Concreto de baja Permeabilidad, algo más que

Concreto de baja
Permeabilidad, algo
más que disminuir A/C
Germán Hermida Ph.D
U
n 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
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 distin
un concreto como impermeable es similar
cluso un concreto de ultra alta resistencia
(UHPC- BPR) con una sección pobre o la
8
Partiendo de la premisa de que existe una
tituye, podemos analizar la permeabilidad
entonces, que es un concreto de baja permeabilidad (CBP).
El propósito del presente artículo es así revisar los mecanismos más comunes de pe
una escala de permeabilidad del material
permeabilizantes de masa conocidos como
bloqueadores. Este marco puede ser así útil
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 electromigra-
ción. 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
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.
!
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
"#$
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
Fig. 1 - Penetración de agua por absorción capilar para diferentes tipos de cementantes para una
relación agua/cementante constante de 0.45.
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CONCRETO DE BAJA PERMEABILIDAD
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.
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 conUn ejemplo justamente de la velocidad con tacto con el agua y la cara que no lo está. El
la que penetra el agua por capilaridad en el +9
concreto aparece en la Fig.1 para un con- al empuje del líquido (gracias a la gravedad)
creto cuya humedad relativa interior está depende de factores externos al material
cercana al 60%.
como la altura de la lámina de agua y el es&
"
'
pesor del elemento pero también de factocontra la raíz del tiempo. Esta forma de res internos como la capacidad del material
expresar el tiempo permite visualizar más para contener el agua.
fácilmente el ritmo de penetración y so- El parámetro que en este caso describe la
bretodo permite calcular una pendiente o velocidad de avance del frente húmedo ha- permeabilidad al agua (K) de Darcy. Si bien
cia el interior. La norma ASTM C 1585-04 la ASTM no cuenta con una norma para su
(Método para medir la tasa de absorción de determinación la AASTHO como el Cuerpo
agua en concreto de cemento hidráulico)4 de ingenieros de los EEUU, si disponen de
define la penetración como 1 = S t + A . metodologías para su medida. La determiAsí la penetración I (mm) depende de la raíz nación de la permeabilidad del concreto
del tiempo (seg), de un valor de penetración inicial A (mm), pero sobre todo de una ve- hacer una vez el concreto está saturado. El
locidad (pendiente) o ritmo de penetración ;K) de un concreto que
S
*
&
"
describe la facilidad con la que el material
nos muestra así como el cemento con es- puede ser penetrado por el agua, puede vacoria tiene la menor Sortividad (S = 6 x10-4 riar en dos órdenes de magnitud o más. Una
mm/s0.5) mientras que otro cemento con la puzolana incluida, casi triplica dicho valor los concretos aparece en la Tabla 1.
(S = 16 x10-4 mm/s0.5). Esta sortividad es la que determina la norma ASTM C 1585-04 y Darcy no es un parámetro frecuente en las
- nado. En realidad la norma determina una la permeabilidad como propiedad rara vez
sortividad inicial (antes de las 6 horas) y es exigida en la construcción, en términos
numéricos. Por supuesto la construcción
las 24 horas y hasta los 7 días. Esto debido de un tanque de agua o de un presa parte
a que el ritmo de absorción antes de las 6 horas es radicalmente diferente al ritmo de ciones que deterioren el aspecto como el
absorción luego de 24 hrs, justamente por funcionamiento de la estructura.
el estado de hidratación del concreto. Las En el caso particular de las normas europendientes antes calculadas corresponden peas (EN:206, EN 12390) la permeabilidad
del concreto se determina no a través de
Así a los 4 días (587 seg0.5) de contacto con el agua, estos concretos que tenían inicial- midiendo bajo unas condiciones normalimente cerca de un 60% de humedad rela- zadas de presión y área, una profundidad
tiva en el interior, sufrieron penetraciones de penetración. La norma EN 12390-87 somuy diferentes. En el concreto con puzo- mete una probeta de concreto (extraída de
lana, el agua ya había penetrado cerca de la estructura o fabricada en laboratorio) a
1.70 mm mientras que en el concreto que 50 m de cabeza de presión de agua en un
incluyó escoria apenas había penetrado
Tipo de concreto
0.65 mm.
Si bien la sortividad (S) es el parámetro más
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).
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 man>
&
europeas vienen así expresadas en términos
de profundidad de penetración máxima admisible.
Concreto de baja permeabilidad
&
enterradas como estacionamientos, sótanos o en estructuras de contención de agua
como tanques y reservorios, han presionado a los diseñadores para que se pronun
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
>
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
>
nes son los elevados (¿porque son los que
?
miento de las causas de los problemas está
;@@$?
