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Estructuras de ConcretoProyectar para la DurabilidadDr. Paulo Roberto do Lago HeleneSeccional Colombiana del ACI1

Estructuras de ConcretoProyectar para la DurabilidadResumenEn los últimos años ha crecido el número de estructuras deconcreto reforzado con problemas de corrosión de las armaduras,como consecuencia del envejecimiento de lasconstrucciones existentes. La pérdida de protección naturalofrecida a la armadura por el recubrimiento de concreto,puede ocurrir a través de diversos mecanismos, siendo preponderantesla despasivación por carbonatación y el ataquede los iones cloruros. En ambos casos, la mayoría deveces, todo el componente estructural es atacado por elmedio ambiente externo, sin embargo la manifestación dela corrosión se da solamente en algunos puntos, muy localizados,como resultado de la propia naturaleza del procesode corrosión electroquímica, donde regiones anódicas sealternan con regiones catódicas.En este trabajo se presentan los conceptos actualmenteadoptados para prevenir la evolución del deterioro de lasestructuras de concreto armado, a través de modelos decomportamiento que permiten proyectar para la durabilidad,al mismo tiempo que hacen posible una evaluacion de lavida útil de las estructuras de concreto ya expuestas poraños a determinados ambientes agresivos.IntroducciónEl estudio de la durabilidad de las estructuras de concretoarmado y pretensado ha evolucionado durante los últimosaños, gracias al mayor conocimiento de los mecanismos detransporte de líquidos y gases agresivos en el concreto,que hacen posible asociar en el tiempo los modelos matemáticosque expresan cuantitativamente esos mecanismosy, consecuentemente, permiten evaluar la vida útil de unaestructura expresada en número de años y ya no en criteriossubjetivos del tipo “más o menos adecuada” para uncierto grado de exposición.El principio básico no se ha alterado. Se requiere, por unlado, conocer, evaluar y clasificar el grado de agresividaddel ambiente y, por otro, conocer el concreto y la estructura,estableciendo entonces una correspondencia entre ambos,es decir, entre la agresividad del medio y la durabilidad delconcreto de la estructura.La resistencia de la estructura de concreto reforzado dependerá,tanto de la resistencia del concreto, como de laresistencia de la armadura. Cualquiera de las dos que sedeteriore, comprometerá la estructura como un todo. Losprincipales agentes agresivos de la armadura, el gas carbónicoCO 2y los cloruros Cl - , no son agresivos para el concreto,o sea que su ataque no es deletéreo. Por otro lado losagentes agresivos para el concreto, como los ácidos, quecontribuyen a la reducción del pH y al consecuente riesgode despasivación de la armadura, así como los sulfatos y lareacción álcali-agregado, los cuales generan reaccionesexpansivas que destruyen el concreto de recubrimiento yproteccion de la armadura, actuan en conjunto, atacandoprincipalmente el concreto y secundariamente el acero derefuerzo.Por lo tanto, a pesar de que no existe una normalización alrespecto, es necesario y conveniente una separación nítiday la consecuente clasificación entre ambientespreponderantemente agresivos para la armadura y para elconcreto. De igual manera, la composición del concreto, osea, la proporción y naturaleza de los materiales que lo componen,debe ser tratada por separado, cuando se deba elaborarconcretos resistentes a medios agresivos para la armaduray concretos resistentes, preponderantemente, amedios agresivos para el mismo concreto.Concepto de DurabilidadEn la mayoría de documentos actuales sobre el tema de ladurabilidad, incluyendo los del ACI 1 , la norma europea ENV-206 2 y varios artículos de especialistas sobre el tema 5,6,7,8,9 ,se deja muy en claro que el problema de durabilidad de lasestructuras de concreto se debe considerar bajo los siguientesaspectos:• La clasificación de la agresividad del medio ambiente• La clasificación de la resistencia del concreto al deterioro• Los modelos (preferentemente numéricos) del deterioro yenvejecimiento de las estructuras de concreto• La vida útil deseada, o sea, el período de tiempo en el cualse desea que la estructura atienda ciertos requisitos funcionalescon un mínimo de mantenimiento.La clasificación de la agresividad del ambiente, con base enlas condiciones de exposición de la estructura o de sus partes,debe tener en cuenta el micro y el macro clima actuantessobre la obra en sus partes críticas.A partir de una síntesis de las publicaciones técnicas existentessobre el tema, la agresividad ambiental puede serevaluada según el punto de vista de la durabilidad de la armaduray de la durabilidad del propio concreto, para lo cualse ha establecido la clasificación que muestra la Tabla No.1.Clase de agresividad Agresividad Riesgo de deterioro de la estructuraI Débil InsignificanteII Media PequeñoIII Fuerte GrandeIV Muy fuerte ElevadoTabla No.1: Clasificación de la agresividad del ambiente2

