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.

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Bibliografía 1

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