PUZOLANAS

1. ORIGEN DEL TÉRMINO “PUZOLANA”:

Los griegos y romanos, primeros en conocer “La Cal” con sus propiedades cementicias le agregaron materiales naturales que estaban a su alcance, quizás con el objeto de que participasen como áridos (inertes), y como es sabido el suelo donde florecieron estas civilizaciones tiene una importante cobertura de material piroclástico, obteniendo morteros hidráulicos de alta resistencia y mayor durabilidad lo que llevo a que el uso de estos aditivos volcánicos se generalizara, éstos se encontraban principalmente en la localidad de Puzol, próxima a Nápoles, de donde derivan su nombre.

2. DEFINICIÓN DE“PUZOLANA”:

El código ASTM (1992), en la definición 618-78, define: "las puzolanas son materiales naturales o artificiales de silíceo - amorfos o alumino - silíceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente; son una especie de cemento natural y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes, como morteros hidráulicos". Para que pueda producirse la reacción puzolánica indicada anteriormente, es necesario que la sílice esté en estado amorfo.

Las puzolanas naturales son rocas de origen volcánico (tobas y cenizas volcánicas) o de naturaleza orgánica de origen sedimentario (dolomitas). En función a las disponibilidades generadas por ciertas industrias se dispone de puzolanas artificiales entre las que se encuentran las arcillas activadas térmicamente, las cenizas volantes (fly ash) y humos de sílice (sílica-fume) también conocida como microsílice debido al tamaño de partículas (entre 10 y 100 veces más pequeñas que las partículas de cemento).

Las puzolanas son materiales de adición, de suma importancia, en la industria del cemento por su capacidad de atrapar la cal libre que queda en el clínker después del proceso de sinterización de las materias primas (caliza, arcilla y correctores), reduciendo el calor de hidratación y los costos de producción.

3. PRINCIPALES TIPOS DE PUZOLANAS:

3.1. SEGÚN EL ORIGEN: se clasifican en dos grandes grupos: naturales y artificiales, aunque existe un grupo intermedio constituido por puzolanas naturales que necesitan tratamientos térmicos de activación, con el objeto de aumentar su reactividad.

3.1.1. Puzolanas Naturales:

Son productos minerales con características composicionales (silito - luminosos), estructurales (estructura imperfecta o amorfa) y texturales (grano fino) que los hacen aptos para su uso como aditivos activos en la industria del cemento. El constituyente amorfo es vidrio producido por el enfriamiento brusco de la lava, como la

pómez, las tobas, la escoria y la obsidiana. Son derivadas de erupciones volcánicas, excepto las tierras diatomáceas, las cuales son formadas por silicatos amorfos hidratados, derivados de los esqueletos de microorganismos acuáticos. A la combinación de estructura pobremente cristalina o vítrea que puede poseer alta área superficial se le atribuye la reactividad de estos materiales. Son difíciles de evaluar debido a su variación Mineralógica. Entre las Principales Puzolanas Naturales, tenemos:

- Las acumulaciones de cenizas generadas durante las erupciones volcánicas explosivas, que por su alto contenido de materiales vítreos son propensas a sufrir reacciones como las requeridas para las puzolanas. Más tarde por procesos geológicos de enterramiento estas cenizas se convierten en tobas. En rocas y materiales volcánicos hay que considerar dos factores diferentes controladores de la actividad puzolánica; por una parte, la composición química del magma originario que determina la de los productos, y por otra, la constitución y textura de los minerales de dichas rocas, las cuales dependen de la velocidad de enfriamiento y de los procesos de meteorización que los hallan afectado. En las rocas volcánicas son especialmente interesantes las rocas ácidas (ricas en cuarzo y feldespato). Químicamente tienen la composición que se muestra en la siguiente tabla:

- Tufos o tobas volcánicas (ceolitas): Producto de la acción hidrotermal sobre las cenizas volcánicas y de su posterior cementación diagenética. Son bastante porosas, característica que les confiere una gran superficie interna favoreciendo su reactividad, entonces, como puzolana sirve tanto el sedimento como la roca.

- Rocas o minerales sedimentarios ricos en sílice hidratada y formadas en yacimientos submarinos, por acumulación de esqueletos y caparazones de radiolarios y diatomeas. Dentro de éstos están el ópalo, el trípoli y las diatomitas. Químicamente tienen la composición que se muestra en la siguiente tabla:

- Existen algunas rocas y minerales no puzolánicos de origen pero que al descomponerse generan productos de naturaleza puzolánica, los cuales son muy escasos en el mundo.

3.1.2. Puzolanas Artificiales:

Son materiales que deben su condición puzolánica a un tratamiento térmico adecuado. Dentro de esta denominación se incluyen los subproductos de determinadas operaciones industriales; tales como, residuos de bauxita, polvos de

chimeneas de altos hornos, cenizas volantes, etc. Las de mayor peso en la actualidad, en el mundo, son las cenizas volantes en función de las ventajas económicas y técnicas que ofrecen ya que es un material de desecho y los cementos aumentan la trabajabilidad y disminuyen el calor de hidratación porque son muy buenas puzolanas. Mineralógicamente las cenizas volantes se componen de:

_ Sílico - aluminatos vítreos.

_ Compuestos cristalinos de Fe, Na, K y Mg entre otros.

_ Carbón no quemado.

La reactividad de las cenizas volantes como puzolanas depende del tipo y origen del carbón, composición química y mineralógica de éste, del contenido de fase vítrea después de quemado y de la granulometría principalmente.

- Cenizas volantes: Las cenizas que se producen en la combustión de carbón mineral (lignito) fundamentalmente en las plantas térmicas de generación de electricidad.

- Arcillas activadas o calcinadas artificialmente: Por ejemplo residuos de la quema de ladrillos de arcilla y otros tipos de arcilla que hayan estado sometidas a temperaturas superiores a los 800 ºC.

