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TÓPICO 1 – (Patología de las Construcciones)
Carbonatación del Hormigón Armado: Influencia de la Contaminación Ambiental Urbana
A. I. Yoris (1,a), M. D. Segovia (1,a), M. F. Carrasco(1,a), F. Belbey(1,a),
A. Guilarducci(1,a), C. A. Defagot(1,a), N. O. Ulibarrie(1,a), A. Marcipar(1,a) 1 Centro de Investigación y Desarrollo para la Construcción y la Vivienda (CECOVI)
Facultad Regional Santa Fe – Universidad Tecnológica Nacional Lavaysse 610 - (3000) Santa Fe - ARGENTINA
Palabras claves: Hormigón armado, carbonatación, corrosión, contaminación ambiental, durabilidad.
RESUMEN
El objetivo de este trabajo es evaluar la influencia de la contaminación atmosférica sobre el avance del frente de carbonatación en ambientes urbanos con densidades poblacionales medias, y baja actividad industrial.
Se expusieron probetas de hormigón en diferentes puntos de la ciudad de Santa Fe, constituidas por hormigón convencional de diferentes calidades (razón a/c 0,45 y 0,6) y por hormigón celular de espuma que, debido a su elevada velocidad de carbonatación en comparación con el hormigón convencional, se emplea como verificación de las tendencias obtenidas. Sobre un grupo de probetas se aplicaron pinturas anticarbonatación (poliuretánicas y acrílicas), de acuerdo a las clasificaciones proporcionadas por publicaciones tales como el “Manual de Rehabilitación de Estructuras de Hormigón, Reparación, Refuerzo y Protección” de la Red Rehabilitar.
Se seleccionaron 7 emplazamientos para las muestras. En 3 de estos se dispusieron probetas protegidas de la acción de lluvias. Los contaminantes medidos fueron concentraciones de CO, O3, PM10, SO2, HCNM, y NO2; dichas mediciones se realizaron quincenalmente.
Se determinó, semestralmente, la posición del frente de carbonatación aplicando una solución alcohólica de fenolftaleína, el contenido de cloruros totales y la velocidad de propagación de pulsos ultrasónicos. El avance de la carbonatación se determinó midiendo la profundidad de penetración y el área carbonatada, analizada por medios gráficos. Se registraron los datos de temperatura, humedad relativa ambiente y precipitaciones.
Los resultados obtenidos indican que la profundidad de avance del frente de carbonatación se relaciona, fundamentalmente con la calidad del hormigón, así como con las condiciones de humedecimiento, sin detectarse diferencias significativas entre los valores medidos para las distintas localizaciones y para concentraciones variables de contaminantes ambientales. No obstante, independientemente de la contaminación del ambiente, de la
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calidad del hormigón y de las condiciones de protección de las probetas, los resultados mostraron la efectividad de los recubrimientos acrílicos y poliuretánicos como protecciones anticarbonatación.
INTRODUCCIÓN
Puede plantearse como definición general que la corrosión es el deterioro de un material o de alguna de sus propiedades causado por la reacción con el medio que lo rodea. Esta definición permite incluir a todos los materiales, cualquiera sea el mecanismo de degradación que los afecte. En el hormigón armado el proceso de corrosión de las barras de acero del hormigón se genera por la formación de celdas electroquímicas en las cuales el metal que se está corroyendo funciona como un electrodo mixto sobre el cual tienen lugar reacciones catódicas y anódicas [1]. El hormigón confiere al acero una protección de doble naturaleza: por un lado, es una barrera física que lo separa del medio ambiente y por otro, el líquido encerrado en los poros del hormigón es un electrolito que permite la formación de un óxido protector (pasivación). Sin embargo, esta capacidad protectora disminuye paulatinamente debido a la carbonatación del hormigón que produce una reducción del pH de este medio, llevándolo de 12,5 (valor que define un medio fuertemente alcalino) a valores inferiores a 9. La carbonatación es un proceso progresivo que avanza desde la superficie expuesta del hormigón hacia el interior, a una velocidad que es tanto menor cuanto mejor sea la calidad del hormigón de recubrimiento (evaluada desde el punto de vista de su permeabilidad al aire y de la reserva alcalina que posea) [1, 2]. Este fenómeno de degradación constituye una de las principales causas de deterioro de las estructuras de hormigón armado en la región centro-norte de nuestro país [3].
