Patología del concreto

Universidad nacional “San Luis Gonzaga” de Ica

Facultad de Ingenieria Civil

Grupo “4”, IV - B

Definición La patología del concreto es la parte de la durabilidad que se refiere a los signos, degradación, causas posibles y diagnóstico del deterioro que experimentan las estructuras de concreto, tenemos:

Ataques químicos: Ácidos, bases, sales.

Ataques por aguas: Aguas puras, casi puras, de pantano, de mar, de desagüe.

Ataque por gases.

El deterioro viene a ser la degradación de los atributos de un material, de un elemento constructivo y de un sistema constructivo.

La degradación es la pérdida de propiedades características en el tiempo, donde cumple unas etapas en una serie de definiciones, que son las siguientes:

Defecto: Se le define como una situación en la que uno o más elementos de una construcción no cumplen la función para los que han sido previstos.

Fallo: Es la finalización de la capacidad de un elemento para desempeñar la función requerida.

Anomalía: Es una indicación de un posible fallo.

Reparación: Es la reparación de la capacidad de los elementos estructurales que tenían antes de producidos los daños.

Refuerzo: Es el incremento de la capacidad que un elemento no dañado tiene para cumplir su función.

Restauración: Es conseguir que la construcción sea utilizable.

El desenfrenado crecimiento de las ciudades, las condiciones climáticas y los ambientes cada vez más agresivos hacen prioritario asegurar la vida útil de las estructuras y garantizar un mejor aprovechamiento de las construcciones actuales.

 Las condiciones a las que están expuestas las obras de ingeniería civil en los días de hoy hacen necesario profundizar en el estudio de las estructuras desde el concepto de durabilidad, así como de los mecanismos que conducen a su deterioro, analizando la capacidad portante, la estructura interna y la apariencia de los materiales de construcción empleados en las mismas.

2. Importancia de la patología del concreto

Por sus propiedades y su relación costo-beneficio, el concreto es el material más comunmente utilizado en la construcción de obras de ingeniería.

 Al utilizar el término término Patología del concreto se hace referencia a  la parte de la durabilidad asociada a los signos, causas posibles y diagnostico de deterioro que experimentan las estructuras. Comunmente este  término también hace referencia al tratamiento sistemático de los defectos del concreto, sus causas, consecuencias y soluciones.

 Por su importancia en el estudio de materiales de construcción y con el objetivo de profundizar en el analísis de los factores que pueden afectar la vida útil de las estructuras de concreto se propone este curso como un complemento al curso tecnología del concreto.

Definimos entonces la patología de hormigón como la ciencia dedicada al estudio sistemático y ordenado de los daños que se presentan en las edificaciones, analizando el origen y las causas a consecuencia de ellas para que mediante la formulación de procesos se generen medidas correctivas.

El concreto puede sufrir, durante su vida, defectos o daños que alteran su estructura interna y comportamiento. Algunos pueden ser congénitos por estar presentes desde su concepción y/o construcción; otros pueden haberlo atacado durante alguna etapa de su vida útil; y otros pueden ser consecuencia de accidentes. Los síntomas que indican que se está produciendo daño en la estructura incluyen manchas, cambios de color, hinchamientos, fisuras, pérdidas de masa u otros.

Nos Ayuda a mejorar la durabilidad del concreto a través del estudio de los las enfermedades que encontramos en el concreto.

Gracias a la patología del concreto podemos estimar el tiempo de vida útil de lo que vayamos a construir.

Nos ayuda a prevenir posibles problemas en obra, como corrosión, carbonatación.

Ayuda mejorar la calidad del concreto.

Objetivos especificos:

1.      Proporcionar las herramientas básicas para identificar cuando el concreto se deteriora a causa de sus materiales componentes.

2.      Suministrar los criterios para identificar cuando el deterioro del concreto debido a factores como compacidad y corrosión.

