3.15 Durabilidad del Hormig贸n
Junto con la resistencia a la compresi贸n del hormig贸n, la durabilidad juega un papel importante, ya que 茅ste debe ser capaz de resistir las condiciones para las que fue dise帽ado durante su vida 煤til, sin sufrir deterioros.
TEMAS TRATADOS:

3.15.1 Generalidades
3.15.2 Ataque qu铆mico
3.15.3 Ataque f铆sico

3.15.1 GENERALIDADES

Durabilidad es la aptitud de una estructura dada de desempe帽ar su funci贸n prevista (mantener la resistencia requerida y su funcionalidad o 鈥渟erviciabilidad鈥) durante la vida 煤til especificada o tradicionalmente esperable, en sus condiciones espec铆ficas de exposici贸n ambiental.

Son muchos los factores que influyen en la durabilidad, como se muestra en Figura 3.82.

FIGURA 3.82

ORIGEN DE PROBLEMAS DE DURABILIDAD EN OBRAS CIVILES

Muchos de los problemas de durabilidad est谩n relacionados con la permeabilidad. La mayor铆a de las reacciones adversas requieren la presencia de agua para que se produzcan; por tanto, si se logra disminuir la permeabilidad, la durabilidad aumenta.

Es b谩sico, entonces, tener un buen dise帽o de la mezcla, con adecuado contenido de finos incluido el cemento, el empleo de aditivos para disminuir la cantidad de agua y el empleo de adiciones. Pero un buen hormig贸n no sirve si es mal colocado, compactado y curado pues se crear谩n fisuras o grietas por donde entrar谩 el agua y otros contaminantes.

Como se ver谩 m谩s adelante, la norma NCh170-2016, tanto para cloruros, sulfatos o CO2, hace exigencias de permeabilidad de los hormigones.

El ensayo de permeabilidad est谩 regulado por NCh2262. Se aplica una presi贸n de agua 0,5 MPa durante tres d铆as a 3 probetas, luego 茅stas se rompen por hendimiento y se mide la profundidad a la que ha penetrado el agua. Se puede realizar tanto en probetas c煤bicas como en cil铆ndricas y tambi茅n en testigos. La disposici贸n general del ensayo se muestra en Figura 3.83.

FIGURA 3.83

ENSAYO DE PERMEABILIDAD

El inconveniente principal que tiene el ensayo es que, en general, se hace en probetas moldeadas en hormigones de prueba. Por tanto, sirve para medir la aptitud de un hormig贸n, la impermeabilidad potencial, no la real de la estructura.

La misma norma NCh170 hace menci贸n a un m茅todo de permeabilidad al aire (norma suiza SIA 262/1) que b谩sicamente consiste en hacer vac铆o en un equipo de doble c谩mara, equipo Torrent, y luego medir cu谩nto aire ingresa a la c谩mara interior. La gran ventaja del m茅todo es que se puede aplicar en terreno, es no destructivo y relativamente r谩pido.

Aunque se pueden corregir las lecturas, lo ideal es que las superficies est茅n secas.

El equipo y la disposici贸n general se muestran en Figura 3.84.

FIGURA 3.84

PERMEABILIDAD AL AIRE

3.15.2 ATAQUE QU脥MICO

Dado su car谩cter b谩sico, de alto pH, el hormig贸n es muy d茅bil frente al ataque de los 谩cidos.

No tan s贸lo a los 谩cidos fuertes como el sulf煤rico, el clorh铆drico y otros, sino que tambi茅n a los 谩cidos d茅biles como los org谩nicos: 谩cido l谩ctico, orinas y fecas de los animales, jugos de frutas y otros.

Los ataques pueden ser superficiales o pueden venir desde dentro cuando los 谩cidos penetran por juntas mal cuidadas.

No hay soluciones baratas. Lo m谩s com煤n es cubrir con epoxi las zonas m谩s expuestas.

A) ATAQUE DE CLORUROS

En presencia de agua, los cloruros que han ingresado al hormig贸n se ionizan y atacan a las armaduras.

La velocidad con la que penetran los cloruros depende del espesor y de la calidad del recubrimiento de hormig贸n; por esto en ambientes expuestos el recubrimiento es grande y el hormig贸n es de alta calidad, aunque por resistencia no fuera necesario. Tambi茅n afecta una mala dosificaci贸n y las fisuras y oquedades que hayan quedado por un mal tratamiento.

