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. El daño químico es causado por la formación de productos expansivos producidos por reacciones químicas (a partir de carbonatación , cloruros, sulfatos y agua destilada), por especies químicas agresivas presentes en aguas subterráneas y de mar (cloruros, sulfatos, iones de magnesio), o por microorganismos ( bacterias , hongos ...) Otros procesos dañinos también pueden implicar la lixiviación de calcio por infiltración de agua, fenómenos físicos que inician la formación y propagación de grietas, fuego o calor radiante, expansión de agregados, efectos del agua de mar, lixiviación y erosión por agua de flujo rápido. [1]
El agente más destructivo de las estructuras y componentes de 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 reactivo, que hace posible el transporte de solutos y reacciones. Sin agua, muchas reacciones nocivas no pueden progresar o son tan lentas que sus consecuencias nocivas se vuelven 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 circulante. Por lo tanto, siempre que sea posible, el hormigón debe protegerse primero 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 ( tensiones de tracción ) que causan la formación de grietas y alteran la estructura de hormigón. Si las barras de refuerzo se han instalado incorrectamente o tienen una cobertura de hormigón inadecuada en las superficies expuestas a los elementos, pueden producirse desprendimientos y desconchamientos de óxido durante la vida útil de la estructura: fragmentos planos de hormigón se desprenden de la masa de hormigón 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 tensiones, especialmente internas. Su resistencia a la tracción es aproximadamente 10 veces menor que su resistencia a la compresión. El hormigón carbonatado es en sí mismo un material muy sólido porque su resistencia a la compresión aumenta debido a la disminución de su porosidad por la precipitación de carbonato de calcio (calcita, CaCO3 ). 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. Una ilustración de la durabilidad intrínseca del hormigón es la cúpula del edificio del Panteón de Roma realizada con hormigón romano hace más de 2000 años.
Cuando el dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ), o los iones carbonato ( HCO−3, CO2−3Los óxidos de hierro disueltos 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 intersticial del hormigón disminuye progresivamente de 13,5-12,5 a 8,5 (pH del agua en equilibrio con la 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 (aproximadamente 6-7 veces menos densos que el hierro metálico, por lo tanto 6-7 veces más voluminosos) las que causan las grietas en la matriz del hormigón y destruyen el hormigón armado. En ausencia de hierro (y sin algunas reacciones de degradación química dañinas que también producen productos expansivos), el hormigón probablemente sería uno de los materiales más duraderos. Sin embargo, las barras de refuerzo de acero son necesarias para absorber 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 cinc o el recubrimiento epóxico 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 se perfora o daña localmente y sus mayores costos.
Al ser rocas duras, el hormigón puede soportar altas tensiones de compresión , pero no de tracción . En consecuencia, el hormigón se daña fácilmente cuando se forman fases de expansión en su masa.
Las fases expansivas más conocidas y más extendidas son probablemente los óxidos de hierro producidos por la oxidación de las barras de refuerzo de acero al carbono embebidas en el hormigón. Los productos de corrosión se forman alrededor de las barras de refuerzo situadas en el hormigón carbonatado (y por tanto ya no pasivadas frente a la corrosión) o directamente expuestas al oxígeno atmosférico una vez que han empezado a formarse grietas. Los daños producidos por la corrosión de las barras de refuerzo son claramente visibles a simple vista y su diagnóstico es fácil.
En el hormigón pueden producirse otras reacciones químicas expansivas perjudiciales, más difíciles de caracterizar e identificar. Se pueden distinguir en primer lugar según el lugar en el que se producen en el hormigón: en el interior de los áridos o en la pasta de cemento endurecida.
Diversos tipos de agregados pueden sufrir diferentes reacciones químicas e hincharse en el interior del hormigón, dando lugar a fenómenos expansivos dañinos.
