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CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN APLICACIONES TECNOLÓGICAS DE LA ENERÍA NUCLEAR.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO – INSITITUTO BALSERIO – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
TRABAJO FINAL
CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN APLICACIONES
TECNOLÓGICAS DE LA ENERGÍA NUCLEAR.
Diseño de un Ensayo Acelerado para la Determinación del Ataque
por Acción de los Sulfatos a Estructuras de Hormigón y Alternativa
propuesta para el Diseño de un Contenedor.
Rodrigo Sebastián Malanca
malanca@cab.cnea.gov.ar
Directora: Lic. Telma Ramallo.
Diciembre de 2003
Comisión Nacional de Energía Atómica
Ing. Rodrigo Malanca
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CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN APLICACIONES TECNOLÓGICAS DE LA ENERÍA NUCLEAR.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO – INSITITUTO BALSERIO – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Universidad Nacional de Cuyo (Instituto Balseiro)
Universidad Nacional de Buenos Aires (Facultad de Ingeniería)
INDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN E INTRODUCCIÓN……………………………….............…………………….1
1. Conceptos de Durabilidad……………………………………………………...................3
2. Factores que afectan la durabilidad del Hormigón Armado……………..…………..…3
3. Breve descripción de los procesos de Hidratación, fraguado y
endurecimiento de la pasta cementicia…………………………………………………..4
4. Factores que afectan la durabilidad del Hormigón …………………………………..…9
4.1 Factores propios del Hormigón………………………………………………….9
4.2 Factores Externos…………………………………………………………………9
5. Desarrollo del Ensayo Acelerado ………………………………………………………..27
5.1 Requerimientos de desempeño ……………………………………………….29
5.2 Caracterización de los componentes que intervienen e identificación
de los mecanismos de degradación …………………………………………..29
6. Descripción del ensayo acelerado propuesto ………………………………………….30
7. Propuestas de Diseño …………………………………………………………………….36
8. Conclusiones ………………………………………………………………………………41
9. Bibliografía …………………………………………………………………………………42
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO – INSITITUTO BALSERIO – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
Diseño de un Ensayo Acelerado para la Determinación del Ataque
por Acción de los Sulfatos a Estructuras de Hormigón y Alternativa
propuesta para el Diseño de un Contenedor.
Resumen
El presente trabajo tiene como objetivo postular uno de los ensayos acelerados
en el marco de la Norma ASTM E-632-82, para la evaluación de la vida de
servicio de estructuras de Hormigón Armado de alto desempeño, que serán
utilizados como barreras de ingeniería en repositorios para residuos radiactivos
de media actividad.
Los resultados de tal evaluación son requeridos para el análisis probabilístico y
determinístico necesario para el licenciamiento del emplazamiento y
construcción de este tipo de instalaciones.
Dado que el hormigón es el principal material utilizado en este tipo de
repositorios, sus propiedades y particularmente su durabilidad deben ser
evaluadas teniendo en cuenta tanto los factores propios del mismo, factores
intrínsecos, como también factores extrínsecos.
Dentro de los factores intrínsecos podemos citar su formulación, incluyendo las
armaduras, su elaboración, curado y diseño estructural, y como factores
extrínsecos, condiciones climáticas y ambientales, características de suelo y
de operación en servicio.
Es importante destacar que dentro de los criterios empleados en el diseño
conceptual de estos tipos de repositorios, las estructuras que actúan de barrera
deberán permanecer sin alterar sus propiedades de aislamiento, durante todo
su tiempo de servicio, que comprende cientos de años.
Si bien no es posible garantizar que su desempeño no se verá alterado durante
todo el período de vida de servicio, el obtener resultados de ensayos
acelerados y a largo plazo, nos permitirá estimar la durabilidad de tales
estructuras a través del soporte de modelos matemáticos adecuados.
En el presente trabajo se exponen los pasos a tener en cuenta para el
desarrollo de los ensayos de evaluación, estableciendo los parámetros
relevantes a ser considerados en los mismos y los resultados obtenidos hasta
el presente.
Introducción
De acuerdo al diseño conceptual de un futuro repositorio para la disposición de
residuos radiactivos de media actividad, el principal material de construcción a
ser empleado será el Hormigón Armado. Con el fin de obtener la información
requerida para el análisis probabilístico y determinístico a la hora de solicitar a
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la ARN las licencias
respectivas para su emplazamiento, diseño y
construcción, se hace necesario evaluar el comportamiento y su durabilidad a
largo plazo de este tipo de barreras de ingeniería.
Si bien el comportamiento de estos hormigones a través de su vida de servicio,
estará ligado a las condiciones particulares del sitio en el cual se emplazará el
repositorio, resulta necesario conocer cuáles serán las respuestas de este
material a solicitaciones extremas, a fin de determinar cuáles son los factores
que más afectan a la integridad del mismo y en que magnitud se producen los
efectos indeseados.
Este Proyecto comenzó a desarrollarse en el año 1994, con la planificación de
un programa de trabajo que incluía desde el desarrollo de la formulación hasta
la evaluación de las propiedades del producto bajo Normas de Calidad. Se
diseñaron varias formulaciones de hormigones,
considerados por la
bibliografía consultada como de alto desempeño, utilizando en las mismas
diferentes tipos de materia prima.
A través de un contrato con el Centro de Investigaciones de la Construcción
(CECON) del Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), los hormigones
fueron confeccionados y evaluadas sus propiedades.
Como consecuencia de ello, se seleccionaron dos hormigones como
candidatos más promisorios y se planificó una segunda etapa para construir a
escala real un contenedor tipo, con el diseño propuesto por la UA Gestión de
Residuos Radiactivos.
Esto llevó a realizar, en el año 1999, una segunda contratación con el CECON
del INTI, a fin de rediseñar las formulaciones con los materiales que por ese
entonces estaban disponibles en el mercado y construir un contenedor
prototipo, que permitiera evaluar y optimizar los parámetros de diseño y
construcción y estudiar su comportamiento.
Como resultado de dicha contratación se fabricaron en forma sucesiva tres
contenedores, mejorándose la tecnología empleada tanto para su moldeo como
para su colocación, compactación y curado.
Sobre la base de los resultados ya obtenidos de los estudios realizados con el
último contenedor prototipo, correspondientes a las características del
hormigón tanto a escala laboratorio como a escala piloto “in situ”, y teniendo en
cuenta los estudios sobre corrosión de armaduras, se deberán establecer las
definiciones necesarias para el diseño final y construcción de un nuevo
prototipo de contenedor para someterlo a los ensayos tendientes a obtener
todos los parámetros relacionados con su desempeño y durabilidad, como
también establecer los requerimientos mínimos para su aceptación o rechazo.
Si bien el presente trabajo está dirigido a evaluar el comportamiento a largo
plazo de una estructura de hormigón, los resultados de los estudios que se
lleven a cabo, serán aprovechados también para evaluar la durabilidad de los
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hormigones a emplear en la construcción del repositorio para residuos
radiactivos de media actividad.
1. Conceptos de Durabilidad
La función principal del hormigón como barrera de ingeniería, para ser
empleado en repositorios cercanos a la superficie, es la de aislar los residuos
radiactivos de media actividad debidamente acondicionados, por períodos de
hasta 300 – 500 años. Esto lleva a pensar que la característica más importante
a ser tenida en cuenta es su durabilidad durante todo el tiempo de servicio.
La durabilidad es uno de los factores más importantes a la hora de proyectar
estructuras de hormigón armado. La misma se define según el manual
Americano de la Construcción como:
“La capacidad del material para resistir hasta cierto punto los efectos de las
condiciones de servicio a que está sujeto tales como la meteorización, la acción
química y el desgaste”.
Desde el punto de vista de los factores tendientes a deteriorar las condiciones
iniciales del hormigón a través del tiempo, se pueden considerar las cargas
impuestas al operar la estructura, la acción del medio ambiente al que será
expuesto y componentes químicos agresivos con los que las estructura estará
en contacto durante su fase operativa y de aislamiento.
Todos estos factores también son tenidos en cuenta en la etapa de diseño del
proyecto, ya que lo que se busca además, es impedir el daño prematuro.
2. Factores que afectan la durabilidad del hormigón armado
La durabilidad del hormigón está relacionada con su resistencia a las acciones
corrosivas de los agentes atmosféricos, ataques químicos, abrasión y otros
procesos de degradación.
En la práctica, varios mecanismos de degradación pueden actuar
simultáneamente con posibles efectos sinérgicos, que afectarán la vida de
servicio de las barreras. Estos dependerán tanto de factores propios de la
fabricación del hormigón como de factores externos al mismo. Dentro de estos
últimos se encuentran los provenientes de efectos atmosféricos y del suelo y
los provocados por acciones agresivas de los residuos radiactivos
involucrados.
Estos factores se han agrupado de la siguiente manera:
Factores propios del hormigón
•
•
•
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Tipo de cemento, adiciones.
Tipo de agregados, reacción álcali-agregado
Formulación empleada y uso de aditivos
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•
•
•
Barras de refuerzo
Diseño de construcción, dimensiones de
recubrimiento de armaduras.
Elaboración,
colocación,
compactación
terminación
Curado
•
•
•
Erosión.
Especies químicas agresivas
Ciclos de congelamiento y deshielo
•
y
Factores externos
Factores de Uso y Operación
• Radiación
• Cargas mecánicas
• Especies microbianas
3. Breve descripción de los procesos de hidratación, fraguado y
endurecimiento de la pasta cementicia
Para una mayor comprensión, es conveniente hacer una breve introducción a
los mecanismos de hidratación del cemento para luego entender cómo influyen
cada uno de los factores intervinientes.
Como es sabido, los productos calcinados provenientes del clinker de un
cemento Pórtland común, no constituyen una fase simple, sino que consisten
en cuatro fases o componentes principales. Los mismos son: Silicato tricálcico,
Silicato dicálcico, Aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico. A estas
fases se agregan otros componentes en menor cuantía como material calcáreo
que no ha reaccionado durante el proceso de fabricación, yeso e impurezas
conteniendo magnesio y hierro.
Una vez que el cemento entra en contacto con el agua, se desarrollan una
serie de reacciones de hidratación de los distintos componentes que se
encuentran presentes.
Las reacciones de hidratación son irreversibles y exotérmicas y la cantidad de
calor generada durante la reacción es diferente para cada uno de los
componentes del cemento.
A continuación se muestran las reacciones químicas, aproximadas, que tienen
lugar con cada uno de los componentes principales del cemento Pórtland.