Se forma una pila el茅ctrica en la misma barra y se produce reacciones que forman compuestos que aumentan hasta 600% su volumen. Con las expansiones que se producen, primero aparecen manchas, que siguen la direcci贸n de las barras corro铆das, despu茅s fisuras, luego descascaramiento y destrucci贸n. Tambi茅n hay p茅rdida de secci贸n de las barras. Todo puede provocar el colapso de toda la estructura. Ver Figura 3.85.

FIGURA 3.85

DA脩O POR ATAQUE DE CLORUROS

Los cloruros pueden provenir de fuentes internas o externas.

Las fuentes internas son los materiales que componen el hormig贸n y todos pueden aportar cloruros: cemento, 谩ridos, agua, aditivos y adiciones.

Para estas fuentes externas la norma NCh170-2016 especifica lo que se indica en Tabla 3.48.

TABLA 3.48

CONTENIDO M脕XIMO DE IONES CLORUROS SOLUBLES

La mucho mayor exigencia para hormigones pretensados se justifica por el menor di谩metro de los cables y porque los elementos trabajados en fr铆o son mucho m谩s sensibles a la corrosi贸n.

Con respecto a las fuentes externas de cloruros, la norma NCh170 clasifica los grados de exposici贸n como se muestra en Tabla 3.49.

TABLA 3.49

GRADOS DE EXPOSICI脫N POR CLORUROS

Esa clasificaci贸n de los grados de exposici贸n se presenta gr谩ficamente en Figura 3.86.

Para los grados de exposici贸n indicados, los requisitos de la norma NCh170 se presentan en Tabla 3.50.

FIGURA 3.86

GRADOS DE EXPOSICI脫N A CLORUROS

TABLA 3.50

REQUISITO SEG脷N GRADO DE EXPOSICI脫N A CLORUROS

B) ATAQUE DE SULFATOS

Los sulfatos en presencia de agua se disocian y reaccionan con el aluminato tric谩lcico (C3A) del cemento. En esta reacci贸n se captan 26 mol茅culas de agua, por lo que el s贸lido que se forma (etringita secundaria) es mucho mayor que los s贸lidos iniciales.

Esta expansi贸n est谩 restringida en el hormig贸n, lo que genera tensiones que tienden a destruir el hormig贸n. Adem谩s, las fisuras y grietas que se forman pasan a ser una fuente de entrada a otros compuestos que atacan al hormig贸n o a las armaduras. Figura 3.87.

FIGURA 3.87

DA脩OS POR ATAQUE DE SULFATOS

Los grados de exposici贸n por ataque de sulfatos que define la norma NCh170 se muestran en Tabla 3.51.

TABLA 3.51

GRADOS DE EXPOSICI脫N POR SULFATOS

La norma establece requisitos para el cemento, que es el que reacciona, y para el hormig贸n, que es el que resulta afectado por el ataque.

Los requisitos para el cemento se muestran en Tabla 3.52.

TABLA 3.52

REQUISITOS DEL CEMENTO PARA HORMIG脫N EN CONTACTO CON SULFATOS

El ensayo de expansi贸n de ASTM C1012 consiste en preparar unas barras de mortero con el cemento que se analiza y una arena especial (arena Otawa) y mantenerlas sumergidas en una soluci贸n al 5% de Na2SO4. Peri贸dicamente, las barras se retiran de la soluci贸n y se mide los cambios de longitud.

Los requisitos para el hormig贸n sometido a ataques de sulfatos que establece la norma NCh170 se presentan en Tabla 3.53.

TABLA 3.53

REQUISITOS DEL HORMIG脫N EN CONTACTO CON SULFATOS

C) CARBONATACI脫N

Cuando el hormig贸n o mortero es expuesto al CO2, se produce una reacci贸n que genera carbonatos acompa帽ado con retracciones.

En hormigones no armados los efectos pueden ser beneficiosos ya que el hormig贸n queda m谩s denso, m谩s duro, y m谩s resistente. En hormigones armados, sin embargo, la reacci贸n es da帽ina ya que baja el pH del hormig贸n eliminando la capa de pasivaci贸n que protege al acero de la corrosi贸n. El CO2 en presencia de humedad se transforma en 谩cido carb贸nico (CO3H2) formando CaCO3 y bajando el pH de 13 a 9.

Las fuentes de CO2 pueden ser dos: el atmosf茅rico (aire) o agua que trae disuelto CO2.

