RESUMEN:
Se describen en esta nota técnica los mecanismos de ataque químicos y físico-químicos de los sulfatos externos sobre el concreto, sustentada en una investigación desarrollada por el CCAA (Cemento, Concreto y Agregados de Australia, por su sigla en inglés). Se estudiaron mezclas de concretos elaborados con cementos resistentes y no resistentes a sulfatos, que fueron evaluados en condiciones neutras y en presencia de sulfatos ácidos.
En general, los sulfatos se pueden desarrollar de manera natural en el suelo, las aguas subterráneas, en los efluentes industriales y en los desechos químicos y mineros, así como también el agua de mar. Los suelos con sulfatos ácidos se asocian a aquellos que tienen sedimentos que contienen sulfuros de hierro, que normalmente se encuentran en los manglares, en la vegetación marítima (zonas de marea baja), también en partes bajas de llanuras aluviales, zonas costeras, ríos y arroyos.
El deterioro del concreto expuesto a sulfatos es el resultado de la reacción química de la matriz de cemento, con agentes agresivos que penetran en su interior, siendo las principales reacciones involucradas: la formación de etringita y de yeso y la descalcificación. Estas reacciones químicas pueden conducir a la expansión y el agrietamiento del concreto, y/o la pérdida de resistencia y de las propiedades elásticas del mismo.
La forma y extensión de los daños en el concreto dependerán de la concentración de los sulfatos, del tipo de cationes (sodio o magnesio) en la solución de sulfato, del pH de la solución, y por supuesto, de la microestructura de la pasta de cemento endurecida. Algunos cementos son más susceptibles al sulfato de magnesio que al sulfato de sodio, siendo el mecanismo clave, el remplazo del calcio en el silicato de calcio hidratado que forma parte de la matriz de cemento, lo que conduce a una pérdida de las propiedades de la unión de la matriz.
La formación de brucita y de silicato de magnesio hidratado, es indicativo de dicho ataque. Tanto la resistencia física a la penetración y a la migración capilar (inducida por agentes agresivos), como la resistencia química a las reacciones perjudiciales, son atributos importantes de concreto resistente a sulfatos.
Esta es la razón por la que los factores que influyen en la permeabilidad y porosidad de la superficie del concreto y en la resistencia química del cemento, son los parámetros principales de desempeño del concreto expuesto al ataque de sulfatos.
La resistencia física del concreto se consigue mediante la especificación de parámetros de diseño de mezclas tales como: relación agua/material cementante y contenido de cemento. Por otro lado, la resistencia química se logra mediante el uso de cementos resistentes a sulfatos; enfoque que en general es adoptado por muchos de los códigos más reconocidos a nivel internacional.
Vale la pena rescatar que el papel de la calidad del concreto en la resistencia, respecto a los ataques químicos y físico-químicos por sulfatos, ha sido estudiado por investigadores de la Portland Cement Association (PCA), quienes encontraron que una exposición prolongada de muestras de concreto en inmersión continua en una solución de sulfato, es una condición relativamente menos dañina respecto a la condición de humedecimiento y secado cíclico.
En el año 2002 el Instituto de Cemento, Concreto y Agregados de Australia (CCAA) inició un proyecto de investigación que culminó en el 2010, para desarrollar una especificación basada en el desempeño de concretos resistentes a sulfatos. Se proporcionaron 19 mezclas con 6 tipos de cementos resistentes a sulfatos, así como otros dos cementos sin esta característica. Las relaciones agua/material cementante eran 0,4, 0,5 y 0,65, así como contenidos de cemento de 415, 335 y 290 kg/m3. Las mezclas se diseñaron usando aditivos químicos para lograr asentamientos de 12 ± 2 cm. Los especímenes fueron sometidos a curado húmedo por tres días, manteniéndose en el laboratorio hasta los 28 días, limitándose así la profundidad del frente de carbonatación al inicio del proceso de exposición a sulfatos.
