Después del agua, el concreto es el material más usado en el planeta, su producción genera un gran impacto ambiental, “cada año se producen más de 4.000 millones de toneladas de cemento, lo que representa alrededor del 8% de las emisiones mundiales de CO2 y es responsable del 9% de las extracciones de agua industrial en todo el mundo”¹ sumado a esto el mantenimiento de estructuras de concreto se convierte en un desafío técnico y de alto costo representando un porcentaje importante de inversión en el mundo. Ante este panorama la durabilidad de las estructuras de concreto es un reto para la industria de la construcción, dado que para ayudar a mitigar el impacto ambiental y económico que genera la producción y el mantenimiento de las estructuras de concreto, es necesario apoyarse en el uso de tecnologías que permitan producir concretos con una expectativa de vida útil más prolongada, concretos que requieran menos mantenimiento e intervención durante su construcción y puesta al servicio.
El ACI 201 indica que un concreto durable conservará su forma, calidad y serviciabilidad originales al estar expuesto al ambiente, así mismo dice que para que en el concreto se produzcan la mayoría de los procesos físicos y químicos, tanto los deseables como los perjudiciales, se necesita agua. Es por lo que, seleccionar materiales apropiados cuya composición sea adecuada y procesarlos correctamente de acuerdo con las condiciones ambientales existentes es fundamental para lograr un concreto durable que sea resistente a los efectos perjudiciales del agua, las soluciones agresivas y las temperaturas extremas².
Según la Real Academia de la Lengua Española, la palabra permeabilidad es la cualidad de ser permeable, y permeable viene del latín tardío permeabĭlis 'penetrable' que quiere decir “que puede ser penetrado o traspasado por el agua u otro fluido”. Un material será permeable cuando contenga espacios interconectados (porosidad) con la capacidad para permitir el paso de fluidos o gases a través de su estructura. El concreto por naturaleza es un material poroso y existen diferentes tipos de porosidad dentro de su matriz:
- Porosidad abierta, es la que se refiere a los poros conectados con el exterior ³.
- Porosidad permeable, parte de la porosidad abierta que corresponde a los poros intercomunicados entre sí, permitiendo el paso de agua al interior del concreto³.
- Porosidad superficial en fondo de saco, corresponde a una parte de la porosidad abierta, cuyos poros no están comunicados entre sí³.
- Porosidad cerrada, incluye los poros no conectados con el exterior³.
Gráfico 1. Tipos de porosidad.
Fuente: Gómez, Juan. “Identificación y Cuantificación de Algunos Factores en la Permeabilidad de Concretos”. Tesis de Maestría. Universidad Nacional de Colombia. 2008
La porosidad permite que cuando el concreto esté en permanente contacto con agua, sea susceptible a ser atravesada por diferentes mecanismos de transporte como la permeabilidad, difusión, absorción y migración.
Otros factores que inciden en la permeabilidad del concreto además de la porosidad son: la relación agua/material cementante, el diseño de la mezcla, la colocación, la consolidación y el curado del concreto.
Con la evolución de la tecnología del concreto se ha buscado por medio de diferentes tipos de aditivos o adiciones “reducir” la permeabilidad del concreto ya que, como menciona el ACI, existe una relación directa entre la durabilidad y la permeabilidad del concreto y aunque no es el único factor que incide en la durabilidad de este, si es determinante, puesto que las patologías más comunes y las que más afectan al concreto armado están relacionadas con la presencia de agua. El término “concreto impermeable” no es correcto ya que el concreto como tal es un material de naturaleza porosa y para que fuera un material 100% impermeable tendría que estar libre de poros, cosa que es imposible, técnicamente hablando, lo adecuado es referirse concretos de baja permeabilidad y el Comité 212 del American Concrete Institute (ACI) define que los aditivos reductores de permeabilidad (PRAs) se puede clasificar en dos categorías:
- Los PRAN Permeability Reducing Admixture for Non‐Hydrostatic Conditions): “Aditivos reductores de la permeabilidad en condiciones de NO presión hidrostática”. Estos materiales reducen la absorción de agua bajo condiciones no hidrostáticas
- Los PRAH (Permeability Reducing Admixture for Hydrostatic Conditions): aditivos reductores de la permeabilidad en condiciones de presión hidrostática”, se pueden probar mediante ensayos de Permeabilidad.
