La permeabilidad del hormigón es un elemento que es clave para determinar la durabilidad del material y, por lo mismo, la vida útil que tendrá la obra. Establecer este parámetro resulta fundamental si se quiere definir un proyecto con una vida útil a 100 años. En ese sentido, ¿cómo hacerlo cuando se utilizan con hormigones con materiales cementosos suplementarios? ¿Cómo se comportarán ante las distintas pruebas de permeabilidad? ¿Qué factores considerar? Este artículo, basado en la presentación “Predicting Concrete Permeability for Service Life Models”, que el Dr. Bruno Fong-Martínez realizó en un congreso del American Concrete Institute (ACI), entrega detalles sobre la predicción de permeabilidad en estos hormigones y cómo establecer modelos de predicción de vida útil sobre estos.
Sin dudas, una de las características que más se destaca del hormigón en cuanto a materialidad constructiva es su durabilidad, que determina en definitiva la vida útil que tendrá la estructura fabricada con el material. Este aspecto resulta fundamental para el diseño de infraestructura que pueda resistir, por ejemplo, los efectos del cambio climático, que involucren temperaturas o eventos climáticos extremos.
Asimismo, si bien la durabilidad del hormigón -y la vida útil de la infraestructura- se puede determinar y establecer durante la fase de diseño del proyecto, en áreas costeras este aspecto debe considerarse de manera especial. Los ataques de cloruros pueden llegar a afectar al material y a su armadura de refuerzo, acelerando procesos de corrosión del acero y repercutiendo finalmente en una menor vida útil de los elementos.
En ese aspecto, la permeabilidad del hormigón resulta un elemento clave para determinar la durabilidad del material. En ese sentido, establecer parámetros que permitan predecirla a través del uso de modelos de determinación de vida útil de infraestructura de hormigón armado, permitirá garantizar la durabilidad del hormigón a largo plazo.
De esta manera, Bruno Fong-Martínez, Ph.D en ingeniería civil de la University of Texas at Austin, presentó un interesante desarrollo en el que se resalta la importancia que posee el factor permeabilidad en la construcción con hormigón y la manera de determinarla a través de distintos modelos de determinación de vida útil de infraestructura. Junto con eso, destaca el uso de hormigones con materiales cementosos suplementarios (MCS), los que tendrían otras características a la hora de abordar las implicancias de este importante factor en la vida útil de la infraestructura de hormigón armado.
¿A qué nos referimos cuando hablamos de permeabilidad del hormigón?
La concepción de permeabilidad se refiere a la capacidad que posee un material para permitir que un fluido lo atraviese sin alterar su composición o estructura interna. Si el material en cuestión permite que el fluido pase en una cantidad considerable, en un tiempo dado, entonces hablamos de un material permeable. Por el contrario, si la cantidad es despreciable, se dice que el material es impermeable.
¿Cómo se aplica ese concepto al hormigón? Según explica el Doctor Fong-Martínez, la permeabilidad se refiere a la capacidad que tiene el material de permitir el paso de líquidos y gases a través de su matriz. Este atributo es fundamental, dice, porque “determina la facilidad con la que los agentes agresivos (por ejemplo, agua con cloruros) pueden penetrar el hormigón y causar deterioro”.
De esta forma, el experto explica que la relación entre la permeabilidad y la corrosión de la armadura de acero dentro del hormigón es directamente proporcional: entre más alto sea ese índice, mayor es el riesgo de corrosión del acero de refuerzo, ataque de sulfatos, reacción de alcalí-agregado y la penetración de cloruros, lo que finalmente se traduce en que puede llevar a un deterioro temprano de la estructura.
Corrosión y ataque de sulfatos: los enemigos de la permeabilidad
Si bien se establecen el ingeniero nombra una serie de afectaciones que puede tener el hormigón si posee una permeabilidad alta, destaca en particular lo que se produce cuando se corroe la armadura de refuerzo del hormigón o cuando el material se ve afectado por el ingreso de sulfatos a su matriz.
En el caso de la corrosión de las armaduras de refuerzo del hormigón, fenómeno que ocurre por el ingreso de agua y oxígeno que, en presencia de cloruros, aceleran el proceso de corrosión, el profesional destaca que un bajo índice de permeabilidad actúa como una “barrera protectora, minimizando la penetración de los agentes corrosivos y prolongando la vida útil”. En ese sentido, comenta que, en laboratorio, un hormigón con relación agua-cemento de 0.4 tenía una profundidad de penetración de cloruros de 10mm a los 28 días de exposición.