Las atmósferas en las cuales se emplazan las estructuras pueden ser clasificadas como rurales, urbanas, marinas e industriales, pero la mayoría deben ser consideradas mixtas debido a que no existen líneas claras de división y además, porque la agresividad de las mismas es función de la temperatura y la presencia de contaminantes [5]. Los ambientes de las regiones pampeana y mesopotámica de la Argentina se caracterizan por la ausencia de agresivos químicos al hormigón armado, con excepción del CO2 de la atmósfera, que promueve los procesos de carbonatación, tales como los considerados en tipos de exposición A2 y A3 dadas por el Proyecto de Reglamento CIRSOC [6]. El ambiente designado como A2 corresponde a interiores de edificios expuestos al aire con humedad relativa mayor o igual a 65 % o a condensaciones, a exteriores expuestos a precipitación media anual menor a 1000 mm o elementos enterrados en suelos húmedos o sumergidos. El ambiente designado como A3 corresponde a exteriores expuestos a precipitación media anual mayor o igual a 1000 mm y con temperatura media mensual mayor o igual a 25° C durante más de 6 meses.
Algunas experiencias muestran diferencias significativas entre los espesores carbonatados medidos en ambientes con diferente cantidad de CO2 y humedad ambiente. Las atmósferas urbanas se encuentran en general libres de contaminantes con un ligero incremento en el contenido de CO2, originado por la combustión del parque automotor [7].
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Para las regiones pampeana y mesopotámica, a partir de datos obtenidos en 84 evaluaciones estructurales realizadas por el CECOVI entre los años 1995 y 2005, se concluyó que para estructuras de hormigón con edades entre 10 y 30 años, se detectan procesos incipientes de corrosión de sus armaduras, debidos a la existencia de espesores de recubrimiento nulos o mínimos y carbonatados [3]. Estas observaciones resultan coincidentes con las vertidas por otros autores [6,1] que indican que, si bien en ambientes rurales o urbanos las estructuras no deberían verse afectadas por corrosión tempranamente, la existencia de recubrimientos escasos o diseños estructurales inadecuados que no permiten el drenaje rápido del agua de lluvia, conducen a procesos incipientes de corrosión.
El reglamento CIRSOC vigente [8] y el Proyecto de Reglamento CIRSOC [6], establecen para las condiciones de exposición de la zona, espesores de recubrimientos de hormigón para las armaduras entre 15 y 25 mm y entre 20 y 35 mm, respectivamente. El espesor de recubrimiento cobra importancia ya que los procesos de difusión del CO2 son función de la raíz cuadrada del tiempo [5].
Paralelamente, se proponen como alternativas de protección de las estructuras la aplicación de pinturas o barnices capaces de formar una película semiflexible y continua que actúa como barrera de baja permeabilidad a gases, al agua y al vapor de agua [9]. Como protección anticarbonatación, se recomienda la utilización de resinas acrílicas al solvente y al agua, caucho clorado, estireno-acrílicas y poliuretánicas.
En este contexto, el trabajo presenta la evaluación del avance de la carbonatación en hormigones de diferentes calidades sobre los que se han aplicado diversas películas protectoras y que han sido sometidos a ambientes con niveles de contaminación variados dentro de la ciudad de Santa Fe a fin de analizar la influencia de los contaminantes, la calidad del hormigón y la aplicación de películas protectoras.
Asímismo, en una etapa posterior se expusieron probetas de hormigón celular de espuma para corroborar las tendencias que se venían obteniendo, esto debido a la elevada velocidad de carbonatación que presenta el hormigón celular en comparación con el hormigón convencional.
MATERIALES Y METODOLOGÍA
Para evaluar el fenómeno de la carbonatación en ambientes urbanos, el trabajo se dividió en dos metodologías: la primera corresponde al estudio del avance del frente de carbonatación en “hormigones convencionales” expuestos en ambientes urbanos y la segunda al mismo estudio pero de “hormigones celulares de espuma”.
