Edgar Atilio Soriano Sorto
Cuando un hormign o mortero est expuesto a dixido de carbono se
origina una reaccin que produce carbonatos; esta reaccin es
acompaada por contraccin. Virtualmente todos los elementos
constitutivos del cemento prtland hidratado son susceptibles de
carbonatacin. Los resultados pueden ser beneficiosos o
perjudiciales, dependiendo del tiempo, la tasa y la extensin de la
carbonatacin y del ambiente al cual est expuesto el cemento. Por
otra parte, una carbonatacin intencional durante su produccin puede
mejorar la resistencia, dureza y estabilidad dimensional de los
productos de hormign. Sin embargo, en otros casos la carbonatacin
puede provocar el deterioro y una disminucin del pH de la pasta
cementicia, provocando la corrosin de las armaduras prximas a la
superficie. La exposicin al dixido de carbono (CO2) durante el
proceso de endurecimiento puede afectar la superficie acabada de
las losas, dejando una superficie blanda, polvorienta y menos
resistente al agua. El uso de calefactores sin ventilacin o la
exposicin a los gases de escape de las maquinarias o de otras
fuentes durante el proceso de endurecimiento puede producir
superficies altamente porosas susceptibles a los ataques qumicos.
La fuente de CO2 puede ser la atmsfera o bien agua que transporta
CO2 en disolucin. La reaccin del cemento prtland hidratado con el
CO2 del aire es generalmente un proceso lento (Ludwig 1980). Este
proceso depende fuertemente de la humedad relativa ambiente, la
temperatura, la permeabilidad del hormign y la concentracin de CO2.
Las mayores tasas de carbonatacin se producen cuando la humedad
relativa se mantiene entre 50 y 75%. Para humedad relativa menor
que 25%, el grado de carbonatacin que ocurre se considera
insignificante (Verbeck 1958). Si la humedad relativa es mayor que
75%, la humedad presente en los poros restringe la penetracin de
CO2. Los hormigones relativamente permeables sufren una
carbonatacin ms rpida y extensa que los hormigones densos, bien
compactados y curados. Una menor relacin w/c y una buena
compactacin reducen la permeabilidad y limitan la carbonatacin a la
superficie. En las reas industriales, donde hay mayor concentracin
de CO2 en el aire, las tasas de carbonatacin pueden ser mayores. El
CO2 absorbido por la lluvia ingresa al agua subterrnea en forma de
cido carbnico. La putrefaccin de la vegetacin puede aportar CO2
adicional, junto con cido hmico, lo cual puede provocar elevados
niveles de CO2 libre. Aunque en general estas aguas son cidas, su
agresividad no puede ser determinada exclusivamente en base al pH.
La reaccin con los carbonatos presentes en el suelo produce un
equilibrio con bicarbonato de calcio que puede resultar en
soluciones de pH neutro pero que sin embargo contienen cantidades
significativas de CO2 agresivo (Lea 1971). La tasa de ataque,
similar a la del ataque por el CO2 de la atmsfera, depende de las
propiedades del hormign y de la concentracin de CO2 agresivo.
Debido a la amplia variedad de condiciones en las construcciones
subterrneas, en este momento no existe consenso en cuanto a
establecer valores limitantes. Sin embargo, algunos estudios han
concluido que el agua que contiene ms de 20 partes
CARBONATACIN DEL HORMIGN
por milln (ppm) de CO2 agresivo pueden provocar la rpida
carbonatacin de la pasta cementicia hidratada. Por otra parte, las
aguas que contienen 10 ppm o menos de CO2 agresivo pero que se
mueven libremente tambin pueden provocar una carbonatacin
significativa (Terzaghi 1948, 1949.)
ATAQUE POR CIDOS. CARBONATACINEs un tipo de reaccin cida, de
excepcional importancia en la durabilidad del hormign. La
carbonatacin es el proceso por el cual el hormign de recubrimiento
pierde la alcalinidad que mantiene protegida la armadura. Se
produce avanzando desde el exterior. Las posibilidades de difusin
de la carbonatacin estn en relacin al tiempo y a la profundidad. El
espesor del recubrimiento incide en la accin de estas variables.
