
En concreto muy viejo donde el hidróxido de calcio se ha lixiviado del camino de filtración del lixiviado, la química puede volver a ser similar a la química del " espeleotema " en las cuevas de piedra caliza. [11] [12] Aquí es donde la lluvia enriquecida con dióxido de carbono o el agua filtrada forman un ácido carbónico débil , que lixivia carbonato de calcio (CaCO 3 ) desde el interior de la estructura de hormigón y lo lleva a la parte inferior de la estructura. [17] Cuando entra en contacto con la atmósfera, el dióxido de carbono se desgasifica y el carbonato de calcio se precipita para crear depósitos de calthemita, [11] que imitan las formas de los espeleotemas. [12] Esta química de desgasificación no es común en estructuras de concreto ya que el lixiviado a menudo puede encontrar nuevos caminos a través del concreto para acceder al hidróxido de calcio libre y esto revierte la química a la mencionada anteriormente donde el CO 2 es el reactivo. [11]
El hormigón expuesto al agua de mar es susceptible a sus efectos corrosivos . Los efectos son más pronunciados sobre la zona de marea que donde el hormigón está permanentemente sumergido. En la zona sumergida, los iones de magnesio y bicarbonato precipitan una capa de brucita ( hidróxido de magnesio : Mg(OH) 2 ), de unos 30 micrómetros de espesor, sobre la que se produce una deposición más lenta de carbonato de calcio en forma de aragonito . Estas capas minerales protegen en cierta medida al hormigón de otros procesos, que incluyen el ataque de iones de magnesio , cloruro y sulfato y la carbonatación . Por encima de la superficie del agua, pueden producirse daños mecánicos por la erosión provocada por las propias olas o por la arena y la grava que transportan, y por la cristalización de las sales del agua que penetran en los poros del hormigón y luego se secan. Los cementos puzolánicos y los cementos que utilizan más del 60% en peso de escorias de alto horno como material cementante son más resistentes al agua de mar que el cemento Portland puro . El ataque al agua de mar presenta aspectos tanto de los ataques de cloruros como de los de sulfatos.
Las bacterias por sí solas no tienen ningún efecto perceptible sobre el hormigón. Sin embargo, las bacterias reductoras de sulfato (BSR) en aguas residuales no tratadas tienden a producir sulfuro de hidrógeno (H 2 S), que luego se oxida en ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) por el oxígeno atmosférico (reacción abiótica) y por bacterias aeróbicas presentes en biopelícula (reacción biótica) en la superficie del hormigón por encima del nivel del agua. El ácido sulfúrico disuelve los carbonatos de la pasta de cemento endurecida (HCP), así como el hidróxido de calcio ( portlandita : Ca(OH) 2 ) y el silicato de calcio hidratado (CaO·SiO 2 ·nH 2 O), y provoca también pérdida de resistencia . como productores de sulfatos que son perjudiciales para el hormigón. [18]
En cada caso se forma el producto de corrosión del yeso, blando, expansivo y soluble en agua (CaSO 4 ). El yeso se elimina fácilmente con las aguas residuales, lo que provoca una pérdida de agregado de concreto y expone el material fresco al ataque de los ácidos.
Los suelos de hormigón que se encuentran sobre suelos que contienen pirita ( disulfuro de hierro (II) ) también están en riesgo. Como medida preventiva, las aguas residuales pueden tratarse previamente para aumentar el pH u oxidar o precipitar los sulfuros para minimizar la actividad de las bacterias reductoras de sulfuros. [ cita necesaria ]
Como las bacterias a menudo prefieren adherirse a las superficies de los sólidos que permanecer en suspensión en el agua (bacterias planctónicas), las biopelículas formadas por bacterias sésiles ( es decir , fijas) suelen ser el lugar donde son más activas. Las biopelículas hechas de múltiples capas (como una cebolla) de bacterias vivas y muertas protegen a las vivas de las duras condiciones que a menudo prevalecen en el agua fuera de la biopelícula. Las biopelículas que se desarrollan en la superficie ya expuesta de elementos metálicos revestidos de hormigón también pueden contribuir a acelerar su corrosión (aireación diferencial y formación de zonas anódicas en la superficie del metal). Los sulfuros producidos por la bacteria SRB también pueden inducir fisuración por corrosión bajo tensión en acero y otros metales.
Pueden producirse daños durante los procesos de fundición y desencofrado. Por ejemplo, las esquinas de las vigas pueden dañarse durante la retirada del encofrado porque se compactan menos eficazmente mediante vibración (mejorada mediante el uso de vibradores de forma). Otros daños físicos pueden deberse al uso de encofrados de acero sin placas de base. El encofrado de acero pellizca la superficie superior de una losa de hormigón debido al peso de la siguiente losa que se construye.
