EL PROBLEMA DE LA OXIDACION EN LOS EDIFICIOS DE COSTA

Esta entrada es parte del artículo que realicé para la revista del Colegio de Administradores y que se publicará en el siguiente número.

Muchos de los edificios en la Costa tienen problemas por daños en sus estructuras. El artículo trata de ser un acercamiento a esos problemas, el por qué se producen y el tipo más común de daño que es el producido por la oxidación de la armadura dentro del hormigón. En este sentido y debido a la importancia de esta cuestión y al hecho de que vuelvan a aparecer daños en edificios ya intervenidos, vamos a dar unas nociones básicas de lo que pedir a una intervención estructural y al material utilizado.

  

INTRODUCCIÓN

Foto de Cullera

A menudo nos hemos encontrado con que cuando preguntamos a las personas que viven en los apartamentos de playa si han tenido reparaciones del tipo estructural, nos comentan apesadumbrados que no ha sido únicamente una intervención, sino que ha sufrido varias.

 Para la redacción de la tesis doctoral, he recorrido la Costa Valenciana, viendo que en muchas localidades con  turismo de playa, existen muchos edificios de segunda residencia afectados estructuralmente o con reparaciones recientes. En casos como en Tavernes de la Valldigna, la proporción puede rondar casi el 60 % y como hemos comentado en el párrafo anterior, muchos de ellos con varias intervenciones.

 
Pero, ¿por qué se produce este hecho?

En muchas ocasiones, la forma de construcción de las estructuras, sobre todo que no se cuidara mucho el tipo de hormigón usado y que estuviera muy expuesto a las condiciones climáticas adversas y a la presencia de agua, ha sido un caldo de cultivo para las manifestaciones patológicas. Pero además, en muchos de los casos estudiados, las reparaciones no han sido lo óptimas que deberían de haber sido.

En muchos casos como en Tavernes de la Valldigna, la proporción de edificios con alguna intervención ronda el 60 %

 Este artículo intenta dar unas nociones básicas de lo que hay que pedir a una reparación estructural para que se considere óptima y aunque estas dependen mucho de la forma de construcción del edificio y del daño que tienen, por lo menos minimizar la sensación que tienen los vecinos de que no se ha hecho correctamente.

¿CUALES SON LOS ATAQUES QUE SE PRODUCEN A LAS ESTRUCTURAS?

La mayoría de las intervenciones estructurales efectuadas en estos edificios, tiene que ver fundamentalmente con tres causas: Degradación del hormigón, Oxidación de las armaduras y Aluminosis.

En este artículo nos basaremos en la oxidación de las armaduras que es la causa más común de patología en los inmuebles estudiados en la Costa.

Armaduras oxidadas

Definimos la Oxidación como el efecto de pasar al estado óxido un tipo de metal. En este sentido, el metal puro no existe en la Naturaleza, siempre está combinado o en estado de óxido, con lo que este es su estado natural. Por lo que cualquier metal puro intentará migrar a ese estado natural, el de oxidado.

Como la misma palabra indica, oxidación viene de oxígeno. Para que exista oxidación, debe haber, por consiguiente, oxígeno.

 

Además, por química básica, es una reacción que necesita de un estado acuoso para producirse, con lo que la presencia de agua es otro factor para la oxidación. En general (sobre todo cuando se produce por ataque por cloruros) es un proceso denominado electroquímico.

Ataque por cloruros

Sabemos que la armadura está protegida tanto física como químicamente por el hormigón. Esa protección puede desaparecer por dos mecanismos de ataque:

• Pérdida de protección del hormigón por la carbonatación del mismo.

• Presencia de sales marinas (cloruros).

Estos son dos procesos diferentes, ya que uno ataca al hormigón (carbonatación) y otro ataca directamente a la armadura (cloruros). Con lo que evidentemente hay que saber qué tipo de proceso ha tenido lugar.

  

Hay que saber qué tipo de proceso de ataque ha tenido lugar en nuestra estructura

 

La oxidación de la armadura trae consigo una serie de problemas a la estructura que se resume en tres factores:

-          El óxido tiene más volumen que el acero, con lo que este aumento de volumen presiona al hormigón, haciendo que se agriete y se desprenda.