Para esta evaluación se planeo la exposición de dichas probetas en diferentes puntos de nuestra ciudad, la medición de contaminantes en el ambiente y la determinación de parámetros de caracterización del hormigón.
Para el análisis de contaminantes se determinó en forma quincenal concentraciones de monóxido de carbono (CO), ozono troposférico (O3), hidrocarburos no metano (HCNM), dióxido de azufre (SO2), material particulado en suspensión menor a 10 micrómetros (PM10) y dióxido de nitrógeno (NO2).
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Para caracterizar el medio ambiente de la ciudad al cual se exponen las probetas se registraron los datos de temperatura, humedad relativa ambiente y precipitaciones.
Probetas de Hormigón Convencional
Se elaboraron probetas de 15 cm de diámetro y 30 cm de longitud con 2 hormigones diferentes, donde se varió la relación a/c y el contenido de cemento (Tabla 1). Para la caracterización de los hormigones se realizaron determinaciones de absorción (ASTM C642) a 7, 28 y 90 días, capacidad y velocidad de succión capilar (IRAM 1871) a 28 y 90 días, densidad y resistencia a compresión (IRAM 1546) a 7, 28 y 90 días.
Sobre un grupo de probetas se aplicaron pinturas anticarbonatación, consistentes en una laca poliuretánica de un componente y una pintura acrílica.
A fin de detectar la influencia del medio de exposición sobre las propiedades del hormigón, se determinó la profundidad del frente de carbonatación aplicando sobre una rodaja recién cortada una solución alcohólica de fenolftaleína, el contenido de cloruros totales (IRAM 1857) y la velocidad de propagación de pulsos ultrasónicos (IRAM 1683). Las mediciones se realizaron cada 6 meses, durante un período de 3 años.
Tabla 1: Caracterización hormigón convencional
Figura 1: Localización de las estaciones. Verde = Grupo C. Rojo = Grupo B. Amarillo = Grupo A
La determinación del avance de la carbonatación en cada una de las probetas se realizó de la siguiente manera, se cortó una rodaja e inmediatamente se la roció con una solución alcohólica de fenolftaleína, para finalmente realizar las lecturas de las profundidades de carbonatación. Para la cual se utilizaron dos metodologías: medición de la penetración del frente de carbonatación con una regla milimetrada calibrada y tomando fotografías de las
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rodajas cortadas y determinando el área del frente de carbonatación mediante un “software CAD” (Fig. 2).
Basado en las mediciones históricas de contaminación, se seleccionaron 7 emplazamientos que presentaban valores extremos de contaminación (Fig. 1). En 3 de estas estaciones se dispusieron probetas protegidas de la acción de lluvias (Fig. 3).
Figura 2: Determinación de área carbonatada
mediante “software CAD” Figura 3: Exposición de probetas en una de las
estaciones
Probetas de Hormigón Celular
Se elaboraron probetas prismáticas de 25 cm x 48 cm x 7 cm que luego se cortaron en probetas de 7 cm x 7 cm x 25 cm.
Para caracterizar el hormigón celular se realizaron determinaciones de absorción (ASTM C642), porosidad y densidad (IRAM 1717). Los resultados se resumen en la Tabla 2.
En base a las mediciones históricas de contaminación se seleccionaron 2 estaciones con niveles de contaminación extrema (máxima y mínima). En estas estaciones las probetas fueron expuestas a la intemperie (Fig. 4).
Tabla 2: Caracterización hormigón celular
Figura 4: Ciudad de Santa Fe, estaciones
ESTACION 6
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Figura 5: Carbonatación en probetas de hormigón celular
Figura 6: Probetas de hormigón celular expuestas. Caras de avance del frente de carbonatación
Sobre este grupo de probetas se aplico una pintura acrílica anticarbonatación sobre sus laterales dejando las bases libres para que se produzca el avance de la carbonatación únicamente por estas caras (Fig. 6)
El frente de carbonatación se determinó cortando las probetas a la mitad a lo largo de las caras expuestas y aplicando una solución alcohólica de fenolftaleína (Fig. 5). Las mediciones se realizaron cada 2 meses durante un período de 10 meses.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Datos Ambientales y Contaminación Urbana
En la Fig. 7 se resumen los datos meteorológicos correspondientes a la ciudad de Santa Fe, la cual posee una clasificación de ambiente A3 de acuerdo al proyecto de Reglamento CIRSOC [6].
