RELACIN ENTRE QUMICA Y CONSTRUCCIONES CIVILES Alguna vez te has detenido a pensar: De qu sustancias est hecho el cemento? Cmo es que el cemento y la cal reaccionan con el agua y se forma una piedra? De qu manera un concreto se hace ms resistente? Qu es el acero? Sabes en qu consiste el anlisis de suelos? Cules son los agentes que afectan la durabilidad del concreto? Cules son los aditivos qumicos que aceleran y retardan el fraguado del concreto? Preguntas como las anteriores y muchas otras, marcan la pauta para establecer la relacin Qumica-Construcciones Civiles. Antes de responder estas y otras preguntas, debes saber: Qu es la Qumica? Cul es la importancia de la Qumica? Cmo es la relacin entre la Qumica y las Ingenieras? LA QUMICA, SU IMPORTANCIA, SU CAMPO DE ACCIN Y LA RELACIN CON LAS INGENIERAS Y EL MUNDO INTRODUCCIN Estamos viviendo la poca dorada de la Qumica rodeada por sus productos, tejidos, tinturas, pinturas, plsticos, papel, vidrio, metales, medicamentos, adems, la qumica puede decirnos mucho acerca de los problemas modernos como son: la disposicin de los desechos industriales, la polucin, el calentamiento global, la contaminacin ambiental y la bsqueda de nuevas fuentes de energa, por lo cual la qumica es definitivamente comprensible, seductora y segura. La qumica es fundamental y necesaria para entender y comprender: la ciencia de los materiales, la medicina, la biologa, casi todas las ramas de la ingeniera y otras ciencias. Adems, la qumica desempea un papel importante en nuestra economa, pues las sustancias qumicas afectan nuestra vida diaria de mltiples maneras. JUSTIFICACIN La era que estamos viviendo se conoce como ERA ATMICA y el tomo es la base del estudio de la qumica; por lo tanto, vivimos en la Era de la Qumica y en consecuencia se debe pensar en profesionales egresados de las reas de Ciencias Exactas e Ingenieras, en cuya preparacin acadmica, se incluyan los conocimientos de las transformaciones permanentes de la materia, sus cambios de energa, estructura, propiedades y su relacin con el entorno como base formativa general para la posterior aplicacin de los conceptos y mtodos de la ciencia. LA QUMICA EN LA INGENIERA La Ingeniera es considerada como el rea del quehacer humano, encargada de transformar los descubrimientos cientficos, en aparatos, instrumentos, dispositivos, etc. que puedan beneficiar a la sociedad; sin embargo, esto no implica necesariamente que no se den avances cientficos a partir de las ingenieras. Adicionalmente a esto, actualmente se sabe que cualquier avance cientfico o tecnolgico es de carcter multidisciplinario.

Por otro lado, en la actualidad, con el conocimiento que se tiene sobre las reacciones qumicas, es posible, la mayora de las veces, fabricar materiales sobre pedido; es decir, materiales que renan ciertas caractersticas deseables, si no es que ideales para el fin al cual sern destinados. Sin embargo, por lo general, no son los qumicos los encargados de aprovechar las propiedades de los materiales; de esto se encargan principalmente los ingenieros, ya que, valga la expresin, con su ingenio, son capaces de aprovechar al mximo las caractersticas y las propiedades de un material particular. Por lo anterior, todo ingeniero, debe tener una educacin integral en el conocimiento de los principios bsicos de las ciencias exactas, entre las que se encuentra la Qumica, a fin de que pueda comprender, lo mejor posible, los cambios que ocurren no slo en la naturaleza, sino tambin en los procesos industriales y en los eventos de la vida diaria; adems, esos conocimientos le proporcionan las herramientas necesarias para que, dado el caso, pueda optimizar procesos, explicar fenmenos y crear o mejorar dispositivos que redunden en beneficios a la sociedad. Adicionalmente a lo anterior, resulta de singular importancia que el ingeniero conozca el lenguaje tcnico bsico de las ciencias exactas, para que pueda comprender la literatura especializada en los avances cientficos y tecnolgicos. En ocasiones, no resulta sencillo identificar en cules reas de las ingenieras se ve involucrada la Qumica. En este artculo se mencionan algunas reas y/o actividades de las ingenieras en las que puede observarse, claramente, la importancia de conocer algunos de los conceptos bsicos de Qumica. Para empezar, tenemos que una de las principales reas de desarrollo de la Ingeniera Civil es la industria de la construccin, donde es indispensable el empleo de cementos y concretos de diferentes tipos; por ejemplo, concretos de fraguado rpido, concretos que inhiben el crecimiento de bacterias, concretos impermeables, etc. Las diferencias en las caractersticas fsicas y qumicas de cada concreto dependen de su composicin qumica; por lo que, resulta de singular importancia que los ingenieros civiles conozcan los conceptos de: unidades de concentracin, fuerzas intramoleculares, fuerzas intermoleculares y estructuras cristalinas, que les sern tiles para comprender y aprovechar al mximo las caractersticas de cada concreto. Un fenmeno comn en la industria de la construccin es la corrosin de las estructuras metlicas; la cual no es otra cosa que una reaccin electroqumica, que bien puede evitarse, minimizarse o incluso hacerse reversible. Otras reas importantes de desarrollo de los ingenieros civiles, son la Ingeniera Ambiental y la Ingeniera Sanitaria, en las cuales el profesionista que pretende aplicar mtodos de tratamiento fsicos o qumicos, de purificacin a las aguas residuales, debe de entender claramente conceptos bsicos como concentraciones (molar, normal, ppm o % en peso), pH, teoras cido-base y las tcnicas de valoracin del grado de acidez de una sustancia. El Ingeniero Mecnico disea, instala, opera y mantiene los elementos mecnicos que se emplean en las industrias de la transformacin; por ello, debe tener amplios conocimientos de las propiedades de los materiales, las cuales dependen (como en el caso de los concretos), de la composicin

qumica, de las fuerzas intermoleculares y de las fuerzas intramoleculares presentes. Adems, los ingenieros mecnicos, tambin disean y construyen dispositivos y equipos para el campo de la bioingeniera y el uso de los biomateriales, por lo cual es bsico que conozcan las propiedades de los materiales a emplear; finalmente, tambin incursionan en el campo de la industria minera, siderrgica, petrolera, qumica y de generacin de energa; por ello, deben tener conocimientos bsicos de los conceptos empleados en Qumica. El Ingeniero en Minas y Metalurgia se encarga, principalmente, del aprovechamiento ptimo de los recursos minerales; para ello, debe conocer la composicin de los minerales, la cual se determina mediante un anlisis qumico, que en ocasiones realiza el mismo ingeniero con pruebas de campo y debe saber interpretar los resultados de una prueba de acidez, contenido de carbonatos, contenido de sulfatos, pruebas a la flama, entre otras. Adicionalmente a las pruebas de campo, se tienen los anlisis realizados en un laboratorio formal de Qumica, donde se determina la composicin exacta de los minerales; lo que permite al ingeniero decidir si es conveniente la explotacin del mineral y, si fuera el caso, cul es el mejor mtodo de extraccin. El Ingeniero Petrolero tiene como principales actividades la programacin, la ejecucin y la direccin de los procesos de explotacin de hidrocarburos, de agua y de energa geotrmica. Una vez que se ubica un yacimiento de petrleo, se debe analizar la composicin qumica del mismo; por lo que el ingeniero debe interpretar adecuadamente los resultados del anlisis, para elegir el mtodo apropiado de explotacin. Adicionalmente, cuando se est en el proceso de extraccin, debe monitorearse continuamente la composicin fsica y qumica del producto (petrleo) para que, de ser necesario, se modifiquen las condiciones de operacin; todo esto implica que el ingeniero petrolero debe ser capaz de interpretar las diferentes unidades de concentracin, el grado de acidez y conocer los diferentes mtodos de purificacin de una mezcla, lo cual es indispensable en la produccin de hidrocarburos. Por otro lado, cuando el ingeniero petrolero desea aprovechar la energa geotrmica, debe conocer los conceptos de agua dura, agua blanda, incrustaciones y calor latente, entre otros. El Ingeniero Industrial tiene entre sus funciones, integrar, disear, planear, mantener, dirigir y controlar los sistemas productivos en las diversas industrias, dentro de las cuales se encuentra la industria qumica; por ello, el ingeniero industrial debe poseer conocimientos de las principales operaciones de una industria, como son los procesos de obtencin, separacin, refinacin y pruebas de calidad de un producto. Para una correcta interpretacin de los datos recabados en tales procesos, el profesionista debe conocer algunos de los conceptos bsicos de qumica; como por ejemplo, mtodos de separacin, unidades de concentracin, tipos de reaccin, valoraciones potenciomtricas, entalpa de reaccin, equilibrio qumico y reacciones electroqumicas. El Ingeniero Geofsico y el Ingeniero Gelogo tienen como principales funciones desarrollar mtodos y tcnicas para explorar el planeta, investigar y comprender los fenmenos fsicos que en ste acontecen, a fin de estudiar su comportamiento, encontrar recursos naturales, o dar apoyo para la creacin de obras de infraestructura. Resulta sencillo darse cuenta que, para encontrar recursos

naturales, como yacimientos de petrleo o vetas minerales, tiene que realizarse el anlisis de los suelos, el cual involucra forzosamente un anlisis qumico, que debe ser adecuadamente interpretado para la correcta valoracin del recurso natural, dicha valoracin generalmente la realiza el ingeniero geofsico o el gelogo, ya que poseen los conocimientos necesarios de Qumica y Fsica. Por otro lado, para estudiar los fenmenos ssmicos o volcnicos, tambin se requiere del anlisis de muestras de suelos o de gases emanados. Hasta aqu podra decirse, errneamente, que el desarrollo de las ingenieras depende de la Qumica; sin embargo, como se mencion anteriormente, los avances cientficos y tecnolgicos son multidisciplinarios; de ah que el avance de la Qumica tambin depende de las ingenieras. Qu sera de la Qumica sin los modernos aparatos de anlisis, diseados, construidos y mejorados por los Ingenieros Mecnicos y los Ingenieros Elctricos y Electrnicos?, Qu tan rpida sera la comunicacin de los descubrimientos qumicos sin los medios de comunicacin actuales, diseados, construidos y mejorados por los Ingenieros en Computacin y los Ingenieros en Telecomunicaciones?, Cmo sera el avance de la Qumica terica sin los modernos programas de computacin, que permiten el anlisis estructural de las molculas?, en fin ..., se podra enumerar una gran cantidad de reas en donde la Ingeniera y la Qumica trabajan en conjunto para beneficio de la sociedad, pero por el momento este artculo concluye dejando una pregunta para reflexin: Considera usted pertinente seguir impartiendo un curso de Qumica General a nuestros futuros Ingenieros? La ingeniera es un puente entre la ciencia y la sociedad, y el papel del ingeniero es el de aplicar los ltimos descubrimientos cientficos en la solucin de problemas. A todos los ingenieros, les interesa mejorar las caractersticas del producto que disean: los ingenieros civiles desean construir estructuras slidas y confiables, que sean estticas y resistentes a la corrosin. Los ingenieros electricistas y electrnicos requieren de circuitos integrados que funcionen adecuadamente, de interruptores que reaccionen instantneamente en las computadoras y de aislantes que soporten altos voltajes, an en las condiciones ms adversas. Los ingenieros de automviles buscan materiales de poco peso a la vez que resistentes. Los ingenieros aeroespaciales demandan materiales ligeros que se comporten adecuadamente, tanto a elevadas temperaturas como en el glido vaco del espacio exterior. Los ingenieros metalrgicos, as como los especialistas en cermicas y polmeros desean producir y conformar materiales que sean econmicos y con propiedades cada vez mejores. Los ingenieros de petrleo requieren barreras de perforacin o tuberas que resistan condiciones severas de abrasin y corrosin. Cada una de estas profesiones y muchas otras que no fueron mencionadas, tiene su campo de accin especfico, pero todas ellas tienen a la qumica como ciencia central. IMPORTANCIA DE LA QUMICA La qumica es la ciencia que estudia la materia y sus transformaciones. En la vida, nada sera posible sin la ayuda de la qumica. La qumica est inmersa en todos los procesos naturales, as como en la mayora de las ciencias creadas y descubiertas por el hombre. Pensar que la qumica no es importante, que no tiene