Los más comunes son los que contienen sílice amorfa reactiva , que puede reaccionar en presencia de agua con los álcalis del cemento (K2O y Na2O ) . Entre los componentes minerales silíceos más reactivos de algunos agregados están el ópalo , la calcedonia , el sílex y el cuarzo colado . La sílice (de hecho, el ácido silícico cuando se hidrata) se disuelve fácilmente con hidróxido de sodio (NaOH) para formar silicato de sodio ( Na
2SiO
3), un desecante potente con una gran afinidad por el agua. Esta reacción es la base de la reacción álcali-sílice (ASR):
Tras esta reacción, en el interior de los áridos afectados se forma una fase viscosa de sílice gel higroscópica y expansiva que se hincha y agrieta desde el interior. A su vez, la expansión volumétrica de los áridos hinchados daña la matriz del hormigón y se propagan grietas extensas que provocan daños estructurales en la estructura del hormigón. En la superficie de los pavimentos de hormigón, la ASR también puede provocar pop-outs, es decir, la expulsión de pequeños conos (de hasta 3 cm (1 in) de diámetro), correspondientes al tamaño de las partículas del árido.
Una reacción bastante similar (reacción álcali-silicato) puede ocurrir cuando hay minerales arcillosos presentes en algunos agregados impuros, y también puede conducir a una expansión destructiva.
Con algunos agregados que contienen dolomita , puede ocurrir una reacción de desdolomitización , también conocida como reacción alcalino-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 causada por la hinchazón de la brucita puede causar la destrucción del material:
A menudo, la reacción álcali-silicato y la reacción de desdolomitización quedan enmascaradas por una reacción álcali-sílice mucho más severa 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 las degradaciones y los estallidos provocados por la presencia de pirita ( FeS
2), una 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·n H
2O ) y yeso ligeramente soluble ( CaSO
4·2 horas
2O ).
Cuando esté completo ( es decir , cuando todo el Fe2+
Los iones también se oxidan en Fe menos soluble.3+
iones), la oxidación de la pirita se puede escribir globalmente de la siguiente manera:
El ácido sulfúrico liberado por la oxidación de la pirita reacciona luego con la portlandita ( Ca(OH
2)) presente en la pasta de cemento endurecida para dar yeso:
Cuando el hormigón se carbonata 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 mientras liberan CO 2 a la atmósfera:
El yeso dihidratado es relativamente soluble en agua (~ 1 – 2 g/L) a temperatura ambiente y, por lo tanto, móvil. Puede lixiviarse fácilmente por el agua de infiltración y puede formar eflorescencias en la superficie del hormigón, mientras que el Fe insoluble
2Oh
3·n H
2O permanecen en su lugar alrededor de los granos de pirita oxidada que se tiñen de rojo -ocre .
Los aniones sulfato que reaccionan con diferentes fases de la pasta de cemento endurecida (HCP) para formar productos de reacción más voluminosos pueden causar tres tipos de reacciones expansivas llamadas ataque de sulfato dentro de la HCP:
Estos tres tipos de reacciones de ataque por sulfato se describen con más detalle en secciones específicas más adelante en el texto. Cuando se ve afectada la pasta de cemento endurecida (HCP), 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 en común de todas estas reacciones químicas expansivas es que todas requieren agua como reactivo y como medio de reacción. La presencia de agua es siempre un factor agravante. Por ello, las estructuras de hormigón sumergidas en agua, como las presas y los pilotes de los puentes, son especialmente sensibles. Estas reacciones también se caracterizan por una cinética de reacción lenta, que depende 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 se manifiesten los daños. A menudo se necesita una década para observar sus consecuencias nocivas. Proteger las estructuras de hormigón del contacto con el agua puede ayudar a ralentizar 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 libera una molécula de agua en la siguiente reacción:
A 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 de difusión del CO2 atmosférico desde la superficie exterior del hormigón expuesta al aire hacia su masa y que reacciona químicamente con las fases minerales de la pasta de cemento hidratada. La carbonatación se ralentiza a medida que aumenta la profundidad de difusión. [2]
La carbonatación tiene dos efectos antagónicos 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 áreas aún alcalinas y, por lo tanto, hormigón no carbonatado. Las zonas carbonatadas favorables para la corrosión del acero y la degradación del hormigón son incoloras. [3] [4]
La presencia de agua en el hormigón carbonatado es necesaria para reducir el pH del agua intersticial 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 las estructuras o componentes de hormigón carbonatado seco, no afectados por la infiltración de agua, no sufren una corrosión significativa.
El principal efecto de los iones de cloruro sobre el hormigón armado es la corrosión por picaduras de las barras de refuerzo de acero . Se trata de una forma subrepticia y peligrosa de corrosión localizada , ya que las secciones de las barras de refuerzo pueden reducirse hasta el punto de que las armaduras de acero ya no sean capaces de soportar 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, las armaduras se pierden y el hormigón ya no es hormigón armado.