3.      Estudiar los defectos de ejecución que pueden causar patología en la estructura.

4.      Estudiar los efectos de las condiciones climáticas que pueden causar patología en la estructura.

5.      Analizar las posibles soluciones a los efectos estudiados.

3. Tipos de ataquesEn general, las reacciones entre las sustancias agresivas y las sustancias reactivas del concreto tienen lugar tan pronto como estas se ponen en contacto. Sin embargo, dependiendo de la concentración y velocidad de transporte de las sustancias agresivas (tanto del exterior como a través del propio interior del concreto) estas reacciones pueden presentar manifestaciones inmediatas, o daños en el largo plazo. Pero además, la presencia de humedad, la condición de temperatura y el estado de la presión, también tienen una alta incidencia sobre la velocidad de las reacciones químicas que se efectúen.

Dentro de los factores de deterioro imputables a las acciones químicas están, el ataque de ácidos, la lixiviación por aguas blandas, la carbonatación, la formación de sales expansivas (ataque de cloruros y de sulfatos), y la expansión destructiva de las reacciones álcali-agregado

3.1- Ataque por ácidosLos ácidos atacan las bases y las sales básicas -formadas por la hidratación del cemento, deteriorándolo por la formación de sales solubles y procesos de disolución que eliminan el hidróxido de sodio. Los parámetros que gobiernan el ataque estrictamente ácido son la fuerza del álcali y su concentración, vale decir el valor del PH.

Siendo el concreto químicamente básico, con un ph del orden de 13, puede ser atacado por medios ácidos, con ph menor de 7, los cuales reaccionan con el Hidróxido de calcio de la pasta produciéndose compuestos de calcio solubles de agua. Entre los elementos que atacan al concreto se encuentran los ácidos sulfúrico, nítrico, sulfuroso, hidroclorhídrico, clorhídrico; las aguas provenientes de minas, industrias, corrientes montañosas o fuentes minerales, que puedan contener o formar ácidos; las turbas que por oxidación puedan producir ácido sulfúrico; y los ácidos orgánicos de origen industrial.

4. SulfatosA veces se encuentran sulfatos de sodio, potasio, calcio o magnesio, que ocurren naturalmente en el suelo o disueltos en el agua que corre por el suelo o presentes en agregados (por ejemplo, pirita). El sulfato puede estar presente en los efluentes y desechos industriales tales como los de las industrias asociadas con la fabricación de químicos, baterías, aluminio y en la minería. El agua empleada en las torres de enfriamiento también puede contener sulfatos debido a la acumulación gradual de sulfatos provenientes de la evaporación.

• Mecanismos: hay dos reacciones químicas involucradas en el ataque de sulfatos al concreto.

Reacción del sulfato con hidróxido de calcio liberado durante la hidratación del cemento, formando sulfatos de calcio (yeso).

Reacción del sulfato de calcio con el aluminato de calcio hidratado, formando sulfoaluminato de calcio (etringita).

Estas dos reacciones dan como resultado un incremento en el volumen de sólidos, causa de la expansión y descomposición de los concretos ex- puestos a soluciones de sulfatos. Debe señalarse que los sulfatos y los químicos en general raramente, si acaso lo hacen, atacan el concreto si se encuentran en una forma sólida o seca. Para que resulte un ataque significativo en el concreto, los sulfatos deben estar en solución y por encima de alguna concentración mínima.

Para fabricar concreto resistente a los sulfatos…

Las condiciones ambientales hacen que la fabricación del concreto resistente a los sulfatos sea más exigente y que no se puedan perder de vista estos puntos elementales:

Un contenido de cemento que garantice un concreto más durable en el tiempo.

Una baja relación agua/material cementante; pues sabemos que esto hace que el concreto sea menos permeable.

Una adecuada colocación del concreto controlando especialmente variables como el vibrado o compactación y el curado.

En conclusión la resistencia del concreto a sulfatos no se puede explicar desde un solo factor, como por ejemplo, el tipo de cemento, más bien hay que considerar en conjunto todos y cada uno de los factores que en suma producirán un concreto resistente a los sulfatos, esto es, el diseño de mezcla del concreto, la reducción en el contenido de agua, la adecuada colocación y compactación del concreto y un curado efectivo.

5. ClorurosEn la actualidad serios y veloces deterioros estructurales por el ataque al concreto de cloruros disueltos en el aire, presentes en ambientes marinos con alta humedad relativa y acción constante del viento, tales como las fajas costeras. En algunas circunstancias, el problema se agrava por la presencia de intensa y variada actividad industrial en la zona.

