Durabilidad Del Hormigon En Ambiente Marino

DURABILIDAD DEL HORMIGÓN EN AMBIENTE MARINO

DURABILIDAD DEL HORMIGÓN EN AMBIENTE MARINO Manuel Fernández Cánovas Profesor Emérito Universidad Politécnica de Madrid (España)

1. Antecedentes históricos. Forzosamente al hablar de durabilidad haya que recordar, aunque ya sea muy conocida, la primera obra importante de hormigón en masa de la que se tiene noticias y que ha llegado hasta nuestros días. Se trata del Panteón de Roma, realizado en época romana, por Agripa, en el año 27 a.C. Este maravilloso edificio aunque sufrió los efectos de un incendio, fue reconstruido posteriormente por Adriano en el año 120 de nuestra era. En 609 se transformó en la iglesia de Santa María de los Mártires. Su cúpula de 44 m de luz, aligerada por medio de casetones, no tiene más hueco que un lucernario en la parte superior. En su construcción se utilizó un hormigón realizado con puzolanas, cal y áridos ligeros. El hormigón se colocó en tres capas, siendo la densidad de cada una de ellas decreciente conforme se acercaba al lucernario, gracias al empleo de áridos de pómez de diferente densidad. Realmente se trata de una muestra de lo que es una obra bien construida y DURABLE. Una obra que seguiría los cánones del bien construir predicados por el arquitecto e ingeniero militar romano Marco Vitrubio. Nuestro hormigón desaparece después del imperio romano. En la Edad Media se emplea como conglomerante cales, fundamentalmente aéreas. Resurge el hormigón muchos siglos después al descubrirse y patentarse el cemento Pórtland en 1824. El hormigón armado aparecería después de la mano de Lambot en el sur de Francia en 1845, quién comienza a fabricar objetos en los que combina al cemento y al acero

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surgiendo de esta forma lo que podríamos denominar como el primer hormigón armado. Hay quién dice que el primer hormigón armado lo hizo Joseph Monier al fabricar unas jardineras para rosales con un hormigón al que colocó en su interior alambre de acero. Sea así o no, lo cierto es que a Monier se debe la primera patente del hormigón. No vamos a continuar con la historia del hormigón que sería muy extensa e interesante, pero sí diremos que a partir de finales del siglo XIX los estudios e investigaciones sobre el hormigón armado se suceden especialmente en Suiza, Prusia y Francia y posteriormente se van extendiendo al resto de los países y es curioso observar como también, a partir de esta época, evolucionan los códigos e instrucciones sobre hormigón armado y como su contenido va perfeccionándose con los años sin que por esto los primeros códigos, a pesar de su sencillez, no fuesen suficientemente precisos. Con respecto al empleo de los hormigones en obras marítimas, que es el tema que nos ocupa, hay que indicar que éstos se utilizaron antes de 1900 en obras de defensa de puertos. Se trataba de hormigones muy pobres, mal compactados y su vida era tan efímera que sólo duraban uno o dos años, entre otras cosas debido a que el cemento no se comportaba bien en el agua de mar. En 1894 se construyó el faro de “Trois Perres” en Lorient (Bretaña) que aun se conserva. Este faro utilizó en su cimentación 360 m3 de hormigón fabricado con 500 kg/m3 de cemento.

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Faro de Trois Perres en Bretaña (Francia)

Posteriormente Candlot descubrió que el cemento Pórtland conservado en el agua de mar se descomponía debido a la formación de extringita expansiva (sal de Candlot). A este investigador se le debe el estudio de la acción de los sulfatos sobre el aluminato tricálcico. A principios de siglo XX se hicieron unos ensayos en el Rochelle Laboratory de Francia, llegándose a la conclusión de que los hormigones en contacto con el agua de mar se deterioraban por tres motivos fundamentales: baja densidad del hormigón, poco contenido de cemento y baja resistencia del cemento a los sulfatos, si bien se concluyó que los dos primeros eran más importantes q ue el último. Desde aquella época hasta ahora los cementos han experimentado una transformación muy importante y hoy día disponemos de cementos muy adecuados para su empleo en agua de mar.

2. Códigos e Instrucciones de hormigón armado. El primer código de hormigón armado se publicó en Suiza en 1903 bajo el título: “Provisorische Normen für Projektierung, Ausführung und Kontrolle von Bauten in Armiertem Beton”. En España, aunque existían en la primera década del s. XX recomendaciones sobre el uso de hormigón armado, hay que indicar que la primera Instrucción de carácter oficial,

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publicada por el Ministerio de Obras Públicas, aparece bastante más tarde, concretamente en 1939, bajo el título: “Instrucción para el proyecto de las obras de hormigón”. En nuestro país, antes de aparecer esta Instrucción, se daba la circunstancia de que el uso del hormigón armado estaba muy extendido como lo demuestra el hecho de las grandes obras publicas realizadas en esa época, y el que en 1918 se hubiese implantado en la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid la asignatura de Hormigón Armado. La primera Instrucción americana del ACI apareció en 1910, tenía 13 páginas, mientras que la versión de 2002 sobrepasa las 350 páginas. La primera Instrucción española de 1939 tenía 43 páginas y un anejo de 7 páginas dedicado a ensayos, mientras que la actual de 1999 tiene 293 páginas y 13 anejos con 148 páginas, lo que hace un total de 441 páginas. Esto nos da idea de la evolución de las instrucciones.