valor alguno, que no es necesaria para la formacin acadmica del futuro ingeniero civil o que no es valioso su estudio, es una equivocacin tan grande como pensar que podemos nacer, crecer, desarrollarnos y reproducirnos sin necesidad de consumir alimentos. La principal importancia de estudiar qumica es que sirve de apoyo para las dems reas del conocimiento, como la fsica, la biologa, la medicina, la agricultura, la astronoma, etc., adems, ayuda a comprender el mundo que nos rodea. Con seguridad, lo que decidas estudiar tiene relacin con la qumica. A continuacin encontrars una serie de lecturas donde podrs entender y comprender la relacin directa entre la Qumica y las Construcciones Civiles: PRIMERA LECTURA: EL CEMENTO Para fabricar clinker de cemento a partir de material crudo es preciso calcinar este hasta una temperatura de 1450C alcanzando as la sinterizacin o clinkerizacin. El proceso de coccin exige una atmosfera oxidante dentro del horno, ya que en caso contrario se obtiene un clinker de color pardo (en vez de verde grisceo) y el cemento resultante presenta un fraguado ms rpido y resistencias mas bajas. Durante el calentamiento del crudo, y particularmente a la temperatura de coccin (clinkerizacin o sinterizacin) tienen ya a lugar importantes procesos fisicoqumicos tales como la deshidratacin de los minerales de la arcilla, la descomposicin de los carbonatos (descarbonatacin o expulsin de CO2, corrientemente llamada calcinacin). reacciones en estado solido y reacciones con participacin de una fase liquida o fundida, as como cristalizaciones.

1. Secado: El agua libre presente como humedad en el crudo o aadida al mismo, por ejemplo en el proceso de granulacin, se desprende de un intervalo de temperaturas que alcanza hasta unos 200C.

2. Deshidratacin de los minerales de la arcilla: A temperaturas comprendidas entre 100 y 400C, aproximadamente, los minerales de la arcilla ceden su agua adsorbida, incluida el agua interlaminar. A temperaturas superiores y dependiendo de los tipos de minerales arcillosos presentes en la arcilla, es decir, entre unos 400 y 750C, se desprende tambin el agua combinada qumicamente en forma de grupos hidroxilo (deshidratacin), como sucede por ejemplo, en la deshidratacin de la caolinita:

Al2(OH8Si4O10) 2(Al2O3 * 2SiO2)+ 4H2O

El metacaoln se descompone parcialmente a las temperaturas sealadas, pero tambin y ms a temperaturas crecientes hasta unos 900C, dando lugar a mezclas de xidos reactivos, segn la ecuacin de reaccin:

Al2O3 * 2SiO2 Al2O3 + 2SiO2

En la deshidratacin de las arcillas influyen diversos factores, tales como el tipo de minerales arcillosos, la naturaleza y cantidad de las impurezas, el tamao de las partculas, el grado de cristalizacin de las arcillas, la atmsfera gaseosa, y otros.

3. Descomposicin de los carbonatos: El carbonato clcico (CaCO3) contenido en el crudo en proporciones comprendidas entre 74 y 79% en masa, se descompone (disociacin, descarbonatacin, calcinacin) a temperaturas tericamente iguales o superiores a 896C, segn la ecuacin:

CaCO3 CaO + CaO2 A estas temperaturas, la presin de disociacin es igual o mayor que 1, es decir, por lo menos igual a la presin externa. Para ello es necesaria una entalpa de reaccin H de 1660 kJ/kg. La temperatura de 896C slo se refiere a la calcita pura y slo es vlida para ella; al aumentar la proporcin de impurezas o adiciones mezcladas con ella (como sucede en los crudos de cemento) la disociacin se desplaza hacia temperaturas ms bajas. En la prctica, la disociacin comienza ya entre 550 y 600C. Ello es debido a procesos qumicos entre el CaO que se forma y las adiciones de SiO 2, Al2O3 y Fe2O3, por las cuales se originan, por ejemplo y en primer lugar, CaO*Al2O3, 12CaO*7Al2O3, CaO*SiO2 y 2CaO*SiO2, por reaccin en estado slido. El contenido de cal libre CaO es, por lo tanto, escaso por debajo de 800 C (menor de 2% en masa), aumentando hasta alrededor del 20% a temperaturas mayores. La disociacin trmica del MgCO3, de mucha menor importancia en la fabricacin de cemento, transcurre de forma anloga, pero a temperaturas ms bajas.

4. Reacciones entre fases slidas (reacciones a temperaturas inferiores a las de sinterizacin o clinkerizacin): Como ya queda indicado, a partir de temperaturas comprendidas entre 550 a 600C comienzan a producirse reacciones entre slidos, por las cuales se combinan los productos de descomposicin del CaCO3 con los de la arcilla, formndose primero y preferiblemente compuestos de menor contenido de cal (por ejemplo, aluminato monoclcico y silicato biclcico). La formacin de aluminato triclcico (3CaO*Al 2O3=C3A) y de ferritoaluminato tetraclcico (2CaO(AL2O3, Fe2O3)=C2AF), tambin presentes en el clinker de cemento portland, comienza aproximadamente a unos 800C. Ejemplos de estas reacciones son los siguientes:

CaO*Al2O3 + 2 CaO 3CaO*Al2O3 C3A CaO*Al2O3 + 3 CaO + Fe2O3 4CaO*Al2O3* Fe2O3 CaO*SiO2 + CaO 2CaO*SiO2 C2S C4AF

Las reacciones entre slidos transcurren en general muy lentamente, pero se pueden acelerar, en particular por:

- reduccin del tamao de partculas (aumento de la superficie especfica). - aumento de la temperatura de coccin. - distorsin de las redes cristalinas.

5. Reacciones en presencia de fase liquida -fundida- (sinterizacin o clinkerizacin): La primera formacin de fase lquida (fundida), la cual indica el comienzo de la "sinterizacin" - o en el caso de la fabricacin del cemento "clinkerizacin", tiene lugar a temperaturas comprendidas entre 1260 y 1310C, aproximadamente. Al aumentar la temperatura aumenta tambin la fase lquida o fundida, alcanzando alrededor del 20% al 30 % en masa a 1450C, dependiendo de la composicin qumica del material. A estas temperaturas es ya posible la formacin del silicato triclcico (C 3S), constituyente principal del clnker de cemento portland.

Al comienzo de la clinkerizacin existen an cantidades considerables de CaO sin combinar, junto con silicato biclcico (2CaO*SiO 2= C2S). En presencia de la fase lquida se disuelven el CaO y el C 2S, facilitndose dentro de ella la difusin de los reactantes y formndose el silicato triclcico (C3S), segn la reaccin:

CaO+ CaO*SiO2 3CaO*SiO2 con lo cual se cumple el objeto principal de clinkerizacin, a saber, la formacin del valioso silicato triclcico. Esto justifica la necesidad de utilizar altas y costosas temperaturas de clinkerizacin. Al mismo tiempo, la fase lquida activa tambin otras reacciones, como por ejemplo las que afectan a las partculas relativamente ms gruesas de cuarzo o de caliza. Los silicatos triclcico y biclcico se encuentran como fases slidas en el fundido. A temperaturas superiores a 1450C ste contiene la totalidad de Al2O3 y Fe2O3 del clinker en formacin, y su composicin % en masa es, aproximadamente, la siguiente: 56% CaO, 7% SiO2, 23% Al2O3 y 14% Fe2O3. A la temperatura de clinkerizacin se establece un estado de equilibrio. La viscosidad de la fase lquida es tanto menor cuanto menor es el mdulo alumnico, frrico o de fundentes, es decir, cuanto mayor es el contenido de Fe2O3. Los constituyentes secundarios o minoritarios influyen tambin en la viscosidad de la fase lquida, aumentndola, por ejemplo, los lcalis; y disminuyndola, por el contrario, el SO 3 y el MgO. Las reacciones en la fase lquida se pueden acelerar por:

- aumento de la proporcin de dicha fase; - disminucin de su viscosidad; - reduccin de la proporcin de partculas gruesas (particularmente del cuarzo) en el crudo.

6. Reacciones durante el enfriamiento: Si el clinker formado en el proceso de sinterizacin se enfra lentamente, puede invertirse el sentido de las reacciones de equilibrio, con lo cual se puede disolver en la fase lquida una parte del silicato triclcico que tan decisiva influencia favorable tiene en el desarrollo de las resistencias. Por consiguiente, un enfriamiento demasiado lento produce una disminucin de resistencias del cemento.

En un enfriamiento rpido, el cual es deseable, se "congela" el equilibrio, y en particular la fase lquida que participa en el mismo, con independencia de las fases lquidas presentes en l, de forma que la composicin del clinker enfriado tcnicamente es prcticamente a la alcanzada a la temperatura de clinkerizacin. Al contrario que las fases lquidas ricas en SiO2, las cuales en su mayor parte se solidifican en forma vtrea, las fases lquidas alumino-frricas del clinker portland, ricas en cal, cristalizan totalmente en el proceso tcnico de fabricacin del cemento, a pesar de su enfriamiento rpido. Por consiguiente, el clinker tcnico de cemento portland representa un equilibrio de fusin congelado a la temperatura de sinterizacin. El enfriamiento influye adems en el estado de cristalizacin, y a travs del mismo en la reactividad de las fases del clinker, as como la propia textura de este. Observacin: Averiguar los nombres de las sustancias (compuestos) que aparecen en este documento.

