CONCRETO DE BAJA PERMEABILIDAD, ALGO MAS QUE

CONCRETO DE BAJA PERMEABILIDAD, ALGO MAS QUE DISMINUIR A/C
Germán Hermida Ph.D
Un ser humano difícilmente puede sobrevivir más de cinco días sin beber agua, ese es el tamaño
de nuestra dependencia del líquido, podemos prescindir de muchas cosas pero no del agua. Las
congregaciones humanas más importantes se fundaron y crecieron cerca del constante rumor de
una corriente. En la actualidad el almacenamiento y distribución del líquido se lleva a cabo por
complejas redes que irrigan nuestras ciudades, emulando sin proponérselo nuestro sistema
sanguíneo. El éxito de estos sistemas que conducen cada día millones de metros cúbicos se lo
debemos en buena parte al dominio de las leyes de la hidráulica y a la ingeniería de materiales. En
esta última área del conocimiento, el concreto desde siglos atrás ha desempeñado un papel
crucial. Bajo el nombre de Opus Caementitium el concreto fue un material empleado
sistemáticamente en múltiples termas, acueductos y puertos Romanos para contener el agua1.
Hoy el contacto concreto/agua se considera como una frontera donde un material termina y el
otro comienza, dicho límite en realidad no es tan claro puesto que el agua penetra la matriz
porosa del concreto hasta cierto punto y podría incluso atravesarlo si la porosidad es importante,
la presión del agua suficiente o por qué no?, la dimensión de la pared reducida.
Existen así factores externos al material mismo (presión del líquido, espesor del elemento etc) que
determinan si una estructura de concreto permite o no el paso del agua a través de todo su
espesor. En la construcción se habla de “concreto impermeable”, sin embargo un muro
constituido por un concreto de una porosidad en extremo baja, podría ser atravesado si es muy
delgado o si la presión es muy alta. Igualmente un concreto de gran porosidad podría no ser
atravesado por el agua si tiene un enorme espesor (presa) o la presión es muy baja. De esta forma
es necesario distinguir entre la estructura y el material. Definir un concreto como impermeable es
similar a definir un concreto como irrompible, incluso un concreto de ultra alta resistencia (UHPCBPR) con una sección pobre o la suficiente presión fallará.
Partiendo de la premisa de que existe una diferencia evidente entre calificar una estructura y
calificar el material que la constituye, podemos analizar la permeabilidad del concreto como
material y así definir entonces, que es un concreto de baja permeabilidad (CBP).
El propósito del presente artículo es así revisar los mecanismos más comunes de penetración de
agua en el concreto, definir una escala de permeabilidad del material y cuantificar el efecto de los
aditivos impermeabilizantes de masa conocidos como bloqueadores. Este marco puede ser así útil
a especificadores como a usuarios finales cuando existe el interés por establecer un nivel de
permeabilidad del concreto.
Penetración del agua al interior del concreto
Los mecanismos de penetración de agua dentro de la red porosa del material pueden seguir
principios físicos muy distintos como la permeabilidad, la difusión, la absorción capilar, la
convección o la electromigración. Sin embargo los fenómenos más frecuentes de penetración de
agua al interior del concreto en las construcción son en su orden: la capilaridad y la penetración de
agua bajo presión o permeabilidad.
Absorción Capilar
1
La penetración de agua al interior del concreto basado en el fenómeno de absorción capilar se
considera como el mecanismo más frecuente de transporte de agua en las estructuras de concreto
reforzado2.
El agua al tocar la superficie de un concreto convencional sufrirá así un efecto de atracción similar
al producido por una esponja. Un concreto seco de 28 días con una relación agua/cemento de
0.60 luego de 3 horas de contacto con el agua (una lluvia) ya ha absorbido 2 L/m2. Si este concreto
tiene una porosidad del 15% eso significa que el agua ya ha penetrado en algunos puntos hasta 1.2
cm. La velocidad de penetración por absorción capilar en un concreto seco puede ser del orden de
un millón de veces más rápida que el del mismo volumen de agua que atraviesa el mismo concreto
bajo un gradiente de presión, es decir por permeabilidad. La absorción capilar del concreto es
mucho más rápida que la penetración bajo presión pero su velocidad va aminorando a medida que
el concreto se satura, una vez la red porosa del material está saturada el movimiento del agua por
absorción capilar se detiene. La penetración del agua al interior de un material poroso como el
concreto, solo puede darse para medios secos o parcialmente saturados.