3. La durabilidad en los Códigos e Instrucciones. En las primeras Instrucciones la resistencia mecánica del hormigón era el tema prioritario o casi único, si bien muy colateralmente se tocaban aspectos que podemos considerar relacionados con la durabilidad. Por la relación directa que puede tener con la durabilidad hay que indicar que la Instrucción española de 1939 exigía, por aquel entonces, dosificaciones de cemento de entre 250 y 400 kg/m3 para hormigón armado y no menores de 150 kg/m3 para hormigón en masa, dando también importancia a la relación agua/cemento, al indicar que: ”en la dosificación de los hormigones el cemento se pesará con una tolerancia admisible del 3%, y el agua de tal forma que la tolerancia en la relación agua/cemento sea del 5% salvo en obras delicadas en que será del 3%”.

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Primera Instrucción española del Hormigón (1939)

El curado del hormigón ya lo tenía en cuenta esta primera Instrucción, al decir que: “el curado manteniendo las superficies húmedas, deberá durar hasta que el hormigón alcance la resistencia prevista o por lo menos durante 15 días, pudiendo reducirse a 7 días con tiempo húmedo”. Consideraba las acciones agresivas al hormigón, indicando que: “Las obras que estén en contacto con aguas o sustancias que por su composición química puedan atacarle, se protegerán superficialmente a tal efecto, por enlucidos, pinturas, o si fuera necesario, revestimientos con materiales de construcción que las aíslen de este ataque con toda eficacia. En tal sentido deben hacerse protecciones en los depósitos para líquidos y ácidos, para hidrocarburos y para melazas, así como para otros líquidos susceptibles de descomposición”. En las instrucciones o códigos posteriores poco o nada se hablaba, o se especificaba, sobre durabilidad, y así ha sido hasta hace muy pocos años, dándose el caso que los proyectistas seguían pensando en que, por el hecho de hacer un hormigón resistente ya se tenía un hormigón durable, cosa que como veremos, más adelante , no es cierta.

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4. Aspectos a considerar en la Durabilidad del hormigón. La durabilidad del hormigón depende mucho de la capacidad que tenga éste para impedir que los líquidos y los gases pasen y circulen en su interior a través de sus poros capilares, es decir, depende de su impermeabilidad. Los líquidos más comunes son el agua, mientras que los gases son: el anhídrido carbónico y el oxigeno. A estos habría que añadir en el caso de ambiente marino los iones cloro y sulfato. No es de extrañar que en la fase de proyecto de la estructura se deba tener en cuenta la presencia de estos. No hay que pensar que el hormigón de una estructura determinada y en su conjunto, está sometido a las mismas condiciones ambientales, sino que es frecuente que existan zonas con microambientes e incluso microclimas diferentes. Así, en el caso de edificios cerrados lo normal es que la estructura no esté sometida a la acción de líquidos o gases agresivos, pero, esto no resta para que puedan existir partes de la misma que sí lo esté n, como ocurre en las cocinas, cuartos de baños, o lavanderías en hoteles. En puentes, sus distintos elementos pueden estar sometidos a efectos diferentes; sus tableros está n más condicionados a los efectos de variaciones térmicas, de ciclos hielo-deshielo, a la acción agresiva de sales descongelantes, y de abrasión, que el resto de la estructura del puente . En plataformas petrolíferas en agua de mar (offshore) la orientación de las diferentes partes de su estructura sometidas a acciones de viento, de temperatura, de oleaje, etc., diferentes, tiene una gran influencia en su comportamiento del hormigón de sus diferentes zonas a lo largo del tiempo. Los componentes que forman el hormigón pueden también influir en su durabilidad. Así, un cemento, dependiendo de su tipo, de que lleve o no incorporada adición, de la naturaleza de ésta y de su contenido, puede tener un comportamiento u otro sobre la durabilidad. La naturaleza de los áridos afecta a la resistencia a la abrasión, a los ciclos hielo-deshielo, a la reacción árido-álcali, etc. Las aguas no potables, e incluso algunas consideradas como potables, pueden tener sustancias perjudiciales que afecten a la durabilidad. Por último, el empleo de diferentes aditivos en un mismo hormigón puede dar lugar a incompatibilidades que afecten a las propiedades de éste. Los cuidados en la elección de los componentes del hormigón deben ser muy estrictos cuando se quiere conseguir estructuras durables.

