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Guía para la Durabilidad del Hormigón ACI_201_2R_01

Guía para la selección de productos - fcearcelormittalcom

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ara la Durabilidad del Hormigón ACI_201_2R_01

Description

ACI 201

Guía para la Durabilidad del Hormigón Informado por el Comité ACI 201 Robert C

O'Neill Presidente W

Barry Butler Joseph G

Cabrera* Ramon L

Carrasquillo William E

Bernard Erlin Per Fidjestøl Stephen W

Forster Clifford Gordon Roy Harrell Harvey H

Haynes Eugene D

Charles J

Hookham R

Doug Hooton Allen J

Hulshizer

Russell L

Hill Secretario

Donald J

Janssen Roy H

Keck Mohammad S

Khan Paul Klieger* Joseph L

Lamond Cameron MacInnis Stella L

Marusin Bryant Mather Mohamad A

Neal Charles K

Nmai William F

Perenchio Robert E

Price* Jan R

Prusinski

Hannah C

Schell James W

Schmitt Charles F

Scholer Jan P

Skalny Meter Smith George W

Teodoru Niels Thaulow Michael D

Thomas J

Derle Thorpe Paul J

Tikalsky Claude B

Trusty David A

Whiting* J

Craig Williams Yoga V

Yogendran

Palabras Clave:

relación agua-materiales cementicios

TABLA DE CONTENIDOS Introducción,

La intención de los Informes,

Guías,

Prácticas Normalizadas y Comentarios de los Comités ACI es proveer lineamientos para la planificación,

ejecución e inspección de las construcciones y para la redacción de especificaciones

Este documento debe ser utilizado por personas competentes para evaluar el alcance y limitaciones de su contenido y recomendaciones y que acepten responsabilidad por la aplicación del material que contiene

ACI deslinda cualquier responsabilidad por los principios expuestos

El Instituto no será responsable por ningún daño o pérdida que surja como consecuencia de los mismos

La Documentación Técnica no deberá hacer referencia a estos documentos

Si el Arquitecto/Ingeniero desea incorporar algún elemento de estos documentos como parte de la Documentación Técnica,

estos elementos se deberán redactar en lenguaje preceptivo e incorporar a la Documentación Técnica

Capítulo 1 − Congelamiento y deshielo,

2R-10 2

2R-01 supersede a la norma ACI 201-2R-92 (aprobada nuevamente en 1997) y entró en vigencia el 6 de Setiembre de 2000

Copyright © 2001,

American Concrete Institute

Todos los derechos reservados

3 − 2

4 − 2

5 − 2

INFORME DEL COMITÉ ACI 201

Ataque físico por sales Exposición al agua de mar Ataque por ácidos Carbonatación

Capítulo 3 − Abrasión,

2R-19 3

2R-24 4

2R-31 5

2R-39 6

2R-41 7

2R-45 8

la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro

Un hormigón durable conservará su forma,

calidad y serviciabilidad originales al estar expuesto a su ambiente

Hay algunas excelentes referencias generales sobre el tema (Klieger 1982

Woods 1968)

Esta guía discute las principales causas que provocan el deterioro del hormigón y presenta recomendaciones acerca de cómo evitar estos daños

Incluye capítulos sobre congelamiento y deshielo,

exposición a agentes químicos agresivos,

reacciones químicas de los agregados,

reparación del hormigón y uso de barreras protectoras para mejorar la durabilidad del hormigón

La resistencia al fuego del hormigón y su fisuración están fuera del alcance de esta guía,

ya que estos temas se discuten en las normas ACI 216,

ACI 224R y ACI 224

En las regiones templadas,

los ciclos de congelamiento y deshielo pueden provocar severos deterioros en el hormigón

El uso cada vez más difundido del hormigón en países de clima cálido ha puesto en evidencia el hecho de que las temperaturas

GUÍA PARA LA DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

elevadas agravan los procesos químicos perjudiciales,

tales como la corrosión y las reacciones álcali-agregado

Además,

para dosificar y preparar hormigones durables se deberían considerar los efectos combinados de inviernos fríos y veranos cálidos

Para que en el hormigón se produzcan los la mayoría de los procesos físicos y químicos,

tanto los deseables como los perjudiciales,

El calor proporciona la energía que activa los procesos

Los efectos combinados del agua y el calor,

junto con otros elementos ambientales,

son importantes y deben ser considerados y monitoreados

Seleccionar materiales apropiados cuya composición sea adecuada y procesarlos correctamente de acuerdo con las condiciones ambientales existentes es fundamental para lograr un hormigón durable que sea resistente a los efectos perjudiciales del agua,

las soluciones agresivas y las temperaturas extremas

Los daños que provocan el congelamiento y el deshielo se han estudiado exhaustivamente y son fenómenos que bastante bien comprendidos

Estos daños se aceleran cuando se utilizan sales descongelantes,

particularmente en los pavimentos,

lo cual a menudo provoca descamación severa en la superficie

Afortunadamente,

los hormigones preparados con agregados de buena calidad,

bajas relaciones agua cemento (w/c),

un adecuado sistema aire-vacíos y a los cuales se permite madurar antes de exponerlos a congelamiento y deshielo son altamente resistentes a estos daños

La resistencia a los sulfatos presentes en el suelo,

el agua del suelo o el agua de mar se logra utilizando materiales cementicios adecuados y mezclas de hormigón correctamente dosificadas sujetas a un adecuado control de calidad

Debido a que el tema de la formación diferida de etringita (DEF,

según sus siglas en inglés) continúa siendo controversial y en este momento es objeto de numerosos proyectos de investigación,

este documento no contiene lineamientos definitivos respecto del mismo

Se anticipa que futuras versiones de este documento se ocuparán detalladamente de la DEF

Un hormigón de buena calidad resistirá una exposición ocasional a ácidos suaves,

pero ningún hormigón ofrece buena resistencia a los ataques por ácidos fuertes o compuestos que se convierten en ácidos

en estos casos se requiere protección especial

La abrasión puede provocar el desgaste de las superficies de hormigón

El desgaste puede ser un problema particularmente importante en los pisos industriales