SEGUNDA LECTURA: HORMIGN

1.1

INTRODUCCION

El hormign es una piedra artificial formada al mezclar apropiadamente cuatro componentes bsicos: cemento, arena, grava y agua. Las propiedades del hormign dependen en gran medida de la calidad y proporciones de los componentes en la mezcla, y de las condiciones de humedad y temperatura, durante los procesos de fabricacin y de fraguado. Para conseguir propiedades especiales del hormign (mejor trabajabilidad, mayor resistencia, baja densidad, etc.), se pueden aadir otros componentes como aditivos qumicos, microslice (mineral compuesto de esferas de bixido de silicio SiO2 ultra fino, amorfo y cristalino), limallas de hierro, etc., o se pueden reemplazar sus componentes bsicos por componentes con caractersticas especiales como agregados livianos, agregados pesados, cementos de fraguado lento, etc. El hormign ha alcanzado importancia como material estructural debido a que puede adaptarse fcilmente a una gran variedad de moldes, adquiriendo formas arbitrarias, de dimensiones variables, gracias a su consistencia plstica en estado fresco. Al igual que las piedras naturales no deterioradas, el hormign es un material sumamente resistente a la compresin, pero extremadamente frgil y dbil a

solicitaciones de traccin. Para aprovechar sus fortalezas y superar sus limitaciones, en estructuras se utiliza el hormign combinado con barras de acero resistente a la traccin, lo que se conoce como hormign armado.

1.2

LOS MATERIALES CEMENTANTES

Son materiales aglomerantes que tienen las propiedades de adherencia y cohesin requeridas para unir fragmentos minerales entre s, formando una masa slida continua, de resistencia y durabilidad adecuadas. Dentro de esta categora, adems de los cementos propiamente dichos, se encuentran materiales empleados con menos frecuencia como las cales, los asfaltos y los alquitranes. Para fabricar hormign estructural se utilizan nicamente los cementos hidrulicos (utilizan agua para reaccionar qumicamente y adquirir sus propiedades cementantes durante los procesos de endurecimiento inicial y fraguado). Entre los diferentes cementos hidrulicos destaca, por su uso extendido, el cemento Portland, existiendo adems los cementos naturales y los cementos con alto contenido de almina. El cemento Portland es un polvo muy fino, de color grisceo, que se compone principalmente de silicatos de calcio y de aluminio, que provienen de la combinacin de calizas, arcillas o pizarras, y yeso, mediante procesos especiales. El color parecido a las piedras de la regin de Portland, en Inglaterra, dio origen a su nombre El proceso de manufactura del cemento consiste, esencialmente, en la trituracin de los materiales crudos (calizas y arcillas); su mezcla en proporciones apropiadas; y su calcinacin a una temperatura aproximada de 1400C, dentro de un cilindro rotativo, lo que provoca una fusin parcial del material, conformndose bolas del producto llamadas clinker. El clinker es enfriado y luego es molido junto con el yeso hasta convertirlo en un polvo fino llamado cemento Portland. Existen diversos tipos de cemento Portland: Tipo I: Se lo conoce como cemento Portland ordinario, que es el de mayor utilizacin en el mercado. Se lo utiliza en hormigones normales que no estarn expuestos a sulfatos en el ambiente, en el suelo o en el agua del subsuelo. Tipo II: Son cementos con propiedades modificadas para cumplir propsitos especiales, como cementos antibacteriales que pueden usarse

en piscinas; cementos hidrfobos que se deterioran muy poco en contacto con sustancias agresivas lquidas; cementos de albailera que se los emplea en la colocacin de mampostera; cementos impermeabilizantes que se los utiliza en elementos estructurales en que se desea evitar las filtraciones de agua u otros fluidos, etc. Tipo III: Son los cementos de fraguado rpido, que suelen utilizarse en obras de hormign que estn en contacto con flujos de agua durante su construccin o en obras que pueden inestabilizarse rpidamente durante la construccin. Tipo IV: Son los cementos de fraguado lento, que producen poco calor de hidratacin. Se los emplea en obras que contienen grandes volmenes continuos de hormign como las presas, permitiendo controlar el calor emitido durante el proceso de fraguado. Tipo V: Son cementos resistentes a los sulfatos que pueden estar presentes en los agregados del hormign o en el propio medio ambiente. La presencia de sulfatos junto con otros tipos de cementos provoca la desintegracin progresiva del hormign y la destruccin de la estructura interna del material compuesto.

1.3

LOS ARIDOS

En los hormigones estructurales, los ridos o agregados ocupan alrededor de las tres cuartas partes del volumen total del hormign; el volumen restante est constituido por pasta endurecida de cemento, agua sin combinar y burbujas de aire. Mientras mayor sea el nivel de compactacin del hormign, mejor ser su resistencia y ms econmica ser su fabricacin; por esta razn resulta importante cuidar la granulometra (tamao de los granos y distribucin estadstica de esos tamaos de grano) de los ridos. Tambin es importante que las caractersticas mecnicas de los ridos sean adecuadas y que los ridos estn libres de impurezas. Los ridos naturales se clasifican en finos y gruesos. Los ridos finos o arenas pasan por el tamiz # 4. Los ridos gruesos no atraviesan el tamiz # 4 y se conocen como gravas (ripio en nuestro medio). Los ridos gruesos presentan mejores propiedades de adherencia con la pasta de cemento cuando son triturados, lo que les dota de aristas (los ridos con superficie redondeada tienen menor adherencia).

1.4

DOSIFICACION DE HORMIGONES

Las proporciones en que se mezclan los componentes bsicos y complementarios del hormign constituyen su dosificacin. Las propiedades del hormign endurecido dependen de la dosificacin inicial de los componentes bsicos y complementarios, del proceso de mezclado, y del proceso de curado. En trminos generales los agregados dotan al hormign de una estructura interna en la que los agregados ms finos se intercalan entre los agregados ms gruesos.

La pasta de cemento (cemento ms agua), por su parte, llena los espacios libres entre partculas de ridos, y durante el proceso de fraguado genera cristales hidratados que unen qumicamente las partculas de agregados. La formacin de estos cristales es una reaccin qumica exotrmica (genera calor) que siempre requiere de agua para que tenga lugar, siendo mucho ms intensa la reaccin (la creacin de los cristales cohesivos) en los primeros das posteriores a la fabricacin del hormign, y luego va disminuyendo progresivamente en su intensidad con el tiempo. Normalmente, dentro del hormign, una parte del cemento no alcanza a combinarse con el agua, por lo que permanece como cemento no hidratado.

Para asegurar que las reacciones de fraguado continen, a partir del endurecimiento inicial del hormign (que normalmente se produce en las primeras doce horas despus del mezclado), se requiere dotar continuamente de agua de curado al hormign, la que sirve para reponer el agua de amasado evaporada por el calor emanado como producto de las reacciones qumicas. Esta agua de curado usualmente se la proporciona humedeciendo la superficie de los elementos de hormign. La propiedad de diseo ms importante del hormign constituye su resistencia; la propiedad constructiva ms importante es su trabajabilidad. Usualmente estas dos propiedades son mutuamente conflictivas durante la construccin. En general una relacin agua/cemento (a/c) baja, medida al peso, que mantenga una adecuada trabajabilidad en el hormign fresco, conduce a hormigones de mayor resistencia y mejor calidad. Se requiere aproximadamente una relacin a/c mnima de 0.25 para que todo el cemento presente en la mezcla reaccione qumicamente con el agua formando pequeos puentes cristalizados entre las superficies de las partculas de ridos. Estos cristales son los responsables de la cohesividad entre las partculas y de la resistencia del hormign en general. Cualquier exceso de agua durante el amasado, por encima de la relacin a/c de 0.25, se convertir, luego del fraguado inicial, en espacios vacos por la evaporacin del agua (o espacios con agua que no alcanza a escapar de los poros luego del fraguado) que disminuyen considerablemente la resistencia del hormign, y tambin provocar que los puentes cristalizados tengan mayor longitud y sean menos resistentes. Lamentablemente una relacin a/c cercana a 0.25 (que en teora nos proporcionara la mayor resistencia), no puede ser conseguida en un hormign normal, pues la disminucin de agua de amasado provoca una prdida importante

de trabajabilidad e inclusive puede llegar a imposibilitar la consecucin de una mezcla apropiada. Para asegurar una mezcla homognea y una trabajabilidad razonable en un hormign normal (sin aditivos) sern necesarias relaciones a/c mnimas del orden de 0.60 La falta de agua de curado durante el fraguado del hormign (particularmente en los primeros das en que las reacciones son ms intensas) tiene efectos adversos sobre la resistencia final del hormign, pues provoca que las partculas de cemento no reaccionen totalmente, dando lugar a pocos cristales de unin entre partculas de ridos, con lo que disminuye la cohesin.

1.5

LOS ADITIVOS

Existen aditivos qumicos que, en proporciones adecuadas, cambian (mejoran) las caractersticas del hormign fresco, del hormign endurecido y del proceso de fraguado. Los aditivos plastificantes son los ms utilizados en nuestro medio, y permiten que la trabajabilidad del hormign fresco mejore considerablemente, por lo que se los suele utilizar en hormigones que van a ser bombeados y en hormigones que van a ser empleados en zonas de alta concentracin de armadura de hierro. Estos mismos aditivos pueden conseguir que, manteniendo la trabajabilidad de un hormign normal, se reduzca la cantidad de agua de amasado mejorando con ello la resistencia del hormign. Existen aditivos superplastificantes (tambin se los conoce en el mercado como reductores de agua de alto rango) que pueden convertir a un hormign normal en un hormign fluido, que no requiere de vibracin para llenar todos los espacios de las formaletas, inclusive en sitios de difcil acceso para el hormign. As mismo, si se mantiene una trabajabilidad normal, estos aditivos permiten la reduccin de la relacin agua/cemento hasta valores cercanos a 0.30, consiguindose hormigones de mediana resistencia (entre 350 Kg/cm2 y 420 Kg/cm2) y hormigones de alta resistencia (mayores a 420 Kg/cm2).

Los aditivos acelerantes permiten que el endurecimiento y fraguado de los hormigones se produzca ms rpidamente en la fase inicial. Usualmente se los emplea cuando se desea desencofrar en menor tiempo las formaletas. Un efecto similar puede obtenerse utilizando cementos de fraguado rpido o mediante un proceso de curado con vapor de agua circulante. Existen aditivos de fraguado extra rpido que se emplean en casos en que se requiera un endurecimiento y fraguado del hormign en pocos minutos, como en la fundicin de elementos dentro de cauces de ros, en el mar o en tneles. Los aditivos retardantes retrasan el endurecimiento inicial del hormign, manteniendo por ms tiempo su consistencia plstica. Se los suele utilizar en climas clidos para evitar el fraguado anticipado por evaporacin del agua de amasado, y en obras masivas de hormign en que se quiere controlar la cantidad de calor emitida por el proceso de fraguado. La aceleracin o desaceleracin del proceso de fraguado mediante aditivos o mediante cementos apropiados, a ms de afectar la velocidad de obtencin de resistencia del hormign a corto plazo, tiene efecto sobre la resistencia del hormign a largo plazo.

