procesos físicos, químicos y biológicos miguel a. fernández prada curso de construcción de...

Procesos físicos, químicos y biológicos

Miguel A. Fernández Prada

Curso de Construcción de Obras en Hormigón

Valencia, octubre-noviembre 2011

GENERALITAT

VALENCIANA

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ÍNDICE DE LA LECCIÓN

Procesos Físicos Fisuración Ciclos hielo-deshielo Erosión

Procesos químicos Condiciones y factores Procedencia de agentes agresivos externos Tipos de reacción química Reacciones de disolución Reacciones expansivas

Procesos biológicos

Procesos Físicos Fisuración Ciclos hielo-deshielo Erosión

Procesos químicos Condiciones y factores Procedencia de agentes agresivos externos Tipos de reacción química Reacciones de disolución Reacciones expansivas

Procesos biológicos

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PROCESOS FÍSICOSFisuración

MECANISMOS QUE ORIGINAN DEFORMACIONES

Movimientos generados en el interior del hormigón

Causan fisuración si el movimiento está impedido

La coacción puede ser global o local (una armadura)

Ejemplos:

•Retracción por secado

•Expansión o contracción térmicas

•Asentamiento plástico

Expansión del material embebido en el hormigón

Por ejemplo la corrosión de armaduras o la reacción árido-álcali

Condiciones impuestas

Asientos diferenciales

Cargas

✎ Causas

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Anteriores al endurecimiento

Plásticas

Movimientos durante ejecución

Heladas tempranas

Químicas

Físicas

Térmicas

Estructurales

Retracción plásticaAsentamiento plástico

Movimiento del encofradoMovimiento de la sub-base

Áridos con retracciónRetracción de secadoAfogarado

Corrosión del aceroReacción árido-álcaliCarbonatación del cemento

Ciclos hielo-deshieloVariaciones térmicas estacionalesContracción térmica temprana

Sobrecarga accidentalFluenciaCargas de cálculo

Posteriores al endurecimiento

✎ Clasificación

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Contracción térmica temprana

Corrosión

Retracción plástica

Asentamiento plástico

Retracción de secado

Reacción árido-álcali

Cargas

1 hora 1 día 1 semana 1 mes 1 año 50 años

✎ Temporalización

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✎ Fisuras intrínsecas

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Tipo de fisura Asentamiento plásticoOrigen Exceso de exudaciónSoluciones Reducir exudación o revibrarEdad De 10 minutos a 3horas

ASENTAMIENTO PLÁSTICO


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Fisuración longitudinal siguiendo la armadura (losas o vigas)

Exudación

Asiento del hormigón

Desplazamiento de agua de amasado a la superficie

Coacción de las armaduras o encofrados

Fisuración marcando los estribos (pilares)

Fisuración horizontal por escasa separación entre armaduras. LAMINACIÓN.

Combinado con hielo o corrosión riesgo de desprendimiento del recubrimiento

✎ Fisuras intrínsecas ASENTAMIENTO PLÁSTICO

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Tipo de fisura Retracción plástica

OrigenSecado rápido (E)

Barras cerca de la superficie (F)Soluciones Cuidar el curado las primeras horasEdad De 30 minutos a 6 horas

RETRACCIÓN PLÁSTICA


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RETRACCIÓN PLÁSTICASe produce cuando la pérdida de agua por evaporación excede la

cantidad de agua aportada por exudación

Activación de fuerzas capilares Disminución de volumen

Posible coacción por parte del árido grueso o las armaduras

La resistencia a la tracción es aún muy débil

Propio de elementos superficiales (losas)

Fisuras preferentemente superficiales (2 a 3 mm en superficie)


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Tipo de fisura Origen térmico

OrigenGradientes térmicos a edades tempranas (G)Altos gradientes de temperatura (H)

