Ataque por ácidos final final

1


Laboratorio de Corrosión




Edad (días)
Resistencia a la compresión (Mpa)
% Cambio de peso Vs Edad (dias)



DEGRADACIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS EXPUESTOS AL ATAQUE POR
BEDOYA I. a, BERRIO E. b, ERAZO A. c, MILLAN M. d
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Escuela de Ingeniería de Materiales,
Universidad del Valle, Calle 13 # 100 – 00, A.A. 25360
Santiago de Cali - Colombia.
(Entregado: Diciembre 19 de 2014)
RESUMEN
La durabilidad de los materiales cerámicos es un factor importante con respecto a la vida útil que estos proporcionen, propiedades mecánicas y relación costo-beneficio. En el marco de comprender el mecanismo por el cual estos materiales sufren deterioro, en el presente informe se realizó un estudio de la degradación de una serie de morteros de cemento portland, midiendo las propiedades mecánicas de compresión luego de ser expuestos a condiciones adversas; como es el ataque por ácidos, utilizando ácido clorhídrico (HCl) al 0.3 M a diferentes periodos de exposición.

INTRODUCCIÓN
El concreto es la base fundamental de las obras de construcción estructural. Es una mezcla de un material aglutinante (cemento portland) que reacciona químicamente con el agua endureciéndose (fraguado), con un material de relleno (agregados) y aditivos. Al endurecer, su estructura compacta puede soportar grandes cargas a compresión, sin embargo es débil a esfuerzos tensiles, limitando su durabilidad.
No obstante, la durabilidad no solo depende del diseño de la mezcla y ni de la acción mecánica a la cual están sometidos. Existen otros factores relacionados con las condiciones de trabajo y ambiente de exposición, que afectan y hacen que el material llegue a deteriorarse con el paso del tiempo.
Es el caso de las reacciones químicas de carácter extrínseco; por la agresión de agentes externos, que llevan a la degradación del concreto, como lo son:

El suelo y el agua: de la capa freática, de ríos y del mar que toman contacto con las estructuras.
Fluidos corrosivos que circulan en canalizaciones o tuberías de concreto en ambientes industriales.
En Cuanto a la forma corno se presenta el ataque químico, este puede darse:
Ataque en profundidad a través de los canalículos del concreto poco compacto, por las microfisuras de contracción o los vacíos que se encuentran en concretos mal dosificados. Este tipo de ataque es el más peligroso en cuanto altera la estructura misma del concreto, es de difícil control y muchas veces imposible de corregir cuando es detectado.

El ataque en profundidad se puede presentar en dos formas:

Disolución de compuestos solubles en el agua que se propaga en el interior del concreto, como es el caso de las aguas ácidas, que pueden provocar el debilitamiento de la estructura de la pasta de cemento.
Expansión que se debe a los compuestos débilmente solubles, que se forman en el interior del concreto y que dan origen al crecimiento de cristales, que originan una presión capaz de llevar a la ruptura de la estructura.

Ataque superficial, que actúa como una forma de erosión en los concretos bien compactados.
El ataque químico se puede producir con la acción de ácidos, sales o bases. La comisión de la Unión Internacional de Laboratorios y Expertos en Materiales de Construcción, Sistemas y Estructuras (RILEM), estudia la resistencia del concreto frente al ataque químico, agrupando en la Tabla Nº 1, las sustancias agresivas del concreto:

Tabla1. Sustancias químicas agresivas
Ácidos Minerales
Ácidos orgánicos
Ácido Brómico
Ácido Acético
Ácido Carbónico
Ácido Fórmico
Ácido Clorhídrico
Ácido Húmico
Ácido Crónico
Ácido Tánico
Ácido Fluorhídrico
Ácido Láctico
Ácido Sulfúrico
Ácido Butírico
Ácido Sulfuroso
Ácido Úrico
Ácido Nítrico

Por lo cual, en el siguiente trabajo se estudiará el comportamiento y propiedades mecánicas de una serie de morteros frente a un medio ácido; Ácido Clorhídrico (HCl).
OBJETIVO
Evaluar el comportamiento y la pérdida de resistencia de morteros de cemento portland, mediante la exposición a un medio ácido, durante diferentes periodos de tiempo.

