Estructura del Hormigón Endurecido: Pasta de Cemento, Porosidad, Resistencia, Retracción, Fluencia y Durabilidad

Estructura del hormigón endurecido

Pasta de cemento hidratada: fase sólida (gel CSH, portlandita, aluminatos y sulfoaluminatos cálcicos hidratados, clínker sin hidratar).

Agua:

• Capilar: agua libre entre productos de hidratación del cemento.
• Adsorbida: en la superficie de los productos sólidos; es la responsable de la retracción por secado.
• Interlaminar: capas monomoleculares entre las láminas de CSH.
• Combinada: químicamente combinada en los hidratos; se pierde por descomposición térmica.

Huecos:

• Capilares: formados por la pérdida de agua libre; son de forma irregular y su tamaño depende del grado de hidratación y de la relación a/c. Son la causa principal de la baja resistencia a compresión y de la permeabilidad.
• De aire: constituidos por el aire incluido por los aditivos y por el aire atrapado durante el amasado; reducen la resistencia a compresión.
• Interlaminares: formados por la pérdida de agua interlaminar.

Zona de transición: de 10 a 50 nanómetros alrededor de los áridos, con acumulación de agua y cristales de hidratación de mayor tamaño cuanto mayor es la relación a/c. Es la parte mecánicamente más débil.

Áridos: determinan la densidad (convencional: 2200 a 2400 kg/m³; ligero: 500 a 2000 kg/m³; pesado: hasta 6000 kg/m³), el módulo elástico y la estabilidad dimensional del hormigón debido a sus características físicas.

Resistencia a compresión

Se ensayan probetas cilíndricas de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura, sometidas a esfuerzos de compresión sobre sus bases, en condiciones normalizadas.

Resistencia característica: valor estadístico determinado a partir de la resistencia media y de la desviación típica de los resultados experimentales obtenidos al romper una serie de probetas; es el valor superado por el 95 % de las probetas.

Los hormigones se clasifican según su uso y su resistencia característica: HM-20 a HM-50, HM-25 a HM-50 y HP-25 a HP-50.

Factores que influyen en la resistencia a compresión:

• Relación a/c.
• Condiciones de curado.
• Tamaño máximo, granulometría y tipo de árido.
• Dosificación y distribución del aire ocluido.
• Contenido, clase y tipo de cemento.
• Condiciones de fabricación, puesta en obra y compactación.

Áridos y resistencia a compresión: la resistencia de los áridos es mayor que la de la pasta. Las características de los áridos influyen en la resistencia de la zona de transición; a mayor tamaño máximo, menor resistencia. Este efecto es más sensible con una relación a/c menor.

Efecto de la temperatura

La hidratación del cemento es una reacción química que se produce más rápidamente a mayor temperatura. Una hidratación rápida dificulta la disolución de los granos de cemento, de modo que la hidratación no llega a completarse. A mayor temperatura, mayor resistencia a corta edad (las reacciones de hidratación son más rápidas); a larga edad, la mayor resistencia se obtiene con una temperatura aproximada de 13 ºC (CSH más uniforme).

Curado del hormigón

El cemento se va hidratando y se asume que llega a estar totalmente hidratado. Los componentes C3S y C2S del cemento se hidratan produciendo CSH. La humedad influye en la resistencia a compresión según las condiciones de curado.

Resistencia a tracción y flexotracción

La resistencia a tracción equivale al 7 a 11 % del valor de la resistencia a compresión. Es recomendable conocerla porque determina la fisuración debida a retracciones, la adherencia armadura-hormigón y el comportamiento ante esfuerzos de flexión. No se usa el ensayo de tracción directa.

El ensayo de flexotracción da una resistencia entre un 50 y un 70 % mayor que la de tracción directa.

Ensayo brasileño de tracción indirecta: en probetas de 15 x 30 cm, la resistencia resulta entre un 10 y un 15 % mayor que la de tracción directa (rotura por tracción indirecta).