Soluciones Reducir calor / aislarEdad De 1 día a 2-3 semanas

TÉRMICAS


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TÉRMICASGradiente térmico por calor de hidratación durante el fraguado

t1

A’

t0

fisura

A A

A’

temperaturas

t1

t0A

A’

tensiones

compresiones

tracciones

Línea de tensión nula

Se suelen producir en elementos de cierto espesor

Se trata de fisuras superficiales “en mapa”

Normalmente tienen pocos mm o cm de profundidad


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TÉRMICAS

Movimientos térmicos a edades tempranas


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TÉRMICAS

T2

T1

fisuras

Variaciones térmicas en servicio


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Tipo de fisura Retracción a largo plazo

OrigenJuntas ineficaces.Retracción excesiva (curado ineficaz)

Soluciones Mejorar curado. Reducir contenido de aguaEdad Varias semanas. Varios meses

RETRACCIÓN A LARGO PLAZO


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RETRACCIÓN A LARGO PLAZO

Disminución de volumen provocada por la desecación

Generación de tensiones por coacciones o condiciones de apoyo

Condiciones de secado variables con la profundidad:

RETRACCIÓN DIFERENCIAL

Fisuración superficial similar a la generada por variaciones térmicas

La mayor parte de las deformaciones por retracción se producen a edades tempranas (semanas o algunos meses)

Descensos de humedad relativa aumentan las deformaciones por retracción

Aumentos de humedad relativa puede revertir el proceso y producirse cierto aumento de volumen

Estos movimientos pueden ser causa de movimientos a largo plazo con desarrollos de fisuras a cualquier edad de la estructura.


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Tipo de fisura Afogarado

OrigenEncofrado impermeable (J)

Exceso de fratasado (K)Soluciones Mejorar curado y acabadoEdad De 1 a 7 días

AFOGARADO


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Tipo de fisura Corrosión de armaduras

OrigenFalta de recubrimiento (L)

Exceso de cloruro cálcico (M)Soluciones Corregir defectos señaladosEdad Más de 2 años

CORROSIÓN DE ARMADURAS


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Tipo de fisura Reacción árido-álcaliOrigen Áridos reactivosSoluciones Corregir defectos señaladosEdad Más de 5 años

REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI


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FISURAS ESTRUCTURALES

Producidas por la actuación de cargas directas

Con las armaduras resultantes de un correcto armado en condiciones de rotura y los recubrimientos adecuados, la fisuración será relativamente pequeña bajo cargas de servicio (menor que 0’5 mm)

Por el contrario, fisuras muy abiertas suelen indicar fallos de diseño, errores de cálculo o haber infravalorado o despreciado alguna posible combinación de cargas (p.e., los asientos diferenciales)

Más habitual suele ser la aparición de fisuras por efectos locales

Fisuración debida a tensiones de adherencia

Posible fallo por longitud de anclaje escasa

Anclaje de armadura activa

Fisuración producida por cargas concentradas

Ausencia o escasez de armadura de difusión

✎ Fisuras extrínsecas

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GEOMETRÍA DE LA ESTRUCTURA

Los cambios bruscos tanto de cantos como de sección transversal favorecen la fisuración por asentamientos plásticos (losas nervadas, secciones en cajón o losas alveoladas)

La fisuración por variaciones térmicas o retracción está condicionada por el grado de coacción tanto externa como interna

COMPOSICIÓN DEL HORMIGÓN Influye, principalmente sobre las fisuras por asentamiento o retracción

plástica (dependientes de la exudación)

Para reducir la exudación:

Selección adecuada de la granulometría de los áridos

Elección de cementos de adición

Utilizar plastificantes

✎ Parámetros que intervienen en la fisuración

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DISPOSICIÓN DE ARMADURASLas armaduras (los estribos en las vigas) suelen determinar el inicio de

fisuras, tanto intrínsecas (por asentamiento o retracción plástica) como extrínsecas

Las disposición de fisuras alineadas con las armaduras favorece ciertos procesos agresivos (corrosión)