Dentro de los PRAs las tecnologías que existen para obtener concretos de baja permeabilidad son:
- Densificación del concreto (PRAN): por medio del uso de adiciones como cenizas volantes, escorias de alto horno, humo de sílice o puzolanas naturales, las cuales son de menor tamaño que las partículas de cemento y actúan como densificadores dentro de la matriz del concreto, reduciendo el tamaño de los poros y restringiendo el paso del agua a través de estos.
Densificación del concreto.
Crédito: Cortesía Euclid Chemical - Toxement
- Químicos repelentes de agua o hidrofóbicos (PRAN): constituidos o basados en jabones y derivados de cadenas largas de ácidos grasos, aceites vegetales (materiales derivados de soya y grasas), petróleo (aceite mineral, ceras parafinadas y emulsiones bituminosas). Estos materiales suministran unas capas repelentes al agua a lo largo de los poros del concreto los cuales permanecen físicamente abiertos.
Capa hidrofóbica.
Cortesía Euclid Chemical - Toxement
- Inclusores de aire (PRAH): Por medio del uso de aditivos que incorporan intencionalmente micro burbujas de aire a la mezcla generando un bloqueo de poros dentro de la matriz de concreto.
Bloqueo de poros por inclusión de aire.
Cortesía Euclid Chemical - Toxement
- Aditivos de impermeabilización por cristalización.(PRAH): El proceso de impermeabilización por saturación del sistema capilar mediante aditivos por cristalización, se produce por migración de los activos químicos a través de dicho sistema, usando como vehículo el agua (ósmosis). Una vez que los activos químicos se encuentran en el interior del concreto, reaccionan con la cal libre formando cristales complejos insolubles y no expansivos, que bloquean los capilares y las microfisuras.
Bloqueo de poros por formación de cristales.
Cortesía Euclid Chemical - Toxement
Esta familia de materiales de características hidrofílicas desarrolla excelentes uniones o lazos con los átomos de hidrógeno, que explican la generación de cristales los cuales sellan micro-fisuras y capilares y presentan gran resistencia a la penetración de agua, resistiendo presiones hidrostáticas de 122 metros de cabeza de agua, impidiendo también el ingreso de cloro al concreto. ⁴
Para verificar la efectividad de los aditivos impermeabilizantes por cristalización se han hecho ensayos de laboratorio tanto por la academia, así como por algunos de los fabricantes de aditivos con este tipo de tecnología, a continuación, se muestran algunos de los resultados donde se evaluó el desempeño de estos aditivos en diferentes propiedades del concreto tanto en estado plástico como en estado endurecido, así como su desempeño a diferentes condiciones:
Propiedades en estado plástico
En términos generales no se observan diferencias significativas en las propiedades en estado fresco; sin embargo, en algunos casos, estas pueden variar dependiendo de las características del material cementante.
Propiedades en estado endurecido
Los ensayos muestran que los concretos elaborados con un aditivo impermeabilizante por cristalización aumentaron su resistencia a la compresión alrededor del 8%. En cuanto a la resistencia a la flexión se muestra un aumento alrededor del 6%. Estos resultados pueden variar dependiendo de las características del material cementante y diseño de mezcla.
Tanto en estado fresco como en estado endurecido no se evidencian cambios significativos versus una muestra patrón sin aditivo impermeabilizante por cristalización.
Ensayos de desempeño
Ensayo de Permeabilidad, CRD C48-92. (Método estándar para probar la permeabilidad del concreto al agua.)
El ensayo se hizo en muestras (15.2 cm x 15.2 cm) que no mostraron ninguna filtración de agua. Las muestras se probaron durante 14 días bajo una presión de 200 psi (138 m.c.a [13.8 bar]). Se obtuvo una reducción de más del 70% en comparación con las muestras de control.
Penetración de Agua, DIN 1048.
Las muestras (15.2 cm x 15.2 cm) mostraron una penetración de agua de hasta de 22 mm cuando se probaron durante 72 horas bajo una presión de 72 psi (50 m.c.a [5.0 bar]). Esto supone una reducción del 40% en comparación con la muestra de control.
