2.1. INTRODUCCIÓN.-
La mezcla de concreto está conformada por
materiales de calidad convenientemente dosificados
y durante el proceso de elaboración, transporte, vaciado, consolidación y
curado los ingenieros a cargo del proyecto se encargarán de que el proceso se
realice adecuadamente, asegurando la durabilidad de las construcciones.
Haciendo algo historia sobre este tema tenemos que
las estructuras construidas durante el antiguo Imperio Romano, o las
edificaciones contemporáneas con más de 100 años de antigüedad, brindan
testimonio de la durabilidad del concreto, sin embargo, debemos pensar que
estas estructuras perduran porque las condiciones y el tiempo que fueron
construidas quizás le fueron favorables, pero hoy en día y con el desarrollo tecnológico en el que vivimos,
debemos preocuparnos en utilizar cementos de mejor calidad y concretos
relativamente impermeables, la contaminación se acrecienta producto de nuestra
época, ofrece nuevos retos a la ingeniería,
En los últimos 50 años se ha producido una
importante cantidad de trabajos e investigaciones sobre el ataque químico al
cemento y al concreto; que han sido recuperados en nutridos análisis
bibliográficos. Sin embargo, el conocimiento alcanzado no guarda relación con
la magnitud de las condiciones a las que será sometido.
En general
apreciamos falta de correlación en las investigaciones que en su mayoría
dirigen en dos vertientes: sea desde un aspecto científico privilegiando las
reacciones con que ocurren en la matriz orientados principalmente por químicos
(Nanociencia), o se llevan con criterio tecnológico, dando importancia a la
compacidad del material y considerando la cinética de la penetración del agua y
de los gases en la estructura del concreto.
“El concreto se comporta satisfactoriamente
bajo exposiciones correspondientes a diferentes condiciones atmosféricas, a la
mayoría de las aguas y suelos que contienen químicos, y bajo muchos otros tipos
de exposiciones a agentes químicos. Sin embargo, existen algunos ambientes
químicos en los cuales, a menos que se tomen medidas específicas, la vida útil
aún del mejor concreto será muy breve. Comprender estas condiciones permite
tomar medidas para evitar el deterioro o reducir la velocidad con la cual se
produce.
Son escasas
o nulas las circunstancias bajo las cuales el concreto es atacado por agentes
químicos sólidos secos. Para producir un ataque significativo sobre el concreto,
los químicos agresivos deben estar en solución y presentes en una concentración
superior a una cierta concentración mínima. Un concreto que está expuesto a
soluciones agresivas a presión en uno de sus lados es más vulnerable que uno
que no lo está, ya que la presión tiende a forzar la solución agresiva hacia el
interior del concreto”[1]
La figura
Nº 01 nos permite comprender las causas y los efectos que ocurren en los
concretos que están en contacto con agua y la humedad del medio ambiente en su
vida de servicio.
FIGURA Nº 01 Avances en
Especificaciones de Durabilidad de Estructuras de Concreto / Ing. Carlos Arcila López
2.2. ATAQUE
POR SUSTANCIAS QUÍMICAS AGRESIVAS.
Generalmente el concreto es atacado por
sustancias químicas en solución que sobrepasan un determinado nivel de
concentración. El concreto es más vulnerable cuando se encuentra bajo el ataque
de sustancias agresivas en solución ejerciendo presión sobre alguna de sus superficies,
pues la presión tiende a forzar la entrada de la solución agresiva.
El ataque
de sustancias químicas sobre el concreto es, por lo general, el resultado de su
exposición a sulfatos o ácidos. Algunos sulfatos están presentes en forma
natural en el suelo, agua subterránea o ambiente marino y al estar en contacto
con el concreto le ocasionan daños. Existen dos reacciones químicas que
intervienen en el ataque del concreto por sulfatos:
1. Combinación de los sulfatos
con hidróxido de calcio [Ca (OH)2] (cal hidratada) liberada durante
el proceso de hidratación del cemento. Esta combinación contiene sulfato de
calcio [CaSO4] (yeso).