La aceleracin inicial del proceso conduce a resistencias menores a largo plazo, pues el agua de curado tiene menor nivel de penetracin por el endurecimiento del hormign. La desaceleracin inicial del proceso determina resistencias mayores a largo plazo, pues el curado se vuelve ms eficiente.

Hay aditivos introductores de aire que producen burbujas de aire dentro del hormign, los que se utilizan en estructuras que estn sometidas a procesos de congelamiento y descongelamiento peridico, poco frecuentes en nuestro medio (se los suele utilizar en refugios para ascencionismo). Los introductores de aire tienen como efecto colateral la disminucin de la resistencia del hormign aproximadamente en un 5% por cada 1% de burbujas de aire introducidas. Existen sustancias especiales, como la ceniza volcnica pulverizada (fly ash) o la cscara de arroz quemada y pulverizada, que por su composicin qumica apropiada y por su granulometra an ms pequea que la del cemento, mejoran la resistencia del hormign a largo plazo. El uso de aditivos requiere de mezclas de prueba en laboratorio o en obra, antes de ser utilizados en las estructuras, porque ocasionalmente pueden provocar reacciones indeseables con ciertos tipos de cemento y con otros aditivos.

TERCERA LECTURA: Fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento El cemento al ser mezclado con agua forma una pasta, que tiene la propiedad de rigidizarse progresivamente hasta constituir un slido de creciente dureza y resistencia. Estas caractersticas son causadas por un proceso fsico - qumico derivado de la reaccin qumica del agua con las fases mineralizadas del clinquer y que en su primera etapa incluye la solucin en agua de los compuestos anhidros del cemento, formando compuestos hidratados. Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, inicindose con el C 3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S en ese mismo orden. A partir de ese momento el proceso no es cabalmente conocido, existiendo teoras que suponen la precipitacin de los compuestos hidratados, con la formacin de cristales entreverados entre si que desarrollen fuerzas de adherencia, las que producen el endurecimiento de la pasta (Teora cristaloidal de Le Chatelier) o alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel formado a partir de dichos compuestos hidratados (Teora coloidal de Michaelis), estimndose actualmente que el proceso presenta caractersticas mixtas.

El endurecimiento de la pasta de cemento muestra particularidades que son de inters para el desarrollo de obras de ingeniera: La reaccin qumica producida es exotrmica, con desprendimiento de calor, especialmente en los primeros das. Durante su desarrollo se producen variaciones de volumen, de dilatacin si el ambiente tiene un alto contenido de humedad o de contraccin si este es bajo.

El proceso producido es dependiente de las caractersticas del cemento, principalmente de su composicin y de su finura, los cuales condicionan en especial la velocidad de su generacin. Fraguado del concreto. Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reaccin qumica exotrmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difcil de manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en el cual la consistencia

ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se denomina fraguado final. La determinacin de estos dos estados, cuyo lapso comprendido entre ambos se llama tiempo de fraguado de la mezcla, es muy poco precisa y slo debe tomarse a ttulo de gua comparativa. El tiempo de fraguado inicial es el mismo para los cinco tipos de cemento enunciados y alcanza un valor de 45 a 60 minutos, el tiempo de fraguado final se estima en 10 horas aproximadamente. En resumen, puede definirse como tiempo de fraguado de una mezcla determinada, el lapso necesario para que la mezcla pase del estado fluido al slido. As definido, el fraguado no es sino una parte del proceso de endurecimiento. Es necesario colocar la mezcla en los moldes antes de que inicie el fraguado y de preferencia dentro de los primeros 30 minutos de fabricada. Cuando se presentan problemas especiales que demandan un tiempo adicional para el transporte del concreto de la fbrica a la obra, se recurre al uso de retardantes del fraguado, compuestos de yeso o de anhdrido sulfrico; de igual manera, puede acelerarse el fraguado con la adicin de sustancias alcalinas o sales como el cloruro de calcio. Endurecimiento del concreto. El endurecimiento del concreto depende a su vez del endurecimiento de la lechada o pasta formada por el cemento y el agua, entre los que se desarrolla una reaccin qumica que produce la formacin de un coloide gel, a medida que se hidratan los componentes del cemento. La reaccin de endurecimiento es muy lenta, lo cual permite la evaporacin de parte del agua necesaria para la hidratacin del cemento, que se traduce en una notable disminucin de la resistencia final. Es por ello que debe mantenerse hmedo el concreto recin colado, curndolo. Tambin se logra evitar la evaporacin del agua necesaria para la hidratacin del cemento, cubriendo el concreto recin descimbrado con una pelcula impermeable de parafina o de productos especiales que se encuentran en el mercado desde hace varios aos. Articulo escrito por: Ral E. Mercedez M. Pas: Espaa CUARTA LECTURA: Principales procesos qumicos del suelo Los principales procesos qumicos que ocurren en el suelo son: la hidratacin, hidrlisis, solucin, oxidacin, reduccin e intercambio inico. La solvatacin es el proceso de interaccin entre las molculas de un solvente y las de un soluto formando agregados. Algunos de estos agregados son estables y tienen un nmero determinado de molculas de solvente y otras no. Cuando el solvente es el agua, al proceso se le llama hidratacin. Cualquier soluto covalente polar puede interactuar con solventes polares. Cuando un cristal de un compuesto inico como el cloruro de sodio se introduce en agua, las molculas de agua que son polares se auto orientan con relacin a los iones de la superficie del cristal de cloruro de sodio. La fuerza de atraccin

entre las molculas de agua y los iones superficiales del cloruro de sodio es suficientemente intensa para causar que los iones abandonen sus posiciones en el cristal y que se muevan a situarse entre molculas de agua, a tal proceso se le llama solvatacin de ambos iones. La naturaleza polar de las molculas de agua es importante cuando se usa como solvente. El agua disuelve con facilidad a muchos compuestos inicos debido a la hidratacin de los iones. Un ion hidratado es un agregado formado por un ion y una o ms molculas de agua. Por ejemplo: CuCl 24H2O (cloruro de cobre II tetrahidratado), MgCl 26H2O, ZnCl26H2O, CuSO25H2O (color azul). El CuSO4 , sulfato de cobre II, es de color blanco. Higroscopa es la propiedad de las sustancias que absorben vapor de agua. Se le llama hidrlisis a cualquier reaccin qumica con el agua; oxidacin a la reaccin qumica mediante la cual un tomo aumenta su estado de oxidacin por la prdida de uno o ms electrones; reduccin al proceso qumico mediante el cual un tomo disminuye su estado de oxidacin por la ganancia de uno o ms electrones. Factores que influyen en el color del suelo

Una de las propiedades del suelo que se puede observar a simple vista es el color de los suelos. Se utiliza para diferenciar los horizontes y para clasificar los diferentes tipos de suelos. Por ejemplo, los grandes grupos de suelos como los podslicos rojos y amarillos; las tierras pardas; los suelos cafs forestales y los suelos negros (Chernosems). Los suelos de colores oscuros absorben ms el calor mientras que los de colores claros lo reflejan. La cubierta vegetal tambin absorbe y refleja el calor, por lo que acta como regulador o amortiguador del calor. Los colores del suelo tienden a ser menos grises y ms rojizos con el incremento de la temperatura. Los colores de los suelos estn relacionados con la absorcin

Chernosems

(albedo y capacidad calorfica) y conservacin del calor y por lo tanto con la capacidad de retencin de humedad. El color del suelo depende tanto de los procesos pedogenticos (que lo originan) como de la composicin de la materia madre de la que se derive. La mayor parte de los minerales constituyentes del suelo son de color claro como el cuarzo y los feldespatos. Por lo general, el color cuarzo del suelo se lo proporcionan pequeas cantidades de xidos metlicos como el fierro, el manganeso y la materia orgnica. Los suelos que contienen fierro son rojizos debido a los compuestos frricos si estn bien aireados y son de color amarillo si tienen aireacin intermedia. Los compuestos ferrosos de color azul y verde con frecuencia se encuentran en condiciones mal aireadas, es decir, condiciones de reduccin qumica. Los suelos moteados indican condiciones rosado alternadas de buena y mala aireacin. Los compuestos de manganeso y la materia orgnica producen colores oscuros en los suelos. La pigmentacin del humus es menos intensa en las regiones hmedas que en las ridas, los colores pardos predominan en los materiales vegetales ligeramente descompuestos y en los materiales vegetales casi totalmente descompuestos son de color casi negro. El color es un indicador de varias caractersticas importantes del suelo como su origen geolgico y el grado de intemperizacin del material edfico, as como, su grado de

Cristales

de

Cuarzo

Podsol

oxidacin y reduccin, contenido de material orgnico, lixiviacin o acumulacin de compuestos qumicos. El color no es un indicador muy confiable de las condiciones del suelo debido a que hay otros factores que tienen mayor importancia, por ejemplo, el color gris de un horizonte en suelos mal drenados se debe a los compuestos ferrosos del suelo, pero un color similar es resultado de la lixiviacin del fierro y de materia orgnica del horizonte A2 de los podsoles. El color es una caracterstica de los suelos que se relaciona con el material parental, el contenido de materia orgnica, la condicin de drenaje y aireacin del suelo. Se utilizan 3 variables de matiz (hue) que vara del rojo al amarillo, la intensidad (value) que se define como pureza y vara de 0 a 10 y que es modificada por el tono (Chroma) que vara del 10, blanco, al 0, negro. Por ejemplo, Color 5 Y R 5/4 = Olivo, donde 5 Y R representa el matiz, 5 intensidad y 4 tono.Color negro, indica, generalmente, abundancia de materia orgnica, sin embargo, en suelos derivados de caliza, ricos en calcio, magnesio o sodio, no es totalmente cierto. En ocasiones las arenas deben su color negro a la presencia de magnetita (Fe3O2) o de ilmenita (titanato de fierro, FeTiO3). El color rojo, indica abundancia relativa de hematita (Fe2O3), es comn en suelos tropicales con buen drenaje y aireacin y por lo tanto buena estructura. El color amarillo u ocre, es atribuido a

Ilmenita

Goethita

Limonita

la Goethita (Fe2O3 n H2O o FeHO2), a la estilpnosiderita (Fe2O3n H2O). Cuando el fierro es producto de la destruccin del humus, produce tonalidades amarillo herrumbre ms o menos amarillento, en este caso se debe a la limonita, nombre genrico para los xidos hidratados de fierro. Color gris, en general es atribuido a materiales parentales pobres en fierro o a remocin del fierro por agentes quelantes o agua cida o bien cuando existen condiciones permanentes de saturacin de agua, caracterstico de los horizontes gley. Colores azul y verde, son debidos a la presencia de compuestos ferrosos, que se reducen en condiciones de suelos pantanosos o de manto fretico elevado. El color azul se atribuye a la vivianita, Fe3(PO4)8H2O. Color anaranjado o rosado, son consecuencia de la mezcla de hematita, Goethita y estilphosiderita, con elementos blanquecinos, caliza o arena silicea. Color violeta, es atribuido al magnesio y es un color que identifica a la terraroxa del Brasil, que est mezclada con otros colores. Color moteado es debido a oxidaciones o reducciones incompletas y condiciones de aireacin y drenaje. Por sus caractersticas sobresalen los jaspeados o marmoreos, en donde aparecen bandas de diferentes colores como el gris, amarillo y rojizo de los horizontes plnticos. Los estratos superficiales de color oscuro absorben el calor con mayor

Hematita

Vesuvianita

Caliza

facilidad que los de colores claros, pero a causa de su contenido en materia orgnica que, generalmente, es mayor a menudo tienen un mayor contenido de humedad. Por lo tanto, los suelos oscuros se calientan ms lentamente que los suelos de color claro bien drenados. Cabe hacer notar que aunque el color del suelo influye en el calentamiento de los suelos sin vegetacin, su efecto es mucho menor en suelos forestados.