En las estructuras hidráulicas,

las partículas de arena o grava presentes en el agua en movimiento

pueden erosionar las superficies de hormigón

Por lo general,

utilizando hormigón de alta calidad y,

agregados muy duros se logra una durabilidad adecuada bajo estas condiciones de exposición

Los automóviles que utilizan neumáticos con clavos provocan serios desgastes en los pavimentos de hormigón

el hormigón convencional no puede soportar estos daños

El descantillado del hormigón de los tableros de puentes constituye un problema importante

La principal causa de la corrosión del acero de las armaduras es el uso de sales descongelantes

La corrosión produce una fuerza expansiva que hace que el hormigón ubicado sobre el acero se descantille

En la mayoría de los casos,

utilizando sobre las armaduras un buen recubrimiento de hormigón y hormigones de baja permeabilidad con aire incorporado se puede asegurar una durabilidad adecuada,

pero si las condiciones de exposición son severas se requerirán mecanismos de protección positivos,

tales como el uso de armaduras recubiertas con epoxi,

protección catódica o inhibidores de la corrosión

Aunque habitualmente los agregados del hormigón se consideran inertes,

Ciertos agregados pueden reaccionar con los álcalis del cemento,

provocando expansión y deterioro

Este problema se puede aliviar seleccionando cuidadosamente las fuentes de donde se extraen los agregados y usando cementos con bajo contenido de álcalis,

puzolanas previamente ensayadas o escoria triturada

Los capítulos finales de este informe discuten la reparación de los hormigones que no han soportado las fuerzas de deterioro y el uso de barreras protectoras para mejorar la durabilidad del hormigón

El uso de materiales de buena calidad y una correcta dosificación de la mezcla no aseguran que el hormigón resultante sea durable

Para lograr hormigones durables también es absolutamente fundamental contar con un sistema de control de calidad y mano de obra calificada

La experiencia demuestra que hay dos puntos a los cuales es necesario prestar particular atención: 1) el control del aire incorporado y 2) el acabado de las losas

ACI 311

1R describe prácticas y procedimientos de inspección adecuados

ACI 302

1R describe detalladamente prácticas adecuadas para la compactación y acabado de pisos y losas

ACI 325

9R trata la instalación de pavimentos

ACI 330R discute el hormigón para playas de estacionamiento,

mientras que ACI 332R se ocupa del hormigón para uso residencial,

incluyendo el utilizado para los accesos vehiculares y demás losas

INFORME DEL COMITÉ ACI 201

CAPÍTULO 1 − CONGELAMIENTO Y DESHIELO 1

El hormigón con aire incorporado,

elaborado con materiales de buena calidad,

puede resistir ciclos de congelamiento y deshielo durante muchos años

Sin embargo,

bajo condiciones extremadamente severas,

los ciclos de congelamiento y deshielo pueden dañar aún los hormigones de alta calidad si éstos se mantienen en un estado de saturación prácticamente total

Esta situación puede ocurrir cuando un elemento de hormigón está expuesto a aire cálido y húmedo en uno de sus lados y del lado frío la evaporación es insuficiente o está restringida,

o cuando el hormigón está expuesto a una columna de agua durante un período prolongado antes del congelamiento

El lector puede consultar una discusión general sobre la acción de las heladas en el hormigón en el trabajo de Cordon (1966)

Los investigadores desarrollaron hipótesis razonables para explicar estos complejos mecanismos

Considerados separadamente,

la pasta cementicia endurecida y los agregados se comportan de manera bastante diferente al ser sometidos a ciclos de congelamiento y deshielo

Powers (1945,

La presión se debía a la resistencia al movimiento del agua que se alejaba de las regiones de congelamiento

Se creía que la magnitud de la presión dependía de la velocidad de congelamiento,

del coeficiente de permeabilidad de la pasta y de la longitud del recorrido del flujo hasta el lugar más próximo que permitía el escape del agua

Los beneficios del aire incorporado se explicaban en términos del acortamiento de los recorridos del flujo hasta los sitios de escape

Algunas autoridades aún aceptan esta hipótesis

Estudios posteriores realizados por Powers y Helmuth produjeron fuertes evidencias que indicaban que la hipótesis de la presión hidráulica no se correspondía con los resultados experimentales (Powers 1956,

Helmuth 1960a,

Ticket 1953)

Estos investigadores hallaron que durante el congelamiento de la pasta cementicia la mayor parte del movimiento del agua era hacia los sitios de congelamiento,

no alejándose de estos sitios como se creía anteriormente

Además,

las dilataciones (expansiones) que se producían durante el congelamiento generalmente disminuían al aumentar la velocidad de enfriamiento

Estos dos hallazgos contradecían la hipótesis de la presión hidráulica e indicaban que se podía aplicar una forma modificada de una teoría previamente desarrollada por Collins (1944) (originalmente desarrollada para explicar la acción de las heladas en el suelo)

Powers y Helmuth señalaron que en la pasta cementicia el agua está presente en forma de una solución alcalina débil

Cuando la temperatura del hormigón cae por debajo del punto de congelamiento hay un período inicial de superenfriamiento,

luego del cual se forman cristales de hielo en los capilares de mayor tamaño

Esto provoca un aumento del contenido de álcalis en la porción no congelada de la solución dentro de estos capilares,

creando un potencial osmótico que impulsa al agua presente en los poros cercanos a comenzar a difundirse hacia la solución que se encuentra en las cavidades congeladas

La dilución resultante de la solución en contacto con el hielo permite un mayor crecimiento del cuerpo de hielo (acreción)

Cuando la cavidad se llena de hielo y solución,

cualquier acreción de hielo adicional produce una presión de dilatación,

la cual puede provocar la falla de la pasta

Al ser extraída el agua de los capilares no congelados,

(Experimentos realizados han verificado que la contracción de la pasta u hormigón ocurre durante parte del ciclo de congelamiento

cuando la pasta contiene aire incorporado y la distancia media entre las burbujas de aire no es demasiado grande,

las burbujas compiten con los capilares por el agua no congelada y normalmente ganan esta competencia