La reacci贸n del hormig贸n con el CO2 del aire es un proceso lento y es muy dependiente de la humedad relativa del ambiente, de la temperatura, de la permeabilidad del hormig贸n y de la concentraci贸n de CO2.

La carbonataci贸n progresa m谩s r谩pidamente en ambientes con humedad relativa entre 60 y 80%. En ambiente muy seco no hay humedad suficiente para formar 谩cido carb贸nico. Si la saturaci贸n es muy alta, el sistema de poros est谩 bloqueado, impidiendo la difusi贸n del CO2.

La resistencia del hormig贸n (bien compactado y curado) influye notoriamente en la velocidad de carbonataci贸n. Con esto se puede predecir el comportamiento. En la Figura 3.88 se ve que un G25 (aproximadamente H30) a los 50 a帽os tendr谩 una penetraci贸n de 21 mm, espesor normal de recubrimiento de estructuras no protegidas especialmente.

Otra forma de ataque es por el agua en el suelo. El CO2 que es absorbido por la lluvia ingresa al suelo como 谩cido carb贸nico. CO2 adicional se genera por descomposici贸n vegetal, generando una alta concentraci贸n de CO2 libre.

Al igual que el CO2 atmosf茅rico, la velocidad del ataque depende de las propiedades del hormig贸n y de la concentraci贸n de CO2.

Por el momento no hay consenso en el establecimiento de l铆mites dada la amplia variedad de los subsuelos usados en construcci贸n.

FIGURA 3.88

VELOCIDAD DE PENETRACI脫N DE LA CARBONATACI脫N

La manera m谩s empleada para detectar la presencia de carbonataci贸n es el empleo de fenolftale铆na. Es un indicador colorim茅trico del pH; queda incoloro con pH 鈮 9 (carbonatado) y toma un color fucsia con pH mayor. En general se extraen testigos, o trozos de hormig贸n, se limpian y se aplica una soluci贸n al 1% de fenolftale铆na en alcohol (spray) y se mide la penetraci贸n, como se muestra en Figura 3.89.

FIGURA 3.89

ENSAYO DE FENOLFTALE脥NA

Los grados de exposici贸n a carbonataci贸n que define la norma NCh170 se presentan en Tabla 3.54 y los requisitos para esos grados en Tabla 3.55.

TABLA 3.54

GRADOS DE EXPOSICI脫N POR CARBONATACI脫N

TABLA 3.55

REQUISITOS AL HORMIG脫N POR CARBONATACI脫N

D) REACCI脫N 脕LCALI-脕RIDO

Para que se produzca la reacci贸n es necesario la presencia de 谩ridos reactivos, la disponibilidad de iones de Na y K, un hormig贸n permeable y la presencia de agua.

Con la reacci贸n se produce un gel que se expande en el interior del hormig贸n, lo que crea tensiones que muchas veces el hormig贸n no es capaz de resistir. Primero se agrieta y finalmente se puede destruir completamente. Ver Figura 3.90.

FIGURA 3.90

DA脩OS POR REACCI脫N 脕LCALI-脕RIDO

La reactividad de los 谩ridos depende b谩sicamente de su composici贸n mineral贸gica. Est谩n identificados como reactivos el 贸palo, la calcedonia, vidrios volc谩nicos, cuarzo deformado (presente en granito), feldespato, mica.

Aunque el cemento es la principal fuente, otras fuentes de 谩lcalis son los mismos 谩ridos, el agua, los aditivos.

Una vez que empieza, la reacci贸n no se puede detener. Por tanto, s贸lo queda la prevenci贸n: impedir que la reacci贸n se produzca.

La medida de prevenci贸n m谩s obvia, aunque no siempre se puede, es no usar 谩ridos reactivos.

Para determinar la reactividad de un 谩rido existen tres m茅todos.

El an谩lisis petrogr谩fico (ASTM C 295) consiste en determinar la presencia en los 谩ridos (todas las fracciones) de minerales conocidos como reactivos. En Chile pr谩cticamente no se hace pues se requiere de ge贸logos de mucha experiencia.

Mucho m谩s com煤n es el ensayo qu铆mico de reactividad potencial (ASTM C 289). Es un ensayo r谩pido y econ贸mico. Se ataca el 谩rido con una soluci贸n de NaOH, durante 24 horas a 80 潞C y se mide la s铆lice disuelta y la reducci贸n de alcalinidad. Para la interpretaci贸n se usa el gr谩fico y los 谩ridos se clasifican como inocuos, potencialmente reactivos y peligrosos. El m茅todo no es totalmente confiable.