Los concretos se clasifican de acuerdo con sus característicasy con aquellas propiedades de mayor interés en loque se refiere a su resistencia a la agresividad del medioambiente al cual estará sometido.Ante la carencia de factores comprobados, obtenidos deensayos experimentales con los concretos que van a serefectivamente utilizados para construir la estructura, se puedeadoptar valores de orientación, tomados de las referenciasbibliográficas citadas, y los cuales se presentan en laTabla 4, referente a la corrosión de las armaduras, y la Tabla5 que se refiere al deterioro del concreto.Clase Nivel de Máxima Deterioro por Deterioro porde resistencia Relac a/c carbonatación ataque de clorurosconcreto% de adición % de adiciónDurable ≥ 50 MPa < 0,38 < 10% de puzolana, ≥ 20% de puzolana omicrosílica o escoriamicrosílica≥ 65% de escoriade alto hornoResistente 35–45 MPa 0,38 a 0,50 < 10% de puzolana, ≥ 10% de puzolanamicrosílica o escoriao microsílica< 15% de escoria ≥ 35% de escoriade alto hornode alto hornoNormal 25–30 MPa 0,50 a 0,62 Cualquiera CualquieraAtacable 10–20 MPa Mayor a 0,62 Cualquiera CualquieraTabla No.4: Clasificación de los concretos frente al riesgo de corrosión de las armadurasDeterioro por ExpansiónClase de Nivel deconcreto resistencia Contenido de C 3Aen el cemento anhidro Porcentaje de adiciónDeterioro por lixiviaciónPorcentaje de adiciónDurable ≥ 50 MPa < 5% ≥ 20% de puzolana ≥ 20% de puzolanao microsílicao microsílica≥ 65% de escoria≥ 65% de escoriade alto hornode alto hornoResistente 35–45 MPa < 5% ≥ 10% de puzolana ≥ 10% de puzolanao microsílicao microsílica≥ 35% de escoria≥ 35% de escoriade alto hornode alto hornoNormal 25–30 MPa < 8 % Cualquiera CualquieraAtacable 10–20 MPa Cualquiera Cualquiera CualquieraTabla No.5: Clasificación de los concretos frente al riesgo de deterioro por lixiviación o por la formación de compuestos expansivos.Los modelos numéricos de deterioro o envejecimientode las estructuras, también deben ser considerados porseparado, bien estén relacionados con la corrosión de lasarmaduras o con el deterioro del concreto.Para la corrosión del refuerzo existen actualmente modelosde envejecimiento, mientras que para el deterioro del concreto(velocidad de deterioro por sulfatos, por lixiviación, porreacción álcali-agregado y otras formas de deterioro) aúnno existen modelos matemáticos satisfactorios, por lo quehay que basar las condiciones de durabilidad en valoracionescualitativas.La Tabla No.6 muestra algunas de las formulaciones másempleadas en el caso de las armaduras.4

RiesgopreponderanteCarbonataciónRecubrimientomínimo de concretoe CO2= k CO 2. T 1/2Donde:e CO2= espesor de concreto en cmkCO 2= coeficiente de carbonataciónT _ = vida útil en añosPenetracióndeClorurose cl= 2.(z).(D efCl.T) 1/2erf(z)= 1- ((C ecl-Co)/(C s-C o))erf(z)=(C s-0,30)/ (C s-0,02)e Cl= espesor del concreto en cm(z)= Valor de la función de error de Gauss, obtenida segúnla Tabla No.7D efCl=Coeficiente efectivo de difusión, o de difusividad delconcreto en cuestión, en cm 2 /añoT= vida útil en añosPenetración de clorurosCeCl= concentración de cloruros a la profundidad e Clen eltiempo TCo= concentración inicial de cloruros en el interior del concretodel elemento estructuralCs= concentración de cloruros en la superficie del elementoestructural, admitida como constante* (ver nota)Erf (z) = función de error de Gauss (Ver Tabla No.7).Nota: A continuación se listan algunos valores de Cs de acuerdoal tipo de uso de estructuras de concreto reforzado:• Concreto de tanques industriales con salmueraCs=7%• Concreto sometido a salpique de agua de marCs=1,2%• Concreto en atmósfera marina (niebla salina) o atmósferaindustrial Cs=0,33%• Concreto en atmósfera rural o urbana no marinaCs=0,03%En todos los casos la concentración de cloruros se refiere alcontenido en peso de cloruros, en el concreto, como % dela cuantía de cemento del concreto.z erf(z) z erf(z) z erf(z)0,00 0,0000 0,40 0,4284 1,20 0,91030.01 0,0113 0,45 0,4755 1,30 0,93400,05 0,0564 0,50 0,5205 1,40 0,95230,10 0,1125 0,60 0,6039 1,50 0,96610,15 0,1680 0,70 0,6778 1,60 0,97630,20 