Los cloruros, en particular el cloruro de calcio , se han utilizado para acortar el tiempo de fraguado del hormigón. [5] Sin embargo, se ha demostrado que el cloruro de calcio y (en menor medida) el cloruro de sodio lixivian el hidróxido de calcio y causan cambios químicos en el cemento Portland , lo que lleva a la pérdida de resistencia, [6] además de atacar el refuerzo de acero presente en la mayoría del hormigón. El hospital Queen Elizabeth de diez pisos en Kota Kinabalu contenía un alto porcentaje de cloruro que provocó una falla prematura .
La reacción álcali-sílice (ASR) es una reacción química perjudicial entre el álcali ( Na
2O y K
2O ), disuelto en el agua intersticial 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 gelatinosa de silicato de sodio ( Na
2SiO
3• nH
2O ), también anotado Na
2yo
2SiO
4• nH
2O , o NSH (silicato de sodio hidratado). Este gel higroscópico se hincha dentro de los agregados reactivos afectados, que se expanden y agrietan. A su vez, provoca la expansión del hormigón. Si el hormigón está muy reforzado, puede provocar primero un efecto de pretensado antes de agrietarse y dañar la estructura. El ASR afecta a los agregados y se reconoce por los agregados 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 la etringita (AFt) no se produce debido a su mayor solubilidad a temperatura elevada y se forma el monosulfato (AFm), entonces menos soluble. Después de la disipación del calor de hidratación del cemento, la temperatura vuelve a la temperatura 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 recristalizarse como la etringita (AFt) menos soluble. La estructura cristalina de la AFt alberga más moléculas de agua que la AFm. Por lo tanto, la AFt tiene un volumen molar mayor que la AFm debido a sus 32 moléculas de H 2 O. Durante meses o años, después del enfriamiento del hormigón joven, la 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 conduce a la expansión del hormigón, a su agrietamiento y, en última instancia, puede conducir a la ruina de la estructura afectada. La característica característica de la formación retardada de etringita (DEF) es un patrón aleatorio de agrietamiento en panal similar al de la reacción álcali-sílice (ASR). De hecho, este patrón típico de agrietamiento es común a todas las reacciones internas expansivas y también a la contracción restringida donde un sustrato rígido o una red densa de barras de refuerzo impide los movimientos de una capa superficial de hormigón. La DEF también se conoce como ataque interno de sulfato (ISA). El ataque externo de sulfato (ESA) también implica la formación de etringita (AFt) y la expansión perjudicial con los mismos síntomas nocivos, pero requiere una fuente externa de aniones sulfato en los terrenos o el entorno circundantes. Para evitar las reacciones de DEF o ISA, la mejor manera es utilizar un cemento bajo en 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 agregados.
El DEF se ve exacerbado a un pH elevado en cemento con un contenido demasiado alto de álcalis y, por lo tanto, de hidróxidos . Esto es causado por la transformación de la 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 deducir de las fórmulas moleculares de los reactivos y productos que intervienen en la reacción. Esta reacción favorece la disolución de AFt y la formación de AFm. Cuando se combinan, es un factor agravante del efecto nocivo de las temperaturas demasiado altas. Para minimizar el DEF, también se recomienda el uso de cementos con bajo contenido de álcali. La cristalización perjudicial de la etringita (AFt) se produce 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 disminuye la temperatura.
Los sulfatos en solución en contacto con el hormigón pueden provocar cambios químicos en el cemento, lo que puede causar efectos microestructurales significativos que conducen al debilitamiento del aglutinante del cemento (ataque químico de sulfato). Las soluciones de sulfato también pueden causar daños a los materiales cementicios porosos a través de la cristalización y recristalización (ataque de sal). [7] 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 altamente solubles en agua. Estos incluyen la lluvia ácida , donde el dióxido de azufre en 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 en la lluvia sea aún más altamente ácido. La infraestructura de alcantarillado de hormigón es atacada más comúnmente por el ácido sulfúrico y los aniones de 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 omnipresentes iones de sulfato presentes en los desagües de agua en gas de sulfuro de hidrógeno ( H
2S ). El
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 está acompañado de sulfuro de hidrógeno ( HS−
) y sulfuro ( S2−
) iones. Cuando H
2S y HS−
Los aniones se exponen además al oxígeno atmosférico o al agua de lluvia oxigenada, se oxidan fácilmente y producen ácido sulfúrico (de hecho, iones de hidrógeno ácidos acompañados de iones de sulfato y bisulfato ) según las respectivas reacciones de oxidación:
o,
La corrosión que suele estar presente en la corona (parte superior) de las alcantarillas de hormigón es directamente atribuible a este proceso, conocido como corrosión por podredumbre de la corona . [8]
La taumasita es un mineral de silicato de calcio , que contiene átomos de Si en una configuración octaédrica inusual , con fórmula química Ca3Si ( OH ) 6 ( CO3 ) ( SO4 ) · 12H2O , a veces también escrita de forma más simple como CaSiO3 · CaCO3 · CaSO4 · 15H2O .
