Concreto Durable

En la actualidad el concreto es el material más utilizado en la construcción, y a menos que haya una revolución en los materiales de construcción, seguirá siéndolo; gran parte de la infraestructura de los países está elaborada con él, por lo que su conocimiento y tecnología son básicos para el ingeniero civil encargado de alguna etapa del proceso constructivo. Es un tema con implicaciones socioeconómicas. El Reino Unido, un país desarrollado, destina 40% de la inversión en construcción a la reparación y al mantenimiento, 4% de su Producto Interno Bruto (Neville, 2001). Un país subdesarrollado como el nuestro, ¿Cuánto destina? El ahorro que pueda lograr un país en 30 años por investigar y construir ahora estructuras durables puede ser un detonante fundamental en el futuro, dada la escasez de materiales y recursos. Acaso, ¿No destinará mayores recursos un país o una empresa a la investigación, a la capacitación de personal o a construir nueva infraestructura o a otros aspectos igualmente importantes que aquel país o empresa que lo destine al mantenimiento y reparación de su infraestructura o bienes inmobiliarios?
Desde siempre se ha estado investigando para poder mejorar la resistencia del concreto, como se sabe, existen muchos agentes que pueden perjudicar su resistencia, tales como ataque de sulfatos, exposición al agua de mar, ataque ácido, carbonatación, abrasión, corrosión del acero de refuerzo y reacciones químicas. Es por eso que una de las mejores opciones para combatir esto y que el concreto dure mucho más es con el concreto durable, caracterizado especialmente para lograr una baja permeabilidad y alta resistencia al ataque de agentes externos.
La durabilidad es una propiedad importante del concreto, es indispensable que tenga la calidad y capacidad para resistir las condiciones de servicio. El ACI–201 (1997) la define como: “la habilidad para resistir la acción del tiempo, ataque químico, abrasión o cualquier otro proceso de deterioro. Un concreto durable mantendrá su forma, calidad y condiciones de servicio originales, cuando se exponen a su ambiente”. Se evalúa “en función de su capacidad para resistir las acciones de deterioro derivadas de las condiciones de exposición y servicio a que está sometida” (ACI, Sección Centro y Sur de México, 1996).
Los agentes que afectan a la durabilidad se pueden clasificar por su origen: agentes físicos, químicos, biológicos y mecánicos. Los físicos son debidos a cambios en el medio ambiente (congelamiento–deshielo, cargas, etc.). Entre los agentes químicos destacan los ataques por sulfatos, ácidos, agua de mar y cloruros, estos últimos inducen a la corrosión electroquímica del acero de refuerzo.
Los biológicos pueden ser microorganismos, algas y moluscos. Los mecánicos se deben a las condiciones a que se expone el concreto (por ejemplo, abrasión y erosión). En ocasiones, estos agentes se presentan simultáneamente, por lo que se pueden tener combinaciones interesantes. Obviamente el efecto del daño se debe a cuestiones intrínsecas y extrínsecas del concreto, como es la calidad del mismo y el grado del agente activo al que se encuentra expuesto.
La importancia de los agentes agresivos está en función del entorno en que se encuentran, velocidad de penetración y medio de transporte. Dichos agentes agresivos pueden ser gases, líquidos o partículas que forman parte de los suelos adyacentes al concreto. Los siguientes agentes son:
– Exposición al ataque químico.
– Corrosión del acero de refuerzo y otros metales embebidos en concreto.
– Reacciones químicas de agregados.
– Congelamiento y deshielo.
– Abrasión

Condiciones de servicio

Ataque por sulfatos
De manera común, las sales inorgánicas presentes en estos medios son los sulfatos, los cuales se encuentran en diferentes niveles de concentración en la naturaleza. Cuando se estiman en concentraciones pequeñas, se consideran prácticamente inofensivos, pero a medida que incrementan su nivel de concentración, su presencia se vuelve una condición de riesgo para las estructuras de concreto ya que puede producir cambios volumétricos en los elementos, de tal forma que ocurra un deterioro prematuro del concreto. Cabe mencionar que la condición más desfavorable cuando existen sulfatos es cuando éstos se encuentran solubles en agua.
En el mundo existen numerosos sitios donde el suelo o el agua, o ambos, contienen elevadas concentraciones de sulfatos, lo cual reviste importancia cuando en estos sitios se pretende cimentar estructuras de concreto. De manera general, no limitativa, puede decirse que es conveniente evaluar esta condición previamente a la construcción, analizando el suelo y el agua, en las zonas áridas y semidesérticas.