En el estudio se hicieron pruebas a 28 días de estimación de la resistencia a la compresión, de permeabilidad a sulfatos (rápida) y de permeabilidad al agua. Las muestras fueron expuestas por inmersión completa en soluciones del 5% de sulfato de sodio, manteniendo un pH de 7 ± 0,5 y 3,5 ± 0,5. El rendimiento del concreto fue medido en términos de la expansión de prismas 7,5 x 7,5 x 28,5 cm y de la retención de la resistencia en cilindros de 10 x 20 cm, expuestos durante un periodo de tres años a la solución de sulfato de sodio. La resistencia a la compresión del concreto a 28 días varió ampliamente desde 45,5 hasta 75,5 MPa, de 32,5 a 64 MPa, y de 29,5 a 37 MPa, para relaciones agua/material cementante de 0,4, 0,4 y 0,65 respectivamente, lo cual refleja la influencia de los diferentes tipos de cemento.
Después de tres años de exposición, todos los concretos evaluados, elaborados con cementos resistentes a sulfatos y con a/mc de 0,4 y 0,4 tuvieron buen desempeño, tanto en términos de la expansión como de la retención de la resistencia. Todos se comportaron estables en soluciones neutras y de sulfatos ácidos, con aumento en los niveles de expansión del orden de 220 micro deformaciones por año, y con retenciones de resistencia por encima del 100% de la resistencia a la compresión a los 28 días.
Mientras que la mayoría de los elementos de concreto enterrado es probable que se mantengan húmedos durante toda su vida de servicio, algunas partes de estos elementos pueden estar expuestos a ciclos de humedecimiento y secado. Este es el caso de los elementos parcialmente enterrados. En este caso, un estudio de la PCA confirmó que la exposición a la inmersión y secado atmosférico alternos en suelos ricos en sulfato de sodio, es una condición de exposición más severa que la inmersión continua en la misma solución.
Todos los concretos elaborados con cemento resistente a los sulfatos tuvieron buen desempeño bajo inmersión en soluciones de sulfato de sodio, en condiciones tanto neutras como ácidas y con un contenido mínimo de cemento de 415 kg/m3 con relaciones a/mc de 0,4, al igual que los concretos con baja a/mc, que también se desempeñaron bien bajo ciclos de humedecimiento y secado. Asimismo, se señala que en los concretos con a/mc de 0,5 con contenido mínimo de cemento de 335 kg/m3 y protección adecuada de su superficie, también podría esperarse un comportamiento adecuado en un humedecimiento más agresivo, y con condiciones de secado.
Por su parte, una buena resistencia química está relacionada con la resistencia de la matriz de cemento a las reacciones con sulfatos nocivos. Un concreto resistente a sulfatos puede lograrse utilizando una cantidad suficiente de cemento resistente a sulfatos y baja relación a/mc, para obtener concretos con baja permeabilidad al agua.
Para estructuras de concreto completamente enterradas en suelos saturados, un concreto resistente a sulfatos se puede lograr a partir de cemento resistente a sulfatos con un contenido de 335 kg/m3 y relación a/mc de 0,5. Para las estructuras parcialmente enterradas expuestas a condiciones de humedecimiento y secado, puede utilizarse el mismo concreto resistente a sulfatos pero con medidas adicionales de protección, tal como la aplicación de un sellador de superficie.
Alternativamente, un concreto resistente a sulfatos puede lograrse usando cemento RS con un contenido de cemento de 415 kg/m3 y a/mc 0,4. En general, el reglamento australiano asociado a estructuras de concreto en suelos sulfatados ácidos (AS 3600) basadas en resistencia a la compresión mínima y el uso de cementos resistentes a sulfatos, especifica los requerimientos necesarios para elaborar concretos resistentes a sulfatos sometidos a diferentes condiciones de exposición. De manera similar, podrían utilizarse las especificaciones de desempeño de los concretos resistentes a sulfatos y de concretos con límites de permeabilidad al agua, o con límites de permeabilidad rápida a sulfatos.
Referencia
Cement Concrete & Aggregates Australia. “Sulfate – Resisting Concrete”.
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“Una buena resistencia química está relacionada con la resistencia de la matriz de cemento a las reacciones con sulfatos nocivos. Un concreto resistente a sulfatos puede lograrse utilizando una cantidad suficiente de cemento resistente a sulfatos y baja relación a/mc, para obtener concretos con baja permeabilidad al agua.”
CONCLUSIÓN
Puede concluirse que la resistencia a los sulfatos del concreto es una función de su resistencia física y química a la penetración de iones de sulfato y que una buena resistencia física del concreto es directamente proporcional a la relación am/c y al contenido de cemento.