-          La armadura pierde sección, con lo que su capacidad de aguantar las cargas disminuye radicalmente

-          La adherencia armadura-hormigón se resiente con lo se puede despegar.

¿CUALES SON LOS FACTORES DEL HORMIGON QUE INFLUYEN EN LA DURABILIDAD

Los factores propios del hormigón que influyen en la durabilidad y en el retraso de la oxidación tienen que ver con la porosidad del mismo y la resistencia a la permeabilidad al agua y al oxígeno.

¿Y cuál es la causa de que vuelva a aparecer oxidación en zonas intervenidas?

Más que usar un mortero con un alto nivel de resistencia, hay que buscar que ese mortero impida la entrada de los agentes oxidantes

Para el tema de durabilidad del hormigón, más que usar un mortero con un alto nivel de resistencia, hay que buscar que ese mortero impida la entrada de los agentes oxidantes. En efecto, nuestros edificios y sobre todo los anteriores a la Normativa actual, se realizaron con hormigones con resistencias medio-bajas (entre 150 y 250 kg/m²) en comparación con las nuevas. Es evidente que cuanto mejor sea la resistencia, mejor será el hormigón, pero poner un hormigón muy resistente con otro de mucha menor resistencia no tiene mucho sentido. Por lo que tiene más interés a título de durabilidad que sea muy poco poroso y bastante impermeable al oxígeno, agua y cloruros.

Reparación mal efectuada

Pero, muchas veces se tiene que volver a reparar un edificio afectado en otras zonas que antes no estaban afectadas. Como es un proceso complejo, intentaremos resumirlo muy a grosso modo. Hemos hablado anteriormente de que la oxidación es un proceso electroquímico: se forma una diferencia eléctrica entre unas zonas y otras, lo que se conoce como pila. Esto hace que una zona se oxide y otra no. Si se protege una zona bastante y otra se deja sin protección y ya ha empezado el proceso de oxidación, éste se vuelve más rápido debido a esa diferencia de zonas, creando una pila con una capacidad mayor. Es por esto, por lo que muchas veces, actuar únicamente en una zona y dejar otra afectada sin tratar, hace que esta última acelere su oxidación.

LO QUE HAY QUE PEDIR A UNA INTERVENCIÓN ESTRUCTURAL.

Una intervención óptima de una estructura afectada por oxidación y, en general, a todas las reparaciones estructurales es la que cumple estos tres factores:

Una intervención estructural debe cumplir:

1) que tenga estabilidad y que aguante sin desprenderse,

2) que la solución sea eficaz y resistente

3) que sea durable.

En este sentido y antes de decantarse por un tipo de intervención, hay que saber qué tipo de ataque ha afectado a la estructura, ya que esto puede condicionar la misma como hemos visto anteriormente. Se deben realizar ensayos para determinar la carbonatación y su espesor y la presencia de sales y cloruros.

 

 Una vez conocido el tipo de ataque producido, es cuando hay que hacer un estudio de qué intervención realizar y su importancia. En este caso, el estudio debe de llevar tres fases: 

• Estudio de las reparaciones a efectuar, la ubicación y el daño. Esto es importante, ya que la mayoría de los casos que hemos estudiado se han realizado intervenciones en fachada y en los zunchos de las mismas. Es necesario recordar que los zunchos son TAMBIEN elementos estructurales de hormigón, con lo que se les debe de tratar igual que a una viga.

•  Refuerzos en el caso de que sea necesario. Muchas veces la oxidación ha producido grandes daños en las armaduras, o como en el caso de la carbonatación, también daños en el hormigón, bajando su resistencia, con lo que es necesario devolver esa resistencia al elemento.

• Protección para mejorar la durabilidad.

Este último apartado suele ser el que no se tiene en cuenta en las intervenciones y es el que genera que muchas veces se deba reparar incluso la misma intervención. En este sentido, y para ataques como el de cloruros, muchas veces es necesario inspeccionar toda la estructura y aunque no se repare zonas, realizar una protección contra el acceso de ataques de las zonas expuestas es indispensable para un funcionamiento óptimo de la estructura.