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
G
te publicación9 estableció de acuerdo a la
normativa europea los siguientes requisitos
9
permeabilidad (Tabla 2):
¿Cómo conseguir que un concreto cumpla
G
puesta 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 cemen-
Concreto de baja permeabilidad
Concreto de mediana permeabilidad
Concreto de alta permeabilidad
< 10-12
10-10 a 10-12
> 10-10
Tabla 1.
J
KQJ
VVXY6
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9
CONCRETO DE BAJA PERMEABILIDAD
"@Y[\
@
'
Absorción capilar (qw)
< 6 g/(m2*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.
Tabla 2. Propiedades y valores para la obtención de un concreto de baja permeabilidad.
to 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 partículas de cemento entre sí (A/C).
En concreto se ha determinado9 igualmente
Z 'ponencialmente la facilidad de penetración
del agua al interior. Desde el punto de vista
de permeabilidad siguiendo la norma EN
&
@
'
creto 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 aumen
;bre todo bajo la recomendación del ACI).
Una solución alternativa consiste en utilizar
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.
Aditivos bloqueadores o impermeabilizantes
Fig. 2 - Permeabilidad del concreto para diferentes relaciones agua/cementante, después de
Schlumpf et al 9.
Aditivo
Cto
!
"#3
)
$
!
(%
!%
"#3 "#3
&'
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
793
4
Con impermeabilizante
2.0
0.48
445
362
793
793
5
Sin impermeabilizante
0.0
0.45
463
363
792
702
6
Con impermeabilizante
2.0
0.45
463
363
792
702
Sin impermeabilizante
0.0
480
793
703
0.2
0.42
362
Con impermeabilizante
2.0
480
793
703
0.16
0.42
362
7
8
Tabla 3 -Composición de las mezclas con y sin aditivo impermeabilizante.
10
Los aditivos bloqueadores de poros o impermeabilizantes de masa han sido usados
&
gura 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 obte
@
El cemento empleado corresponde a un cemento Tipo III de acuerdo a la ASTM C 150,
la arena de origen silíceo tiene un módulo
@X
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
^
_
X
cante para ajustar el asentamiento que en
todos los casos fue de 15 cm±2 cm.
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CONCRETO DE BAJA PERMEABILIDAD
cantidad de cemento y agua está relacionado con un incremento en la retracción
por secado del concreto.
!
|
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 ma
se que los concretos de baja retracción. Los
modelos actuales que predicen la retracción
(Bazant-Bajewa, CEB-FIB 90, Carreira etc)
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
Fig. 3 - Profundidad de penetración de agua para concretos con diferentes relaciones agua/
5, guardan una relación directa. Es por ello
cementante, con (triángulos) y sin un impermeabilizante (cuadrados) al 2% del peso del cemento.
que los concretos con menor contenido de
El aditivo impermeabilizante corresponde La pregunta que subyace en ambas si- a un bloqueador de poros cuya base es una tuaciones es: o uso una relación agua/ por retracción de secado. En este caso un
solución de silicatos y otros compuestos. cemento más baja o empleo un bloquea- concreto con bloqueador de poros y una reEs importante señalar que se corrigió el dor de poros y mantengo la relación A/C. lación A/C media podría constituirse así en
contenido de agua de los aditivos y se con- Ambas alternativas me permitirán cumplir una alternativa más robusta a la hora de ensideró en el cálculo de la relación Agua/ los parámetros de penetración de agua de contrar una solución frente a la penetración
*
del líquido.
Cemento.
Los resultados de permeabilidad al agua hay que señalar que trabajar con rela- Conclusiones
obtenidos de acuerdo a la EN 12390-8 apa- ciones A/C más bajas de 0.45 nos lleva a
1. El presente artículo propone tres pro
Y
- invertir ya sea en más pasta de cemento
piedades y valores límite a cumplir
;{?
cretos cumplieran 28 días.
te, para conservar la manejabilidad. La
Los resultados exponen el efecto del blo- decisión pasa por supuesto por consideraconcreto de baja permeabilidad (CBP).
queador de poros que sistemáticamente ciones económicas (¿Cuál es la alternativa
Estas propiedades corresponden a abdisminuyó la profundidad de penetración ?
>
sorción capilar, permeabilidad y retracde los concretos evaluados. De esta forma tener en cuenta que el incremento en la
ción por secado.
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.
`9
creto 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
V
!
9
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.
Fig. 4 - Absorción capilar qw (SIA 262-4) para concretos con diferentes relaciones agua/cementante,
con y sin un impermeabilizante (2% peso del cementante).
