Educación en las enseñanzas técnicas del S. XXI
PERSPECTIVAS GLOBALES SOBRE EL
DESEMPEÑO DEL HOMIGÓN
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E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid Introducción a la durabilidad de hormigones
INTRODUCCIÓN A LA DURABILIDAD DE HORMIGONES
Amparo Moragues Terrades
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• El ACI define la durabilidad del hormigón fabricado con cemento Pórtland, como” la habilidad para resistir el desgaste de las acciones atmosféricas, ataque químicos, abrasión o cualquier otra forma de deterioro. Por ende, las características de un hormigón durable son mantener su forma original, calidad y utilidad al ser expuesto al ambiente circundante por su vida útil.
• Para EHE “La durabilidad del hormigón es la capacidad de comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas o químicas agresivas y proteger, adecuadamente, las armaduras y demás elementos metálicos embebidos en el hormigón durante la vida de servicio de la estructura”.
•
2
Definición de Durabilidad
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Estructura de Silicatos
3
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Caolinita Al2(SiO5)(OH)4
Cristales de caolinita (MEB)
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DETERIORO POR CAUSAS FÍSICAS Mehta y Gerwick (1982)
DESGASTE SUPERFICIAL FISURACIÓN
ABRASIÓN
Pavimentos,
tráfico de
vehículos
EROSIÓN
Fluidos con
partículas
sólidas en
suspensión
CAVITACIÓN
CAMBIOS DE VOLUMEN
Gradientes de humedad y
temperatura (calor de
hidratación)
Sales en los poros
Cargas
TEMPERATURAS
EXTREMAS
Hielo
Fuego
PÉRDIDA DE MASAAUMENTO POROSIDAD y PERMEABILIDADDISMINUCIÓN RESISTENCIAS
Proceso de degradación: ataque físico
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Estructura del Gel
Relación Ca/Si = 0.66
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GEL CSH
HIDRATACIÓN
ALITA (C3S)
BELITA (C2S)
RESPONSABLE PROPIEDADES
MECÁNICAS DE RESISTENCIA
60% del volumen de la pasta
Fase sólida Matriz del Cemento Hidratada
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Estructura del Gel
Estructura del C-S-H ( MIT)
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Formación física de laminas de silicatos cálcicos hidratados
FELDMAN Y SEREDA (1968)
POROS DE
POWERS 1968
MUNICH 1985
Modelos del gel
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Red Porosa
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Red porosa
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Red porosa
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Red porosa
IUPAC P.Metha, 1986 S. Mindess, 2002EFECTO
Nombre Tamaño Nombre Tamaño Nombre Tamaño
Microporos < 2nm Espacio interpartícular entre láminas de CSH
1-3 nm
Microporos “intercapa”
>0.5nmRETRACCIÓN Y FLUENCIA
Microporos 0.5-2.5 nmRETRACCIÓN Y FLUENCIA
Mesoporos 2-50 nm
Capilares pequeños (gel)
2.5-10 nm RETRACCIÓN
Poros capilares (a/c baja)
10-50 nmCapilares medianos
10-50 nmRESISTENCIA, PERMEABILIDAD Y CONTRACCIÓN
Macroporos > 50 nmPoros capilares
3-50 µmCapilares grandes
50-10 µmRESISTENCIA Y PERMEABILIDAD
Aire atrapado 50 µm-1 mm Aire atrapado 0.1-1 mm RESISTENCIA
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MICROESTRUCTURA
Matriz de cemento hidratada Áridos
• Fase sólida• Red porosa• Fase acuosa
• Zona de interfase árido-pasta hidratada de cemento
Matriz de cemento
hidratada
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Peso Módulo de elasticidad Estabilidad dimensional del hormigón
Características físicas: Volumen Textura Forma Tamaño Distribución partículas PorosComposición
Áridos
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Contenido significativamente alto de porosidad capilar (gran parte interconcectada) Mayor permeabilidad Bajo contenido de granos de cemento sin hidratar Alto contenido en portlandita, con orientación preferentemente paralela a la superficie de los agregados Elevado contenido en etringita
Menor resistencia y rigidez
Zona de transición árido-pasta
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ZONA DEBIL MECÁNICAMENTE