En definitiva, para poder decir que una intervención ha sido realmente óptima y ajustada debe de haber seguido los pasos anteriormente descritos: 1º Ensayos, 2º Diagnóstico, 3º Tratamiento y 4º Protección para durabilidad, este último importante para que no se tenga que repetir una reparación en la zona ya intervenida.

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EFECTOS DE LA CORROSION EN EL HORMIGON ARMADO

Como hemos visto en anteriores entradas, los principales problemas que tiene el hormigón armado es la oxidación de las armaduras embebidas en el mismo, debido sobre todo a los dos efectos anteriormente descritos: la carbonatación del hormigón y la acción del ion cloruro.

En esta entrada vamos a analizar el por qué la corrosión del acero es tan perjudicial produciendo daños muy severos en las estructuras.

La corrosión tiene efectos sobre el hormigón, el acero y el sistema hormigón armado.

EFECTOS EN EL HORMIGÓN

Caida de recubrimiento

 Según estudios realizados por diferentes autores, (Duffó, etc), el óxido formado depende bastante del ataque al que se ha visto sometida la armadura. En este sentido, y dependiendo de este tipo de óxidos generados, el volumen de los mismos puede ser incluso cinco veces más que el de la propia armadura.

Este aumento de volumen genera en el hormigón circundante tensiones radiales que someten a tracción al recubrimiento. Como es bien sabido, el hormigón a tracción se comporta bastante mal, con lo que estas tensiones generan que se sobrepase la resistencia a tracción del mismo. La consecuencia inmediata es la aparición de grietas y fisuras paralelas a la armadura. Si se sigue corroyendo la armadura y aumentando las tensiones radiales, se puede producir el desprendimiento del hormigón.

Muchas veces, al ser el proceso de corrosión bastante lento y si el hormigón es bastante poroso, se puede producir el efecto de que los productos de corrosión se difundan por dentro de los poros, sin causar fisuraciones y grietas que denoten corrosión.

Las manifestaciones de los daños en las estructuras dependen de varios factores:

a) La separación y el diámetro de las armaduras.

b) El recubrimiento, su espesor y ubicación.

c) La calidad del hormigón.

d) La ubicación de las armaduras (en esquina o central).

e) La forma de la estructura.

EFECTOS SOBRE EL ACERO

Armadura de vigueta partida

 En la corrosión generalizada, se puede suponer que la capacidad mecánica de la armadura disminuye con la pérdida de sección de la misma. En cambio y como describen algunos autores (Cobo, etc) cuando existe la corrosión por picaduras, en estas se produce una concentración de tensiones en forma triaxial, fragilizando el acero.

Así mismo se produce por el efecto de la corrosión una bajada importante en la ductilidad del acero, ya que los productos de corrosión son más frágiles.

EFECTO SOBRE EL SISTEMA HORMIGÓN ARMADO

Como se sabe, las cargas y los esfuerzos se transmiten a la armadura desde el hormigón por el efecto de adherencia entre el acero y el hormigón. Con lo que es de vital importancia para la trasmisión de estos esfuerzos y en general para la capacidad portante de la estructura una buena adherencia.

En este sentido, la corrosión de las armaduras embebidas en el hormigón genera un descenso importante en esta adherencia, sobre todo en elementos que no disponen de estribos que sustenten el sistema.

¿Cómo actúa la corrosión de la armadura sobre este descenso de adherencia?. Pues por tres mecanismos:

1.- Se sabe que corrosión ligera del acero mejora la adherencia. Pero cuando ésta empieza a ser importante, los productos generados por la misma, se colocan entre el acero de las armaduras y el hormigón, con lo que no están en contacto, perdiendo la base de la adherencia.

2.- Las armaduras embebidas en el hormigón, salvo en edificios muy antiguos, suelen ser corrugadas (esto es, con resaltes o corrugas) para facilitar el acuñamiento del hormigón. Cuando se produce la corrosión, esta corrugas pierden bastante altura y sección, incluso desapareciendo, con lo que influye muy negativamente en la capacidad adherente de la armadura.

3.- Como hemos hablado anteriormente, el efecto de la presión radial por corrosión en el hormigón, hace que este se fisure y se agriete. Estas fisuras ya de por sí generan pérdida de adherencia.