Un ejemplo justamente de la velocidad con la que penetra el agua por capilaridad en el concreto
aparece en la Fig.1 para un concreto cuya humedad relativa interior está cercana al 60%.
2.5
70% Cemento + 30% Ceniza Volante
80% Cemento + 20% Puzolana
30%Cemento + 70 % Escoria
Cemento A 100%
Cemento B 100%
I (mm)
2.0
1.5
1.0
ASTM C 1585-04
A/C = 0.45
0.5
0.0
0
200
400
600
800
1000
Tiempo (√seg)
Fig. 1 – Penetración de agua por absorción capilar para diferentes tipos de cementantes para una
relación agua/cementante constante de 0.45.3
La figura 1 expone la penetración del agua contra la raíz del tiempo. Esta forma de expresar el
tiempo permite visualizar más fácilmente el ritmo de penetración y sobretodo permite calcular
una pendiente o velocidad de avance del frente húmedo hacia el interior. La norma ASTM C 158504 (Método para medir la tasa de absorción de agua en concreto de cemento hidráulico)4 define la
penetración como = √ + . Así la penetración I (mm) depende de la raíz del tiempo (seg), de
un valor de penetración inicial A (mm), pero sobre todo de una velocidad (pendiente) o ritmo de
penetración S, que se denomina Sortividad. La figura 1 nos muestra así como el cemento con
escoria tiene la menor Sortividad (S = 6 x10-4 mm/s0.5) mientras que otro cemento con la puzolana
incluida, casi triplica dicho valor (S = 16 x10-4 mm/s0.5). Esta sortividad es la que determina la
norma ASTM C 1585-04 y con la que se califica un concreto determinado. En realidad la norma
2
determina una sortividad inicial (antes de las 6 horas) y una sortividad secundaria o final a partir
de las 24 horas y hasta los 7 días. Esto debido a que el ritmo de absorción antes de las 6 horas es
radicalmente diferente al ritmo de absorción luego de 24 hrs, justamente por el estado de
hidratación del concreto. Las pendientes antes calculadas corresponden en este caso a la
sortividad final.
Así a los 4 días (587 seg0.5) de contacto con el agua, estos concretos que tenían inicialmente cerca
de un 60% de humedad relativa en el interior, sufrieron penetraciones muy diferentes. En el
concreto con puzolana, el agua ya había penetrado cerca de 1.70 mm mientras que en el concreto
que incluyó escoria apenas había penetrado 0.65 mm.
Si bien la sortividad (S) es el parámetro más medido en el continente para calificar la resistencia a
la penetración de agua por absorción capilar, en Europa la norma SIA 262-1 (Anexo A)5 emplea un
parámetro similar denominado absorción capilar (qw). La absorción capilar qw se expresa en
términos de g/(m2 h), es decir podría también expresarse en términos de mm de penetración /
hora.
Permeabilidad bajo presión hidráulica
La permeabilidad del concreto se calcula a partir de una condición de presión hidrostática sobre
una de sus caras y corresponde a la velocidad o al caudal de agua que atraviesa el material, debido
justamente a la diferencia de presión entre la cara en contacto con el agua y la cara que no lo está.
El flujo de agua a través del concreto debido al empuje del líquido (gracias a la gravedad) depende
de factores externos al material como la altura de la lámina de agua y el espesor del elemento
pero también de factores internos como la capacidad del material para contener el agua.
El parámetro que en este caso describe la calidad del material es el coeficiente de permeabilidad
al agua (K) de Darcy. Si bien la ASTM no cuenta con una norma para su determinación la AASTHO
como el Cuerpo de ingenieros de los EEUU, si disponen de metodologías para su medida. La
determinación de la permeabilidad del concreto o del coeficiente de Darcy solo se puede hacer
una vez el concreto está saturado. El coeficiente de Darcy (K) de un concreto que describe la
facilidad con la que el material puede ser penetrado por el agua, puede variar en dos órdenes de
magnitud o más. Una clasificación de este parámetro que califica los concretos aparece en la
Tabla 1.