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Reacción de los Silicatos Tricálcico y Dicálcico
Los silicatos tri-cálcico y di-cálcico (C3S y C2S), “alita” y “belita”
respectivamente, en contacto con el agua se hidrolizan dando como resultado
silicato de calcio hidratado, menos básico que el silicato anhidro, e Ca(OH)2.
El principal producto así formado es el silicato de calcio hidratado
CaO.2SiO2.3H20, (C-S-H), denominado también por algunos autores como
“Tormeborita gel”, es un producto amorfo, responsable de la alta resistencia
mecánica del producto endurecido, conteniendo una red de poros rígidos de
diámetro del orden de los Amstrong conocidos como “poros gel”. No obstante la
composición química del C-S-H es variable y dependiente de la edad,
temperatura y relación agua/cemento.
Las impurezas presentes dentro de la alita y la belita, afectan la composición
de los productos de hidratación. Este aspecto de pureza es de gran importancia
debido a que la alita y la belita forman aproximadamente un 70% del cemento
común, por lo tanto de sus purezas dependerán los productos de hidratación
formados y las propiedades de la pasta de cemento obtenida.
La relación C/S del Silicato de calcio anhidro es mayor que la sílica hidratada
formada. La racción química generada queda expresada según la siguiente
reacción:
para el C3S ⇒
2(3CaO.SiO2) + 6H2O ⇒ 3 CaO.2SiO2.3H20 +3 Ca(OH)2
para el C2S ⇒
2(2CaO.SiO2) + 4H2O ⇒ 3 CaO.2SiO2.3H20 + Ca(OH)2
El otro producto de reacción, Ca(OH)2, se lo conoce como portlandita y se lo
designa CH.
Durante el proceso de hidratación del C3S y C2S, se forman diferentes
cantidades de Ca(OH)2 que rondan en un 40% y 18% respectivamente.
La formación del Ca(OH)2 en la hidratación del cemento es la responsable de la
alta alcalinidad de la pasta. Esta condición de elevada alcalinidad, hace que el
hormigón sea muy susceptible al ataque de ácidos, pero a la vez provee una
adecuada protección a las armaduras de hierro que se encuentran ambebidas,
debido a que mantiene la capa de óxido pasivando las barras de hierro.
Reacción del Aluminato Tricálcico (C3A)
El Aluminato tri-cálcico, C3A, es la primera fase en reaccionar cuando el
cemento entra en contacto con el agua. La acción de adicionar
intencionalmente yeso en el cemento, es a los efectos de retardar este
proceso de reacción.
En el cemento, la presencia de yeso introduce una modificación de la reacción.
La reacción inmediata que existe entre el C3A y el yeso en presencia de agua
provoca un fenómeno de retardo debido principalmente a la formación de
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etringita, 3CaO.Al2O3.CaSO4.32H2O, que forma una película protectora sobre
los granos de C3A retardando su hidratación.
Esta película retarda la hidratación de este componente y hace que la reacción
de hidratación sea principalmente la hidratación de los silicatos de Calcio.
Esta película no se mantiene durante todo el proceso de reacción en forma
invariante, sino que se va renovando a medida que transcurre la hidratación de
los componentes del cemento.
La formación de una película de etringita sobre los granos de C3A, produce
una presión debido a la cristalización en puntos localizados. Esta contínua
cristalización genera un estado tensional sobre la película de etringita hasta
que se rompe.
Una vez rota la película, se produce nuevamente la hidratación del C3A,
reaccionando nuevamente con el yeso dando lugar nuevamente a la formación
de la película protectora de etringita sobre los bordes de grano, sellando la
zona de rotura y retardando la reacción nuevamente.
El proceso de formación de la película de etringita va cesando a medida que se
van consumiendo los iones de sulfato. Esto conduce a que el C3A comience a
reaccionar con la etringita produciendo un producto llamado monosulfato,
3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O, y finalmente consumida toda la etringita, continúe
su hidratación resultando la siguiente reacción:
3CaO.Al2O3 + 6H2O ⇒ CaO.Al2O3.6H2O
Reacción del C4AF (Ferrita)
En un estado temprano de reacción, la fase ferrita reacciona con el yeso y el
Ca(OH)2, produciendo una solución sólida de sulfoaluminatos y sulfoferrita,
presentándose en cristales en forma de aguja.
La reacción de hidratación de la fase ferrita, se desarrolla según:
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + CaSO4.2H2O + Ca(OH)2 ⇒ 3CaO(Al2O3Fe2O3).3CaSO4.aq
El proceso continuo de reacción tiene un comportamiento similar al de la
formación de etringita, en dónde a medida que los iones de sulfato que se
encuentran dentro de la solución sólida de forroaluminato, son consumidos,
estos van siendo reemplazados por iones de hidróxido.
Teorías de Fraguado
Algunos investigadores describen este proceso como la formación de una
sustancia coloidal dispersa, sol, formada a partir de la hidratación del cemento.
El coloide es luego neutralizado por la concentración de iones calcio del medio
y el sol coagula en forma de gel, (tobermorita gel). El comienzo del fraguado
coincide con el comienzo de la gelatinización y el final del mismo, con el final
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de la precipitación de flóculos.
El lapso durante el cual la pasta va cambiando sus características, se
denomina período de fraguado y puede determinarse su comienzo y su fin, a
los que se los denomina tiempo de fraguado inicial y final respectivamente.
Cuando la tobermolita gel comienza a secarse, comienza también el proceso
llamado endurecimiento. El tan pequeño tamaño de las partículas del gel, del
orden del 0,001µm (extremadamente alta área superficial) (superficie específica
3.106 cm2/g), comparado con la partícula de cemento que tiene un tamaño
medio de 10 µm, explica la atracción que se produce de contacto entre sí y a
las partículas de cemento no totalmente hidratadas, así como a las superficies
de los agregados más finos.
A medida que este proceso progresa se hace evidente la pérdida de fluidez de
la pasta hasta llegar al estado sólido, con lo cual la reacción no se paraliza sino
que continúa, siempre que haya agua disponible, pues a lo largo del tiempo van
reaccionando los sectores más internos de cada partícula de cemento, hasta
que después de varios años todas las partículas se transforman en sus
correspondientes silicatos hidratados.
Según la teoría coloidal propuesta por Michaelis, se produce primeramente un
fenómeno de disolución que provoca una hinchazón de los granos de cemento
y la aparición de una solución muy concentrada de cal. Esta solución actúa
sobre los silicatos para dar, bajo las formas de un gel, un silicato cálcico
hidratado, prácticamente insoluble. La masa gelatinosa aumenta poco a poco
su volumen por absorción de la cal y se vuelve así cada vez más densa e
impermeable.
Ella estrecha los granos de cemento que continúan hidratándose por succión
de agua contenida en el gel. Este último, empobreciéndose en agua, aumenta
su resistencia. Se explica así el fraguado bajo el agua, constituyendo el gel una
masa protectora, endurecedora y nutritiva para los granos del cemento.
Gracias a sus observaciones sobre las reacciones de fraguado de los yesos y
los silicatos de bario, y procediendo por analogía, Henry le Chatelier enunció en
1887 otra teoría, conocida como teoría cristalina.
Según esta teoría, cuando se pone un cemento en presencia del agua, se
produce primeramente una reacción química de hidratación: el cemento
anhidro se disuelve en el agua y da lugar a una solución saturada. En esta
solución aparecen sales hidratadas, cuya solubilidad es mucho más débil que
la de las sales anhidras. La solución es entonces sobre-saturada y las sales
hidratadas se precipitan bajo formas de microcristales. La solución restante
puede entonces disolver nuevas partículas anhidras y las reacciones se
continúan hasta la puesta en solución de la totalidad del cemento. Es lo que
constituye el principio del fraguado.
Se produce por último un fenómeno mecánico de endurecimiento
que es debido a la multiplicación y a la adherencia de los cristales, tomando
éstos a menudo una forma alargada (especie de agujas embrolladas), la que se
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aprecia con la ayuda del microscopio electrónico.
Esta teoría mejorada y completada permite una compresión clara
y sencilla del fraguado y del endurecimiento. Explica bien la mejor o peor
adherencia del cemento a los áridos según su naturaleza. Permite igualmente
comprender la acción de ciertos cuerpos actuando como retardadores o
aceleradores del fraguado, por modificación de la velocidad de disolución de
las sales anhidras en el agua de amasado.
Las teorías precedentes pueden complementarse y formar un conjunto
coherente. Puede admitirse que se producen cristales muy finos que precipitan
poco a poco, constituyendo la masa coloidal que da origen al fraguado. La
estructura cristalina se desarrolla a continuación y da lugar a una red de finas
agujas enredadas que otorgan a la pasta su coherencia y dureza.
Porosidad de la Pasta
Durante la solidificación de la pasta cementicia, el volumen de la misma
decrece, produciéndose un encogimiento de la mezcla. Este encogimiento
debido al secado y cristalización del gel, conduce a la formación de poros de
tamaños de diámetros que se encuentran en el orden de los Ángstrom,
llamados poros gel.
El porciento en volumen de estos poros gel, se incrementa con el avance del
proceso de hidratación, llegando a ocupar aproximadamente el 20 – 30% del
volumen de la pasta de cemento endurecida.
Otro sistema de poros que también tiene lugar durante la solidificación de la
pasta cementicia y es formado por la evaporación del exceso de agua no unida,
es conocido como sistema de poros capilares. Estos poros capilares tienen
tamaños cuyos diámetros están en el orden de los micrones y ocupan un
volumen aproximado entre el 1 y el 40 % de la pasta de cemento endurecida,
dependiendo de la cantidad de agua utilizada en el proceso de mezclado.
Cambios de temperatura provocan un movimiento del agua interna desde los
poros gel hacia los poros capilares y viceversa, esto provoca cambios de
volúmenes.
Otro tipo de poros que se presentan en la pasta son los poros de aire o
burbujas cuyos tamaños varían de 0,01 mm a 2 mm y su porcentaje en el
volumen de la pasta cementicia varía del 1 al 10%, dependiendo de la calidad
del amasado o de la incorporación de adiciones.
De los tres sistemas de porosidad, los poros capilares son los responsables del
deterioro de las pastas cementicias, desde el punto de vista de la lixiviación y
corrosión, dado que estos micro canales ofrecen un paso para la penetración
de aguas agresivas provocando la degradación de la pasta.
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Los poros gel no representan ningún efecto significado, mientras que los poros
de aire por el contrario reducen la permeabilidad de la pasta cementicia, si son
lo suficientemente pequeños y si se encuentran homogéneamente distribuidos.