La taumasita se forma en condiciones especiales en presencia de iones de sulfato en hormigón que contiene, o está expuesto a, una fuente de aniones de carbonato , como agregados de piedra caliza o relleno de piedra caliza finamente molida ( CaCO3 ). Los aniones de bicarbonato ( HCO3 −3) disueltos en el agua subterránea también pueden contribuir a la reacción. La reacción perjudicial se produce a expensas de los hidratos de silicato de calcio (CSH, con guiones que denotan aquí su no estequiometría ) presentes en la pasta de cemento endurecida (HCP). La forma de ataque de sulfato de taumasita (TSA) es un tipo particular de ataque de sulfato muy destructivo . Los CSH son el "pegamento" en la pasta de cemento endurecida que llena los intersticios entre los agregados de hormigón . Como la reacción de TSA consume los silicatos del "pegamento de cemento", puede conducir a una descohesión perjudicial y un ablandamiento del hormigón . La expansión y el agrietamiento se observan más raramente. A diferencia del ataque de sulfato común , en el que el hidróxido de calcio ( portlandita ) y los hidratos de aluminato de calcio reaccionan con sulfatos para formar respectivamente yeso y etringita (una fase expansiva), en el caso de TSA, los CSH que aseguran la cohesión de HCP y los agregados se destruyen. Como consecuencia, incluso el hormigón que contiene cemento Portland con baja resistencia a los sulfatos de C3A puede verse afectado. [9]
A veces, la TSA se reconoce fácilmente en el campo al examinar el hormigón alterado. El hormigón afectado por la TSA se vuelve polvoriento y se puede excavar con una pala o incluso rasparlo con los dedos. La descohesión del hormigón es muy característica de la TSA.
La TSA fue identificada 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 Kimmeridgianas . Estas margas son una mezcla de arcilla y caliza sedimentada en condiciones anóxicas y son ricas en pirita ( FeS2 , un disulfuro de Fe2 + ). Una vez excavadas estas margas, la pirita quedó expuesta 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 H2SO4 reacciona con la portlandita (presente en la pasta de cemento endurecido, HCP) y la calcita ( CaCO3 (presente en los agregados de caliza o en la HCP carbonatada). La fuerte acidificación del medio provocada por la oxidación de la pirita libera iones bicarbonato ( HCO3) .−3) o dióxido de carbono (CO 2 ) junto con iones de calcio ( Ca 2+ ) y sulfato ( SO2−4).
La oxidación completa de la pirita se puede esquematizar de la siguiente manera:
El ácido sulfúrico liberado por la oxidación de la pirita reacciona luego con la portlandita ( Ca(OH
2)) presente 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 el TSA.
Simultáneamente, el ácido carbónico ( H 2 O + CO 2 ⇌ H 2 CO 3 ) disuelve la calcita para formar bicarbonato de calcio soluble :
Así, cuando todos los ingredientes químicos necesarios para reaccionar con el CSH de la pasta de cemento endurecida en el hormigón están presentes juntos, puede producirse la reacción TSA. Cuando se excavan terrenos ricos en pirita, como muchas arcillas o margas, para obras de ingeniería civil, la fuerte acidificación producida por la oxidación de la pirita es la poderosa fuerza impulsora que desencadena la TSA porque libera y moviliza todos los iones necesarios para atacar al CSH y formar taumasita ( CaSiO 3 · CaCO 3 · CaSO 4 · 15H 2 O ).