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Figura 7: Datos meteorológicos de Santa Fe
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Las concentraciones de contaminantes se estudiaron mediante pruebas no paramétricas como el test de Mann Whitney [10], con el objetivo de agrupar las estaciones que presentan grados de contaminación semejantes entre sí. En la Tabla 3 se resumen los valores promedio de contaminantes determinados durante el período de exposición, evidenciando que las estaciones comprendidas en el grupo B presentan los mayores niveles de contaminación.
Tabla 3: Concentraciones promedios de contaminantes (mg/m3). Período 2006 - 2008
En la Tabla 4 se presentan niveles de concentración de CO de algunas
de las ciudades con mayor contaminación ambiental de América Latina [12-14]. Si bien existe diferencia en las mediciones de CO realizadas en el centro y en la costa de la ciudad de Santa Fe, no son significativas si las comparamos con el resto de las ciudades que aquí se exponen.
Tabla 4: Niveles de concentración de CO
Exposición de Probetas de Hormigón Convencional
Para las probetas expuestas en cada estación y en distintas condiciones de protección se registraron los valores de avance del frente de carbonatación y de velocidad del pulso ultrasónico (Tabla 5). Puede observarse que en todos los ambientes de exposición, independientemente de las concentraciones de contaminantes presentes, las pinturas aplicadas se comportaron como un efectivo recubrimiento anticarbonatación. Para los hormigones protegidos mediante estos recubrimientos, se registraron avances nulos del frente de carbonatación. Este comportamiento se destaca en otros trabajos [16] en los que se menciona que la protección del hormigón mediante la aplicación de pinturas convencionales, constituye una estrategia económica y sencilla de implementar. El costo derivado de dicha protección resulta insignificante si se lo compara con la vida útil estimada para una estructura.
Solamente luego de 24 meses de exposición, en algunas probetas elaboradas con el hormigón de razón a/c más elevada (a/c=0,65) y protegidas con la pintura de base poliuretánica se evidenciaron penetraciones puntuales cercanas a los poros de mayores dimensiones (Fig. 8). Este comportamiento resulta coherente con las recomendaciones de aplicaciones vertidas por
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algunos autores [9] que indican que requieren un sustrato de aplicación homogéneo y liso con aberturas o poros de dimensión no mayor a 0,1 mm.
El contenido de cloruros totales en los hormigones no superó en ninguno de los casos el 0,7 % referido a la masa de cemento en el hormigón.
Figura 8: Carbonatación en
poros Figura 9: Carbonatación en
probetas B Figura 10: Carbonatación en
probetas A
En las Fig. 11 a 14 se observa la evolución de la profundidad del frente
de carbonatación (línea gruesa continua) y de la velocidad de pulsos ultrasónicos para los hormigones expuestos durante 36 meses. El avance de la carbonatación resulta más rápido en los hormigones tipo B (a/c=0,65) (Fig. 8) que en los hormigones de tipo A (a/c=0,45) (Fig. 10), debido a que aumenta el volumen de poros capilares y, por lo tanto, la permeabilidad del material al agua y a los gases. Para ambos tipos de hormigones se observa que la penetración del frente de carbonatación tiende a incrementarse levemente en las probetas que se encuentran protegidas del humedecimiento por acción de las precipitaciones. Estas observaciones resultan coincidentes con experiencias [11] en las que se ha verificado diferencias significativas entre los espesores carbonatados medidos en hormigones ubicados en el interior y exterior de las estructuras, debido a la modificación del contenido de CO2 de la atmósfera de contacto y presencia de humedad. Para que se produzca la reacción de carbonatación, es necesaria la presencia de agua, siendo la situación preferencial una humedad comprendida entre 50 y 60 %. Cuando el hormigón tiene sus poros capilares saturados o cuando la red se encuentra totalmente seca, el CO2 no puede ingresar [2-9]. Se observa en la Fig. 7c que la humedad relativa ambiente de la ciudad de Santa Fe resulta cercana a este nivel óptimo para el progreso del fenómeno de la carbonatación.
