Efectos del CO2 ambiental sobre la carbonatación de hormigones elaborados con distintos cementos

Abstract

Las propiedades de durabilidad del hormigón armado se deben a la protección que el hormigón de recubrimiento confiere a las barras de acero. Además, de ser una barrera física que dificulta el ingreso de agentes agresivos, posee una elevada alcalinidad que origina una capa pasivante sobre la superficie del acero que lo mantiene inalterado mientras no se modifiquen esas condiciones. La elevada alcalinidad del hormigón se debe fundamentalmente a hidróxidos de calcio, sodio y potasio, formados durante la hidratación del cemento. Procesos naturales químicos o físicos pueden causar la disminución de la alcalinidad del hormigón. La reacción química de las fases disueltas con el CO2 atmosférico, denominada carbonatación, produce una disminución del pH, la cual, si llega a alcanzar la armadura, puede dar lugar a la destrucción de la capa pasiva del acero y a la corrosión generalizada del mismo. El principal producto de la reacción de carbonatación es el carbonato de calcio, el cual, por su estabilidad hasta temperaturas por encima de los 600°C, fija el CO2 de manera irreversible en condiciones normales de presión y temperatura. La circulación del agua a través del hormigón endurecido origina la lixiviación de los productos hidratados cálcicos disminuyendo también así la alcalinidad, fenómeno físico. La carbonatación del hormigón depende de factores vinculados a las características del hormigón y a las del medio ambiente de exposición, en particular la concentración atmosférica de CO2. Por su parte la constante variación de la composición de los cementos como de las condiciones del medio, principalmente el aumento de las emisiones de CO2, originan una mayor complejidad para la predicción de vida útil mediante modelos matemáticos. En Argentina numerosos estudios han demostrado que existe un porcentaje elevado de estructuras de hormigón afectadas por corrosión, siendo la carbonatación la causante en la mayoría de los casos. Numerosos estudios procuran avanzar en la predicción de la vida útil de estructuras de hormigón, algunos analizan la relación entre la carbonatación natural del hormigón y la corrosión del acero, proponiendo varios modelos (probabilísticos, estadísticos, analíticos, etc.) para predecir el avance del frente de cambio de pH, la mayoría de los cuales están centrados en el proceso de difusión de CO2. En Argentina, la patología más frecuente en estructuras de hormigón es la corrosión por carbonatación. De acuerdo con la clasificación del Reglamento CIRSOC 201 para ambientes de exposición que pueden ocasionar patologías de corrosión, la mayor parte del territorio argentino se encuentra dentro de la clasificación de corrosión por carbonatación a excepción de la costa atlántica que se clasifica como ambiente marino, corrosión por cloruros aunque también hay carbonatación. El proceso de carbonatación posee una velocidad lenta por lo cual resulta complejo obtener resultados a corto plazo en laboratorio para evaluar las distintas variables incluidas en los modelos. En los últimos años se emplean métodos acelerados de carbonatación existiendo criterios dispares en cuanto a las condiciones de ensayo particularmente la concentración de CO2, parámetro que se incrementa para acelerar el proceso, el estado higroscópico de las muestras, percentil de humedad del ensayo, duración del ensayo, etc. dificultándose así la comparación de los resultados con los obtenidos en ambiente natural. A nivel local el empleo de métodos acelerados para la calificación de hormigones o de sus materiales componentes es muy frecuente; el ensayo de barras de morteros o prismas de hormigón para la determinación de la expansión por la reacción potencial de álcalis del cemento y la sílice de los agregados (RAS), el ensayo de estabilidad en inmersión en etilenglicol de agregados basálticos, la migración de cloruros y el ensayo de succión capilar, son empleados entre otros. Se ha demostrado que el comportamiento de estructuras de hormigón sometidas a condiciones reales de agresividad no se relaciona linealmente con los resultados obtenidos en los ensayos acelerados, por lo tanto, los métodos acelerados pueden ser válidos para la aceptación del material, pero no para su rechazo. Los resultados obtenidos han permitido comprender que los efectos del CO2 ambiental en hormigones elaborados con distintos cementos están vinculados fuertemente con la formación de CaCO3 a partir del Ca(OH)2 y el CSH. Dependiendo de la razón a/mc y la Ralc, el CO2 comenzará a agotar la Ralc, por ello cuanto menor sea el contenido de Ralc mayor será la profundidad en hormigones con a/mc y resistencia a compresión similares. Se obtuvo la validación del método de carbonatación acelerada bajo determinadas condiciones de ensayo, permitiendo correlacionar la velocidad acelerada (Kac) con la del proceso natural (Kn). Esto permitirá establecer los recubrimientos de hormigón mínimos de acuerdo al tipo de cemento empleado para alcanzar la vida útil de diseño. Particularmente en Argentina el ensayo de carbonatación acelerada puede adoptarse como ensayo prestacional como lo son el de la reacción álcali sílice (RAS), el de estabilidad frente al etilenglicol, la migración de cloruros, la velocidad de succión capilar, etc.