Diagrama tensión-deformación y módulo de elasticidad

El hormigón tiene un comportamiento predominantemente no elástico. Para esfuerzos superiores al 30 % de la carga de rotura, la curva tensión-deformación deja de ser lineal. Etapas:

1. Tensión hasta el 30 % de la rotura: microfisuras estables en la zona de transición. Recta en el diagrama; comportamiento elástico.
2. Tensiones del 30 al 50 %: inicio de microfisuras en la pasta de cemento hidratada (PCH). Ligera desviación de la recta en el diagrama.
3. Tensiones del 50 al 75 %: crecimiento y proliferación de microfisuras en la PCH y en la zona de transición. Gráfica claramente curvilínea.
4. Tensiones superiores al 75 %: las microfisuras se unen hasta formar grietas que rompen el material. La curva tiende a un máximo.

Módulos: para cálculos estructurales se utiliza el módulo estático de elasticidad, que corresponde a una carga del 40 % de la rotura. Se calcula mediante fórmulas y su valor varía entre 20 y 30 GPa. Para estudiar el comportamiento ante impactos se utiliza el módulo dinámico.

Factores que influyen en el módulo de elasticidad estático:

• A mayor velocidad de aplicación de la carga, menores deformaciones y mayor módulo de elasticidad.
• A mayor módulo de elasticidad del árido, mayor módulo del hormigón.
• A mayor cantidad de árido, mayor módulo del hormigón.
• A mayor edad, mayor módulo del hormigón.

Retracciones

Retracción plástica

Debida a la pérdida de agua libre por evaporación cuando el hormigón está en estado plástico, antes del fraguado y endurecimiento. Aumenta al aumentar el contenido de cemento y con las condiciones ambientales (calor y viento) que favorecen la evaporación del agua superficial.

Retracción térmica

Debida al restablecimiento del equilibrio térmico entre la temperatura que el hormigón ha adquirido al absorber parte del calor desprendido en la hidratación y la temperatura ambiental.

Factores que la determinan:

• A mayor calor de hidratación, mayor retracción.
• A mayor contenido de cemento, mayor retracción.
• A mayor contenido de adiciones, menor retracción.
• A mayor contenido y mejores tipos de áridos, menor retracción.
• Cuanto más grueso es el bloque de hormigón respecto a la superficie, mayor retracción.
• Cuanto mayor es la diferencia de temperatura (gradiente), mayor retracción.

Retracción por secado

Causada por la evaporación y pérdida del agua adsorbida en la PCH.

Factores que la determinan:

• Cuanto más baja es la humedad relativa ambiental, mayor retracción.
• Más áridos respecto al cemento y mayor tamaño máximo disminuyen la retracción.
• Cuanto más grueso es el elemento respecto a la superficie, menor retracción.
• Los aditivos y adiciones actúan según su tipo.
• Más cemento y más agua, mayor retracción.

Fluencia

Es la deformación, bajo carga constante, que se produce con el tiempo. El hormigón tiene un comportamiento viscoelástico: deformación elástica y deformación más viscosa. La fluencia es inversamente proporcional a la resistencia a compresión en el momento de aplicar la carga, y está relacionada con el movimiento del agua absorbida.

Factores: los mismos que la retracción por secado, y además:

• Mayor tensión aplicada, mayor fluencia.
• Cuanto más viejo es el hormigón, menor fluencia.
• Mayor temperatura durante el tiempo de carga, mayor fluencia.

Normalmente, los hormigones sufren gran retracción y también fluencia. Ambos efectos actúan a la vez. Con una relación a/c constante, un incremento del contenido de cemento reduce la fluencia pero incrementa la retracción.

Durabilidad

Es la capacidad del hormigón para mantenerse en servicio durante el tiempo para el que ha sido proyectado.

Causas de fallo: interacción con el medio e causas internas. En el hormigón armado se distingue la degradación del propio hormigón y la pérdida de capacidad de protección de la armadura.