El proceso y sus agentes

La corrosión del acero de refuerzo existente dentro del concreto se origina por la presencia exclusiva de oxígeno y humedad en las proximidades de las barras, pero la existencia de cloruros libres en el medio que las rodea es un desencadenante del proceso.

El fenómeno de la corrosión del acero de refuerzo es causa frecuente de que las estructuras de concreto se deterioren prematuramente, aun cuando el concreto, por su alta alcalinidad con un pH promedio de 12.5 y baja conductividad, suele ser un medio que proporciona buena protección al acero contra la corrosión. Sin embargo, dentro de un esquema de ambiente agresivo, esta protección no es suficientemente eficaz y el fenómeno se produce. Pero existen también condiciones que de origen la favorecen y son las siguientes:

Excesiva porosidad del concreto Reducido espesor del recubrimiento de concreto sobre el refuerzo Existencia de grietas en la estructura Alta concentración de agentes corrosivos en los componentes del

concreto

Efectos en el concreto

La resistencia a compresión ha sido utilizada por lo regular como un indicador de la durabilidad del concreto; sin embargo, cada día se hace más evidente que por sí misma no determina la durabilidad del concreto. La impermeabilidad y la resistencia química rigen también la vida útil de una estructura, aunque estos factores están a su vez influidos por la composición del cemento y la calidad de la mezcla.

6. Ataques biológicos al concretoLa actividad biológica es otro factor de deterioro del concreto debido a sus interacciones con el material. La presencia de organismos y microorganismos de origen vegetal y animal sobre el concreto, no solamente puede afectar el confort ambiental y la estética de las construcciones, si no también puede producir una gran variedad de daños y defectos de carácter físico, mecánico del concreto. La vegetación cercana a una estructura de concreto puede retener agua sobre la superficie del concreto conduciendo a la saturación del material y por lo tanto causar daños físicos por acción de ciclos de humedecimiento, secado congelación o descongelación del agua por otra parte puede causar daños mecánicos por la penetración de raíces de plantas arbustos y árboles generando fisuración del concreto.

Aguas residuales

La forma principal de ataque biológico, y una de las más graves, se presenta en los elementos de concreto que están en contacto habitual con aguas residuales. El daño es debido a la acción del ácido sulfúrico. En las aguas residuales existen habitualmente derivados orgánicos e inorgánicos del azufre, especialmente sulfitos – aguas industriales – sulfatos – aguas domésticas.

Si la concentración de oxígeno es inferior a 0.1 mg/l, es decir si las aguas residuales son anaeróbicas, hay difusión de H2S en el agua y en el aire y puede formarse ácido sulfúrico con agresión grave del concreto. Si la concentración de oxígeno es superior a 1 gr/l, es decir si las son aeróbicas, el riesgo no existe.

La desintegración del concreto en sistemas de alcantarillado, ocurre típicamente solo por encima del nivel del agua, siendo más severa inmediatamente arriba del nivel promedio diario. A lo largo de los lados arriba de este punto, puede hacerse evidente algo de corrosión, incrementando en severidad hasta alcanzar la corona pudiendo en casos severos llegar a perforarse. La primera manifestación patológica es la aparición de eflorescencias blancas. El deterioro inicial es lento, pero en la medida en que progresa se vuelve más rápido, produciendo el desconchamiento del concreto. Al alcanzar su desarrollo final, la superficie del concreto es reducida a un material suave y cremoso del cual se desprende el agregado.

El ácido sulfúrico causa el deterioro del concreto de los ductos; dependiendo la severidad de la desintegración de las condiciones en el alcantarillado y del grado de resistencia que el concreto tenga contra el ataque de los ácidos.

La corrosión de los sistemas de alcantarillados es más severa en las siguientes circunstancias

Descargas de colectores principales ó tuberías a presión dentro de un alcantarillado de gravedad.

Descargas en el alcantarillado de estiércol o contenidos de letrinas y otros desperdicios carbonosos de alta concentración.

Descargas en el alcantarillado de ciertos efluentes industriales, particularmente aquellos con bajo pH.

Concreto en contacto con abonos naturales

El caso más frecuente es el de los silos de estiércol. El estiércol no es un agente agresivo, pero sufre un conjunto de reacciones químicas similares a las de las aguas residuales y entraña los mismos riesgos.