Para una mejor comprensión del mecanismo involucrado,

se sugiere al lector consultar las referencias previamente citadas

Actualmente muchos investigadores creen que las tensiones resultantes de la presión osmótica provocan la mayor parte de los daños por heladas en la pasta cementicia

GUÍA PARA LA DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

Litvan (1972) también estudió la acción de las heladas en la pasta cementicia

Litvan cree que el agua adsorbida en la superficie o contenida en los poros más pequeños no puede congelarse debido a la interacción entre la superficie y el agua

Debido a la diferencia entre la presión de vapor de este líquido no congelado y superenfirado y la presión de vapor del hielo en los alrededores del sistema de la pasta,

el agua migrará hacia los sitios donde puede congelarse,

como por ejemplo hacia los poros de mayor tamaño o la superficie exterior

Este proceso produce una disecación parcial de la pasta y acumulación de hielo en las fisuras y grietas

El agua en estas ubicaciones se congela,

ejerciendo una acción de palanca que abre aún más la fisura y,

si durante el próximo deshielo el espacio se llena de agua,

la presión interna y el ancho de las fisuras aumentarán

La falla ocurre cuando el agua no puede redistribuirse de manera ordenada,

ya sea porque la cantidad de agua es excesiva,

es decir elevada w/c para un mismo nivel de saturación,

el tiempo disponible es demasiado corto (enfriamiento rápido),

o el recorrido de migración es demasiado largo (falta de burbujas de aire incorporado)

Litvan cree que en estos casos el congelamiento produce un sólido semiamorfo (hielo no cristalino),

lo cual aumenta las tensiones internas

La distribución no uniforme de la humedad puede crear tensiones adicionales

Es un hecho generalmente aceptado que una pasta cementicia de adecuada resistencia y madurez se puede inmunizar completamente contra el daño que provocan las heladas mediante la incorporación de aire,

a menos que las condiciones de exposición sean tales que provoquen el llenado de los vacíos

Sin embargo,

la incorporación de aire por sí sola no elimina la posibilidad de que el hormigón resulte dañado por las heladas,

ya que también es necesario tomar en cuenta el congelamiento en las partículas de los agregados

y Powers (1945) halló que durante el congelamiento los poros expelen agua

En la mayoría de los casos,

la teoría de la presión hidráulica,

descrita anteriormente en relación con la pasta cementicia,

juega un papel de gran importancia

Duna y Hudec (1965) avanzaron la teoría del agua ordenada,

según la cual la principal causa del deterioro de las rocas no es el congelamiento sino la expansión del agua adsorbida (la cual no se puede congelar)

algunos casos específicos en los cuales se produjeron fallas aún sin congelamiento de los agregados calcáreos arcillosos parecían apoyar esta teoría

Sin embargo,

esto no es consistente con los resultados de las investigacio-

nes realizadas por Helmuth (1961),

quien halló que durante el enfriamiento el agua adsorbida no se expande sino que en realidad se contra

No obstante,

Helmuth está de acuerdo en que la adsorción de grandes cantidades de agua en los agregados que tienen una estructura de poros muy finos puede romper el hormigón debido a la formación de hielo

Se ha demostrado que el tamaño del agregado grueso es un factor importante que afecta la resistencia a las heladas

Verbeck y Landgreen (1960) demostraron que,

cuando no están confinadas mediante pasta cementicia,

la capacidad de las rocas naturales para soportar ciclos de congelamiento y deshielo sin sufrir daños aumenta a medida que disminuye su tamaño,

y que hay un tamaño crítico por debajo del cual las rocas se pueden congelar sin que sufran daños

Estos investigadores demostraron que para algunas rocas el tamaño crítico puede ser muy pequeño,

La capacidad de agua congelable de algunos agregados (tales como el granito,

la cuarcita y el mármol) es tan baja que,

no se generan tensiones al producirse el congelamiento,

independientemente del tamaño de las partículas

Diferentes propiedades relacionadas con la estructura de los poros dentro de las partículas del agregado,

el tamaño de los poros y la distribución de los poros o permeabilidad,

pueden ser indicadores de potenciales problemas de durabilidad si el agregado se utiliza en un hormigón que durante su vida de servicio se saturará y congelará

En general,

son las partículas de agregado grueso que tienen valores de porosidad o absorción relativamente elevados,

principalmente debido a que los espacios entre los poros son de tamaño medio (rango de 0,1 a 5 μm),

las que se saturan más fácilmente y contribuyen al deterioro y la aparición de desconchaduras individuales en el hormigón

Los poros de mayor tamaño generalmente no se llenan completamente de agua,

y por lo tanto el congelamiento no produce daños

Es posible que el agua en los poros muy finos no se congele tan fácilmente (ACI 221R)

Los agregados finos en general no representan un problema,

ya que las partículas son lo suficientemente pequeñas y están por debajo del tamaño crítico correspondiente al tipo de roca y el aire incorporado en la pasta circundante puede proveer un nivel de protección efectivo (Gaynor,

El papel del aire incorporado en la moderación de los efectos del congelamiento en las partículas de agregado grueso es mínimo

la matriz de la pasta que rodea las partículas de agregado puede fallar cuando

INFORME DEL COMITÉ ACI 201

se satura críticamente y se congela

Si la matriz contiene tiene una adecuada distribución de vacíos de aire incorporado caracterizada por un factor de separación menor que aproximadamente 0,008 in

el congelamiento no produce tensiones destructivas (Verbeck 1978)

Existen algunas rocas que prácticamente no contienen agua congelable

El hormigón con aire incorporado elaborado con un agregado totalmente compuesto por dichas rocas soportará congelamiento durante mucho tiempo,

aún bajo exposición continua a la humedad

Este tiempo se puede reducir si los vacíos de aire se llenan de agua y materia sólida

Si se utilizan agregados absorbentes,

como por ejemplo ciertos cherts y agregados livianos,

y el hormigón se encuentra en un ambiente continuamente húmedo,

probablemente el hormigón fallará si el agregado grueso se satura (Klieger y Hanson 1961)

La presión interna que se desarrolla cuando las partículas expelen agua durante el congelamiento rompe las partículas y la matriz