La TSA se ve favorecida por una temperatura baja, aunque puede encontrarse 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 la TSA. De hecho, la solubilidad del dióxido de carbono disuelto (CO2 ) , la portlandita ( Ca(OH) 2 ), la calcita ( CaCO3 ) y el yeso ( CaSO4 · 2H2O ) , 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 lo tanto , favorece la reacción exotérmica. Solo la solubilidad de la sílice (de CSH) aumenta con la temperatura porque la disolución de sílice es un proceso endotérmico que requiere calor para continuar.
Cuando el agua fluye a través de las grietas presentes en el hormigón, puede disolver diversos minerales presentes en la pasta de cemento endurecida o en los áridos , si la solución no está saturada con respecto a ellos. Los iones disueltos, como el calcio (Ca 2+ ), se lixivian y se transportan en solución a cierta distancia. Si las condiciones fisicoquímicas 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 la superficie exterior del hormigón. Este proceso puede provocar la autocuración de las fracturas en determinadas condiciones.
Fagerlund [10] (2000) determinó que “se debe disolver aproximadamente el 15 % de la cal antes de que se vea afectada la resistencia. 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 del 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 ), [2] que puede disociarse aún más para formar iones Ca2 + e hidróxido (OH− ) . [11] Cualquier agua que encuentre un camino de filtración a través de microfisuras y huecos de aire presentes en el hormigón, transportará fácilmente el (Ca(OH) 2 ) y el Ca2 + (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. [12] El dióxido de carbono (CO2 ) de la atmósfera se difunde fácilmente en el lixiviado y provoca una reacción química que precipita (deposita) carbonato de calcio (CaCO3 ) en el exterior de la estructura de hormigón. Compuesto principalmente de CaCO3 , este depósito secundario derivado del hormigón se conoce como " calthemita " [12] y puede imitar las formas de los " espeleotemas " de las cuevas , como estalactitas , estalagmitas , coladas , etc. [13] Otros elementos traza, como el hierro de las barras de acero de refuerzo oxidadas, pueden ser transportados y depositados por el lixiviado al mismo tiempo que el CaCO3 . Esto puede teñir las calthemitas de naranja o rojo. [14] [15]
La química que implica la lixiviación del hidróxido de calcio del hormigón puede facilitar el crecimiento de las calthemitas hasta aproximadamente 200 veces más rápido que los espeleotemas de cuevas debido a las diferentes reacciones químicas involucradas. [16] La visión de la calthemita es una señal visual de que el calcio se está lixiviando de la estructura de hormigón y el hormigón se está degradando gradualmente. [12] [17]
En el hormigón muy antiguo donde el hidróxido de calcio se ha lixiviado de la ruta de filtración del lixiviado, la química puede revertirse a una química similar a la de los " espeleotemas " en las cuevas de piedra caliza. [12] [13] Aquí es donde la lluvia enriquecida con dióxido de carbono o el agua de filtración forma un ácido carbónico débil , que lixivia el carbonato de calcio (CaCO 3 ) desde dentro de la estructura de hormigón y lo lleva a la parte inferior de la estructura. [18] 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, [12] que imitan las formas de los espeleotemas. [13] Esta química de desgasificación no es común en las estructuras de hormigón, ya que el lixiviado a menudo puede encontrar nuevos caminos a través del hormigón para acceder al hidróxido de calcio libre y esto revierte la química a la mencionada anteriormente, donde el CO 2 es el reactivo. [12]
El hormigón expuesto al agua de mar es susceptible a sus efectos corrosivos . Los efectos son más pronunciados por encima de la zona de mareas que donde el hormigón está sumergido permanentemente. En la zona sumergida, los iones de magnesio e hidrógeno carbonato 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 como aragonito . Estas capas minerales protegen en cierta medida al hormigón de otros procesos, que incluyen el ataque de los iones de magnesio , cloruro y sulfato y la carbonatación . Por encima de la superficie del agua, pueden producirse daños mecánicos por erosión de las propias olas o de la arena y la grava que transportan, y por cristalización de sales del agua que se filtra en los poros del hormigón y luego se seca. 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 del agua de mar presenta aspectos tanto de los ataques de cloruro como de los de sulfato.