MARCO TEÓRICO
Los cementos son conglomerantes hidráulicos, esto es, productos que mezclados con agua forman pastas que fraguan y endurecen, dando lugar a productos hidratados mecánicamente resistentes y estables. Uno de los tipos de cementos más utilizados es el Cemento Portland el cual se consigue de la pulverización del Clinker (caliza cocida) y una o más formas de sulfato de calcio como adición de molienda.
Al mezclar el cemento portland con agua, los compuestos del cemento reaccionan y forman una pasta aglutinadora, dicha pasta se vuelve rígida gradualmente hasta conformar una masa sólida, es decir, aumenta su viscosidad por lo que disminuye la manejabilidad de la pasta a medida que aumenta el tiempo. Dicha pasta tiene las propiedades de adhesión y cohesión necesarias para unir agregados inertes como la arena y la grava para conformar una masa sólida que presenta las propiedades requeridas se resistencia y durabilidad.
La mezcla de cemento Portland con agua y arena se denomina mortero. El mortero es un material de origen cementicio, muy homogéneo que en estado fresco fluye con viscosidad de líquido, sin segregar ni exudar, transformándose una vez endurecido en una estructura estable que soporta cargas.
Los morteros se han empleado tradicionalmente para pegar tabiques y en todo tipo de aplanados en muros y techos, sin embargo existen muchas otras aplicaciones en la ingeniería civil que tienen que ver con la necesidad de colocar un material de textura lo suficientemente fina para poder penetrar en pequeños resquicios ya sea para sellar, resanar o nivelar con mucha mayor facilidad de lo que es posible de hacer con los concretos. Debido a que los morteros no llevan grava son más fáciles de manejar y se consume menos energía en su mezclado y colocación, ya sea manual o por medios mecánicos.
El comportamiento y propiedades finales de un mortero dependen de numerosas variables como son: la calidad del cemento, arena, agua, y aditivos usados; las proporciones de la mezcla; la forma, duración y temperatura de amasado; las condiciones de humedad y temperatura de su conservación.
Uno de los principales componentes del mortero es el agua, la cual participa en las reacciones de hidratación del cemento y confiere trabajabilidad a la mezcla, la cantidad de agua debe limitarse al mínimo estrictamente necesario.
La arena es uno de los factores importantes en la preparación de los morteros, debido a que estos están constituidos por un esqueleto de granos de arena, tangentes entre sí. Con el cemento se pretende darle una soldadura perfecta de manera tal que cada grano quede cubierto por una fina película de cemento. Como además el mortero debe formar una masa homogénea y compacta las características de la arena tales como: granulometría, módulo de finura, forma y textura deben ser adecuadas para lograr un acomodamiento que proporcione mayor compacidad. Es por ello que teniendo en cuenta estas consideraciones se realizan el tamizado de la arena obteniéndose una arena con características adecuadas para la realización del mortero.
El concreto va a estar expuesto a algún tipo de ataque, dependiendo el ambiente de trabajo en el que esté sometido (en algunos casos severos); y su estructura requiere reparación o se tiene que reemplazar en corto tiempo. Entre las formas de ataque más comunes se tienen: la abrasión, la reacción álcali-sílice, la carbonatación, altas temperaturas, ciclos de hielo-deshielo, ataque de sulfatos y ataque de ácidos.
A continuación se describe el mecanismo de acción de los ácidos frente a los morteros:
El ataque por ácidos
En general, el cemento no tiene una buena resistencia a los ácidos, ya que son de carácter básico son atacados por ácidos tales como el ácido sulfúrico, nítrico, clorhídrico, fluorhídrico, bromhídrico, etc. Aunque puede tolerar algunos ácidos débiles, especialmente si la exposición es accidental. El ataque debido a las soluciones débiles es más lento pero, a veces, no menos importante. Al ser el fluido agresor de tipo ácido, reacciona con los hidratos del cemento, que son de tipo base, formando sal más agua. Este mecanismo se produce en las superficies de contacto con el uido y los hidratos del cemento, por lo cual la porosidad será fundamental para su desarrollo.
El deterioro que provocan los ácidos en el concreto es principalmente el resultado de la reacción entre los compuestos químicos y el hidróxido de calcio del cemento hidratado. Existen ácidos que son excepciones a estos casos, ya que las sales de calcio resultante de ellos son insolubles en agua y pueden ser fácilmente eliminadas de la superficie del concreto, como por ejemplo los ácidos oxálico y fosfórico. Los ácidos también pueden decolorar el concreto. Se deben evitar los agregados silíceos cuando soluciones fuertes de hidróxido de sodio estén presentes, pues estas soluciones atacan este tipo de agregado.
Los ácidos atacan las bases y las sales básicas formadas por la hidratación del cemento, deteriorándolo por la formación de sales solubles y procesos de disolución que eliminan el hidróxido de sodio. Los parámetros que rigen el ataque estrictamente ácido son la fuerza del álcali y su concentración, vale decir el valor del pH. La gran influencia del pH, es la razón por la cual se puede estimar que los ácidos de reducido pH, (menor de 4.5), atacan fuertemente los concretos. Cualquiera que sea el cemento utilizado. En las prácticas puede estimarse que ningún cemento resiste la acción de aguas con Ph inferior a 4. De otro lado los cementos corrientes resisten sin mayores daños la acción de aguas con valores de pH superior a 6. El pH no es el único valor determinante en el ataque de los ácidos. En efecto, la velocidad de difusión y de llenado de los vacíos intersticiales es de gran importancia, especialmente si esta acción se produce bajo presión.
Las sales de calcio se precipitan, así sea poca la cantidad de ácido que entra en contacto de la superficie del concreto. Este fenómeno puede ser aprovechado para aumentar la durabilidad del concreto sometiéndolo a la acción de pequeñas cantidades de ácido productor de sales insolubles, las cuales taponan los poros superficiales e impiden la entrada de nuevos agentes agresivos.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Para la realización de ésta práctica se elaboraron 15 morteros de forma cúbica siguiendo los siguientes pasos:
Se estableció la relación agua-cemento. Se pesaron las cantidades correspondientes (Ver Tabla 2).
Tabla 2. Cantidades utilizadas para la elaboración de 15 morteros con una relación a/c=0.75.
Material
Cantidad (g)
Cemento
470
Arena
1292.5
Agua
352.5