Tabla 1. Clasificación de la permeabilidad del concreto de acuerdo a la NTC 44836
Tipo de concreto
Concreto de baja permeabilidad
Concreto de mediana permeabilidad
Concreto de alta permeabilidad
Coeficiente Darcy K (m/s)
< 10-12
10-10 a 10-12
-10
> 10
Desafortunadamente el coeficiente de Darcy no es un parámetro frecuente en las especificaciones
de concreto, en realidad la permeabilidad como propiedad rara vez es exigida en la construcción,
en términos numéricos. Por supuesto la construcción de un tanque de agua o de un presa parte de
la premisa de que no contará con filtraciones que deterioren el aspecto como el funcionamiento
de la estructura.
3
En el caso particular de las normas europeas (EN:206, EN 12390) la permeabilidad del concreto se
determina no a través de la medición del coeficiente de Darcy sino midiendo bajo unas
condiciones normalizadas de presión y área, una profundidad de penetración. La norma EN 1239087 somete una probeta de concreto (extraída de la estructura o fabricada en laboratorio) a 50 m
de cabeza de presión de agua en un área determinada, al cabo de 72 horas de presión el ensayo se
detiene y la probeta se falla en tensión indirecta de modo que pueda medirse la profundidad de la
mancha de penetración. Las especificaciones europeas vienen así expresadas en términos de
profundidad de penetración máxima admisible.
Concreto de baja permeabilidad
Los problemas de filtraciones en estructuras enterradas como estacionamientos, sótanos o en
estructuras de contención de agua como tanques y reservorios, han presionado a los diseñadores
para que se pronuncien sobre la definición de un concreto de baja permeabilidad (CBP).
Los tanques de agua que hacen parte de nuestro paisaje cotidiano urbano y rural, podría pensarse
que son tecnología superada y que construir un tanque de concreto (son la mayoría) para
contener agua resulta sencillo. Esta imagen puede ser engañosa porque cuando se examina en
detalle el número de casos de tanques de agua con dificultades, nuestra perspectiva hacia su
diseño y construcción puede cambiar drásticamente. Una encuesta y estudio recientemente
publicados8 reveló que en Francia solo el 58% de los usuarios de tanques de agua elevados,
reservorios y tanques enterrados, están satisfechos con su desempeño.
Entre los tanques enterrados, reservorios y tanques elevados, los que más problemas han
evidenciado con respecto a infiltraciones son los elevados (¿porque son los que más caras
muestran?). Dentro del levantamiento de las causas de los problemas está en primer lugar la
fisuración (22%) seguida por la permeabilidad de los recubrimientos o el material (12%) y la
abrasión (10%).
Como vemos el concreto impermeable no solo debe serlo en su propia masa sino que por
supuesto no debe fisurarse. Una reciente publicación9 estableció de acuerdo a la normativa
europea los siguientes requisitos para la definición de un concreto de baja permeabilidad (Tabla
2):
Tabla 2. Propiedades y valores para la obtención de un concreto de baja permeabilidad.
Criterios de desempeño para un concreto impermeable
Ensayo
Valor
Norma
2
Absorción capilar (qw) < 6 g/(m *h) SIA 262/1 Anexo A
Penetración de agua
< 30 mm
EN 12390 Parte 8
Retracción por secado
< 0.07 %*
ASTM C 157
*28 días de secado.
¿Cómo conseguir que un concreto cumpla con estos parámetros? Una primera respuesta al
interrogante anterior se constituye en disminuir la relación A/C. Desde los ya legendarios trabajos
de T.W. Powers durante la década de los cincuenta10 resulta claro que la permeabilidad de la pasta
de cemento varia su permeabilidad en forma exponencial con respecto a la concentración de
cemento por unidad de volumen o mejor dicho con respecto a la distancia promedio de las
4
Penetración de Agua (mm)
partículas de cemento entre sí (A/C). En concreto se ha determinado9 igualmente que la “calidad“
de la pasta, gobierna exponencialmente la facilidad de penetración del agua al interior. Desde el
punto de vista de permeabilidad siguiendo la norma EN 12390, la figura 2 expone esta relación.
Concreto de baja permeabilidad
Relación A/C
Fig. 2 – Permeabilidad del concreto para diferentes relaciones agua/cementante, después de
Schlumpf et al 9.
La fig.2 expone así que el criterio de concreto de baja permeabilidad (max. 30 mm), se cumple a
partir de relaciones A/C inferiores a 0.45. Esta medida es consistente con la norma de durabilidad
EN 206:2000, que para ambientes marinos bajo las más agresivas condiciones de exposición frente
a aguas salobres (ambiente XD 3), le exige al concreto una relación A/C de 0.45 máxima. De esta
forma el agua que en este caso lleva una carga de sales, no podrá atravesar concreto hasta el
refuerzo. En el caso del ACI 318-11 para la condición más agresiva exposición al agua de mar (C2)
donde se busca evitar la penetración del agua, la exigencia es de una relación A/C máxima de 0.40.
