ATAQUE POR GASES

ALCANCE Y DEFINICIÓN

Los dos ataques por gases que atentan contra la durabilidad del concreto son:

Ataques por anhídrido carbónico Ataques por anhídrido sulfuroso

El concreto expuesto continuamente al aire absorbe dióxido de carbono en un proceso conocido como carbonatación. Los resultados pueden ser beneficiosos o dañinos dependiendo del tiempo, magnitud y extensión en que éste proceso ocurre, y de la exposición al medio.

La durabilidad del concreto no es perjudicada por la carbonatación, y podría ser mejorada, ya que ésta tiende a densificar la superficie del concreto, reduciendo la permeabilidad y porosidad superficial.

Sin embargo, para los concretos reforzados, el fenómeno de carbonatación puede ser el origen de serios daños estructurales. La exposición al dióxido de carbono (CO2) durante el proceso de endurecimiento puede afectar el acabado final de las losas, favoreciendo la formación de una superficie blanda, pulvurulenta y menos resistente al desgaste.

La lluvia ácida producida por el anhídrido sulfuroso ataca al concreto, especialmente al carbonato de calcio, produciendo sales fácilmente lavables y contribuyendo de ésta manera a la destrucción de los elementos estructurales.

CARBONATACIÓN

CONCEPTO GENERAL

La carbonatación en el concreto es la reacción química, con disminución del pH, que ocurre cuando el dióxido de carbono (CO2) atmosférico reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y convierte el hidróxido de calcio, Ca(OH)2, con alto Ph a carbonato de calcio, CaCO3, que tiene un Ph más neutro. La carbonatación del concreto ocurre en todas las superficies del concreto expuestas.

La carbonatación comienza sobre la superficie del concreto y se propaga lentamente en profundidad y tiende a densificar la superficie de éste, reducir la permeabilidad frente al ion cloro, la porosidad superficial y la capacidad de absorción. Con ello, al colmar los poros, tiene una influencia positiva aumentando la resistencia mecánica y la durabilidad del concreto haciendo las veces de protección natural contra la anterior penetración de gases y líquidos.

La carbonatación es uno de los principales factores que causan deterioro de las estructuras, y es definida por el ACI como “la reacción química entre el dióxido

de carbono contenido en el aire y el hidróxido de calcio de los productos de hidratación disueltos en el agua y contenidos en los poros de la pasta de cemento, reduciéndose el pH de la solución que se encuentra en los poros de concreto de 12,6 a menos de 9, por lo que, la película de óxido pasivo que se encuentra en el acero puede ser destruida, acelerando el proceso de corrosión”.

Ésta corrosión inducida por la carbonatación incrementa el desarrollo de las grietas, y disminuye la durabilidad del concreto.

En concreto que no contiene acero de refuerzo, la carbonatación es, generalmente, un proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto reforzado, éste proceso químico aparentemente inocuo, avanza lenta y progresivamente hacia adentro desde la superficie expuesta del concreto, y puede llegar a atacar al acero de refuerzo causando la corrosión.

MECANISMO DE LA REACCIÓN

La carbonatación comienza sobre la superficie del concreto y se propaga lentamente en profundidad, y si bien, la carbonatación reduce el valor del pH y destruye la película pasiva alrededor del acero de refuerzo, ella tiende a densificar la superficie del concreto, reduciendo la permeabilidad frente al ion cloruro, e igualmente reduciendo la porosidad superficial y por lo tanto, la capacidad de absorción del concreto. Al colmar los poros, tienen una influencia positiva aumentando la resistencia mecánica y la durabilidad del concreto, haciendo las veces de protección natural contra la ulterior penetración de gases y líquidos.

El factor básico que influye en la carbonatación es la difusividad de la pasta de cemento endurecida. La magnitud de la carbonatación es controlada por el ingreso de CO2 en el sistema de poros del concreto por difusión con una gradiente de CO2 actuando como la fuerza secante. El aumento de carbonatación depende en gran medida del contenido de humedad y permeabilidad del concreto.