Absorción capilar e índices de vacíos permeable
Ensayos hechos por la academia han mostrado que los aditivos de impermeabilización por cristalización mejoran características relacionadas con la permeabilidad del concreto como la absorción capilar, que se mide con la norma ASTM C 1585 -Método de ensayo normalizado para medir el ritmo de absorción del agua en concreto de cemento hidráulico-, en donde se observó que “a la edad de 180 días los concretos con aditivo presentan una disminución del índice de absorción capilar del orden de 40% con respecto al medido en las mismas probetas a 28 días”⁵, lo que evidencia que el proceso de formación de cristales continua y aumenta con el tiempo, disminuyendo la absorción capilar. De igual manera cuando se hizo la medición del índice de vacíos permeables bajo la norma ASTM C642 -Método estándar para medir la densidad, absorción y vacíos en concreto endurecido-, se demostró, que “a la edad de 180 días, los concretos con aditivo presentan un índice de vacíos menor que los concretos patrones, se aprecia una disminución del índice de vacíos permeables del orden de un 30% menor” ⁵. Estos dos resultados evidencian una disminución en la porosidad del concreto y por lo tanto un mayor desempeño a la entrada de agentes solubles que como se mencionó anteriormente son los mayores causantes de patologías en el concreto.
Reacción álcali agregado
Una de las condiciones para que se dé la reacción álcali agregado, es que exista humedad dentro de la matriz del concreto, como se evidencia en los ensayos mencionados anteriormente, los aditivos de impermeabilización por cristalización, disminuyen la permeabilidad del concreto, la profundidad de penetración del agua, la absorción capilar y el índice de vacíos permeables, razón por la cual ensayos realizados por la academia muestran que los aditivos de impermeabilización por cristalización mejoran el desempeño del concreto ante ataques internos como las recciones de los álcalis del cemento con agregados pétreos reactivos (reacción álcali –agregado)⁵. Se confeccionan dos morteros según las especificaciones de la norma ASTM C441 y se observó que los especímenes con el aditivo de impermeabilización por cristalización, presentaron menos expansión que los especímenes de mortero patrón, “a la edad de 180 días el mortero con el aditivo presenta una expansión que representa un 50% menos de la expansión observada en las probetas de mortero patrón”.⁵
Autosellado de microfisuras
Un concreto elaborado con aditivos de impermeabilización por cristalización, se puede clasificar como “Concreto de Ingeniería Autorreparable (EShC), es un tipo de concreto que tiene la capacidad de curar de manera autónoma las grietas dentro de su matriz hasta cierto nivel, mediante la incorporación de diversas sustancias; aumentado su vida útil. Este fenómeno de curación autógena es el resultado de la composición química y / o física de la matriz cementosa y solo es eficaz para pequeñas grietas de hasta 200 μm” ⁶
El fenómeno de auto-sellado de microfisuras en concreto, con aditivos de impermeabilización por cristalización, ocurre usualmente entre dos superficies opuestas fracturadas, en donde debe existir: formación de calcio (Carbonato de Calcio ó Hidróxido de Calcio), agua y los químicos activos del aditivo, entre estos tres elementos reacciona entre sí formando cristales dentro de las fisuras sellándolas progresivamente.
Se hicieron las pruebas de autosellado de fisuras en laboratorios de fabricante de tecnología con el objetivo de verificar el desempeño de los aditivos de impermeabilización por cristalización baja el volumen 43 asunto 5 “Prueba técnica innovadora para evaluar el "autosellado" del concreto”. La metodología usada consistió en hacer especímenes de concreto con y sin aditivo; inducir fisuras controladas en cada espécimen; hacer las pruebas para verificar el autosellado, con un equipo de auto-sellado diseñado bajo sistema de hidrostático de presión, donde se sometieron a flujo constante y por gravedad hasta por 5 días y finalmente analizar los resultados.
