PATOLOGÍA DE LA EDIFICACIÓN 23 AGRESIVIDAD DEL SUELO A ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN. ATAQUE QUÍMICO. 1.- GENERALIDADES INTRODUCCIÓN El terreno en el que en muchas ocasiones se edifica está expuesto a agentes externos o internos que le aportan una característica, con la que hay que contar a la hora de proyectar una construcción, ya que va a condicionar algunos aspectos de la misma: esto es la agresividad. La agresividad o ataque químico del terreno puede afectar a las estructuras que están en contacto con él, en mayor o menor medida, afectando por tanto la durabilidad de esas estructuras y por tanto su resistencia y estabilidad a lo largo del tiempo. El principal agente agresivo del hormigón es el agua, bien directamente o bien como vehículo de transporte de los agentes agresivos y ya que en el terreno nos podemos encontrar agua en forma de niveles freáticos estables o colgados, condensaciones bajo cimentaciones o escorrentía subterránea por riego o lluvia, incluíremos los daños originados por la agresividad de la misma al hormigón. Las acciones debidas a agentes agresivos son: a) Ataques por sulfatos El ataque de sulfatos ocurre donde hay concentraciones relativamente altas de sulfatos de sodio, potasio, calcio o magnesio, tanto en suelos como en aguas subterráneas, superficiales o en aguas de mar. También pueden ocurrir asociados a algunas instalaciones industriales, desechos, aguas fecales o subproductos de cualquier tipo, acumulados de forma incontrolada. Los sulfatos son muy solubles en agua y penetran con facilidad en estructuras de hormigón expuestas a los mismos. Asociados sobre todo a rocas y procesos volcánicos, rocas y minerales de origen evaporítico y alteración de sulfuros asociados yacimientos minerales, tenemos importantes concentraciones de Yeso, Glauberita, Thenardita, etc, en la mayoría de nuestros suelos. Dado que la presencia de sustratos y aguas sulfatadas en España es más que frecuente, deberán tomarse precauciones en la construcción de obras de hormigón. El cemento es un polvo finamente molido, compuesto principalmente por silicatos de calcio y en menores proporciones por aluminatos de calcio, que, mezclado con agua se combina con ella, fragua y endurece a la temperatura ambiente al aire o bajo agua. El ataque de sulfatos se debe a la combinación de ión sulfato con el aluminato de calcio hidratado del cemento, formando Ettringita (sulfo aluminato de calcio) y con el hidróxido de calcio libre o liberado durante la hidratación del cemento, para formar yeso. Ambas reacciones producen expansiones fuertes, ya que tanto la ettringita como el yeso alcanzan un volumen mucho mayor que el de los depósitos reactantes que los formaron (presencia de agua en su estructura cristalina) y como consecuencia, ocasionan la erosión, disgregación y destrucción de los morteros y hormigones a través de sus poros por donde penetran. Según el contenido de aluminato tricálcico (C3A) del clinker los cementos serán más o menos resistentes a los sulfatos. b) Lixiviado o disolución
Se debe al poder de disolución de las aguas puras o carbónicas de aquellos compuestos solubles del hormigón. Tambien se puede producir por el ataque de aguas ácidas (su agresividad depende de su Ph y contenido de CO2).
c) Acción del agua de mar La agresividad del ambiente marino se debe fundamentalmente a las sales que lleva disuelta el agua de mar: cloruro sódico, cloruro magnésico, sulfato magnésico, sulfato cálcico, cloruro potásico, sulfato potásico y bicarbonato cálcico. Esta agresividad se divide en dos tipologías: la relativa a la degradación del hormigón por la acción de las sales agresivas y otra por los procesos de corrosión debido a la humedad ambiental y el aporte de cloruros. Los iones cloruros inhiben o atenúan en cierta medida la acción de los sulfatos, ya que dan lugar a un cloroaluminato de calcio hidratado que no es expansivo, o al menos no tanto como la ettringita. Pero en el caso de que el clínker contenga gran cantidad de aluminato tricálcio y el grado de saturación sea elevado, los cloruros existentes en el agua de mar no pueden evitar la formación de la estringita, con sus consecuencias. d) Acción debida a los agentes biológicos Entre los diferentes organismos que pueden ser agresivos al hormigón los más importantes son las bacterias ferroginosas y las tiobacterias, produciendo alteraciones o reaccionando con el agua formándose sulfatos o ácido sulfúrico, A continuación relacionamos algunas tablas extraidas de la Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) respecto a las consideraciones en cuanto a la durabilidad del hormigón y los diferentes grados de ataque y agresividad:
