PARTE 3: PROPIEDADES DEL HORMIGON ENDURECIDO PROPIEDADES MECANICAS: ENSAYOS DURABILIDAD: PATOLOGÍAS MÁS FRECUENTES Y ENSAYOS PARA LA PREVENCIÓN Y EL DIAGNÓSTICO NUEVO ENFOQUE PROYECTO CIRSOC 201:2002 Instituto Nacional de Tecnología Industrial Centro de Investigación y Desarrollo en Construcciones

Durabilidad La durabilidad está directamente relacionada con la calidad del hormigón del recubrimiento. Influye la “penetrabilidad”, que puede estar dada por tres mecanismos de ingreso de agentes agresivos o simplemente agua: Permeabilidad: debido a gradiente de presiones Absorción capilar: debido a la ascención del fluido a través de los poros capilares Difusión: debido a gradiente de concentración de iones (Cl-)

La durabilidad del hormigón: su relación con la estructura de poros y los mecanismos de transporte de fluidos

“Un hormigón resistente es un hormigón durable” DURABILIDAD POROSIDAD Relación a/c Resistencias mínimas Contenidos mínimos de cemento + CURADO EFICIENTE Los códigos y reglamentos establecen La reducción en la porosidad se traduce en un aumento de la resistencia “Un hormigón resistente es un hormigón durable”

Esquema de la hidratación Partícula de Cemento anhidro Partícula de Cemento hidratación incipiente Partícula de Cemento con hidratación avanzada Alta a/c Baja a/c Edad = 0 Edad = meses Edad = horas

Sistema de poros del hormigón * Poros de gel: depende de los productos de hidratación (aprox. 26 % del volumen del C-S-H) * Poros capilares: depende de la relación a/c, de la cantidad de agua, eventual exudación y de la eficiencia del curado * Burbujas de aire intencionalmente incorporado: dependen de la dosis de aditivo y su eficiencia * Macroporos: dependen de la compactación

Tamaño medio de poros en la pasta de cemento 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 Poros capilares Poros gel Aire incor Diám ( mm) Macro - poros

Notar cómo se reduce la porosidad capilar con el avance del grado de hidratación y con la reducción de la relación a/c. Los poros de gel no pueden controlarse.

Influencia de la relación a/c sobre la permeabilidad Influencia de la duración del curado sobre la permeabilidad: los días iniciales son cruciales para el avance de la hidratación

Permeabilidad o Penetrabilidad Es la facilidad con la cual cualquier agente agresivo puede moverse hacia o desde el interior del hormigón La resistencia del hormigón a un daño potencial se puede evaluar a través de la medición de las propiedades que abarca la penetrabilidad Existen tres mecanismos básicos de movimiento de líquidos, gases o iones dentro del hormigón La velocidad de transporte regida por estos mecanismos depende de las proporciones de la mezcla, ejecución y curado, viéndose afectada por las condiciones de exposición

Transporte de fluidos en el hormigón Transporte por una diferencia de presión (hidrostática), o gradiente de presiones. El parámetro de control es la permeabilidad del material La succión capilar genera una diferencia de presiones que induce a moverse al fluido, generando una “succión” hacia el interior del sólido. Intervienen las tensiones capilares y la permeabilidad. Transporte por diferencia de concentración de sustancias (gases, soluciones, etc.). Está regido por las leyes de difusión. Es un mecanismo lento Casos combinados: efecto mecha.

Mecanismos acoplados Superficie saturada Superficie con HR < 100 % hormigón Vapor de agua agua Superficie saturada Superficie con HR < 100 % EFECTO “MECHA” Ejemplo: losa de subpresión o muros de una estructura en contacto con suelo saturado externamente y seco al aire en el interior (cocheras)

Permeabilidad: Transporte por gradiente de presiones La diferencia de presión origina el movimiento del fluido, lógicamente desde el lugar con mayor presión al de menor presión Está regulado por el gradiente de presión, diámetro e interconexión de los poros capilares El flujo puede calcularse por aplicación de la ecuación de Poiseuille equivalente a la ley de Darcy para fluido incompresible Ejemplos típicos: estructuras de retención de agua

Transporte por escurrimiento hidráulico: permeabilidad Q dz Presión P Presión P+dP Ley generalizada de Darcy Q = -(K/m).A. dP/dz Ecuación de Poiseuille p (p1-p2)R4 R2 (p1-p2) Q = = . p R2 . 8 m L 8 m L R2/ 8  : la permeabilidad aumenta con el diámetro del capilar y se reduce con el aumento de la viscosidad