QUINTA LECTURA: LA CARBONATACIN, ENEMIGO DEL CONCRETO La carbonatacin es un tipo de reaccin cida, de excepcional importancia en la durabilidad del hormign. La carbonatacin es el proceso por el cual el hormign de recubrimiento pierde la alcalinidad que mantiene protegida la armadura. Se produce avanzando desde el exterior. Las posibilidades de difusin de la carbonatacin estn en relacin al tiempo y a la profundidad. El espesor del recubrimiento incide en la accin de estas variables. Por lo tanto, un hormign puede presentar varios niveles de penetracin de la carbonatacin que estara relacionado con la calidad del hormign en cuestin. El mecanismo por el cual se produce la carbonatacin es la reaccin del dixido de carbono de la atmsfera con las sustancias alcalinas de la solucin de los poros y con los componentes hidratados del hormign. Esto genera un descenso del pH del hormign por debajo de un valor crtico situado alrededor de 9,5. A partir de dicho valor no se puede garantizar la proteccin de la armadura. La carbonatacin es tambin el proceso por el cual la alcalinidad de un hormign se ve afectada por los efectos de las reacciones causadas por atmsferas contaminadas con anhdrido carbnico desprotegiendo a la armadura. Se trata de un caso especial de ataque cido. Las armaduras estn protegidas frente a riesgos de oxidacin por el recubrimiento y por la presencia del hidrxido de calcio; en esta situacin el pH es de 12 13. Cuando la humedad ambiental mezclada con anhdrido carbnico penetra por los poros, el hidrxido clcico se transforma en carbonato, disminuyendo la alcalinidad a los valores antes mencionados (un pH 9 9,5), en este momento es imposible proteger la armadura, ha comenzando la oxidacin (corrosin). El mecanismo de reaccin es relativamente complejo e intervienen en l la cantidad de sodio y potasio presentes en el cemento.

La carbonatacin es un fenmeno natural que ocurre todos los das en miles de estructuras de concreto en todo el mundo. Es un proceso bien sabido por los

ingenieros civiles que ha sido investigado y documentado perfectamente. En concretos que no contienen acero de refuerzo, la carbonatacin es, generalmente, un proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto reforzado, este proceso qumico aparentemente inocuo, avanza lenta y progresivamente hacia adentro desde la superficie expuesta del concreto, y asalta al acero de refuerzo causando la corrosin. Aunque la carbonatacin es una causa de la corrosin menos importante que los cloruros, no por ello es menos seria en trminos del dao que provoca y del dinero que cuesta remediar sus efectos. La carbonatacin es un proceso comn y natural que causa la corrosin de las varillas de refuerzo. Algunos creen que la carbonatacin es causada por los calentadores que queman combustible y que se usan en interiores. Aunque estos calentadores pueden liberar grandes cantidades de dixido de carbono (el culpable de la carbonatacin), slo se requiere una pequea concentracin de CO2, que normalmente se encuentra en la atmsfera (0.03 por ciento) para que ocurra la carbonatacin del concreto. En qu consiste realmente la carbonatacin? La carbonatacin en el concreto es la prdida de pH que ocurre cuando el dixido de carbono atmosfrico reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y convierte el hidrxido de calcio con alto pH a carbonato de calcio, que tiene un pH ms neutral. Por qu es un problema la prdida de pH? Porque el concreto, con su ambiente altamente alcalino (rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo ahogado contra la corrosin. Esta proteccin se logra por la formacin de una capa de xido pasivo sobre la superficie del acero que permanece estable en el ambiente altamente alcalino. Esta es la misma capa pasivadora que ataca los cloruros cuando alcanzan el acero de refuerzo expuesto a sales descongelantes y ambientes marinos. Cuando progresa la carbonatacin hacia la profundidad del refuerzo, la capa de xido protectora y pasivadora deja de ser estable. A este nivel de pH (por debajo de 9.5), es posible que empiece la corrosin, resultando finalmente en el agrietamiento y astillamiento del concreto. Aunque la difusin del dixido de carbono a travs de los poros de concreto pueda requerir aos antes de que ocurra el dao por corrosin, puede ser devastadora y muy costosa de reparar. Es muy importante identificar la presencia de la carbonatacin cuando tambin hay cloruros en el concreto. En el concreto nuevo que tiene un pH de 12 a 13, se requieren aproximadamente de 7,000 a 8,000 partes por milln (ppm) de cloruros para comenzar la corrosin del acero ahogado. Sin embargo, si el pH baja a un rango de 10 a 11, el umbral de cloruro para la corrosin es significativamente menor (100 ppm o menos). Por esta razn, una investigacin de la condicin para la mayora de las estructuras de concreto en proceso de corrosin debe siempre incluir un anlisis de la profundidad de carbonatacin.

Afortunadamente para los ingenieros civiles y contratistas, la carbonatacin es una condicin relativamente sencilla de identificar y diagnosticar. La manera ms fcil de detectar la carbonatacin en una estructura es romper un pedazo de concreto (preferentemente cerca de un borde) en donde se sospeche que hay carbonatacin. Despus de soplar todo el polvo residual del espcimen o del substrato, se pulveriza una solucin de 1 o 2 por ciento de fenolftalena en alcohol sobre el concreto. Las reas carbonatadas del concreto no cambiarn de color, mientras que las reas con un pH mayor de 9 a 9.5 adquirirn un color rosado brillante. Este cambio muy apreciable de color muestra cun profundamente ha progresado el "frente" de carbonatacin dentro del concreto. Existen otros mtodos y otros indicadores para detectar la carbonatacin, pero ste es el mtodo ms fcil y comn de deteccin. Las agencias de prueba calificadas realizan estas pruebas rutinariamente como parte de una investigacin de la condicin en edificios y estructuras de concreto. Adems de las pruebas de carbonatacin, estas investigaciones de la condicin incluyen con frecuencia pruebas de resistencia del concreto, valoraciones de la profundidad del recubrimiento, contenido de cloruro y permeabilidad del concreto.

Factores

que

afectan

la

carbonatacin

Tal como se mencion antes, el proceso de carbonatacin es completamente natural. Tambin se ve afectado por variables naturales que se encuentran en el concreto. El aumento de carbonatacin depende, en gran medida, del contenido de humedad y permeabilidad del concreto. Contenido de humedad del concreto: Para que tenga lugar la carbonatacin, debe haber presencia de humedad. La reaccin de carbonatacin avanza ms rpidamente cuando la humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50 y 55 por ciento. A humedad ms baja, no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan cantidades significativas de hidrxido de calcio. Por encima de 75 por ciento de humedad, la situacin se revierte y los poros se bloquean progresivamente con agua. Aunque esto permite que se disuelva libremente el hidrxido de calcio, evita en gran medida el ingreso del dixido de carbono. As se explica por qu diferentes lados de la fachada de un edificio de concreto, por ejemplo, pueden variar grandemente en la profundidad de sus frentes de carbonatacin. Una fachada expuesta al mar puede tener poca carbonatacin debido a su contenido constantemente alto de humedad, mientras que la carbonatacin puede haber avanzado a niveles ms profundos en los otros lados del edificio. Permeabilidad del concreto: El concreto permeable se carbonatar rpidamente. Muchos aos de proteccin contra la carbonatacin pueden sumarse al concreto reforzado si los ingenieros civiles simplemente siguen las prcticas estndar para

producir concreto de baja permeabilidad. stas incluyen relaciones bajas de agua/cemento, compactacin apropiada por vibracin, uso de puzolanas tales como ceniza volante o humo de slice y curado apropiado. Todas estas prcticas reducen la permeabilidad del concreto y hacen ms difcil para que el dixido de carbono se difunda a travs de l. Recubrimiento del concreto y defectos de superficie: La carbonatacin puede inclusive causar problemas de corrosin aun en concretos de alta calidad. Un recubrimiento bajo del concreto y defectos de superficie tales como grietas y pequeos hoyos proporcionan una ruta directa hacia el acero de refuerzo. Una grieta puede llevar a la carbonatacin muy por debajo de la superficie expuesta de concreto. No pasar mucho tiempo antes de que el acero en el rea de esta grieta empiece a corroerse debido a la prdida de pasivacin. Del mismo modo, los pequeos hoyos pueden, a veces, dar como resultado la prdida de 12 mm o ms del recubrimiento protector del concreto. Si ha de usarse un recubrimiento protector anticarbonatacin, los pequeos hoyos y otros defectos de la superficie deben rellenarse primero con un "mortero nivelante" para evitar roturas en el recubrimiento protector. Los bordes del recubrimiento de concreto son notables por su susceptibilidad a la corrosin inducida por carbonatacin. Si los bordes o las esquinas tienen dixido de carbono, ste se difunde hacia el acero de refuerzo en dos direcciones. Si el acero en estas reas no tuviera un recubrimiento de concreto adecuado, la carbonatacin conducira a la corrosin y podra causar astillamiento en los bordes en muy pocos aos. Durante la construccin original, las esquinas son tambin reas donde con frecuencia el concreto no est bien compactado. Los huecos y los agregados expuestos de la superficie reducen el recubrimiento de concreto, permitiendo que la carbonatacin alcance rpidamente el acero. Estrategias de reparacin y proteccin

La investigacin de la condicin debe siempre constituir la base para un enfoque de reparacin y proteccin. Antes de que pueda prescribirse un remedio apropiado, debe completarse un diagnstico minucioso. Para estructuras a las que se ha diagnosticado corrosin, agrietamiento y astillamiento inducidos por la carbonatacin, existen pocas opciones de reparacin. Se puede elegir la proteccin catdica (PC) si el dao por corrosin es severo. Sin embargo, esta es una opcin costosa y requiere la continuidad elctrica del refuerzo, as como tambin costos sustanciales para el mantenimiento progresivo. La realcalinizacin es una tcnica bastante nueva que pretende restaurar la alta alcalinidad del recubrimiento de concreto extrayendo electroqumicamente un qumico con alto contenido de pH en la estructura. Se trata tambin de una opcin costosa con un historial muy limitado.