Para que tenga lugar la carbonatación debe haber presencia de humedad. La reacción de carbonatación avanza más rápidamente cuando la humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50 y 55%. A humedad más baja, no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan cantidades significativas de hidróxido de calcio. Por encima del 75% de humedad, la situación se revierte y los poros se bloquean progresivamente con agua.

Desde el punto de vista de la permeabilidad del concreto, conforme aumenta ésta, el concreto se carbonata más rápidamente. El remedio es muy simple, y consiste en seguir las prácticas recomendadas para producir concretos de baja permeabilidad. Éstas incluyen bajas relaciones agua/cemento, compactación

adecuada por vibración, uso de adiciones, y curado apropiado. Todas éstas prácticas reducen la permeabilidad del concreto y hacen más difícil que el dióxido de carbono se difunda a través de él.

Los parámetros que determinan la velocidad de carbonatación son: la composición y cantidad de cemento, la compactación, las condiciones de curado y condiciones ambientales de exposición del concreto.

La velocidad de carbonatación del frente de carbonatación o penetración al interior den concreto es proporcional a su porosidad. La velocidad disminuye con el paso del tiempo debido a que el estrato carbonatado protege al resto del concreto del contacto con el exterior; o sea del proceso químico que tiende a disminuir el pH.

La velocidad de penetración del frente de carbonatación al interior del concreto es proporcional a su porosidad. La velocidad disminuye con el paso del tiempo debido a que el estrato carbonatado protege el resto del concreto del contacto con el proceso químico que tiende a disminuir el pH. Se recomienda tener en consideración las cuatro medidas siguientes:

Recubrir las armaduras con un mínimo de 30 mm de mortero. Prestar particular atención a las armaduras situadas debajo a las

acanaladuras y las juntas de concreto. Respetar la dosificación mínima del cemento y trabajar con

relaciones agua/cemento moderadas, es decir sin un exceso de agua.

Efectuar el curado de modo que la superficie del concreto esté bien hidratada desde el inicio, a fin de reducir al mínimo la velocidad de carbonatación.

FACTORES QUE ACTÚAN SOBRRE LA CARBONATACIÓN

El proceso de carbonatación es completamente natural. Sin embargo, también se ve afectado por variables naturales que se encuentran en el concreto. El aumento de carbonatación depende, en gran medida, del contenido de humedad y permeabilidad del concreto.

Como es conocido, para que tenga lugar la carbonatación, debe haber presencia de humedad. La reacción de carbonatación avanza más rápidamente cuando la humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50% y 55%. A humedad más baja, no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan cantidades significativas de hidróxido de calcio. Por encima del 75% de humedad, la situación se revierte y los poros se bloquean progresivamente con agua.

Aunque esto permite que se disuelva libremente el hidróxido de calcio, evita en gran medida el ingreso de dióxido de carbono. Así se explica porque diferentes

lados de la fachada de un edificio de concreto, por ejemplo, puedan variar grandemente en las profundidades de sus frentes de carbonatación.

EFECTO SOBRE EL CONCRETO

La carbonatación tiene diferentes efectos sobre el concreto fresco y sobre el concreto endurecido. Aunque el dióxido de carbono tiene un efecto dañino sobre el concreto durante las primeras 24 horas, tiene efectos positivos sobre el concreto endurecido hidratado después de las mismas. La reacción química del CO2 con el cemento hidratado es más compleja que con el cemento sin hidratar. A una temperatura de 10°C o más, el concreto puede ser expuesto sin peligro a la acción del CO2 después de 24 horas.

La carbonatación del concreto endurecido por el aire tiene las desventajas de causar engrietamiento superficial y neutralizar la protección de las barras de refuerzo contra la corrosión. Es importante recordar que un mal diseño o un mal proceso constructivo pueden producir la carbonatación, facilitando el ingreso de la humedad y la corrosión del acero de refuerzo con posterior destrucción del concreto.