Si la partícula se encuentra próxima a la superficie del hormigón es posible que se produzca una desconchadura

Normalmente,

al final del período constructivo del hormigón los agregados no se encuentran en un estado crítico de saturación

esto se debe a la disecación que produce la reacción química durante el endurecimiento (autodisecación de la pasta cementicia) y a las pérdidas por evaporación

Por lo tanto,

si alguno de los agregados llega a la saturación crítica,

será como resultado de la presencia de agua proveniente de una fuente externa

Son poco habituales las estructuras situadas de forma tal que todas sus superficies expuestas se mantienen permanentemente húmedas y aún así están sujetas a ciclos de congelamiento y deshielo periódico

En general las secciones de hormigón tienden a secarse durante la estación seca si al menos una de sus superficies está expuesta a la atmósfera

Es por este motivo que la acción de las heladas en general no afecta el hormigón con aire incorporado,

aún cuando se utilicen agregados absorbentes

Obviamente,

cuanto más secos estén los agregados en el momento de colar el hormigón mayor será la cantidad de agua que deberán recibir para alcanzar la saturación crítica y mayor será el tiempo que esto demorará

Esta es una consideración importante,

ya que la duración de la estación húmeda y fría es limitada

Utilizar grava directamente extraída de una fuente subterránea puede resultar una desventaja,

especialmente si la estructura entra en servicio durante la estación húmeda o poco antes del inicio del invierno

Cuando se secan y luego se colocan en agua,

algunos tipos de roca pueden absorber agua y saturarse rápidamente

estas rocas se conocen como rocas fácilmente saturables

Aún cuando al inicio estén secas,

estas rocas pueden alcanzar elevados grados de saturación dentro de la hormigonera y podrían no secarse lo suficiente por disecación

con estos materiales habrá problemas si no se permite un período de secado lo suficientemente prolongado antes de la llegada del invierno

Incluso la presencia de un pequeño porcentaje de roca fácilmente saturable en el agregado puede provocar daños severos

Es menos probable que las rocas difíciles de saturar,

provoquen este tipo de problemas

Obviamente,

siempre es útil contar con datos acerca de las características de absorción de todos los tipos de rocas utilizados en el agregado

o ambos) se hizo evidente que estos materiales provocan o aceleran la desintegración superficial generando picaduras o descamación

(Estos productos químicos también aceleran la corrosión de las armaduras,

lo cual puede provocar el descantillado del hormigón,

tal como se describe en el Capítulo 4

) El mecanismo mediante el cual los agentes descongelantes dañan el hormigón es bastante conocido

su naturaleza es fundamentalmente física,

El mecanismo involucra el desarrollo de presiones osmóticas e hidráulicas durante el congelamiento,

de manera similar a lo que ocurre con la acción de las heladas descrita en la Sección 1

Sin embargo,

La concentración de descongelante en el hormigón juega un papel importante en el desarrollo de estas presiones

Verbeck y Klieger (1957) demostraron que la descamación del hormigón es mayor cuando está sujeto a endicamiento de agua con concentraciones intermedias (3 a 4%) de soluciones descongelantes

El comportamiento observado fue similar para los cuatro descongelantes ensayados: cloruro de calcio,

Brown y Cady (1975) extrajeron conclusiones similares

Los hallazgos de Litvan (1975,

Además,

Litvan concluyó que los agentes descongelantes pueden provocar un elevado grado de saturación en el hormigón,

y que ésta es la principal causa de su efecto perjudicial

Para una

GUÍA PARA LA DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

la presión de vapor de las soluciones salinas es menor que la del agua

el secado que se produce entre ciclos de humedecimiento (ver Sección 1

ASTM C 672 indica cómo determinar la capacidad de una mezcla de hormigón para resistir la descamación en presencia de agentes químicos descongelantes

Los beneficios que se obtienen incorporando aire al hormigón expuesto a productos descongelantes se explican de la misma manera que en el caso de la acción de las heladas

Ensayos en laboratorio y experiencias recabadas en obra confirman que la incorporación de aire mejora sustancialmente la resistencia a los descongelantes y es un factor fundamental para lograr pavimentos consistentemente resistentes a la descamación cuando las condiciones de exposición son severas

• Adecuada incorporación de aire

• Materiales de buena calidad

• Adecuado curado antes del primer ciclo de congelamiento

y • Particular atención a las prácticas constructivas

Estos puntos se describen detalladamente en los párrafos siguientes

durante el diseño inicial de la estructura se deberían tomar precauciones para minimizar el ingreso de agua

La geometría de la estructura debería promover un buen drenaje

La parte superior de los muros y todas las superficies exteriores deberían ser inclinadas

Se deberían evitar las regiones bajas que pudieran provocar la formación de charcos

Los drenajes no deberían descargar sobre las caras de hormigón expuestas

El drenaje del terreno más alto no debería fluir sobre la parte superior ni sobre las caras de los muros de hormigón (Miesenhelder 1960)

Se deberían eliminar las juntas no relacionadas con los cambios de volumen

Se pueden utilizar sistemas de drenaje,

tales como canaletas de goteo,

agua escurra debajo de los bordes de los elementos estructurales

El diseño debería evitar el uso de trampas o reservorios de agua,

los cuales se pueden generar si los diafragmas se prolongan hasta los cabezales de los pilotes de los puentes

Aún cuando rara vez es posible mantener la humedad alejada de la cara inferior de las losas construidas directamente sobre el terreno,

las fundaciones sobre una subbase que incorporan las características recomendadas en ACI 325

9R minimizarán la acumulación de humedad

También se deberán tomar precauciones para minimizar las fisuras que pudieran acumular o transmitir agua

El relevamiento de una gran cantidad de puentes y otras estructuras de hormigón ha demostrado que hay una correlación sorprendente entre el daño por congelamiento y deshielo observado en ciertas partes de la estructura y la excesiva exposición a la humedad de dichas partes atribuible al diseño estructural (Callahan et al

Jackson 1946

Lewis 1956)

voladizos y elementos ornamentales) y cualquier hormigón expuesto a sales anticongelantes,

relación w/c menor o igual que 0,45

relación w/c menor o igual que 0,50

Debido a que algunas veces no se conoce con certeza el grado de absorción de los agregados livianos,

no resulta posible calcular la relación w/c de los hormigones que contienen este tipo de agregados