La fisuración puede sobrevenir por la existencia de fuertes cargas concentradas relacionadas con la disposición de armaduras:

Zonas de doblado de armaduras con pequeños radios

En los puntos de corte de las armaduras

En la zona de solapos

Por escasez de longitudes de anclaje

En la zona de anclaje de armaduras activas

Factores condicionantes son el recubrimiento y las separaciones entre armaduras


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EJECUCIÓN Y CURADOLa ejecución determina la homogeneidad y uniformidad del hormigón y la

correcta ubicación de las armaduras

Una correcta puesta en obra garantiza la obtención de valores adecuados para los parámetros básicos de durabilidad :

Recubrimiento de las armadura

Calidad de la capa superficial del hormigón

La fisuración que aparece durante el proceso de ejecución es causa principal para favorecer el desarrollo de procesos agresivos que dependen del contacto con el agua u otras substancias agresivas


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PROCESOS FÍSICOSCiclos hielo-deshielo

EN CONDICIONES DE SATURACIÓN TOTAL

Aumento del volumen de agua (9%)

Generación de tensiones

Abertura de fisuras

Fisura

✎ Mecanismos de deterioro

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Distinta temperatura de congelación

Existencia de agua congelada y agua líquida

Aumento de la presión osmótica por difusión de sales

Transporte de agua:

Hacia el exterior (evaporación)

Hacia otras zonas

SATURACIÓN LOCAL CIRCULACIÓN IRREVERSIBLE

Riesgo añadido en ciclos hielo-deshielo y aporte externa de humedad

Aparición de nuevas fisuras Nuevas vías de entrada de agua

Hormigón saturado

✎ Mecanismos de deterioro EN CONDICIONES DE SATURACIÓN PARCIAL

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Factores

CONTENIDO MÁXIMO DE HUMEDAD PARA QUE NO SE PROVOQUE DETERIORO POR

CONGELACIÓN

Edad del hormigón

Distribución de poros (incluso aire ocluido artificialmente)

Condiciones ambientales

Velocidad de enfriamiento

Existencia de ciclos alternativos de hielo-deshielo

Posibilidades de desecación entre ciclos

SEGÚN C.E.B. G.C.S.=85%

✎ Grado crítico de saturación

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Disminución de la temperatura de congelación

FUSIÓN del hielo superficial

Aporte exterior de energía

CALOR

Enfriamiento de la capa superficial

Aparición de tensiones superficiales

Congelación del agua en la capa superficial

Difusión de sales hacia el interior

Def

orm

ació

n de

l hor

mig

ón

Profundidad

✎ Utilización de fundentes

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SITUACIÓN TRAS APORTAR FUNDENTES

Capa helada

Agua

Capa helada

Temperatura ºC 0

Pro

fund

idad

Temperatura del hormigón

Conc

entra

ción

de

sale

s fu

nden

tes

Capa helada

Capa helada

Temperatura ºC 0

Pro

fund

idad

Punto de congelación

Temperatura del hormigón

Conc

entra

ción

de

sale

s fu

nden

tes

Expansión de la capa intermedia impedida

Degradación por exfoliación de escamas superficiales

Punto de congelación

BAJADA DE TEMPERATURA

RIESGO GRAVE DE CORROSIÓN

✎ Utilización de fundentes

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Tamaño de poros más uniforme

La susceptibilidad a la helada se mide por la absorción

RANGO DE TEMPERATURAS DE HELADAS MENOR

Árido de alta absorción RIESGOS

Aumento de volumen del árido

El árido absorbe el agua

Se expande

Destrucción de la pasta de cemento

Desprendimientos y microfisuras

✎ Influencia de los áridos

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COMPOSICIÓN DEL HORMIGÓNPresencia de aire ocluido

Cuando existe aire ocluido la pérdida de peso es un 10-20% de la correspondiente al mismo hormigón sin aire ocluido

Es muy importante el espaciamiento entre burbujas, que debe ser menor de 0’2 mm para que sea eficaz