Por lo tanto, un hormign puede presentar varios niveles de
penetracin de la carbonatacin que estara relacionado con la calidad
del hormign en cuestin. La carbonatacin es el proceso por el cual
el hormign de recubrimiento pierde la alcalinidad que mantiene
protegida la armadura. El mecanismo por el cual se produce es la
reaccin del dixido de carbono la atmsfera con las sustancias
alcalinas de la solucin de los poros y con los componentes
hidratados del hormign. Esto genera un descenso del pH hormign por
debajo de un valor crtico situado alrededor de 9,5. A partir de
dicho valor no se puede garantizar la proteccin de la armadura. La
carbonatacin es el proceso por el cual la alcalinidad de un hormign
se ve afectada por los efectos de las reacciones causadas por
atmsferas contaminadas con anhdrido carbnico desprotegiendo a la
armadura. Se trata de un caso especial de ataque cido. Las
armaduras estn protegidas frente a riesgos de oxidacin por el
recubrimiento y por la presencia del hidrxido de calcio; en esta
situacin el pH es de 12 0 13. Cuando la humedad ambiental mezclada
con anhdrido carbnico penetra por los poros, el hidrxido clcico se
transforma en carbonato, disminuyendo la alcalinidad a un pH de
valor 9 9,5: en este caso ya no es suficiente para proteger la
armadura, comenzando la oxidacin. El mecanismo de reaccin es
relativamente complejo e intervienen en l la cantidad de sodio y
potasio presentes en el cemento. La carbonatacin en el hormign
armado se produce avanzando desde el exterior. Las posibilidades de
difusin de la carbonatacin estn en relacin al tiempo y la
profundidad. El espesor del recubrimiento incide en la accin de
estas variables.
Proceso por el cual la alcalinidad se ve afectada por las
reacciones causadas por atmsferas contaminantes. Neutralizacin del
anhdrido carbnico que se propaga por los poros llenos de aire del
hor-mign. Provocando la creacin de carbonato clcico. El espesor de
recubrimiento variara el tiempo de neutralizacin. Escasez de
recubrimiento, bien por falta de capacidad de proteccin del hormign
de recu-brimiento. Formacin de xido ejerciendo presin sobre el
recubrimiento provocando estallido. Cuando hay un gran nmero de
barras. Tensiones originadas por la herrumbre expansiva formado
alrededor de las barras, propa-gndose por toda la armadura,
dependiendo en gran medida de la cantidad de carbonatacin en el
hormign. Perdida de seccin de las armaduras. Al quedar la armadura
con el contacto del aire, se es-parce con mayor velocidad y mayor
volumen. Posible desaparicin de estribos o cercos por la accin de
la corrosin.
LA CARBONATACIN, ENEMIGO DEL CONCRETOLa carbonatacin es un
fenmeno natural que ocurre todos los das en miles de estructuras de
concreto en todo el mundo. Es un proceso bien comprendido que ha
sido investigado y documentado perfectamente.1 En concreto que no
contiene acero de refuerzo, la carbonatacin es, generalmente, un
proceso de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto
reforzado, este proceso qumico aparentemente inocuo, avanza lenta y
progresivamente hacia adentro desde la superficie expuesta del
concreto, y asalta al acero de refuerzo causando la corrosin.
Aunque la carbonatacin es una causa de la corrosin menos importante
que los cloruros, no por ello es menos seria en trminos del dao que
provoca y del dinero que cuesta remediar sus efectos.
Uno puede preguntarse por qu razn un proceso tan comn y natural
como la carbonatacin no ha sido ampliamente reconocido en Estados
Unidos como una causa seria de corrosin de las varillas de
refuerzo. Algunos creen que la carbonatacin es causada por los
calentadores que queman combustible y que se usan en interiores.
Aunque estos calentadores pueden liberar grandes cantidades de
dixido de carbono (el culpable de la carbonatacin), slo se requiere
una pequea concentracin de CO2, que normalmente se encuentra en la
atmsfera (0.03 por ciento) para que ocurra la carbonatacin del
concreto.2 Hay quien piensa que la carbonatacin del concreto es un
problema que ocurre nicamente en Europa y cita como una razn las
mezclas de concreto de menor calidad y los estndares europeos. Sin
embargo, la nica diferencia de consecuencias reales entre el
concreto de Europa y el del resto del mundo es su edad: el de
Europa, en general, es ms viejo. Consecuentemente, el primer lugar
donde hubo que encarar la corrosin del concreto inducida por la
carbonatacin fue Europa.