EN LA INTERFASE CON LA
PASTA
PAPEL IMPORTANTE EN LA
REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI
Porosiad de esta zona mayor que en la pasta por la mayor
cantidad de agua acumulada causa de su menor resistencia
Zona de transición árido-pasta
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Porosidad totalDistribución de tamaño de poroEstructura del poroGrado de conectividad entre poros
Succión capilarConvecciónDifusiónMigración
Composición química ymineralógica del cemento
Grado de hidrataciónInterfaz pasta-árido
Proceso de degradación: ataque químico
Proceso de degradación causado por agentes agresivos en el ambiente externo a la estructura que se transportan en solución hacia su interior y
reaccionan con algún constituyente de la pasta de cemento
POROSIDAD MECANISMOS CEMENTO
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Intercambio iónico
Ataque por lixiviación
Formación de compuestos expansivos
Pérdida alcalinidad
Pérdida masa
Pérdida resistencia y rigidez
FisuraciónSaltaduras
Deformación
Aumentodel
proceso deterioro
Proceso de degradación: ataque químicoMehta (1986)
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H2O ↔ H+ + OH-
Ca(OH)2 + 2H+ ↔ Ca2+ + 2 H2OC-S-H + 6H+ ↔ 3Ca2+ + 2(SiO2. nH2O) + 6 H2O
Aguas con productos orgánicos en descomposiciciónAguas con contenidos en pirita (sulfuro de hierro)Aguas con sulfurosAguas con contenido óxidos de azufre (SO3 )(lluvia ácida)Aguas con contenido disuelto de CO2
Ataque químico. Tipos de ataqueAtaque ácido
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Esquema de ataque ácido en la
pasta de cemento
Formación de sales solubles
Reducción alcalinidad
pH =3
Pérdida resistencia
EflorescenciasDisolución pastaDesprendimiento de masa de hormigón
Ataque químico. Tipos de ataque
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Estabilidad de los distintos compuestos
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Eflorescencias
Sales de calcio cristalizadas en superficie (evaporación o carbonatación)
Descomposición (hidrolizan)los productos hidratados
Ataque de la matriz cementicia por disolución progresiva
El agua, debilmente mineralizada, reacciona con los iones Ca2+ y
destruye progresivamente el hormigón
Ataque ácido: lixiviación de compuestos cálcicos
Ataque de Agua (H2O)
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Aguas residuales Bacterias
FermentaciónSH2 (sulfuro hidrógeno)+CH4 (metano)
Carbonatos +SO4Ca (sulfato cálcico)
pH
Superficie hormigón
+ CO2 O2 H2O
Ataque por ácido en desagües
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Carbonatos +SO4Ca (sulfato cálcico)
Ataque por ácido en desagües
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32322 HCOHHCOOHCO
23322 )(HCOCaCaCOOHCO
Exceso de CO2(agresivo)
Aguas blandasAguas duras
Sales disueltas en Agua
EQUILIBRIO
Aumento porosidad ypermeabilidad
Ataque superficieLAVADO
Ataque por intercambio iónico
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Ataque por ácido carbónico
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Cloruros, sulfatos y bicarbonatos se encuentran en agua de mar, industriales y subterráneas. El ataque depende del anión:
Poca concentración de Mg Cierra porosMg(OH)2 Brucita
Mucha concentración de Mg
SO4Mg
Cl2Mg
Ca(OH)2 + Cl2Mg Mg(OH)2 + Cl2Ca
Formación compuestos expansivos
Aumento porosidad y conectividad
Lixiviación y bajada de pH
Ataque por disoluciones con magnesio
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Terrenos con yeso Sulfatos alcalinos
• Sulfato sódico• Sulfato potásico• Sulfato de magnesio
Sulfato de aluminio Sulfato de amonio
Ataque por disoluciones con sulfato
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Solo ocurre cuando el agua transporta los iones SO4
2- en solución dentro del hormigón
Formación de ettringita Formación de yeso Formación de thaumasita Formación de brucita, yeso y descomposicióndel gel de sílice C-S-H Cristalización de sales
Mecanismos de ataque
Ataque por disoluciones con sulfato
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C3ACaSO4.18H2O + 2NaSO4 + 2Ca(OH)2 + 12 H2O