Estos concretos serían así concretos de baja permeabilidad, sin embargo la aplicación en el caso de
tanques, reservorios de contención de agua, de estructuras enterradas, estas relaciones
agua/cemento llevan automáticamente a resistencias a la compresión muy elevadas así como a
cuantías de cemento también muy altas que aumentan el riesgo de fisuración del concreto (sobre
todo bajo la recomendación del ACI).
Una solución alternativa consiste en utilizar recubrimientos superficiales, sin embargo la
durabilidad de los mismos es inferior al tener un concreto que dentro de su propia masa resulta
poco permeable.
El uso de aditivos impermeabilizantes resulta justamente una de las alternativas más usadas en la
actualidad.
5
Aditivos bloqueadores o impermeabilizantes
Los aditivos bloqueadores de poros o impermeabilizantes de masa han sido usados tanto en
mortero como en concreto. La figura 3 expone los resultados de dos series de concreto, con los
mismos materiales con y sin un impermeabilizante bloqueador de poros. La composición de dichas
mezclas aparece en la Tabla 3 y los resultados a 28 días de la profundidad de penetración
obtenidos se superponen a la figura 2.
Tabla 3 -Composición de las mezclas con y sin aditivo impermeabilizante.
Mezcla
Aditivo
Dosis
A/C
Cto
(kg/m³)
(%)
Volumen de
pasta
Cto+Agua+
Aditivos
Arena Grava
(kg/m³) (kg/m³)
(L/m3)
1
Sin impermeabilizante
0.0
0.55
410
362
792
703
2
Con impermeabilizante
2.0
0.55
410
362
792
703
3
Sin impermeabilizante
0.0
0.48
445
362
793
703
4
Con impermeabilizante
2.0
0.48
445
362
793
703
5
Sin impermeabilizante
0.0
0.45
463
363
792
702
6
Con impermeabilizante
2.0
0.45
463
363
792
702
7
Sin impermeabilizante
Superplastificante
0.0
0.2
0.42
480
362
793
703
Con impermeabilizante
2.0
0.42
480
362
793
703
Superplastificante
0.16
8
El cemento empleado corresponde a un cemento Tipo III de acuerdo a la ASTM C 150, la arena de
origen silíceo tiene un módulo de finura de 2.8 y la grava también silicea un tamaño máximo
nominal de 25 mm.
Las ocho mezclas comparadas en parejas con y sin aditivo impermeabilizante, no solo cuentan con
igual relación agua/cemento sino que tienen el mismo volumen de pasta entre sí. Esto se hizo
justamente para evitar comparar mezclas con más y menos agregados que se sabe tiene un
impacto sobre la permeabilidad global del material11. Las mezclas 7 y 8 incluyeron un
superplastificante para ajustar el asentamiento que en todos los casos fue de 15 cm±2 cm.
El aditivo impermeabilizante corresponde a un bloqueador de poros cuya base es una solución de
silicatos y otros compuestos. Es importante señalar que se corrigió el contenido de agua de los
aditivos y se consideró en el cálculo de la relación Agua/Cemento.
Los resultados de permeabilidad al agua obtenidos de acuerdo a la EN 12390-8 aparecen en la
figura 3, luego de que los concretos cumplieran 28 días.
6
Penetración de Agua (mm)
Concreto de baja permeabilidad
Patrón
Impermeabilizante 2%
Relación A/C
Fig. 3 – Profundidad de penetración de agua para concretos con diferentes relaciones
agua/cementante, con (triángulos) y sin un impermeabilizante (cuadrados) al 2% del peso del
cemento .
Los resultados exponen el efecto del bloqueador de poros que sistemáticamente disminuyó la
profundidad de penetración de los concretos evaluados. De esta forma la penetración de agua
obtenida por el concreto con una A/C de 0.55 con impermeabilizante fue equivalente a la del
concreto con una relación A/C de 0.45 sin impermeabilizante.
Bajo la definición propuesta para un concreto de baja permeabilidad (Tabla 2) sería posible tener
un concreto con una penetración cercana a 20 mm usando una relación A/C de 0.45 más el aditivo
impermeabilizante ensayado o usar simplemente una relación de 0.40 (si seguimos la tendencia de
los resultados y la curva señalada por Schlumpf et al.) sin aditivo.