Armadura

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TIPOS DE CORROSION DE ARMADURAS

Todos sabemos que el hierro y el acero se "oxidan"...pero, ¿qué es exactamente la oxidación?.

La oxidación es un proceso de corrosión de un material por la presencia de oxígeno....y ¿qué es la corrosión?.

La corrosión se puede definir como el deterioro, con alteración del material y en muchos casos con destrucción del mismo por reacciones químicas o electro químicas con su entorno. A excepción de los metales nobles, los demás se encuentran en la Naturaleza en forma de compuestos (óxidos, hidróxidos, sulfatos , etc.). Estos compuestos son la fase de mínima energía de los metales.

Efectivamente, cuando los metales se extraen de los óxidos se cargan de energía, con lo que siempre tienden a la posición que tenga la mínima posible, en este caso los compuestos mencionados anteriormente. Es por esto, que los metales puros se suelen corroer.

Esta corrosión de los metales puede ser de varios tipos dependiendo del elemento corroído,  de la distribución de la misma y la posible existencia de tracción importantes. Repasando la bibliografía, hay muchísimas clasificaciones dependiendo de los autores y del nombre que hayan querido ponerle a las mismas.

Pero, ¿Por qué es importante conocer el tipo de corrosión? 

 

Es importante, sobre todo para saber las causas que han producido esa corrosión. No es lo mismo que se produzca por contacto directo entre metales, que por presencia de iones despasivantes, que por tensiones excesivas. Los técnicos debemos tener en cuenta este hecho para poder dar un tratamiento óptimo a esa patología, ya que aunque los tratamientos puedan ser en cierto modo parecidos, si no se corta el proceso de oxidación, el problema sigue estando ahí.

 
Como he dicho anteriormente, corrosión hay muchas dependiendo del tipo de material y de las causas, amén del autor que haga la clasificación. Del compendio de bibliografía sobre este asunto, se puede sacar esta clasificación:

Corrosion Generalizada en Viga. Foto Propia

Corrosión generalizada. También llamada uniforme, es cuando el ataque afecta a una gran superficie del material. Se da una pérdida de material equivalente en toda la superficie del metal corroído. La corrosión seca (sin presencia de agua) también es de este tipo. El ataque por carbonatación del hormigón suele llevar a este tipo de corrosión a la armadura (con presencia de oxígeno).

 



Corrosión galvánica. Debido a la presencia de dos metales que están en contacto eléctrico y en presencia de un electrolito, o el mismo material metálico con dos comportamientos distintos. Uno de ellos actuaría como cátodo (el más noble) y el otro actuaría como ánodo (el menos noble). Un ejemplo de este tipo de corrosión es la protección galvánica del acero (presencia de zinc que es menos noble que el acero) o la protección de pinturas metálicas.

Corrosion por picaduras. Foto Propia

Corrosión por picaduras, cuando el ataque es bastante localizado y se produce en una zona concreta, con la aparición de un punto que hace de ánodo y que al ser de dimensión mucho menor que el cátodo que sería toda la superficie, la velocidad de propagación de la corrosión es mayor que en la generalizada. Así mismo el ataque es profundo y se suelen formar cavidades. Un ejemplo de esta corrosión es el de ataque por ión cloruro en la zona próxima al mar.

   

   

corrosión por rendija

 Corrosión en rendija, se produce por la diferencia de concentración de oxígeno, debido a la aparición de alguna zona con concentración baja del mismo por ejemplo una rendija la zona de difícil acceso. Esta situación genera una diferencia de potencial entre la superficie y la ranura que ocasiona un aumento de la concentración de sal y ácido, con la consiguiente disminución del pH. Como vemos en la fotografía, esta corrosión es muy típica de tornillos y sistemas de sujeción embebidos en el hormigón, en donde hay zonas a las que el oxígeno le es muy difícil pasar.

 
Corrosión bajo tensión, cuando además del proceso corrosivo, existe una tensión mecánica elevada, con lo que una zona de la armadura tiene más trabajo que las demás, produciendo una diferencia de potencial. 

Corrosión-fatiga, es una derivación de la anterior, cuando coexisten la corrosión con una carga cíclica.

Otras formas de corrosión que nos da la bibliografía son: Corrosión intergranular, por cavitación, por fragilización por hidrógeno, erosión, agrietado, exfoliación, etc.