Durability properties of reinforced concrete are important because the protection that the concrete confers to the steel bars. In addition, being a physical barrier that blocks the entry of aggressive agents. Concrete has a high alkalinity that creates a passivating layer on the surface of the steel that keeps it unchanged as long these conditions are not modified. The high alkalinity of concrete is mainly due to calcium, sodium and potassium hydroxides, formed during the hydration of the cement. Natural chemical or physical processes can cause that the alkalinity decrease of concrete. Chemical reaction of dissolved phases with atmospheric CO2 called carbonation produces a decrease in pH, which, if it reaches the armadura, can lead to destruction of the passive layer of the steel and widespread corrosion of the steel. The main product of the carbonation reaction is calcium carbonate. Its stability up to temperatures above 600 ° C, fixes CO2 irreversibly under normal conditions of pressure and temperature. The circulation of water through the hardened concrete causes the leaching of calcium hydrated products, reducing alkalinity, and this is a physical phenomenon. Concrete carbonation depends by factors related to the characteristics of the concrete and the exposure environment, in particular the atmospheric concentration of CO2. On the other hand, the constant variation of the cements composition and the environmental conditions, mainly the increase in CO2 emissions, rise to a greater complexity for the prediction of useful life using mathematical models. In Argentina, numerous studies have shown that there is a high percentage of concrete structures affected by corrosion, being carbonation the cause in most cases. Numerous studies seek to advance in the prediction of the useful life of concrete structures. Some analyze the relationship between the natural carbonation of concrete and the corrosion of steel, proposing various models (probabilistic, statistical, analytical, etc.) to predict the penetration front of pH, where in the most cases are focused on the CO2 diffusion process. In Argentina, the most frequent pathology in concrete structures is carbonation corrosion. According to the classification of the CIRSOC 201 Regulation for exposure environments that can cause corrosion pathologies, most of the Argentine territory is within the carbonation corrosion classification except for the Atlantic coast that is classified as a marine environment, corrosion by chlorides although there is also carbonation. Carbonation process it is with slow speed, this is why it is difficult to obtain short term results in laboratory to evaluate the different variables included in the models. In recent years, accelerated carbonation methods are used, and there are disparate criteria regarding the test conditions, particularly CO2 concentration, parameter that needs to be increased to accelerate the process. In addition, the hygroscopic state of the samples, percentile of test humidity and duration of the test, etc. making difficult to compare the results with those obtained in a natural environment. At the local level, the use of accelerated methods for the qualification of concrete or component materials is very frequent. An example of these tests are: the test of mortar bars or concrete prisms for the determination of the expansion by the potential reaction of alkalis of the cement and the reactive aggregates (ASR), the ethylene glycol immersion stability test of basalt aggregates, the diffusion of chlorides and the capillary suction test, among others. It has been shown that the behavior of concrete structures subjected to real aggressive conditions is not linearly. This is because these results are obtained in accelerated tests, but accelerated methods can be useful for the validation of the material but not for its rejection. The results obtained have made it possible to understand that the effects of environmental CO2 in concretes made with different cements are strongly linked to the formation of CaCO3 from Ca (OH)2 and CSH. Depending on the a/mc ratio and the Ralc, the CO2 will begin to deplete the Ralc, therefore the lower the Ralc content the greater the depth in concretes with a/mc and similar compressive strength. Validation of the accelerated carbonation method was obtained under certain test conditions, allowing the accelerated speed (Kac) to be correlated with that of the natural process (Kn). This will allow to determinate the minimum concrete cover according to the type of cement in concordance with the design useful life. Particularly in Argentina, the accelerated carbonation test can be adopted as a prescriptive test, such as the alkali silica reaction (ASR), the stability against ethylene glycol, the diffusion of chlorides, the speed of capillary suction, etc In addition, the results obtained have clarified some of the relationships between the deep carbonation profile and the combination of the CO2, phenomenon than not always happen together. Similar amounts of CO2 adsorbing during the carbonation process could be correlated by different deeps that depend of the relative humidity, the time, the concentration of the CO2 ambient, the w/mc ratio and the type and content of cement (alkali reservation).