Estas mismas mezclas frente a la absorción capilar se comportaron como aparecen en la figura 4.
En este caso el concreto de baja permeabilidad sugerido, con una relación A/C de 0.45 sin el
bloqueador de poros una vez más esta sobre el límite propuesto. El bloqueador le otorga un factor
de seguridad para una absorción capilar cercana a 5 g/(m2*h). Así mismo esta misma condición de
facilidad de penetración de agua podría alcanzarse simplemente disminuyendo la relación A/C a
0.42.
La pregunta que subyace en ambas situaciones es: o uso una relación agua/cemento más baja o
empleo un bloqueador de poros y mantengo la relación A/C. Ambas alternativas me permitirán
cumplir los parámetros de penetración de agua de la especificación propuesta. Sin embargo hay
7
Absorción Capilar qw g/(m2*h)
que señalar que trabajar con relaciones A/C más bajas de 0.45 nos lleva a invertir ya sea en más
pasta de cemento (cemento+agua) o en un superplastificante, para conservar la manejabilidad. La
decisión pasa por supuesto por consideraciones económicas (¿Cuál es la alternativa menos
costosa?), pero también hay que tener en cuenta que el incremento en la cantidad de cemento y
agua está relacionado con un incremento en la retracción por secado del concreto.
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Patrón
Con Impermeabilizante (2%)
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
Relación A/C
Fig. 4 – Absorción capilar qw (SIA 262-4) para concretos con diferentes relaciones
agua/cementante, con y sin un impermeabilizante (2% peso del cementante) .
Esto nos lleva al último aspecto que define un concreto de baja permeabilidad, la retracción. La
retracción del concreto es un parámetro sin duda a considerar cuando se trata del transporte de
agua a través del material, debido a que concretos con mayor retracción son más propensos a
fisurarse que los concretos de baja retracción. Los modelos actuales que predicen la retracción
(Bazant-Bajewa, CEB-FIB 90, Carreira etc)12 señalan que desde el punto de composición la cantidad
de cemento y agua tienen un impacto importante sobre la retracción13,14,15. La relación A/C no
tiene relación con la retracción por secado del concreto16,17. En cambio el volumen de pasta frente
a la retracción en estado endurecido como lo muestra la figura 5, guardan una relación directa. Es
por ello que los concretos con menor contenido de pasta resultan menos propensos a fisurarse
por retracción de secado. En este caso un concreto con bloqueador de poros y una relación A/C
media podría constituirse así en una alternativa más robusta a la hora de encontrar una solución
frente a la penetración del líquido.
8
Retracción a 56 dias
250%
200%
150%
100%
Keene (1960)
Hermida (2005)
US Bureau Reclamation (1975)
Pickett (1956)
Hermida (2008)
50%
0%
200
250
300 350 400 450 500
Volumen de pasta (L/m3)
Fig.5 – Retracción del concreto al cabo de 56 días en función del volumen de pasta11 .
Conclusiones
1. El presente artículo propone tres propiedades y valores límite a cumplir para un concreto
especificado como concreto de baja permeabilidad (CBP). Estas propiedades corresponden
a absorción capilar, permeabilidad y retracción por secado.
2. La condición de concreto de baja permeabilidad en cuanto a la penetración del líquido
puede lograrse estableciendo relaciones agua/cementante máximas, pero dichos límites
no consideran la retracción del concreto que es independiente de la relación A/C. La no
consideración de la retracción con la sola especificación de la A/C, deja abierta la
posibilidad de una fisuración y por lo tanto a la pérdida de la condición de baja
permeabilidad.
3. Un nivel de permeabilidad o absorción capilar dado puede lograrse usando ya sea una
relación A/C determinada o una relación A/C más alta más un aditivo bloqueador de
poros. Esta última condición puede resultar más económica, pero más importante aún
implica un menor contenido de pasta de cemento (cemento+ agua) lo que disminuye el
riesgo de fisuración.
4. El concreto que cumple en las series ensayadas con las condiciones de un concreto de baja
permeabilidad fue en este caso, un concreto con una relación A/C de 0.45 y un 2% del
aditivo impermeabilizante bloqueador de poros. Esta condición de impermeabilidad
resulta equivalente a la de un concreto con una A/C entre 0.40 y 0.42.
9
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