Presupuesto & Construcción Año 24 N° 56, Septiembre - Diciembre 2013
11
CONCRETO DE BAJA PERMEABILIDAD
6
NTC 4483, Norma Técnica Colombiana (1998) “Método para determinar la
permeabilidad del concreto al agua”
ICONTEC.
7
EN 12390 “Testing hardened concrete
–Part 8: Depth of penetration of water
under pressure English version of DIN
EN 12390-8:2009-07
8
MATHIEU,.G., SARI., J. “Survey of Water
Towers, reservoirs, Tanks and Basins:
Their conditions and the Watertightness
of the Waterprooing”. SP 145-56
9
SCHLUMPF, J., BICHER, B., SCHWOON,
O., Sika Concrete Handbook (2012) Zurich
10 POWERS T.C., COPELAND L.E., HAYES
C., MANN H.M. (1954) “Permeability of
Pórtland cement paste”. Journal of the
American Concrete Institute, 51, november, pp. 285-298.
Fig.5 – Retracción del concreto al cabo de 56 días en función del volumen de pasta11 .
condición de impermeabilidad resulta
2. La condición de concreto de baja permeabilidad en cuanto a la penetración
equivalente a la de un concreto con una
del líquido puede lograrse establecienA/C entre 0.40 y 0.42.
do relaciones agua/cementante máximas, pero dichos límites no consideran Bibliografía
la retracción del concreto que es inde- 1 LAMPRECHT., H.O. “Opus Caementipendiente de la relación A/C. La no contium Bauch Technik der Römer” 1984,
sideración de la retracción con la sola
Düsseldoff Beton-Verlag
}~J
9
2 HALL, C., “Water Sorptivity of Mortars
and Concretes: a review,” Magazine
lo tanto a la pérdida de la condición de
of Concrete Research, Vol. 41, Nº147,
baja permeabilidad.
1989, pp. 51-61.
3. Un nivel de permeabilidad o absorción
3 HERMIDA, G. HERRERA,.D (2012) “Incapilar dado puede lograrse usando ya
forme de efecto del aditivo Sika 100 WT,
sea una relación A/C determinada o una
para varios sistemas cementantes” Inforrelación A/C más alta más un aditivo
me interno Sika Colombia.
bloqueador de poros. Esta última con4
ASTM C 1585-04 “Standard Test Medición puede resultar más económica,
thod
for Measurement of Rate of Abpero más importante aún implica un
sorption of Water by Hydraulic- Cement
menor contenido de pasta de cemento
Concretes” American Standards Testing
(cemento+ agua) lo que disminuye el
Materials Vo. 4.02 Concrete and Ag
gregates, 201 ASTM International, 100
4. El concreto que cumple en las series
Barr Harbor Drive, PO Box C700, West
ensayadas con las condiciones de un
Conshohocken, U.S.A.
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
5
SIA 262/1 :2003 (Annexe A) Norme
*
J
ƒ
*tions complémentaires, Zurich.
""
ˆ!‰Š‹}
Œ
;@\\X?
Z‹+
lume de pâte et de la concentration en
ciment sur la performance du béton :
vers le développement dun béton à contenu minimal en pâte» PHD thesis Ecole
Normale Superior de Cachan. Paris
12 CEB-FiB Bulletin 213/214 (1993) pag. 460
13 HERMIDA., G., GONZALEZ., J., ROMERO., A (2005) “Relación entre la composición del concreto frente a su retracción en estado fresco y endurecido” ACI
Seccional Colombia Publicaciones Técnicas. Vol.2
14 PICKET G. (1956), “Effect of aggregate
on shrinkage of concrete and a hypothesis concerning shrinkage”. Proceedings
of the American Concrete Institute. Vol.
52, No.5. January. pp.1379-1381
15 KEENE P.W. (1960) “Some test on the
durability of concrete mixes of similar
compressive strength”. C&CA Technical
Report 330.
16 BAZANT., Z., BAWEJA S., S, “Creep and
Shrinkage prediction Model for analysis
and Design of Concrete structures: Model B3” www.civil.northwestern.edu/
people/bazant/PDFs/Papers/S39.pdf
17 NEVILLE A.M. (1999) “Tecnología del
concreto” Ed. Instituto Mexicano del
Cemento y del Concreto. 612 pp.
El Alto: Av. Juan Pablo II Nº 2 Villa Tunari, telf: (591-2) 2840804- (591-2) 2862622;
email: [email protected]
Santa Cruz: Zona Industrial Guapilo, Carretera a Cotoca Km. 11, telf: (591-3) 3464504;
email: [email protected]
Cochabamba: Av. Villazón carretera a Sacaba km 3,5 Nº 4123, telf: (591-4) 4121689- 4159142;
email: [email protected]
***+"++
12
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