La durabilidad de las estructuras de hormigón

Traducción resumen de “Ordinary and Long Term durability of Reinforced Concrete Structures” de M. Collepardi. Incluido en “Durability of Concrete” de V.M. Malhotra, 2 vols. CANMET/ACI 2000
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hipódromo de la zarzuela madrid
Carlos Arniches y Martín Domínguez, con la colaboración del ingeniero de caminos Eduardo Torroja
1941

Sinopsis

La durabilidad de las estructuras de hormigón armado parece mala en comparación con las estructuras de hormigón no armado “de la antiguedad”, algunas de las cuales todavía están en servicio.

Cuando se trata de la Durabilidad Ordinaria (período de servicio 40- 50 años) el comportamiento mediocre del hormigón armado se debe a la negligencia profesional para adoptar el amplio cuerpo de conocimiento empírico, disponible en este campo.

Sin embargo, para la Durabilidad a Largo Plazo (100 años y mas), debemos tener en cuenta la vulnerabilidad intrínseca en el sistema acero-hormigón. Ésta depende substancialmente de los siguientes puntos débiles del hormigón:

1.-    Baja resistencia a la tracción

2.-    Elevado módulo de elasticidad.

3.-    Microfisuración causada por agrietamiento témico diferencial, contracción por fraguado, o por las cargas de servicio.

Se examinan críticamente algunas situaciones futuras para conseguir un aumento de Durabilidad a Largo Plazo:

a.-    Mejora del comportamiento anti-corrosión del refuerzo metálico con inhibidores de la corrosión, protección del refuerzo con barnices, cambio en la composición de las barras de la armadura, protección catódica.

b.-    Uso de refuerzo no metálico.

c.-    Aumento de la resistencia a tracción y/o ductibilidad de las mezclas de hormigón, añadiendo polimeros elásticos.

d.-    Barnices flexibles en la superficie del hormigón para unir las fisuraciones del substrato rígido.

¿Que es durabilidad?

Para estructuras de hormigón armado, es la capacidad que tiene la estructura de mantener sus características funcionales y estructurales originales, para la vida útil y condiciones ambientales para las que se diseñó.

Ésto no coincide necesariamente con la durabilidad del hormigón, siendo ésta la capacidad del material para mantener por si mismo sus propiedades originales para un período de tiempo.

La durabilidad del homigón armado depende, no solo de la del hormigón, sino tambien de aspectos de diseño (grueso del recubrimiento, densidad y posición de las barras de armadura, medios de protección) así como aspectos de ejecución (transporte, almacenamiento compactación y curado de la mezcla).

Norma y recomendaciones en Europa para los aspectos de ejecución: European Prestandard ENV 206.

Cuando menos en infraestructuras de gran importancia social y coste económico (túneles, presas, puentes….) y en estructuras de particular interés arquitectónico es legítimo preguntarse si éstas durarán, por sí mismas, 500 años o mas, si comparamos la durabilidad experimentada por las edificaciones en hormigón armado del s. XX con la de obras monumentales construidas durante el resto del milenio.

¿Acaso es nuestro conocimiento empírico de los materiales, actualmente inferior al de Miguel Ángel y otros arquitectos del pasado?.

Las causas de deterioro en el hormigón armado.

a) La negligencia:

Para estructuras expuestas a ambientes agresivos ni siquiera se alcanza Durabilidad Ordinaria (40-50 años de servicio), cuando no se tiene en cuenta alguna de las acciones recomendadas:

– Selección de los materiales adecuados: cementos específicos, áridos consistentes y bien calibrados, aditivos químicos y minerales.

– Mezcla adecuada: proporción agua /cemento y ausencia de huecos de aire, en función de los requerimientos de durabilidad que dependan de la exposición medioambiental.

– Diseño constructivo adecuado: grueso de la cobertura de hormigón, posición y densidad de los refuerzos, forma y dimensión de los elementos estructurales.