Con frecuencia, la opcin ms factible es reparar y proteger el concreto. Esta es una tcnica de reparacin directa que atiende claramente la necesidad inmediata del propietario. Sin embargo, la reparacin del dao visible es slo el primer paso para una reparacin duradera del concreto daado por la corrosin. Las reas resanadas cubren usualmente slo alrededor de 15 por ciento de toda el rea de la superficie, pero el rea total de sta ha sido carbonatada. Si slo se resana el dao visible, sin preocuparse por las causas subyacentes, no pasar mucho tiempo antes de que ocurra mayor astillamiento. Recubrimientos anticarbonatacin: Para detener efectivamente el avance del "frente de carbonatacin", con frecuencia se emplean recubrimientos anticarbonatacin. Al contrario de las pinturas de mampostera o los recubrimientos elastomricos comunes, los recubrimientos anticarbonatacin estn especficamente diseados para detener el ingreso del dixido de carbono. Existen mtodos de prueba estandarizados para evaluar la resistencia al dixido de carbono de un recubrimiento. Tambin se realizan pruebas, donde puede medirse el coeficiente de difusin del CO2 de un material. Estas pruebas han demostrado que un recubrimiento anticarbonatacin de alta calidad puede agregar proteccin a la varilla de refuerzo en una cantidad igual a muchos centmetros de recubrimiento de concreto. Los recubrimientos anticarbonatacin deben ser recubrimientos respirables que puedan obtenerse en variedades rgidas o capaces de puentear grietas. Es importante entender que no todos los recubrimientos resisten el dixido de carbono. Muchos recubrimientos elastomricos impermeables al agua no forman una barrera efectiva para el CO2. El uso de tal recubrimiento puede, en efecto, acelerar la carbonatacin, secando el concreto a tal grado que permita el ingreso ms rpido del CO2. De manera similar, los selladores penetrantes con frecuencia se usan errneamente para proteger contra la carbonatacin. Los materiales a base de silicn tales como los silanos y los siloxanos son repelentes del agua, pero no evitan que entre el dixido de carbono a los poros del concreto. Y al secar el concreto, tambin pueden incrementar la rapidez de carbonatacin. Inhibidores de corrosin: Cuando el frente de carbonatacin ha alcanzado ya la profundidad del refuerzo de acero. El recubrimiento anticarbonatacin, aunque detiene el progreso ulterior de la carbonatacin, no podr detener la corrosin existente que ya est teniendo lugar. La investigacin ha demostrado que existe todava suficiente humedad en el concreto para continuar corroyendo la varilla de refuerzo. La tecnologa actualmente en desarrollo de los inhibidores de corrosin puede ayudar a resolver la corrosin existente. En estas situaciones, los inhibidores de corrosin aplicados a la superficie, y que se pueden difundir a travs del concreto que sirve de recubrimiento, pueden aplicarse en espray o con rodillos en la superficie de concreto antes de aplicar un recubrimiento anticarbonatacin.

Este enfoque utiliza el inhibidor de corrosin para tratar la corrosin existente en la varilla de refuerzo, y el recubrimiento anticarbonatacin agrega una proteccin efectiva. Los inhibidores de corrosin pueden probar su efectividad cuando se usan en situaciones similares, con selladores y membranas, donde los cloruros han alcanzado ya el nivel del refuerzo. La carbonatacin es una causa seria de la corrosin del acero de refuerzo. A diferencia de los cloruros, el papel de la carbonatacin en la corrosin de la varilla de refuerzo se ha descuidado con mucha frecuencia. Para evitar esto, las pruebas de la profundidad de la carbonatacin deben siempre incluirse en la evaluacin del concreto daado por corrosin.

Referencias bibliogrficas:http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonataci%C3%B3n http://www.imcyc.com/revista/2000/dic2000/carbonatacion.htm http://www.proesval.com/pdf/informes%20tecnicos/carbonatacionvsaluminosis.pdf

SEXTA LECTURA: POR QU LA QUMICA INTERESA EN EL HORMIGN?

Adaptacin del Artculo publicado en ACI Concrete International, de marzo de 2002

Autores: Vagn C. Johansen, Waldemar A. Klemm, and Peter C. Taylor Porqu interesa la Qumica? Interesa porque controla la vida extendida del hormign. La Qumica explica porqu el cemento endurece y la interaccin entre ste y su entorno. Se tratar la qumica inorgnica bsica del cemento y del hormign bajo condiciones de servicio. Por supuesto, hay otros tipos de procesos qumicos que ocurren cuando se mezcla el hormign, tales como los aspectos misteriosos de la qumica

orgnica y de la qumica de superficies. Estos temas se dejan de lado, no a causa de que no sean importantes, sino porque ellos no son el foco principal de este artculo.

Qumica y hormign El primer principio para comprender es que, en un amplio sentido, el hormign es termodinmicamente inestable. Cuando la pasta de cemento est expuesta a la atmsfera, comienza a deteriorarse, lo cual es una forma de corrosin qumica. La pasta reaccionar a la exposicin a la lluvia cida o en la cantidad normal de dixido de carbono en el aire. Esta reaccin causa que las superficies se descascaren y carbonaten, y luego, el silicato de calcio se hidrata para dar la resistencia al hormign que lo convertir otra vez a carbonato de calcio, gel de slice, y gel de aluminio. Este es un aspecto de la qumica, pero la qumica no es solamente termodinmica, es tambin cintica. En otras palabras, el hormign tiene el potencial para cambiar, pero cun rpido ocurrir esto? El hormign hecho cuidadosamente con los materiales adecuados en las proporciones correctas, puede durar durante muchos cientos, y an miles de aos. Un ejemplo de esto es el Panten de Roma, construido con un Cemento Romano puzolnico, que ha durado durante ms de 2000 aos.

Cuando Joseph Aspdin patent su cemento Portland en 1824, se titul Una mejora en los Modos de Producir Piedra Artificial. El Hormign se consider como una piedra artificial que tiene la apariencia, la resistencia, y la durabilidad de la cosa real. Algunas de las estructuras tempranas de hormign que se hicieron con el cemento de Aspdin an estn en pie hoy en da, ninguna destruida por desgaste.

El aspecto importante es que el hormign (el sistema de pasta de cemento que liga las partculas en el cuerpo de una piedra artificial) es inherentemente reactivo y, dada su estructura particular y las

condiciones de exposicin, esa reactividad resultar en una durabilidad excelente o pobre. En plazos, cortos o largos, es la qumica la que hace la diferencia en la permanencia del hormign. Ejemplos de agentes de exposicin tpicos que afectan la durabilidad son:

Humedad y agua de napas. Ciclos de temperatura. Sales descongelantes. Ambiente marino. Dixido de carbono y contaminantes areos cidos(NO2 y SO2). Dependiendo de la composicin del hormign y las condiciones de exposicin, varias reacciones qumicas pueden deteriorar el hormign. A veces, sin embargo, el enemigo no es algn elemento exterior, sino ms bien, las semillas de destruccin que pueden inocentemente contener dentro del hormign mismo.

La humedad, o el agua, juegan el rol ms importante en el fraguado, el desarrollo de resistencia, y el eventual deterioro del hormign. El cemento portland se endurece debido a un proceso qumico llamado hidratacin.

Esto significa que los minerales silicato y aluminato en el cemento portland reaccionan y se combinan con agua para producir la cola que mantiene juntos a los agregados que se denomina hormign. El cemento portland es solamente un tipo de cemento hidrulico, y se deber notar que la ASTM C 1157-00, la especificacin de performance para los cementos, se denomina Especificacin de Performance Estndar para Cemento Hidrulico , e incluye los cementos portland y los mezcla.

Como enfatizara Duff Abrams en su trabajo de seminario Diseo de Mezclas de Hormign, sin embargo, que present en el Meeting de Diciembre de 1918 de la Portland Cement Association y luego publicado

en el Bulletin 1 del Lewis Institute, la relacin agua cemento (a/c) dicta la resistencia del hormign. Aunque el tamao y la granulometra del agregado y la cantidad de cemento influyen sobre la cantidad de agua requerida para producir una mezcla trabajable, la misma controla en una mezcla la resistencia del hormign. Por eso, se debera usar la cantidad ms pequea de agua que produzca un hormign plstico, o trabajable. El agua puede, dependiendo de la calidad y naturaleza del agregado usado y la historia del curado del hormign, disparar tales otros sucesos deletreos como la reactividad lcali agregado(ASR) o la formacin de etringita diferida (DEF). El agua puede tambin actuar como un medio de transporte para especies potencialmente agresivas, tales como sulfatos, para entrar en el sistema.

La temperatura afecta la velocidad de las reacciones qumicas, y una regla prctica general es que una velocidad de reaccin qumica se duplica por cada incremento de 10 C en la temperatura. Entonces, la temperatura influencia la velocidad del fraguado y el endurecimiento. El curado del hormign por encima de ciertas temperaturas crticas puede conducir a la expansin y fisuracin asociadas con la DEF.

Varios factores externos del medio ambiente pueden iniciar las reacciones qumicas destructivas en el hormign, particularmente el hormign con porosidad ms abierta(debido a una relacin a/c elevada). Algunos de estos factores incluyen sales descongelantes que contienen cloruro usados para tratar las carreteras en invierno, rociado de sales o exposicin a las mareas del agua de mar, y suelos que contiene sulfatos o agua de napa.

Los cloruros pueden lentamente difundir en el hormign y, en la presencia de humedad y oxgeno, iniciarn la corrosin de la armadura. La oxidacin del hierro para producir xido de hierro es un proceso qumico que genera un gran volumen de producto de oxidacin que no solamente debilita estructuralmente al metal, sino que produce tambin presin localizada interna que puede provocar una fisuracin severa del

recubrimiento de hormign. Una vez iniciada la fisuracin, se expone ms superficie del hormign a un ataque qumico posterior.

Una parte vulnerable del hormign es la pasta de cemento. Aunque el hormign est compuesto de 10 a 15 % en peso de cemento portland, se convierte en el foco de los agentes qumicos agresivos exteriores como el dixido de carbono atmosfrico (CO2) y los gases cidos que se disuelven en la humedad para producir la lluvia cida. La pasta de cemento es altamente alcalina, con un pH mayor de 12,5. Este pH se debe a la presencia de los productos de hidratacin, el hidrxido de calcio y las menores cantidades de sales alcalinas(de sodio y de potasio). Bajo condiciones ideales de carbonatacin (50 al 70 % de humedad relativa y una superficie de pasta expuesta), la cal hidratada (hidrxido de calcio) reacciona con el CO2 para formar carbonato de calcio, que es el mismo mineral que la calcita o la caliza. Como este proceso progresa lentamente, tal vez an a velocidades de solamente un milmetro o menos por ao, el pH disminuye y el carbonato de calcio finamente cristalino reemplaza a los productos de hidratacin.