Medidas en los países industrializados para la protección del acero de esfuerzo:

Control más exigente de la calidad del concreto. Aumento del espesor de recubrimiento. Impermeabilización del concreto, en algunos casos empleando aditivos

incorporadores de aire. Control de la relación agua/cemento, en algunos casos empleando

aditivos reductores. Curado más cuidadoso y prolongado del concreto. Recubrimiento con bajo coeficiente de difusión de CO2.

Se puede decir que, desafortunadamente, la carbonatación es un proceso lento, ya que si fuera un proceso más rápido las especificaciones de algunas obras se harían con más precaución, concediendo a la durabilidad de las estructuras y su protección frente a los agresores del medio ambiente por lo menos igual importancia que la que se confiere a los aspectos mecánicos del concreto en las especificaciones.

Hay mucha ignorancia respecto al fenómeno de la corrosión del acero de refuerzo debido al proceso de carbonatación del concreto.

EFECTOS DE LA CARBONATACIÓN

El concreto no armado goza de las ventajas de la carbonatación. En cambio, en el concreto armado, el fenómeno de carbonatación puede ser el origen de serios daños estructurales. En efecto, debido a su elevada alcalinidad, que le

confiere el cemento con un pH mayor a 12, el concreto protege al acero de la corrosión. Como ya se ha indicado, la carbonatación reduce la alcalinidad a un pH menor de 9, y ni bien el frente de carbonatación alcanza la zona de la armadura, ésta última comienza a oxidarse.

Dado que la formación de óxido se acompaña siempre con un aumento de volumen, esto da origen generalmente a la disgregación del concreto que cubre al acero de refuerzo. En éste momento, el acero de la armadura ya no está protegido, y el concreto armado comienza a perder su capacidad portante.

El espesor de la carbonatación disminuye al incrementarse la resistencia en compresión para todos los tipos de concreto, pero que ésta relación depende del tipo de cemento y del curado.

La resistencia a la ruptura de los concretos carbonatados se incrementa ligeramente cuando se la compara con concretos no carbonatados; dando las altas relaciones agua-cementante por resultado una menor resistencia a la ruptura.

MEDIDAS PREVENTIVAS

Se recomienda no olvidar que la carbonatación se inicia después del fraguado, ni bien el concreto es desencofrado; así como que el objetivo final debe ser el impedir que el frente de carbonatación alcance a la armadura. Para ello se tendrán en consideración las siguientes medidas:

Recubrir las armaduras en forma adecuada con un mínimo de 30 mm de mortero.

Prestar una atención particular a las armaduras situadas debajo de las acanaladuras y las juntas de concreto.

Respetar la dosificación mínima del cemento y trabajar con relaciones agua-cemento moderadas, o sea sin un exceso de agua.

Efectuar el curado de modo que la superficie del concreto este bien hidratada desde el inicio, a fin de reducir al mínimo la velocidad de carbonatación.

Se debe recordar que la velocidad y profundidad de carbonatación son además influenciadas por una variedad de factores como el contenido de cemento, las variaciones de temperatura, y la frecuencia con que se alternan los estados secos y los estados o períodos húmedos de la superficie del concreto.

RECUBRIMIENTO DEL CONCRETO

La carbonatación puede causar problemas de corrosión aún en concretos de alta calidad. Un recubrimiento bajo del concreto y defectos de superficie tales como grietas y pequeños hoyos proporcionan una ruta directa al acero de

refuerzo. Las grietas pueden llevar la carbonatación muy por debajo de la superficie expuesta del concreto, originando que el acero en el área de esta grieta empiece a corroerse debido a la pérdida de pasivación.