Si se disminuye la fracción de árido grueso hay que aumentar el contenido de cemento y aire ocluido

Relación a/c y contenido de cementoP

érdi

da r

elat

iva

de

peso

(%

)

a/c

✎ Factores principales

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CONDICIONES AMBIENTALES

La existencia de desecaciones (incluso ligeras) antes de la helada es un factor determinante

Si hay desecación no importa mucho la relación a/c ni el contenido de aire ocluido

La evaporación es posible incluso con humedades relativas en el ambiente del 97%

La influencia de la dosificación sólo es relevante en condiciones de saturación del hormigón

Pér

dida

rel

ativ

a de

pes

o (%

)

Secado previocon sin

H.R. 97%

Pér

dida

rel

ativ

a de

pes

o (%

)Secado previocon sin

Saturación


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EDAD DEL HORMIGÓN

A mayor edad

Más agua hidratada

Más resistencia

Más huecos MAYOR RESISTENCIA A LA HELADA

Resistencia mínima del hormigón de 5 MPa para evitar daños por heladas prematuras

En hormigones convencionales (30 MPa) de endurecimiento normal, se alcanzan 5 MPa en 1 ó 2 días

Pér

dida

rel

ativ

a de

pe

so (

%)

Edad (días)1 3 28


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ACI

Recomendaciones para hormigones expuestos a combinación de humedad y heladas cíclicas:

Diseño de la estructura para minimizar la exposición a la humedad

Baja relación agua/cemento

Oclusión de aire adecuada

Materiales de calidad

Curado adecuado antes del primer ciclo de congelación

Impedir la saturación: Evitar superficies horizontales

Drenaje adecuado para evitar circulación de agua indiscriminada

Relaciones a/c en hormigones normales no superiores a: Secciones delgadas y hormigones expuestos a sales de deshielo: 0,45

Resto de estructuras: 0,5

✎ Medidas de prevención

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DINÁridos resistentes

Hormigones impermeables: Elementos de espesor entre 10 y 40 cm profundidad de penetración

no mayor de 50 mm

Relación a/c no mayor de 0,6

CEBEn caso de heladas en ambiente seco

Relación a/c inferior a 0,6

Cemento mínimo 270 kg/m3

En caso de heladas con ambiente muy húmedo Relación a/c inferior a 0,55

Cemento mínimo 370 kg/m3

Adición de aire ocluido

Cantidad de aire ocluido En función de la severidad del ataque (3,5 en Europa Central - 5,5%

en Europa septentrional)

Con ataques severos no menos del 5%

Sí el TMA es menor del 32 aumentar el aire ocluido


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PROCESOS FÍSICOSErosión

ABRASIÓNDeterioro producido por desgaste de la superficie del hormigón

Causas

Tráfico peatonal

Acción de llantas en pavimentos

Impactos

Partículas pesadas en suspensión en el agua

Estructuras con riesgo de erosión por abrasiónObras hidráulicas (embalses, obras de encauzamiento)

Obras marítimas (diques)

Carreteras (pilas de puentes)

Desgaste de por neumáticos de coche


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ABRASIÓN


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CAVITACIÓN

Deterioro de la superficie del hormigón por estallido de burbujas de aire

Disminución de la presión

CREACIÓN DE BURBUJAS

Desplazamiento de las burbujas

Fluido

Picado por cavitación

Aumento de la presión

ESTALLIDO DE BURBUJAS


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CAVITACIÓN


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CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTICULASForma

Cantidad

Dureza

FLUJO DE AGUA

CARACTERÍSTICAS DEL HORMIGÓN

RESISTENCIA A COMPRESIÓN

Relación a/c por debajo del 0,5 mejora la resistencia a la erosión

Naturaleza y granulometría de los áridos (cuarzo, basaltos, diabasas)

El cemento es más susceptible de erosionarse que los áridos (no sobrepasar un determinado nivel)