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Es frecuente que ante la presencia de sulfatos y cloruros, exista la tendencia a emplear, en hormigones armados, cementos con contenido prácticamente nulo de C3A, como ocurre, por ejemplo, en algunas obras marítimas. Este cemento, en efecto es muy adecuado frente a los sulfatos y sería idóneo en un hormigón en masa, pero en hormigón armado posee el peligro de poder favorecer la corrosión de armaduras, debido a que , al no tener C3A, no puede fijar parte de los cloruros, con lo cual estos quedarán libres para ejercer su efecto corrosivo . En este caso quizás hubiese sido más adecuado emplear un cemento resistente al agua de mar (MR) o un cemento común con adición puzolánica. 5. Resistencia a compresión y durabilidad. Cuando estudiábamos ingeniería, hace ya unos años, se nos enseñaba, como si fuese un axioma, que: "cuando más resistencia a compresión tuviese un hormigón mayor sería su calidad". En el concepto de calidad entraban propiedades muy distintas, como: homogeneidad, compacidad, densidad, resistencia a los agresivos físicos y químicos, etc., y en definitiva: “durabilidad”. Este axioma se nos quedó bastante grabado. Posteriormente, al terminar en la Escuela y ya ejerciendo nuestra profesión, nos encontramos con hormigones en estructuras de puentes construidos en España, entre los años 1940 y 1970, en los que los éstos presentaban un aspecto extraordinariamente bueno, sin ningún signo de corrosión, con profundidades de carbonatación reducidas, y con resistencia a compresión de los testigos extraídos del orden de 35 MPa. Estos hormigones que tenían áridos rodados de 40 mm de tamaño máximo, estaban fabricados con cementos que no llevaban adiciones, con lo cual era relativamente fácil determinar el contenido de cemento que siempre era superior a los 300 kg/m3. Si nos trasladamos a la época en que se hicieron estos puentes, y teniendo en cuenta el tamaño del árido y contenido de cemento de estos hormigones, es muy probable que empleando solamente 180 litros de agua por metro cúbico, es decir una relación a/c de 0,53, se tuviesen una consistencia equivalente a 8 cm de asiento en cono de Abrams. Por tanto, estábamos ante unos hormigones muy dóciles con un alto contenido de cemento y una relación a/c muy correcta y, por tanto, ideales para cualquier tipo de exposición. Si a lo anterior sumamos que el recubrimiento de la armadura no bajaba de los 4 cm, no es de extrañar que las estructuras fuesen necesariamente resistentes y durables, como en realidad lo eran.

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No se equivocaban, por tanto, nuestros profesores cuando, en aquella época, nos enseñaban que lo fundamental era: hacer hormigones con buena resistencia a compresión. En las décadas de los años setenta y ochenta las cosas cambiaron, pero a peor. ¿A qué se debe el bache de calidad y durabilidad producido entre estas décadas?. Se puede decir que no fue una sola causa la responsable del mismo. Con respecto a los cementos hay que señalar el cambio tan importante que experimentaron en esas décadas, y no sólo en España sino también en todos los países, pasando de los cementos P-250 de 250 kg/cm2 de resistencia a 28 días, a los cementos I - 52,5 de 52,5 MPa a la misma edad, es decir multiplicando por más de dos su resistencia. Este cambio se consiguió por dos vías aisladas o combinadas: una, incrementando el contenido de silicato tricálcico; la otra, aumentando la finura de molido de una forma notable; y por último por las dos vías simultáneamente. Según Prince, en USA, “los cementos tipo I que en 1950 poseían un contenido de C3S del 30%, pasaron a tener un 60% en el año 2000, y su finura de molido pasó en el mismo periodo de 100 a 400 m2/kg”. Al igua l que en USA ocurrió en Europa y podríamos decir que a nivel mundial. Lo anterior dio lugar a que la hidratación de los cementos se hiciese mucho más rápidamente dando lugar a que se consiguiesen las mismas resistencias a 28 días con mucho menor cantidad de cemento o empleando mayores relaciones a/c. Estos cambios en el cemento no significaron que produjeran a la vez, como consecuencia de ellos, cambios en el diseño de las estructuras ni en el control de calidad, dado que la resistencia especificada se alcanzaba sin ningún problema, y que estos cementos eran muy positivos cuando se requerían resistencias más altas. Sin embargo, desde el punto de vista de durabilidad, estos cambios en el cemento ocasionaron muchos problemas patológicos relacionados con retracción, alto calor de hidratación, alta porosidad y, por consiguiente, baja durabilidad. Hay que indicar además, que así como los cementos de clases resistentes 32,5 y 42,5 tienen limitadas sus resistencias mínimas y máximas, especialmente a los 28 días, los cementos 52,5 sólo tienen limitada la mínima, encontrándose, a veces, cementos cuya resistencia a

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28 días es muy próxima a los 80 MPa, lo cual, en la mayoría de los casos, puede dar lugar a muchos inconvenientes. Ya se comprende que el empleo de estos cementos de resistencias altas tenía ventajas, como tiempo de desmoldeo más reducido y rapidez en construcción, pero tenía, a su vez, el gran inconveniente de precisar poco cemento para conseguir las mismas resistencias de cálculo en el hormigón. Así, mientras que para conseguir, en el año 1960, un hormigón de 25 MPa de resistencia característica, había que emplear 300 kg/m3 de cemento, posteriormente con estos cementos se podía conseguir la misma resistencia con menos de 200 kg/m3. La menor cantidad de cemento conllevaba varios aspectos negativos: Primero, falta de finos y baja docilidad del hormigón, lo que obligaba a aumentar la relación a/c con el consiguiente incremento de la porosidad, y que este efecto quedaba agravado por el hecho de que si la finura de molido del cemento era alta la demanda de agua para conseguir una consistencia dada también lo era; Segundo, que al existir menos cemento se generaba menor cantidad de portladita y por tanto había menor reserva alcalina para proteger las armaduras. Existían otros inconvenientes que podían ser importantes y, a veces, pasaban desapercibidos, como son, por ejemplo: el que al desmoldar más rápidamente el hormigón quedaba éste sin la protección del encofrado, que cuando es de madera contribuye al curado; el que al ser los cementos más resistentes incrementa n menos sus resistencias a partir de los 28 días, etc. Ya se ve, por lo anterior, que hormigones de una misma resistencia, aunque ésta sea alta, pueden ser muy buenos o muy malos desde el punto de vista de durabilidad y que, por tanto, no es correcto hoy día aplicar el axioma de que "hormigones resistentes son hormigones durables". En un artículo publicado por A. Neville en la revista Concrete International, éste gran maestro decía textualmente: "Muchos proyectistas se fascinan con los resultados de control de resistencia a compresión del hormigón y nada o muy poco especifican de su durabilidad. Ellos siguen creyendo que un hormigón resistente es un hormigón durable". Existe en España una tendencia generalizada hacia el empleo en estructuras de edificación de cementos de clase resistente alta (42,5 y 52,5), incluso en épocas calurosas, lo cual nos parece contraproducente y en este mismo sentido el Instituto de Cemento y sus Aplicaciones (IECA) ha hecho recomendaciones acertadas tendentes al empleo de cementos de