Clase
CLASE GENERAL DE EXPOSICIÓN Subclase Designación
No agresiva
I
Humedad alta
IIa
Humedad media
IIb
Tipo de proceso Ninguno
Corrosión de origen diferente de los cloruros
Normal Corrosión de origen diferente de los cloruros
DESCRIPCIÓN -interiores de edificios, no sometidos a condensaciones - elementos de hormigón en masa - interiores sometidos a humedades reltivas medias altas (>65%) o a condensaciones - exteriores en ausencia de cloruros, y expuestos a lluvia en zonas con precipitación media anual superior a 600 mm - elementos enterrados o sumergidos -exteriores en ausencia de cloruros, sometidos a la acción del agua de lluvia, en zonas con precipitacion media anual inferior a 600 mm
EJEMPLOS - interiores de edificios, protegidos de la intemperie
- sótanos no ventilados - cimentaciones - tableros y pilas de puentes en zonas con precipitación media anual superior a 600 mm - elementos de hormigón en cubiertas de edificios
- construcciones exteriores protegidas de la lluvia - tableros y pilas de puentes, en zonas con precipitación media anual inferior a 600 mm
-
Aérea IIIa
Corrosión por cloruros
-
Marina Sumergida
IIIb
Corrosión por cloruros
Corrosión por cloruros
En zona de mareas
IIIc
Con cloruros de origen diferente del medio marino
IV
Corrosión por cloruros
elementos de estructuras marinas, por encima del nivel de pleamar elementos exteriores de estructuras situadas en las proximidades de la línea costera (a menos de 5 km) -
edificaciones en las proximidades de la costa puentes en las proximidades de la costa zonas aéreas de diques, pantanales y otras obras de defensa litoral instalaciones portuarias
elementos de estructuras marinas sumergidas permanentemente, por debajo del nivel mínimo de bajamar
zonas situadas en el recorrido de marea de diques, pantanales y otras obras de defensa litoral zonas de pilas de puentes sobre el mar, situadas en el recorrido de marea zonas situadas en el recorrido de marea de diques, pantanales y otras obras de defensa litoral zonas de pilas de puentes sobre el mar, situadas en el recorrido de marea piscinas pilas de paso superiores o pasarelas en zonas de nieve estaciones de tratamiento de agua
elementos de estructuras marinas situadas en la zona de carrera de mareas -
instalaciones no impermeabilizadas en contacto con agua que presente un contenido elevado de cloruros, no relacionados con el ambiente marino - superficies expuestas a sales de deshielo no impermeabilizadas
Fig. 1.- Clases de exposición relativas a la corrosión de las armaduras (EHE)
CLASE ESPECÍFICA DE EXPOSICIÓN Clase Subclase Designació Tipo de n proceso
Débil
Qa
Ataque químico
DESCRIPCIÓN - elementos situados en ambientes con contenidos de sustancias químicas capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad lenta
EJEMPLOS - instalaciones industriales, con sustancias débilmente agresivas - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad débil
con heladas
Media
Qb
Ataque químico
Fuerte
Qc
Ataque químico
Sin sales fundentes
H
Ataque hielodeshielo
F
Ataque hielodeshielo
Con sales fundentes
Abrasión cavitación
erosión E
- elementos en contacto con agua de mar - elementos situados en ambientes con contenidos de sustancias químicas capaces de provocar la alteración del hormigón con velocidad media
- dolos, bloques y otros elementos para diques - estructuras marinas, en general - instalaciones industriales con sustancias de agresividad media - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad media - instalaciones de construcción y tratamiento de agus residuales, con sustancias de agresividad media - elementos situados en - instalaciones industriales, con ambientes con contenidos de sustancias de agresividad alta sustancias químicas capaces - instalaciones de conducción y de provocar la alteración del tratameinto de aguas hormigón con velocidad rápida residuales, con sustancias de agresividad alta - elementos situados en - construcciones en zonas de contacto frecuente con agua, o alta montaña zonas con humedad realtiva - estaciones invernales media ambiental en invierno superior al 75% y que tenga un probabilidad anual superior al 50% de alcanzar al menos una vez temperaturas por debajo de –5ºC - elementos destinados al - tableros de puentes o tráfico de vehículos o pasarelas en zonas de alta peatones en zonas con más montaña de 5 nevadas anuales o con valor medio de la temperatura mínima en los meses de invierno inferior a 0ºC -elementos sometidos a - pilas de puentes en cauces desgaste superficial muy torrenciales - elementos de estructuras - elementos de diques, hidráulicas en los que la cota pantanales y otras obras de piezométrica pueda descender defensa litoral que se por debajo de la presión de encuentren sometidos a fuertes vapor del agua oleajes - pavimentos de hormigón - tuberías de alta presión