Porosidad. No superar el 3% de aire ocluido

Grado de hidratación. Conseguir el máximo grado de hidratación. Cuidar el CURADO


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ACI (mejorar la resistencia superficial)Evitar la segregación

Eliminar la exudación

Minimizar la relación a/c en la superficie

Curado adecuado

CEB

La capa superficial de mortero debe ser fina y exenta de fisuras gracias a un buen curado

Mortero de elevada resistencia

DIN

Resistencia mínima 35 MPa

Contenido de cemento no demasiado alto (no mayor de 350 kg/m3)

Árido fino cuarcítico o de dureza similar


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PROCESOS QUÍMICOSCondiciones y factores

Los materiales componentes del hormigón son susceptibles de degradarse

Durabilidad determinada por la descomposición del hormigón como resultado de una reacción química

Condiciones: Transporte Presencia de agua

Factores: Características del hormigón Compuestos hidratados del cemento Reactividad de los áridos Agentes agresivos: tipos y cantidades Condiciones ambientales Condiciones de la interacción

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PROCESOS QUÍMICOS Procedencia de agentes agresivos externos

De gases de combustiones y de procesos industriales

p.e.: ácidos, SO2 , CO2

con humedad forman disoluciones agresivas

De los suelos

p.e.: compuestos solubles (Na2SO4 , CaSO4)

Del agua

pura, con CO2, de mar, industrial, residual

Principal agente agresivo: el AGUA directamente como vehículo de transporte

es el desencadenante

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PROCESOS QUÍMICOS Tipos de reacción química

Reacciones de disolución de las fases cálcicas de la pasta de cemento aguas puras aguas carbónicas ácidos sales: amónicas, magnésicas

Reacciones expansivas con agentes externos (sulfatos) entre áridos y compuestos de hidratación (álcali-árido)

La REACCIÓN: se inicia al contactar la sustancia agresiva con la sustancia reactiva los efectos se manifiestan al cabo de años velocidad de reacción condicionada por velocidad de transporte mayor velocidad de reacción si la solución fluye

La ACCESIBILIDAD de la sustancia reactiva está determinada por: permeabilidad del hormigón sano capa pasivante de los productos de reacción

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PROCESOS QUÍMICOS Reacciones de disolución

Conversión de los compuestos cálcicos de hidratación(hidróxido cálcico, silicato cálcico hidratado y aluminato cálcico hidratado)

en sales cálcicas del ácido actuante (solubles)p.e.: HCl CaCl2

H2SO4 CaSO4

Su agresividad depende del pH y de la cantidad de sustancia en contacto con el hormigón

Mayor velocidad de reacción a mayor solubilidad de la sal cálcica

Se destruye la estructura del cemento endurecido (sist. de poros)

✎ Ataque por ácidos

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✎ Ataque por ácidos: Efectos

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Las sales magnésicas y amónicas: reaccionan como sus ácidos equivalentes

p.e. NH4Cl, como HCl

Las aguas puras: actúan como disolvente de los compuestos hidratados

Ca(OH)2 + H2O ------- Ca(OH)2 + H2O Ca2+ + 2OH- sólido disuelto

Las aguas carbónicas: disolución del Ca(OH)2 y precipitación de compuestos cálcicos

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2

insoluble soluble

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O sólido

✎ Ataque por sales y aguas

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PROCESOS QUÍMICOS Reacciones expansivas

Sulfatos: origen diverso áridos suelo agua

Sólo atacan a ciertos componentes los iones sulfato reaccionan con C3AH

se forma ettringita (sal poco soluble y expansiva)

✎ Ataque por sulfatos

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Disoluciones de CaSO4

3CaO·Al2O3·6H2O + 3(CaSO4·2H2O) + 19H2O 3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

ettringita (sal de CANDLOT)