Al contener aire dentro de los poros, éste impide el pasaje de agua proveniente
de los poros capilares, sólo cuando el aire de su interior es desplazado por
difusión, el agua puede penetrar en ellos.
4. Factores que afectan la durabilidad del Hormigón
4.1 Factores propios del Hormigón.
Tipo de cemento, adiciones
Existen diferentes tipos de tipos de cementos portland normalizados bajo
Norma IRAM 50.000, que pueden adquirirse comercialmente en el país:
• Cemento portland normal
• Cemento portland con “filler” calcáreo
• Cemento portland compuesto
• Cemento portland con escoria
• Cemento de alto horno
• Cemento portland puzolánico
• Cemento portland de alta resistencia inicial
• Cemento portland moderadamente resistente a los sulfatos
• Cemento portland altamente resistente a los sulfatos
• Cemento portland de bajo calor de hidratación
• Cemento portland resistente a la reacción álcali – agregado
• Cemento portland blanco
Estos diferentes tipos de cementos han sido fabricados de acuerdo a las
distintas necesidades de uso, ya sea para uso general, en cuyo caso no se
requieren propiedades especiales de durabilidad, resistencia mecánica
temprana, color, etc., o para su utilización en estructuras especiales y/o
ambientes agresivos para lo cual se han elaborado cementos especiales con o
sin adiciones, cuyas composiciones son específicamente diseñadas.
Además estos cementos son categorizados de acuerdo a los niveles de
resistencia mecánica necesarios.
En la Tabla 2, puede observarse los diferentes tipos de cementos de uso
general.
Composición
(g/100 g)
Tipo de cemento
Cemento pórtland normal
Cemento pórtland con “filler” calcáreo
Cemento pórtland con escoria
Cemento pórtland compuesto
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Nomenclatura
Clínker +
sulfato de
calcio
CPN
CPF
CPE
CPC
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100-90
99-80
89-65
98-65
Puzolana
(P)
Escoria
(E)
“Filler”
calcáreo
(F)
0-10
1-20
11-35
dos o más, con P + E + F ≤ 35
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Cemento pórtland puzolánico
CPP
85-50
15-50
Cemento de alto horno
CAH
65-25
35-75
Tabla 2 - Tipos de cemento de uso general y composición
Cuando además se requieren propiedades especiales en el hormigón, la
norma IRAM 50.001 especifica otros requerimientos en función de las
propiedades especiales buscadas en el producto. Estos requisitos están
especificados en la Tabla 3
Denominación
Designación
De Alta Resistencia Inicial
ARI
Moderadamente Resistente a los Sulfatos
MRS
Altamente Resistente a los Sulfatos
ARS
De Bajo Calor de Hidratación
BCH
Resistente a la Reacción Álcali-Agregado
RRAA
Blanco
B
Tabla 3 Cementos de características especiales
Para la fabricación de los diferentes tipos de cementos se utilizan adiciones
incorporadas en seco, como ser escorias, puzolanas, micro-sílice, pigmentos
colorantes, etc.
La acción de estos compuestos, es la de modificar en forma permanente y
favorable las condiciones iniciales del hormigón, ya sea en estado plástico o
endurecido.
En todos los casos se busca mejorar las prestaciones de resistencia,
impermeabilidad y durabilidad.
Una de las formas de mejorar la impermeabilidad es con el agregado de sílicafume, que ayuda al aumento de la durabilidad, impidiendo el ingreso de
agentes nocivos que puedan actuar químicamente, como el caso de cloruros y
sulfatos.
Analizando brevemente cada uno de los compuestos antes mencionados,
tenemos:
Escorias
Tanto el cemento y la escoria contienen los mismos componentes básicos,
pero la proporción de óxido de calcio en la escoria es inferior que en el
cemento. Lo contrario sucede con la proporción de óxido de sílice, que no tiene
las mismas propiedades físicas.
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En lo que se refiere a la resistencia a la compresión, un hormigón realizado con
cemento Portland normal, presenta mejor desempeño que uno realizado con
cementos y adiciones de puzolanas y/o cenizas volátiles.
Estas característica de menor resistencia de los cementos con adiciones, se
presentan sólo en los primeros días de fraguado, tiempo que ronda entre los 2
a 7 días.
Pasado los 28 días la resistencia es la misma, pudiendo llegar a ser muy
superior durante periodos más prolongados. Esta es una de las características
que favorece las numerosas aplicaciones del uso de cementos con adiciones.
Existen muchas ventajas en el uso de cemento obtenidos con escorias para la
fabricación de hormigones. Estos presentan muchas ventajas respecto al
cemento Portland normal y al hormigón fabricado sólo con cemento Portland.
La ventajas que se presentan en el cemento son:
•
•
•
•
•
•
Resistencia a largo plazo mejor que la del cemento común
Resistencia a la acción agresiva del agua del mar
Mejor densidad que la del cemento común
Calor de hidratación menor que el del cemento Portland normal, lo que
evita las grietas
Gran resistencia a la difusión de cloruros y a los sulfatos
Produce hormigón más duradero
La única desventaja es la resistencia a corto plazo. Se necesita un activador
(generalmente CaO) para aumentarla.
La ventajas obtenidas en los hormigones son las siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Se trabaja mejor el hormigón fresco (colada más fácil)
Menor calor de deshidratación (como en el caso del cemento, la ventaja
es que disminuye la tendencia a agrietarse)
Mayor tiempo de fraguado
A breve plazo la resistencia es menor, pero a largo plazo es mejor
Desaparece la reacción álcali - sílice
Elimina o reduce la eflorescencia
Reduce la porosidad y la difusividad del hormigón (especialmente
interesante por el aspecto y por la acción química)
Aumenta la resistencia a las agresiones químicas
Produce hormigón casi blanco (aceptable en algunas construcciones
donde el aspecto es importante).
Desde el punto de vista de la rentabilidad, el cemento con incorporación de
escorias presenta las mismas características de resistencia que el cemento
Portland normal, pero su coste es inferior ya que su producción es menos
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compleja. En el cemento de escorias basta un simple molido, mientras que con
el otro cemento hay que seguir una serie de fases.
En cuanto a las características que deben reunir las escorias para la
fabricación de cementos:
•
deben provenir de alto horno donde se procese mineral de hierro y es
por eso que se les llama escoria siderúrgica.
•
deben ser básicas, esto es, que el contenido de elementos básicos
tiene que ser superior al contenido de los elementos ácidos
•
debe ser granulada, es decir, se debe enfriar bruscamente a la salida
del alto horno dejándola en estado vítreo.
Puzolanas
Su adición, otorga una moderada resistencia al ataque por sulfatos, cuando la
cantidad presente de estos es moderada.
El agregado de puzolanas no hace a un hormigón resistente a los sulfatos de
manera absoluta, sino que mejora las características en cuanto a su
comportamiento.
La acción beneficiosa de las puzolanas en el cemento, viene dada en función
de la relación que exista entre la cantidad de Sílica y el contenido de alúmina
y/o óxido férrico. Relación dada por SiO2 / R2O3, que tenga la puzolana
incorporada. El efecto resistente de los cementos Pórtland resistente a los
sulfatos, se ve incrementado cuando las relaciones antes mencionadas son
elevadas.
El mecanismo por el que se adquiere la resistencia a los sulfatos por medio de
puzolanas, se ha tratado de desarrollar según algunas teorías, las que ponen
de manifiesto los modos de reaccionar.
a) Los efectos son atribuidos al efecto del Ca (OH)2 sobre la solubilidad del
aluminato de calcio hidratado. La disminución de la concentración de Ca
(OH)2 propia de la reacción de las puzolanas incrementa la solubilidad
del aluminato de Calcio hidratado.
Consecuentemente, la reacción ocurre a través de la solución y sin
ningún tipo de expansión, como ocurre al tomar contacto la etringita con
los sulfatos.
b) La segunda teoría sugiere que una disminución de Ca (OH)2 aumenta
la concentración de sulfato necesaria requerida para convertirla en una
sólida, la que generalmente está formada en la pasta endurecida como
parte del yeso y la etringita.
Según Lea, este modelo es incompleto y propone que la resistencia a
sulfatos viene dada por medio de la inhibición de los sulfatos al
reaccionar, debido a la película protectora de silicato de calcio hidratado
que se forma alrededor de los compuestos de aluminato.
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Estas teorías se han planteado debido a que las puzolanas se combinan con el
Ca (OH)2 durante la hidratación de la alita (C3S), la belita (C2S), resultando de
este modo, que la reducción en el contenido de Ca (OH)2, no puede ser la
causa de un aumento de la resistencia a los sulfatos, debido a que la
expansión del sulfato es propia de la formación de etringita proveniente del
Aluminato de Calcio Hidratado y no de una reducción en la cantidad del Ca
(OH)2.
Filler Calcáreo
Aún no se conoce con exactitud cuál es el mecanismo de reacción, pero se ha
comprobado que su incorporación mejora la resistencia a la acción de los
sulfatos.
En el mercado es posible encontrar diferentes tipos de cementos que
garantizan durabilidad u otros aspectos requeridos para proyectar hormigones
que cumplan con los requerimientos del proyecto encuadrados en diversas
normas.
El proyecto en estudio del nuevo reglamento CIRSOC 201 indica la máxima
relación agua/cemento (a/c) permitida, el tipo y cantidad de cemento a utilizar y
la resistencia mínima a especificar para el hormigón en función del grado de la
agresividad del medio (ver tabla). Por ejemplo, para el caso de hormigón simple
y armado distingue:
•
Ataque moderado: en este caso se debe utilizar un Cemento MRS o un
cemento normal con el agregado de una adición mineral, de
comportamiento equivalente debidamente verificado. La relación agua
cemento no debe exeder de 0.50, y la resistencia a especificar no
deberá ser inferior a 30 MPa
•
Ataque fuerte: debe emplearse un Cementos ARS o un cemento normal
con el agregado de una adición mineral, de comportamiento equivalente
debidamente verificado. La relación a/c no deberá exceder de 0.45, y la
resistencia a especificar no deberá ser inferior a 35 MPa.
•
Ataque muy fuerte: utilizar Cementos ARS más una adición mineral
cuyo comportamiento esté debidamente verificado para condiciones de
exposición similares. Puede prescindirse el uso de la adición mineral
cuando se utilice una protección exterior capaz de resistir la agresión.
