Patologías Del Concreto Reforzado

PATOLOGÍA DEL CONCRETO Y LAS ESTRUCTURAS

PATOLOGÍAS DEL CONCRETO REFORZADO

Definición de la patología del concreto La patología del concreto puede definirse como el estudio sistemático de los procesos y características características de las "enfermedades" "enfermedades" o los "defectos y daños" que puede sufrir el concreto, sus causas, sus consecuencias y sus remedios. ➢

Definición de la patología del concreto La patología del concreto puede definirse como el estudio sistemático de los procesos y características características de las "enfermedades" "enfermedades" o los "defectos y daños" que puede sufrir el concreto, sus causas, sus consecuencias y sus remedios. ➢

Modelo secuencial de los procesos que sigue la patología del concreto Congénitos Defectos y/o daños (Enfermedad)

Contraídos Accidentales Manchas Cambios de color Hinchamientos Fisuras Perdidas de masa

Síntomas

Investigación Investig ación preliminar

Investigación de la Investigación estructura (Estudio de enfermo)

Optimista Terapia

Investigación Investig ación profunda

Diagnóstico y causas (Estado en que se encuentra el enfermo y por qué razones)

Tipos de daños Magnitud de danos Cantidad de los danos

Pronóstico

Vulnerabilidad

Pesimista

Preservación

Reforzamiento

Restauración

Pronóstico optimista

Rehabilitación

Reparación

Tipos de intervenciones en el pronóstico optimista ➢

Preservación : proceso de mantener una estructura en su condición presente y contrarrestar deterioros.

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Restauración : proceso de restablecer los materiales, la forma o la apariencia que tenía una estructura en una época determinada.

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Reparación : proceso de reemplazar o corregir materiales, componentes o elementos de una estructura, los cuales se encuentran deteriorados, dañados o defectuosos.

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Rehabilitación : proceso de reparar o modificar una estructura hasta llevarla a una condición deseada (intervención de modificación).

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Reforzamiento : proceso mediante el cual se incrementa la capacidad de una estructura o de una parte de ella, para resistir cargas.

Amputación

Pronóstico pesimista

Demolición

Factores que afectan la apariencia original del concreto

Factores que afectan la apariencia y la estética del concreto

Polución del medio ambiente

Cultivos biológicos

Eflorescencias

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La contaminación intensa y dañina del aire , compuesta por residuos de procesos industriales o biológicos, en forma de partículas, es transportada y depositada por el viento sobre las superficies de concreto de las estructuras.

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Como consecuencia de la biorreceptividad (presencia de agua, disponibilidad de nutrientes, condiciones ambientales y superficie de colonización) que ofrecen las superficies de concreto a la proliferación de microorganismos, se afecta el aspecto del concreto porque su principal efecto desfavorable es que mantienen húmeda la superficie del concreto, lo cual promueve los mecanismos de daños (por acciones físicas, mecánicas, químicas o biológicas).

➢

El termino eflorescencia se emplea para describir depósitos que se forman algunas veces sobre superficie de los concretos, los morteros u otros materiales de construcción. Usualmente los depósitos eflorescentes están compuestos de sales de calcio (carbonatos y sulfatos) o de metales alcalinos (sodio y potasio).

Formación de depósitos de polvo sobre una fachada de concreto

➢

Dependiendo de la velocidad del viento (que aumenta con la altura) y del flujo (laminar o turbulento) la acumulación de polvo sobre las superficies de una estructura varía: o en una fachada alta la velocidad del viento puede ser tan grande que no hay lugar a que se forman depósitos de polvo; o en las fachadas intermedias donde hay turbulencia la formación de depósitos se acelera; o en las partes bajas donde hay mayor concentración de polvo, se intensifica la magnitud de los depósitos.

Modelo de escurrimiento y absorción de agua sobre una superficie vertical de concreto

(a) se inicia la absorción del agua en los poros superficiales del concreto. (b) se inicia el escurrimiento de agua sobre la porción de la superficie ya saturada. (c) ya se ha saturado totalmente la capa superficial y se inicia el lavado de la superficie. (d) el exceso de agua escurre libremente.