Qu es la carbonatacin? La carbonatacin en el concreto es la
prdida de pH que ocurre cuando el dixido de carbono atmosfrico
reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y
convierte el hidrxido de calcio con alto pH a carbonato de calcio,
que tiene un pH ms neutral (figura 1). Por qu es un problema la
prdida de pH? Porque el concreto, con su ambiente altamente
alcalino (rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo
ahogado contra la corrosin. Esta proteccin se logra por la formacin
de una capa de xido pasivo sobre la superficie del acero que
permanece estable en el ambiente altamente alcalino. Esta es la
misma capa pasivadora que atacan los cloruros cuando alcanzan el
acero de refuerzo expuesto a sales descongelantes y ambientes
marinos.
Cuando progresa la carbonatacin hacia la profundidad del
refuerzo, la capa de xido protectora y pasivadora deja de ser
estable. A este nivel de pH (por debajo de 9.5), es posible que
empiece la corrosin, resultando finalmente en el agrietamiento y
astillamiento del concreto (figura 2). Aunque
la difusin del dixido de carbono a travs de los poros de
concreto pueda requerir aos antes de que ocurra el dao por
corrosin, puede ser devastadora y muy costosa de reparar.
Es muy importante identificar la presencia de la carbonatacin
cuando tambin hay cloruros en el concreto. En el concreto nuevo que
tiene un pH de 12 a 13, se requieren aproximadamente de 7,000 a
8,000 partes por milln (ppm) de cloruros para comenzar la corrosin
del acero ahogado. Sin embargo, si el pH baja a un rango de 10 a
11, el umbral de cloruro para la corrosin es significativamente
menor -100 ppm o menos-. Por esta razn, una investigacin de la
condicin para la mayora de las estructuras de concreto en proceso
de corrosin debe siempre incluir un anlisis de la profundidad de
carbonatacin.
Afortunadamente para los propietarios, especificadores y
contratistas, la carbonatacin es una condicin relativamente
sencilla de identificar y diagnosticar. La manera ms fcil de
detectar la carbonatacin en una estructura es romper un pedazo de
concreto (preferentemente cerca de un borde) en donde se sospeche
que hay carbonatacin. Despus de soplar todo el polvo residual del
espcimen o del substrato, se pulveriza una solucin de 1 o 2 por
ciento de fenolftalena en alcohol sobre el concreto (figura 3). Las
reas carbonatadas del concreto no cambiarn de color, mientras que
las reas con un pH mayor de 9 a 9.5 adquirirn un color rosado
brillante.3 Este cambio muy apreciable de color muestra cun
profundamente ha progresado el "frente" de carbonatacin dentro del
concreto. Existen otros mtodos y otros indicadores para detectar la
carbonatacin, pero ste es, con mucho, el mtodo ms fcil y comn de
deteccin.
Las agencias de prueba calificadas realizan estas pruebas
rutinariamente como parte de una investigacin de la condicin en
edificios y estructuras de concreto. Adems de las pruebas de
carbonatacin, estas investigaciones de la condicin incluyen con
frecuencia pruebas de resistencia del concreto, valoraciones de la
profundidad del recubrimiento, contenido de cloruro y permeabilidad
del concreto.
Factores que afectan la carbonatacin
Tal como se mencion antes, el proceso de carbonatacin es
completamente natural. Tambin se ve afectado por variables
naturales que se encuentran en el concreto. El aumento de
carbonatacin depende, en gran medida, del contenido de humedad y
permeabilidad del concreto.
Contenido de humedad del concreto. Como se muestra en la figura
1, para que tenga lugar la carbonatacin, debe haber presencia de
humedad. La reaccin de carbonatacin avanza ms rpidamente cuando la
humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50 y 55 por
ciento.4 A humedad ms baja, no hay suficiente agua en los poros del
concreto para que se disuelvan cantidades significativas de
hidrxido de calcio. Por encima de 75 por ciento de humedad, la
situacin se revierte y los poros se bloquean progresivamente con
agua.