Relación a/c no deberá exceder de 0.40, y la resistencia a especificar no
deberá ser inferior a 40 Mpa, El contenido de cemento del hormigón
deberá ser al menos de 350 kg/m3.
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MRS - Moderadamente Resistente a los Sulfatos
Es un cemento al cual se le limita el contenido de C3A (aluminato tricálcico) a
valores menores o iguales al 8 % en masa, lo cual hace a este material apto
para utilizarlo cuando existe un ataque moderado de sulfatos o será utilizado en
hormigones de estructuras en contacto directo con agua de mar.
ARS - Altamente Resistente a los Sulfatos
Es el cemento conocido como ARS. La norma IRAM limita el contenido de C3A
(aluminato tricálcico) a un máximo de 4 % en masa y la suma de C3A + FAC4
(ferroaluminato tetracálcico) debe ser menor o igual a 22 %, calculados
teóricamente de acuerdo a la composición química. Su utilización se limita para
estructuras sometidas al ataque fuerte de sulfatos presentes en ciertas aguas
y/o suelos de contacto.
Tipo de Agregados y Reacción Álcali - Agregado
Las características de los agregados utilizados para el proyecto de hormigones
es de vital importancia. Los mismos deben ser resistentes, deben poseer
superficies con buena rugosidad y sin aristas marcadas y fundamentalmente
deben ser inertes a reaccionar con los componentes del cemento.
Como parámetros de mayor interés los agregados deben poseer.
•
•
Resistencia Mecánica
Baja permeabilidad
En relación a la porosidad de los mismos, es mucho menor que la de la pasta
de cemento. A pesar de esto, la pequeña porosidad que poseen favorece la
acción destructiva del hielo que se forma en el interior de sus poros.
Este fenómeno es debido a que los poros presentes en el agregado, tienen la
facilidad para permitir el ingreso de agua pero poseen dificultad por dejar que la
misma pueda salir con facilidad, propio de la acción capilar que se presenta en
canales de muy pequeño diámetro.
Este inconveniente para permitir la salida del agua, hace que a bajas
temperaturas se formen láminas de hielo que tienden a expandirse,
aumentando su volumen e incrementando el estado tensional interno del
agregado, llevándolo de esta manera a su posterior fisuración.
Como en la mayoría de los casos la pasta de cemento posee una menor
resistencia que los agregados, ésta sufrirá el deterioro antes que los
agregados.
Como se puede observar, en términos de durabilidad se debe lograr que los
agregados tengan la menor porosidad posible, evitando su posterior deterioro
al estar en presencia de agua.
En relación a una de las propiedades que debe cumplir un agregado, respecto
a su estabilidad química, se presenta brevemente la reacción Álcali –
Agregado, de ahora en más RAA.
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Esta reacción ocurre entre la solución altamente alcalina de los poros, con un
pH muy elevado, y las partes silíceas de los agregados.
La forma en que se produce la reacción, viene dada por la concentración de Na
y Mg que disuelve la sílica, dando lugar a la formación de un gel que forma una
película sobre la superficie de los agregados.
El gel de sílice – álcali se forma en la superficie, moviéndose luego hacia el
interior. Esta reacción provoca esfuerzos de tracción que conllevan a la
posterior fisuración de los agregados y pasta circundante.
El aumento de la fisuración implica una reducción de la impermeabilidad del
hormigón debido a que se forma en muchos casos, un sistema de canales
intercomunicados, los que permitirán el ingreso y egreso del agua.
Los agregados más susceptibles de reaccionar son aquellos ricos en sílice,
como ser el ópalo. En cambio materiales graníticos son más estables y las
velocidades de reacción son lo suficientemente bajas.
La forma en que se puede hacer un diagnóstico de si esta reacción es viable,
es a través de un patrón de fisuración, el que se distingue de la fisuración
propia durante la contracción por fraguado.
Desde el punto de vista de la granulometría, esta debe ser continua, debido a
que permite una mayor compacidad. La reducción del volumen de vacíos
permite lograr una mayor impermeabilidad, una mejor trabajabilidad del
hormigón fresco, disminuye la cantidad necesaria de pasta de cemento
mejorando la economía del conjunto y ofrece una mayor resistencia mecánica
logrando así, mayor resistencia a los agentes químicos por poseer un menor
número de poros o vacíos; responsables de la pérdida de las características
requeridas.
Es aconsejable que los agregados no posean aristas salientes o no sean
lajosas, ya que darían lugar a puntos de concentración de tensiones dentro de
la masa de hormigón, llevándolo a una posterior fisuración.
La granulometría contínua mejora la consistencia, pero no manifiesta cambios
en la resistencia. Una aumento de la resistencia se logra también con una
mejor calidad de los agregados, como así también en la forma que tengan.
Agregados rendondos mejoran la trabajabilidad, frente a aquellos que muestran
formas más irregulares.
Por otro lado, los agregados triturados mejoran la resistencia, pero disminuyen
la consistencia debido al mecanismo de traba que se presenta por fricción entre
las superficies de los mismos.
Para el caso que estamos estudiando, estrcuturas que deben poseer
estanqueidad y durabilidad adecuada, la correcta selección de granulometrías,
es tendiente a disminuir la porosidad, minimizando de esta manera la
permeabilidad, factor limitante de las condiciones de proyecto establecidas.
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Formulación Empleada y uso de Aditivos
Los parámetros más importantes en la formulación empleada son la relación
agua/cemento, y contenido total de cemento.
Para obtener una baja permeabilidad es necesario definir correctamente las
realciones antes establecidas.
La cantidad de agua a utilizar en la mezcla, queda definida por la relación agua
cemento (a/c). Un aumento de la cantidad de agua en la mezcla, mejora la
trabajabilidad de la pasta, pero tiene efectos desfavorables sobre la resistencia
debido a un aumento de la porosidad capilar y por lo tanto de la permeabilidad
obteniéndose un producto de menor durabilidad.
Desde el punto de vista de la resistencia, lo más aconsejable sería trabajar con
relaciones a/c lo más bajas posibles, pero los valores mínimos están
condicionados por aspectos económicos y de trabajabilidad, pudiendo llegar en
el mejor de los casos a un valor mínimo de 0.35 sin presencia de aditivos
fluidificantes.
En lo que se refiere a la cantidad de cemento total utilizada para un hormigón
con características particulares, se define el peso de cemento por m3 de
hormigón elaborado.
Los reglamentos definen las cantidades mínimas de cemento a ser utilizadas.
Como ejemplo el reglamento CIRSOC 201 estableceque un hormigón debe
tener como mínimo 280 KgCº/m3 Hº. Sin embargo, los valores para la
elaboración de Hormigones de alto desempeño, se fija un mínimo de 350 a 400
KgCº/m3 Hº.
Un hormigón que posea valores elevados en el contenido de cemento,
garantiza un adecuado nivel de resistencia, logrando así disminunir las
dimensiones de las secciones resistentes, como así también las cantidades de
acero necesarias cuando se proyectan estructuras de hormigón armado.
Cuando se requiere variar algunas de las propiedades de tanto de las mezclas
frescas como del producto endurecido, se puede recurrir a la utilización de
aditivos. Existen diversos tipos de aditivos que permiten obtener características
particulares como ser variación de los tiempos de fraguado, mejora de la
trabajabilidad, cambios en la fluidez, etc.
Los aditivos son incorporados al hormigón en el momento de su elaboración.
Se puede citar a modo de ejemplo, aditivos tales como, aceleradores de fragüe,
incorporadotes de aire, superfluidificantes, retardadores de fregüe, etc.
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Incorporación de Aire:
Se ha comprobado que a diferencia del aire accidentalmente incluido en el
hormigón, la incorporación de aire en forma intencional mejora la calida del
hormigón en cuanto a reducir su permeabilidad y a atenuar los efectos de
congelamiento y deshielo, actuando de forma altamente beneficiosa sobre la
durabilidad del hormigón.
Estas mejoras son debidas a que las microburbujas del aire incorporado
interceptan los conductos capilares formados al evaporarse el agua del
hormigón fresco.
La incorporación de aire tiene efectos benéficos hasta un máximo en el que la
influencia va dismunuyendo. La bibliografía indica que los valores de aire a
incorporar, respecto del total del volúmen de hormigón, rondan entre el 4% y
6%.
Hormigón sin Aire Incorporado
Hormigón con Aire Incorporado
Micro burbujas
de Aire
Para analizar la influencia del aire incorporado en el comportamiento del
hormigón se debe utilizar el llamado factor de espaciamiento. Este se define
como el promedio de las máximas distancias medidas desde cualquier punto
de la pasta, hasta el borde de un vacío de aire.
Los valores del factor de espaciamiento medidos en función de la resistencia al
congelamiento y deshielo, están comprendidos entre 0,2 a 0,3 mm.
Durante el proceso de incorporación de aire, se debe controlar que los
espaciamientos se encuentren entre los valores mencionado, como así también
que la cantidad de aire incorparada no sea excesiva, obteniéndose burbujas de
tamaños comprendidos entre los 0,5 mm y 1,25 mm de diámetro.
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Superfluidificantes:
Son utilizados para darle a la mezcla una consistencia plástica, blanda y/o
fluida según se requiera, sin aumentar la relación a/c (debido a la necesidad de
incorporar mayor cantidad de agua), lo que provocaría en ese caso una
disminución de la resistencia y también la durabilidad.
Los superfluidificantes son muy efectivos en la defloculación y dispersión de las
partículas de cemento, son aditivos altamente eficientes cuando se utilizan
adecuadamente. Por medio de ellos es posible:
•
Mejorar la trabajabilidad del hormigón sin adición de agua, ya que
existe un efecto de lubricación de los agregados.
•
Dispersar las partículas del cemento de tal forma que los
hormigones puedan fabricarse usando menos agua de la necesaria
para una completa hidratación de la pasta.
•
Se pueden producir pastas de cemento hidratado lo suficientemente
estables y densas para unirse fuertemente a los agregados y al
acero de refuerzo para producir un material compuesto muy
resistente.
•
Hacer hormigones tan densos que pueden ser más resistentes y
durables que muchas rocas naturales.
Hay que tener presente que el uso de superfluidificantes puede producir
incompatibilidades, debido a que incorpora en la pasta un nuevo componente
químico de naturaleza orgánica, no obstante su empleo es en muy bajas
concentraciones.
Armaduras de Refuerzo
Los aceros utilizados en estrucruras de hormigón armado, deben garantizar un
adecuado grado de resistencia. Existen diferentes tipos y calidades
dependiendo de la metodología de su fabricación.