El ensayo m谩s efectivo es el de barras de mortero (ASTM C227). Se prepara un mortero con los 谩ridos (los gruesos se chancan a tama帽o de arena y se reproduce la mezcla que se va a utilizar) y con el cemento que se va a emplear en la obra. Se preparan unas vigas que se sumergen en un gabinete especial (38 潞C). Se mide el cambio de largo de las vigas a 1, 2, 4, 6, 9 y 12 meses. En general se considera aceptable una expansi贸n de 0,05% en 3 meses y 0,10% en 6 meses.

Un m茅todo acelerado es el de ASTM C 1260.

Se determina la reactividad del 谩rido midiendo la expansi贸n que experimentan barras de mortero preparadas con el 谩rido que se analiza y un cemento no inhibidor de la reacci贸n. Las vigas se sumergen 14 d铆as en una soluci贸n de NaOH a 80 潞C. De acuerdo a la expansi贸n medida a los 14 d铆as se tiene:

0,2% el 谩rido se considera reactivo
Entre 0,1 y 0,2% el 谩rido es potencialmente reactivo y se requieren m谩s an谩lisis
< 0,1% el 谩rido se considera inerte

Otra medida de prevenci贸n es emplear cemento con bajo contenido de 谩lcalis. Hay evidencia de que cuando el cemento tiene menos de 0,6% de Na equivalente (Na + 0,658K) no se produce la reacci贸n.

Est谩 demostrado que los cementos puzol谩nicos inhiben la reacci贸n 谩lcali-谩rido.

En Chile son muchos los 谩ridos reactivos. Sin embargo, no se ha producido problemas importantes pues hace cerca de 60 a帽os que se emplean, fundamentalmente, cementos con puzolana.

La norma NCh170-2016 indica que los 谩ridos reactivos o potencialmente reactivos, en hormigones en ambiente de alta humedad o sumergidos se pueden emplear si:

Obras similares, con materiales de la misma fuente, no han presentado problemas. Los cementos con adiciones de Chile han demostrado ser eficaces en este sentido
Se emplea cemento Portland con menos de 0,6% de sodio equivalente (Na + 0,658K)
La expansi贸n seg煤n ASTM 227, con los materiales de la obra, es menor que 0,05% en 3 meses o menor que 0,10% en 6 meses
Se cuenta con estudios especiales que permitan su uso

3.15.3 ATAQUE F脥SICO
A) CICLOS DE CONGELACI脫N Y DESHIELO

El agua, al congelarse, aumenta su volumen en 9%. Al interior del hormig贸n, al no poder expandirse, el hielo crea grandes tensiones.

Una ocurrencia aislada tiene un efecto insignificante, pero las fluctuaciones de temperatura en la estaci贸n fr铆a (congelamiento y descongelamiento) repetidas en varios a帽os puede causar da帽os considerables. Ver Figura 3.91.

En pa铆ses del hemisferio norte es com煤n el empleo de sales descongelantes en pavimentos y esto agrava el problema, ya que la zona cerca de la superficie del hormig贸n cambia en m谩s de 10 潞C en uno o dos minutos.

FIGURA 3.91

DA脩OS POR CICLOS DE CONGELACI脫N Y DESHIELO.

Desde el punto de vista de la tecnolog铆a del hormig贸n una de las medidas de protecci贸n es hacer un hormig贸n impermeable. Para aumentar la resistencia del hormig贸n al congelamiento, el agua de ese hormig贸n debe mantenerse lo m谩s baja posible.

La manera m谩s eficiente de protecci贸n es dar espacio a que el agua en el interior del hormig贸n se expanda, de modo que cuando el volumen crezca debido al congelamiento, esto no provoque tensiones internas. Esto se consigue mediante el empleo de aditivos incorporadores de aire que crean microburbujas, normalmente esf茅ricas, del orden de 0,02 a 0,2 mm. Burbujas mayores a esa dimensi贸n no contribuyen a la resistencia al congelamiento.

Hay un ensayo para determinar la resistencia de un hormig贸n a ciclos de congelaci贸n y deshielo (NCh2185). Normalmente se utilizan viguetas de 75*75*250 mm. El ensayo consiste en congelar las probetas a -15 潞C y luego descongelarlas llev谩ndolas 20 潞C. Este es un ciclo que dura 24 horas y se hacen 50 ciclos.