Se llevó la mezcla de agua-cemento a la mezcladora mecánica (Figura 1) y fueron mezclados por 30 segundos a velocidad lenta.







Figura 1. Mezcladora mecánica.Figura 1. Mezcladora mecánica.
Figura 1. Mezcladora mecánica.



Figura 1. Mezcladora mecánica.












Poco a poco se adicionó la arena, mientras se mezcló a baja velocidad por 30 segundos, posteriormente se detuvo la mezcladora, se cambió a velocidad rápida y se mezcló durante 30 segundos más.

Terminado ese tiempo, se detuvo la mezcladora durante 90 segundos, durante los cuales se retiró la mezcla adherida a las paredes del recipiente y se llevó hacia el fondo del mismo, y luego se cubrió el recipiente con un trapo húmedo para evitar la pérdida de humedad (ver Figura 2). Finalmente se mezcló durante 60 segundos a velocidad rápida.
Figura 2. Mezcladora tapada para evitar pérdida de humedad.Figura 2. Mezcladora tapada para evitar pérdida de humedad.
Figura 2. Mezcladora tapada para evitar pérdida de humedad.
Figura 2. Mezcladora tapada para evitar pérdida de humedad.






El siguiente paso fue engrasar los moldes y vaciar la mezcla en pequeñas proporciones para posteriormente golpearlo alrededor de 20 veces con un compactador, hasta llenarlo por completo y apisonar nuevamente, para luego enrasar.

Los moldes se llevaron a la cámara de curado por 12 horas, y posteriormente los morteros fueron desmoldados (Figura 3).

Figura 3. Morteros desmoldados.
Los morteros obtenidos, se dividieron en 5 subgrupos conformados por 3 morteros cada uno: el primer subgrupo se sometió a ataque por ácido durante 15 días, utilizando ácido clorhídrico al 0.3 M), el segundo subgrupo por 30 días, el tercero se evaluó por 45 días, el cuarto por 15, 30, 45 y 60 días y el quinto subgrupo se utilizó como blanco (el cual no se sometió a ataque por ácido), (ver Figura 4).

Figura 4. Exposición al ácido clorhídrico.Figura 4. Exposición al ácido clorhídrico.
Figura 4. Exposición al ácido clorhídrico.
Figura 4. Exposición al ácido clorhídrico.