Aunque esto permite que se disuelva libremente el hidrxido de
calcio, evita en gran medida el ingreso del dixido de carbono. As
se explica por qu diferentes lados de la fachada de un edificio de
concreto, por ejemplo, pueden variar grandemente en la profundidad
de sus frentes de carbonatacin. Una fachada expuesta al mar puede
tener poca carbonatacin debido a su contenido constantemente alto
de humedad, mientras que la carbonatacin puede haber avanzado a
niveles ms profundos en los otros lados del edificio.
Permeabilidad del concreto. El concreto permeable se carbonatar
rpidamente. Muchos aos de proteccin contra la carbonatacin pueden
sumarse al concreto reforzado si los constructores simplemente
siguen las prcticas estndar para producir concreto de baja
permeabilidad. stas incluyen relaciones bajas de agua/cemento,
compactacin apropiada por vibracin, uso de puzolanas tales como
ceniza volante o humo de slice y curado apropiado. Todas estas
prcticas reducen la permeabilidad del concreto y hacen ms difcil
para que el dixido de carbono se difunda a travs de l.
Recubrimiento del concreto y defectos de superficie. La
carbonatacin puede inclusive causar problemas de corrosin aun en
concreto de alta calidad. Un recubrimiento bajo del concreto y
defectos de superficie tales como grietas y pequeos hoyos
proporcionan una ruta directa al acero de refuerzo. La figura 4
muestra claramente de qu manera una grieta ha llevado la
carbonatacin muy por debajo de la superficie expuesta de concreto.
No pasar mucho tiempo antes de que el acero en el rea de esta
grieta empiece a corroerse debido a la prdida de pasivacin.
Del mismo modo, los pequeos hoyos pueden, a veces, dar como
resultado la prdida de 12 mm o ms del recubrimiento protector del
concreto. Si ha de usarse un recubrimiento protector
anticarbonatacin, los pequeos hoyos y otros defectos de la
superficie deben rellenarse primero con un "mortero nivelante" para
evitar roturas en el recubrimiento protector.
Los bordes del recubrimiento de concreto son notables por su
susceptibilidad a la corrosin inducida por carbonatacin. Como se ve
en la figura 5, los bordes o las esquinas tienen dixido de carbono
que se difunde hacia el acero de refuerzo en dos direcciones. Si el
acero en estas reas no tuviera un recubrimiento de concreto
adecuado, la carbonatacin conducira a la corrosin y podra causar
astillamiento en los bordes en muy pocos aos. Durante la
construccin original, las esquinas son tambin reas donde con
frecuencia el concreto no est bien compactado. Los huecos y los
agregados expuestos de la superficie reducen el recubrimiento de
concreto, permitiendo que la carbonatacin alcance rpidamente el
acero.
Estrategias de reparacin y proteccin
La investigacin de la condicin debe siempre constituir la base
para un enfoque de reparacin y proteccin. Antes de que pueda
prescribirse un remedio apropiado, debe completarse un diagnstico
minucioso. Para estructuras a las que se ha diagnosticado corrosin,
agrietamiento y astillamiento inducidos por la carbonatacin,
existen pocas opciones de reparacin.
Se puede elegir la proteccin catdica (PC) si el dao por corrosin
es severo.5 Sin embargo, esta es una opcin costosa y requiere la
continuidad elctrica del refuerzo, as como tambin costos
sustanciales para el mantenimiento progresivo. La realcalinizacin
es una tcnica bastante nueva que pretende restaurar la alta
alcalinidad del recubrimiento de concreto extrayendo
electroqumicamente un qumico con alto contenido de pH en la
estructura.6 Se trata tambin de una opcin costosa con un historial
muy limitado.