Por su parte, cuando menciona el ataque de sulfatos, el profesional apunta a que se trata de otro aspecto que afecta negativamente a la durabilidad del hormigón. “Los sulfatos, que están presentes en el suelo o en aguas subterráneas, pueden reaccionar a los componentes del cemento, provocando expansión y agrietamiento”, dijo. En ese sentido, un hormigón con baja permeabilidad limita la entrada de sulfatos, disminuyendo los riesgos por ese tipo de afectación.
Pruebas que determinan la permeabilidad del hormigón
Dada la importancia que posee el concepto de permeabilidad en la determinación de la vida útil de la infraestructura construida con hormigón, el Doctor Fong-Martínez abordó una serie de métodos para determinar su valor. Estas pruebas son las siguientes:
- Prueba rápida de penetración de cloruros (RCPT). Este método determina la profundidad a la que penetran los cloruros en el hormigón, luego de un periodo de exposición, midiendo la conductividad eléctrica del material. Según explica el experto, se trata de una prueba directa y cuantitativa de la capacidad del hormigón para resistir la entrada de los cloruros. Asimismo, destaca que es particularmente útil para la evaluación de infraestructura en ambientes marinos o donde se utilicen sales de deshielo, donde la penetración de cloruros es una preocupación principal.
- Permeabilidad del agua. Se evalúa aplicando presión de agua directamente sobre una muestra de material, midiendo la cantidad de líquido que lo atraviesa. Al igual que la prueba anterior, este método brinda una medida directa de la capacidad del hormigón para resistir la penetración de agua bajo presión.
Además de estas pruebas que el experto define como “directas”, ya que se ejecutan sobre el hormigón, existen otro tipo de métodos que el profesional cataloga como “indirectos”, que corresponden a los siguientes:
- Resistividad eléctrica. Se trata de una medida indirecta de la permeabilidad del hormigón, ya que la resistividad del material es inversamente proporcional con la permeabilidad: una alta resistividad indica una baja permeabilidad. El profesional subraya que es una prueba rápida y que puede utilizarse como ensayo no destructivo (END) y que puede aplicarse tanto in situ como en laboratorio, transformándose en una herramienta eficiente para evaluar la durabilidad del hormigón. Por ejemplo, hormigones analizados en laboratorio baja relación agua-cemento, mostraron resistividades superiores a 20 kΩ·cm, lo que señala una baja permeabilidad.
- Ensayo de absorción capilar. Esta prueba mide la cantidad de gua que el hormigón puede absorber por capilaridad. Se trata de un método útil para evaluar la capacidad de absorción de agua, en ausencia de presión externa, que tiene el hormigón y de acuerdo con lo que presentó el Doctor Fong-Martínez, proporciona un indicador de permeabilidad superficial. Por ejemplo, en una muestra de hormigón curado adecuadamente, la absorción capilar resultó inferior a 0.1 kg/m²·h^0.5, lo que sugiere una baja permeabilidad superficial.
¿Qué puede afectar a la permeabilidad del hormigón?
La existencia de varios métodos, ya sean director o indirectos, para medir la permeabilidad del hormigón demuestran también que este valor del material puede verse influenciado por una serie de diversos factores los que, en definitiva, pueden afectar a la vida útil de la infraestructura.
En ese sentido, el experto comenta que la relación agua-cemento es uno de los ítems más importantes que pueden afectar a la permeabilidad del hormigón. “Una menor relación agua-cemento produce una matriz de hormigón más densa y menos porosa, reduciendo así la permeabilidad”. Sin embargo, el Doctor Fong-Martínez recomienda equilibrar esa relación para asegurar una trabajabilidad adecuada y llegar así a la resistencia requerida.
Los tipos de cementos y de aditivos también pueden afectar a la permeabilidad del hormigón. Por ejemplo, los cementos de alta resistencia inicial o con alto contenido de finos forman una matriz más densa y, por lo tanto, menos permeable. El uso de adiciones como puzolanas, cenizas volantes, humo de sílice y otros como materiales cementosos suplementarios, también pueden reducir la permeabilidad del hormigón. El uso de aditivos plastificantes también puede afectar a la permeabilidad, pero su efecto suele ser menor.