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clases resistentes más bajas en este tipo de estructuras, especialmente con las altas temperaturas de verano . Los áridos han cambiado también. Hoy es frecuente utilizar áridos de tamaño máximo 20 mm, e incluso 12,5 mm, y no los de 50 y 40 mm empleados antaño en obras de edificación. De los áridos rodados se ha pasado a los de machaqueo por sus mejores características adherentes. Tamaños más pequeños de áridos y empleo de áridos machacados exigen más cantidad de cemento para igual consistencia del hormigón. Los aditivos han irrumpido totalmente en la mezcla del hormigón. Hoy son muy pocos los hormigones que no llevan incorporado un aditivo, bien aireante, plastificante, acelerador, etc. Abrams establecía en el año 1918 la razón que existe entre resistencia a compresión de un hormigón y su relación a/c. Durante muchos años ha sido imposible hacer hormigones dóciles con relaciones a/c inferiores a 0,40, sin embargo, hoy mediante el empleo de aditivos superplastificantes de esteres policarboxílicos se consiguen hormigones muy dóciles con relaciones a/c de 0,20. Estos superplastificantes no sólo desfloculan las partículas de cemento impidiendo la formación de grumos, sino que además obstruyen los canales capilares del hormigón fresco gracias al tamaño coloidal de sus grandes cadenas, impidiendo la segregación y la exudación en hormigones de muy baja consistencia. Los superplastificantes han sido los artífices de los hormigones de alta resistencia y de los hormigones autocompacta ntes. Las adiciones a la masa del hormigón como un componente más del mismo son cada vez más frecuentes. En España sólo se permiten las cenizas volantes y el humo de sílice y siempre cumpliendo determinadas reglas en cuanto a contenido máximo de adición, pero hay que tener en cuenta que éstas sólo están permitidas cuando los cementos no llevan adición alguna y, por supuesto siempre que autorice su empleo el Director de Obra. Cuando era estudiante , la resiste ncia característica normal de cálculo de estructuras de edificios era de 180 kg/cm2 (18 MPa), posteriormente, y por hacer escalones de 25 en 25 kg/cm2, ésta pasó a ser de 175 kg/cm2 (17,5 MPa). Esta resistencia se ha mantenido invariable desde los años 1950 hasta julio de 1999 en que aparece la nueva Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) en la que se pasa a la

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resistencia característica mínima de 250 kg/cm2 (25 MPa) para hormigón armado y pretensado, Hasta el año 1991 sólo se exigía al hormigón una resistencia mínima de 175 kg/cm2 (17,5 MPa) y no se limitaba ni contenido mínimo de cemento ni relación a/c máxima. En 1991, si bien se mantiene la resistencia mínima de cálculo anterior, se introducen en la Instrucción, por primera vez y por criterios de durabilidad, unas exigencias de contenido mínimo de cemento y máxima relación a/c. Estos quedan fijados para ambiente no agresivo en 250 kg/m3 de cemento y 0,65 de relación a/c máxima, sin fijar criterios adicionales en cuanto a tipo y clase resistente de cemento. En un estudio realizado por nosotros en el Laboratorio de Materiales de la Escuela de Ingenieros de Caminos de Madrid nos encontramos con un hecho, que no nos sorprendió en absoluto . Fue el que, si se empleaba un cemento antiguo de los años 60 (P-250), podía conseguirse la resistencia mínima permitida del hormigón, de 17,5 MPa con la cantidad mínima de cemento de 250 kg/m3 y con la máxima relación a/c de 0,65, pero si se empleaban los cementos vigentes en el año 1991 (P-350 ó P-450), con los mismos contenidos limites de cemento y de relación a/c, la resistencia mínima obtenida en los hormigones no era de 17, 5 MPa, que es con la que se calculaban la mayor parte de las estructuras de edificios sino de 28 MPa y 30 MPa, según fuese una u otra la clase resistente del cemento utilizado. ¿Qué había ocurrido durante los años anteriores a la entrada en vigor de la instrucción EHE de 1999 en que se establece los 25 MPa de resistencia característica mínima para hormigón armado y pretensado?. La respuesta es sencilla. En los años anteriores a 1991, los contratistas pedían a las centrales de hormigón la resistencia mínima de 17,5 MPa, y las centrales tomaban la Instrucción vigente en el año de la petición y conseguían los 17,5 MPa con muy poco cemento o con muy alta relación a/c. En definitiva, hacían hormigones que cumplían con la Instrucción en cuanto a resistencia, pero de muy baja durabilidad. Ya se comprende la cantidad de problemas patológicos que dieron con estos hormigones y el por qué del “bache” que se indicó anteriormente. En 1991, en que con la misma resistencia se fija un contenido mínimo de cemento de 250 kg/m3 y una relación a/c máxima de 0,65 ¿Qué pasó?. Pues que los contratistas, por falta de mentalización o por razones económicas, seguían pidiendo la misma resistencia de 17,5 MPa. Las centrales responsables y con sellos de calidad, dosificaban de acuerdo con