En algunos casos se han empleado columnas sustentadas en cimientos de concreto de baja resistencia. Como en estas instalaciones es frecuente el abono del terreno, y la temperatura media suele ser superior a 20°C, el nitrito de amonio contenido en el abono ataca de forma grave al concreto.

7. Ataque al concreto por aguaLas aguas puras, tienen carácter agresivo debido a su gran poder de disolución, fruto de su bajo contenido en cal, en sales disueltas y baja alcalinidad, siendo su agresividad dependiente de la pureza que posean estas aguas. Si el agua contiene anhídrido carbónico o sulfuroso en disolución, su poder agresivo se verá muy incrementado pues aparte de ser aguas blandas son también aguas ácidas.

El agua desmineralizada, destilada o procedente de deshielo posee un índice de Langelier negativo, lo que indica que tiene poder de disolver la cal. Estas aguas actúan disolviendo el hidróxido cálcico del concreto, haciéndolo cada vez más poroso, permeable y menos resistente, a la vez que disminuyen la reserva alcalina del mismo. Si el agua se encuentra en movimiento, existe una continua renovación de la misma en contacto con el concreto, y por consiguiente el ataque será más intenso.

Concretos muy compactados y fabricados son cementos puzolánicos, que fijan la cal, presentan un comportamiento mucho mejor que los poco compactados y realizados con cemento Portland rico en silicato tricálcico que libera mucha cal en su hidratación.

7.1 Por gasesEl concreto expuesto continuamente al aire absorbe dióxido de carbono en un proceso conocido como carbonatación. Casi todos los componentes del cemento portland son susceptibles a este proceso. Los resultados pueden ser beneficiosos o dañinos dependiendo del tiempo, magnitud y extensión en que este proceso ocurre, y de la exposición al medio.

La durabilidad del concreto no es perjudicada por la carbonatación, y podría ser mejorada, ya que esta tiende a densificar la superficie del concreto, reduciendo la permeabilidad y porosidad superficial, haciendo las veces de protección natural contra la ulterior penetración de gases y líquidos. Sin embargo, para los concretos reforzados, la carbonatación puede ser el origen de serios daños estructurales

8.

10. Acción del agua de mar

Una estructura expuesta al agua de mar es más vulnerable que la que no está cerca de ella, ya que los sulfatos y cloruros atacan a las estructuras de baja permeabilidad y que están más expuestas a la corrosión de la armadura y al ataque de los mismos. Un cemento resistente a exposición moderada a sulfatos es útil. Los cementos con contenido de aluminato tricálcico (C3A) del 4% al 10% ofrecen protección satisfactoria contra el ataque de sulfatos del agua del mar, bien como protección contra la corrosión de la armadura por cloruros. Se debe garantizar un cubrimiento adecuado sobre el refuerzo La relación agua- cemento no debe exceder 0.40. En climas más fríos, el concreto debe contener un mínimo del 6% de aire incluido.

La severidad del ataque de sulfatos al concreto depende de lo siguiente:

• Tipo de sulfatos. Los sulfatos de magnesio y amonio son los más dañinos al concreto.

• Concentración de sulfatos. La presencia de sulfatos más solubles es más perjudicial al concreto.

La mayoría de las recomendaciones toman en cuenta la cantidad de sulfatos presente al clasificar la severidad del ataque.

• Si la solución del sulfato está estancada o fluyendo. La severidad del ataque se incrementa en el caso de las aguas que fluyen. Así, la naturaleza y el contacto entre el sulfato y el concreto son importantes. El ataque más intensivo tiene lugar en el concreto que está expuesto a ciclos de mojado y secado que en el concreto completa y continuamente sumergido en la solución.

La severidad del ataque de sulfatos al concreto depende de lo siguiente:

• Tipo de sulfatos. Los sulfatos de magnesio y amonio son los más dañinos al concreto.

• Concentración de sulfatos. La presencia de sulfatos más solubles es más perjudicial al concreto.

La mayoría de las recomendaciones toman en cuenta la cantidad de sulfatos presente al clasificar la severidad del ataque.