2. Combinación de yeso y
aluminato de calcio hidratado [C4AH6] para formar
sulfoaluminato de calcio [C3A·3CaSO4·31H20] (etringita).
Estas dos
reacciones dan como resultado un aumento en el volumen sólido. Debido a la
segunda reacción se producen expansiones y rupturas del concreto causadas por
soluciones de sulfatos. Cuando los sulfatos están en contacto con la superficie
del concreto producen un debilitamiento y desintegración de ésta.
El concreto
está sujeto a los ataques de ciertos ácidos producidos por diversas situaciones,
por ejemplo al quemarse un gran número de combustibles liberan productos que
contienen gases sulfurosos que se combinan con la humedad y forman ácido
sulfúrico el cual cae en forma de lluvia ácida. Las aguas de albañal o
residuales al colectarse pueden formar ciertos ácidos.
También las
aguas de algunas minas y las aguas residuales industriales pueden contener
ácidos que atacan al concreto. Los ácidos orgánicos de las industrias agrícolas
o de las industrias manufactureras o de procesadoras presentan también un
peligro para la integridad del concreto.
2.3.
CAUSAS DEL ATAQUE QUÍMICO POR SULFATOS
PROVENIENTES DE FUENTES EXTERNAS.
Los
sulfatos representan uno de los mayores riesgos de agresión química para el
concreto, las reacciones químicas que incluyen la formación de productos
expansivos en el concreto o mortero ya endurecido pueden dar lugar a efectos
perjudiciales, ya que la expansión puede producir tensiones mecánicas internas
que, eventualmente, se traducen en deformaciones y desplazamientos en diferentes
partes de la estructura, en la aparición de grietas y fisuras, desconchados,
etc.
Una
de las formas más frecuentes de ataque químico al concreto endurecido es la
acción de los sulfatos. Los sulfatos son sales que afectan la durabilidad del
concreto siempre y cuando estén en solución, ya que estos en condición anhidra
no producen ningún ataque, por lo general consisten en sulfatos de Sodio,
Potasio, Calcio, Magnesio. Muchas de estas sustancias se encuentran en forma de
minerales, a continuación se da un listado de estos nombres y su composición
general:
- anhidrita CaSO4 o tenardita Na2SO4
- basanita CaSO4 · 1/2H2O o mirabilita NaSO4 · 10H2O
- yeso CaSO4 · 2H2O o arcanita K2SO4
- kierserita MgSO4·· H2O o glauberita Na2Ca(SO4)2
- epsomita MgSO4 · 7H2O o langbeinita K2Mg2(SO4)3
- taumasita Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)1 · 12H2O
El
ión sulfato se encuentra en el suelo. Normalmente en zonas áridas, se pueden
presentar en las arenas como material de aporte y en rocas carbonatadas de origen
sedimentario, y pese a que pueden no estar en muy alta concentración, si se
producen ciclos de humedecimiento y secado sobre el concreto, la concentración
puede incrementarse y causar deterioro. Además se encuentra en mayor o menor
proporción en todas las aguas libres subterráneas y en solución en agua de
lluvia. El agua que se utiliza en las torres de enfriamiento de concreto
también puede ser una potencial fuente de ataque por sulfatos debido a la
evaporación, particularmente si estos sistemas utilizan cantidades relativamente pequeñas de
agua de reemplazo. También se encuentra
en aguas contaminadas por desechos industriales, como industrias asociadas con
la fabricación de químicos, baterías, aluminio, escorias del procesamiento del
hierro, cenizas, etc. El agua de mar y los suelos costeros embebidos en agua de
mar constituyen un tipo de exposición particular, que se explico con
anterioridad. Resumiendo los sulfatos pueden ser de origen natural, biológico o
provenir de la polución domestica e industrial.
Los
principales factores que afectan al ataque severo de sulfatos en los concretos
son:
1. La permeabilidad del concreto.
2. Los contenidos de sulfatos en solución de
agua.
3. Contenidos de C3A
4. Contenidos de Ca (OH)2
2.4.