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el contenido de cemento y relación a/c reglamentarias y el hormigón que suministraban daba siempre una resistencia superior a la solicitada, en general algo superior a los 25 MPa. Las centrales más permisivas se limitaban a dar la resistencia pedida de 17,5 MPa, poniendo menos cemento del indicado por la Instrucción y/o mayor relación a/c. Nosotros hemos podido comprobar como hormigones que cumplían con la resistencia pedida de 17,5 MPa tenían solamente 190 kg/m3 de cemento. Ante lo anterior no es de extrañar la repercusión económica que han tenido los problemas de falta de durabilidad del hormigón en nuestro país y podríamos decir que en el resto de Europa en las últimas décadas. Concretamente, en Inglaterra los gastos de reparación y mantenimiento llegaron a alcanzar la cifra nada despreciable del 45% del total invertido en la construcción en el año 2000. Al final, vemos como la resistencia a compresión de un hormigón que antiguamente podía ser un signo de la durabilidad del mismo, hoy y considerada aisladamente, no lo es, de aquí que los códigos modernos den igual importancia y por separado a la durabilidad y a la resistencia. Cuando se habla de durabilidad del hormigón hay que pensar que en ella no solamente influye el diseño del hormigón para ejercer su función en unas condiciones determinadas, sino que también influye la puesta en obra, el curado, y la forma y diseño de los elementos estructurales. Por otra parte, hay que tener en cuenta que la durabilidad de una estructura debe permanecer a lo largo de su vida útil lo que exige la existencia de un "mantenimiento preventivo" de la misma, es decir de una acción encaminada a corregir los pequeños desperfectos y a evitar un "mantenimiento correctivo" con reparaciones que pueden ser costosas. En la durabilidad de un hormigón o de una estructura realizada con él, juega un papel primordial el control de calidad, control que no puede limitarse al producto terminado, como puede ser la determinación de su resistencia a compresión en probetas de hormigón, sino a todos los componentes del mismo. Cuantas veces nos encontramos con un hormigón cuyas probetas dan muy buena resistencia a 28 días y sin embargo, se ha confeccionado con áridos que tenían cloruros por encima de los valores admisibles, o se han utilizado áridos con sulfuros oxidables, etc. Se da incluso el caso del empleo de aguas de la red de abastecimiento de determinadas localidades que no cumplen con los límites de cloruros indicados en las Instrucciones.

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El control no sólo es imprescindible para el hormigón y sus componentes sino que debe extenderse a todas las fases de la ejecución de la estructura. Si esto es importante en todas las estructuras, en el caso de aquellas que están situadas en ambiente marino aun lo es mucho más.

6. Influencia del ambiente en la durabilidad del hormigón. El celebre arquitecto e ingeniero militar Vitrubio, al que antes nos hemos referido, autor del libro "De Archiquectura", allá por el siglo I a.C, cuando reinaba en Roma Augusto, escribía algo que , como profesor de Materiales de Construcción durante muchos años, nos ha hecho pensar y tenerlo siempre muy presente en nuestra enseñanza. Decía que los materiales para construir debían ser: "Resistentes, útiles y bellos". Esas tres palabras pueden ser el compendio de todo un tratado sobre materiales, incluyendo incluso la durabilidad de los mismos dentro del concepto de utilidad. La vigente Instrucción de Hormigón Estructural (EHE) en su artículo 37 indica: “La durabilidad de una estructura de hormigón es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural. Una estructural durable debe conseguirse con una estrategia capaz de considerar todos los posibles factores de degradación y actuar consecuentemente sobre cada una de las fases de proyecto, ejecución y uso de la estructura. Una estrategia correcta para la durabilidad debe tener en cuenta que puede haber diferentes elementos estructurales sometidos a diferentes tipos de ambiente”. La primera referencia que existe de estudios de durabilidad, según M. Hamada, es del año 1907 y trata sobre el comportamiento durante 20 años de probetas enmoldadas. Por su parte, Hognestad relata un estudio que puede ser el primero que se hiciese sobre vida útil, que se llevó a cabo en 1972, en un hormigón destinado a un depósito de petróleo en el mar. Es cierto que hoy día se ha avanzado mucho y se conocen mucho mejor que antaño los mecanismos de agresión al hormigón y como influye