Meteorización

Mecanismos de deterioro

Despasivación del acero de refuerzo

Meteorización

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Se define como la alteración física, mecánica o química sufrida por el concreto bajo la acción de la intemperie (sol, viento, lluvia, hielo).

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Este fenómeno está muy influenciado por los cambios en la temperatura, la humedad y la presión (viento) del medio ambiente, pero también especialmente por la polución del mismo medio ambiente que es un factor de continuo crecimiento en los centros urbanos.

Despasivación del acero de refuerzo

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El recubrimiento de concreto que se hace sobre el acero de refuerzo de una estructura de concreto es conocido como la capa protectora o "pasivadora" que protege al acero de la acción agresiva de ciertas sustancias o elementos que pueden ocasionar deterioro o corrosión del acero de refuerzo. Cuando esta capa pasivadora que debe ser densa, compacta y de espesor suficiente, pierde su capacidad de protección se dice que se ha despasivado .

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La despasivación del recubrimiento del concreto se puede dar por el fenómeno de carbonatación de la capa de recubrimiento, que permite el acceso de agua, oxigeno u otras sustancias que pueden reaccionar con el acero de refuerzo.

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La despasivación del recubrimiento del concreto también se puede dar por la penetración de iones cloruro a través de procesos de difusión, impregnación o absorción capilar de agua con cloruros, que al acceder al acero de refuerzo fomentan el fenómeno de corrosión del mismo.

Fallas durante la concepción y diseño del proyecto Fallas por falta de mantenimiento

Fallas de las estructuras de concreto

Fallas por operación de las estructuras

Fallas por materiales

Fallas por construcción

Fallas durante la concepción y diseño del proyecto • •

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Por ausencia de cálculos o por no valorar todas las cargas y condiciones de servicio. Por falta de un diseño arquitectónico apropiado. El diseño estructural debe incluir los conceptos arquitectónicos y viceversa. Por falta de drenajes apropiados (eliminar el agua es eliminar el problema). El desagüe sobre el concreto hay que evitarlo, lo mismo que la presencia de agua estancada. Por no proyectar juntas de contracción, de dilatación o de construcción. Hay que entender que el diseño y construcción de estructuras de concreto implica la presencia de fisuras, que deben controladas mediante la disposición del "acero de retracción y temperatura" y/o de juntas. Por no calcular de manera apropiada todos los esfuerzos y/o confiarse en los programas de computador. Por no dimensionar apropiadamente los elementos estructurales y/o no disponer apropiadamente el refuerzo. Por imprecisiones en los métodos de cálculo o en las normas. Por no especificar la resistencia y características apropiadas de los materiales que se emplean (concretos y aceros). Por tolerar deformaciones excesivas en el cálculo. Por falta de detalles constructivos en los planos.

Fallas por materiales •

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Por selección inapropiada y/o falta de control de calidad de los ingredientes de la mezcla. Por no diseñar y/o dosificar adecuadamente la mezcla. Por no respetar las tolerancias permisibles en el asentamiento de la mezcla. Por utilizar agregados de tamaño equivocado. Por utilizar exceso de aire incluido. Por adicionar agua a pie de obra sin control. Por no disponer de un factor de seguridad apropiado en el diseño de la mezcla. Por no usar la curva de relación agua/material cementante de los materiales disponibles. Por utilizar poco cemento (mezclas pobres y porosas) o por emplear exceso de cemento (mezclas ricas con alta contracción y fisuración). Por utilizar mezclas pastosas (con exceso de mortero) o piedrudas (con exceso de agregado grueso). Este tipo de mezclas tienen alta tendencia a la segregación y a la exudación. Por bajas resistencias en el concreto, lo cual conduce a fatigas prematuras o detrimento de la durabilidad. Por no hacer control de calidad al concreto, con lo cual se desconoce su capacidad resistente y su comportamiento. Por acero de refuerzo de calidad inapropiada o por insuficiencia en los anclajes y/o longitudes de desarrollo. La NSR-10 estipula que todo el ac ero principal longitudinal debe ser corrugado y que el acero liso es permitido en estribos, flejes y espirales.