La utilización del tipo de acero adecuado, de la utilización de la sección
resistente especialmente calculada y del correcto diseño de la armadura
permitirán que éstas no sean un factor causante de una disminución de la
durabilidad.
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Para establecer los parámetros mínimos de los aceros a utilizar, existen en el
mundo diversas normas destinadas a fijar las condiciones de calidad y
resistencia requeridas para cada tipo de estrucutras.
Las características de las barras utilizadas en estructuras construidas y
proyectadas en nuestro país, están definidas por la Norma CIRSOC 201.
3
4
5
Alambres
Barras de acero
Mallas de acero
de acero
DESIGNACION DEL
ATR 500 P AM 500 AM 500 P
AL 220
ADN 420
ACERO (***)
ATR 500 N
L
AM 500 N
ELABORACION DEL
Laminado en
Dureza
Dureza natural
Dureza mecánica
ACERO
caliente
mecánica
Alambres
Alambres
Perfilados
Perfilados
CONFORMACION
Alambre
(P)
(P)
Lisa ( L )
Nervurada ( N )
SUPERFICIAL
s lisos
Nervurado
Nervurados
s (N)
(N)
DESIGNACION
IV AP y IV
IV MP y IV
I
III DN
IV ML
ABREVIADA
AN
MN
1 Diámetro nominal mm
6 - 8 - 10 - 12 –
6 - 8 - 10 - 12
(**)
(d )
16
4 a 12
4 a 12
- 16
3 - 3,4
20 - 25 - 32 –
20 - 25
40
2 Límite de fluencia MPa
mínimo
220
412
490
490
490
(Re, Rp 0,2)
3 Resistencia a la
Mpa
tracción mínima
340
500
550
550
550
(R)
4 Alargamiento
%
porcentual de
18
12
6
6
6
rotura, mínimo
( A10 )
5 Resistencia al
kN
corte de las
0,175
--------0,15 Smáx.
----------------uniones soldadas
Smáx.
(*)
en las mallas
(*)
mínima
6 Diámetro del
mm
d < 25 3,5 d
mandril de
2d
4d
4d
4d
d = 32 5,0 d
doblado. Angulo
d = 40 7,0 d
de doblado 180°
FORMA DE UTILIZACION
EN OBRA
1
2
Tabla 4 Ref. Cirsoc 201
Diseño, dimensiones de recubrimiento, construcción.
colocación, compactación y terminado de las superficies.
Elaboración,
El diseño y la construcción de las estructuras de hormigón son de gran
importrancia, ya que influyen notablemente en la durabilidad requerida.
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En cuanto al diseño, es importante definir desde el inicio cuáles serán las
solicitaciones en servicio.
Una de las características más importantes a tener en cuenta relacionada con
la durabilidad a definir en la etapa de diseño, es la dimensión que debería
tener el recubrimiento de las armaduras.
Las dimensiones y calidad del recubrimiento (covercrete) estarán íntimamente
ligados a la durabilidad. Es de suma importancia conocer parámetros tales
como velocidad de difusión de especies químicas agresivas, porosidad y
permeabilidad del recubrimiento al momento de establecer el espesor mínimo
en el diseño.
El valor máximo del recubrimiento se fijará evitando que el hormigón se
desprenda por falta de adherencia con las barras de acero.
En la etapa de construcción, se deben tener presente todos los aspectos que
hacen a la elaboración y colocación del hormigón fresco, como así también las
condiciones de curado del hormigón endurecido.
La elaboración debe ser uniforme con la finalidad de obtener un hormigón
homogéneo y con iguales propiedades en toda su masa.
Los diferentes pastones también deben poseer entre sí la misma consistencia y
trabajabilidad durante la colocación del hormigón fresco.
La colocación, debe ser realizada de manera tal, que se eviten segregaciones
de los componentes, las que de suceder provocarían una inhomogenidad en la
masa de hormigón, dando como resultado zonas de menor resistencia y mayor
permeabilidad.
Para ello, es necesario que el colado del hormigón se haga a distancias
cercanas al punto de colocación, lo que evita la separación entre los áridos y la
pasta de cemento durante la caída. Las diferentes coladas deben ser de
espesor menor o igual al elemento utilizado para el vibrado.
La compactación tiene como finalidad darle mayor compacidad a la mezcla, de
este modo se obtendrá una adecuada densidad del hormigón fresco,
produciendo un hormigón menos permeable y por lo tanto más durable.
Existen diferentes métodos para este fin, pero actualmente el más efectivo es
uso de vibradores, ya que permiten ser usados aún en zonas de difícil acceso.
En cuanto a la terminación superficial, ésta debe ser de la mejor calidad
posible, la que se logra con el uso de encofrados con superficies lisas y en
buen estado. Los encofrados metálicos cumplen con estas características. De
este modo se evita poseer superficies muy rugosas, mal terminadas y con
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oquedades que de producirse permitirían la acumulación de sustancias o sales
que puedan ser nocivas a futuro para la durabilidad del hormigón.
Curado
El curado es una etapa muy importante durante el proceso de fragüe.
Durante el curado se debe mantener la cantidad de agua necesaria, de modo
que que se evite su evaporación, favorecida por el calor generado durante las
reacciones exotérmicas de hidratación de los compuestos del cemento. Si la
reacción exotérmica es lenta, dará como resultado un aumento de la red
capilar, en cambio si la reacción es brusca, dará lugar a la formación de fisuras
observables a simple vista.
La aparición de fisuras como resultado de un curado defectuoso, hace que
exista una disminución en la resistencia, aumentando la porosidad e
incrementando al mismo tiempo la permeabilidad. Todos estos efectos
adversos hacen que los hormigones obtenidos posean baja durabilidad.
Los tiempos necesarios para el curado, deben ser tenidos en cuenta para que
el hormigón desarrolle una resistencia adecuada. Durante los primeros 7 días,
se debe prestar atención a que bajo ninguna circunstancia, haya ausencia de
agua, ya que durante estos primeros días se desarrolla la resistencia temprana.
El proceso de curado debe seguir llevándose a cabo aproximadamente hasta
los 25 a 30 días, tiempo en que desarrolla el 90% de la resistencia total del
hormigón.
4.2 Factores Externos
Erosión.
La erosión es uno de los factores externos que menos influencia tiene en
nuestras estructuras ya sólo estarán expuestas durante la fase operativa, pero
durante su etapa de asilamiento, dado que estarán totalmente cubiertas, no van
ser influenciadas por este factor de degradación. No obstante debido a la vida
de servicio muy prolongada que poseen, se debería considerar que otros
fenómenos erosivos producidos por acción del agua podrían alterar su
integridad.
Como condiciones de diseño tendientes a mejorar el comportamiento, se deben
realizar hormigones con relación a/c bajas y favorecer el uso de agregados de
elevada dureza.
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El tamaño de los agregados debería ser de un tamaño adecuado, tendiendo a
los de mayor diámetro sin superar los 20 mm aproximadamente. Esto se debe
a razones de trabajabilidad, evitando los inconvenientes de segregación por
quedar retenidas partículas gruesas en los entramados de las armaduras.
Muchos de los ensayos que demuestran la aptitud de los hormigones a resistir
la acción erosiva, se basan en la pérdida de peso y espesor. Existen numeroso
ensayos normalizados, como ser el ensayo ¨ Los Angeles¨, de los que no se
darán detalles debido a que excede los alcances del presente trabajo.
Especies Químicas Agresivas.
Los agentes químicos externos son de vital importancia en lo que se refiere a
su composición y modo de reaccionar con los diferentes componentes del
cemento.
El estudio de cómo degradan las estructuras de hormigón, y cómo se pueden
minimizar sus efectos, y en el mejor de los casos evitarlos, es un tema que al
día de hoy, se estudia con profundidad por diversos laboratorios en el mundo.
En el presente trabajo, se dará una breve introducción de cómo actúan algunos
de los agentes químicos, para entender posteriormente los mecanismos en los
que se basan los métodos de ensayo y las normas de aplicación.
Los agentes químicos agresivos que se tratarán serán:
•
•
•
Carbonatación
Acción de los Sulfatos.
Acción de los Cloruros.
Proceso de Carbonatación:
Para dar una explicación a este fenómeno, se tomará como base el trabajo
publicado por Luis Fernández Luco, Corrosión por carbonatación. Espesor y
Calidad del Recubrimiento.
El proceso de carbonatación es de suma importancia desde el punto de vista
de su acción sobre el hormigón y la consecuente corrosión de las armaduras.
El hormigón posee un pH fuertemente básico (cercano a 12.5), el que provee
una película protectora a las armaduras frente al fenómeno de corrosión,
debido a que las barras de acero en estas condiciones se encuentran
pasivadas.
Bajo estas condiciones, el conjunto estructural, Hormigón + Acero, es decir el
hormigón armado, posee una elevada durabilidad durante largos periodos de
tiempo, si se han brindado las propiedades de resistencia e impermeabilidad
adecuadas.
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Sin embargo el problema patológico del Hormigón Armado que se presenta con
mayor frecuencia es el de corrosión de las armaduras. Este fenómeno se ve
favorecido por acción de la carbonatación.
Durante el proceso de hidratación del cemento Portlan, se forman silicatos de
calcio hidratados, responsables de la resistencia e hidróxido de calcio
(portlandita), que es quien brinda el pH básico al hormigón.
Cuando el hormigón toma contacto con el CO2 presente en el aire, el Ca (OH)2
se combina con el CO2 para dar como resultado CaCO3, carbonato de calcio.
Esta reacción es la responsable de disminuir el pH a valores de
aproximadamente 9.
En estas condiciones se pierde el pasivado del acero que se encuentra inmerso
en la masa de hormigón, con lo que deja de existir la película protectora, y con
ello comienza la corrosión de las armaduras.
El óxido formado genera puntos de tensión localizados, que llevan a la
fisuración del hormigón cuando el valor de dichas tensiones, supera la
resistencia a la tracción del mismo.
Por esta razón, se debe minimizar el efecto de la fisuración al máximo posible,
logrando de esta manera disminuir el ingreso de contaminantes al interior del
hormigón. Es decir disminuir la vía de acceso de éstos a las armaduras.
Desde el punto de vista de la cinética de carbonatación, es un proceso mas o
menos lento, la observación del avance del frente de carbonatación, así
llamado el la bibliografía, se puede hacer mediante el uso de una solución de
fenolftaleína en alcohol, que muestra un color fucsia intenso en la zona NO
carbonatada.