Las losas de hormigón, los muros de bloques y las tuberías son susceptibles de agrietarse durante el asentamiento del suelo, temblores sísmicos u otras fuentes de vibración, y también de expansión y contracción durante cambios adversos de temperatura.
El proceso de hidratación del cemento consume moléculas de agua. La suma de los volúmenes de los productos de hidratación presentes en la pasta de cemento endurecida es menor que la suma de los volúmenes de las fases minerales reaccionantes presentes en el clinker de cemento . Por tanto, el volumen del hormigón fresco y muy joven sufre una contracción debido a la reacción de hidratación: es lo que se llama "contracción química" o "autodesecación". No es un problema siempre que el hormigón muy fresco esté todavía en estado líquido o suficientemente plástico y pueda adaptarse fácilmente a los cambios de volumen (contracción).
Más adelante en la fase de fraguado, cuando el hormigón fresco se vuelve más viscoso y comienza a endurecerse, la pérdida de agua debido a la evaporación no deseada puede provocar una "contracción plástica". Esto ocurre cuando el hormigón se coloca en condiciones de calor, por ejemplo en verano, y no está suficientemente protegido contra la evaporación. A menudo se desarrollan grietas encima de las barras de refuerzo porque la contracción del hormigón está restringida localmente en este nivel y el hormigón aún fraguado y débilmente resistente no puede contraerse libremente.
El curado del hormigón cuando continúa endureciendo después de su fraguado inicial y desarrolla progresivamente su resistencia mecánica es una fase crítica para evitar grietas no deseadas en el hormigón. Dependiendo de la temperatura (condiciones de verano o invierno) y, por tanto, de la cinética de hidratación del cemento que controla el fraguado y la velocidad de endurecimiento del hormigón, el tiempo de curado puede requerir sólo unos pocos días (verano) o hasta dos semanas (invierno). Es entonces fundamental evitar pérdidas de agua por evaporación porque todavía es necesaria agua para continuar la lenta hidratación del cemento. La pérdida de agua en esta etapa agrava la contracción del concreto y puede causar que se desarrollen grietas inaceptables en el concreto. Las grietas se forman en caso de un curado demasiado corto o demasiado deficiente cuando el hormigón joven aún no ha desarrollado una resistencia temprana suficiente para soportar la tensión de tracción causada por un secado prematuro e indeseable. El desarrollo de grietas ocurre cuando el concreto de edad temprana no está suficientemente protegido contra la desecación y demasiada agua se evapora con el calor debido a condiciones meteorológicas desfavorables: por ejemplo, temperatura alta, insolación solar directa, aire seco, baja humedad relativa y alta velocidad del viento durante el verano, o en condiciones de calor. El curado tiene como objetivo mantener las condiciones de humedad en la superficie del concreto. Se puede hacer dejando los encofrados en su lugar durante más tiempo o aplicando una película delgada hidrófoba de un producto aceitoso (compuesto de curado) en la superficie del concreto (por ejemplo, para losas o balsas grandes) para minimizar la evaporación del agua.
Después de un fraguado y endurecimiento suficiente del hormigón (después de 28 días), la pérdida progresiva de agua capilar es también responsable de la "contracción por secado". Es un proceso continuo y de largo plazo que ocurre más adelante durante la vida del concreto cuando, en condiciones secas, los poros más grandes del concreto ya no están completamente saturados con agua.
Cuando el concreto está sujeto a un aumento excesivo de temperatura durante su fraguado y endurecimiento, como en estructuras masivas de concreto de donde el calor de hidratación del cemento no puede escapar fácilmente ( condiciones semiadiabáticas), los gradientes de temperatura y los cambios diferenciales de volumen también pueden causar la formación de grietas térmicas. y fisuras. Para minimizarlos se prefiere un cemento de fraguado lento (CEM III, con escorias de alto horno ) a un cemento de fraguado rápido (CEM I: cemento Portland ). Verter concreto en condiciones más frías (por ejemplo, durante la noche o en invierno) o usar agua fría y hielo mezclado con agregados enfriados para preparar el concreto también puede contribuir a minimizar las grietas térmicas.
Cuando una estructura de hormigón está muy reforzada, la red de barras de refuerzo muy densa puede bloquear el movimiento de contracción de la cubierta protectora de hormigón situada encima de la capa externa de barras de refuerzo debido al proceso natural de contracción por secado. Como consecuencia, se forma una red de fisuras con el característico patrón de panal, también típico de las grietas resultantes de reacciones químicas expansivas (ASR, DEF, ESA).