– Técnicas cuidadosas de ejecución para el hormigón fresco: control de las pérdidas de trabajabilidad y asentamiento debidas al transporte, vertido, compactación y curado.

Casos mas habituales de negligencia son:

– Elevada proporción agua /cemento en relación a la agresividad medioambiental.

– Cobertura de hormigón delgada para estructuras expuestas a carbonatación o penetración de cloruros.

– Adición incontrolada de agua en sitio por pérdida de asentamiento.

– Curado inadecuado o inexistente tras desmoldear.

Otra clase de negligencias están relacionadas con procesos de la producción de cemento y del hormigón que objetivamente se gestionan con dificultad en el campo práctico:

La selección inadecuada de áridos consistentes y no propensos a la reacción alcalino-sílica. Cuando se produce hormigón a gran escala no disponemos de un test rápido y fiable para la detección potencial de ésta reacción, pero el uso de ceniza volante y otros materiales cementicios sigue siendo la mejor forma de prevenirla, cuando existe el riesgo de usar áridos alcalino-reactivos y no disponemos de cemento portland libre de alcalinidad.

La formación diferida de etringitas cuando se utiliza un clinker con alto contenido de sulfatos, en la producción de cementos portland. Los test standart vigentes solo pueden vericar el contenido total de sulfatos en el cemento (y no el de la fase de clinker), por tanto las tensiones inducidas por la etringita en el hormigón son difíciles de preveer.

Esta clase de deterioro ha aumentado en las estructuras de hormigón pretensado, a lo largo de la última década, particularmente en las uniones de hormigón.

Ello se debe a dos factores concurrentes ademas de la exposición a ambientes húmedos: el aumento de los sulfatos en el clinker desde los años 80 por el uso de deshechos ricos en azufre y combustibles en los hornos, y el aumento de las microfisuras debidas a altos esfuezos no controlados, o a su mala distribución, en las estructuras pretensadas y/o curadas al vapor.

Esta última clase de negligencia puede eliminarse con un mejor control de la producción de clinker por parte de los fabricantes de cemento y de la distribución de esfuerzos en las estructuras por los ingenieros.

b) La vulnerabilidad inherente del hormigón armado:

En contraste a lo que ocurre en el laboratorio, en la vida real las estructuras están sometidas a cargas estáticas y dinamicas. El deterioro adicional que se observa en las estructuras reales comparado con el de las pruebas de laboratorio, se debe a los siguientes “puntos débiles” del hormigón:

– Baja resistencia a la tracción.

– Elevado módulo de elasticidad, que tranforma las variaciones de longitud debidas a temperatura y humedad, en tensiones relativamente altas.

– Microfisuras debidas a los dos puntos anteriores.

Estas microfisuras son las principales vías de penetración, por capilaridad y difusión, para los agentes agresivos del medio (aire, agua, sulfatos, cloruros, iones alcalinos). Ésto implica que la cobertura de hormigón puede ser penetrada independiente de la porosidad de la matriz de cemento y desencadena la corrosión del refuerzo metálico, que dará lugar a la expansión disruptiva del mismo, al tranformarse el metal hierro por sus correspondientes óxidos.

Para la Durabilidad Ordinaria, solventadas las causas de negligencia y en ambientes normales, la presencia de microfisuras en el recubrimiento de hormigón juega un papel insignificante, aunque para medios agresivos (marinos, ciclos hielo/deshielo con sales descongelantes, etc..), éstas sí deben tenerse muy en cuenta.

Cuando requerimos Durabilidad a Largo Plazo no pueden ignorarse los mecanismos de formación de las microfisuras.

Las barras metálicas de refuerzo son el principal elemento de preocupación para la durabilidad de las estructuras de hormigón.

Las estructuras de buen hormigón, (con baja proporción agua /cemento, sin huecos de aire, y buen compactado y curado), incluso microfisuradas por contracción térmica o de fraguado, podrían trabajar substancialmente como estructuras durables a Largo Plazo, en ausencia de barras metálicas de refuerzo.