La lluvia cida es agresiva, puede corroer y desmenuzar las superficies expuestas, destruyendo eventualmente los minerales hidratados del cemento que proveen la resistencia y la durabilidad. Un ejemplo de este comportamiento destructivo es el obelisco de caliza en el Central Park de Nueva York. Ha sobrevivido miles de aos en el desierto de Egipto, permaneciendo en condiciones cuasi prstinas, pero ahora despus de solamente dcadas de exposicin a los gases cidos en la atmsfera de esta ciudad, las inscripciones jeroglficas han desaparecido. Aunque la caliza no es hormign, los efectos globales de la lluvia cida son completamente similares.

Durante el diseo de una mezcla de hormign, se debe considerar la qumica. Por ejemplo, si el hormign se coloca donde puede estar expuesto a los medios agresivos tales como cloruros o sulfatos, se deber seleccionar otro tipo de cemento ASTM. El Tipo I es cemento portland normal, mientras que el Tipo II provee moderada resistencia a

los sulfatos, y el Tipo V provee una resistencia mucho mayor a los sulfatos.

Ahora hay muchas especificaciones de normas ASTM, los mtodos de ensayo normalizados de ASTM, los principios del ACI, y otras recomendaciones para el profesional de ingeniera sobre cmo disear las mezclas de hormign, y todas stas se basan en el conocimiento fundamental de la qumica del cemento y el hormign(Weaver, 1978).

Durante los pasados 10 a 20 aos, la experiencia de campo ha demostrado que no solamente el diseo de las mezclas, sino tambin el curado del hormign es muy importante. El curado, por supuesto, es el proceso que provee suficiente humedad y energa trmica para promover el proceso de hidratacin. Las condiciones de curado controlan el desarrollo de resistencia y la fisuracin trmica; por eso, ellas tiene un impacto significativo sobre la durabilidad del hormign. Un ejemplo reciente de la importancia del curado y el control de la temperatura es la degradacin del hormign por DEF. La formacin de etringita es un suceso normal y til a medida que el cemento portland comienza a fraguar. Si su formacin est muy demorada ( das o meses despus que endurece el hormign), sin embargo, puede provocar serios problemas de durabilidad.

Las reacciones qumicas del cemento El cemento portland contiene silicatos y aluminatos de calcio formados mediante una secuencia de procesos trmicos y qumicos, incluyendo la descomposicin de la caliza, la reaccin con otros materiales de cantera tales como la arcilla, el mineral de hierro, y la arena; la fusin parcial de estos componentes, y da origen a la formacin de ndulos duros, redondeados denominados clinker. Todo esto ocurre a la temperatura de 1450 C en un horno rotatorio de una planta de cemento. Despus del enfriamiento, el clinker se muele junto con aproximadamente 5 % de yeso (sulfato de calcio dihidratado) hasta una finura tipo harina,

produciendo el producto final, cemento portland (Kosmatka y Panarese, 1994).

El conocimiento presente de la composicin qumica del cemento portland y lo que le sucede con l cuando se lo mezcla con agua fue primero revelado en 1887 por el qumico francs Henry Le Chatelier(1905). En su tesis doctoral, identific correctamente los minerales importantes del cemento como silicato triclcico, silicato diclcico, y aluminato triclcico.

En 1915, los cientficos en el Laboratorio Geofsico en Washington DC, estuvieron estudiando las relaciones de fase en altas temperaturas del sistema ternario CaO- SiO2 Al2O3. Entre las fases minerales investigadas estaban, por supuesto, el silicato triclcico, el silicato diclcico, y el aluminato triclcico. En el proceso de publicacin del diagrama de fases en forma de tringulo, se inventaron ciertas abreviaturas simplificadas para las composiciones qumicas de cada fase mineral. Por ejemplo, el silicato triclcico, Ca3SiO2, se podra escribir tambin como la secuencia combinada de los dos xidos, tales como 3CaO.SiO2. Los investigadores, Rankin y Wright, usaron entonces la notacin abreviada de CaO= C, SiO2= S, y Al2O3 = A. De acuerdo con ello, 3 CaO.SiO2 poda escribirse como C3S. En forma similar, el silicato diclcico, 2 CaO.SiO2, se transform en C2S, y el aluminato triclcico, 3CaO.Al2O3 se transform en C3A(Bogue y Steinour, 1961).

Esta notacin fue tan conveniente y til que, en las futuras publicaciones durante los aos siguientes, se introdujo una notacin similar para los otros xidos.Entonces, Fe2O3 = F, MgO = M; H2O = H; Na2O = N y K2O = K. El problema adicional de la S del trixido de azufre SO3 se resolvi simplemente indicndolo con S barra. Otros nombres para los minerales del cemento o sus hidratos entraron concurrentemente en el lenguaje y se usan comnmente hoy en da. Durante aproximadamente 100 aos, los minerales silicato triclcico y diclcico, en su composicin impura como cristalizan en el clinker han sido denominados alita y belita, respectivamente. Otros se denominan

por su nombre mineralgico equivalente, tales como periclasa para los cristales de MgO en el cemento, portlandita para el hidrxido de calcio (CH en la notacin abreviada) y etringita para el silicoaluminato de calcio hidratado(C3A.SiO2.32H). La frmula para la etringita en la notacin de la qumica del cemento parece ser complicada, pero es simplificada comparada a una frmula qumica convencional (Ca5[al(OH)3]24 H2O.(3SO2).(2 H2O).

Reacciones de hidratacin normal La reaccin ms rpida que ocurre cuando se mezclan cemento y agua es la hidratacin del aluminato triclcico (C3A). Solo l mismo, el C3A y el agua formarn rpidamente hidratos de aluminato triclcico tales como C4AH13 y C2AH8. Esto puede ocurrir tan rpidamente que el hormign se puede volver espeso al cabo de unos minutos y volverse completamente intrabajable debido al calor emitido. Esta condicin se denomina de falso fraguado. En el siglo diecinueve, cuando el cemento desarroll la resistencia lentamente debido a que era molido en partculas grandes y reaccionaba imperfectamente, el falso fraguado no era un problema. Eventualmente, con la introduccin de hornos rotatorios, una proporcin ms cientfica de los componentes de las materias primas y una molienda mucho ms fina del clinker, el agregado de yeso (CSH2) al cemento eliminaron los problemas del falso fraguado.

Qumicamente el C3A, el yeso y el agua formaran un recubrimiento protector de sulfoaluminato de calcio hidratado(etringita)sobre las superficies expuestas de aluminato triclcico que permanecera durante varias horas. La hidratacin del C3A se reactiva a medida que comienza el principio de fraguado, consumiendo el sulfato y formando ms etringita. Si el cemento portland es del tipo ASTM Tipo I, sin embargo, probablemente contiene ms de 8% de C3A, que es un porcentaje mucho ms alto que el sulfato presente. Cuando todo el sulfato ha sido combinado como etringita, el exceso de C3A contina hidratndose, y luego comienza a eliminar sulfato de algo de la etringita (trisulfato) para formar otro compuesto estable sulfoaluminato de calcio denominado

monosulfato, C3ACSH12(ec. 1 y 2). Un cuarto mineral importante en el cemento, la fase ferrita que contiene hierro, o el aluminoferrito tetraclcico(C4AF) tambin se hidrata, aunque mucho ms lentamente, para formar compuestos qumicamente similares trisulfato y monosulfato, en los que el hierro (Fe2O3)reemplaza una porcin del aluminio(Al2O3)(Steniour, 1958). Los qumicos del cemento genricamente denominan a stos las fases Aft( aluminato- ferrito trisustituidos) y AFm (aluminato ferrito monosulfato), respectivamente.

C3A + 3CSH2 + 26 H

C6AS3H32 (etringita) (1)

2 C3A + C6AS3H32 + 4 H (monosulfoaluminato)

3 C4ASH32

(2)

El desarrollo de la resistencia principal del hormign, sin embargo, resulta de la hidratacin de las fases silicato de calcio(C3S y C2S). Ambos silicatos de calcio se combinan con agua para formar el silicato de calcio tipo gel hidratado, o C-S-H (ec. 3 y 4)

2 C3S + 6 H

-S-H + 3 CH

(3)

2 C2S + 4 H

C-S-H + CH

(4)

Microestructura de la pasta de cemento Cuando endurece el hormign debido a la hidratacin de la pasta de cemento, el volumen total de los productos de hidratacin es mayor que el volumen original del cemento portland y el agua. Como un resultado de estas reacciones de hidratacin y la disminucin en el volumen de la pasta, se crea un sistema de poros capilares. Esta porosidad en el

hormign gobierna su grado de susceptibilidad a varios factores qumicos que tienen una influencia profunda sobre la durabilidad. Las reacciones de mayor inters en la pasta de cemento son aqullas entre los componentes de la solucin en los poros, y las fases slidas presentes, que son los minerales del cemento originales, sus productos de hidratacin y, posiblemente superficies de agregados susceptibles, en el caso de RRAA. Esto significa que, a medida que pasa el tiempo, algunas de las fases slidas se disuelven y precipitan nuevas fases. El transporte en solucin de las diversas sustancias que participan en las reacciones controla la velocidad a la cual ocurre la reaccin qumica. De manera de que el agua est disponible, tiene que poder entrar al hormign y moverse a travs de la estructura de poros, donde se hace parte de la solucin de los poros a partir de los materiales slidos. Estos son principalmente iones oxhidrilo (OH-) e iones alcalinos (K + y Na+) as como menores cantidades de iones calcio, aluminato y sulfato. Los iones de fuentes externas, tales como las sales descongelantes, pueden incluir sodio y cloruro. Este es el punto en donde es evidente la importancia de la microestructura de la pasta, en la forma del sistema capilar de poros. Si se descartan las fisuras en el agregado, solamente la pasta tomar parte en el transporte de iones reactivos en el hormign. En tal sistema, hay tres posibilidades para el movimiento de agua: A travs del sistema capilar; A travs de los productos de hidratacin; A travs de fisuras en la estructura de la pasta. Si el hormign est saturado de humedad, la solucin de los poros llenar ambos el sistema capilar de poros y las fisuras en la pasta. La conectividad de estos sistemas es crtico en controlar cun lejos y rpido las soluciones se pueden mover en el hormign. Para el hormign con una relacin a/c de 0,6 y ms altas, el sistema capilar ser continuo (sistema percolador) y agentes agresivos se movern fcilmente a travs de la masa de hormign. Con una relacin a/c decreciente, sin embargo, el sistema de poros se vuelve aislado en racimos ms pequeos no conectados de poros. Estos racimos pequeos prximos a la superficie se pueden volver saturados con solucin y reactivos disueltos. Cualquier movimiento posterior a travs de la pasta tiene que ocurrir a travs del gel C-S-H o a travs de los productos de hidratacin. La velocidad de transporte del lquido a travs de la fase C-S-H est en el orden de 1000 veces ms lenta que la que ocurre a travs de los