La formación de fisuras en la cubierta de hormigón encima de las barras de refuerzo representa una vía preferencial para la entrada de agua y agentes agresivos como CO 2 (disminución del pH alrededor de las barras de refuerzo) y aniones cloruro ( corrosión por picaduras ) en el hormigón. Por tanto, la formación física de grietas favorece la degradación química del hormigón y agrava la corrosión del acero. Los procesos de degradación física y química están íntimamente relacionados, y la presencia de infiltraciones de agua también acelera la formación de productos expansivos de reacciones químicas de hinchamiento nocivas (productos de corrosión del hierro, ASR, DEF, ISA, ESA).
Se han desarrollado diferentes enfoques y métodos para intentar estimar cuantitativamente la influencia de las grietas en las estructuras de hormigón sobre la carbonatación y la penetración de cloruros. [19] Su objetivo es evitar subestimar la profundidad de penetración de estos agentes químicos nocivos y calcular un espesor suficiente para que la cubierta de hormigón proteja las barras de refuerzo contra la corrosión durante toda la vida útil de la estructura de hormigón.
En condiciones invernales, o en climas fríos, cuando la temperatura desciende por debajo de los 0°C , la cristalización del hielo en los poros del hormigón es también un mecanismo físico ( cambio de estado ) responsable de la expansión volumétrica de una sustancia que ejerce una alta resistencia a la tracción. dentro de la matriz de hormigón. Cuando se excede la resistencia a la tracción del hormigón, aparecen grietas. La adición de un agente de arrastre de aire durante el mezclado del hormigón fresco induce la formación de pequeñas burbujas de aire en la lechada de hormigón fresco . Esto crea numerosas microcavidades pequeñas llenas de aire en el hormigón endurecido que sirven como reserva de volumen vacía para acomodar la expansión volumétrica del hielo y retrasa el momento en que se desarrolla la tensión de tracción. El arrastre de aire hace que el concreto sea más trabajable durante su colocación y aumenta su durabilidad cuando se endurece, particularmente en climas sujetos a ciclos de congelación y descongelación .
Las sobrecargas, los golpes y las vibraciones (puentes, carreteras sometidas a un intenso tráfico de camiones...) pueden provocar tensiones mecánicas y deformaciones en las estructuras de hormigón y ser responsables de la degradación mecánica del hormigón. Además de la contracción por secado a largo plazo del hormigón, las estructuras de ingeniería civil pretensadas y postensadas (puentes y cúpulas de contención primaria de las centrales nucleares) también pueden sufrir una lenta fluencia y deformación del hormigón.
Debido a su baja conductividad térmica , se utiliza frecuentemente una capa de hormigón para la protección contra incendios de estructuras de acero. Sin embargo, el hormigón en sí puede resultar dañado por el fuego, siendo un ejemplo notable el incendio del Túnel del Canal de la Mancha en 1996, donde los daños se extendieron a lo largo de varios cientos de metros de la longitud del túnel. Por esta razón, las normas comunes de pruebas de fuego, como ASTM E119, [20] no permiten pruebas de fuego de productos cementosos a menos que la humedad relativa dentro del producto cementoso sea igual o inferior al 75%. De lo contrario, el hormigón puede sufrir un desconchado significativo.
Hasta aproximadamente 300 °C, el hormigón sufre una expansión térmica normal . Por encima de esa temperatura, se produce una contracción debido a la pérdida de agua; sin embargo, el agregado continúa expandiéndose, lo que provoca tensiones internas. Hasta aproximadamente 500 °C, los principales cambios estructurales son la carbonatación y el engrosamiento de los poros. A 573 °C, el cuarzo sufre una rápida expansión debido a la transición de fase , y a 900 °C la calcita comienza a contraerse debido a la descomposición. A 450-550 °C el hidrato de cemento se descompone formando óxido de calcio. El carbonato de calcio se descompone a unos 600 °C. La rehidratación del óxido de calcio al enfriar la estructura provoca una expansión, que puede dañar el material que resistió el fuego sin desmoronarse. El hormigón de los edificios que sufrieron un incendio y estuvieron en pie durante varios años muestra un alto grado de carbonatación debido al dióxido de carbono que se reabsorbe.
El hormigón expuesto a temperaturas de hasta 100 °C normalmente se considera saludable. Las partes de una estructura de hormigón que están expuestas a temperaturas superiores a aproximadamente 300 °C (dependiendo de la relación agua/cemento) probablemente adquirirán un color rosa. A partir de 600 °C aproximadamente el hormigón se vuelve gris claro y a partir de 1000 °C aproximadamente se vuelve marrón amarillento. [21] Una regla general es considerar todo el concreto de color rosa como dañado y debe ser removido.