Terminado cada periodo de exposición con el ácido, se realizaron los ensayos de compresión (Figura 5). Los datos se encuentran en la tabla 2.

Figura 5. Ensayos de compresión.Figura 5. Ensayos de compresión.
Figura 5. Ensayos de compresión.
Figura 5. Ensayos de compresión.

DATOS Y RESULTADOS
Una vez realizadas las pruebas mecánicas de los morteros luego de la exposición al ácido durante diferentes periodos de tiempo, los datos se registraron en la tabla 3. Se calculó la perdida de masa de los morteros, y la disminución de la resistencia a la compresion para cada subgrupo, tomando como referencia los morteros blanco, los cuales permanecienron en las camaras de curado.
La resistencia y durabilidad de los morteros está principalmente relacionada con la relación agua-cemento (a/c) de la pasta, con una relación inversamente proporcional con dicha relación y con la granulometría y tipo de partículas del agregado fino. Por ello, si se desea fabricar un mortero más resistente se añade menos agua a la mezcla. Si por el contrario se le añade una mayor cantidad de agua, las propieadedes mecánicas se veran afectadas, esto es por la mayor proporsión de poros generados.
Cuando la relación a/c excede aproximadamente 0.6, los efectos que se tienen son negativos y cuando la relación es menor de 0.45 se presenta una disminución en la permeabilidad. La pasta de cemento debe ser compacta, para presentar una mayor resistencia al deterioro, que se liga directamente con la permeabildad que esta presente.
De esta manera, las propiedades requeridas de la mezcla como una mayor resistencia, mejor manejabilidad y por ende mayor fluidez se obtienen con una menor relación a/c, es por ello que es de esperarse que la resistencia a la compresión de los morteros elaborados en el desarrollo de la práctica experimental fuera relativamente baja ya que la relación a/c utilizada para la elaboración de la mezcla fue de 0.75, esta relación ayudó a que la mezcla presentara una mayor aglomeración de partículas, una mayor fluidez y a su vez una mejor manejabilidad, sin embargo la esistencia a la compresión presentada fue relativamente baja.
El ácido clorhídrico al igual que el ácido nítrico y sulfúrico son ácidos minerales fuertes y peligrosos para el concreto. Al reaccionar descomponen los productos de hidratación de cemento, por lo que su ataque es muy intenso.
Con base a los datos reportados en la tabla 3 que corresponden a la resistencia a la compresión de los morteros de forma cubica elaborados en el desarrollo de la práctica experimental (de los cuales los subgrupos 1,2,3 y 4 fueron sometidos a un ataque con ácido clorhídrico al 0.3 M) y el subgrupo 5 se dejó en la cámara de curado, se puede observar una perdida de masa a medida que avanza el tiempo de exposición (edad), asimismo la resistencia a la compresión de los morteros expuestos al medio acido disminuye a medida que aumenta la edad de exposición (gráfica 1), siendo el producto del efecto nocivo del ácido en el mortero, el cual se define principalmente como la lixiviación de la cal libre a consecuencia de la penetración del ácido, lo cual genera una matriz cada vez más porosa. Además, el ataque avanza conforme se hace más porosa la matriz del mortero. Otro tipo de degradación que a veces se presenta simultáneamente es la disolución de los productos de hidratación del cemento por su reacción química con el ácido. La inclusión de agregados ricos en calcio, o carbonatos de calcio, también hace al mortero más susceptible de ataque, puesto que su resistencia al ataque químico por ácidos es muy baja.