Desde el punto de vista del diseño, es importante tener en cuenta el efecto de
la carbonatación en el recubrimiento de las armaduras, que es la zona mas
vulnerable bajo los efectos del aire circundante.
Ataque por Acción de Sulfatos.
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Dado que este trabajo pretende dar los lineamientos a seguir en la ejecución de
un ensayo acelerado debido a la acción de los sulfatos, se explicará con un
adecuado grado de detalle el efecto nocivo sobre estructuras de hormigón.
Los sulfatos se encuentran presentes como sales en suelos y como soluciones
en el agua subterránea, en las formas de sulfato de sodio, potasio, calcio y
magnesio, siendo esta última la más nociva para el hormigón.
El daño provocado al hormigón se produce cuando toman contacto las
soluciones de sulfato con los componentes de aluminato del cemento tales
como el C3A Hidratado.
Aún no se conocen los mecanismos precisos de degradación y a qué modelos
responden concretamente, no obstante existe innumerables trabajos de
investigación al respecto..
Existen diversas teorías respecto de los mecanismos de degradación que se
basan en aceptar que la formación de etringita es un proceso de hidratación
normal del cemento al inicio de las reacciones de hidratación cuando las fases
de aluminato tricálcico del cemento reacciona con el sulfato de calcio (yeso)
presente en el mismo.
Sobre la base de este concepto, la formación de etringita también podría tener
lugar en el hormigón maduro sometido a condiciones de humedad,
encontrándose las especies reactivas dentro de las cavidades o poros. Es un
proceso de hidratación llamado maduración de Ostwald.
Estudios recientes sugieren que el ataque por sulfatos puede degradar el
hormigón a causa de la descalcificación de C-S-H, que es el componente que
da mayor liga al cemento Portlan hidratado.
Acorde a este mecanismo propuesto de degradación, el Ca (OH)2 liberado por
la reacción de C-S-H, reacciona con los iones de sulfato soluble y
para
formar
etringita
monosulfoaluminato
(3CO.Al2O3.12CaSO4)
(3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O).
Debido a que el C-S-H se degrada, el módulo de elasticidad se reduce,
disminuyendo las tensiones requeridas para evitar la expansión y por lo tanto
se produce la fisuración.
Cualquiera sea el mecanismo adoptado para la formación de etringita, la forma
en que actúa sobre el hormigón es la misma. Es decir, la estringita llena los
poros de la pasta de cemento, al hidratarse aumenta su volumen generando
puntos de tensión localizados.
Si los valores de tensión desarrollados, superan a los valores de resistencia a
la tracción de la pasta endurecida ésta se fisura. El aumento paulatino de
fisuras, hace que este sea un fenómeno retroalimentado, debido a que las
fisuras generadas permiten el ingreso de nuevas cantidades se agua con
sulfatos en solución, que acelera el proceso de degradación.
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Cuando las estructuras deban estar inexorablemente sometidas a la acción de
los sulfatos, es muy importante el uso de cementos adecuados como los de
Alta Resistencia a los Sulfatos ARS.
Estos cementos están limitados en el contenido de C3A. Los valores máximos
permitidos son los siguientes.
MRS: Es un cemento al cual se le limita el contenido de C3A (aluminato
tricálcico) a valores menores o iguales al 8 % en masa
ARS: Es el cemento conocido como ARS. La norma IRAM limita el contenido
de C3A (aluminato tricálcico) a un máximo de 4 % en masa y la suma de C3A +
FAC4 (ferroaluminato tetracálcico) debe ser menor o igual a 22 %, calculados
teóricamente de acuerdo a la composición química.
El proyecto de Norma CIRSOC 201, establece el grado de ataque según el
contenido de sulfatos presentes.
Tabla: Agresividad del medio ambiente en función del contenido de sulfatos según Proyecto de
2actualización del CIRSOC 201 (sulfatos en agua y/o en suelo expresados como SO4 )
Grado
de ataque
En Agua:
Sulfatos solubles (mg/l)
En Suelos:
Sulfatos solubles (% en masa)
Moderado
150 a 1.500
0,10 a 0,20
Fuerte
1.500 a 10.000
0,20 a 2,00
Muy Fuerte
Mayor de 10.000
Mayor de 2,00
Otro factor a tener en cuenta es la forma en que las estructuras estarán
expuestas a la acción de los sulfatos, ya que el efecto del daño se verá
acelerado si se presentaran ciclos de humedecimiento y secado intensos
durante su vida útil.
En la observación de este efecto favorecedor del daño se fundamenta el
método de ensayo acelerado propuesto.
Un factor que influye en la mayor o menor degradación sufrida por la acción de
los sulfatos, es la cantidad de cemento presente por m3 de hormigón
elaborado. Estudios realizados por G.J Verbeck -Performance of Concrete University of Toronto Press lo demuestran en el siguiente gráfico.
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Gráfico: Efecto del C3A del cemento y del contenido de cemento del
hormigón.
Ensayos acelerados de deterioro de hormigón en sulfatos
(G.J Verbeck -Performance of Concrete - University of Toronto Press)
Acción de los Cloruros.
En el caso de que las estructuras de hormigón estén en presencia de aguas
que posean diversas formas de cloruros en solución como ser: Cl2Ca y Cl2Mg,
siendo este último el que causa mayor daño a las estructuras, deberá tenerse
en cuenta la disminución del pH del Hormigón, lo que implica la pérdida de la
película de óxido protectora que recubre las barras.
La reacción de los cloruros de Magnesio con el Ca (OH)2, viene dada como:
Cl2Mg + Ca (OH)2 ⇒ Mg(OH)2 + Cl2Ca
Esta película protectora al quedar eliminada, permite la corrosión de las barras
de acero, que aumenta progresivamente a medida que los cloruros van
reaccionando con los componentes del cemento. Los productos de la corrosión
de las barras provocan un aumento de volumen ejerciendo una presión sobre el
hormigón y provocando la fisuración del mismo.
La aparición de fisuras incrementa la permeabilidad del agua con cloruros
disueltos, lo que hace aún más vulnerable al hormigón armado como conjunto.
Otro efecto que trae aparejado la acción de cloruros, es la pérdida de
resistencia estructural, debido a que las armaduras reducen su sección
resistente, debilitando al conjunto estructural.
Ciclos de congelamiento y deshielo
El fenómeno se presenta en zonas dónde existe una amplitud térmica
considerable, alcanzando mínimos por debajo de los 0 °C o cercanos a él y
máximos que rondan los 30 °C.
El fenómeno producido por el congelamiento del agua y su posterior deshielo,
es muy perjudicial debido a que provoca un incremento de la fisuración del
hormigón.
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La fisuración ocurre cuando el agua que se encuentra en el interior de los
poros, alcanza temperaturas lo suficientemente bajas como para producir
cristales de hielo, los que al aumentar su volumen inducen tensiones en el
hormigón, provocando su posterior agrietamiento afectando la durabilidad.
Con la utilización de cementos adecuados y/o el empleo de aditivos especiales,
se pude lograr una mejora en el comportamiento de los hormigones frente a
estos ciclos térmicos.
Otros factores que afectan la durabilidad de los hormigones y que deben ser
tenidos en cuenta son las cargas mecánicas sufridas durante la vida de
servicio y el ataque de microorganismos, que si bien son mencionados en el
presente trabajo no serán tratados en detalle.
Todos los factores que intervienen en el desempeño de hormigones, se
resumen en la siguiente tabla 4.
Factores a controlar en la construcción
• Composición del Cemento
• Propiedades de los agregados
• Composición del Hormigón, particularmente
relación a/c
• Adiciones y Aditivos
• Armaduras de Refuerzo
• Práctica de construcción: pastones (batching),
mezclas, disposición y consolidación
• Curado.
• Composición del Cemento
Factores Medioambientales
•
•
•
•
•
•
•
Ciclo de Congelamiento y Deshielo.
Ataque de Sulfatos.
Ataque de Cloruros.
Ataque de Ácidos.
Lixiviación de Ca (OH)2.
Abrasión – erosión.
Biodegradación.
Tabla 4
5.
DESARROLLO DE UN ENSAYO ACELERADO PARA LA
DETERMINACIÓN DE EFECTOS DEBIDO A LA ACCIÓN DE LOS
SULFATOS SOBRE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN.
Para el desarrollo de la propuesta de ensayo acelerado, se ha recurrido a la
norma ASTM E 632 – 82 (Reaprobada en 1996). Esta norma da los
lineamientos generales que deberían utilizarse para realizar un ensayo
acelerado con la finalidad de predecir el comportamiento durante la vida de
servicio de componentes estructurales.
El objetivo de la norma es dar un perfil de predicción sistemático para la vida de
servicio, incluyendo la identificación de las características críticas de
desempeño y necesidades de información para el desarrollo del ensayo, la
interpretación de los datos y el informe de los resultados.
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Esta norma tiene implementado esquemáticamente un seguimiento de los
pasos a seguir para lograr una correcta ejecución de los ensayos. Fig.1
(diagrama)
Identificación de las características críticas de desempeño para ser utilizadas
como indicadores de degradación.
No obstante ser la durabilidad la característica más importante a tener en
cuenta, una de las propiedades que permite evaluar la calidad de un hormigón,
incluyendo su durabilidad, es su resistencia mecánica.
Una elevada resistencia mecánica mantenida durante toda la vida de servicio,
permite predecir una durabilidad por igual período.
La resistencia mecánica de un hormigón es dependiente de varios factores que
van desde la calidad y naturaleza de los componentes empleados como
materia prima, su formulación, su elaboración, colocación, terminación y
curado.
Otra de las propiedades a tener en cuenta es la permeabilidad al agua, no sólo
por ser ésta la vía de liberación de radionucleídos al ambiente, sino que es
también uno de los factores de degradación más importante especialmente
cuando lleva en solución especies reactivas.
Generalmente cuando un hormigón posee una alta resistencia mecánica
también posee una baja permeabilidad al agua, no obstante, no siempre se da
esta situación ya que se han encontrado hormigones con igual resistencia
mecánica y diferentes permeabilidades. Por lo tanto la permeabilidad al agua
es una propiedad importante que debe ser considerada cuando se evalúa su
calidad.
También la calidad del hormigón dependerá de su resistencia al ataque
químico de especies que, reaccionando con los componentes del hormigón
afectan su integridad por formación de productos de reacción expansivos o
solubles y también productos conducentes a favorecer la corrosión de las
barras de la armadura de refuerzo.