Fallas por construcción • • •

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Por no calcular y diseñar la formaleta. Por defectos o deformación de la formaleta. Por no respetar las tolerancias dimensionales permisibles en los elementos. Por ejemplo, cambiar las dimensiones de los elementos, lo cual altera su geometría, su inercia y su comportamiento, porque se alteran su centro geométrico y su centro de masa. Por no inspeccionar la formaleta antes del vaciado, para verificar su integridad y estabilidad. Por no colocar apropiadamente ni asegurar el acero de refuerzo, permitiendo el desplazamiento durante el vaciado. Por no respetar la separación de barras y el recubrimiento de norma, mediante el uso de separadores adecuados. Por no inspeccionar el acero de refuerzo antes del vaciado, para verificar el cumplimiento de los planos y especificaciones. Por inadecuada interpretación de los planos. Por malas prácticas de manejo, colocación y compactación del concreto. Por labores de descimbrado prematuro o inapropiado. Por indisposición de juntas apropiadas de contracción, dilatación y/o construcción. Por no adelantar procedimientos adecuados de protección y curado del concreto. Por precargar la estructura antes de que el concreto tenga suficiente capacidad resistente.

Fallas por operación de las estructuras • • •

Incremento de las cargas permitidas. Acción de fenómenos accidentales como impactos, explosiones, inundaciones o fuego. Cambio de las cargas de servicio y/o cambio de las condiciones de exposición.

Mantenimiento preventivo

Fallas por falta de mantenimiento Mantenimiento curativo

Mantenimiento correctivo

Tipos de mantenimiento que se hacen a las estructuras

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Mantenimiento preventivo o

o

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Mantenimiento correctivo o

o

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los trabajos de reparación necesarios para impedir posibles deterioros o el desarrollo de defectos ya apreciados; el ejemplo más simple de mantenimiento preventivo es la limpieza de los sistemas de drenaje.

restitución de las condiciones originales del diseño de manera al que se restablezcan los materiales, la forma o la apariencia de la estructura; un buen ejemplo de mantenimiento correctivo es la restauración de estructuras.

Mantenimiento curativo o

o

tiene lugar cuando hay que reemplazar porciones o elementos de una estructura por deterioro o defecto; las técnicas empleadas para practicar el mantenimiento curativo son la demolición o reparación de miembros estructurales.

Humedad para la formación de un electrolito

Corrosión en el acero de refuerzo Presencia de oxígeno

Existencia de una diferencia de potencial electrónico

Corrosión del acero de refuerzo ➢

En condiciones normales el concreto proporciona a las armaduras embebidas en él una protección adecuada contra la corrosión por dos motivos: el oxígeno presente en el concreto reacciona con el acero formando una fina capa o o película de óxido sobre la armadura, que es conocida como el proceso de "pasivación" y que la protege de cualquier corrosión posterior; si la calidad, espesor y densidad del recubrimiento son apropiados, se mantendrá el o carácter básico del concreto (pH hasta de 13) y no habrá carbonatación o penetración de agentes agresivos.

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Si por alguna razón se reduce la alcalinidad del concreto a aproximadamente un pH de 9, es probable que se presente corrosión en el acero de refuerzo . Para que haya corrosión en el acero de refuerzo se requiere: o humedad para la formación de un electrolito; o la existencia de una diferencia de potencial electrónico; o la presencia de oxígeno.

Corrosión química

Tipos de corrosión

Corrosión electroquímica

Tipos de corrosión ➢

La corrosión de los metales se puede definir como un proceso de reacción entre el metal y alguna sustancia del medio ambiente que lo rodea, el resultado es una oxidación destructiva del mismo metal.