La mecánica de degradación empieza en la superficie del mortero con la lixiviación de la cal libre, propiciada por la porosidad que se encuentra en las superficies a causa de los capilares formados por el sangrado y el eventual agrietamiento plástico o por contracción por secado. Una vez que ha logrado penetrar, el producto de lixiviación y reacción más susceptible continúa siendo la cal libre. Se ha encontrado que la reacción del ácido, principalmente con la cal, neutraliza la acción destructora del ácido; sin embargo, la neutralización dura hasta que se renueva la concentración del ácido.
La siguiente fase de ataque se puede presentar en los productos de hidratación del cemento denominados Hidratos de Silicato de Calcio (H-S-C), o en los agregados, según sea su composición mineralógica. La reacción con los H-S-C es una disolución que debilita severamente la integridad física de la pasta y su interfase con los agregados. Cuando un agente agresor, como es el ácido, penetra hasta la interfase, la cual es una zona relativamente más porosa que el resto de la matriz la razón de degradación aumenta rápidamente y se produce una repentina pérdida de adherencia con los agregados, causando la destrucción total del mortero.
De aquí la necesidad de obtener un mortero de alto desempeño resistente a ácidos, que se base en las características de baja permeabilidad que presenta, así como en la escasa presencia de redes de capilares o de los mismos capilares. En estos morteros, el favorecer una actividad puzolánica es bueno, porque la actividad puzolánica consume la cal libre, y los productos de hidratación del cemento incluyen hidratos de silicato de calcio con una relación calcio/sílice mucho menor, constituyendo un compuesto de mucha mejor calidad que los H-S-C originales del cemento portland.
De esta manera, los compuestos más susceptibles de ataque se han transformado en un compuesto mucho más resistente, a la vez que se ha creado un producto con una polimerización más alta que adsorbe iones susceptibles de reacción, como son los de los álcalis y del aluminio, y es más resistente a la disminución del pH.
En general, el cemento no tiene una buena resistencia a los ácidos, ya que son de carácter básico son atacados por ácidos tales como el ácido sulfúrico, nítrico, clorhídrico, fluorhídrico, bromhídrico, etc.
El deterioro que provocan los ácidos en el concreto es principalmente el resultado de la reacción entre los compuestos químicos y el hidróxido de calcio del cemento hidratado, en la mayoría de los casos, la reacción da como resultado la formación de compuestos de calcio en agua que posteriormente son lixiviados por las soluciones acuosas. Los ácidos atacan las bases y las sales básicas formadas por la hidratación del cemento, deteriorándolo por la formación de sales solubles y procesos de disolución que eliminan el hidróxido de sodio.
Los parámetros que rigen el ataque estrictamente ácido son la fuerza del álcali y su concentración, vale decir el valor del pH. La gran influencia del pH, es la razón Por la cual se puede estimar que los ácidos de reducido pH, (menor de 4.5), atacan fuertemente los concretos. Cualquiera que sea el cemento utilizado. En las prácticas puede estimarse que ningún cemento resiste la acción de aguas con pH inferior a 4. De otro lado los cementos corrientes resisten sin mayores daños la acción de aguas con valores de pH superior a 6. El abastecimiento continuo de ácido con pH de menos de 4, como ocurre en tuberías, se considera altamente agresivo y suficiente para quemar el concreto.
El porcentaje de pérdida de peso se puede evidenciar en la tabla 4, la cual es directamente proporcional al tiempo de exposición. Esto es debido a la disolución de las sales formadas por la reacción con el ácido y el hidroxido de calcio.
CONCLUSIONES