- Escorias de fundición: Principalmente de la fundición de aleaciones ferrosas en altos hornos. Estas escorias deben ser violentamente enfriadas para lograr que adquieran una estructura amorfa.

- Las cenizas de residuos agrícolas: La ceniza de cascarilla de arroz y las cenizas del bagazo y la paja de la caña de azúcar. Cuando son quemados convenientemente, se obtiene un residuo mineral rico en sílice y alúmina, cuya estructura depende de la temperatura de combustión.

CARACTERÍSTICAS DE LA CENIZA DE CÁSCARA DE ARROZ: Consiste básicamente de:

- Sílice amorfa (>90 %) - Estructura celular de gran área superficial (50 a 60 m2/g)- Posee gran actividad puzolánica.

3.1.3. Puzolanas Mixtas o Intermedias:

Son aquellas puzolanas que, naturales por su origen, se someten a un tratamiento térmico con el objeto de cambiar sus propiedades para aumentar su reactividad química. Dentro de éstos se incluyen las zeolitas, suelos, rocas, cascarilla de arroz y las arcillas, un representante típico de éstas últimas es el polvo de ladrillo, obtenido como producto de desecho de la industria de la cerámica roja. La factibilidad de que un material arcilloso sometido a un tratamiento térmico permita la formación de compuestos puzolánicamente activos depende principalmente de:

_ Estructura y constitución mineralógica._ Composición química._ Temperatura._ Tiempo de cocción y de enfriado.

3.2. SEGÚN LA NORMA ASTM C 618:

- Clase N: Puzolanas naturales crudas o calcinadas, tal como las diatomitas; tufos y cenizas volcánicas, calcinadas o sin calcinar; y materiales que requieren de calcinación para inducir propiedades satisfactorias.

- Clase F: volante producida por la calcinación de carbón antracítico o bituminoso. Cenizas que poseen propiedades puzolánicas.

- Clase C: Ceniza volante producida por la calcinación de carbón sub-bituminoso o lignito. Esta clase de ceniza, además de tener propiedades puzolánicas, también tiene propiedades cementicias.

TABLA DE REQUISITOS QUÍMICOS

COMPOSICIÓN QUÍMICAClase de Adición Mineral

N F C

Dióxido de silicio + óxido de aluminio + óxido de fierro, mín, %

70,0 70,0 50,0

Trióxido de azufre (SO3), máx., % 4,0 5,0 5,0

Contenido de humedad, máx., % 3,0 3,0 3,0

Pérdida por calcinación, máx., % 10,0 6,0* 6,0

Se puede emplear puzolana de Clase F con contenidos de hasta 12 % de pérdida por calcinación si cuenta con registros de performance o resultados de ensayos de laboratorio aceptables.

4. IV.- PROPIEDADES DE LAS PUZOLANAS:

4.1. Valoración de la puzolanicidad:

El hecho de que la puzolanicidad pueda deberse a diferentes causas, además de que esta propiedad se manifiesta de diferentes maneras, hace verdaderamente difícil imaginar un único método que con carácter general permita llevar a cabo una estimación del valor puzolánico en condiciones equiparables en materiales distintos. Además, es importante resaltar que los ensayos que se practiquen en la determinación de la actividad puzolánica solo serán válidos en la medida que reflejen las condiciones reales de su posible uso.

4.1.1. Criterios Cualitativos: Son bastante empíricos, dudosos y poco precisos.

- Químicos: Detecta la capacidad de reacción de los materiales puzolánicos en una solución de hidróxido de calcio. El método consiste en observar la formación de flóculos, su cantidad y velocidad de sedimentación.

- Físicos y tecnológicos: Uno es la observación al microscopio del material para definir la perfección de su estructura cristalina, además, se determina la capacidad de absorción de agua cuando está finamente molido. Otro ensayo consiste en la elaboración de pequeñas probetas de mezcla del material con cal hidratada, éstas se conservan durante tres días en ambiente húmedo y sin CO2, al cabo de los cuales se comprueba si se ha producido algún endurecimiento de la masa. Se considera que el material ensayado es puzolánico cuando las probetas así conservadas resisten, sin deshacerse, dos horas en agua hirviendo.

- Criterios Cuantitativos: Son más elaborados y precisos, permiten realizar comparaciones entre resultados de un mismo ensayo.

-- - Químicos: También se basan en la reacción de la muestra puzolánica con

agua de cal pero se usa la química determinativa y los análisis complexométricos. La principal carencia de éstos es que no reproducen las condiciones reales en las que trabajará el material puzolánico.

-- - Físicos y Tecnológicos: Se elaboran probetas y se les hacen ensayos de

resistencia a la tracción y a la compresión.-- - FRATINI: Es el método más difundido para ensayar cementos puzolánicos,

consiste en comparar la cantidad de hidróxido de calcio presente en una solución acuosa en contacto con el cemento hidratado, con la cantidad de hidróxido de calcio capaz de saturar un medio de la misma alcalinidad. En un cemento puzolánico la concentración de hidróxido de calcio en solución es siempre menor que la concentración de saturación. Para los cálculos se utiliza la curva isoterma de solubilidad a 40 °C del hidróxido de calcio en presencia de álcalis. En la gráfica está la alcalinidad total contra el contenido de CaO. Cuando al graficar una muestra el punto cae por debajo de la curva ésta se considera puzolánica. El ensayo se hace a siete y veintiocho días.Las propiedades de las puzolanas dependen de la composición química y la estructura interna. Se prefiere puzolanas con composición química tal que la presencia de los tres principales óxidos (SiO2, Al2O3, Fe2O3) sea mayor del 70%. Se trata que la puzolana tenga una estructura amorfa.