C3A.3(CaSO4).32H2O + 4NaOH-
Monosulfoaluminato (AFm) Portlandita
Ettringita expansiva (AFt)
Fisuración progresivaAumento porosidad Disminución resistencia
Formación de ettringita
Ataque por disoluciones con sulfato
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Expansiónde ettringita y yeso
Desintegración pasta de cemento
Ettringita secundaria fuertemente
comprimida en la interfase (x2000)Ettringita primaria
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• Reacción intercambio iónico• Soluciones concentradas (> 1000 mg/l)• Cristalización en los poros y en la interfase pasta-agregado
2NaSO4 + 2Ca(OH)2 + H2O CaSO4.2H2O + 2Na+ + 2(OH)-
Portandita Yeso
Descalcificación gel C-S-H
Disminuciónde resistencia
Ataque por formación de yeso
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Esquema del ataque por sulfato sódico
sobre pasta de cemento
Formación de ettringita
Formación de yeso
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Ataque de sulfato de magnesio
Concentración bajaMgSO4 < 0.48%
Concentración media 0.48%< MgSO4 < 0.75%
Concentración alta MgSO4 > 0.75%
Formación ettringita
Formación ettringita y yeso
Descalcificación del gel C-S-H
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Proceso de ataque Proceso de ataque
Brucita
Mg2+
SO42-
(OH)-
(OH)-Mg2+
SO42-
(OH)-
Ca2+
Doble capa superf.
Brucita Yeso
(OH)-
Ca2+
Incremento de la hidratación y disolución del Ca(OH)2
Ca(OH)2 + MgSO4 + H2O Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O
a b
a) Difusión OH hacia fuera y SO4-2 hacia dentro pasta. Brucita en superficie
b) Disociación CH y aceleración hidratación de silicatos de calcio (Ca2+ y(OH)- ). Formación capa de yeso
Ataque de sulfato de magnesio
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(OH)-
Descalcificación CSH
Mg2+
SO42-
Ca2+
Ca2+
SO42-
SO42-
Ca2+
(OH)-
SO42-
Difusión de iones OH desde el poro a la solución
Disolución parcial de CH
C-S-H + xMgSO4 + H2O xMg(OH)2 + xCaSO4.2H2O + nSiO2.H2O
c) Descalcificación del C-S-H y formación continua de capas de yesod) Disociación parcial CH en zona interior y estabilidad de la
microestructura por supresión de la difusión como resultado del crecimiento de la doble capa
d
Ataque de sulfato de magnesio
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Formación de thaumasita CaSiO3CaSO4CaCO315H2O
Hormigón o mortero con agregados con carbonatos o expuestos a CO2
Acción conjunta de iones sulfatos y carbonatos• iones sulfato + portlandita yeso• iones carbonato + gel C-S-H descomposición C-S-H SiO2• SiO2 + iones sulfato thaumasita
Contribuye•Humedad elevada•Bajas temperaturas
ME
CA
NIS
MO
Solubilidad thaumasita TemperaturaSolubilidad CO2 Temperatura
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Formación de thaumasita
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Formación de thaumasita
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Se necesitan solo iones: carbonato, sulfato, silicato y calcio
Formación de thaumasita
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Daños por formación de thaumasita
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Daños por formación de thaumasita
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Daños por formación de thaumasita
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Ataque de sulfato
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Reducción permeabilidad
Reducción C3A
Uso de adiciones activas
Baja relación a/cAlto contenido en cementoCorrecto compactadoCurado prolongado
Cenizas volantes de bajo calcioEscorias de alto hornoPuzolanas naturalesHumo de sílice
Cementos con características adicionales SR
Recomendaciones frente al ataque por sulfatos
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• El ACI define la durabilidad del hormigón fabricado con cemento Pórtland, como” la habilidad para resistir el desgaste de las acciones atmosféricas, ataque químicos, abrasión o cualquier otra forma de deterioro. Por ende, las características de un hormigón durable son mantener su forma original, calidad y utilidad al ser expuesto al ambiente circundante por su vida útil.
