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Hormigón en ambiente de sulfatos

Autor: Departamento Técnico de Productos CAVE S.A.

El hormigón de cemento es vulnerable a ataques por soluciones acuosas de sales de sulfato existentes en algunos suelos y aguas subterráneas. La velocidad y grado del ataque depende de la cantidad de sulfato soluble disponible, presencia de agua, composición del cemento y ciertas características del hormigón como su permeabilidad. A medida que la acción progresa, hay una pérdida gradual de resistencia en la pasta de cemento endurecida, de modo que el hormigón se desintegrará. Los elementos de hormigón expuestos a ataques por sulfato, en contacto con suelos y aguas subterráneas, incluyen bases, muros de fundaciones, muros de contención, machones, pilastras, alcantarillas, tuberías y losas de superficie. El ataque más severo ocurre en elementos donde sólo un lado está expuesto a soluciones de sulfato y en el otro lado se producen evaporaciones, por ejemplo los muros de contención.

Origen de Sulfatos Disponibles

cave1.gif (2110 bytes)El sulfato soluble está presente en alta concentración en suelos y aguas subterráneas especialmente en el entorno cordillerano, donde existen flujos bajos de agua. Los depósitos superficiales de tales sales, a menudo sulfato de sodio, ocurren en muchas áreas y pueden estar en alta concentración el sulfato de magnesio y de cobre. Aunque normalmente no está en concentraciones tan altas como para interferir en el crecimiento de la vegetación, la concentración de sulfato en o cerca de la superficie, puede ser suficientemente alta como para dañar al hormigón. Igualmente dañino es el sulfato proveniente de lluvia ácida.

En zonas de mayor cantidad de lluvia, el nivel de sulfato está en baja concentración, por una mayor dilución. En áreas con depósitos de yeso, las concentraciones pueden ser altas y localizadas. Los sulfatos de calcio naturales, como el yeso, tienen baja solubilidad y, por sí mismos, no producen reacciones significativas, pero, en el tiempo, pueden convertirse en sales más solubles, como sulfatos de sodio y magnesio.

En sitios donde se almacena carbón por tiempo prolongado se encuentran concentraciones altas de sulfatos solubles. Los terrenos pantanosos son también, a veces, altos en concentración de esas sales. Donde hay minerales sulfurados puede ocurrir una oxidación a sulfato, incluso por acción bacteriológica. Los alcantarillados y otros materiales de desecho liberan a veces gases conteniendo sulfuros, los cuales se oxidan a sulfato.

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Figura 1: Imagen de microscopía electrónica que muestra la Etringita (flechas) reemplazando el silicato de calcio hidratado en la pasta de cemento.

El ataque del agua de mar sobre el hormigón ha sido tradicionalmente tratado como un ataque de sulfato distinto al que ocurre en suelos y aguas subterráneas. La concentración de sulfato en el agua de mar (forma soluble promedio 2.750 ppm) es muy alta y está en el rango de concentración que daña al hormigón. El problema se complica por la acción de erosión, corrosión del refuerzo de acero y por daño físico debido a impacto de olas u otro material además de los factores relacionados con la abrasión.


Mecanismo de la Reacción

El ataque por sulfato en el hormigón es producto de una reacción química entre el ión sulfato y el aluminato de calcio hidratado y/o el componente hidróxido de calcio de la pasta de cemento endurecida, en presencia de agua. Los productos resultantes de esta reacción son sulfoaluminato de calcio hidratado, conocido como etringita y sulfato de calcio hidratado, conocido como yeso. Estos sólidos tienen un volumen mayor que los reactantes sólidos y las tensiones pueden producir rompimiento de la pasta y del hormigón.

La medida preventiva, verificada en terreno y laboratorio, está basada en reducir o eliminar uno o más de los cuatro reactantes de la reacción de arriba, ya que sólo se necesita neutralizar para detener la reacción. Aunque la medida preventiva basada en la reacción específica del sulfato descrita arriba, ha probado ser efectiva en la mayoría de los casos, hay ocasiones en las cuales no tiene éxito. El sulfato de magnesio es más agresivo que el sulfato de sodio y esto ha llevado a suponer que el ión magnesio actúa por una reacción separada que puede ser más destructiva.


Medidas Preventivas Básicas

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Figura 2: Fisuramiento (flechas) producido por efecto expansivo del ataque asociado a sulfatos en el hormigón.

Si el ión sulfato está presente en forma soluble y en cantidad que produzca daño, se debe bloquear su entrada al hormigón por métodos que involucre un recubrimiento impermeable o un drenaje de corte. Los recubrimientos poliméricos acrílicos, CAVE POLFLEX o CAVE POLFLEX-F o cementicios modificados con polímeros acrílicos como CAVE PLASTISEAL o CAVE I SEAL o cementicios especiales de impermeabilización por cristalización, de la línea XYPEX, han sido usados con éxito, por ejemplo, en instalaciones especiales como tuberías de agua o alcantarillado enterradas, muros de fundación o de contención.