Exposición al agua de mar
El agua de mar contiene de manera natural elevadas concentraciones de sulfatos (1,500 ppm) y de cloruros ( > 20,000 ppm), por lo que representa un medio de contacto francamente agresivo para el concreto, ya que se debe cuidar la combinación de efectos por la concentración elevada de este tipo de sales en el medio.
Carbonatación
Los principales efectos de la carbonatación son una clara disminución del pH de la pasta de concreto, que como consecuencia genera una disminución de la protección que da la pasta a la corrosión del acero de refuerzo. El principal promotor de la corrosión es el CO2 que se encuentra presente en el ambiente de manera regular, cuando se combina con la temperatura, la humedad relativa y la permeabilidad del concreto.
Altas tasas de carbonatación ocurren cuando la humedad relativa se ubica entre 50 y 70 por ciento, y cuando ésta tiene valores < 25 por ciento, la carbonatación se considera insignificante. Se ha identificado que el agua contiene más de 20 ppm de CO2 agresivo, lo cual puede favorecer la rápida carbonatación de la pasta de cemento portland; por otra parte, se ha concluido que en aguas con libertad de movimiento con 10 ppm o menos de CO2 agresivo, el riesgo de carbonatación resulta insignificante.
Corrosión del acero de refuerzo
Se ha identificado que la principal causa de corrosión del acero del refuerzo embebido en el concreto tiene origen en una diferencia potencial electroquímica en la que es común la presencia de una corriente eléctrica que inicia el fenómeno de corrosión electrolítica, aunque también se reconoce que este tipo de proceso se puede manifestar por un ataque químico directo.
Como consecuencia de los procesos de corrosión del acero, se pueden tener dos efectos claramente diferenciados en las estructuras de concreto. Por una parte, debido a la corrosión del acero de refuerzo disminuye la sección del acero, con lo que pierde su adherencia a la pasta, se afectan en forma negativa sus propiedades mecánicas y, por tanto, merma su capacidad de trabajo estructural. Por otra parte, ocurren cambios volumétricos que se derivan de la formación de los productos de la corrosión, donde dichos cambios generan presiones lo suficientemente poderosas para agrietar la pasta de concreto y, en casos extremos, provocar desprendimientos de concreto.
Para mitigar la ocurrencia de los procesos corrosivos, se deben identificar las principales causas que lo favorecen, lo cual se ha hecho2 de acuerdo con lo siguiente:
  • Excesiva porosidad del concreto (concreto permeable al agua y al aire).
  • Reducido espesor del recubrimiento de concreto sobre el refuerzo.
  • Existencia de grietas en la estructura.
  • Alta concentración de agentes corrosivos en los componentes del concreto.
  • Manifestación de corrientes eléctricas en el concreto (corrientes parásitas o generadas internamente por diferencia de potencial).
Abrasión
Por definición, el ACI 116 considera como abrasión las acciones de desgaste derivadas de la fricción y el frotamiento, mientras que la erosión corresponde a la acción abrasiva de cavitación en el concreto derivado de la acción de cualquier fluido en movimiento.
De tal forma, se identifica que la resistencia a este proceso depende de tres aspectos básicos: la resistencia intrínseca de los agregados a las acciones abrasivas y su composición granulométrica; la resistencia mecánica del concreto, específicamente a la compresión, y los diferentes aspectos prácticos involucrados en el uso del concreto y la ejecución de la obra.1
Las condiciones anteriores, el ACI 3022 las ha resumido y agrupado en una serie de deficiencias que afecta en forma directa la resistencia al desgaste de las superficies de concreto expuestas a la abrasión, por lo que para mejorar la resistencia de las estructuras a este proceso se debe evitar lo siguiente:
  • Emplear excesiva agua de mezclado.
  • Utilizar la cantidad de cemento adecuada, evitando la insuficiencia.
  • Revenimiento alto que provoque el movimiento de las partículas ligeras hacia la superficie y el sangrado.
  • Manipulación excesiva del concreto.
  • Contenido de aire que no considere las condiciones de exposición.
  • Prácticas inadecuadas de acabado que favorecen el proceso de sangrado.
  • Realización del acabado superficial con adición de agua.
  • Formas y prácticas de curado no adecuadas.
  • Carbonatación.
  • Disminución de la resistencia potencial del concreto.
  • Apertura de la estructura al tránsito en forma prematura.