Procesos de degradación

Todos intervienen con el agua. Se consideran el tamaño y la interconexión de los poros y, en cuanto a los mecanismos de transporte, la permeabilidad, la difusión y la succión capilar.

Transporte: tres fluidos pueden dañar el hormigón: el agua pura o con iones agresivos, el CO₂ y el oxígeno. El transporte depende de la permeabilidad, ya que un buen curado reduce el coeficiente de difusión; hay que tener cuidado con la retracción. Es preciso conocer las características del medio.

No ignorar los mecanismos de defensa: la carbonatación genera CaCO₃, que densifica la matriz; el efecto tampón de la alcalinidad del líquido de los poros mantiene un pH en torno a 9 a 13 frente a acciones moderadas. Existe dificultad para modelizar todas las variables y hacer predicciones de vida útil.

Durabilidad y permeabilidad: dependerán de la impermeabilidad. Son necesarios: relación a/c baja, contenido de cemento alto (mínimo 400 kg/m³), áridos con granulometría total que dé la compactación máxima, puesta en obra adecuada (sin segregación ni exudación), curado vigilado y prolongado, evitar la retracción térmica y por secado, y porosidad con poros no interconectados.

Ensayo de permeabilidad: determinación de la profundidad de penetración de agua bajo presión. El valor máximo admisible es de 5 cm y la media de 3 cm.

Ensayo de absorción superficial: a 10 min (0,5 ml/m²s es alto; 0,15 es bajo) y a 2 h (0,15 es alto; 0,07 es bajo).

Mecanismos físicos que disminuyen la durabilidad

Acciones mecánicas (desgaste):

• Abrasión: partículas sólidas transportadas por el aire.
• Erosión: partículas sólidas transportadas por el agua.
• Cavitación: impacto por explosión de burbujas de aire en líquidos a altas presiones que circulan por tuberías de hormigón.

Se produce pérdida de masa por rozamiento o impacto.

Cristalización de sales: la repetición de ciclos de mojado-secado de la estructura de hormigón con aguas ricas en sales (mar, rompientes de olas) provoca acumulación de sales en los poros, lo que puede llegar a fisurar el hormigón.

Hielo-deshielo: el agua en los poros sometida a presión (mayor cuanto menor es el diámetro del poro) se congela a una temperatura inferior a la correspondiente a 1 atm. Primero se congelan los poros de gran diámetro; los cristales de hielo formados en poros grandes impiden la expansión del agua en los más finos, y se crea en ellos una sobrepresión que puede llevar a la fisuración. La presión en los poros depende de la velocidad de enfriamiento, del grado de saturación y de las burbujas que interrumpan los capilares.

Precauciones: usar cemento con adición de puzolanas, dar pendientes que mejoren la evacuación del agua, usar áridos no heladizos, la relación a/c más baja posible y un curado cuidadoso.

• Sales de deshielo: si las sales penetran, existe posibilidad de corrosión; los gradientes de concentración de sales provocan zonas congeladas y otras no, con la consiguiente fisuración.
• Acción del frío: el agua al pasar a hielo aumenta más del 9 % de volumen; muchos ciclos producen fisuración por efecto fatiga.
• Descenso rápido de temperatura durante el fraguado y edades tempranas (fc menor de 5 MPa): produce fisuración. Antes del fraguado puede volver a vibrarse para lograr homogeneidad.

Altas temperaturas (fuego):

• 100 ºC: sale el agua libre.
• 200 a 300 ºC: pérdida completa del agua capilar.
• 400 ºC: pérdida del agua de CSH adsorbida e intersticial; comienza a pasar el Ca(OH)₂ a CaO; aparecen las primeras fisuras.
• 600 ºC: expansión desigual de áridos y pasta; comienza la disgregación. Los calizos tienen la expansión más baja; cuanta más sílice, mayor expansión. Se produce descarbonatación (CaCO₃ a CaO más CO₂); el CO₂ alrededor del árido actúa como aislante térmico.