Escenarios futuros para la Durabilidad a Largo Plazo de las estructururas de hormigón armado.

Para que las nuevas estructuras sean durables, comparadas con las no-reforzadas de los antiguos edificios, se contemplan tres posibilidades:

a) Mejora del comportamiento anticorrosión del refuerzo.

b) Uso de refuerzo no metálico.

c) Mayor resistencia a la tracción y/o ductibilidad de mezclas especiales de hormigón.

d) Barnices flexibles para la protección de superficie.

Pero ninguno de estos metodos son suficientes por si mismos, si no es junto con un buen hormigón, libre de microfisuras.

a) El proceso de corrosión del refuerzo metálico (por CO2, Cl, O2, H2O…), debería ser lo mas lento posible, incluso si está envuelto en una matriz de cemento microfisurada y en ausencia de pasivación por el mismo.

Las soluciones a ésto son las teóricamente disponibles:

– Uso de aditivos del hormigón como inhibidores de la corrosión:

No protegen las estructuras fisuradas (>0.1 mm) expuestas a cloruros -ambiente marino, etc…-   donde éstos puedan llegar hasta la superficie del refuerzo.

– Protección del refuerzo con baño de epoxi:

Puede aportarle “vida extra” aunque, a la larga, la difusion de moleculas de agua por la superficie del epoxi puede causar la pérdida de su adhesión al metal, y producirse una película de óxido entre el epoxi y el refuerzo, especialmente en estructuras microfisuradas y humedad.

– Refuerzo galvanizado, o utilización del acero inoxidable:

Pueden prolongar su vida de servicio ya que aumentan el umbral en el que empieza la corrosión, pero éste se sobrepasará igualmente en medios agresivos severos.

Es efectivo sólo en ausencia ambiental de cloruros.

– Procesos de protección catódica.

Este parece el método mas prometedor, anque su coste de instalación es alto y su logística compleja. Se usa mas en trabajos de reparación que en la construcción de nuevas estructuras. Consiste en disminuir suficientemente el potencial electroquímico del refuerzo (cátodo), para así no atraer iones-cloro, cual sea su penetración a través del hormigón.

Sin embargo puede conllevar otros procesos electroquímicos no deseados, como la conversión de iones 2H+ a H2, que podrían volver el acero quebradizo en estructuras pretensadas.

Es difícil posicionar el ánodo adecuadamente cerca del cátodo y conseguir uniformidad en la distribución de corriente por toda la estructura, por otro lado ello tambien es debido a la resistividad del hormigón.

La protección catódica puede ser un buen método para aportar Durabilidad a Largo Plazo si su diseño es específico para cada estructura y concurre con el diseño estructural.

b) Uso de refuerzo no metálico:

Las barras de FRP (Fiber Reinforced Polimer) consisten generalmente en fibras, orgánicas o inorgánicas,embebidas en una matriz de resina. Las barras de este material, mas comunmente usadas en aplicaciones de ingeniería civil se hacen con fibra de carbono, aramida, o vidrio, y se utilizan para reforzar elementos de hormigón armados o pretensados, así como en reparación o refuerzo de estructuras pre-existentes.

Aunque el uso de FRP viene actualmente limitado por la falta de procedimentos de diseño para los ingenieros, éste es ciertamente un horizonte de interés y ACI tiene prevista la edición de una guia de diseño para estos elementos.

c) Mayor resistencia a la tracción y/o ductibilidad del hormigón, hormigones especiales:

Estas cualidades se obtienen por reducción del módulo de elasticidad y aumento de la resistencia a tracción.

El hormigón se fisura cuando las fuerzas de tracción inducidas por la contracción del fraguado y el estrés térmico superan la resistencia a esa tracción.

En realidad, inicialmente, el propio “temblor” del material disipa una parte de esas tensiones, es la tensión residual resultante, tras relajarse las fuerzas de trepidación, la que determina si el fisurado tendrá lugar.