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en ésta la estructura interna del mismo. Concretamente, en el caso de la corrosión, que es una de las causas que más y con mayor gravedad pueden afectar a las estructuras, el conocimiento que se tiene de la permeabilidad del hormigón frente al anhídrido carbónico o a la difusión de los cloruros externos, y de los procesos electroquímicos que afectan a la corrosión, es muy preciso, al igual que también lo es el conocimiento de los medios que hay que tomar para hacer hormigones impermeables. La Instrucción española EHE clasifica las clases de exposición en las que el hormigón va a desarrollar su función en dos tipos: uno que denomina “clases generales de exposición” y otro llamado “clases específicas de exposición”. En el primer tipo, se recogen el ambiente no agresivo y aquellos otros que pueden dar lugar a corrosión de armaduras, y en el segundo, los que pueden provocar el deterioro del hormigón por ataques químicos, físicos o mecánicos. Resumiendo tendríamos:

esquemáticamente

estas

clases

de

exposición,

ü Clases generales de exposición (CG): I No agresiva II Normal (a, b, según humedad relativa). Dan lugar a corrosión de armaduras por despasivación debida a la carbonatación del hormigón. III Marina (a,b,c: aérea, sumergida, carrera de marea). Dan lugar a corrosión de armaduras, generalmente por picadura, debida a la presencia de cloruros marinos. IV Cloruros no marinos. Dan lugar a corrosión de armaduras. ü Clases específicas de exposición (CE): Q Agresividad química (a,b,c: ataque al hormigón débil, medio, fuerte) H Heladas sin sales fundentes (acción ciclos hielo-deshielo) F Heladas con presencia de sales fundentes. E Erosión. El ambiente en que está situada la estructura viene fijado por: A = CG + Σ(CEi). Por la repercusión tan desfavorable que los cloruros tienen en la durabilidad del hormigón armado y pretensado, la Instrucción EHE, limita el

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contenido de cloruros en cada uno de los componentes del hormigón, indicando además que el contenido total de ion cloruro aportado por los compone ntes no podrá exceder de 0,4 % en caso de hormigón armado, y 0,2% en el de hormigón pretensado, siempre sobre peso de cemento. Dependiendo de la clase de exposición a la que esté sometido el hormigón, se establecen unos contenidos mínimos de cemento y unas relaciones a/c máximas a las cuales corresponderá aproximadamente una determinada resistencia característica a compresión, y decimos aproximadamente debido a que ésta va a depender, para igual dosificación de cemento, de la clase resistente de éste. En las tablas 1 y 2 pueden verse los contenidos mínimos de cemento y máximas relaciones a/c para las diferentes clases de exposición, y las resistencias mínimas compatibles con estos límites.

Tabla 1.- Relaciones máximas a/c y contenido mínimos de cemento en función de la clase de exposición Parámetro de dosificación Máxima relación a/c.

Tipo de hormigón

CLASE DE EXPOSICIÓN I

IIa

IIb

IIIa

IIIb IIIc

IV

Qa

-

-

-

-

0,50 0,50 0,45 0,55 0,50 0,50

Qc

H

F

E

Masa

0,65 -

Armado Pretensado Masa

0,65 0,60 0,55 0,50 0,50 0,45 0,50 0,50 0,50 0,45 0,55 0,50 0,50 0,60 0,60 0,55 0,50 0,45 0,45 0,45 0,50 0,45 0,45 0,55 0,50 0,50 200 275 300 325 275 300 275

Mínimo contenido de Armado cemento Pretensado (kg/m 3 )

250 275

275 300

300 300

300 300

325 325

-

Qb

350 350

325 325

325 325

350 350

350 350

300 300

325 325

300 300

Tabla 2.- Resistencias características mínimas recomendadas en función de la clase de exposición Parámetro de dosificación Resistencia mínima (Mpa)

Tipo de hormigón

CLASE DE EXPOSICIÓN I

IIa

Iib

IIIa

IIIb IIIc

IV

Qa

Qb

Qc

H

F

E

Masa

20

-

-

-

-

-

-

30

30

35

30

30

30

Armado Pretensado

25 25

25 25

30 30

30 30

30 35

35 35

30 35

30 30

30 35

35 35

30 30

30 30

30 30

Con respecto a los recubrimientos, éstos los fija la Instrucción EHE por razones de durabilidad de acuerdo con la siguiente expresión: rnom = rmin + ∆r, en la que:

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rnom es el valor del recubrimiento nominal rmin es el valor del recubrimiento mínimo, y ∆r es un margen de recubrimiento que depende del control de calidad. Su valor es de: ♦ 0 mm intenso, ♦ 5 mm intenso. ♦ 10 mm

para elementos prefabricados con control de ejecución para elementos construidos in situ con control de ejecución para otros casos.

Los valores mínimos rmin del recubrimiento dependen de la clase de exposición en la que esté el elemento estructural y de la resistencia característica del hormigón, según puede apreciarse en la tabla 3: Tabla 3.- Recubrimientos mínimos en función de la clase de exposición Resistencia

25 ≤ f ck < 40

f ck ≥ 40

Tipo elemento

de

General Elementos prefabricados y láminas General Elementos prefabricados y láminas

RECUBRIMIENTO MÍNIMO (mm) I

IIa

IIb

IIIa

IIIb IIIc

IV

Qa

Qb

Qc

20

25

30

35

35

40

35

40

(*)

(*)

15

20

25

30

30

35

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30

(*)

*)

(*) El proyectista fijará el espesor del recubrimiento al objeto de que se garantice adecuadamente la protección de las armaduras frente a la acción agresiva ambiental.