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Corrosión química La corrosión química ocurre debido al ataque de sistemas no electrolíticos, como por ejemplo: o gases y vapores a temperaturas que impiden su condensación sobre la superficie metálica; por líquidos no conductores de la corriente eléctrica. o

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Corrosión electroquímica La corrosión electroquímica es una reacción química que ocurre en un medio acuoso y en la que hay transferencia de electrones e iones. Este es el caso que se da en el acero de refuerzo embebido dentro del concreto.

Celda electroquímica de corrosión sobre una varilla de refuerzo

La corrosión ocurre como resultado de la formación de una celda electroquímica, la cual está compuesta por los siguientes elementos: o un ánodo donde ocurre la oxidación; o un cátodo donde ocurre la reducción; o un conductor metálico (la varilla), donde la corriente eléctrica es el flujo de electrones; o un electrolito (el concreto), donde la corriente eléctrica es generada por el flujo de iones en un medio acuoso. ➢ El proceso de corrosión puede descomponerse en dos procesos individuales: el proceso anódico y el proceso catódico. La oxidación del hierro ocurre en el proceso anódico y la reacción es de siguiente forma:  → +  − ➢ En el proceso catódico, los electrones en exceso que hay en el acero se combinan en el cátodo con el agua y el oxígeno para formar iones oxidrilo. Esta reacción es de siguiente forma:        − → (− ) ➢ Posteriormente los iones de hierro y oxidrilo se combinan para formar oxido, que teóricamente se puede describir como  . Como se ha mencionado, al producirse la oxidación electroquímica con el ánodo, se forma óxido de hierro, el cual se expande y puede ocupar de 2 a 7 veces el volumen del acero original, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno. ➢

Efectos de la corrosión del acero de refuerzo

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Los efectos de la corrosión se manifiestan de cinco diferentes formas que pueden o no ser simultáneas: o expansión del acero de refuerzo; o fisuración interna del concreto; o disminución de la capacidad mecánica del concreto; o baja adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo; o reducción de la sección transversal del acero de refuerzo, decreciendo su capacidad mecánica.

Factores que inciden en la corrosión del acero de refuerzo

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La corrosión del acero de refuerzo en las estructuras de concreto, ocurre esencialmente por la destrucción de la capa pasivadora que se forma naturalmente sobre el acero embebido dentro del concreto. Esto tiene dos causas: o La disminución de la alcalinidad del concreto cuando este reacciona con sustancias ácidas del medio ambiente. Las reacciones que se pueden presentar para disminuir la alcalinidad pueden ser carbonatación por presencia de CO2 y/o lixiviación de los álcalis a causa de corrientes de agua. o La presencia de una cantidad suficiente de cloruros (añadidos durante la propia fabricación del concreto en el agua, los aditivos, los agregados, o por penetración desde el microclima que rodea la superficie de concreto), u otros iones despasivantes en contacto con el acero de refuerzo.

Permeabilidad del recubrimiento

Penetración de cloruros

Los factores para que se presente el fenómeno de corrosión

Despasivación en el área de fisuras

Espesor de recubrimiento

Permeabilidad del recubrimiento

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Todos los procesos que afectan la corrosión del acero de refuerzo están influenciados por procesos de difusión: o difusión de O 2 en los poros del concreto, llenos o parcialmente llenos de aire, lo cual produce corrosión del acero de refuerzo, en socio de la humedad y de un diferencial de potencial eléctrico; o difusión del CO 2 en los poros de concreto, llenos o parcialmente llenos de aire, lo cual produce carbonatación y reduce el pH del concreto; o difusión de iones cloruro Cl ¯ en los poros del concreto, llenos o parcialmente llenos de agua, lo cual produce penetración y concentración de cloruros que aceleran la corrosión del acero de refuerzo.

Espesor del recubrimiento El valor mínimo de recubrimiento para protección de armaduras debe ser de por lo menos 35 mm. Por ello, deben respetarse las recomendaciones de la NSR-10 en sus secciones C.7.7 que hace referencia a los requisitos de recubrimiento del refuerzo convencional y de tendones de preesfuerzo. ➢

Despasivación en el área de fisuras

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En las fisuras, planos de falla y oquedades que exhiba el concreto, tanto la inducción de oxígeno y de cloruros, como el avance de un frente de carbonatación, tienden a penetrar más aprisa que en el concreto sano.