Por último, la compactación y el tiempo de curado también son elementos para considerar en la permeabilidad del hormigón. Una buena compactación saca el aire del hormigón, reduciendo su porosidad lo que, a su vez, disminuye su permeabilidad. Por su parte, un curado adecuado asegura que el hormigón alcance su máxima densidad y resistencia, reduciendo su permeabilidad. Un curado insuficiente resulta en una matriz más porosa y, por lo tanto, más permeable, destaca.
Otros factores que pueden afectar a la permeabilidad del hormigón son los tipos de agregados, la presencia de microfisuras y la edad del material. Respecto a los primeros, aquellos áridos con formas angulares o rugosas producen hormigones menos permeables. Por otro lado, la presencia de microfisuras aumenta la permeabilidad del material y, en último lugar, a mayor edad del hormigón su permeabilidad aumenta, ya que se produce carbonatación y descalcificación.
Pese a esto, el Doctor Fong-Martínez destaca que la permeabilidad del hormigón no es una propiedad uniforme y que puede variar en diferentes partes de una estructura, ya sea por la segregación del material o por la presencia de vacíos de aire.
Modelos de predicción de vida útil y permeabilidad
La importancia de conocer la permeabilidad del hormigón es un elemento fundamental para, en este, determinar la vida útil de estructuras de hormigón armado. En ese sentido, el aplicar modelos que permitan predecir este factor y su impacto en el desempeño final de las estructuras, permite que se puedan planificar de mejor manera los proyectos, especialmente en ambientes hostiles para el hormigón.
El Doctor Fong-Martínez comenta que existen modelos predictivos, los que utilizan datos empíricos para “estimar la permeabilidad del hormigón en función de variables como la relación agua-cemento, el tipo de cemento y la presencia de adiciones y aditivos”. Añade que este tipo de modelos permiten predecir cómo variará la permeabilidad a lo largo del tiempo y bajo escenarios ambientales cambiantes.
Por otro lado, los métodos de simulación de vida útil evalúan el impacto de la permeabilidad en la duración de una estructura de hormigón armado. Estas simulaciones consideran elementos como la carga de cloruros, exposición a sulfatos y las condiciones de humedad para su análisis, lo que brinda una evaluación integral de la vida útil esperada.
Siguiendo esa línea, el Doctor presentó dos modelos: uno, basado en la ecuación de Fick (modelo predictivo), que justamente utiliza parámetros como la permeabilidad, el coeficiente de difusión de cloruros, la concentración de cloruros en el ambiente y el espesor de la cubierta de hormigón para determinar la vida útil de la estructura, y otro, basado en el coeficiente de envejecimiento (simulación de vida útil).
Hormigones con materiales cementosos suplementarios y un nuevo concepto de vida útil
Determinar la permeabilidad del hormigón e incorporar ese factor a los modelos de predictibilidad de vida útil de las estructuras de hormigón, son esenciales a la hora de diseñar obras que puedan cumplir con los requisitos de durabilidad y desempeño que establecen los mandantes.
En ese sentido, para el Doctor Fong-Martínez resulta fundamental incorporar las mediciones de permeabilidad en las fases iniciales del proyecto, permitiendo así diseñar mezclas hormigón adecuadas y ajustar las técnicas de curado que, como menciona anteriormente, son factores que pueden incidir en este valor.
De la misma forma, los datos que se obtengan de los modelos predictivos, sean estos matemáticos o de simulaciones, se pueden utilizar para desarrollar especificaciones técnicas que aseguren una baja permeabilidad y, por consiguiente, una mayor durabilidad de la obra.
En este caso, tanto el cálculo de la permeabilidad del hormigón como el uso de modelos predictivos son atingentes a materiales “tradicionales”. ¿Qué pasa cuando, por ejemplo, se usan hormigones que contengan escoria de alto horno o cenizas volantes como MCS? ¿De qué forma se comporta la permeabilidad de dichos hormigones? ¿Disminuye la durabilidad de los proyectos?
El profesional presentó tres casos de estudio realizados proyectos ejecutados con hormigones con cenizas volantes y hormigones con escoria, cuyos resultados brindan luces respecto a cómo desarrollar análisis de permeabilidad y modelos predictivos cuando se determinan obras con estos hormigones.