Problemática del concreto
Una forma sencilla de abordar esta problemática actual de las estructuras de concreto es citar algunos ejemplos donde la ignorancia o la poca importancia dada a la durabilidad durante su diseño y la falta de evaluación de las condiciones de exposición y servicio de los elementos se tradujo en el deterioro acelerado de las estructuras, con sus subsiguientes problemas operativos., mantenimiento, costos de reparación y disminución de su vida útil.
Caso 1
Datos de la construcción
  • Edificio de cinco niveles, de uso habitacional; construido con un sistema de columnas y losas; concreto recubierto con pintura vinílica.
  • Especificaciones: f’ c 250 kg / cm2 y revenimiento desconocido.
Condiciones de exposición
  • Construido en zona costera a menos de 50 m de la playa.
  • Clima húmedo marino.
  • Temperaturas promedio superiores a los 30 °C y humedad relativa entre 60 y 80 por ciento.
  • Cimentación en contacto con un suelo rico en sales (Cl y SO4)
  • Fachada que da a la playa con elevado contenido de sales producto de la evaporación del agua de mar y que son transportadas por el viento.
Condiciones de servicio
  • Ataque químico de débil a moderado.
  • Riesgo de moderado a elevado de corrosión del acero de refuerzo.
Descripción de daños
  • La identificación y registro de daños se tomó a partir del quinto año de construcción; la evaluación de daños se hizo a los diez años de operación.
  • La ubicación de los daños es en las columnas y balcones que tienen su cara hacia la playa; en los concretos del interior no se observó daño alguno.
  • Los daños se caracterizan por fisuramiento, desprendimientos superficiales de concreto y corrosión generalizada del acero de refuerzo; en casos extremos han desaparecido los estribos.
  • La ubicación de las fisuras está claramente asociada en superficie a la posición del acero de refuerzo, y a profundidad se relaciona con la sección media de la varilla. Las fisuras presentan continuidad, longitud igual al acero de refuerzo y ancho de hasta 5 mm y sin relleno.
  • La mayoría de los desprendimientos se ha dado en la parte inferior de los balcones.
  • El acero presenta productos de corrosión en toda la superficie expuesta y se estima que ha perdido menos del 10 por ciento de su sección original.
Características de los elementos
  • En el concreto se observó segregación, sangrado, estructuras de panal de abeja, elevado contenido de aire (>10%), alta permeabilidad, elevado coeficiente de difusión de cloruros, diferencias importantes en el concreto de un mismo elemento, inadecuada elección del tamaño máximo del agregado grueso y resistencia superior a los 400 kg / cm2.
  • Recubrimientos diferenciales del acero, siendo los de mínimo espesor aquellos que tienen la condición de servicio más desfavorable.
  • En el concreto superficial se midió un contenido de cloruros de 3 kg / m3 de concreto y a la altura de la varilla el contenido fue de 9 kg / m3; contenidos que se ubican muy por encima del valor límite para la ocurrencia de la corrosión, que es de 0.8 kg / m3.
Consecuencias
  • Necesidad de una reparación mayor a 10 años de construido el edificio, para asegurar el adecuado funcionamiento y seguridad de la estructura.
  • Costos del proyecto incrementados en un porcentaje importante, derivado de los altos costos de mantenimiento y reparación.
USOS
📷El concreto durable se usa especialmente en:
-Ambientes marinos
-Suelos
-Aguas residuales
-Humedecimiento y secado
-Ambientes de alta polución
VENTAJAS
-Con un buen diseño, especificación y colocación este concreto puede aumentar considerablemente la vida útil de una estructura.
-Facilita la consolidación en la estructura con diseños autocompactantes o de alta fluidez, especialmente en áreas con gran densidad de acero o encofrados estrechos.
– Garantiza un alto desempeño del concreto bajo ambientes agresivos.
-Mezcla manejable, homogénea y con mínima segregación
-Disminuye los desperdicios en obra
Como se menciono anteriormente el concreto durable es mejor para evitar los siguientes ataques externos:
Ataques por sulfatos: Genera la expansión y fisuración en la estructura.
Ataque de cloruros: Corroe el acero de refuerzo.
Carbonatación: Reduce el pH del concreto y facilita la corrosión al acero.