Con respecto al curado y por la repercusión que tiene en la durabilidad del hormigón al cerrar poros, la Instrucción EHE es bastante exigente como consecuencia de las altas clases resistentes de los cementos utilizados y del contenido de adiciones (cenizas volantes o humo de sílice) que incorporan algunos hormigones, y por supuesto a las condiciones ambientales existentes en nuestro país durante la época de verano donde las temperaturas llegan a alcanzar valores cercanos a los 40ºC en algunas zonas en el mes de Julio y donde las humedades relativas que, a veces, llegan al 25% especialmente en las zonas no costeras. Al curado del hormigón le presta una atención adecuada la Instrucción EHE al fijarlo mediante una fórmula en la se tiene en consideración: la clase de exposición ambiental del hormigón, la

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temperatura ambiente, la velocidad de desarrollo de resistencias del hormigón, el tipo de cemento utilizado, el soleamiento, etc. La fórmula de curado es la siguiente: D = K.L.D o + D 1 siendo en esta ecuación: D K L Do D1

duración mínima de curado, en días. coeficiente de ponderación ambiental que depende de la clase de exposición en la que este el hormigón. coeficiente de ponderación térmica que depende de la temperatura media durante el curado. parámetro básico de curado que depende de la velocidad de desarrollo de resistencias del hormigón, exposición al sol, viento y humedad relativa. parámetro dependiente del tipo de cemento utilizado y, en su caso, también del contenido de adición de que lleve el hormigón.

Teniendo en cuenta todos estos parámetros nos encontramos que puede haber tiempos de curado que . de acuerdo con las condiciones extremas de nuestro país, pueden oscilar entre 0,5 y 15 días. En todo el proceso de ataque sobre el hormigón armado, bien sea por acciones químicas o físicas, tiene una importancia muy grande la porosidad del hormigón dado que la mayor parte de estas acciones se producen mediante transporte de los agentes agresivos en agua, o por efecto de difusión a través de la red capilar intercomunicada del hormigón. En este sentido la calidad de la superficie externa del hormigón, o sea su piel, juega un papel muy importante en la durabilidad del mismo. Durante la puesta en obra y compactación del hormigón los áridos finos y la pasta de cemento tienden a acumularse cerca del encofrado dando lugar a que en la superficie haya más cemento y agua que en el interior de la pieza, este hecho se agrava cuando el hormigón no está bien dosificado, cuando existe una vibración inadecuada y cuando el curado es deficiente. Por otra parte, cuando los encofrados son de madera la relación a/c puede llegar a disminuir por la absorción de agua por los mismos con lo que se reduce la cantidad de agua disponible para la hidratación del cemento.

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H2O

CO2

O2

PIEL

RECUBRIMIENTO

Cl SO4 =

Protección de la piel del hormigón

La capa o piel alterada tiene un espesor que oscila entre 2 a 20 mm, y está formada por un hormigón más permeable y débil que el situado al interior. La retracción de secado del hormigón ocurre de una forma diferencial, dándose el caso de que ésta es mayor en la capa superficial que en el núcleo, ocasionándose por tanto tensiones y fisuras en la piel del hormigón que van a contribuir muy negativamente en la durabilidad del mismo, especialmente cuando éste se encuentre sometido a las acciones ambientales y mecánicas. 7. El hormigón y el ambiente marino. Yendo a la tabla 1 se observa que una estructura de hormigón en ambiente marino puede considerarse que, generalmente, en nuestras costas estará en alguna de las condiciones generales de exposición: I, IIa, IIb, IIIa, IIIb ó IIIc, o en varias de ellas de forma simultánea. Puede estar también en condiciones específicas de exposición: Qb y E. Dentro de lo que es construcción en ambiente marino tenemos que considerar dos tipos de obras muy diferentes: a.- Estructuras de edificación y de infraestructura (puentes, etc).- Éstas están situadas en la zona costera y cuando el hormigón está en contacto con el ambiente exterior estarán en ambiente IIIa. Si la estructura está situada en el interior de edificios y por tanto protegida puede estar en ambiente I, ó IIa . La cimentación de las mismas obras puede tener características agresivas que la sitúen en unas condiciones específicas de exposición Qa, Qb, y excepcionalmente Qc.

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En obras de edificación, aparte de las clases de exposición señaladas anteriormente, que suelen ser comunes, puede darse la circunstancia de que en alguna zona de un edificio exista algún microambiente diferente, como puede ocurrir, por ejemplo, en la zona de cocinas y de lavandería de hoteles en la que existe agresión por cloruros diferentes a los marinos.