Disoluciones de Na2SO4

Ca(OH)2 + Na2SO4 + H2O --- CaSO4 + 2Na+ + OH- CaSO4·2H2O

yeso secundario (expansivo)el yeso secundario reacciona con C3AH

Disoluciones de MgSO4

Ca(OH)2 + Mg2+ + H2O Mg(OH)2 (brucita, capa protectora)

sólido

Ca(OH)2 + SO42- + H2O CaSO4 + H2O CaSO4·2H2O

sólido yeso secundario (expansivo)

el yeso secundario reacciona con C3AH

si Mg2+ en disolución, puede darse sustitución de Ca2+ por Mg2+ en CSH,

perdiendo éste su carácter aglomerante


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Acción de SO2 atmosférico

SO2 + ½O2 SO3 SO3 + H2O H2SO4 (lluvia ácida)

H2SO4 + Ca(OH)2 CaSO4·2H2O yeso secundario (expansivo)

Acción de agua de mar (presencia de iones SO42-, Mg2+, Cl-, Na+, ..., CO2)

CO2: Ca(OH)2 + CO2 + H2O CaCO3 + 2H2O (calcita-aragonito)

colmata la superficie

Mg2+: sustitución de Ca2+

brucita (forma costra)

SO42- : reacciona con Ca2+ liberado por Mg2+,, dando yeso secundario

(expande, reacciona con C3A dando ettringita)

Cl-: 3CaO·Al2O3·6H2O + CaCl2 + 4H2O 3CaO·Al2O3· CaCl2 ·10H2O

(sal de Friedel)

atenuante del ataque por sulfatos


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Sustancias agresivas: Na+, K+

Sustancias reactivas: los áridos

Tipos de reacción álcali-sílice (sílice amorfa) álcali-silicato (silicatos polifásicos) álcali-carbonato (carbonatos dolomíticos)

✎ Ataque por álcalis

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Reacción álcali-sílice

SiO2 + 2NaOH + nH2O Na2SiO3·nH2O (gel de silicato alcalino, expansivo)


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Reacción álcali-silicato

reacción entre álcalis y un precipitado interlaminar de los filosilicatos

los filosilicatos captan agua y expanden

Reacción álcali-carbonato

no produce expansión

1º: desdolomitización:

CaMg(CO3)2 + 2NaOH Mg(OH)2 + CaCO3 + Na2CO3

2º: regeneración de hidróxido alacalino:

Na2CO3 + Ca(OH)2 2NaOH + CaCO3

zona porosa alrededor del árido por extracción de Mg2+

se debilita unión pasta-árido

entrada de agua (absorción por arcillas: expansiones)

la brucita puede reaccionar con sílice (silicatos de Mg no aglomerantes)


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Disolución de los poros: diferencia entre el agua necesaria para el amasado y la consumida en la hidratación total del cemento (a/c 0,24 aprox.)

Contenido de alcalinos en la disolución:se recomienda:

limitar [%Na2O + 0,658(%K2O)] a 0,6 máximo en cemento

contenido total < 3 kg/m3

Contenido de componentes reactivos en los áridos:

sílice reactiva y dolomitas

contenido mínimo de árido reactivo para que se produzca expansión

con un 35% de exceso no se produce expansión

contenido pésimo de árido reactivo

si TMA pequeño: reacción con álcalis dispersa (menor fisuración)

Condiciones ambientales:

humedad: transporte y absorción por gel; mayor incidencia en estructuras en

ambientes húmedos: presas, túneles, puentes

temperatura

✎ Ataque por álcalis: Factores que controlan la reacción

04/21/23 54

Proc

esos

físi

cos,

quí

mic

os y

bio

lógi

cos


PROCESOS BIOLÓGICOS

Vegetación:

fuerzas de expansión

retención de agua (saturación)

ataque químico

consumo de oxígeno (impide corrosión de armaduras)

en ocasiones: sellado de la superficie de hormigón

Microorganismos: ataque químico por ácidos húmicos

REDES DE ALCANTARILLADO:

Ataque ácido al hormigón

procesos físicos, químicos y biológicos miguel a. fernández prada curso de construcción de...

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