Las bacterias por sí mismas no tienen un efecto perceptible sobre el hormigón. Sin embargo, las bacterias reductoras de sulfato (SRB) en aguas residuales sin tratar 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 la biopelícula (reacción biótica) en la superficie del hormigón por encima del nivel del agua. El ácido sulfúrico disuelve los carbonatos en la pasta de cemento endurecida (HCP), y también el hidróxido de calcio ( portlandita : Ca(OH) 2 ) y el hidrato de silicato de calcio (CaO·SiO 2 ·nH 2 O), y causa pérdida de resistencia , además de producir sulfatos que son perjudiciales para el hormigón. [19]
En cada caso se forma el producto corrosivo blando, expansivo y soluble en agua del yeso (CaSO4 ) . El yeso se elimina fácilmente con las aguas residuales, lo que provoca una pérdida de agregados de hormigón y expone el material fresco al ataque de los ácidos.
Los suelos de hormigón que se encuentran sobre un suelo que contiene pirita ( disulfuro de hierro (II) ) también corren riesgo. Como medida preventiva, las aguas residuales pueden tratarse previamente para aumentar el pH u oxidar o precipitar los sulfuros a fin de minimizar la actividad de las bacterias reductoras de sulfuro. [ cita requerida ]
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) son a menudo el lugar donde son más activas. Las biopelículas hechas de múltiples capas (como una cebolla) de bacterias muertas y vivas 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 los 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 las bacterias SRB también pueden inducir el agrietamiento por corrosión bajo tensión en el acero y otros metales.
Durante el proceso de hormigonado y desencofrado se pueden producir daños. Por ejemplo, las esquinas de las vigas pueden resultar dañadas durante el desencofrado, ya que se compactan de forma menos eficaz mediante vibración (mejora mediante el uso de vibradores de encofrado). Otros daños físicos pueden ser causados por el uso de encofrados de acero sin placas de base. El encofrado de acero comprime la superficie superior de una losa de hormigón debido al peso de la siguiente losa que se está construyendo.
Las losas de hormigón, los muros de bloques y las tuberías son susceptibles a agrietarse durante el asentamiento del terreno, temblores sísmicos u otras fuentes de vibración, y también por la 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 clínker de cemento . Por lo tanto, el volumen del hormigón fresco y muy joven sufre una contracción debido a la reacción de hidratación: es lo que se llama "retracción química" o "autodesecación". Esto no es un problema siempre que el hormigón muy fresco esté todavía en estado líquido, o suficientemente plástico, y pueda absorber fácilmente los cambios de volumen (contracción).
Más adelante, durante 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 "retracción 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 forman grietas por encima de las barras de refuerzo porque la contracción del hormigón está restringida localmente en este nivel y el hormigón aún fraguado y poco resistente no puede contraerse libremente.
El curado del hormigón, cuando éste continúa endureciéndose después de su fraguado inicial y desarrolla progresivamente su resistencia mecánica, es una fase crítica para evitar grietas indeseadas en el hormigón. Dependiendo de la temperatura (condiciones de verano o invierno) y, por lo tanto, de la cinética de hidratación del cemento que controla la velocidad de fraguado y endurecimiento del hormigón, el tiempo de curado puede requerir solo unos días (verano) o hasta dos semanas (invierno). En ese caso, es fundamental evitar pérdidas de agua por evaporación, ya que el agua sigue siendo necesaria para continuar con la lenta hidratación del cemento. La pérdida de agua en esta etapa agrava la retracción del hormigón y puede provocar la aparición de grietas inaceptables en el hormigón. Las grietas se forman en caso de un curado demasiado corto o demasiado deficiente, cuando el hormigón joven aún no ha desarrollado una resistencia inicial suficiente para soportar la tensión de tracción causada por un secado indeseable y prematuro. El desarrollo de grietas ocurre cuando el hormigón en edad temprana no está suficientemente protegido contra la desecación y se evapora demasiada agua con el calor debido a condiciones meteorológicas desfavorables: por ejemplo, alta temperatura, insolación solar directa, aire seco, baja humedad relativa y alta velocidad del viento durante el verano o en condiciones cálidas. El curado tiene como objetivo mantener las condiciones de humedad en la superficie del hormigón. 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 hormigón (por ejemplo, para losas o losas grandes) para minimizar la evaporación del agua.
Después de un fraguado y endurecimiento suficientes del hormigón (después de 28 días), la pérdida progresiva de agua capilar también es responsable de la "retracción por desecación". Se trata de un proceso continuo y de larga duración que se produce más adelante en la vida del hormigón, cuando en condiciones secas los poros más grandes del hormigón ya no están completamente saturados de agua.