• Si la solución del sulfato está estancada o fluyendo. La severidad del ataque se incrementa en el caso de las aguas que fluyen. Así, la naturaleza y el contacto entre el sulfato y el concreto son importantes. El ataque más intensivo tiene lugar en el concreto que está expuesto a ciclos de mojado y secado que en el concreto completa y continuamente sumergido en la solución.

• Presión. La fuerza del ataque aumenta debido a que las presiones tienden a forzar la solución del sulfato en el concreto.

• Temperatura. Al igual que sucede con cualquier reacción química, la velocidad de la reacción se incrementa con la temperatura.

• Presencia de otros iones en la solución del sulfato. Afectan la potencia del ataque. Un ejemplo típico es el agua de mar, que contiene sulfatos y cloruros. Generalmente, la presencia de iones de cloruro altera la extensión y la naturaleza de la reacción química, produciendo menor expansión en el concreto debido a los sulfatos en el agua de mar. Como puede verse, la intensidad del ataque de sulfatos es una cuestión compleja influida por muchos factores. Sin embargo, en la práctica es difícil considerar todos los factores involucrados y en la mayoría de los casos, la severidad del ataque está relacionada principalmente con la concentración de sulfatos, y la manera de combatirlo se especifica de acuerdo con cada caso.

En una obra, aunque sea ésta de un material duradero y robusto, el hormigón puede ser sometido cuando es atacado por sulfatos y cloruros. De ahí que se presentaran problemas en el sector de la construcción, pues se estima que el 75% de las fallas en todo el mundo se deben a la entrada de agua.

Con el agua de mar que representa el 70% de la superficie de la tierra, las estructuras siempre tendrán que ser construidas cerca de la costa o, más recientemente, en contacto directo con agua de mar. Como resultado, probadas membranas impermeabilizantes de alto rendimiento se han convertido rápidamente en una elección vital en los proyectos de construcción más importantes del mundo. Pues sin ellos, el hormigón continuaría siendo vulnerable a las cuatro causas fundamentales de deterioro estructural: las aguas subterráneas, el clima, sulfatos y cloruros.

11. Abrasión• Se define como resistencia a la abrasión al grado de una

oposición de una superficie del concreto al ser desgastada por el roce o fricción.

• Puede traer consecuencias en el comportamiento bajo las condiciones de servicio indirectamente propiciando el ataque de algún otro enemigo de la durabilidad(Agr. Química , corrosión , etc.)

Los pisos , pavimentos y estructuras hidráulicas son expuestas a abrasión o al desgastes , por lo que en estas aplicaciones el concreto necesita tener alta resistencia a abrasión.

Los resultados indican que la resistencia a la abrasión esta fuertemente relacionada con la resistencia a compresión del concreto.

12. Tipos de abrasión

En el desgastes abrasivo el material es removido o remplazado de una superficie por partículas duras de una superficie que es deslizada contra otra.

Existen dos tipos de forma básica de abrasión. Abrasión por desgaste de dos cuerpos y abrasión por desgaste de tres cuerpos

Abrasión por desgastes de dos cuerpos :

Ocurre cuando las protuberancias dura de una superficie son deslizadas contra la otra.

Ejemplo: de esto es el pulido de una muestra mediante el lijado .

Abrasión por desgaste de tres cuerpos :

Se presentan en sistemas donde partículas tienen la libertad de deslizarse o girar entre dos superficies en contacto, en caso de aceites lubricantes contaminados en un sistema de deslizamiento puede ser claro ejemplo de este tipo de abrasión.

13. Factores y control de resistencia a la abrasion

Se estima que la superficie aludida debe tener una resistencia en compresión mínima de 280 kg/cm2 para garantizar una durabilidad permanente con respecto a la abrasión, lo cual indica que es necesario emplear relaciones Agua/Cemento bajas, el menor slump compatible con la colocación eficiente, agregados bien graduados y que cumplan con los límites ASTM C-33 para gradación y abrasión, así como la menor cantidad posible de aire ocluido.

Al margen de estas precauciones previas a la producción, está demostrado que un elemento fundamental en el resultado final lo constituye la mano de obra y la técnica de acabado.

Cuando se procede a realizar el acabado sin permitir la exudación natural de la mezcla, la capa superficial se vuelve débil al concentrarse el agua exudada, incrementándose localmente la relación Agua/Cemento.