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PASIVACION DE LAS ARMADURAS

En la entrada anterior he comentado a grosso modo el concepto de la despasivación de la armadura como una pérdida de protección de las mismas frente a la corrosión.

Pero, ¿qué es en realidad el concepto de pasivación de las armaduras?.

En condiciones normales, el acero embebido en el hormigón tiene una doble protección. Por una parte está la protección física que corresponde al espesor del recubrimiento y que impide la entrada de agentes agresivos, y una protección química debido a que el hormigón tiene un pH entre 12-13 que lo hace básico.
Este estado definido como pasividad de las armaduras supone la formación de una capa de óxido continua sobre la superficie de las mismas que impide que el hierro contenido en la barra de acero se pueda seguir corroyendo, deteniendo el proceso de corrosión. Esta capa de óxido es de espesor muy pequeño, del orden de 100.000 Amstrong.

El proceso de formación de esta capa pasiva no está suficientemente esclarecido. Algunos autores (véase Kurtis et al, Metha, etc...) disponen que la capa pasivante es una combinación de Fe2O3 y Fe3O4, entremezclados con hidróxidos en diferentes estados de oxidación.

La principal característica de esta capa es que reduce la difusión del oxígeno e inhibe la disuloción anódica del acero, protegiéndolo contra la corrosión. Como dato a añadir para corroborar la protección es que la velocidad de corrosión (icorr) del acero en esta capa es del orden de 0,1 micras/año, prácticamente despreciable.

En el desarrollo de la corrosión de las armaduras de acero embebidas dentro del hormigón, el proceso anódico (en el ánodo, que es la zona de la armadura donde se produce la corrosión) no se puede producir hasta que la capa de óxido que le sirve de protección no se elimine. De ahí la importancia de que la armadura este en fase pasiva.


Pero, ¿por qué es importante que el hormigón tenga un pH básico?.




Esta pregunta nos introduce al concepto de Diagrama de Pourbaix.

El Diagrama de Pourbaix es un diagrama de equilibrio Incremento de potencial/ pH del medio, en el que el eje de las abcisas representa los valores de pH de una solución y el eje de coordenadas la diferencia de potencial de una pila. Determina la reacción espontánea según las condiciones ambientales, estableciendo la composición de los productos de corrosión a un potencial y a un pH determinado. Hay un diagrama de Pourbaix para cada material y siempre a temperatura constante.

La figura representa el diagrama de Pourbaix para el acero. En ella se pueden ver 4 zonas diferenciadas:
- Zona de Corrosion
- Zona de pasividad del acero
- Zona de inmunidad
- Zona de corrosión alcalina

Para el acero, el diagrama nos permite saber dependiendo de las condiciones de pH del hormigón y la diferencia de potencial entre la zona anódica y catódica de la armadura, si éste se encuentra todavía en zona de pasividad o se está corroyendo.


Por la información que nos dá este diagrama de Pourbaix, para que el acero embebido en el hormigón se corroa, debe de estar en un pH bajo menor de 10 para que se produzca la corrosión, de ahí que sea de vital importancia el estado básico del hormigón.

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CARBONATACION VERSUS ATAQUE POR ION CLORURO

Como viene siendo habitual por estas fechas, una vez pasada la temporada de verano, las comunidades de vecinos de los edificios de segunda residencia se plantean las diferentes obras de reparación, rehabilitación o refuerzo en los bloques de apartamentos.

En este sentido y como preludio a entradas de blog más adelante, hay que decir que las mayoria de las reparaciones tienen que ver con desconchamientos en fachada, grietas y fisuras en los frente de forjado y en pilares de planta baja. Se suele encargar un proyecto a un arquitecto, el cual en su leal saber y entender diagnostica la patología que sufre el elemento y acorde a este diagnóstico, propone la actuación.

La mayoría de las reparaciones/rehabilitaciones que hemos estudiado en relación con la tesis doctoral que estoy realizando, nos ha dado a entender que la mayoría de los `proyectos tienen que ver con el tema de corrosión de armaduras por carbonatación del hormigón.