Si la temperatura es menor de 500 ºC puede haber rehidratación y recuperación (hasta el 90 % de la resistencia en 1 año).

Precauciones: áridos calizos o ligeros, alta resistencia a tracción, poca humedad, y cementos y adiciones que fijen el Ca(OH)₂.

El incendio produce: evaporación del agua retenida y descomposición de los hidratos (durante mucho tiempo). Los hidratos son fuertemente endotérmicos, lo que impide el aumento rápido de la temperatura del hormigón. Su baja conductividad térmica se opone al avance rápido del aumento de temperatura a través del hormigón.

Mecanismos químicos que disminuyen la durabilidad

Causas externas: iones agresivos como cloruros y sulfatos, CO₂, y gases o líquidos industriales o naturales.

Reacciones de disolución: disolución de componentes del hormigón por lixiviación, o por reacciones químicas que transforman los productos en otros más solubles. La portlandita es soluble en aguas puras. La reacción de neutralización con aguas ácidas forma sales solubles. La pérdida de alcalinidad inestabiliza los CSH, que se van disolviendo.

Ataque de aguas ácidas: el hormigón es atacado por líquidos de pH menor de 6,5; el ataque es severo con pH menor de 5,5. Concentración de CO₂ de 30 a 60 mg/l (90 mg/l, muy severo). El agua mineral con CO₂ disuelve el Ca(OH)₂ (erosión superficial). La lluvia ácida tiene un pH de 4 a 4,5 (erosión del hormigón). Las aguas domésticas (alcalinas) no dañan el hormigón, pero sí las cloacas a temperaturas altas. Resiste el ataque microbiológico gracias al pH alto (el ácido nítrico sí ataca al hormigón).

Solución: usar adiciones de escorias de altos hornos, puzolanas (que fijan el Ca(OH)₂) o humo de sílice.

Reacciones con formación de productos expansivos

Ataque por sulfatos: los sulfatos de aguas y suelos reaccionan con la portlandita (yeso) y con el aluminato cálcico hidratado, formando etringita. La etringita también puede producirse al reaccionar con el C3A no reaccionado. Con los productos nuevos hay aumento de volumen, lo que puede producir fisuración, pérdida de resistencia y disgregación del hormigón.

• Sulfato de sodio: ataca al Ca(OH)₂.
• Sulfato de calcio: ataca solo al CAH formando etringita (expansión y fisuración, pérdida de resistencia por pérdida de cohesión en la pasta de cemento hidratada y pérdida de adhesión entre pasta y áridos).
• Sulfato de magnesio: ataca a los CSH, también al Ca(OH)₂ y al CAH (destrucción de los CSH).

Solución: minimizar el contenido de C3A, usar cemento resistente a los sulfatos (SR), reducir el Ca(OH)₂ mediante adiciones de escorias de altos hornos o puzolanas, y fabricar hormigón denso e impermeable. En casos muy severos, adición de puzolanas o escorias de altos hornos al cemento SR. El humo de sílice es beneficioso por su permeabilidad, pero su efecto sobre la resistencia de la pasta al ataque de sulfatos no está claro.

Reacción álcali-árido:

• Álcali-sílice: los cationes alcalinos (Na⁺, K⁺), que se encuentran como álcalis (procedentes de arena de mar o de desierto), en presencia de un pH alto (OH⁻ elevado) reaccionan con la sílice (SiO₂) reactiva que contienen algunos tipos de áridos (ópalo, calcedonia). Se forma un gel de silicatos de sodio y potasio que absorbe agua y se expande, fisurando el hormigón. Solución: puzolanas, que reducen la permeabilidad del hormigón y, por tanto, la movilidad de los agentes agresivos.
• Álcali-dolomítica: los áridos dolomíticos reaccionan con los álcalis del cemento formando Mg(OH)₂ (brucita) y Na⁺. La brucita tiene poca adherencia y aumenta la porosidad en la zona de transición pasta-árido, lo que provoca microfisuración que puede llevar a la disgregación del hormigón.