El fuego expondrá el hormigón a gases y líquidos que pueden ser perjudiciales para el hormigón, entre otras sales y ácidos que se producen cuando los gases producidos por un incendio entran en contacto con el agua.
Si el hormigón se expone muy rápidamente a temperaturas muy altas, puede producirse un desconchado explosivo del hormigón. En un fuego muy caliente y muy rápido, el agua dentro del hormigón hervirá antes de evaporarse. El vapor dentro del concreto ejerce una presión expansiva y puede iniciar y expulsar con fuerza un desconchado. [22]
La exposición de estructuras de hormigón a neutrones y radiación gamma en centrales nucleares y reactores de prueba de materiales de alto flujo puede inducir daños por radiación en sus componentes estructurales de hormigón. Los defectos paramagnéticos y los centros ópticos se forman fácilmente, pero se necesitan flujos muy elevados para desplazar un número suficientemente elevado de átomos en la red cristalina de los minerales presentes en el hormigón antes de que se observen daños mecánicos importantes.
Sin embargo, se sabe que la irradiación de neutrones con una fluencia de neutrones muy alta (número de neutrones por unidad de área de sección transversal: neutrón/cm 2 ) vuelve amorfa una fracción del cuarzo presente en algunos agregados de hormigón. Este proceso de amorfización también se llama metamictización . El cuarzo metamíctico con su estructura reticular desordenada es propenso a la reacción álcali-sílice y, por lo tanto, puede ser responsable de una expansión química dañina en el hormigón de las estructuras de contención nuclear.
Puede ser necesario reparar una estructura de hormigón después de sufrir daños (por ejemplo, debido a la edad, ataque químico, fuego, [23] impacto, movimiento o corrosión del refuerzo). Puede ser necesario reforzar si la estructura está debilitada (por ejemplo, debido a errores de diseño o construcción, carga excesiva o debido a un cambio de uso).
El primer paso siempre debe ser una investigación para determinar la causa del deterioro. Los principios generales de reparación incluyen detener y prevenir una mayor degradación; tratamiento de refuerzos de acero expuestos; y relleno de fisuras o agujeros provocados por fisuras o dejados tras la pérdida del hormigón desconchado o dañado.
Se encuentran disponibles varias técnicas para la reparación, protección y rehabilitación de estructuras de hormigón [24] y se han definido sistemáticamente especificaciones para los principios de reparación. [25] La selección del enfoque apropiado dependerá de la causa del daño inicial (por ejemplo, impacto, carga excesiva, movimiento, corrosión del refuerzo, ataque químico o incendio) y de si la reparación debe soportar completamente la carga o simplemente cosmético.
Los principios de reparación que no mejoran la resistencia o el desempeño del concreto más allá de su condición original (sin daños) incluyen el reemplazo y restauración del concreto después del desconchado y la delaminación; fortalecimiento para restaurar la capacidad de carga estructural; y aumentar la resistencia al ataque físico o mecánico.
Los principios de reparación para detener y prevenir una mayor degradación incluyen el control de áreas anódicas; protección catódica , control catódico; resistividad creciente; preservar o restaurar la pasividad; aumento de la resistencia al ataque químico; protección contra la entrada de agentes adversos; y control de humedad.
Las técnicas para rellenar los agujeros que quedan al retirar el hormigón desconchado o dañado incluyen reparaciones con mortero; reparaciones de concreto fluido y reparaciones de concreto proyectado. El relleno de grietas, fisuras o huecos en el hormigón con fines estructurales (restauración de la resistencia y la capacidad de carga) o no estructurales (reparaciones flexibles donde se espera un mayor movimiento, o alternativamente para resistir la permeación de agua y gas) normalmente implica el inyección de resinas de baja viscosidad o lechadas a base de resinas epoxi, PU o acrílicas, o lechadas de cemento micronizado. [26]
Una propuesta novedosa para la reparación de grietas es el uso de bacterias. BacillaFilla es una bacteria genéticamente diseñada para reparar el concreto dañado, rellenar las grietas y restaurarlas nuevamente.
Se encuentran disponibles varias técnicas para reforzar estructuras de hormigón, aumentar la capacidad de carga o mejorar el rendimiento en servicio. Estos incluyen aumentar la sección transversal del concreto y agregar material como placa de acero o compuestos de fibra [27] [28] para mejorar la capacidad de tracción o aumentar el confinamiento del concreto para mejorar la capacidad de compresión.
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