El agua no sólo es necesaria para la reacción en el ataque del sulfato sobre el hormigón, sino que también es el vehículo que transporta el ión sulfato. El agua penetra rápidamente en el hormigón a través de la acción capilar. Nuevamente, los recubrimientos impermeables o el drenaje constituyen las medidas de prevención.

En la fabricación de cemento, la cantidad normal presente de aluminato de calcio puede reducirse a valores efectivos que proporcionen resistencia al ataque del sulfato hacia el hormigón. Estos cementos, llamados "cemento resistente a sulfato", tipo V por norma NCh 148, han sido fabricados y usados por muchos años. Estos cementos pueden tener propiedades de ganancia de resistencia menores que la de un cemento Portland normal. Son también inherentemente cementos de bajo calor de hidratación y aportan este beneficio en elementos de hormigón masivo. La especificación en la norma, coloca un límite máximo de 5% de C3A (el componente aluminato de calcio) para cemento resistente a sulfato.

El cuarto reactante, el ión Calcio, está presente en forma de hidróxido de calcio y es un sub-producto inevitable de la hidratación del cemento. En procesos especiales, sin embargo, aún este reactante puede ser controlado; por ejemplo, en curado vapor de alta presión de tuberías de hormigón o mediante el uso de una adición puzolánica activa en el hormigón.

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Lluvia ácida.


Concentración de Sulfato

La concentración de sulfato determinada en muestreo, forma el punto de partida para asignar un grado de severidad en el ataque esperado. Las normas reconocen las siguientes categorías:

Ataque "despreciable" hasta 150 ppm de sulfato (SO4 2-) en aguas subterráneas o hasta 0,10 % de sulfato (SO4 2-) en suelos;

Ataque "suave pero positivo" con valores en el rango 150 a 1.000 ppm y 0,10 a 0,20 %;

Ataque "considerable" entre 1.000 y 2.000 ppm y 0,20 a 0,50%;

Ataque "severo" sobre 2.000 ppm y sobre 0,50%.


Práctica Recomendada

Para una categoría dada de severidad, se debería efectuar una distinción entre elementos de hormigón no estructural y estructural reforzado. Este último, por razones obvias, debería recibir un tratamiento precautorio más estricto. Donde se espere un ataque suave, se puede usar cemento Portland normal, pero la razón agua/cemento no debería exceder de 0,50 y se debería especificar un contenido mínimo de cemento, por ej., 325 kg/m³, en hormigón estructural. Si es utilizado un cemento resistente a sulfato, el contenido mínimo de cemento sería menor, por ej.: 280 kg/m³.

Donde se espere un grado de ataque considerable, un cemento resistente a sulfato debería ser usado, con una razón agua/cemento máxima de 0,50 y un contenido mínimo de cemento del orden de 325 kg/m³. Para condiciones severas, un cemento resistente a sulfato debería ser mandatario. La razón agua/cemento no debería exceder de 0,45 y el contenido de cemento debería ser del orden de 355 a 370 kg/m³.

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Ataque de sulfato en albañilería.

Las técnicas de colocación y compactación deberían asegurar la menor porosidad o permeabilidad posible. Esto puede incluir el uso de un agente incorporador de aire, el cual generalmente es un requisito mandatario para todos los hormigones colocados en suelos altamente sulfatados. Ningún aditivo, sin embargo, proporcionará resistencia específica al ataque de sulfatos, pero mejorará la trabajabilidad y la densidad.

El refuerzo metálico, cuando se use, debería estar a no menos de 7,5 cm desde la superficie y a no menos de 10 cm de las esquinas. Las secciones delgadas de hormigón son más afectadas por un grupo dado de condiciones, de lo que son los elementos masivos. Donde las condiciones son particularmente severas, u otras medidas de precaución son limitadas, se recomienda recubrimientos impermeables. En cualquier caso, proporcionan una protección importante, por ejemplo, donde el nivel freático es esperado que baje durante o después de la construcción. Pueden también proteger el hormigón hasta que ha madurado y llegado a ser más denso y menos permeable. Esto puede ser muy importante para alcantarillas y ductos enterrados.

Los elementos y estructuras de hormigón que estarán expuestos a posibles ataques por sulfato, deberían incorporar en su diseño aspectos que proporcionen un drenaje interceptor. El reemplazo de suelos altamente sulfatados por rellenos granulares de buen drenaje, debería ser una práctica general.

Septiembre 2007
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