Al t茅rmino del ensayo se mide la expansi贸n que han experimentado. Lo aceptable es una expansi贸n de 0,05%. Si una probeta se deforma de tal manera que no se puede medir, se considera que no cumple.

La norma NCh170-2016 establece los ambientes que se indican con las especificaciones que se muestran en Tabla 3.56.

TABLA 3.56

REQUISITOS DEL HORMIG脫N SOMETIDO A LA ACCI脫N DE CONGELACI脫N Y DESHIELO

B) ABRASI脫N

Se define la resistencia a la abrasi贸n como la habilidad de una superficie de hormig贸n de resistir el desgaste por roce, frotamiento y fricci贸n.

Las causas m谩s comunes son el tr谩nsito de peatones y veh铆culos sobre las veredas y pavimentos y el desgaste producido por el flujo continuo de agua (con o sin s贸lidos).

La abrasi贸n de pisos y pavimentos tambi茅n puede resultar de operaciones de producci贸n y es, por tanto, de preocupaci贸n en pisos industriales.

Con la abrasi贸n se produce por un desplazamiento de materiales s贸lidos sobre la superficie, produciendo un desprendimiento de las part铆culas componentes del hormig贸n, en forma creciente, pudiendo llegar a una disminuci贸n del espesor del elemento.

En la mayor铆a de los casos, el desgaste por abrasi贸n no ocasiona problemas estructurales, pero puede haber un problema de polvo que puede ser objetable en algunos tipos de operaciones. Tambi茅n puede traer consecuencias en el comportamiento bajo las condiciones de servicio o indirectamente propiciando el ataque de alg煤n otro enemigo de la durabilidad, siendo esto 煤ltimo m谩s evidente en el caso de las estructuras hidr谩ulicas.

Los resultados de los ensayos indican que la resistencia a abrasi贸n est谩 fuertemente relacionada con la resistencia a compresi贸n del hormig贸n. Una relaci贸n agua-cemento baja y el curado adecuado se hacen necesarios para la resistencia a abrasi贸n.

Sin embargo, hay que considerar que la estructura debe contar con un muy buen curado y con adecuadas t茅cnicas de acabado superficial.

El tipo de 谩rido y el acabado de la superficie o el tratamiento usado tambi茅n tienen gran influencia sobre la resistencia a abrasi贸n.

Por otra parte, la zona expuesta a la abrasi贸n, la superficie, es normalmente la zona m谩s d茅bil de la estructura.

Por eso es com煤n el empleo de endurecedores superficiales, los que se espolvorean sobre la superficie.

Para lograr buena resistencia a la abrasi贸n es necesario:

Usar la menor raz贸n agua-cemento.
Hacer una mezcla adecuada de 谩ridos de manera de disminuir la exudaci贸n.
En casos de alta abrasi贸n emplear 谩ridos particularmente duros, como el cuarzo y no considerar los calizos.
Emplear el menor asentamiento posible compatible con la adecuada colocaci贸n.
En lo posible hacer alisado mec谩nico.
Hacer un curado adecuado y no postergarlo.

No hay normas ni de especificaciones ni de ensayos del INN.

El ensayo m谩s conocido es el de arenado (ASTM C418). Este m茅todo cubre la evaluaci贸n en laboratorio de la resistencia de las superficies de hormig贸n a la abrasi贸n. Este procedimiento simula la acci贸n de abrasi贸n del agua y del tr谩fico en superficies de hormig贸n. Realiza una acci贸n de corte que tiende a desgastar m谩s severamente a los componentes menos resistentes del hormig贸n.

Una arena, normalmente cuarzosa, se dispara desde 75 mm a la probeta durante 1 minuto. Se hacen al menos 8 ensayos por probeta. Se calcula el volumen de la huella y el coeficiente de p茅rdida por abrasi贸n es el volumen dividido por la superficie expuesta.

En Figura 3.92 se presenta la disposici贸n del equipo y una probeta ensayada.

FIGURA 3.92

ABRASI脫N POR ARENADO

ASTM tiene un m茅todo (C1138) especialmente orientado a determinar qu茅 provoca el agua.

Simula cualitativamente el comportamiento de remolinos de agua que contienen objetos s贸lidos suspendidos que producen abrasi贸n del hormig贸n.

Se espera que los resultados sean 煤tiles en la selecci贸n de materiales, mezclas y pr谩cticas de construcci贸n para su uso donde tal acci贸n es de esperar.