0,2227 0,80 0,7421 1,70 0,98380,25 0,2763 0,90 0,7969 1,80 0,98910,30 0,3286 1,00 0,8427 1,90 0,99280,35 0,3794 1,10 0,8802 2,00 0,9953La correspondencia básica entre agresividad del medio ambiente y durabilidad del concreto es considerada en la Tabla No.8.Finalmente la vida útil deseada, es decir, el tiempo que se desea que la estructura atienda ciertos requisitos funcionales, con unmínimo mantenimiento, se podrá valorar de acuerdo con lo que se expondrá a continuación.Clase de agresividadI(Débil)II(Media)III(Fuerte)IV(Muy fuerte)Concreto recomendableCualquier tipoNormal, resistente y durableResistente y durableDurableTabla No. 8: Correspondencia entre agresividad del ambiente y durabilidad del concreto.5

Vida Util de las EstructurasPor vida útil se entiende el período de tiempo durante elcual una estructura será capaz de desempeñar las funcionespara las cuales fue proyectada. En el caso de deteriorode la estructura por corrosión de la armadura, se puede distinguirpor lo menos tres situaciones:a) Un período de tiempo que va hasta la despasivación de laarmadura, el cual se denomina, normalmente, período deiniciación. A este período de tiempo se puede asociar lallamada vida útil de proyecto. Normalmente correspondeal período necesario para que el frente de carbonatación oel frente de cloruros alcance la armadura.Por frente de carbonatación se entiende la posición de lainterfase entre una región carbonatada, de baja alcalinidadpor acción del gas carbónico sobre los productos alcalinosde la hidratación del cemento y una región contigua nocarbonatada y por consiguiente de alto pH.Por frente de cloruros se entiende la posición de la interfaseentre una región contaminada por un cierto nivel de cloruros,suficiente para despasivar la armadura en aquella condiciónespecífica y una región contigua donde el nivel de clorurostodavía no alcanza el nivel suficiente para despasivar. Estecontenido de cloruros varía en función de varioscondicionantes entre el 0,05 y el 1% del peso del cemento.El hecho de que el frente de carbonatación o un cierto nivelde cloruros haya alcanzado la armadura y teóricamente lahaya despasivado, no significa necesariamente que a partirde ese momento habrá corrosión importante. Ese período detiempo, no obstante, es un período que debe ser tenido encuenta al proyectar la estructura, en aras de la seguridad.b) Un período de tiempo que va desde el momento en queaparecen manchas en la superficie del concreto, u ocurrenfisuras en el concreto de recubrimiento, hasta cuando sepresenta el desprendimiento del recubrimiento. A este períodose asocia la vida útil de servicio o de utilización dela estructura. Este período es muy variable y depende decada caso en especial, pues ocurre que, en ciertas construcciones,es inadmisible que la estructura presente manchasde corrosión o fisuras. En otros casos sólo la caída depedazos de concreto, que ponga en peligro la integridad delas personas, puede ser considerado el momento a partirdel cual se debe considerar cumplida la vida útil de serviciode la estructura.c) Un período de tiempo que va hasta la ruptura o colapsoparcial o total de la estructura. A este período de tiempo seasocia la llamada vida útil última o total. Corresponde alperíodo de tiempo para el cual habrá una reducción significativade secciones resistentes de la armadura o una pérdidaimportante de adherencia concreto-refuerzo, acarreandoel colapso parcial o total de la estructura. 10DespasivaciónManchasFisurasDesprendimientoDesempeñomínimo de proyectoDesempeñomínimo de servicioReducción de secciónPérdida de adherenciaDesempeñomínimo de roturaVida útil de proyectoVida útil de servicio 1Vida útil de servicio 2Vida útil última o totalVida útil residualVida útil residualFig. No. 1 Concepto de vida útil de las estructurasde concreto en función del fenómenode la corrosión del refuerzo.Consideraciones finalesLa Figura No.1 11 presenta los conceptos de vida útil anteriormenteexpuestos, tomando como base las dos fases principalesdel proceso de deterioro del concreto reforzado (iniciacióny propagación) desde el punto de vista de la corosiónde las armaduras.En este modelo fue introducido el concepto de vida útil residual,que corresponde al período de tiempo que la estructuratodavía podrá desempeñar sus funciones, contadoen este caso a partir de la fecha de una evaluación. Estaevaluación y el correspondiente diagnóstico puede ser efectuadoen cualquier instante de la vida en uso de una estructura.El plazo final, en este caso, puede ser tanto el límite delas condiciones de