Corrosión del acero dentro del hormigón: el hierro de las armaduras que se oxida se transforma en óxido de hierro, que se forma en la superficie y provoca aumento de volumen, fisuración y desprendimiento del recubrimiento de hormigón que lo protege del aire (acelerando la corrosión). El hormigón, con pH de 12 a 13, forma una capa de óxido superficial de micras de grosor que protege el interior. Causas de oxidación: la acción de los cloruros que atraviesan la capa pasiva, y la carbonatación (reacción del Ca(OH)₂ con el CO₂), que reduce el pH, hace desaparecer la capa pasiva, y el O₂ del aire húmedo oxida el acero.

CaO y MgO libres: componentes cristalinos que, con el agua, se convierten en hidróxidos con gran expansión. Se encuentran en el clínker por mala dosificación del crudo y por adiciones de cenizas volantes.

Reacciones de intercambio catiónico: intercambio de los cationes Ca²⁺ de los CH y CSH por otro catión químicamente más estable pero que no es aglomerante. Puede haber intercambio de cationes en el caso del Mg²⁺, que reacciona con la portlandita y con los CSH.

Acción del agua de mar

Iones sulfatos y magnesio: los sulfatos producen expansión; los cloruros disminuyen la intensidad de la agresión al formar la sal de Friedel, menos expansiva que la etringita.

• Exposición aérea (5 km de costa, ambiente IIIa): la humedad alta con presencia de sales marinas puede producir agresión de tipo químico (humedad marina con cloruros), hielo-deshielo y acción del aire (O₂ y CO₂).
• Sumergido permanentemente (ambiente IIIb): el Mg²⁺ y el CO₂ del agua de mar dan Mg(OH)₂ y CaCO₃, que se depositan en los poros y en las fisuras superficiales, retrasando la penetración de la agresión hacia el interior (Mg²⁺, SO₄²⁻, Cl⁻, Na⁺, poco O₂).
• Sumergido temporalmente (mareas, rompeolas, ambiente IIIc): agresión química por sumersión y agresión física (abrasión, erosión, cristalización de sales y hielo-deshielo). El desgaste rompe la capa protectora producida en la primera fase del ataque químico, y el proceso se acelera.

Hormigón armado

Las armaduras van recubiertas por el hormigón. Si las barras están bien distribuidas y presentan buena adherencia con el hormigón, refuerzan la resistencia a tracción y disminuyen las fisuras de retracción. A la vez, el hormigón protege con su recubrimiento a la armadura frente a la corrosión (pH de 12 a 13). Su baja conductividad térmica retrasa y disminuye el efecto de las altas temperaturas, protegiendo a la armadura en caso de incendio. Ambos materiales tienen coeficientes de dilatación del mismo orden. La adherencia mejora manteniendo las armaduras limpias, usando barras corrugadas y vibrando con cuidado.

Hormigón pretensado

Armaduras activas: cables tensados que someten al hormigón a compresión antes de cargarlo. Hay dos métodos:

• Pretensado: se tensan los cables, se hormigona y, una vez endurecido el hormigón, se sueltan los cables, produciendo compresión.
• Postensado: se colocan las vainas, se hormigona y, cuando se está endureciendo, se tensan las barras, produciendo compresión en el hormigón.

Ventajas del pretensado frente al armado: reduce el volumen, aumenta la durabilidad por ausencia de fisuras, produce deformaciones más pequeñas y tiene muy buena resistencia a la fatiga.

Desventajas: es sensible a la corrosión bajo tensión; la rotura es difícil de prevenir porque no hay deformación previa; requiere materiales de alta resistencia, más caros; y puede producirse relajación con el tiempo.