-- En el caso de las puzolanas obtenidas como desechos de la agricultura

(Cenizas de la Caña de Azúcar y el Arroz), la forma más viable de mejorar sus propiedades es realizar una quema controlada en incineradores rústicos, donde se controla la temperatura de combustión, y el tiempo de residencia del material. Si la temperatura de combustión está en el rango entre 400-760 ºC, hay garantía de que la sílice se forma en fases amorfas, de mucha reactividad. Para temperaturas superiores comienzan a formarse fases cristalinas de sílice, poco reactivas a temperatura ambiente.

- - Los niveles de mayor puzolanicidad son los arenosos por estar más

enriquecidos en pómez, el cual es un material amorfo.

4.2. Propiedades de las Puzolanas:

Los resultados de las diferentes investigaciones realizadas demuestran el impacto positivo que generan las adiciones de materiales puzolánicos en el cemento para soportar el ataque de sulfatos. En general, en temas de durabilidad, además de la correcta elección del cemento de acuerdo a criterios adecuados, es necesario considerar en el diseño de la mezcla una cierta razón A/C máxima, una dosis mínima de cemento, la trabajabilidad adecuada, el correcto manejo del hormigón en obra, la compactación que permita obtener la mayor compacidad y un pronto y eficiente proceso de curado del hormigón.

Como puzolanas se emplean un gran número de materiales naturales: las tierras diatomáceas, los horstenos opalinos, las arcillas, las pizarras, las tobas volcánicas, y la piedra pómez. La mayoría de las puzolanas naturales se deben moler antes de ser usadas y muchas se tienen que calcinar a temperaturas de 650 C a 980 C, para activar sus componentes arcillosos. Las puzolanas también incluyen a la ceniza volante y al humo de sílice. El aditivo mineral mas ampliamente utilizado en el concreto, la ceniza volante, es un residuo finamente dividido (polvo que se asemeja al cemento) que resulta de la combustión del carbón mineral pulverizado en las plantas generadoras de electricidad. Con la ignición en el horno, la mayor parte de la materia volátil y de carbono existentes en el carbón mineral se calcina. Durante la combustión, las impurezas del carbón mineral (como la arcilla, el feldespato, cuarzo y la pizarra) se funden en suspensión, y son retiradas de la cámara de combustion por el gas de escape. Mientras transcurre el proceso, el material fundido se enfría y se solidifica formando partículas esféricas llamadas cenizas volantes.

PRINCIPALES PROPIEDADES SOBRE LOS MATERIALES PUZOLÁNICOS Y CEMENTANTES

Escorias Granuladas

Algunas escorias granuladas de alto horno molidas y también algunas cenizas volantes, exhiben propiedades tanto puzolánicas como cementantes. Las cenizas volantes con un contenido de óxido de calcio de aproximadamente 15 a 30% en peso son las predominantes dentro de esta clasificación. Al exponerse al agua, muchas de estas cenizas se hidratan y endurecen en menos de 45 minutos.

Uso de la Escoria Granulada y Ceniza Volante

La práctica de utilizar ceniza volante y escoria granulada de alto horno molida en las mezclar de concreto de cemento Pórtland, ha ido aumentando en los últimos años en los Estados Unidos. Una de las principales razones de este incremento es el interés en la conservación de la energía así como la reducción en el costo del concreto que se obtiene al emplear cenizas o escorias para reemplazar parcialmente al cemento.

Ceniza Volante

La ceniza volante consiste principalmente de silicatos vítreos que contienen sílice, alúmina, hierro, y calcio. Otros componentes menores son el magnesio, el azufre, el sodio, el potasio, y el carbono. También se encuentra presente una pequeña cantidad de compuestos cristalinos. La densidad de la ceniza volante generalmente se encuentra dentro del rango de 2.2 a 2.8 y su color es gris o beige.

Humo de Sílice

El humo de sílice, al que también se le conoce como microsílice o humo de sílice condensado, es otro material que se emplea como aditivo puzolánico. Este producto en forma de polvo de color gris claro a oscuro o en ocasiones gris azulado verdoso, es resultado de la reducción de cuarzo muy puro con carbón mineral en un horno de arco eléctrico durante la manufactura del silicio o de aleaciones de ferrosilicio. El humo de sílice asciende como vapor oxidado de los hornos a 2,000'C. Se enfría, se condensa y se recolecta en enormes bolsas de tela. Entonces se le procesa para retirarle las impurezas y para controlar su tamaño de partícula. El humo de sílice condensado esencialmente consiste en dióxido de sílice (más de 90 %) en forma no cristalina. Puesto que es un material susceptible de ser conducido por el aire como la ceniza volante, tiene forma esférica Es extremadamente fino, con partículas con diámetros menores de una micra y con un diámetro promedio de aproximadamente 0.1 micra, casi 100 veces menor que las partículas promedio de cemento.

Producción de CP - 40

Es un cemento que se produce a partir de mezclar íntimamente y moler hasta fino polvo una mezcla de Hidrato de Cal y Puzolana, con una proporción promedio de 70% de puzolana y 30% de cal. El material producido requiere tener una finura similar a la del cemento Pórtland ordinario (250-300 m2/kg ensayo Blaine).

Producción de CEMENTO CPPP (Cemento Pórtland Puzolánico)

Según la NORMA CMT 2-01-02-001/02Resulta de la molienda conjunta del clínker Pórtland, sulfato de calcio y puzolanas.

5. USO DE LAS PUZONALAS EN LA CONSTRUCCIÓN:

El primer criterio que apoyó la producción de cementos puzolánicos fue el corregir el cemento Pórtland tipos I y II fijando la cal libre, generada durante la formación de los silicatos bi y tricálcicos, la cual es inestable a pH menores de 12, para formar compuestos estables que no son vulnerables a la acción lixiviante de las aguas ácidas. Pero adicionalmente estos materiales tienen otros efectos sobre el cemento y el concreto.