Ataques químicos: Daña la estructura del concreto
Diseño de mezcla para agentes agresivos
El diseño de la mezcla de concreto tiene una influencia definitiva en su desempeño, tanto en estado fresco como endurecido. Para que el concreto cumpla con su papel de ser un material que no requiere mantenimiento en condiciones de servicio agresivas se necesita de una reorientación de los conceptos usuales empleados en el diseño de mezclas. En condiciones de servicio moderadas, las mezclas de concreto se diseñan para cumplir tres criterios: resistencia, trabajabilidad y durabilidad. Sin embargo, para condiciones ambientales particularmente severas el concreto debe diseñarse principalmente por durabilidad y se prevé que, si el concreto se diseña para una buena durabilidad, alcanzará sin duda los requisitos de resistencia. Debido a que todos estos mecanismos de deterioro están relacionados con la permeabilidad del concreto, es esencial que el concreto sea suficientemente denso e impermeable para que alcance alta durabilidad. Estudios realizados sobre pasta de cemento han mostrado que la distribución, tamaño de poro y la permeabilidad de la pasta es función directa de la relación agua-cemento.
Por tanto, para obtener concretos con buena durabilidad se requiere que la relación agua-cemento sea menor que 0.45 y de preferencia alrededor de 0.40; para medios muy agresivos puede necesitarse relaciones cercanas a 0.30. Para esas relaciones agua-cemento suele requerirse la dosificación de algún aditivo fluidificante para alcanzar una trabajabilidad adecuada.
De acuerdo con la severidad de las condiciones de servicio puede requerirse que además de la restricción en la relación agua-cemento se necesite establecer un consumo mínimo de cemento. Sin embargo, el contenido de cemento no debe ser tan alto para que induzca agrietamiento por contracción por secado en secciones delgadas o para que genere esfuerzos térmicos en secciones gruesas. Para optimar las propiedades del concreto endurecido, en el diseño de la mezcla de concreto es importante determinar la combinación óptima en que deben mezclarse los agregados fino y grueso, sobre todo si la granulometría de los mismos puede conducir a una distribución discontinua de tamaños. El proporcionamiento correcto de agregado fino y grueso es un parámetro esencial en el diseño de mezclas para concretos durables
📷Se deben considera las siguientes características:
CONCLUSIONES:
El concreto durable es mucho más impermeable que el concreto corriente, por lo tanto, es mucho más resistente, le afectan menos los agentes externos y es más durable y que las pruebas para el diseño de mezcla son más estrictas. El reto de este concreto es proyectar estructuras de concreto reforzado capaces de lograr vidas útiles superiores a las actuales. Nuestro país debe impulsar esta investigación y aplicarla en el mediano plazo, con el objetivo a largo plazo de lograr efectivamente un desarrollo sustentable en la infraestructura nacional, y en general, en la industria de la construcción. La meta está definida, hoy tenemos que dar el primer paso.
Son muchos los agentes responsables: el especificador, el productor de concreto, el constructor, el interventor y los laboratorios que evalúan la mezcla., y cada uno de ellos desde su función debe intervenir y contribuir a la calidad y vida útil de la estructura para la que fue proyectada. Para tener estructuras durables es importante contar no solo con concretos durables, además debemos garantizar que la especificación, el diseño, la construcción, la supervisión y la protección sean las adecuadas, sólo así podremos mejorar la vida útil de las estructuras.
BIBLIOGRAFÍA
  1. ACI Committee 222, “Hot weather concreting”, Report ACI 222R, American Concrete Institute, Detroit, EUA, 1991.
  2. ACI Committee 302, “Guide for concrete floor and slab construction”, Report ACI 302R, American Concrete Institute, Detroit, EUA, 1980
3. ARGOS (2015) Concreto durable de baja permeabilidad. https://neufert-cdn.archdaily.net/uploads/product_file/file/7005/CONCRETO_DURABLE_DE_BAJA_PERMEABILIDAD.pdf (Consulta: 20 de abril del 2015)
4. URIBE AFIF, Roberto (2015) Concreto durable, el inicio del cambio. http://imcyc.com/biblioteca/ArchivosPDF/Durabilidad%20del%20concreto/4%20Concreto%20durable,%20el%20inicio%20del%20cambio.pdf (Consulta: 20 de abril del 2015)
5. HERNÁNDEZ CASTAÑEDA , MENDOZA ESCOBEDO (2005) Durabilidad e infraestructura: retos e impacto socioeconómico.( http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432006000100005) (Consulta: 20 de abril del 2015)
6. MENDOZA ESCOBEDO, FARFÁN SAMPERIO. Durabilidad de concretos estructurales. (http://www.smie.org.mx/SMIE_Articulos/co/co_12/te_07/ar_01.pdf ) (Consulta: 20 de abril del 2015)
TRABAJO DE REDACCIÓN E INVESTIGACIÓN REALIZADO POR:

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