Los resultados observados fueron los siguientes:
- A los 4 días el testigo redujo el flujo en un 25% y la muestra con aditivo un 75%
- A los 5 días el testigo redujo el flujo en un 60% y la muestra con aditivo un 90%
Estos resultados demuestran la efectividad del autosellado de microfisuras en concretos elaborados con aditivos de impermeabilización por cristalización y como esta característica puede mejorar el desempeño, de un concreto con esta tecnología, ante condiciones como flujo constante de agua.
Fotos comparativas del proceso de autosellado de fisuras en el concreto con y sin aditivo de impermeabilización por cristalización. Las fotos a, b y c muestran la red cristalina formada en las microfisuras en espedímenes con aditivo de impermeabilización por cristalización. Las fotos d, e y f muestran testigos sin aditivo.
Crédito: Cortesía Euclid Chemical Toxement
Comparando diferentes tecnologías para reducir la permeabilidad en el concreto
En los laboratorios de fabricante de tecnología se hicieron pruebas en concretos para comparar como es el desempeño de las diferentes tecnologías que existen en el mercado colombiano para reducir la permeabilidad en el concreto. Se elaboraron especímenes de concreto con una relación agua/material cementante de 0,6, de los cuales se sacaron los siguientes tipos de concretos: Testigo (concreto sin ningún aditivo), concreto con inclusor de aire, concreto con un aditivo repelente de agua o hidrofóbico y concreto con aditivo de impermeabilización por cristalización. Se evaluaron los siguientes parámetros:
- Resistividad: Como indica la Ley de Ohm, la resistividad es una propiedad volumétrica del material e indica su resistencia al paso de las cargas eléctricas. Cuanto mayor es la resistividad menor es la porosidad del hormigón y mayor su resistencia mecánica, al tener más fase sólida por volumen⁷.
- Penetración al Ion Cloruro: la difusión de iones cloruro C⁻ en los poros del concreto llenos o parcialmente llenos de agua, producen penetración y concentración de cloruros que aceleran la corrosión del acero de refuerzo⁸.
- Permeabilidad: se hizo por medio de un equipo de columna de agua que ejerce una presión hidrostática sobre los especímenes de concreto y posteriormente se mide la penetración de agua, validando los resultados con La Norma Técnica Colombiana NTC 4483 que establece los criterios de desempeño para los concretos dependiendo el grado de permeabilidad.
Los resultados de estas pruebas fueron los siguientes:
Pruebas comparativas entre distintos tipos de tecnologías para disminuir la permeabilidad en el concreto
Crédito: Cortesía Euclid Chemical Toxement
Como se puede observar en todas las evaluaciones el concreto con aditivo de impermeabilización por cristalización tiene un desempeño mayor que los concretos hechos con aditivos inclusores o aditivos repelentes de agua y estas dos últimas tecnologías tienen desempeños similares ante las diferentes pruebas.
Fuentes
- Articulo: “El hormigón: el material más destructivo de la Tierra” 2019. https://ovacen.com/hormigon-material-destructivo-tierra/#:~:text=Los%20n%C3%BAmeros%20son%20impresionantes!,de%20China%20y%20Estados%20Unidos
- Análisis físico químico de elementos de concreto sometidos a corrosión y sulfatación generados por contaminantes químicos en la industria textil. Gabriel Fernando Franco Melgarejo y John Jairo Rios Infante. Universidad de La Salle, Bogotá- 2017
- Gómez, Juan. “Identificación y cuantificación de algunos factores en la permeabilidad de concretos”. Tesis de Maestría. Universidad Nacional de Colombia. 2008.
- Reporte sobre Aditivos Químicos Para el Concreto, elaborado por el Comité 212 del ACI.
- Jacques Phillipes Bornand Araya. “Evaluación del desempeño de aditivos impermeabilizantes por cristalización como agentes promotores de la durabilidad del hormigón confeccionado con cementos pórtland puzolánicos” Tesis de Pregrado. Universidad De Chile, Facultad De Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento De Ingeniería Civil.
- Carola Edvardsen, "Permeabilidad al agua y curación autógena de grietas en el hormigón",ACI Mater. J.,vol. 96, no. 4, julio de 1999
- Revista ALCONPAT, Volumen 1, Número 2, Mayo-Agosto 2011, Páginas 93 - 101
- Durabilidad y Patología del Concreto. Diego Sánchez de Guzmán. Asocreto 2013.