9 RAZONES QUE DEMUESTRAN LA IMPORTANCIA DE LAS PUZOLANAS EN LA CONSTRUCCIÓN

1.- Reemplazan una buena porción del cemento Pórtland del 20 al 40%:

Gracias a esto disminuyen disminuyendo los costos de producción porque esta adición es mucho más barata que el clínker y más económica de moler.

2.- Reduce el calor generado durante la hidratación:

Pues ésta es una reacción bastante exotérmica

3.- Evita el agrietamiento del concreto:Esto se da por la acción expansiva de la cal al hidratarse y compresiva al secarse.

4.- Rebajan en cierto porcentaje los aluminatos que son inestables en medios sulfatados y absorben álcalis:

Estos elementos normalmente entran a reaccionar de manera perjudicial con los agregados del concreto.

5.- Como aditivos son de vital importancia dentro de la industria del cemento:

Intervienen en la calidad del producto final, aumentan la eficiencia del proceso de fabricación y reducen los costos de producción.

6.- El calor generado por la mezcla Cemento/Puzolana es menor que el generado por el mismo peso de solo cemento:

Esto incide en la durabilidad del concreto dado que se disminuyen las tensiones generadas en la dilato-contracción térmica.

7.- Permite el diseño de mezclas de concretos más impermeables:

Para concretos cuyo período de deterioro por el lixiviado de la cal libre se reduce.

8.- Algunas aportan resistencia al concreto contra el ataque de aguas de mar, sulfatadas, ácidas o que contengan dióxido de carbono en solución:

Por tanto disminuyen la expansión resultante de la reacción de los agregados alcalinos.

9.- No disminuyen la resistencia de los concretos:

Si son adicionadas en los porcentajes establecidos (20 – 40%)

En resumen, la utilización de las puzolanas en el concreto:

- Beneficia la durabilidad en aumento en la impermeabilidad.- Aumenta la resistencia al ataque de sulfatos.- Aumenta la trabajabilidad.- Aumenta la resistencia mecánica a edades avanzadas- Reduce la reacción álcali - agregado y, por lo tanto, todo esto redunda en un

beneficio económico al disminuir el consumo de Cemento Pórtland para la

misma resistencia mecánica, por lo mismo, ahorrando energía y produciendo menores emisiones de CO2 a la atmósfera.

Por las razones anteriormente mencionadas, es de suma importancia en nuestro tiempo estudiar estos materiales para contribuir a disminuir los consumos de energía de la industria cementera y producir materiales sustentables.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

- Normas IRAM de cementos y adiciones.- Reglamento CIRSOC 201 y Anexos, Diciembre de 1984.- Curso de “Tecnología del Hormigón”, Ing. A. N. Castiarena. Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón, 3° edición.- “Guía para la Selección y Empleo de Cementos Pórtland”, Octubre de 1999, Instituto del Cemento Pórtland Argentino. - ACI “Manual of Concrete Practice”, 2000.- Revista CEMENTO, N° 25, Instituto del Cemento Portland Argentino.- “Las Puzolanas” Monografías del Instituto “Eduardo Torroja de la construcción del cemento” Vol.281; p. 1-95. 1969.- “Ensayo Químico para Determinar la Actividad Puzolánica”. Instituto Colombiano de Productores del Cemento, 1989. (ICONTEC). INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Norma 1512. 1979.- “Panorama del uso de las Puzolanas”. ASOCRETO. - “Diccionario de la Construcción”. Monografías CEAC sobre Construcción y Arquitectura – Ing° José Zurita Ruiz – Barcelona – España - 1969.- “Construcción y Tecnología”, Vol. XII, Núm. 135, 1999.- “ASTM C 114-00” Métodos de Test Standard para el Análisis Químico del Cemento Hidráulico. Section4, Volume 4.01, 2002, pp. 109-138.- Norma Mexicana de NMX-C-414-ONNCCE-1999 – Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación. México 1999.- http://www.mineral.galleries.com/minerals/silicate- http://www.arqcon.com.ar/pprof/Lnegra/ppcemento2.htm- http://www.revistabit.cl/body_articulo.asp?ID_Articulo=829- http://www.ecosur.org/spa/cemento/index.php

LAS SALES EN EL HORMIGÓN 1. Ataque Físico de Sales sobre el concreto

Ataque Físico por Sales (PSA, por sus siglas en inglés) está asociado a la cristalización de sales en los poros cercanos a la superficie del concreto o las rocas[1,2]. De acuerdo con Mehta y Monteiro[3], PSA (también llamada sal de intemperismo o esfuerzos por hidratación de la sal) tiene la misma apariencia de superficie dilatada causada por los ciclos de congelación y deshielo (Figuras 1 y 2). El objetivo de este artículo es ofrecer una breve revisión del estado actual del conocimiento del PSA en el concreto

Fig 1 Fig 2

Entre las sales responsables del PSA en el concreto, en orden decreciente de agresividad, están:

sulfato, carbonato y cloruro de sodio. Asimismo, se conoce que el sulfato de magnesio y el de calcio, así como el cloruro de calcio y el nitrato de sodio, pueden ser causantesdel PSA en rocas. El PSA se asocia a materiales como concreto, rocas, o mamposterías en contacto con la humedad del suelo, que contiene sales disueltas. Debido a que el agua de mar contiene cloruros, sulfatos, sodio y magnesio; suelen ser los suelos marinos la principal fuente de estas sales, pues durante años al ser estas transportadas por las aguas subterráneas y de escorrentía superficial, se acumulan en sitios específicos.Las rocas porosas o el concreto expuesto en estos sitios pueden absorber la disolución salina, que es posteriormente transportada hacia la superficie.En el frente de evaporación, una disolución salina puede convertirse en sobresaturada, y cristalizar las sales. Los cristales de sal superficiales que se forman (eflorescencia),Fig.3(a), generalmente no son perjudiciales; también pueden formarse debajo de la superficie, cuando la velocidad de disolución en la superficie es menor que la de evaporación[4].