EFECTOS DEL ATAQUE QUÍMICO POR SULFATOS
PROVENIENTES DE LA REACCIÓN DEL CONTENIDO DE ALUMINATO TRICÁLCICO DEL CEMENTO
EN SU PROCESO DE HIDRATACIÓN.
El
endurecimiento y fraguado del concreto son el resultado de procesos químicos y
físicos entre el cemento portland y el agua, que se denominan hidratación.
El clínker
de cemento Portland contiene 4 compuestos químicos mayoritarios, los minerales
de clínker, que son : C3S = silicato tricálcico, C2S =
silicato dicálcico, C3A = aluminato tricálcico y C4AF =
ferrita aluminato tetracálcico (Esta fórmula es la composición promedia de una
serie de soluciones sólidas entre C6A2F y C6AF2), junto con varios compuestos
minoritarios, como MgO, cal libre y sulfatos de álcalis.
Al salir
del horno el clínker es enfriado y luego es molido junto con yeso (CaSO4.2H2O
o más abreviado 2 CSH) formándose así el cemento Portland. La cantidad de
minerales principales en el clínker puede variar y por eso el cemento Portland
puede tener distintas propiedades. Los minerales C3S y C2S constituyen, generalmente,
el 75-80 % del peso del cemento Portland. Las distintas propiedades se
refieren, principalmente, a las diferencias en contenidos de C3S y C3A.
Las
reacciones químicas que describen la hidratación del cemento son muy complejas.
Para poder entender los procesos químicos que determinan el fraguado del
cemento, es necesario estudiar la hidratación de cada uno de los minerales de
clínker por separado. Esto supone que la hidratación de cada compuesto es un
proceso independiente de los otros procesos que tienen lugar durante la
hidratación del cemento. Esta es una suposición y no siempre es válida, ya que
las reacciones entre los compuestos de hidratación pueden tener consecuencias
importantes pero, por lo menos con respecto a la hidratación de los silicatos,
la suposición es bastante representativa.
2.4.1. HIDRATACIÓN
EN AUSENCIA DE YESO
Cuando el
aluminato tricalcico, C3A, se pone en contacto con agua, la reacción
inicial que se produce puede dar como resultado un fraguado rápido de la pasta
de cemento, causado por la formación rápida de los hidratos de aluminato de
calcio.
2C3A + 21H → C4AH19(13)
+ C2AH8 (Hidratos hexagonales) ∆ H = -340 KJ/mol. (i)
Estos
hidratos, que son miembros del grupo AFm (A12O3 - Fe2O3
- monosulfato), no son estables y se convierten fácilmente en otro hidrato, que
es el C3AH6, el cual aparece como partículas
icosatetraedricas.
C4AH13 + C2AH8
→ 2 C3AH6
+ 9H (Hidratos cúbicos)
2.4.2. HIDRATACIÓN
EN PRESENCIA DE YESO.
El yeso
permite regular la hidratación del aluminato tricalcico, C3A, que en
ausencia de iones sulfato, SO42-, tendría como
consecuencia un fenómeno de fraguado rápido del cemento, formando directamente
aluminatos hidratados (Reacciones autocataliticas).
En
presencia de iones sulfato, las reacciones de hidratación son reemplazadas por
unas más lentas, que como en el caso del C3S se desarrollan según
una secuencia en la que existen variaciones de velocidad. Sin embargo, la
duración de las diferentes etapas de reacción es más grande en el caso del C3A.
La figura (3) muestra un diagrama cinético simplificado de las reacciones del
aluminato tricálcico en presencia de yeso y de cal. Este sistema reproduce el
medio químico que se encuentra el C3A en una pasta de cemento.
La curva
calorimétrica de la hidratación de C3A, que se muestra en la figura (4),
es cualitativamente parecida a la curva de C3S, aunque las
reacciones comprendidas son muy distintas y la cantidad de calor desarrollado
mucho más elevada. El primer pico de calor se forma durante los primeros 10 a
15 minutos y, principalmente, se debe a la formación de etringita. El segundo
pico coincide con la conversión de etringita a monosulfato y el tiempo que pasa
antes de que la conversión empiece depende de la cantidad de sulfato disponible.