Si bien los estudios de emplazamiento de un futuro repositorio tendrán en
cuenta condiciones ambientales que favorezcan a la durabilidad de las
barreras, una propiedad que permite evaluar la calidad del hormigón es la
resistencia al stress provocado por el congelamiento y deshielo del agua de
poro. En particular esta resistencia deberá ser evaluada en la etapa de
construcción y operación del repositorio, período en el cual la estructura se
encuentra en superficie, no así en su etapa de aislamiento, en la cual
permanecerá cubierta.
Resumiendo entonces, las características críticas de desempeño para ser
utilizadas como indicadores de degradación de un hormigón serán las
siguientes:
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•
•
•
•
•
Resistencia mecánica
Permeabilidad al agua
Resistencia al ataque de agentes químicos
Resistencia a la corrosión de las armaduras de refuerzo
Resistencia al congelamiento y deshielo
5.1 Requerimientos de desempeño
Se considerará, para el presente ensayo, como requerimientos mínimos de
desempeño mantener la integridad de la estructura durante toda su fase de
servicio (operación y aislamiento), con iguales características de las
propiedades de resistencia mecánica, resistencia la corrosión química y de
armaduras, baja permeabilidad, baja porosidad, reacción negativa al álcali
agregado y resistencia a los sulfatos, que las obtenidas al inicio de su fase
operativa.
Los rangos de valores serán aquellos que al momento de la construcción hayan
sido obtenidos o prefijados en la etapa de diseño.
No obstante, y con el fin de lograr una definición que permita realizar una
evaluación de los resultados de los ensayos de durabilidad, se utilizarán como
indicadores de degradación, valores extraídos de los estudios anteriores y de la
bibliografía.
5.2 Caracterización de los componentes que intervienen e identificación
de los mecanismos de degradación
Se pueden identificar como componentes e interfases de las estructuras de
hormigón los siguientes elementos:
•
HORMIGON
•
INTERFASE BARRAS-HORMIGON
•
BARRAS DE REFUERZO
•
COBERTURA INTERNA HORMIGON
•
COBERTURA EXTERNA HORMIGON
Los factores que afectan la durabilidad de estos componentes y en
consecuencia la vida de servicio de la instalación de disposición final, se deben
considerar desde dos aspectos. Uno con relación al diseño y construcción de
las estructuras y otro considerando las características del sitio de
emplazamiento causantes de su degradación.
En el presente trabajo se ha considerado como propiedades a ser utilizadas
como indicadores de degradación a las mismas propiedades críticas de
desempeño para cada componente o interfase.
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La caracterización completa de los componentes y materiales a ser evaluados
se ha llevado a cabo en estudios anteriores y los resultados allí obtenidos son
utilizados en el presente trabajo. Los mecanismos de degradación, que
induzcan cambios en las propiedades antes mencionadas, son extraídos de la
bibliografía.
En la tabla 5 se muestra un ejemplo de una matriz que permite la identificación
de algunas de las propiedades que pueden indicar degradación para cada uno
de los componentes de la estructura.
Hormigón
Interface Barras de Refuerzo
Barras de Refuerzo
Cobertura Interna del Hormigón
Cobertura Externa del Hormigón
Tabla 5
En cuanto al tipo y rango de degradación, sus valores límites dependerán
lógicamente de las condiciones a la que estará expuesta la estructura y todos
sus componentes durante toda la vida de servicio para la cual se proyectó.
No obstante, en esta etapa se identificarán y cuantificarán los cambios
inducidos en los materiales y/o elementos que componen la estructura.
6. DESCRIPCION DEL ENSAYO ACELERADO PROPUESTO
El ensayo que a continuación se propone correponde a lo indicado como
pre - ensayo según la norma ASTM E -632-82. El pre – ensayo tiene como
finalidad demostrar de una manera rápida los cambios en las propiedades de
los diferentes componentes o materiales cuando son expuestos a niveles
extremos de degradación.
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Módulo de Rotura
Módulo de Elasticidad
Resistencia a la Tracción
Resistencia a la Flexiòn
Resistencia a la Compresión
Corrosión de barras de Acero
Cambio en las Diemsiones
Absorción Capilar
Permeabilidad
Absorción de Agua
Color
Descascaramiento
Cambios medidos
Aparición de Óxido superficial
Ampollamiento
Eflorescencia de Sales en sup.
Fisuración
Cuarteo Superficial
Apariencia General
Crecimiento de Micro - Organismos
Elementos a Analizar
Inspección Visual
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La propuesta de ensayo tiene como finalidad establecer una metodología que
permita obtener a corto plazo cuál es el rango de deterioro que produciría la
presencia de iones del sulfato del medio sobre las estructuras de hormigón en
condiciones desfavorables.
La ASTM establece dos métodos de ensayos acelerados, la norma ASTM
C452, “Standard Test Method for Potential Expansion of Portland Cement
Mortars Exposed to Sulfate”, y la ASTM C1012, “Test Method for Length
Changes of Hydraulic Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution”.
Ambos métodos han sido fuertemente criticados por diversos investigadores
debido a que muchos de los resultados obtenidos no manifiestan el
comportamiento real de los hormigones.
Las críticas efectuadas son mostradas en la Tabla 6.
Críticas
Referencia
• Las causas de la expansión no son determinadas por el Idorn, Johansen y
ensayo, además de no dar información de la formación de Thaulow (1992).
etringita durante su ensayo y la expansión.
• En la ASTM C452, la adición de sulfatos no es representativa Tumidajsky y Ture
de las condiciones reales de campo, ambas, ASTM C452 y (1995)
ASTM C 1012 son sensitivas también a la medida de las
probetas y la geometría adoptada.
• La ASTM C452 no es representativa de las condiciones de Metha
campo debido a que un inadecuado curado del cemento, (1974).
resulta en compuestos de cemento sin hidratar, los que están
siendo expuestos al ataque. El factor de fisuración no es
tenido en cuenta por ambas normas.
y
Gjorv
• Ambas normas de la ASTM, ignoran la condición del ataque
ácido de sulfatos, el cual es muy típico de las condiciones Metha (1975)
reales de campo.
• La composición del cemento afecta la tasa en la que se
consumen los iones de sulfato, introduciendo variaciones en Brown (1981)
la metodología de ensayo de la ASTM C 1012. El pH durante
el ensayo está entre 3 a 5 órdenes de magnitud diferentes de
las condiciones reales de campo. El ensayo de la norma
antes citada es prolongado, porque las cantidades de iones
de sulfato disminuyen en la solución durante el ensayo.
Ref: Departamento de Transporte de California, “Accelerated Test for Measuring Sulfate Resistance of Hydraulic
Cements for Caltrans LLPRS Program”.
Tabla 6
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Ambas normas correlacionan el daño provocado por acción de los sulfatos por
medio de la expansión de las probetas debido a la formación de etringita.
Por otro lado, Metha y Gjorv proponen en su metodología de ensayo, el uso de
la pérdida de resistencia a la compresión como una medida del daño debido a
la acción de los sulfatos.
Esta metodología de predicción se basa en que ambos investigadores
sostienen que la fisuración causada por la formación de etringita y su
consecuente expansión, así también como la pérdida de C-S-H, afectan
adversamente la resistencia a la compresión en el futuro.
Como base de esta propuesta, se ha tomado como modelo el método
propuesto por el Departamento de Transporte de California, “Accelerated Test
for Measuring Sulfate Resistance of Hydraulic Cements for Caltrans LLPRS
Program”.
Las modificaciones realizadas a la metodología de ensayo tomada como base,
se han realizado ajustándose también a las necesidades y requerimientos del
proyecto que nos ocupa.
La propuesta de ensayo planteada en este trabajo, adopta como parámetro de
medición del daño causado por la acción de sulfatos, la pérdida de resistencia
a la compresión. Además, en el ensayo se ha incorporado un factor adicional
relacionado con el envejecimiento propio de la etapa de operación de la
estructura, como es la aparición de micro-fisuración. Este estado de fisuración
podría representar condiciones extremas de las estructuras luego de un
período prolongado de servicio.
Además, para acelerar el proceso de degradación se propone someter a las
probetas a un ciclo de humedecimiento y secado de la superficie al aire. Este
fenómeno es observado en bases off- shore de torres de perforación para la
obtención de petróleo.
Las siguientes fotos muestran este fenómeno.
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Esta forma de determinar el efecto de los sulfatos, permitirá además
correlacionar los resultados obtenidos con el resto de los ensayos que
expresan diversas formas de comportamiento por medio de la resistencia.
Además, como se mencionó anteriormente, uno de los factores que más influye
en la durabilidad de las estructuras, es la resistencia a la compresión y la
invarianza de su valor en el tiempo.
Otra ventaja de establecer la correlación de los efectos por medio de esta
metodología, es que permite determinar la relación o grado de deterioro de las
probetas sometidas a un ambiente agresivo, frente a probetas que han sido
confeccionadas y ensayadas bajo condiciones normales.
Para el ensayo se utilizarán probetas cilíndricas de hormigón, confeccionadas
con el tipo de cemento previamente seleccionado en la etapa de la elaboración
de las estructuras de prueba.
Las dimensiones de la probeta son las siguientes:
15 cm
30 cm
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El número de probetas mínimo a utilizar en el ensayo será de 8 en cada etapa.
Los tiempos establecidos para las distintas etapas son:
• 7 días
• 14 días
• 28 días
• 60 días
Las condiciones de curado serán dadas en atmósfera normal (RH 100% y
25°C), de modo que las probetas sólo estén en contacto con ambiente
agresivo, en el momento del ensayo.
Una vez que las probetas han sido curadas, deben ser preparadas para
comenzar con el ensayo.
La preparación consiste en aplicar una pequeña carga de tracción, en un valor
igual al 30% de la resistencia a la tracción obtenida al ensayar las estructuras
de prueba.
El objetivo de aplicar esta carga, es provocar o inducir la formación de micro
fisuras que aceleren el ingreso de la solución de sulfatos.
Este grado de fisuración permite una mayor penetración de la solución, como
así también brinda una correlación más aproximadas con las condiciones de
servicio reales a largo plazo.
Una vez sometida la probeta a la carga mencionada, ésta será inspeccionada
con el fin de determinar el grado y tipo de fisuración. Para ello se realizará una
observación microscópica y se utilizará una técnica de medición apropiada a tal
fin.
Una vez que las probetas están en condiciones de ser sometidas a la acción de
los sulfatos, estas se sumergirán en una solución de Sulfato de Sodio al 4%
(NaSO4). De esta manera se logra acelerar los efectos, ya que las
concentraciones que establece la norma CIRSOC 201 para determinar el grado
de ataque, es inferior al valor a utilizar.