Se realiza la prueba de la fenoftaleína y se comprueba si el hormigón que recubre las armaduras cambia o no de color, lo que nos indica el grado de carbonatación: rosa oscuro el pH está por encima de 12-13, rosa claro el pH está sobre 11 y sin color el pH es inferior a 10-9. En este último caso, el hormigón está carbonatado.

 Sin entrar en detalles de lo que es la carbonatación del hormigón en la que se hablará en futuras entradas, la carbonatación se produce por la entrada de dioxido de carbono en el hormigón, reaccionando con la portlandita presente en el mismo, haciendo bajar su basicidad de 12,5-13,5 a 9, con lo que como veremos, en adelante, hace que el acero pierda una de las patas de su protección, como es el estado básico del hormigón que lo recubre.

Pero la carbonatación por sí misma no es unicamente lo que produce la corrosión del acero. La presencia de oxígeno y de humedad son factores sin cuya presencia no se produciria la oxidación. Hay muchos pilares y estrucutras carbonatadas que no han tenido proceso de corrosión de armaduras.

En cambio, y despues de hacer varios ensayos en obras en estos apartamentos, ha aparecido en el hormigón de sus estructuras gran cantidad de iones cloruro, que incluso han sobrepasado con creces el umbral crítico de cloruros.

Así mismo, muchas veces se descubre la armadura y se ve que la corrosión es generalizada, que es típica del ataque por carbonatación en vez de picaduras que es particular del ataque por cloruros. Con lo que el diagnóstico suele ser ataque por carbonatación. Pero en algunos casos y sobre todo muy próximos al mar, en realidad no es una corrosión generalizada, sino más bien una acumulación de ataque por picaduras, como la experiencia nos ha revelado. Por lo que el ataque es por la presencia del ion cloruro en la armadura.


Aunque los tratamientos suelen ser bastante identicos, la diferencia fundamental es que si no se eliminan los cloruros presentes en la armadura, éstos si les llega oxígeno y sobre todo si el par ánodo-cátodo de la reacción electroquímica no se ha cortado, la corrosión continúa aunque se haya actuado en el hormigón.

 
Por lo que es muy importante realizar ensayos de presencia del ión cloruro en el hormigón para dilucidar cual ha sido el ataque que ha sufrido la estructura, cosa que muchas veces no se hacen.

En esta foto se puede ver un  ataque por ion cloruro que parece uno de corrosión generalizada. Se denotan las picaduras y la profundidad de las mismas



Una de las características principales que se ha de pedir a los morteros y hormigones de reparación es la no permeabilidad a la humedad y al ion cloruro, así como una baja porosidad, más que si son de tipo R3 o R4, ya que en edificación siempre se ha trabajado con hormigones de 15, 17,5 20 o 25 N/mm2.


En próximas entradas se hablará del ataque por ion cloruro, sus consecuencias y sobre todo su posible solución.



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¿PATOLOGIA O PATOLOGIAS?

El otro día viendo una tesis doctoral en la Escuela de Arquitectura de Valencia sobre peritación de forjados, uno de los doctores que estaban en el tribunal le hizo una apreciación al doctorando acerca del uso de la palabra patologías para describir las lesiones que se veían en la exposición, aduciendo que el término Patología no se puede decir en plural, ya que es la ciencia que estudia las enfermedades de los edificios.

En este sentido y en uno de mis grupos de LINKEDIN surgió el mismo debate, viendo que hay muchas discrepancias en este sentido.

En realidad y como pone en el diccionario de la Real Academia, las acepciones para Patología es:

1. Parte de la medicina que estudia las enfermedades
2. Conjunto de síntomas de una enfermedad.

En este sentido y según un comentario dejado en el grupo de PATOLOGIA DE EDIFICACION, se hizo una consulta a la R.A.E., y esto es lo que nos llegó:

     "Aunque el uso de patología fuera del ámbito de la medicina no está recogido en el DRAE ni en otros diccionarios generales a nuestro alcance, es fácilmente extrapolable. En efecto, este término se emplea como 'conjunto de los síntomas de una enfermedad', pero también, como ya recoge el Diccionario del español actual, como equivalente de enfermedad o dolencia. Este entendemos que sería el uso metafórico que se le da en ingeniería."

     Reciba un cordial saludo.