Cuando el hormigón está sujeto a un aumento excesivo de temperatura durante su fraguado y endurecimiento, como en estructuras de hormigón macizo de las que el calor de hidratación del cemento no puede escapar fácilmente ( condiciones semiadiabáticas), los gradientes de temperatura y los cambios diferenciales de volumen también pueden provocar la formación de grietas y fisuras térmicas. Para minimizarlas, se prefiere un cemento de fraguado lento (CEM III, con escorias de alto horno ) a un cemento de fraguado rápido (CEM I: cemento Portland ). El vertido del hormigón en condiciones más frías (p. ej., durante la noche o en invierno) o el uso de agua fría y hielo mezclados con áridos enfriados para preparar el hormigón también pueden contribuir a minimizar las grietas térmicas.
Cuando una estructura de hormigón está fuertemente reforzada, la densa red de barras de refuerzo puede bloquear el movimiento de contracción de la cubierta protectora de hormigón situada encima de la capa exterior de barras de refuerzo debido al proceso natural de contracción por secado. Como consecuencia, se forma una red de fisuras con el patrón característico en forma de panal, también típico de las grietas resultantes de las reacciones químicas expansivas (ASR, DEF, ESA).
La formación de fisuras en la capa de hormigón por encima de las barras de refuerzo representa una vía preferencial para la entrada de agua y agentes agresivos como el CO2 ( reducción del pH alrededor de las barras de refuerzo) y los aniones cloruro ( corrosión por picaduras ) en el hormigón. La formación física de grietas favorece, por tanto, la degradación química del hormigón y agrava la corrosión del acero. Los procesos de degradación física y química están íntimamente acoplados, 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. [20] Su objetivo es evitar subestimar la profundidad de penetración de estos agentes químicos nocivos y calcular un espesor suficiente para la cubierta de hormigón para proteger 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 °Celsius , 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 supera la resistencia a la tracción del hormigón, aparecen grietas. La adición de un agente incorporador de aire durante la mezcla de 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 vacío para acomodar la expansión volumétrica del hielo y retrasa el momento en que se desarrollará la tensión de tracción. El arrastre de aire hace que el hormigón sea más trabajable durante la colocación y aumenta su durabilidad cuando se endurece, particularmente en climas sujetos a ciclos de congelación y descongelación .
Las sobrecargas, los choques 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 retracción por secado a largo plazo del hormigón, las estructuras de ingeniería civil pretensadas y postensadas (puentes, cúpulas de contención primaria de centrales nucleares) también pueden sufrir fluencia lenta y deformación del hormigón.
Debido a su baja conductividad térmica , una capa de hormigón se utiliza con frecuencia para la protección contra incendios de estructuras de acero. Sin embargo, el hormigón en sí mismo puede resultar dañado por el fuego, siendo un ejemplo notable el incendio del Túnel del Canal de la Mancha de 1996, en el que el daño causado por el fuego se extendió a lo largo de varios cientos de metros de longitud del túnel. Por este motivo, las normas de ensayo de incendios habituales, como la ASTM E119, [21] no permiten realizar ensayos de incendios de productos cementicios a menos que la humedad relativa en el interior del producto cementicio sea igual o inferior al 75 %. De lo contrario, el hormigón puede sufrir un desconchado importante.
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 causa 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 encogerse debido a la descomposición. A 450-550 °C, el hidrato del cemento se descompone, produciendo óxido de calcio. El carbonato de calcio se descompone a aproximadamente 600 °C. La rehidratación del óxido de calcio al enfriarse la estructura causa expansión, lo que puede causar daños al material que resistió el fuego sin desmoronarse. El hormigón en edificios que sufrieron un incendio y se dejaron en pie durante varios años muestra un alto grado de carbonatación a partir del dióxido de carbono que se reabsorbe.
El hormigón expuesto a temperaturas de hasta 100 °C se considera normalmente saludable. Las partes de una estructura de hormigón que estén expuestas a temperaturas superiores a aproximadamente 300 °C (dependiendo de la relación agua/cemento) probablemente adquirirán un color rosa. Por encima de aproximadamente 600 °C, el hormigón se volverá gris claro y, por encima de aproximadamente 1000 °C, se volverá marrón amarillento. [22] Una regla general es considerar todo el hormigón de color rosa como dañado y que debe eliminarse.