La percolación de agua arrastra el hidróxido de calcio del hormigón, formando estalactitas. Cae el pH y hay riesgo de corrosión Losa de cocheras bajo fuente ornamental La falta de estanqueidad del encofrado puede generar zonas de mayor permeabilidad por fugas de pasta y mortero

Succión capilar La velocidad de ingreso del líquido se denomina coeficiente de succión capilar Está regulado por el diámetro e interconexión de los poros capilares y por el gradiente de humedad existente desde la superficie Ejemplos típicos: estructuras marinas sometidas a ciclos de mojado y secado

Fenómenos capilares. Ley de Jurín La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido por Ley de Laplace: DP = 2g/R = 2g cos f /r DP = r g h h = 2g cos f /r r g h genera la diferencia de presión y representa el poder de succión : ángulo de mojado

Succión capilar Se puede demostrar que la velocidad de succión capilar es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo para los primeros momentos En base a esto se ha diseñado un ensayo sencillo que consiste en medir el incremento del peso en función del tiempo Las zonas inferiores de columnas son más proclives a la corrosión por este fenómeno Se soluciona con adecuados detalles constructivos (incremento de sección en la base, pendiente para evitar acumulación del agua)

La succión del agua desde el solado hacia la columna ha permitido un proceso corrosivo que se manifiesta por las fisuras en el arranque de columna.

Mecanismos de difusión Se originan por diferencias de concentración entre distintos sectores del material (exterior - interior). La tendencia es hacia el equilibrio en las concentraciones, pero la cinética de la reacción es lenta. Responden a las leyes de Fick, cuya solución puede obtenerse a través de la función error. El coeficiente de difusión define la velocidad de movimiento del gas, vapor o ion a través de la solución de poros de gel Depende del gradiente de concentraciones, el tipo de agente, posibles reacciones con los productos de hidratación y el diámetro e interconexión de los poros capilares Ejemplos típicos: ataque por sulfatos por contaminación de aguas de contacto en elementos de fundación

Ejemplo: perfil de penetración de Cl- Perfil “teórico” [Cl-] Ext. Perfil real Superficie del H° [Cl-] Interna Distancia hacia el interior del H° * La penetración de cloruros es un proceso combinado de succión capilar y difusión. * El pico de máxima concentración se desplaza levemente hacia el interior por el mojado y secado de la superficie que se lava con la lluvia

Ejemplo: gradiente de humedad HR Interna Notar que la distribución de humedad es NO LINEAL HR Ext. Superficie del H° Distancia hacia el interior del H° Esta distribución explica por qué el hormigón se moja rápido (proceso capilar) y tarda en secarse (por difusión).

Evaluación de la permeabilidad Determinación de la permeabilidad al oxígeno (Cembureau) Succión capilar (Proyecto Norma IRAM1871) Determinación de la permeabilidad al aire (Torrent)

Evaluación de la permeabilidad Determinación de la permeabilidad al oxígeno (Cembureau) Principio del método: Relación de Hagen-Poiseuille para flujo laminar de un fluido compresible a través de un cuerpo poroso con capilares bajo condiciones estacionarias k = 2 Q po L  [m2] A (p2 – pa2) Probetas moldeadas o testigos calados Discos 150 mm diámetro x 50 mm de altura

Preacondicionamiento Secado a estufa a 50 °C durante 5 días Procedimiento Se coloca el disco en la celda cuidando que no existan pérdidas en las juntas. Se seleccionan 5 niveles de presión y para cada uno se espera que se estabilice, tomando lecturas de Q cada 5 minutos hasta que en 2 lecturas sucesivas la diferencia sea < 3 %. Se determinan kOi para cada nivel reemplazando los valores obtenidos en la fórmula y se promedian para obtener kO. Ventajas: Buena repetibilidad, condiciones de humedad estandarizadas, buena correlación con otras propiedades Desventaja: Es un equipo exclusivo de laboratorio

Equipo de determinación de la permeabilidad al oxígeno por el Método Cembureau

CLASIFICACION DE LA CALIDAD DEL RECUBRIMIENTO Coeficiente de permeabilidad al oxígeno kO [10-16 m2] Excelente < 0.1 Muy Bueno 0.1 - 0.5 Medio 0.5 - 2.5 Pobre 2.5 - 12.5 Muy Pobre > 12.5