Fig. 2.- Clases de exposición relativas a otros procesos de deterioro de la corrosión TIPO DE MEDIO AGRESIVO
PARAMETROS
Qa ATAQUE DÉBIL 6,5 - 5,5 15 - 40
VALOR DEL Ph C02 AGRESIVO (mgC02 / l) ION AMONIO 15 - 30 (mgNH4+ / l) AGUA 300 - 1000 ION MAGNESIO 2+ (mg MG / l) 200 - 600 ION SULFATO (mg 4SO / l) RESIDUO SECO 75 - 150 (mg / l) GRADO DE ACIDEZ > 20 SUELO BUMANN - GULLY ION SULFATO (mg 2000 - 3000 SO42- / kg de suelo seco) (*) Estas condiciones no se dan en la práctica
TIPO DE EXPOSICIÓN Qb Qc ATAQUE MEDIO ATAQUE FUERTE 5,5 - 4,5 < 4,5 40 - 100 >100 30 - 60
> 60
1000 - 3000
> 3000
600 - 3000
> 3000
50 - 75
< 50
(*)
(*)
3000 - 12000
> 12000
Fig. 3.- Clasificación de la agresividad química (EHE)
2.- DESCRIPCIÓN Y ORÍGEN DE LOS DAÑOS DESCRIPCIÓN Los daños producidos por el terreno a las estructuras de hormigón que están en contacto con él, tales como elementos de cimentación (zapatas, pozos, losas, pilotes...), muros de contención u otros son: -
-
Desagregación o destrucción química del hormigón. o
Cambio de coloración en la superficie de los elementos, ya que el cemento va perdiendo su carácter conglomerante quedando por consiguiente los áridos libres de la unión que les proporciona la pasta. Inicialmente suele presentar aspecto poroso, cambio de color, eflorescencias o manchas.
o
Fisuras.
o
Abarquillamiento de las capas externas del hormigón
o
Desintegración de la masa del hormigón.
Pérdida de resistencia, pudiendo llegar a la ruina del elemento
Fig. 4 .- Ataque fuerte del suelo en base de pilar -
Reducción de los recubrimientos: o o o o
-
manchas de óxidos en paramentos fisuración longitudinal según el trazado de las barras afectadas por la corrosión menor resistencia al fuego acortamiento de la vida útil
De menor a mayor intensidad de ataque al hormigón en ambiente marino: o Corrosión de armaduras con pérdidas de sección en las barras principales del 1%. Aparecen ligeras fisuras longitudinales en las esquinas coincidiendo con la situación de las barras, pero no fisuras transversales en el plano de los estribos. o Corrosión de las armaduras principales con pérdida de sección del 5%. Salta el hormigón en las esquinas y quedan las barras de acero principales al aire. Aparecen fisuras en el plano de los estribos. La capa de óxido hace que las armaduras pierdan adherencia con el hormigón.
o
o
Corrosión de las barras principales con pérdida de sección del 25%. Se desprende el hormigón en las zonas de los estribos y quedan estos al aire. Pérdida de anclaje frente a pandeo y de adherencia de las barras. Se supone que el hormigón, por efecto de la corrosión se ha debilitado en una profundidad de 1 cm. Rotura de estribos. La sección de acero que queda en las barras principales no trabaja. Las barras principales pandean.
Fig. 5.- Fisuras en muro de hormigón, situado en ambiente marino, originadas por la entrada de cloruros debido a una deficiente ejecución del mismo.
ORIGEN Los factores de los que dependerán las patologías a encontrar debido al ataque de agentes químicos a las estructuras de hormigón van a ser: - características del hormigón: contenido y tamaño de huecos, porosidad accesible o permeable... - características de los agentes agresivos - condiciones ambientales - exposición de los elementos a los agentes agresivos: externa o internamente - cuantificación de la agresión - velocidad de la agresión o de alteración del hormigón (ataque con consecuencias a corto o largo plazo) Los motivos que van a llevar a una falta de resistencia del hormigón al ataque químico son: a) mala dosificación del conglomerante (según la composición mineralógica del clinker y del tipo y proporción de la adición que contenga) disminuyendo la resistencia de éste a los agentes agresivos b) presencia de áridos contaminados, como piritas, las cuales reaccionan con el agua contenida en los poros del hormigón formando sulfatos de hierro que provocan un aumento de volumen por reacciones expansivas c) falta de homogeneidad, compacidad o impermeabilidad por los medios de producción empleados en la ejecución de ese hormigón (bajo contenido de cemento, relación agua/cemento elevada...)