Para estos hormigones se debería especificar una resistencia a la compresión a 28 días mayor o igual que 4000 psi (27

Además,

incorporar demasiado aire provocará una reducción de la resistencia

En la Tabla 1

Se indican contenidos de aire para dos tipos de exposiciones: exposición severa y exposición moderada

Con estos valores se obtiene aproximadamente 9% de aire en la fracción de mortero en el caso de exposición severa y aproximadamente 7% en el caso de exposición moderada

El hormigón con aire incorporado se elabora agregando un aditivo incorporador de aire en la hormigonera,

utilizando cemento incorporador de aire,

El contenido de aire resultante depende de

INFORME DEL COMITÉ ACI 201

incluyendo las propiedades de los materiales utilizados (cemento,

la dosificación de la mezcla,

el tiempo de mezclado y la temperatura

Si se utilizan aditivos incorporadores de aire,

su dosificación se debe modificar según sea necesario para lograr el contenido de aire deseado

Esto no resulta posible cuando solamente se utiliza un cemento incorporador de aire

Sin embargo,

en obras pequeñas en las cuales no es posible contar con los equipos necesarios para verificar el contenido de aire,

éste es el método más conveniente para asegurar,

la protección contra los ciclos de congelamiento y deshielo

El procedimiento preferido consiste en utilizar un aditivo incorporador de aire

Tabla 1

Contenido de aire promedio,

Tamaño máximo nominal de los agregados,

3/8 (9,5)

1/2 (12,5)

3/4 (19,0)

1 (25,0)

5-1/2§

4-1/2§

4-1/2§

3-1/2§

± 1-1/2% es una tolerancia razonable para el contenido de aire en obra

† Al aire libre en clima frío si además el hormigón puede estar en contacto prácticamente continuo con la humedad antes del congelamiento o si se utilizan sales descongelantes

Algunos ejemplos incluyen los pavimentos,

las aceras y los tanques de agua

‡ Al aire libre en clima frío si además el hormigón estará expuesto a la humedad ocasionalmente antes del congelamiento y si no se utilizan sales descongelantes

Algunos ejemplos incluyen ciertos muros,

vigas y losas exteriores que no están en contacto directo con el suelo

§ Estos contenidos de aire también se aplican a todo el conjunto del agregado

Sin embargo,

al ensayar estos hormigones los agregados de tamaño mayor que 1-1/2 in

(37,5 mm) se retiran manualmente o utilizando tamices y el contenido de aire se determina sobre la fracción de la mezcla menor que 1-1/2 in

(La tolerancia en obra se aplica a este valor

) El contenido de aire de la totalidad de la mezcla se determina a partir de esta fracción

Nota: Existen opiniones contradictorias sobre si se deberían permitir contenidos de aire menores que los tabulados para hormigones de alta resistencia (aproximadamente 5500 psi) (37,8 MPa)

Este comité cree que si para una determinada combinación de materiales,

prácticas constructivas y exposición hay antecedentes y datos experimentales que lo justifiquen,

los contenidos de aire se pueden reducir en aproximadamente 1%

(Para agregados cuyo tamaño máximo nominal es mayor que 1-1/2 in

(37,5 mm) esta reducción se aplica a la fracción de la mezcla menor que 1-1/2 in

Las muestras a utilizar para determinar el contenido de aire se deberían extraer de una ubicación tan próxima al punto de colocación como sea posible

La frecuencia del muestreo debe ser como se especifica en ASTM C 94

Para el hormigón de agregados de peso normal se pueden utilizar los siguientes métodos de ensayo: método volumétrico (ASTM C 173),

método presiométrico (ASTM C 231),

o método del peso unitario (ASTM C 138)

El método del peso unitario (ASTM C 138) se puede utilizar para verificar los otros métodos

Para el hormigón de agregados livianos se debería utilizar el método volumétrico (ASTM C 173)

El contenido de aire y otras características del sistema de vacíos del hormigón endurecido se puede determinar en forma microscópica (ASTM C 457)

ACI 212

3R lista las características relacionadas con el sistema de vacíos requeridas para lograr durabilidad

ASTM C 672 indica un método para evaluar la resistencia del hormigón contra la descamación que provocan los descongelantes

los diferentes tipos de cementos pórtland y cementos hidráulicos mezclados proporcionan resistencias similares frente a los ciclos de congelamiento

El cemento utilizado debería satisfacer los requisitos de las normas ASTM C 150 o C 595

La mayoría de las cenizas finas y puzolanas naturales que se utilizan como aditivos no afectan significativamente la durabilidad del hormigón,

siempre que el contenido de aire,

la resistencia y el contenido de humedad del hormigón sean similares

Sin embargo,

antes de utilizar cualquier material que no haya sido probado anteriormente,

se debería realizar una investigación adecuada

Las cenizas finas y las puzolanas naturales deberían satisfacer los requisitos de ASTM C 618

En algunos países de Europa continental (Bélgica,

Holanda,

Francia y Alemania) durante más de un siglo se han utilizado exitosamente cementos de escoria de alto horno para elaborar hormigones expuestos a ambientes de congelamiento y deshielo severos,

esto no necesariamente asegurará su durabilidad

Los agregados livianos deberían satisfacer los requisitos de ASTM C 330

Aunque estas especificaciones contienen numerosos requisitos,

dejan la selección final de los agregados a criterio del Ingeniero

Si el Ingeniero está familiarizado con el comportamiento en obra del

GUÍA PARA LA DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

su criterio profesional se considerará adecuado

En algunas situaciones se pueden realizar estudios del comportamiento en obra para desarrollar criterios que permitan aceptar o rechazar los agregados

Si esto no fuera factible,

se deberá tener especial cuidado al interpretar los resultados de los ensayos realizados en laboratorio

Los ensayos que se pueden realizar en laboratorio sobre los agregados incluyen la absorción,

la sanidad (ausencia de fisuras,

grietas o variaciones en relación con un patrón aceptado) y la determinación de la estructura de poros