Determinación de la succión capilar (Proyecto IRAM 1871) Probetas y preacondicionamiento: Discos para kO previamente secados a peso cte a 50 ± 2 °C Principio del método: Los discos con la superficie en estudio se ponen en contacto con 3 ± 1 mm de agua en una batea evitando la evaporación. Se pesan las probetas a determinados intervalos para determinar la velocidad de succión capilar (30 min, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 24, 48 y cada 24 h hasta que el incremento en peso < 0.1 %). Agua absorbida en función del tiempo 0.5: teóricamente lineal Debido a la altura de la probeta, difusión, heterogeneidades, tamaño de poros no es lineal

Parámetros a determinar Capacidad de absorción capilar : se determina cuando el incremento de masa llega a peso cte, depende del tamaño de los capilares Velocidad de absorción capilar: depende del tamaño de los capilares y de la porosidad. Se obtiene como la pendiente de la curva entre 0.1 y 0.8 C. Tendrá un requisito en el nuevo CIRSOC como aceptación de la mezcla de hormigón. Se determinan como el promedio del ensayo de tres probetas Disco =150 mm h= 50 mm Disco de ensayo Nivel de agua 3 ± 1 mm 5 cm 3 cm

Ajuste de cuadrados mínimos entre 0.1 C y 0.8 C prom

Discos de Hº en ensayo Ventajas: Rápido, sencillo, presenta buena correlación con kO y kT , no requiere equipamiento ni personal sofisticado Desventajas: la velocidad varía notablemente con el estado de humedad inicial

Determinación de la permeabilidad al aire (Método Torrent) Probetas y preacondicionamiento Discos para kO Aparato Dos cámaras de vacío y un regulador que equilibra ambas cámaras. Principio del método Se crea un vacío con la bomba, la celda se adhiere a la superficie mediante los anillos de goma. Se asegura un flujo unidireccional de aire en la cámara interna. La velocidad a la cual se eleva la presión interna se relaciona con la permeabilidad del hormigón.

Celda de vacío de dos cámaras con anillos de sellado 1.Presión interna pi 2.Presión externa po = pi 3. Flujo de aire hacia la cámara externa 4.Flujo de aire hacia la cámara interna L= Profundidad de penetración del vacío Unidad de control con regulador de presión de membrana y sensor de presión. Conexión de vacío Celda de vacío de dos cámaras con anillos de sellado Display antes de comenzar la medición Display después de terminar la medición

Medición de la resistividad (Método de Wenner) Ventajas: Rápido, de laboratorio o de obra, presenta buena correlación con kO, succión capilar, carbonatación y penetración de cloruros. Desventajas: Depende mucho de la humedad del hormigón evaluado. Existen fórmulas de corrección en función de la resistividad medida con la sonda de 4 puntos de Wenner, aún no suficientemente probadas.

CLASIFICACION DE LA CALIDAD Coeficiente de permeabilidad al aire kT DEL RECUBRIMIENTO CALIDAD Coeficiente de permeabilidad al aire kT [10-16 m2] Excelente < 0.01 Muy Bueno 0.01 - 0.1 Medio 0.1 - 1.0 Pobre 1.0 - 10.0 Muy Pobre > 10.0

Penetración de agua a presión Probetas cúbicas o cilíndricas (IRAM 1554) Probetas cúbicas o cilíndricas Se aplican 3 escalones de agua: 1 kg/cm2 – 48 hs 3 kg/cm2 – 24 hs 7 kg/cm2 – 24 hs Se rompen a tracción por compresión diametral y se registra el perfil de penetración de agua, Lmáx, Lprom El CIRSOC fija una penetración máx de 50 mm y media de 30 mm

Fenómenos que intervienen en la protección del acero en el hormigón OH R R R R OH- R R R R Físico/Químico Tortuosidad Electroquímico Alcalinidad y pasivasión (pH>12,5) Eléctrico Alta Resistividad Las características físicas (microestructura) del recubrimiento en combinación con la resistencia química, influenciada por el aglomerante y su capacidad para inmovilizar los agentes agresivos sin expansiones La alcalinidad en el fluido de poros debida al HC y los álcalis solubles presentes en el cemento provee un estado termodinámicamente estable La resistencia eléctrica del hormigón es elevada y se ve influida por el contenido de humedad, limitando el pasaje de corrientes de corrosión

Mecanismos básicos de control de la corrosión Aporte de oxígeno Presencia de agua (líquida) Presencia de un electrolito Una estructura siempre sumergida, sin contacto con el aire, se corroe muy lentamente En un hormigón “seco”, no hay corrosión de armaduras. La presencia de sales y humedad acelera los procesos de corrosión

Detección de espesor carbonatado con solución de fenolftaleína en testigo calado de viga exterior. ¿Cuál es el lado que azota la lluvia? El agua satura frecuentemente el hormigón de recubrimiento, haciendo más lenta la carbonatación.