Estos cristales que se forman debajo de la superficie (subflorescencia) pueden producir el desprendimiento de la superficie Fig.3(b).

Fig.3(a): Eflorescencia en la superficie de un espécimen de concreto parcialmente sumergido en una solución de sulfato de sodio al 5%, y Fig.3(b): Subflorescencia debajo de la superficie del espécimen mostrado en (a) bajo las mismas condiciones[5].

Mecanismo de esfuerzo

El sulfato y el carbonato de sodio pueden sufrir transformaciones en la fase de hidratación por cambios de humedad o de la temperatura ambiente, o por ambos. La conversión de una fase menos hidratada a una más hidratada viene acompañada de un aumento considerable en el volumen. Por ejemplo, la conversión de la fase de sulfato de sodio conocido como tenardita(anhidro Na2SO4) a la fase conocida como mirabilita (Na2SO4.10H2O) viene acompañada por un incremento en el volumen de un 314 %.

La Fig.4 muestra el diagrama de fase del sulfato de sodio (NaSO4).

Se ha observado tenardita disuelta en disolución, antes de la cristalización de la mirabilita, pudiéndose apreciar la presión de cristalización a partir de la precipitación de sales y del crecimiento de cristales, contribuyendo así al PSA[5].

Si la presión es mayor que la resistencia a la tensión de la pared del poro en la que se produce el cristal, se desarrollan microgrietas en la matriz circundante.

Los principales factores que influyen en la presión de cristalización son: el grado de sobresaturación de la disolución; la distribución de sal en los poros y del tamaño de poro; y resistencia a tensión del material poroso. El grado de sobresaturación es el factor más influyente, debido a que las disoluciones sobresaturadas cristalizan más rápido quelas menos sobresaturadas, y un ritmo acelerado de cristalización causa más daño que uno lento. Además, la teoría muestra que pequeños tamaños de poro desarrollan mayores presiones de cristalización que los más grandes[6]

2. ATAQUE QUIMICO AL CONCRETO POR SALES

Los ataques más comunes al concreto son por las siguientes sales

Sales Cloruros (Cas Na, HN4, Mg) Sulfatos (Ca, K, Mg, Na, NH4) Nitratos y nítricos (Na, NH4, K) Sulfuros (fe) Acetatos (Na) Esteres, estearatos, jabones

2.1. Ataque por cloruros en el concreto

El proceso y sus agentes

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

En el agua de mar, en su estado normal, se puede encontrar un amplio rango de concentraciones de sales disueltas, aunque siempre con una proporción constante de un constituyente a otro; las concentraciones son más bajas en las zonas frías o templadas que en las cálidas y resultan especialmente altas en zonas de aguas bajas con tasas excesivas de evaporación diurna.

Debido a su alto contenido de cloruros, el agua de mar representa un elemento ofensivo para el concreto y el acero de refuerzo pues propicia y acelera –una vez que se ha iniciado– el fenómeno de la corrosión. En las franjas costeras, la brisa marina acarrea importantes contenidos de humedad que, naturalmente, lleva en sí cloruros; de esta manera, estructuras que no están en contacto directo con el agua de mar, sufren igualmente sus embates.

Los cloruros se vuelven así un elemento activo en el proceso de daño y degradación de las estructuras de concreto en franjas marítimas. De acuerdo con la concentración con que se presenten en el agua de mar, quedará definido su grado de agresividad, por lo que habrá que esperar que algunas zonas tengan un mayor potencial dañino que otras.

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

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

Efectos en el concreto

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

Los cloruros pueden estar presentes desde el inicio en la mezcla de concreto fresco (disueltos en los agregados, en los aditivos o en el agua). Se refieren como cloruros totales calculados y se expresan como el porcentaje de ion cloruro respecto al peso de cemento, el que debe limitarse, de acuerdo con la más reciente información, a:

_____________________________________________________________________

Tipo de exposición Límite por peso de cemento (%)

_____________________________________________________________________

Ambiente agresivo y expuesto a cloruro 0.06

Ambiente agresivo y no expuesto a cloruro 0.15

Construcción sobre al suelo y seca permanentemente 1.50

El ion cloruro puede también penetrar posteriormente en el interior del concreto por difusión desde el exterior, en cuyo caso el riesgo de corrosión se incrementa grandemente.

Los cloruros totales en el concreto se pueden subdividir químicamente en ligados y libres. Esta distinción resulta importante ya que son los cloruros libres los responsables de la corrosión del acero de refuerzo.

Los cloruros ligados son los que están íntimamente asociados al cemento hidratado y no son solubles en agua, por lo que no causan corrosión; por lo tanto, los límites en las especificaciones deben aplicarse al contenido de cloruros libres en lugar de al contenido total o soluble en ácido. No obstante, con los datos de las actuales investigaciones no es posible calcular con precisión su proporción en relación con el contenido total de cloruros, ya que varía con los cambios en el contenido de cloruros totales, aunque, considerando que el cloruro libre es soluble en agua, se lo puede extraer y así determinar su proporción.

En términos de la química del concreto, se asume que el cloruro total es igual a la porción soluble en ácido de los constituyentes del concreto; así su extracción, previa a la determinación del contenido, implica digerir una muestra de concreto endurecido en ácido nítrico.

El procedimiento de extracción para la determinación del contenido de cloruros libres requiere hervir una muestra de concreto endurecido durante cinco minutos y saturar por 24 horas.

Amplias investigaciones indican claramente que el contenido de cloruro soluble en agua proporciona un indicador del riesgo inmediato de corrosión. Comparativamente con los métodos de extracción de agua, los métodos de digestión en ácido extraen una mayor proporción de los cloruros totales presentes en el concreto, por lo que una interpretación apoyada en estos resultados resultará siempre en una sobreestimación del riesgo inmediato de corrosión.