Se han publicado descripciones de estos ensayos y opiniones acerca de su utilidad (Newton 1978)

Buth y Ledbetter 1970)

Aunque estos datos son útiles,

y aunque algunas organizaciones incluso han establecido límites para los ensayos realizados sobre los agregados,

en general se acepta que se debería confiar más en los ensayos realizados sobre hormigones elaborados con los agregados en cuestión

Los estudios petrográficos tanto de los agregados (Mielenz 1978) como del hormigón (Erlin 1966

Mather 1978a) son útiles para evaluar las características físicas y químicas de los agregados y de los hormigones que con ellos se elaboran

Los ensayos en laboratorio que se pueden realizar sobre el hormigón incluyen el ensayo de congelamiento y deshielo rápido (ASTM C 666),

en el cual la durabilidad del hormigón se mide a través de la reducción del módulo de elasticidad dinámico del hormigón

La norma ASTM C 666 permite realizar el ensayo ya sea utilizando el Procedimiento A,

congelamiento y deshielo en agua,

congelamiento en aire y deshielo en agua

Los resultados de los ensayos realizados de acuerdo con la norma ASTM C 666 han sido ampliamente analizados y discutidos (Arni 1966

Buth y Ledbetter 1979

ACI 221R

Transportation Research Board 1959)

Se ha criticado a estos ensayos alegando que no reproducen las condiciones que existen en obra

Inicialmente las probetas de ensayo se saturan,

lo cual en general no ocurre con el hormigón en obra cuando comienza el invierno

Además,

los métodos de ensayo no reproducen de manera realista las condiciones reales de humedad de los agregados del hormigón en obra

Los métodos rápidos también han sido criticados porque exigen tasas de enfriamiento mayores que las que ocurren en obra

Otra crítica expresada es que las pequeñas probetas que se utilizan en los ensayos no se pueden preparar utilizando los agregados propuestos si éstos son de gran tamaño,

agregados los que podrían ser más susceptibles a las desconchaduras y al deterioro general que los agregados de menor tamaño

La presencia de un trozo de agregado que produce desconchaduras en la parte central de una probeta de ensayo relativamente pequeña puede provocar la falla de la probeta,

mientras que en el hormigón en servicio la desconchadura apenas provocaría defectos superficiales (Sturrup et al

En general se acepta que,

aunque estos diferentes ensayos permiten clasificar a los agregados de excelentes a pobres en un orden aproximadamente correcto,

no permiten predecir si con un agregado marginal se logrará un comportamiento satisfactorio si se lo utiliza en un hormigón con un determinado contenido de humedad y sujeto a ciclos de congelamiento y deshielo

La capacidad de realizar esta determinación es de gran importancia económica en las áreas en las cuales los agregados de alta calidad son escasos y se podría permitir el uso de agregados marginales locales

A pesar de las carencias de la norma ASTM C 666,

muchas organizaciones creen que este ensayo es el indicador más confiable de la durabilidad relativa de un agregado (Sturrup et al

En vista de estas objeciones al ensayo ASTM C 666,

Powers (1954) concibió un ensayo de dilatación cuyo desarrollo fue profundizado luego por otros investigadores (Harman et al

Tremper y Spellman 1961)

La norma ASTM C 671 exige que las probetas de hormigón con aire incorporado inicialmente se lleven hasta las condiciones de humedad a las cuales se anticipa estará sujeto el hormigón al iniciar el invierno,

habiendo sido el contenido de humedad determinado preferentemente mediante ensayos in situ

Luego las probetas se sumergen en agua y se congelan periódicamente utilizando la tasa de enfriamiento que se anticipa en obra

Lo que se mide es el aumento de longitud (dilatación) de la probeta durante la parte del ciclo correspondiente al congelamiento

La norma ASTM C 682 ayuda a interpretar los resultados

En este ensayo,

una variación de longitud excesiva indica que los agregados han llegado a la saturación crítica y son vulnerables

Si el tiempo que demoran en llegar a la saturación crítica es menor que la duración de la temporada de heladas en el sitio donde se utilizará el hormigón,

se considera que dichos agregados no son adecuados para las condiciones de exposición anticipadas

Por el contrario,

se considera que el hormigón no será vulnerable a los ciclos de congelamiento y deshielo

El tiempo requerido para realizar un ensayo de dilatación puede ser mayor que el requerido para

INFORME DEL COMITÉ ACI 201

realizar un ensayo de acuerdo con ASTM C 666

Además,

los resultados son altamente sensibles al contenido de humedad del hormigón y los agregados

A pesar de estos inconvenientes,

la mayoría de los resultados de ensayos informados parecen prometedores

Aunque muchas organizaciones continúan utilizando el ensayo conforme a la norma ASTM C 666,

puede que se concluya que los resultados obtenidos de acuerdo con la norma ASTM C 671 son en realidad de mayor utilidad (Píelo 1986)

Si hay registros de servicio y/o resultados de ensayos existentes que indican que un determinado agregado natural es inaceptable,

éste se puede mejorar eliminando las partículas livianas,

blandas o cuya calidad no sea aceptable desde algún otro punto de vista

Los aditivos químicos deberían satisfacer los requisitos de la norma ASTM C 494

Los aditivos que se utilizan para elaborar hormigón fluido deberían satisfacer los requisitos de la norma ASTM C 1017

Con algunos aditivos minerales,

y los agregados que contienen grandes cantidades de finos pueden ser necesario utilizar una mayor cantidad de aditivo incorporador de aire para desarrollar la cantidad de aire incorporado requerido

La norma ACI 212

3R contiene lineamientos detallados sobre el uso de aditivos

los hormigones con aire incorporado deberían poder soportar los efectos del congelamiento tan pronto como alcanzan una resistencia a la compresión de aproximadamente 500 psi (3,45 MPa)

A una temperatura de 50 ºF (10 ºC),

la mayoría de los hormigones correctamente dosificados alcanzan esta resistencia durante el segundo día

Antes de ser expuesto a un congelamiento prolongado en condiciones de saturación crítica (ASTM C 666) el hormigón debería alcanzar una resistencia a la compresión de aproximadamente 4000 psi (27,6 MPa)