Aceros

Propiedades. Ensayo a tracción: curva tensión-deformación (zona elástica, zona plástica, existencia o no de cedencia). Se calculan el límite elástico, el módulo elástico, la resistencia a tracción, el alargamiento de rotura y la ductilidad.

Ensayo de doblado-desdoblado: cuantifica el comportamiento de las barras frente a esta solicitación.

Ensayo de resiliencia y tenacidad: determina la resistencia al impacto (ensayo de péndulo de Charpy).

Ensayo de dureza: el más habitual es el de Brinell.

Comportamiento del acero en servicio: fluencia, variación con la temperatura y resistencia a la fatiga.

Mecanismos de corrosión

El acero se corroe por un mecanismo electroquímico de pilas. El oxígeno en presencia de humedad es el principal oxidante. Se produce hidróxido ferroso, de color verdoso; con más oxidación se forma óxido ferroso-férrico, negro, y después hidróxido férrico, rojizo. En ausencia de suficiente oxígeno no se forma óxido expansivo, ya que no puede desarrollarse la formación de hidróxido férrico. La transformación del hierro metálico en óxido supone un incremento de volumen del 600 % respecto al metal, y es la principal causa de expansión y fisuración del hormigón.

El hormigón protege las armaduras pasivas y activas mediante un recubrimiento poco permeable al oxígeno y a la humedad. Por su pH mayor de 12, si se carbonata se reduce el pH y se produce la oxidación.

Carbonatación

Definición: el CO₂ en presencia de humedad reacciona con el cemento hidratado. La cantidad de CO₂ es mayor en zonas urbanas e industriales, y en túneles. A mayor CO₂, mayor carbonatación; es mayor con relación a/c alta. El CO₂ con Ca(OH)₂ da agua y CaCO₃ (que ocupa más volumen que el Ca(OH)₂). Es importante en el cemento Portland.

Efecto de la carbonatación: reduce el pH del agua pura de 12,6-13,5 a 9. Cuando todo el Ca(OH)₂ está carbonatado, el pH es 8,3, lo que produce corrosión de las armaduras.

El acero embebido en la pasta de cemento hidratada forma una lámina pasiva que le da protección suficiente: se forma en la superficie del acero una capa protectora de Fe₂O₃ de espesor pequeño. Esta lámina pasiva se mantiene con el pH alto del agua pura en contacto con el hormigón. Si el pH baja, se presenta la corrosión por oxígeno y humedad.

La difusión del CO₂ es menor en agua. Si hay poca humedad, el CO₂ no reacciona con la pasta de cemento. La carbonatación máxima se produce con humedad relativa del 50-70 %.

Factores que influyen en la carbonatación: la difusividad depende del tipo de cemento, de la relación a/c y del grado de hidratación.

• Cemento con cenizas volantes: reacciona con Ca(OH)₂ y hay menos cantidad de Ca(OH)₂; se necesita menos CO₂ para reaccionar con todo el Ca(OH)₂ (la carbonatación es más rápida).
• Hormigón con cenizas volantes: el producto de reacción de SiO₂ y Ca(OH)₂ es muy denso, con baja difusión; necesita buen curado.
• Cemento SR: la profundidad de carbonatación es un 50 % mayor que en el cemento tipo I (menor recubrimiento).
• Cementos aluminosos: no se puede producir Ca(OH)₂, sino CAH₁₀ y C₃AH₆. Reaccionan con el CO₂ produciendo CaCO₃ y gel de alúmina, con menor resistencia que los hidratos.

Aspectos positivos: el CaCO₃ ocupa más espacio que el Ca(OH)₂ y rellena los poros.

Iones cloruro

Los iones cloruro destruyen la capa pasiva del hierro y producen corrosión localizada tipo picadura. Son especialmente graves en armaduras activas (pretensado), en armaduras sometidas a tensión, y favorecen la propagación rápida de fisuras (corrosión bajo tensión), que puede llevar al colapso.