Los morteros expuestos a un medio acido (ácido clorhídrico al 0,3 M) a diferentes periodos de exposición presentan una disminución considerable alta de la resistencia a la compresión, debido a la penetración de los iones cloruro. Además de la estructura porosa ocacionada por la alta relacion a/c y de la misma penetracionn del ácido en la estructura del mortero.

El tiempo de exposición de los morteros en ácido clorhídrico es inversamente proporcional a la resistencia a la compresión de los mismos, debido a que a medida que aumenta la edad o el tiempo de exposición, disminuye la resistencia a la compresión y por ende aumenta el deterioro de los morteros.

La relacion a/c es un factor determinante a la hora de evaluar el ataque por ácido y la resistencia a la compresión corresppondiente, debido a que la relación utilizada en este trabajo supera la relación 0.6 establecida, generando asi una mayor permeabilidad a los iones cloruro y asimismo un mayor deterioro.




ANEXOS




Tabla 3. Ressistencia a la compresion obtenidoluego de la exposición al HCl 0.3 M
Subgrupo
Tiempo de exposición (Días)
Número del mortero
Peso inicial (g)
Peso Final (g)
Resistencia a la compresión (MPa)
1
15
1
285.5
284.7
15.345


2
285.5
285
15.591


3
281.1
280.2
16.415
2
30
4
280.5
277.5
14.818


5
279.2
275.5
15.298


6
281.4
277.7
13.236
3
45
7
284.1
280.5
13.125


8
290.8
287.6
11.644


9
283
279.4
12.216
4
60
10
277.5
261.9
10.113


11
278.2
262.02
11.322


12
280.4
261.96
10.415
5
Blanco
13
271.05
271.03
17.461


14
273.71
273.69
15.655


15
275.56
275.52
17.011





Gráfica 1. Resistencia a la compresión (Mpa) vs la edad de exposición.


Gráfica 2. % Pérdida de peso Vs Edad de exposición
Tabla 4. % Pérdida de peso en promedio para los subgrupos ensayados.
Tiempo de exposición (Días)
%cambio de peso
0
0,00973387
15
0,258504088
30
1,236529305
45
1,21321897
60
6,004633635






BIBLIOGRAFÍA

L. Sánchez/málaga. ¿qué es el clinker? Sur digital. En linea. Consultado en: [Dic/04/2014], español. Disponible: http://www.diariosur.es/prensa/20060809/malaga/clinker_20060809.html.
Morteros. Cátedra de ingeniería rural. Escuela universitaria de ingeniería técnica agrícola de ciudad real. En linea. Consultado en: [Dic/04/2014], español. Disponible: Http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_const/tema13.pdf
Paulo helene , fernanda pereira; rehabilitación de estructuras de concreto; sao paulo; 2007.
Biczok, i., 1972, "concrete corrosion-concrete protection," 8º edición, akademiaikiado, budapest, pp 545.
Kerkhoff, beatrix, effects of substances on concrete and guide to protective treatments, is 001, portland cement association, 2001, 36 pages.
Sánchez de Guzmán. D, Tecnología del concreto y del mortero, 2001
Neville, Adam M., Properties of concrete, 4ª. Ed., 1996.
Durning, Timothy y María C. Hicks, Using microsilica to increase concrete's resistance to aggressive chemicals, concrete international, marzo de 1991.
Garboczi, e.j. y D.P. Dentz, Modeling of the microestructure and transport properties of concrete, construction and building materials, vol. 10, núm. 3, 1996.
Aci 515.1r: guide to the use of waterproofing, dampproofing, protective, and decorative barrier systems for concrete
biczok, i., 1972, "concrete corrosion-concrete protection," 8º edición, akademiaikiado, budapest, pp 545.
Cerna Vásquez marco, Galicia Guarniz marco, vida útil en estructuras de concreto armado desde el punto de vista de comportamiento del material, Trujillo – Perú 2010
enlace 2.arte y cemento, revista de la construcción y su entorno n° 2040, 30 de enero de 2007, En linea. Consultado en: [Dic/04/2014], español. Disponible: http://books.google.com.co/books?id=jkkfupwxecyc&pg=pt81&dq=ataque+de+sulfatos+al+concreto&hl=es&ei=4eyet_b0jia8atzsqxrca&sa=x&oi=book_result&ct=bookthumbnail&resnum=2&ved=0cdyq6wewaq
F. Calcaneo, c. Fernandez, h. Madrigal, a. Oconitrillo, l. Díaz, m. Castro (2009). "durabilidad de las estructuras de concreto" [en línea En linea. Consultado en: [Dic/04/2014], español. Disponible: http://es.scribd.com/doc/61545251
Gonzales de la Cotera Manuel, ataque químico al concreto, diciembre 1991, En linea. Consultado en: [Dic/04/2014], español. Disponible: http://www.asocem.org.pe/scmroot/bva/f_doc/concreto/agregados/mgc22_ataque_concreto.pdf
J. Orozco, m. García, c. Ferrer, f.salas, a. Hospitaler, p. Maita (2007). "estudio sobre los mecanismos de fractura en hormigones reforzados sometidos a spalling". Anales de la mecánica de fractura. Vol 1. Pp 307-312
Montaini r. Concretes forgotten enemy. Concrete repair digest. December 1995/January 1996. Pp. 392.
Olague Caballero, Cecilia; Wenglas Lara, Gilberto; Astorga Bustillos, Fernando; adiciones minerales como atenuantes de la reacción álcali sílice en estructuras de concreto hidráulico; 2011
Scanlon j.,1993, "innovations in concrete technology", strategic highway research program, pp 406 – 413.