En las Fig. 11 a 13 se puede apreciar además el avance del área carbonatada (línea fina punteada) determinado mediante “software CAD”, que tiene aproximadamente las mismas tendencias de avance que el determinado en forma tradicional mediante regla. Esta diferencia se puede atribuir a los errores propios de los métodos de medición.
En estas mismas figuras se aprecia el incremento de la profundidad del frente de carbonatación para los hormigones ubicados en los distintos ambientes de exposición. Puede observarse que, las diferencias de penetración no resultan significativas entre los tres Grupos definidos de acuerdo al nivel de contaminación (Grupos A, B, y C).
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Si tenemos en cuenta los niveles de CO de otras ciudades (Tabla 4) y que un ambiente limpio se considera aquel que tiene un nivel de CO por debajo 0,11 mg/m3 y un ambiente contaminado es aquel cuyos niveles de CO están entre 44,81 mg/m3 y 80,16 mg/m3 [15], se puede ver que los niveles de contaminación en la ciudad de Santa Fe no son significativos. Con esto se pude explicar el comportamiento del avance del frente de carbonatación en las probetas ubicadas en los diferentes sectores de la ciudad, ya que las mismas pueden llegar a verse más afectadas por influencias puntuales que por la contaminación ambiental urbana.
Podemos caracterizar los diferentes sectores urbanos en que se expusieron las probetas de la siguiente manera: el Grupo B corresponde al microcentro urbano con una densidad de edificaciones y de circulación automotor elevada y una escasa presencia de áreas verdes o que propicien un buen nivel de ventilación; el Grupo C corresponde a sectores de mediana a reducida circulación automotor, gran presencia de áreas verdes y excelente nivel de ventilación; y el Grupo A se encuentra en una situación intermedia.
La evolución de la velocidad de pulsos ultrasónicos muestra que los hormigones (Fig. 14) no han modificado significativamente sus características (las curvas se mantienen aprox. planas), con excepción de la última medición realizada, que presenta una disminución generalizada de la velocidad del pulso ultrasónico en todas las probetas, provocando esta medición que la tendencia que se venía obteniendo se vea modificada notablemente. Dicho comportamiento se puede atribuir a un período de sequía que atravesó la región (Fig. 7d).
No obstante, para las probetas que se encuentran protegidas del humedecimiento por acción de las precipitaciones se evidencia una notable reducción de este parámetro, que confirma un proceso de reducción del contenido de humedad del hormigón hasta alcanzar el equilibrio con el ambiente.
Figura 11: Avance de la carbonatación. Las líneas punteadas indican área carbonatada en cm2
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Figura 12: Avance de la carbonatación. Las líneas punteadas indican área
carbonatada en cm2
Figura 13: Avance de la carbonatación. Las líneas punteadas indican área
carbonatada en cm2.
Figura 14: Velocidad del pulso ultrasónico en función del tipo de hormigón
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Tabla 5: Mediciones realizadas sobre las probetas
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Exposición Probetas de Hormigón Celular
Debido al bajo grado de contaminación atmosférica que presenta la ciudad de Santa Fe (si la comparamos con otras ciudades más industrializadas) se expusieron probetas de hormigón celular de espuma ya que estas presentan una elevada velocidad de carbonatación en comparación con el hormigón celular.
A pesar de ser baja la diferencia de contaminación entre las dos estaciones en que se expusieron las probetas, se puede ver claramente que el avance y velocidad de carbonatación en las probetas del Grupo B (mayor contaminación) es mayor que en las del Grupo C (menor contaminación).
Figura 15: Avance de carbonatación en hormigón celular
CONCLUSIONES
En función de los datos relevados durante la exposición de probetas a distintas condiciones de contaminación y humedecimiento puede concluirse:
• La exposición de hormigones convencionales en ambientes urbanos poco industrializados (como la ciudad de Santa Fe, con baja concentración de CO) no produce una variación significativa en la velocidad del avance del frente de carbonatación.