Con frecuencia, la opcin ms factible es reparar y proteger el
concreto. Esta es una tcnica de reparacin directa que atiende
claramente la necesidad inmediata del propietario.7 Sin embargo, la
reparacin del dao visible es slo el primer paso para una reparacin
duradera del concreto daado por la corrosin. Las reas resanadas
cubren usualmente slo alrededor de 15 por ciento de toda el rea de
la superficie, pero el rea total de sta ha sido carbonatada. Si slo
se resana el dao visible, sin preocuparse por las causas
subyacentes, no pasar mucho tiempo antes de que ocurra mayor
astillamiento. Con frecuencia, un propietario ha pagado mucho
dinero por un enfoque de reparacin para verse finalmente ante ms
astillamientos en nuevas reas en el trmino de dos aos. Esto se debe
a que el problema de la carbonatacin nunca se resolvi de manera
efectiva.
Recubrimientos anticarbonatacin. Para detener efectivamente el
avance del "frente de carbonatacin", con frecuencia se emplean
recubrimientos anticarbonatacin. Al contrario de las
pinturas de mampostera o los recubrimientos elastomricos
comunes, los recubrimientos anticarbonatacin estn especficamente
diseados para detener el ingreso del dixido de carbono. Existen en
Europa mtodos de prueba estandarizados para evaluar la resistencia
al dixido de carbono de un recubrimiento. La figura 6 muestra la
ilustracin de una de tales pruebas, donde puede medirse el
coeficiente de difusin del CO2 de un material. Estas pruebas han
demostrado que un recubrimiento anticarbonatacin de alta calidad
puede agregar proteccin a la varilla de refuerzo en una cantidad
igual a muchos centmetros de recubrimiento de concreto. Los
recubrimientos anticarbonatacin deben ser recubrimientos
respirables que puedan obtenerse en variedades rgidas o capaces de
puentear grietas. Es importante entender que no todos los
recubrimientos resisten el dixido de carbono. Muchos recubrimientos
elastomricos impermeables al agua no forman una barrera efectiva
para el CO2. El uso de tal recubrimiento puede, en efecto, acelerar
la carbonatacin, secando el concreto a tal grado que permita el
ingreso ms rpido del CO2. De manera similar, los selladores
penetrantes con frecuencia se usan errneamente para proteger contra
la carbonatacin. Los materiales a base de silicn tales como los
silanos y los siloxanos son repelentes del agua, pero no evitan que
entre el dixido de carbono a los poros del concreto. Y al secar el
concreto, tambin pueden incrementar la rapidez de carbonatacin.4
Inhibidores de corrosin. Refirindonos nuevamente a la figura 2, la
grfica inferior muestra que el frente de carbonatacin ha alcanzado
ya la profundidad del refuerzo de acero. En situaciones como sta,
el recubrimiento anticarbonatacin, aunque detiene el progreso
ulterior de la carbonatacin, no podr detener la corrosin existente
que ya est teniendo lugar. La investigacin ha demostrado que existe
todava suficiente humedad en el concreto para continuar corroyendo
la varilla de refuerzo.8 La tecnologa actualmente en desarrollo de
los inhibidores de corrosin puede ayudar a resolver la corrosin
existente. En estas situaciones, los inhibidores de corrosin
aplicados a la superficie, y que se pueden difundir a travs del
concreto que sirve de recubrimiento, pueden aplicarse en espray o
con rodillos en la superficie de concreto antes de aplicar un
recubrimiento anticarbonatacin. Este enfoque utiliza el inhibidor
de corrosin para tratar la corrosin existente en la varilla de
refuerzo, y el recubrimiento anticarbonatacin agrega una proteccin
efectiva. Los inhibidores de corrosin pueden probar su efectividad
cuando se usan en situaciones similares, con selladores y
membranas, donde los cloruros han alcanzado ya el nivel del
refuerzo. Es necesario que en Estados Unidos se reconozca la
carbonatacin como una causa seria de la corrosin del acero de
refuerzo. A diferencia de los cloruros, el papel de la carbonatacin
en la corrosin de la varilla de refuerzo se ha descuidado con mucha
frecuencia. Para evitar esto, las pruebas de la profundidad de la
carbonatacin deben siempre incluirse en la evaluacin del concreto
daado por corrosin. Este artculo se public en Concrete Repair
Digest y se reproduce con la autorizacin de The Aberdeen Group.