poros capilares. Por eso, an si los poros capilares representan solamente el 1% del transporte total a travs de la seccin transversal, ellos proveern tambin el 90% del transporte de la solucin. Cualquier reaccin qumica que dependa nicamente del transporte a travs de CS-H es desestimable con propsitos prcticos. Si estn presentes las fisuras llenas de lquido, el movimiento de una solucin ser proporcional al nmero y tamao de las fisuras. Adems, las fisuras tambin proveern cortocircuitos entre los racimos de poros y por ello expondrn capas ms profundas de hormign a la solucin penetrante. Con suficiente fisuracin, las fisuras mismas pueden formar un sistema percolante conectado dentro del hormign y que permita que los reactivos disueltos se muevan dentro del sistema ms rpidamente. El tipo ms comn de ataque qumico sobre el hormign resulta de la exposicin a los suelos o agua subterrnea que contiene contenidos elevados de sulfatos. Esta enfermedad es una ocurrencia comn en el oeste de los Estados Unidos, y ha sido conocida durante muchos aos. La produccin de cementos Tipo II y V intenta particularmente proveer la resistencia a la exposicin deletrea a los sulfatos. El mecanismo de ataque a los sulfatos es relativamente simple. Si el cemento contiene una cantidad elevada de C3A se formar una cantidad sustancial de la fase monosulfoaluminato de calcio(Afm) durante la hidratacin. Esta sustancia es reactiva, y un sulfato adicional de la fuente exterior tal como el suelo o el agua subterrnea que penetra en el hormign, provocar que el monosulfato reaccione rpidamente con l y lo convertir otra vez en la fase Aft, o etringita. La conversin de la fase monosulfato a etringita resulta en un incremento significativo de volumen y es destructivo para el hormign. Si esto se permite que contine, el hormign eventualmente ser destruido. El hormign hecho con una relacin a/c alta y sujeto al agua subterrnea que contiene sulfato de sodio puede ser daado por otro mecanismo. Los estudios efectuados en California han demostrado que, an con el uso de tipos de cemento II y V, si el agua puede percolar a travs del hormign, el humedecimiento y secado sobre la superficie expuesta al aire resulta en el deterioro serio. El dao es principalmente debido a la recristalizacin repetida de los sulfatos y carbonatos alcalinos durante los ciclos de secado (Stark 1989). Qumica y fisuracin Las fisuras en el hormign se pueden desarrollar por una razn fsica tal como la contraccin por secado o la carga mecnica. Las reacciones qumicas locales en el hormign, sin embargo, pueden tambin provocar

una expansin, un desarrollo de presin interna, y luego la fisuracin. El hormign es un material quebradizo y por eso se puede expandir solamente hasta un grado limitado antes de la fisuracin. En trminos amplios, la expansin observada es igual a la suma de los anchos de las fisuras. Si no es posible determinar la causa de la expansin y la fisuracin por la aparicin del patrn de fisuras sobre la superficie del hormign, las muestras de hormign interior se debe examinar microscpicamente o qumicamente, para determinar la causa de la expansin interna. En el hormign de campo expuesto a los elementos agresivos, hay dos modos bsicos de expansin: El agregado se puede expandir con relacin a la pasta de cemento; y La pasta de cemento se puede expandir con relacin al agregado. Se deduce de consideraciones fsicas que, en un sistema compuesto de partculas que se expanden en una matriz, se forman las fisuras radiantes desde las partculas en la matriz. La expansin de las partculas es una pasta endurecida, tal como las partculas de agregado que sufren la RRAA, provoca que las partculas se fisuren y la fisura se extienda hacia fuera dentro de la pasta circundante. Una fisuracin de la partcula, cuando se expande desde la superficie, es realmente una experiencia casi comn. Cuando se dejan caer los cubos de hielo en una bebida y se escucha el sonido de una crepitacin familiar ste es el sonido del hielo que se calienta en el exterior, expandiendo y luego fisurando. La expansin en la superficie provoca que la parte interior de la partcula est bajo tensin de traccin, y se fisure desde la parte interior hacia fuera. La contraccin de la pasta de cemento es un fenmeno comn relacionado con la hidratacin, y desde un punto de vista de la fisuracin, es equivalente a la expansin de las partculas de agregado. Qu sucedera si la pasta realmente se expande con relacin a las partculas de agregado? Cuando la pasta de cemento se expande con relacin a las partculas de agregado, como se tiene en el DEF, se abren espacios alrededor de las partculas. Este concepto es realmente un poco contraintuitivo, en que uno podra esperar que la pasta que se expande realmente rompa la partcula ms bien que crea un espacio alrededor de ella. Esto es similar a la cuestin de si un agujero que ha sido perforado a travs de una pieza de metal se volvera ms pequeo o ms grande en dimetro a medida que el metal se calienta y expande.

Una manera de comprender el fenmeno es considerar al hormign constituido por agregado que no se expande, y efectuar la siguiente experiencia imaginaria. Primero, suponer que el hormign, incluyendo la pasta y el agregado, se expande en un 20%, en todas las direcciones. No hay distorsin, ni fisuracin, y el hormign es de alguna manera ms extendido. Luego, dado que las partculas de agregado no se expanden, contraerlas a su tamao original. Qu ha sucedido? Las partculas entonces se desparraman alrededor de los agujeros y, adems, estos espacios son proporcionales al tamao de las partculas. Reactividad lcali slice La reaccin qumica AA ocurre entre la solucin altamente alcalina de los poros (pH muy alto) y las porciones silceas reactivas de algunas partculas de agregados. La gran cantidad de iones oxhidrilo (OH-) presente en la solucin de los poros, debido a la concentracin altamente alcalina (sodio y potasio), disuelve la slice reactiva sobre las superficies del agregado para formar un gel de slice alcalino. Aunque cualquier forma de slice puede reaccionar con los hidrxidos alcalinos en teora, son las rocas silceas tales como el palo, el chert, y materiales volcnicos vtreos los que parecen ser los ms reactivos. Los agregados silceos reactivos formarn un gel de slice lcali comenzando en la superficie del agregado y movindose hacia adentro. Los esfuerzos de traccin producidos durante la reaccin, provocan que las partculas de agregado y la pasta circundante se fisuren. En varios casos, las fisuras se interconectarn y conducirn al debilitamiento del hormign. El debilitamiento se debe solamente a las fisuras; la pasta entre las fisuras mantiene su composicin y resistencia. Las rocas policristalinas ms densas, tales como los granitos, reaccionarn ms lentamente. La reaccin qumica ocurrir en aquellas reas heterogneas de los bordes de los granos. En tales casos, solamente un mnimo grado de reaccin puede ser necesario para provocar la fisuracin. En el deterioro por RRAA, dado que cada fractura interna en el hormign crea un espacio vaco, la reaccin lcali rido provoca el incremento de volumen (Helmuth, 1993). La evidencia visual resultante de la reaccin es el mapa de fisuracin observado sobre la superficie del hormign. Expansin de la pasta La RRAA es un ejemplo de una reaccin qumica en la cual el agregado en el hormign juega un rol en el mecanismo del deterioro. Las

reacciones relacionadas con el sulfato son un grupo que involucran solamente a la pasta de cemento. Las reacciones DEF que estn asociadas con la exposicin del hormign a altas temperaturas durante el curado, en sistemas que contienen cementos de sulfato normal, han sido un tpico de atencin en las discusiones durante algn tiempo. Los resultados DEF de una reaccin qumica o conjuntos de reacciones, no estn an bien comprendidas en este momento, pero la diagnosis es relativamente simple; de la expansin de la pasta en el hormign afectado, resultya el deterioro. En el hormign afectado de DEF, se observa generalmente la fase Aft , o etringita. La etringita es un producto de la hidratacin normal, formado por la reaccin qumica entre las fases aluminato del cemento, el agua, y el sulfato de calcio(yeso). La formacin de etringita ocurre en la pasta y est distribuida uniformemente. Dentro del hormign maduro expuesto a las condiciones hmedas, la etringita se encuentra generalmente en los poros y fisuras. Esto no es una indicacin de dao, sino ms bien el resultado de un proceso de recristalizacin normal conocido como maduracin de Ostwald . Esto significa que los cristales pequeos tienen una mayor solubilidad que los grandes en cualquier espacio disponible, tal como las fisuras y poros. La maduracin de Ostwald es un principio qumico general, y la cristalizacin del hidrxido de calcio se comporta en una manera similar. Considerando la DEF, sin embargo, una temperatura alta del hormign a una edad temprana es un parmetro muy importante. A ciertas temperaturas, generalmente por encima de 70 C, y ms frecuentemente por encima de 80 C, la etringita se vuelve inestable porque aumenta su solubilidad. Esta temperatura es fuertemente dependiente del contenido de lcalis y otros factores de composicin del cemento que son menos comprendidos. Donde los componentes de la etringita se van despus de su descomposicin no est clara. Ciertas porciones de etringita se pueden consumir en el C-S-H o puede permanecer en solucin. Lo que est claro, sin embargo, es que la qumica importa, an si no se comprende completamente la secuencia precisa de las reacciones. Un signo de la expansin de la pasta es la presencia de vacos o fisuras alrededor de las partculas de agregado. Generalmente, la etringita llena estos vacos. Hay tambin ejemplos de la expansin de la pasta que muestran espacios vacos, sin embargo.

La siguiente es una explicacin posible de la expansin de la pasta observada relacionada con las partculas anhidras e hidratadas de aluminato en la pasta de cemento endurecida. La pasta endurecida, el mortero, tratados con calor as como el hormign curado normalmente son todos lugares donde uno puede encontrar partculas de clnker no hidratadas en cantidades varias. Por encima de ciertas temperaturas la etringita es inestable, y la fase primaria aluminato hidratada es monosulfoaluminato de calcio (AFm). Por eso, despus del enfriamiento a temperatura ambiente que sigue al tratamiento trmico, el hormign contendr partculas de aluminato anhidro, con fases AFm y AFM. Durante el paso del tiempo y el curado hmedo del hormign, estas partculas continuarn reaccionando con sulfato en la solucin de los poros. Se forman la etringita y las fases AFm, dependiendo de la composicin de la solucin de los poros. El sulfato, liberado del C-S-H que lo tena inicialmente absorbido durante el tratamiento con calor, mantiene la concentracin de sulfato de la solucin de los poros. La pasta endurecida confina a las p