• Dicha variación sí se ve reflejada en la exposición de hormigones celulares de espuma, produciéndose un incremento visible en la velocidad de avance del frente de carbonatación en sectores con mayor concentración de CO. De todas maneras este comportamiento debería ser estudiado en ambientes urbanos con mayor contaminación ambiental.
• El avance del frente de carbonatación tiende a ser más rápido en hormigones protegidos del humedecimiento periódico por lluvias.
• La aplicación de pinturas acrílicas y poliuretánicas resultan efectivas como barreras anticarbonatación, no obstante, se requieren
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evaluaciones más prolongadas a fin de determinar la durabilidad de los mismos y el análisis de otros de tipos de pinturas.
AGRADECIMIENTOS
La concreción de este trabajo fue posible gracias al apoyo recibido del Instituto Nacional del Agua (INA) y del Centro de Informaciones Meteorológicas (CIM) de la FICH-UNL que pusieron a disposición los datos meteorológicos informados, del Grupo de Estudios Sobre la Energía (GESE) de la FRSF-UTN que proveyó los datos de contaminación ambiental y, a las empresas SIKA Argentina y Relastic S.R.L. por suministrarnos las pinturas.
REFERENCIAS
[1]. L. Traversa; “Corrosión de armaduras en atmósferas rurales, urbanas, marinas e industriales en Durabilidad del Hormigón Estructural”; Ed. F.E. Irassar, Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón, Olavarría, Argentina, 2001, p. 217-257.
[2]. “Manual de inspección, evaluación y diagnóstico de corrosion en estructuras de homigón armado”; Subprograma DURAR, CYTED; Río de Janeiro, 1997.
[3]. “Análisis estadístico de patologías de las estructuras de hormigón”; M.F. Carrasco, C.A. Defagot, M.D. Segovia, J.M. Paez de la Torre, A. Guilarducci, F. Quirós; 16º Reunión Técnica de la AATH, 2006, p. 331-338.
[4]. “Carbonatación de estructuras de hormigón armado en la región centro-este Argentina: Influencia de la contaminación ambiental urbana”; M.D. Segovia, A.I. Yoris, A. Guilarducci, C.A. Defagot, N.O. Ulibarrie; Revista Tecnología y Ciencia, 2009, p. 11-23.
[5]. Conferencia “Corrosión de armaduras en atmósferas rurales, urbanas, marinas e industriales”; L.P. Traversa, Jornada Técnica “Corrosión en estructuras de hormigón armado”, La Plata, Julio 2008.
[6]. Reglamento CIRSOC 201, Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón, Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Argentina, 2002 (en discusión pública).
[7]. H. Al-Khaiat, M. N. Haque, “Carbonation of some coastal concrete structures in Kuwait”, ACI Materials Journal, Nov-Dec 1997.
[8]. Reglamento CIRSOC 201, Proyecto, cálculo y ejecución de estructuras de hormigón armado y pretensado, Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Argentina, 1982.
[9]. P. Helene, F. P. Figueiredo; “Manual de Rehabilitación de Estructuras de Hormigón. Reparación, refuerzo y protección”; Ed. P. Helene, F. Pereira, CYTED, Brasil, 2003.
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[10]. D. C. Montgomery, G. C. Runger. Probabilidad y Estadística aplicadas a la Ingeniería, p. 787. Mc Graw Hill, México, 1996.
[11]. Imre Biczok; “Corrosión y Protección del Hormigón”; traducido al castellano, España, 1978.
[12]. Diario La Nación, Sábado 17 de Enero de 1998.
[13]. Diario Clarín, Jueves 17 de Abril de 2008.
[14]. http://www.estrucplan.com.ar/Articulos/verarticulo.asp?IDArticulo=1334
[15]. http://www.cienciahoy.org.ar/hoy31/BuenosAires02.htm
[16]. “Análisis de la fiabilidad estructural respecto de la corrosión por carbonatación”; L. Eperjesi, A. Vicente, E. Ferreyra Hirschi, G. Soprano; 17º Reunión Técnica de la AATH, 2008, p. 201-208.