Los bordes del recubrimiento de concreto son notables por su susceptibilidad a la corrosión inducida por la carbonatación. Se ha observado que los bordes o las esquinas tienen dióxido de carbono que se difunde hacia el acero de refuerzo en dos direcciones. Si el acero en estas áreas no tuviera algún recubrimiento del concreto adecuado, la carbonatación conduciría a la corrosión y podría causar astillamiento en los bordes en muy pocos años.

Durante la construcción original, las esquinas son también áreas donde con frecuencia el concreto no está bien compactado. Los huecos y los agregados expuestos de la superficie reducen el recubrimiento del concreto, permitiendo que la carbonatación alcance rápidamente el acero.

ESTRATEGIAS DE REPARACIÓN Y PROTECCIÓN

Para estructuras a las que se les ha diagnosticado corrosión, agrietamiento y astillamiento inducidos por la carbonatación, existen pocas opciones de reparación.

Se puede elegir la protección catódica, desarrollada en el Capítulo sobre "Corrosión" si el daño por corrosión es severo. Sin embargo, esta es una opción costosa y requiere la continuidad eléctrica del refuerzo, así como también requiere costos sustanciales para el mantenimiento progresivo.

La realcalinización es una técnica bastante nueva que intenta restaurar la alta alcalinidad del recubrimiento de concreto extrayendo electroquímicamente un químico con alto contenido de pH en la estructura. Se trata también de una opción costosa con un historial muy limitado.

Con frecuencia, la opción más factible es reparar y proteger el concreto. Esta es una técnica de reparación directa que atiende la necesidad inmediata del propietario. Sin embargo, la reparación del daño visible sólo es el primer tramo para una reparación duradera del concreto dañado por la carbonatación. Las áreas resanadas cubren usualmente sólo alrededor del 15% de toda el área de la superficie, pero el área total de ésta ha sido carbonatada. Si sólo se resana el daño visible, sin preocuparse por las causas adyacentes, no pasará mucho tiempo antes que ocurra mayor astillamiento.

Para detener efectivamente el avance del "frente de carbonatación", con frecuencia se emplean recubrimientos anticarbonatación. Al contrario de las pinturas de mampostería o los recubrimientos elastoméricos comunes, los recubrimientos anticarbonatación están específicamente diseñados para detener el ingreso del dióxido de carbono.

La tecnología actualmente en desarrollo de los inhibidores de corrosión puede ayudar a resolver la corrosión existente. En estas situaciones, los inhibidores de corrosión aplicados a la superficie, y que se pueden difundir a través del concreto que sirve de recubrimiento, pueden aplicarse en spray o con rodillos en la superficie antes de aplicar un recubrimiento anticarbonatación.

Es necesario que se reconozca la carbonatación como una causa seria de la corrosión del acero de refuerzo. A diferencia de los cloruros, el papel de la carbonatación en la corrosión de la varilla de refuerzo se ha descuidado con mucha frecuencia.

ANHÍDRIDO SULFÚRICO

El anhídrido sulfúrico o dióxido de sulfuro (SO2) es un gas el cual pertenece a la familia de los gases llamados óxidos de sulfuro. El reacciona sobre la superficie de una amplia variedad de materiales sólidos suspendidos en el aire, es soluble en agua y puede ser oxidado en combinación con el agua.

Adicionalmente este gas corroe los metales; deteriora los contactos eléctricos; el papel; los textiles; las pinturas; los materiales de construcción; y los monumentos históricos. En la vegetación provoca lesiones en las hojas y reducción en la fotosíntesis. En la atmósfera, el anhídrido sulfúrico, gas incoloro con olor picante, al oxidarse se combina con el vapor de agua produciendo ácido sulfúrico, principal componente de la lluvia ácida. Esta polución ácida puede ser transportada por el viento a muchos cientos de kilómetros, y depositada como lluvia ácida.

Esta llúvia ácida ataca al concreto, fundamentalmente al carbonato de calcio, produciendo sales fácilmente lavables y contribuyendo a la destrucción del elemento estructural.