• Para EHE “La durabilidad del hormigón es la capacidad de comportarse satisfactoriamente frente a las acciones físicas o químicas agresivas y proteger, adecuadamente, las armaduras y demás elementos metálicos embebidos en el hormigón durante la vida de servicio de la estructura”.
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Definición de Durabilidad
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Proteger el acero
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Potencial del acero
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Pila de corrosión
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Desencadenantes
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Penetración gaseosa de contaminantes: Carbonatación
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ATAQUE POR PICADURAS
v <2µm/añodespreciable
Cloruros:picadura
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Cambios en los cristales de portlandita
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Cambios en los
cristales de portlandita
(a) Sin NS
(b) 3% NS
(c) 3% SF
Y.Qing, Z.Zenan, K.Deyu,C.Rongshen. Cons. Build.
Mater. 21 (2007) 539-545
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Árido
Pasta
CH sobre el árido perdiendo su formaCristalina por el ataque de NS
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E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid Introducción a la durabilidad de hormigonesCH ≈ 1.3 µm
Reducción de cristales por velocidad de hidratación
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500 nm
CH ≈ 550 nm
Reducción de cristales por velocidad de hidratación
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Cambios en los cristales de Ettringita
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Ponce 22 y 23 de Enero de 2014
E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos de Madrid Introducción a la durabilidad de hormigones
Cambios en los cristales de
Ettringita
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Cambios en los cristales de
Ettringita
4NCV-7D
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Cambios en los cristales de Ettringita
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M-4NCV-28D
M-4FCV-28D
CH≈ 1µm
Desaparición de agujas de AFt
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Cambios en los cristales de Ettringita
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Agujas de AFt
≈ 200 nm
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Resultados de ensayos mecánicos
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Resultados de ensayos de durabilidad
0
50
100
150
200
CO
NT
RO
L
SF
-3
SF
-6
SF
-10
nS
-3
nS
-6
SF
-3/n
S-3
SF
-3/n
S-6
SF
-6/n
S-3
18,5
30,8
41,4
146,5
22,6
41,4
58,4
109,7
146,5
Resis
tivit
y (
K
.cm
)
Concrete Mix
0
2
4
6
8
10
12
CO
NT
RO
L
SF
-3
SF
-6
SF
-10
nS
-3
nS
-6
SF
-3/n
S-3
SF
-3/n
S-6
SF
-6/n
S-3
9,30
4,604,08
1,92
6,44
2,612,17
1,00
2,01
Dn
ss
m (
10
-12 m
2/s
)
Concrete Mix
0
10
20
30
40
50
60
70
80
CO
NT
RO
L
SF
-3
SF
-6
SF
-10
nS
-3
nS
-6
SF
-3/n
S-3
SF
-3/n
S-6
SF
-6/n
S-3
67
41
20
11
2018
22
7
12
Ma
x w
ate
r p
en
etr
ati
on
dep
th (
mm
)Concrete Mix
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Energía de Fractura
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Ensayo de vértice
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Ensayos de dureza y Los Ángeles
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Ciclos hielo/ deshielo y ensayos de
degradación
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Carbonatación
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Resultados de ensayos mecánicos
Series1
Series30
50
100
150
200
1 2 3 4
Resistencia a compresión de rocas y morteros a
distintas edades
050
100150200250300350400450
1 2 3Muestras ensayadas
Limites de dureza en morteros y rocas
Series1Series20
5
10
15
20
1 2 3
Resultado del ensayo de los
angeles
Muestars de morteros y rocas ensayadas
Comparativa del ensayo de los angeles para morteros
y rocas
Series1Series20
20
40
60
80
100
1 2 3
Energia de Fractura N/m
Morteos y rocas ensayados
Energia de fractura de morteros y rocas
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