➢

Cuando el ancho de fisuras es inferior al indicado en la siguiente tabla, es frecuente observar que se produce un fenómeno de cicatrización autógena.

Ancho tolerable de grietas sobre superficies en estructuras de concreto reforzado (ACI 224)

CONDICIÓN DE EXPOSICIÓN

ANCHO TOLERABLE (mm)

En aire seco o con membrana de protección

0,40

En ambiente húmedo: aire húmedo o suelo saturado

0,30

Con agentes químicos que impiden el congelamiento

0,20

Humedecimiento y secado de agua de mar, o salpicaduras de agua de mar

0,15

Estructuras de baja permeabilidad, excluyendo tubería no sujeta a presión

0,10

Penetración de cloruros

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El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo puede acentuarse por la presencia de un agente agresivo que acelera el proceso, como los cloruros (precedentes del agua de mar, sales de deshielo), u otros iones despasivantes, aun si el pH del concreto está por encima de 9.

➢

El ataque de cloruros produce picaduras locales que rompen la capa pasivadora del acero de refuerzo, iniciando el proceso anódico y reduciendo la sección de la barra. Un factor importante para la penetración de cloruros es que los ciclos de humedecimiento y secado de agua con cloruros, aumentan la concentración de estos en la capa superficial. Cuando ocurre el mojado de la superficie, el agua con cloruros penetra el concreto por succión capilar. Posteriormente, cuando ocurre el secado, el agua se evapora y los cloruros permanecen en los poros del concreto.

Corrosión uniforme Corrosión localizada

Corrosión biológica

Tipos de corrosión electroquímica Corrosión por picaduras

Corrosión galvánica Corrosión bajo esfuerzo

Corrosión uniforme

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La corrosión uniforme o generalizada es el resultado de una perdida generalizada de la película pasivadora, que resulta de los fenómenos de carbonatación y/o la presencia excesiva de iones cloruro.

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También puede ser el resultado de la lixiviación de la pasta de cemento de un concreto por la acción de aguas puras o ligeramente ácidas.

Corrosión localizada

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La corrosión localizada actúa solamente en determinadas áreas de la superficie. La razón de ello puede ser el acceso discontinuo de oxígeno.

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El caso típico de este tipo de corrosión lo constituye la corrosión del acero de refuerzo con revestimientos epóxidos, cuando la adherencia entre este y el acero se ha deteriorado.

Corrosión por picaduras

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La corrosión por picaduras puede definirse como un tipo de corrosión localizada, en el que la película pasivadora se destruye por alguna heterogeneidad, diferencia de composición del metal, o el ingreso de iones cloruro.

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El ataque se manifiesta en forma de picaduras estrechas y profundas que son la consecuencia de una zona anódica que se corroe, mientras el resto del material está pasivo.

Corrosión bajo esfuerzo

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La corrosión bajo esfuerzo se da cuando se conjugan dos factores fundamentales: esfuerzos de tracción sobre el acero y un medio agresivo.

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Este fenómeno suele suceder en el concreto preesforzado, donde se usan aceros de alta resistencia. Si el acero empleado es sensible a fallas de naturaleza frágil, los procesos anódicos muy localizados pueden llevar a la fisuración del acero debido a tensiones elevadas permanentes.

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Durante la etapa de propagación de la fisura, tiene lugar el proceso anódico en el interior de la misma

Corrosión galvánica

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La corrosión galvánica , conocida como corrosión bimetálica, ocurre cuando existen dos metales diferentes en el mismo medio electrolítico.

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El caso más simple se da cuando en alguna zona se dañe o no se forma la película pasivadora característica. Esta zona actuara como un ánodo frente al resto del material donde permanece la pasivación la cual actuara como cátodo.

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Esto tipo de corrosión, también puede presentarse cuando las varillas más extremas (más cercanas a la superficie) empiezan a corroerse por acción de los cloruros, mientras que las internas permanecen pasivas.