Casos de estudio
El uso de materiales cementosos suplementarios -también denominados materiales cementantes suplementarios- para la producción de hormigón obedece a razones de sustentabilidad, ya que al utilizar este tipo de materiales, que usualmente son puzolanas, cenizas volantes, escorias de alto horno siderúrgicas o humo de sílice, se logran mitigar las emisiones de CO2 asociadas a la producción del clínker al reemplazar parcialmente a esta materia prima que es esencial para la generación del cemento. Otro aspecto que se asocia a los MSC es que, por sus características, se busca realzar ciertos atributos del hormigón en cuanto a resistencia, durabilidad u otro factor.
El profesional comenta que, en el primer caso de estudio, se analizó un proyecto en que se utilizó hormigón con cenizas volantes. “Los datos de este proyecto, que es lo que denomino un ‘megaproyecto’ porque es considerable en términos de presupuesto y recursos, son de hace un par de años”, destacó.
La idea en este proyecto fue utilizar hormigones con cenizas volantes como MCS para asegurar una vida útil de 100 años. Los resultados de los análisis mostraron que mientras más alto es el porcentaje de cenizas volantes, “mayor es el valor de Alfa (coeficiente de envejecimiento que modela la rapidez con la que disminuye la permeabilidad)”. Ese valor se determina normalmente en pruebas a los 28, 56 y 90 días, y luego es posible extrapolarlo a 100 años, explica el profesional.
El otro estudio que presentó el Doctor Fong-Martínez se realizó a un proyecto que utilizó escoria como MCS. “En este proyecto, sabíamos de antemano que la resistividad del hormigón era muy pobre. Sin embargo, este valor mejora paulatinamente con el paso de los meses”, comentó. Ante esta variabilidad, el experto dice que, para este tipo de hormigones, la resistividad no se puede considerar como una medida precisa para determinar la permeabilidad del hormigón con escoria.
Por último, el ingeniero realizó una comparación en coeficientes de envejecimiento obtenidos a través de distintas pruebas de permeabilidad del hormigón, principalmente, la prueba de penetración de cloruros, de resistividad y de migración. En estos análisis, se evidenciaron diferencias en los coeficientes de envejecimiento lo que, a juicio del experto, sugiere que no existe una prueba “correcta” para medir la permeabilidad del material.
Desarrollando nuevas técnicas y apostando a la investigación continua
Tomando en cuenta la comparación de los coeficientes de envejecimiento, el ingeniero reveló que existe una “gran desconexión entre las pruebas de migración y la de resistividad para medir la permeabilidad del hormigón con escoria, aunque luego de 56 días se genera una paralela entre ambos métodos, pero existe algo que la prueba de resistividad no captura”. Por lo tanto, basado en estos hallazgos, recomienda utilizar las pruebas de penetración rápida de cloruros y de migración para hormigones con escoria.
Asimismo, destaca que, para mejorar aún más la permeabilidad del hormigón, es recomendable utilizar hormigones que consideren tanto cenizas volantes como escoria ya que se mejoran los valores tanto de resistencia como de permeabilidad, lo que incide directamente en una vida útil más prolongada de la infraestructura presente este tipo de material.
Con esta información, el Doctor Fong-Martínez considera que es factible establecer criterios de diseño para estructuras de hormigón armado que tengan una vida útil de 100 años. La aplicación de distintas pruebas de permeabilidad y su incorporación a los métodos de diseño por vida útil, utilizando factores como el coeficiente de envejecimiento, permiten generar nuevos modelos que obedezcan a ese fin.
En ese mismo sentido, para el ingeniero tanto el diseñar estructuras con una vida útil de 100 años, como también, que estas se ejecuten con hormigones que contengan materiales cementosos suplementarios -cenizas volantes y escorias, como en los casos de estudio- ayuda a reducir el impacto ambiental que tiene la producción del material, disminuyendo tanto el uso de recursos naturales como su huella de CO2 durante todo el ciclo de vida, además de tener beneficios tanto en los costos ya que sería infraestructura con una baja mantención.
Por lo pronto, para el ingeniero es de suma importancia continuar con las investigaciones en el campo de la permeabilidad del hormigón. En ese sentido, para el Doctor Fong-Martínez las claves para ello se encuentran en el establecimiento de estándares que permitan predecir la permeabilidad del hormigón para una vida útil a 100 años, desarrollar la investigación de compatibilidad de las distintas pruebas de permeabilidad para los diferentes materiales cementosos, con especial énfasis en los métodos eléctricos, refinar los métodos de prueba ya existentes para medir la permeabilidad con precisión y, por último, establecer criterios de control de calidad in situ adecuados, que se basen en métodos de prueba confiables.