Por otra parte, los niveles de cloruros solubles en ácido pueden resultar más adecuados para evaluar el riesgo extremo de corrosión a largo plazo si el concreto ha sufrido procesos adicionales de carbonatación o sulfatación. La carbonatación libera cloruro ligado, mientras que la presencia de sulfatos la impide hasta cierto punto; la reacción entre el cloruro y el aluminato tricálcico incrementa así los cloruros libres.

El efecto directo más nocivo por acción de cloruros en la mezcla de concreto endurecido está constituido por la cristalización de las sales dentro de sus poros, la cual puede producir rupturas debidas a la presión ejercida por los cristales de sal. Puesto que la cristalización ocurre en el punto de evaporación del agua, este tipo de ataque se produce de manera más acentuada en el concreto que no está permanentemente en contacto directo con el agua. No obstante, debido a que la sal en solución penetra y asciende por capilaridad, el ataque es más intenso cuando el agua o la humedad pueden penetrar en el concreto, de tal suerte que la permeabilidad de este material es un factor de gran importancia, y el clima tropical propio de nuestras franjas costeras actúa como catalizador del proceso.

En el caso del concreto reforzado, la absorción de las sales establece áreas anódicas y catódicas; la acción electrolítica resultante conduce a una acumulación de producción de la corrosión sobre el acero, con la consecuente ruptura del concreto que lo rodea, de tal manera que los efectos se agravan.

Efectos en el acero de refuerzo

Como ya se ha referido anteriormente, la pasta de cemento no carbonatada tiene un pH mínimo de 12.5 y el acero de refuerzo no se corroe en esa circunstancia, fundamentalmente por la presencia de una película pasivante microscópica de óxido que evita su disolución anódica. No obstante, si el pH disminuye a menos de 10 por la acción de efectos tales como la carbonatación, la corrosión puede iniciarse. El efecto de la carbonatación puede disminuir el pH a niveles de 8 o 9, resultando en corrosión del acero cuando están presentes la humedad y los iones cloruro disueltos en agua en niveles por encima de 0.2 por ciento relativos a la masa de cemento, lo cual acelera la corrosión.

Cabe destacar que, en opinión de diversos autores, la corrosión puede iniciarse por la acción de iones de cloruro sobre el acero de refuerzo, aun en ambientes con un pH superior a 10 u 11, aunque estos casos se relacionan con cloruros presentes de origen en la mezcla por efectos de los agregados, el agua o los aditivos, pues los que penetran del exterior están generalmente asociados con el proceso de carbonatación, el cual incide inmediatamente sobre los niveles de pH en el concreto.

La corrosión electroquímica de los elementos consiste básicamente en la conexión eléctrica o electrolítica entre un cátodo y un ánodo. En relación con el acero embebido en el concreto, las barras de refuerzo actuarán como un conductor eléctrico y el agua en los poros de la pasta actuará como electrolito. Durante el proceso de corrosión, el oxígeno es consumido y genera los productos de corrosión; el agua se necesita para permitir que el proceso de corrosión se mantenga y continúe, su presencia se relaciona con la generación de óxido férrico. Así, el resultado principal y más grave de la acción de los cloruros sobre el acero de refuerzo lo constituye la corrosión acelerada que éste sufre a consecuencia de su acción como catalizador en ese proceso electrolítico.

En muchas estructuras de concreto localizadas en ambientes marinos cercanos a las costas, en las que el daño se ha iniciado a través de una incipiente penetración de cloruros hacia el acero –como consecuencia de una permeabilidad natural excesiva del concreto, su carbonatación o el agrietamiento de las secciones–, la acción de la corrosión y del incremento de diámetro de las varillas causan por sí mismas agrietamiento en el recubrimiento del concreto, lo que facilita en gran medida el acceso de humedad, aire y cloruros contenidos en el agua, y acelera así el proceso de ataque, llevando las estructuras a daños irreversibles en periodos notablemente cortos. Así, ante la sospecha de ataque, se deberán incorporar de inmediato programas de reparación y mantenimiento de los elementos afectados.

Incidencia del agrietamiento

La existencia del grietas en el concreto no es condición indispensable para que se produzca corrosión en el acero de refuerzo, pero su presencia favorece la ocurrencia de este fenómeno, pues la película pasivante en la superficie del acero se rompe en un área estrictamente confinada, lo cual resulta equivalente a un severo ataque por carbonatación en el concreto y genera zonas de máxima vulnerabilidad en la tasa de corrosión. Debido a ello es necesario, para prolongar la vida útil de las estructuras de concreto reforzado, prevenir la formación de grietas o suministrar un tratamiento adecuado de obturación a las que ya se hayan presentado.

Las grietas en el concreto pueden dividirse en dos grandes grupos: las que se producen por esfuerzos debidos al funcionamiento estructural y las que se deben a esfuerzos que se originan en el seno mismo del concreto. Así, la formación de grietas

depende de factores tales como el diseño estructural, las características de los materiales, la composición del concreto, las prácticas constructivas, las condiciones ambientales y la manifestación de situaciones anómalas y de eventos extraordinarios.

En el caso de las grietas comunes, asociadas con el propio funcionamiento y naturaleza del concreto, con anchos que fluctúan de 0.15 a 0.35 mm, tienen un comportamiento autosellante en ambientes no agresivos, por efecto de calcificación, polvo y depósitos de óxido. No obstante, en ambientes agresivos colaboran también a la acumulación de sales que pueden agravar esa magnitud de agrietamiento a consecuencia de su cristalización. Asimismo, las grietas que se desarrollan perpendiculares al refuerzo resultan menos peligrosas que las de dirección paralela a éste, por la menor exposición que propician.

Los factores que principalmente pueden vincularse con determinados sitios o regiones geográficas son las características de los agregados y las condiciones ambientales, que influyen sobre los agrietamientos atribuibles a las contracciones –plástica y por secado– y a las reacciones deletéreas que eventualmente se producen entre los álcalis del cemento y algunos agregados.