Espesor carbonatado FISURA PLASTICA El aire entra por las fisuras, induciendo carbonatación, que puede alcanzar la armadura.

Cloruros en el hormigón Algunos acelerantes de fraguado suelen contener Cloruro de Calcio que induce y acelera la corrosión del acero Las sales marinas y las sales descongelantes penetran en el hormigón fácilmente, salvo que estén especialmente formuladas. El agua de mar contiene cloruros

Cloruros en el hormigón Pueden estar en tres formas diferentes: a) libres en la solución de poros b)físicamente adsorbidos en la interfase de los productos de hidratación c)químicamente combinados en los productos de hidratación Prod.de hid Cl- adsorb. Los cloruros libres en la solución de poros son los que presentan mayor peligrosidad ya que pueden continuar penetrando. Cl- libres Solución de poros

Muelle marino Ataque por cloruros

Cloruros Algunas normas permiten hasta 0.4% en peso del cemento de Cloruro, cuando se incluye en la mezcla. El CIRSOC aprueba hasta 0.3 % máx El Cloruro que ingresa posteriormente por condiciones de exposición externa es mucho peor En la práctica, el valor crítico depende de la calidad del hormigón y el ambiente Un Hormigón de Buena Calidad No Carbonatado puede tolerar hasta 1% de cloruro

Ataque por sulfatos Las soluciones que contienen sulfatos reaccionan con el CH y el C3A para formar yeso y sulfoaluminato de calcio (etringita) Los suelos y el agua de mar contienen sulfatos de calcio, sodio y magnesio El ataque por sulfatos puro es muy poco frecuente Se ha demostrado experimentalmente que sólo fueron atacados hormigones de baja calidad (CUC<300 kg/m3) y para contenidos de sulfatos > 4.0% del peso de cemento Para que ocurra, el hormigón debe estar húmedo durante períodos prolongados

Secuencia del ataque por sulfato Etapa de reacción Reacción química Factor relevante en el hormigón Estrategia de control 1 Penetración del ion SO 2-4 (externo)  SO 2-4 (interno) Permeabilidad Baja a/c, adición de puzolana o escoria 2 Corrosión del yeso Ca(OH)2 + SO 2-4  CaSO4.2H2O + 2OH- Contenido de Ca(OH)2 Adición de puzolana o escoria 3 Corrosión de sulfoaluminato C4ASH12 + yeso  C6A S3H32 (etringita) (*) Contenido de C3A Cemento ARS o MRS (*) S: SULFATO

Ataque por sulfatos El primer proceso es la difusión de los iones sulfato en los poros del hormigón La formación de yeso puede ser beneficiosa porque es más soluble que el CH y la reacción disolución-cristalización permitirá que el yeso cristalice sin expansión siempre que el OH- no sea lixiviado o que precipite como otro compuesto insoluble La formación de etringita secundaria causa fisuración interna El sulfato de magnesio es más agresivo porque además puede descomponer al C-S-H, formando silicato de magnesio cristalino, que no tiene propiedades cementicias, MH que aumenta la velocidad de reacción. Sin embargo, la MH no causa expansiones tan graves, tiende a sellar los poros.

Condición particular impuesta por el agua de mar y ambiente marino Zona de hormigón saturado permanentemente Zona de hormigón con ciclos de mojado-secado Zona de hormigón parcialmente seco

Zonas básicas de exposición para hormigones en ambiente marino y contacto con agua de mar Zona atmósfera marina Viento Sales » 0,5 a 10 km Zona de salpicaduras Marea alta Zona de mareas Marea baja Zona sumergida Fondo Marino

Análisis conjunto de mecanismos de daño Ingreso Cap? Cl-, SO4= QUÍMICO FISURAS H° Congel + Hum. Perm? FISICO Fe°+ Humedad + O2 Dif? A° CORROSION Factores que influyen sobre los procesos Carbonatación Humedad Temperatura

Criterio general para prevención de patologías Relación a:c baja disminuye la permeabilidad Elección del cemento adecuado Uso de adiciones minerales (puzolanas, escoria de alto horno) Uso de aditivos reductores de agua, superfluidificantes Espesor de recubrimiento adecuado (uso de separadores) Métodos de transporte, llenado y compactación adecuados al tipo de hormigón Curado eficiente