El fuego expondrá el hormigón a gases y líquidos que pueden ser nocivos para él, 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 a temperaturas muy altas con mucha rapidez, puede producirse un desconchado explosivo. En un incendio muy intenso y rápido, el agua del interior del hormigón hervirá antes de evaporarse. El vapor del interior del hormigón ejerce una presión expansiva y puede iniciar y expulsar con fuerza un desconchado. [23]
La exposición de estructuras de hormigón a neutrones y radiación gamma en plantas de energía nuclear y reactores de prueba de materiales de alto flujo puede inducir daños por radiación a sus componentes estructurales de hormigón. Los defectos paramagnéticos y los centros ópticos se forman fácilmente, pero se necesitan flujos muy altos para desplazar una cantidad suficientemente alta de átomos en la red cristalina de los minerales presentes en el hormigón antes de que se observe un daño mecánico significativo.
Sin embargo, se sabe que la irradiación de neutrones con una fluencia neutrónica muy alta (número de neutrones por unidad de área de sección transversal: neutrón/cm2 ) vuelve amorfa una fracción del cuarzo presente en algunos agregados de hormigón. Este proceso de amorfización también se denomina metamictización . El cuarzo metamict con su estructura reticular desordenada es propenso a la reacción álcali-sílice y, por lo tanto, puede ser responsable de la 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, [24] impacto, movimiento o corrosión de las armaduras). Puede ser necesario reforzarla si la estructura se debilita (por ejemplo, debido a errores de diseño o construcción, carga excesiva o por un cambio de uso).
El primer paso siempre debe ser una investigación para determinar la causa del deterioro. Los principios generales de la reparación incluyen detener y prevenir una mayor degradación; tratar el refuerzo de acero expuesto; y rellenar las fisuras o agujeros causados por el agrietamiento o que quedan después de la pérdida de hormigón descascarillado o dañado.
Existen diversas técnicas disponibles para la reparación, protección y rehabilitación de estructuras de hormigón, [25] y se han definido sistemáticamente especificaciones para los principios de reparación. [26] 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 ser totalmente portante o simplemente cosmética.
El cosido de hormigón emplea grapas o puntos de metal para restaurar la integridad estructural de las superficies de hormigón agrietadas. Este método aplica torsión a lo largo de la grieta, transfiriendo eficazmente la carga y la tensión para estabilizar y reforzar el área afectada. Reconocido por su simplicidad y mínima interrupción, el cosido de hormigón se utiliza ampliamente en infraestructuras esenciales como puentes y edificios, prolongando significativamente la vida útil de las estructuras de hormigón al evitar la propagación de grietas.
Los principios de reparación que no mejoran la resistencia o el rendimiento del hormigón más allá de su condición original (sin daños) incluyen el reemplazo y la restauración del hormigón después del desconchado y la delaminación; el fortalecimiento para restaurar la capacidad de carga estructural; y el aumento de 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, aumento de la resistividad, preservación o restauración de la pasividad, aumento de la resistencia al ataque químico, protección contra el ingreso de agentes adversos y control de la humedad.
Las técnicas para rellenar los huecos que quedan tras la retirada del hormigón descascarillado o dañado incluyen reparaciones con mortero, reparaciones con hormigón fluido y reparaciones con hormigón proyectado. El relleno de grietas, fisuras o huecos en el hormigón con fines estructurales (restauración de la resistencia y capacidad de carga) o razones no estructurales (reparaciones flexibles en las que se prevé un mayor movimiento o, alternativamente, para resistir la permeabilidad del agua y los gases) normalmente implica la inyección de resinas de baja viscosidad o lechadas a base de resinas epóxicas, de poliuretano o acrílicas, o lechadas de cemento micronizado. [27]
Una propuesta novedosa para la reparación de grietas es el uso de bacterias. BacillaFilla es una bacteria genéticamente modificada diseñada para reparar el hormigón dañado, rellenando las grietas y devolviéndolas a su estado original.
Existen diversas técnicas para reforzar las estructuras de hormigón, aumentar la capacidad de carga o mejorar el rendimiento en servicio. Entre ellas se incluyen el aumento de la sección transversal del hormigón y la adición de materiales como placas de acero o compuestos de fibra [28] [29] para mejorar la capacidad de tracción o aumentar el confinamiento del hormigón para mejorar la capacidad de compresión.
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