Se recomienda un período de secado posterior al curado

Para condiciones de exposición moderadas el hormigón debería alcanzar una resistencia de 3000 psi (20,7 MPa) (Kleiger 1956)

Se debería prestar particular atención a la construcción de las losas de pavimentos que posteriormente estarán expuestas a agentes químicos descongelantes,

ya que la obtención de acabados durables y la severidad de las condiciones de

exposición constituyen exigencias de naturaleza problemática

El hormigón de las losas de pavimentos se debería compactar adecuadamente

se deben evitar prácticas tales como trabajar excesivamente la superficie,

realizar acabados excesivos y/o añadir agua al hormigón para facilitar su acabado

Estas actividades traen a la superficie un exceso de mortero o agua,

y la lechada resultante es particularmente vulnerable frente a la acción de los agentes descongelantes

Estas prácticas también pueden eliminar el aire incorporado de las zonas superficiales

Esto no es demasiado importante si solamente se expelen las burbujas de mayor tamaño,

pero la durabilidad puede ser afectada seriamente si también se expelen las burbujas más pequeñas

El momento en el cual se realiza el acabado es un factor crítico (ACI 302

Antes de aplicar cualquier descongelante,

el pavimento de hormigón debería haber recibido algún secado

antes de establecer un cronograma para la construcción de pavimentos a fines de otoño se debería considerar el nivel de resistencia especificado antes de abrir el pavimento al tráfico

En algunos casos,

mientras el hormigón aún no está lo suficientemente maduro,

para controlar el resbalamiento de los vehículos se pueden utilizar métodos diferentes a los agentes descongelantes,

como por ejemplo materiales abrasivos

En el caso de los hormigones de agregados livianos,

los agregados no se deben humedecer excesivamente antes del mezclado

Si se utiliza saturación por vacío o métodos térmicos (por ejemplo,

para poder bombear el hormigón),

a menos que el hormigón tenga la oportunidad de secarse antes de congelarse,

es posible que los agregados livianos alcancen un nivel de humedad con el cual el agua absorbida provocará la falla del hormigón cuando éste sea sometido a ciclos de congelamiento y deshielo

Una publicación del Departamento de Transporte de California (California Department of Transportation 1978) contiene detalles y recomendaciones adicionales sobre este tema

CAPÍTULO 2 − EXPOSICIÓN A AGENTES QUÍMICOS AGRESIVOS 2

a la mayoría de las aguas y suelos que contienen químicos,

y bajo muchos otros tipos de exposiciones a agentes químicos

Sin embargo,

GUÍA PARA LA DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

discusión detallada del deterioro que provocan los agentes químicos en el hormigón,

la cual incluye datos obtenidos tanto en Europa como en Estados Unidos

En la Tabla 2

La Tabla 2

siempre que se tomen los debidos recaudos al seleccionar los materiales utilizados para elaborar el hormigón y dosificar la mezcla

Por lo tanto,

Algunos de los factores que provocan mayor preocupación son la exposición a los sulfatos,

los ácidos y la carbonatación

Estos temas se discuten en las Secciones 2

algunos ambientes químicos en los cuales,

a menos que se tomen medidas específicas,

la vida útil aún del mejor hormigón será muy breve

Comprender estas condiciones permite tomar medidas pare evitar el deterioro o reducir la velocidad con la cual se produce

Son escasas o nulas las circunstancias bajo las cuales el hormigón es atacado por agentes químicos sólidos secos

Para producir un ataque significativo sobre el hormigón,

los químicos agresivos deben estar en solución y presentes en una concentración superior a una cierta concentración mínima

Un hormigón que está expuesto a soluciones agresivas a presión en uno de sus lados es más vulnerable que uno que no lo está,

ya que la presión tiende a forzar la solución agresiva hacia el interior del hormigón

El Comité ACI 515 (515

1R) y la Asociación del Cemento Pórtland (Portland Cement Association 1968) han tabulado los efectos de numerosos agentes químicos sobre el hormigón

Biczok (1972) presenta una

Tabla 2

Ácidos inorgánicos

Ácidos orgánicos

Clorhídrico Nítrico Sulfúrico

Acético Fórmico Láctico

Soluciones alcalinas

Soluciones salinas

Cloruro de aluminio

Bromo (gaseoso) Licor de sulfato

Moderada

Fosfórico

Tánico

Hidróxido de sodio* > 20%

Nitrato de amonio Sulfato de amonio Sulfato de sodio Sulfato de magnesio Sulfato de calcio

Carbónico

Hidróxido de sodio* 10 a 20%

Cloruro de amonio Cloruro de magnesio Cianuro de sodio

Cloro (gaseoso) Agua de mar Agua blanda

Oxálico Tartárico

Hidróxido de sodio* < 10% Hipoclorito de sodio Hidróxido de amonio

Cloruro de calcio Cloruro de sodio Nitrato de cinc Cromato de sodio

Amoníaco (líquido)

Despreciable

INFORME DEL COMITÉ ACI 201

Tabla 2

Elevada porosidad debida a: i

Elevada absorción de agua ii

Permeabilidad iii

Vacíos

Fisuras y separaciones debidas a: i

Concentración de tensiones ii

Choque térmico

Lixiviación y penetración de líquidos debido a: i

Flujo de líquidos § ii

Formación de charcos iii

Presión hidráulica * † ‡ § ║

Factores que mitigan o demoran el ataque 1

Hormigón denso obtenido mediante: i

Correcta dosificación de la mezcla * ii

Contenido unitario de agua reducido iii

Mayor contenido de material cementicio iv

Incorporación de aire v

Compactación adecuada vi

Curado efectivo † 2

Tensiones de tracción reducidas en el hormigón atribuibles a: ‡ i

Uso de armadura de tracción de tamaño adecuado y correctamente ubicada ii

Inclusión de puzolana (para reducir el aumento de temperatura) iii

Colocación de materiales adecuados en las juntas de contracción 3

Diseño estructural: i

Minimizar las áreas de contacto y turbulencia ii

Proveer membranas y sistemas con barreras protectoras ║ para reducir la penetración