En la república mexicana, las características de los agregados y las condiciones ambientales son muy variables; existen casos en los que tales características y condiciones se muestran favorables a motivar este tipo de agrietamiento en el concreto. Habría que considerar como riesgo potencial todos aquellos sitios del país donde los agregados contuvieran rocas y minerales reactivos con los álcalis.

Durabilidad del concreto

El medio ambiente

Las estructuras de concreto están expuestas durante su vida útil al ataque químico y físico de diferentes agentes. La durabilidad del concreto variará entonces conforme tales factores sean más o menos agresivos, y también de acuerdo con las propiedades de sus componentes, el proporcionamiento de la mezcla y las condiciones de colado y curado que se hayan aplicado en su construcción.

La planeación y el diseño deberán entonces no solamente estar basadas en el uso de la estructura, sino también en las condiciones ambientales y en la vida útil esperada de la misma. Estas definiciones básicas deberán estar reflejadas en los materiales y especificaciones de construcción, y tanto en el concepto como en los detalles estructurales.

En el contexto de la práctica común, se diseña y detalla no sólo para las cargas que actuarán en la vida útil de una estructura, sino también para los efectos de agrietamiento y temperatura; in embargo, sólo se consideran condiciones especiales de exposición para grupos muy particulares de estructuras.

Es muy común que los códigos y normas actuales sólo prescriban las variaciones adecuadas de la relación agua/cemento y del recubrimiento de concreto sobre el acero de refuerzo de acuerdo con una clasificación muy simple de las condiciones de exposición. Sin embargo, en la práctica se encuentran muchas y más diversificadas condiciones de exposición, y no sólo en relación con el medio ambiente, sino también según el uso pretendido de la estructura.

En condiciones de ambientes eminentemente agresivos, las precauciones y los cuidados en la construcción deben realmente extremarse. No obstante, existen condiciones no tan claramente agresivas, por lo que, con el fin de obtener estructuras durables se ha considerar que éstas son afectadas por el viento y la humedad marítima que contienen grandes cantidades de sal, así como por los ciclos de humedecimiento y secado. Se vuelve entonces muy importante la detección y el estudio de las características climáticas más relevantes de la región en la que se ubicará la estructura, es decir, los cambios estacionales de la dirección de los vientos, la temperatura, la humedad relativa y la precipitación pluvial; inclusive, podría en muchos casos resultar deseable y útil contar con el análisis de la composición química del agua de mar.

Como se mencionó anteriormente, existen dos factores preponderantes en la determinación de la tasa de corrosión: la resistividad eléctrica del concreto y la disponibilidad de oxígeno en el cátodo, los cuales se relacionan con los siguientes factores:

Contenido de humedad en el concreto. Mientras que un incremento de la humedad en el concreto reduce su resistividad, reduce también la penetración y difusión de oxígeno, que se vuelve mínima para el concreto saturado; de esa forma, el concreto permanentemente sumergido en agua de mar sufre corrosión lenta, mientras que los concretos expuestos a humedecimiento y secado intermitentes son más susceptibles de corroerse.

Temperatura. Estudios de campo y de laboratorio han mostrado que la corrosión en el acero de refuerzo se acelera con el incremento de la temperatura, en virtud de que ésta afecta directamente la solubilidad del oxígeno y también la movilidad de sustancias tales como los cloruros que participan preponderantemente en el proceso de corrosión. También, los cambios bruscos de temperatura en el aire ambiental pueden resultar en condensación de agua sobre la superficie de concreto y cambiar así su contenido de humedad.

Presencia de sales. La presencia de sales provoca generalmente dos efectos que resultan opuestos uno al otro: reducen la resistividad del electrolito, incrementando así la velocidad de corrosión, y en concentraciones altas disminuye la solubilidad del oxígeno y puede por lo tanto disminuir la velocidad de corrosión.

El contenido de C3A en el cemento forma un complejo insoluble, hidrato de cloroaluminato de calcio, el cual inhibe cierta proporción de los cloruros totales y disminuye así el riesgo de corrosión. Sin embargo, en un ambiente con presencia de sulfatos y cloruros, los iones sulfato alteran ese complejo debido a la formación preferencial de hidrosulfoaluminato de calcio, lo que resulta en la liberación de algunos cloruros ligados que quedan así disponibles para la corrosión del acero. Un proceso similar de liberación de cloruros se genera bajo la acción del dióxido de carbono presente en la atmósfera, ya que también puede descomponer los hidratos de cloroaluminato.

El dióxido de carbono puede asimismo penetrar en el concreto, aunque su tasa de penetración se puede controlar eficazmente mediante la impermeabilidad de un concreto de buena calidad. El CO2, el dióxido de sulfuro y el óxido nítrico, considerados importantes contaminantes del aire, reaccionan también con los hidróxidos en el concreto y los convierten en carbonatos. Así, todos ellos, en condiciones naturales de exposición, dan lugar a procesos de carbonatación del

concreto, por lo que la carbonatación (ver) es hoy su mecanismo dominante de neutralización.

Potencial de cloruros en el aire

a) Aire marítimo. Estudios realizados en otros países indican una gran diversidad de componentes químicos en el agua de mar, con una amplia gama de concentraciones. Resulta entonces improductivo generalizar una presencia promedio de elementos nocivos para el buen comportamiento de las estructuras de concreto. Podemos citar como ejemplo una reciente investigación en Japón, que detectó una variación en cloruros del agua de mar que osciló entre 0.01 y 0.20 mg de cloruro de sodio por cm2. Otro estudio encontró concentraciones particularmente elevadas del ion cloruro, las cuales variaban alrededor de 21,700 ppm.. Asimismo, se detectaron contenidos de sulfatos sobre 3800 ppm, y los más altos valores de sulfitos registrados en el mundo.