Efecto de corrosión en ambiente IIIa

b.- Obras marítimas.- En estas obras consideramos las estructuras de obras portuarias o de costas en contacto con el mar. Estas estructuras pueden tener partes sumergidas, partes en zonas de oscilación de mareas y de salpicadura y otras partes que estén al aire libre, por consiguiente pueden estar en cualquiera de las clases generales de exposición: IIIc, IIIb y IIIa. Por otra parte, al estar en contacto con el agua de mar estarán dentro de una clase específica de exposición, que en el caso de nuestro litoral puede ser el Qb. Si además, parte de estas estructuras están azotadas por el oleaje estarán sometidas a la clase erosiva E. Así, mientras en la zona hasta 5 km de la costa, un edificio puede que su estructura esté en ambiente I, y un puente tenerla en ambiente IIIa,

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en el mar unas pilas de un pantalán, o un cajón de dique, va a estar en ambiente IIIb + Qb + E, siendo en estos casos los hormigones muy diferentes, no sólo por su contenido mínimo de cemento y por la relación máxima a/c que emplean sino también por el tipo de cemento que utilizan, por los espesores de recubrimiento que debe llevar la armadura, por las exigencias de curado, e incluso por las protecciones superficiales que pueden exigir.

ZONA AEREA IIIa ZONA DE SALPICADURAS IIIc +Qb+E ZONA DE OSCILACIÓN DE MAREAS IIIc+Qb+E

ZONA SUMERGIDA IIIb+Qb

FONDO IIIb+Qb

Clases de exposición en una estructura marina.

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Estructura de pantalón en bajamar

El agua de mar está compuesta por diferentes sales disueltas entre las que cabe destacar: Na Cl, Mg Cl2 , Mg SO4 , Ca SO4, K Cl, K2 SO4. Aparte de estas sales, en el agua de mar hay disuelto oxígeno y anhídrido carbónico. La concentración de sales varía mucho de unos mares a otros. Lo normal en nuestras costas es una concentración alrededor de 35 g/l. El ataque químico al hormigón se produce fundamentalmente en la zona baja de oscilación de mareas, en la parte sumergida del hormigón y en la que está en contacto con el terreno del fondo. El ataque tiene lugar por medio del sulfato y cloruro de magnesio del agua de mar que mediante reacciones de sustitución del catión Mg 2+ por el catión Ca 2+ provocan la formación de sulfato cálcico. Mg SO4 + Ca (OH)2

Ca SO4 + Mg (OH)2

El sulfato reacciona con el aluminato tricalcico y con el silicato de calcio hidratado dando lugar a la formación de etringita expansiva. Afortunadamente la expansión de la etringita no es tan enérgica al ser ésta soluble en el agua del mar, que es rica en cloruros. Por su parte, el hidróxido magnésico insoluble puede ayudar a proteger al hormigón bajo el mar, sin embargo en la zona elevada de las estructuras la acción de las

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olas hace que se pierda esta protección. Conviene tener en cuenta también que en la zona de salpicadura las sales en disolución son absorbidas por el hormigón por capilaridad, produciéndose posteriormente la evaporación del agua y la concentración de estas sales que cristalizan dando lugar a presiones que llegan a disgregan al hormigón. La Instrucción EHE exige que se empleen en los hormigones en contacto con el agua de mar cementos resistentes al agua de mar (MR). En la realidad estos cementos se utilizan, pero también se emplean de forma indistinta los resistentes a los sulfatos (SR). No obstante conviene indicar que, durante muchos años se han estado usando en muchos países, con gran éxito, cementos con adiciones puzolá nicas a fin de reducir el contenido total de C3A. Por otra parte, el éxito en la durabilidad de los hormigones en contacto con agua de mar radica no sólo en el tipo de cemento utilizado, sino también en su contenido y especialmente en su compacidad. Es frecuente la existencia de microclimas en algunas estructuras marítimas coincidiendo con la orientación de las diferentes caras de la misma. Así nos encontramos que en plataformas petrolíferas en el mar, en las que la estructura esta diseñada para la misma clase general de exposición IIIb, la orientación influye mucho en la durabilidad que será mayor o menor de acuerdo con la dirección del viento , con su intensidad, con la mayor carga de cloruros, con la intensidad del oleaje, y con el hecho de que unas caras estén más soleadas que otras. En algunas estructuras situadas en contacto con agua de mar el crecimiento de moluscos y de algas suele dar problemas adicionales al hormigón no sólo desde el punto de vista de agresión química sino también mecánico. En ocasiones, la gran cantidad de algas que se forman alrededor de una pila puede hacer que el empuje de las olas sobre ella se multiplique por dos. Tanto los moluscos como las algas tienden a desarrollarse con más intensidad cuando la estructura esta próxima a desagües de aguas residuales ricas en materia orgánica y cuando la temperatura del agua es alta como en los trópicos. El ataque de las algas se produce fundamentalmente a través de ácidos orgánicos y sulfatos. 8. Bibliografía. Katherine and Bryant Mather.- International Durability. ACI SP-100.- 1987.

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Conference.- Concrete

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Comite Euro-International du Beton.- Durable Concrete Structures. CEB Design Guide nº 182.- 1989. J. M. Baker.- Durability of Building Matherial Components.- E & F.N. Spon.1991. J. P. Ollivier.- La durabilité des betons.- Presses de l´ecole nationale des Ponts at Chaussées.- Paris 1992. M. G. Richardson.- Fundamentals of Durable Reinforced Concrete.- Modern Concrete Technology.- Spon Press.- 2002. M. Fernández Cánovas.- Hormigón.- 7ª edición.- 663 pp.- Ed. Colegio de Caminos, Canales y Puertos,- 2004.

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