La dosificación de la mezcla y el mezclado y procesamiento inicial del hormigón fresco determinan su homogeneidad y densidad

Si los procedimientos de curado son defectuosos se producirán fallas y fisuras

La resistencia a la fisuración depende de la resistencia y capacidad de deformación

El movimiento de las sustancias perjudiciales que transportan agua aumenta las reacciones que dependen tanto de la cantidad como de la velocidad del flujo

Los hormigones que frecuentemente estarán expuestos a agentes químicos que se sabe producen un rápido deterioro del hormigón se deberían proteger con una barrera protectora resistente a dichos agentes químicos

calcio o magnesio1 que ocurren en la naturaleza,

los cuales pueden atacar al hormigón endurecido,

algunas veces se encuentran en el suelo y otras disueltos en el agua adyacente a las estructuras de hormigón

Las sales de sulfato en solución ingresan al hormigón y atacan los materiales cementicios

Si en una superficie expuesta al aire se produce evaporación,

los iones sulfato se pueden concentrar cerca de dicha cara y aumentar el potencial de deterioro

Se han producido ataques por sulfatos en diferentes lugares del mundo

y los informes sobre ataques de sulfatos muchas veces utilizan los nombres de estos minerales

A continuación presentamos un listado de estos nombres y su composición general:

anhidrita basanita yeso kierserita epsomita taumasita

CaSO4 CaSO4 · 1/2H2O CaSO4 · 2H2O MgSO4 · H2O MgSO4 · 7H2O Ca3Si(CO3)(SO4)(OH)1 · 12H2O

tenardita mirabilita arcanita glauberita langbeinita

Na2SO4 NaSO4 · 10H2O K2SO4 Na2Ca(SO4)2 K2Mg2(SO4)3

esto constituye un problema particularmente severo en las regiones áridas tales como las llanuras septentrionales y partes del oeste de Estados Unidos (Bellport 1968

Harboe 1982

Reading 1975

Reading 1982

USBR 1975

Verbeck 1968)

las provincias de las llanuras de Canadá (Hamilton y Handegord 1968

Hurst 1968

Price y Peterson 1968)

Londres,

Inglaterra (Bessey y Lea 1953)

Noruega (Bastiansen et al

y el Medio Oriente (French y Poole 1976)

El agua que se utiliza en las torres de enfriamiento de hormigón también puede ser una potencial fuente de ataque por sulfatos debido a la evaporación,

particularmente si estos sistemas utilizan cantidades relativamente pequeñas de agua de reemplazo

También puede haber iones sulfato en los materiales que contienen desechos industriales,

tales como las escorias obtenidas del procesamiento de hierro,

cenizas y aguas subterráneas que contienen estos materiales

El agua de mar y los suelos costeros embebidos en agua de mar constituyen un tipo de exposición particular

La Sección 2

GUÍA PARA LA DURABILIDAD DEL HORMIGÓN

CAO·Al2O3·3CaSO4· 32H2O) y yeso (sulfato de calcio dihidratado,

CaSO4· 2H2O)

La formación de etringita puede generar un aumento del volumen sólido,

provocando expansión y fisuración

La formación de yeso puede provocar ablandamiento y pérdida de resistencia del hormigón

Sin embargo,

la presencia de etringita o yeso en el hormigón no constituye por sí misma una indicación de ataque por sulfatos

la evidencia de un ataque por sulfatos se debería verificar mediante análisis químicos y petrográficos

Si la solución de sulfatos que provoca el ataque contiene sulfato de magnesio,

además de etringita y yeso se produce brucita (Mg(OH)2,

Algunos de los procesos relacionados con los sulfatos pueden dañar al hormigón incluso sin expansión

Por ejemplo,

un hormigón expuesto a sulfatos solubles puede sufrir ablandamiento de la matriz de la pasta o un aumento de su porosidad global

estos dos efectos pueden reducir su durabilidad

Las publicaciones que discuten detalladamente estos mecanismos incluyen los trabajos de Lea (1971),

Hewlett (1998),

Mehta (1976,

DePuy (1994),

Taylor (1997) y Skalny et al

Las publicaciones que enfatizan particularmente la permeabilidad y la capacidad del hormigón para resistir el ingreso y el movimiento del agua incluyen los trabajos de Reinhardt (1997),

Hearn et al

Hearn y Young (1999),

Diamond (1998) y Diamond y Lee (1999)

El ingreso y el movimiento del agua se reducen disminuyendo la relación w/c

Se debe tener cuidado para asegurar que el hormigón se diseñe y construya de manera tal de minimizar la fisuración por contracción

Incorporar aire resulta beneficioso si es acompañado por una reducción de la relación w/c (Verbeck 1968)

Para minimizar el ingreso y el movimiento del agua,

la cual es la portadora de las sales agresivas,

acabar y curar el hormigón adecuadamente

Las normas ACI 304R,

ACI 302

ACI 308

ACI 305R y ACI 306R recomiendan procedimientos para realizar estas operaciones

La resistencia a los sulfatos del cemento pórtland generalmente disminuye cuando aumenta el contenido calculado de tricalcio-aluminato (C3A) (Mather 1968)

La norma ASTM C 150 incluye al cemento resistente a los sulfatos Tipo V,

para el cual el contenido máximo calculado de C3A permitido es de 5%,

y el cemento moderadamente resistente a los sulfatos Tipo II,

para el cual el contenido máximo calculado de C3A permitido está limitado a 8%

También hay algunas evidencias que indican que la alúmina presente en la fase aluminoferrítica del cemento pórtland podría participar en los ataques por sulfatos

En consecuencia,

la norma ASTM C 150 establece que en el cemento Tipo V el contenido de C4A+2C3A no debe ser mayor que 25%,

a menos que se invoque el requisito alternativo que se basa en el uso del ensayo de comportamiento (ASTM C 452)

En el caso del cemento Tipo V,

en lugar de los requisitos químicos se puede utilizar el ensayo de expansión por sulfatos (ASTM 452) (Mather 1978b)

Patrias (1991) discute el uso de ASTM C 1012

En la Tabla 2

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