servicio, como el límite de rotura, dandoorigen a dos “vidas útiles residuales”; una más corta contadahasta la aparición de manchas de corosión, fisuras odesprendimientos del concreto y otra, más larga, contadahasta la pérdida significativa de la capacidad resistente delcomponente estructural o su eventual colapso.Desde el punto de vista del concreto, los sulfatos presentesen el agua de mar, pueden acarrear reacciones deletéreas6de expansión con formación de compuestos expansivos deltipo etringita y yeso secundario o reacciones tipo álcali-agregado,las cuales conducen al agrietamiento del concreto enlas estructuras.El contenido de sulfato en un concreto depende de la cuantíade cemento y del contenido de yeso primario en el citadocemento. Así, por ejemplo, un concreto con una densidadde 2.300 kg/m 3 , amasado con 350 kg/m 3 de un cementocuyo contenido de yeso es máximo del 3%, conducirá a uncontenido total máximo de sulfatos del orden de 0,46% delpeso del concreto. Si las cantidades de yeso encontradasfueren superiores significarán contaminación. El exceso loocasionarán sulfatos que han penetrado el concreto endurecido,normalmente provenientes del agua de mar.En general el valor de referencia para la vida útil de proyecto,para obras corrientes, puede ser de 50 años. Ciertasobras de mayor importancia social y estructural pueden serprevistas para una vida útil de 100 años o quizá más.Una aplicación práctica de estos conceptos la pueden constituirlas Gráficas 2 y 3, desarrolladas dependiendo del espesordel recubrimiento en función del ambiente que rodeala estructura, la calidad del concreto y la vida útil deseada.

105210,5Carbonatación de la superficie externa de los elementosestructurales de concreto expuestos a la intemperie.C10 C15C20 C25C30 C35C40C45C50Resistencia del concreto en MPa.Figura 2. Abaco para la determinación del espesorde recubrimiento sobre las armadurasen función del ambiente (zona urbana e industrial),del concreto (Resistencias entre 10 y 50MPa) y de la vida útil deseada (1 a 100 años).Modificación del Recubrimientosi se UsaCeniza volante + 20%Puzolana + 10%0,11 5 10 50 100Edad de la estructura en añosEn caso de que se use cemento adicionadocon ceniza volante o con puzolanas, el espesorde recubrimiento se debe aumentar en un20% y en un 10% respectivamente.Difusión de cloruros en las caras externas de los elementosestructurales de concreto expuestos asalpicaduras de agua de mar.1010554C10C153C20C25C302C35C40C45111 C50 5 10 50 100Figura 3. Abaco para la determinación del espesorde recubrimiento sobre las armadurasen función del ambiente (zona de salpicadurade agua de mar), del concreto (Resistenciasentre 10 y 50 MPa) y de la vida útil deseada (1a 100 años).Modificación del Recubrimientosi se UsaMicrosílica - 20%Cemento C 3A>12% -20%En caso de que se use microsílica o cementocon contenido de C 3A > 12%, el espesor derecubrimiento se puede disminuir el 20%.Edad de la estructura en años.Referencias1AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Corrosion of metalsin concrete. ACI Commitee 222.2EUROPEAN NORMALIZATION VOLUNTAIRE. ENV-206Performance, production , Mise en Ouvre et Critéres deconformité du Betón. 19925ROSTAM, Steen. Service life design. The europeanApproach. Concrete International. Vol.15, n.7, July 1993. Pp.24-32.6ANDRADE ,C.; GONZALEZ, J.A. Tendencias actuales enla investigación sobre corrosión de armaduras. Informesde la Construcción, v. 40, n.398, pp. 7-14, nov.dic. 1988.7ANDRADE, C. Manual para el diagnóstico de estructurascon armaduras corroídas.8HELENE, Paulo R. L. La agresividad del medio y ladurabilidad del hormigón. Hormigón, AATH, n.10, p.25-35, mayo/agosto.,1983.9-.Vida util de las estruturas de concreto armado sob oponto de vista da corrosao da armadura. In: seminario dedosagem e controle dos concretos estruturais, varias ciudades,julio a set.93. Anais ENCOL/SENAI, Brasilia,1993.10AL-SULAIMANI, G. J.; KALEEMULLAH, M.; BASUNBUL,I. A.;RASHEEDUZZAFAR. Influence of corrosion and crackingon Bond behavior and strength of reinforced concretemembers. ACI Structural Journal, p. 220-31, March-April, 1992.11HELENE, P.R.L Diagnóstico de la corrosión de la armaduray vida útil residual de estructuras de concreto. SeminarioFOSROC/RENA sobre patología de las estructurasde concreto. Una Visión Moderna, Salvador, diciembre 1992.Autor:Dr. Paulo Roberto do Lago Helene (Profesor de la Universidadde Sao Paulo, Brasil)Traducido del portugués por el Ing. Carlos A. Arcila López, miembrode la Junta Directiva de la Seccional Colombiana del ACI7