La Norma establece que para un grado de ataque “Fuerte”, los valores de las
concentraciones son:
•
Valores Límites de sulfatos contenidos en aguas en contacto con
estructuras de hormigón: mayor de 10.000 mg / Litro
•
Valores Límites de sulfatos contenidos en suelos en contacto con
estructuras de hormigón: mayor de 20.000 mg / Kg.
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Debido a que es necesario que el contacto de las probetas con la solución sea
total, las mismas van apoyadas sobre un soporte similar a una rejilla para que
la acción de los sulfatos sea uniforme en todas las caras.
El pH de la solución se mantendrá constante durante todo el ensayo, esto
permitiría obtener las mismas condiciones durante el ensayo que las que
existirían en la zona de emplazamiento durante la vida de servicio.
El valor de pH al que estarán sometidas las probetas será de 7.2. Valor
promedio de aguas subterráneas. Valores menores que este no se
presentarían en el lugar de emplazamiento, debido a que las condiciones de
proyecto limitan el emplazamiento de repositorios en zonas dónde puedan
existir medios agresivos ácidos.
Como se mencionó anteriormente, se propone además someter a las probetas
a un ciclo de humedecimiento y secado de la superficie al aire.
Este efecto hace que el daño por acción de sulfatos se acelere, ya que al
quedar la probeta con su superficie expuesta al aire (la que previamente ha
estado en contacto con la solución), tiene mayor vulnerabilidad al ingreso de
los sulfatos hacia su interior.
Se proponen ciclos de humedecimiento y secado de 24 Hs cada uno. El tiempo
de cada ciclo se fijado en función de razones prácticas y de operación de los
laboratorios.
Una vez que se ha concluido el periodo establecido para cada etapa de
ensayo, las probetas serán sometidas a ensayos de compresión.
La resistencia a la compresión deberá ser comparada con la resistencia
obtenida por los ensayos de resistencia estándar. Al misimo tiempo se
ensayarán probetas previamente traccionadas, logrando de esta forma obtener
una correlación completa de los resultados.
Los valores de la variación en la resistencia, serán tenidos en cuenta según la
siguiente expresión.
∆σb = (σ
σfinal - σinicial) / σinicial x 100
El valor de σinicial es el que corresponde a la resistencia a la compresión de las
probetas preparadas y de las ensayadas en condiciones normales,
correspondientes al ensayo a la compresión estandard.
El rango de tolerancia de ∆, será definido luego de establecer todas las
condiciones y valores límites de los factores de degradación. Los rangos
definidos serán utilizados como límites en el proceso de ensayo definitivo.
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Una vez definido el rango de los factores de degradación, se recurre a la
ejecución del ensayo acelerado según lo establecido por la ASTM E -632-82.
7. Alternativa propuesta para el Diseño de un Contenedor para albergar
18 bultos de residuos radiactivos acondicionados
Bajo el concepto de durabilidad e integridad estructural, el diseño de la
estructura juega un rol fundamental, ya que este es un factor de gran
relevancia.
Persiguiendo la finalidad de lograr estructuras estancas, de baja permeabilidad
y durables a lo largo del tiempo, la forma que deben ser calculadas y diseñadas
estas estructuras, obliga a la utilización de métodos avanzados de cálculo tanto
para la geometría como para la disposición de sus armaduras.
En este trabajo se ha diseñado, modelado y calculado un contenedor destinado
a alojar 18 bultos de residuos radiactivos acondicionados.
Para el análisis de carga, se ha estimado el peso de los bultos en 500 Kg. cada
uno.
500 Kg. x 18 bultos…………………………………………………………9000 Kg.
Peso Propio de la Tapa del Contenedor
0.35m x 2m x 2m x 2400 Kg./m3 ………………………………………… 3360 Kg.
Peso Propio del Contendor……………………………………………….. 15300 Kg.
Peso Total del Conjunto………………………………………………….27660 Kg.
Para el análisis estructural del contenedor se ha recurrido a la utilización de un
modelo de elementos finitos.
La estructura ha sido modelada en el programa SAP 2000 Non Linear,
mediante una discretización de elementos planos isoparamétricos de 4 nodos.
Los estados de carga han sido considerados de manera que sean
contempladas todas las situaciones posibles, ya sean las debidas a la forma de
disposición de los contenedores dentro de las celdas del repositorio, como así
también las situaciones correspondientes al izado del mismo.
Esta forma de abordar el análisis, permite conocer con precisión el valor y la
ubicación de puntos localizados de tensión.
A continuación se muestran algunos esquemas del modelo de elementos finitos
utilizado. Figura 2.
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Figura 2: Esquema del modelo de elementos finitos
utilizados
De todos los estados de carga considerados, el que presenta mayores
problemas desde el punto de vista tensodeformacional, es el que corresponde
al izado. Para esta operación, los contenedores son tomados de la parte
superior por una estructura metálica. De forma que existe una concentración de
tensiones en los bordes superiores. Este efecto se puede ver en las Figuras 3 y
4.
Figura 3: Tensiones en dirección vertical
durante estado de montaje [t]
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Figura 4: Tensiones en dirección horizotal
durante estado de montaje [t]
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El estado tensional mostrado por las figuras 3 y 4, determina los esfuerzos a
ser considerados en el cálculo de las armaduras. Es un estado biaxial de
tensiones, en dónde la tracción mayoritaria en las paredes del hormigón, obliga
confeccionar un adecuado esquema de armaduras.
Una propuesta, es el estribado de las esquinas en la zona de tracción elevada.
Esta decisión se ha adoptado con la finalidad de lograr una mayor adherencia
entre el hormigón y la barra de acero destinada a transmitir la carga de tracción
a la estructura de izado.
Otra propuesta de relevancia, es la forma en que se coloca la armadura
fondo y la continuidad que se le da en la pared.
Se observa que el diseño de la armadura es tendiente a confinar la zona
unión de la pared con el fondo, la que es muy vulnerable a la formación
fisuras, debido a que existen puntos localizados de tensión.
La fisuración o agrietamiento, provocaría una disminución de la estanquidad
los contenedores. Ver figura 5 y 6.
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Figura 5: Esquema de aramduras de fondo. La armadura interna (Rojo), provoca
debido a su configuración un confinimiento del Hº, evitando que se produzcan
fisuras en puntos localizados donde pueda existir tensiones de tracción.
BARRA PARA EL
MONTAJE
Figura 6: Esquema de aramduras de paredes y esquinas. Los estribos de las esquinas
y refuerzo diagonal (Rojo), mejoran la adherencia entre la barra destinada a soportar la
carga de montaje y el homigón que la rodea. De esta manera se minimiza la formación
de fisuras
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DEFINICIÓN DEL
PROBLEMA
Definir el nivel de desempeño,
Caracterizar los componentes
o materiales
Indicar los parámetros críticos de
perfomance y las propiedades que
puedan servir como indicadores de
degradación
Identificar el tipo y rango de los
factores de degradación esperada
incluyendo aspectos climáticos,
biológicos, de tensión,
incompatibilidad y factores de uso.
Indicar los posibles
mecanismos de degradación
Postular cómo serán las
características de degradación
durante la vida de servicio, que
pueden ser inducidas por un
Definir los requerimientos de
perfomance para el ensayo
predictivo de la vida de
servicio
PRE - ENSAYO
Diseño y perfomance preliminar del
ensayo acelerado para determinar la
rapidez de falla causada por aplicación
de factores de degradación extremos
para confirmar los mecanismos de
degradación.
ENSAYO
Diseñar y predecir el desempeño
durante la vida de servicio
utilizando los factores de
degradación, estableciendo el
grado de dterioro
Diseñar los ensayos de
desempeño a largo plazo
bajos condiciones de servicio.
Comaparar los tipos de
degradación obtenidos en
los ensayos durante la
vida de servicio y
mediante ensayos
¿Los cambios
inducidos por ensayos
predictivo de la vida de
servicio, son
representativos de los
cambios observados
en la realidad?
NO
SI
INTERPRETACIÓN E
INFORME DE LOS
RESULTADOS
Figura 1
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Desarrollo de modelos matemáticos de degradación y
comparar la relación de cambios entre ensayos predictive y
durante la vida de servicio.
Establecer criterios de desempeños para enayos predictive
Predecir la vida de servicio en función de la esperada.
Informe de los
Resultados
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8. Conclusiones
La propuesta de ensayo desarrollada, es una primera aproximación de la
metodología a emplear para obtener todos los resultados referentes a la acción
destructiva que tienen los sulfatos sobre las estructuras de Hormigón.
Dado los tiempos ofrecidos para la elaboración de este trabajo, no se ha podido
llevar a cabo el ensayo en forma experimental, pero sí se han tendido en
cuenta todos los detalles que intervienen.
No obstante, se sugiere realizar al mismo tiempo, ensayos que contemplen el
comportamiento durante la etapa operativa de vida de servicio, de modo que se
pueda establecer una correlación entre los ensayos acelerados y los resultados
que se vayan observando.
Además, en paralelo a este ensayo propuesto se hace necesario establecer la
influencia de todos los otros factores de degradación no contemplados en el
mismo, que pudiesen tener un efecto sinérgico, como así también tener en
cuenta que no siempre la suma de efectos independientes es igual o mayor en
daños que pudiesen producirse al analizar uno sólo de los factores de
degradación.
Es conveniente entonces basarse en la hipótesis que todas las combinaciones
posibles y los efectos producidos se han tenido en cuenta con el fin de
predecir el comportamiento y el nivel de prestación exigido. Sólo cuando ello
haya sido verificado mediante los ensayos correspondientes será posible
estimar la durabilidad de las estructuras.
Con relación a la propuesta de la alternativa de diseño para un contenedor para
albergar bultos de residuos radiactivos acondicionados, la misma fue realizada
con la intención de mejorar el comportamiento de dichos contenedores durante
las diversas etapas de su operación.
Se han propuesto configuraciones para el armado de las barras de refuerzo, de
modo que se minimice la posibilidad de formación de fisuras, como así también
se han adoptado espesores de recubrimiento con la finalidad de disminuir y
retrazar el avance de sustancias nocivas. El diseño elaborado cumple con los
requerimientos de resistencia y facilidades constructivas.
Ing. Rodrigo Malanca
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CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN APLICACIONES TECNOLÓGICAS DE LA ENERÍA NUCLEAR.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO – INSITITUTO BALSERIO – UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
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Ing. Rodrigo Malanca
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