d) puesta en obra inadecuada: o mala compactación o deficiente curado o recubrimientos insuficientes
Resistencia característica del hormigón 2 (N/mm ) 25 ≤ f ck < 40
f ck > 40
Tipo de elemento general elementos prefabricados y láminas general elementos prefabricados y láminas
RECUBRIMIENTO MÍNIMO (mm) SEGÚN LA CLASE DE EXPOSICIÓN (**) I IIa IIb IIIa IIIb IIIc IV Qa Qb Qc 20 25 30 35 35 40 35 40 (*) (*) 15
20 25 30
30
35 30 35
(*)
(*)
15
20 25 30
30
35 30 35
(*)
(*)
15
20 25 25
25
30 25 30
(*)
(*)
(*) El proyectista fijará el recubrimiento al objeto de que se garantice adecuadamente la protección de las armaduras frente a la acción agresiva ambiental. (**) En el caso de clases de exposición H, F ó E, el espesore del recubrimiento no se verá afectado.
Fig. 6.- Recubrimientos mínimos del hormigón según clase de exposicion (EHE)
3.- PREVENCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS PREVENCIÓN Para evitar la degradación del hormigón por agentes agresivos se ha de tener en cuenta las siguientes medidas que eviten la entrada de estas sustancias desde el exterior hacia el hormigón, así como la no presencia de agentes agresivos en sus componentes: -
evitar hormigones porosos y permeables, más susceptibles de ataque, para lo cual se deberá cumplir: o Que la relación agua/cemento sea lo más reducida posible (de forma compatible con la trabajabilidad de la mezcla y la hidratación del cemento) . o Un elevado contenido de cemento. o Compactación y curado adecuados. Con estas medidas el hormigón resistirá el ataque débil.
-
Si estas medidas son insuficientes ante el ataque ambiental se deberán utilizar cementos especiales, resistentes al tipo de ataque que le afecte. Para la ejecución de hormigones en ambiente marino se deberán emplear cementos con bajo contenido de aluminato tricálcico. Contra el ataque de sulfatos la utilización de cementos con el aditivo sulforresistente en morteros y hormigones o la utilización también de hormigones de alta resistencia a compresión simple (alta densidad y baja porosidad), por supuesto siempre en las zonas expuestas a la acción de dichos sulfatos disueltos y cuantificándose la agresividad. La incorporación de escoria de horno alto, cenizas volantes o puzolanas naturales (CEM II/A-S, CEM II/B-S, CEM II/A-V, CEM II/B-V, CEM II/A-P y CEM II/B-P) mejora el comportamiento del cemento ante agentes agresivos.
Los cementos con elevado contenido de adiciones, como los de horno alto (CEM III), los puzolánicos (CEM IV) y mixtos (CEM V), presentan una elevada resistencia a la agresión química. Los cementos especiales (ESP VI), han sido especialmente diseñados para hormigonado de grandes macizos, y aplicaciones en las que es fundamental un desarrollo lento de resistencias y una cierta resistencia a los agentes agresivos del terreno. Los cementos de aluminato de calcio (CAC) tienen unas características muy particulares que los hace adecuados para hormigones refractarios, obras en terrenos yesíferos. -
Si el ataque es muy fuerte se deberán aplicar revestimientos especiales que hagan el hormigón más duradero, evitando el contacto directo del hormigón con los agentes agresivos.
REPARACIÓN Las reparaciones de elementos afectados puntualmente se realizan mendiante la retirada del hormigón fisurado, saneo de armaduras (en el caso de que hayan sido afectadas), preparación de la superficie y reconstrucción de la pieza, mediante productos de reposición. Si el ataque es interior, se ha de sustituir el elemento por otro que supla la función que éste desempeñaba, si esto no es posible, como en el caso de pilares, se puede colocar un perfil adosado a cada lado de la pieza que se encargarán de resistir las cargas que acometan sobre el elemento estructural, prescindiendo por tanto de la resistencia del pilar de hormigon. Tambien se puede inyectar resina epoxi alrededor de la pieza y colocar luego platabandas de acero que forren todo su perímetro. En definitiva, habrá que definir de forma correcta el alcance de la reparación así como elegir el sistema más adecuado y realizar en su caso los ensayos pertinentes que determinen la causa de las patologías encontradas.
Fig. 7.- Ejemplos de reparación de pilar afectado por ataque químico
4.- CONCLUSIÓN Para evitar el ataque de los agentes agresivos al hormigón principalmente se deberán tomar las medidas adecuadas desde el propio hormigón (en su elaboración, mediante la adición de los aditivos correspondientes, etc). Previamente se deberá determinar o cuantificar el grado de agresividad, mediante la elaboración de los correspondientes ensayos en el estudio geotécnico.