En general, el hormigon de alta resistencia a la compresión es intrinsecamente propenso a fisurarse, ya que esta ganancia a la compresión viene acompañada de un aumento en modulo de elasticidad, que es mayor que el de la resistencia a tracción.

Por tanto, buscar un hormigón libre de fisuras, con alta resistencia a tracción o bajo módulo de elasticidad, no parece el camino adecuado, a no ser que utilicemos ingredientes especificos para fabricar hormigones especiales.

Éstos últimos se entienden como mezclas de hormigón modificadas con polímeros, mezclas que se caracterizan por tener una “co-matriz” monolítica, en la que se homogenizan tanto la matriz del polímero orgánico como la del gel de cemento.

En general estos hormigones especiales muestran un aumento significativo en resistencia a la tracción y flexión, y una ganancia ínfima para la compresión.

Al parecer el hormigón modificado con polímeros, y particularmente añadiéndole fibras de acero, es un material prometedor para prevenir la microfisuración causada por las variaciones de longitud y por tanto es adecuado para la Durabilidad a Largo Plazo de las estructuras de hormigón. Sin embargo su elevado coste en comparación con las mezclas tradicionales han restringido su uso a unos pocos trabajos, en puentes y reparación.

d) Barnices flexibles de superficie para la protección del hormigón:

Se han desarrollado para actuar como pieles flexibles, de 1 o 2 mm. en la superficie del substrato rigido del hormigón. Dado su alcance, el aumento de costes por implementar esta aplicación es mucho menor que el de aplicar los polímeros-masa referidos en el punto anterior.

Por otro lado, para Durabilidad a Largo Plazo, el coste podría ser ínfimo comparado con los de rehabilitación de las estructuras, especialmente para las mas expuestas a ambientes agresivos.

Los barnices rígidos, basados en epoxi o uretano, se especifican para sostener tráfico rodado pero deben seguir programas de reemplazo.

Sin tráfico su duración podría ser mayor, pero debido a su rigidez intrínseca no pueden deformarse para unir las fisuras del substrato de hormigón (y así garantizar estructuras sin fisurar). Desde este punto de vista los barnices flexibles trabajan mucho mejor, pero teniendo en cuenta que no están diseñados para resistir abrasión o impacto.

Desarrollos subsiguientes de los barnices flexibles los han hecho, mas rápidos en su fraguado, resistentes a los elementos ambientales agresivos, duraderos y suficientemente flexibles como para deformarse y unir las fisuras del substrato rígido del hormigón.

Es importe precisar que en ésta como en muchas otras de las soluciones descritas, aún no tenemos una experiencia de campo real para la Durabilidad a Largo Plazo (>50 años), pero en contraste con las soluciones “embebidas” en el hormigón, ésta es directamente observable y, en caso de perder calidad, puede reponerse o modificarse.

Conclusiones:

Las modernas estructuras de hormigón armado son menos duraderas que las “antiguas” de hormigón sin reforzar, debido al riesgo de corrosión del refuerzo de acero embebido en un cuerpo de hormigón rígido.

Se considera la negligencia profesional, causante de no alcanzar la Durabilidad Ordinaria de las estructuras (<50 años de vida de servicio), sin embargo no ser negligentes es solo un pre-requisito para alcanzar la Durabilidad a Largo Plazo (100 años o mas).

Las microfisuras iniciales, producidas por los cambios de longitud o cargas de servicio son las vías preferentes por donde penetrarán los agentes agresivos del ambiente exterior. Ésto és en detrimento de la durabilidad de las estructuras incluso cuando se han especificado adecuadamente las mezclas, vertido, compactación y curado.

El aumento de Durabilidad, mas allá de la Ordinaria, puede alcanzarse por medio de alguno de los siguientes desarrollos:

– Mejora de la resistencia a la corrosión inherente en el refuerzo.

– Aumento de la resistencia a tracción del hormigón.

– Uso de barnices de superficie para proteger el substrato de hormigón del ataque de los elementos del medio externo.

unité d´habitation berlin
Le Corbusier
1959
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