Aun cuando en nuestro país no se conocen datos concretos, resulta evidente la presencia de sulfitos, carbonatos y cloruros en el agua de mar, los cuales necesariamente resultan dañinos para las estructuras de concreto. Así, con el agravante de la acción de la temperatura, casi constante en todo el año, asociada al clima tropical de nuestros litorales y a la acción de los vientos también propios de estas zonas, se conjuntan todos los factores que generan ambientes altamente propicios para que se produzca la corrosión en el acero de refuerzo de las estructuras de concreto, tal y como se refirió al describir la incidencia de cada uno de esos aspectos en el proceso general.

b) Zonas industriales. La presencia de contaminantes en el medio ambiente, generados por la emisión de las industrias, provoca una diversidad de componentes químicos (con diferentes grados de concentración cada uno) mayor de la que se podría observar en un ambiente marítimo natural, aunque es altamente probable la preponderancia del óxido de carbono, algunos sulfatos y nitratos que, como se refiere, inciden en la disminución del pH natural del concreto y en procesos de carbonatación que favorecen la entrada de humedad y agentes corrosivos hacia el acero de refuerzo.

Como se señaló en el inciso anterior, las zonas costeras cuentan con condiciones que propician la corrosión del acero de refuerzo por los componentes químicos que flotan en el aire. Por lo tanto, la emisión de contaminantes de zonas industriales en esas áreas viene a agudizar la problemática, pues la gran aleatoriedad en la presencia de cada componente impide el establecimiento de normas o recomendaciones en cuanto a cuidados específicos y hace necesario el estudio de cada caso en particular, con el apoyo del conocimiento que pueda proporcionar el estado del arte actual en cuanto a tecnología del concreto.

2.2. ATAQUE POR SULFATOS AL CONCRETO

Si en alguna ocasión te preguntaste cómo se presentan los sulfatos, de qué forma atacan al concreto y cómo evitar que esto suceda, entonces has llegado al lugar indicado para salir de estas dudas.

Para empezar hay que saber que los sulfatos son compuestos químicos que están presentes en una gran variedad de concentraciones en el suelo, aguas subterráneas, aguas superficiales y aguas de mar.

Las formaciones de sulfato más comunes son sulfatos de sodio, potasio, magnesio y calcio.

El concreto expuesto a soluciones de sulfatos puede ser atacado y sufrir deterioro en un grado que depende básicamente de tres aspectos:

1. Los constituyentes del concreto

2. La calidad del concreto en el lugar

3. El tipo y la concentración del sulfato

Cuando hablamos del ataque de los sulfatos al concreto es necesario conocer las características del concreto resistente a los sulfatos, de modo que podamos dar los pasos apropiados para minimizar el deterioro del concreto que se expone a estos compuestos químicos.

El ataque se presenta, cuando a través del agua, concentraciones relativamente altas de sulfatos entran en contacto con los compuestos hidratados de la pasta de cemento. Este contacto hace que se produzca una reacción química que genera expansión en la pasta y crea una presión capaz de romperla y finalmente desintegrar el concreto.

Los mecanismos que intervienen en el ataque del concreto por sulfatos son dos:

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

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

Ambas reaccionan dan como resultado un aumento de volumen en el sólido, pero la segunda genera expansiones, rupturas y ablandamiento del concreto pues los sulfatos reaccionan con el aluminato de calcio hidratado.

Las consecuencias del ataque de sulfatos no solo producen degradación por expansión y fisuración, también, una reducción en la resistencia mecánica debido a la pérdida de cohesión en la pasta de cemento, lo anterior también conlleva a una pérdida de adherencia entre la pasta y las partículas de los agregados.

Origen de los sulfatos y características

Entre los sulfatos de origen natural se pueden mencionar algunos suelos orgánicos, suelos con turbas, algunos suelos arcillosos y aguas freáticas de los mismos, que pueden producir sales sulfatadas.

Los sulfatos en forma de sales más agresivas son:

Sulfato de amonio (NH4SO4) Sulfato de calcio (CaSO4) Sulfato de magnesio (MgSO4) Sulfato de sodio (NaSO4)

Otra fuente natural de sulfatos es el agua de mar que aparte de contener sales de sulfatos, está compuesta de otras sales que pueden ser un poco más agresivas con el concreto, entre las sales disueltas más comunes en el agua de mar están:

Cloruro de sodio (NaCl) Cloruro de magnesio (MgCl2) Sulfato de calcio (CaSO4)

Como sulfatos de origen biológico se pueden considerar aquellos que provienen de la presencia de microorganismos sobre la superficie de concreto o de aguas residuales que experimentan descomposición biológica de carácter aeróbico en sustancias orgánicas que habitualmente contiene proteínas y/o azufre.

Entre los sulfatos de origen industrial se destacan los que proceden de aguas residuales con derivados orgánicos e inorgánicos del azufre, especialmente sulfatos. También están los que provienen de plantas industriales y fábricas fertilizantes, galvanizados, laboratorios fotográficos, entre otros, los cuales penetran el suelo o las aguas subterráneas.

En zonas industriales y en zonas urbanas donde hay combustión de carbón o gasolina con azufre, se libera dióxido de azufre que en presencia de oxígeno y humedad forman ácido sulfúrico. Las lluvias ácidas también contienen sulfatos que atacan la superficie del concreto endurecido.

Para fabricar concreto resistente a los sulfatos

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

• Un contenido de cemento que garantice un concreto más durable en el tiempo.• Una baja relación agua/material cementante; pues sabemos que esto hace que

el concreto sea menos permeable.• Una adecuada colocación del concreto controlando especialmente variables

como el vibrado o compactación y el curado.

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

Si te interesa el tema, te invito a consultar el artículo durabilidad del concreto en zonas costeras y obras portuarias.