Ceramica Y Vidrio Ciencia De Los Materiales

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr. Vol 51. 1, 45-54, Enero-Febrero 2012. ISSN 0366-3175. eISSN 2173-0431. doi: 10.3989/cyv.072012 45

B O L E T I N D E L A S O C I E D A D E S P A Ñ O L A D E

A R T I C U L O

Cerámica y Vidrio

Generación y Caracterización de Microgrietas

en materiales estructurales

E. Men éndez1 y J. de Frutos2

1IETCC-CSIC. C/ Serrano Galvache, 4 28033 Madrid (emm@ietcc.csic.es)

2POEMMA R&D. ETSIT-UPM. Avda. Complutense, 30. 28040 MADRID jfrutos@fis.upm.es

E-mail: emm@ietcc.csic.es

En este trabajo, se estudia como generar de manera acelerada fenómenos expansivos en el interior de materiales cementicios

compuestos considerando la posibilidad de utilizar como elementos de adicción tanto cenizas volantes como escorias. Se

presentan resultados de la monitorización de estos procesos desde su etapa inicial y se caracterizan química, microestructural

y cristalográficamente mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de electrones retrodispersados, energías

dispersivas de rayos X y porosimetría de mercurio. Estos datos se complementan con valores de comportamiento mecánico

de los materiales para determinar su funcionalidad. Como resultado de estos estudios, se propone un modelo de generación

y progresión de microgrietas para cada uno de los procesos de alteración estudiado.

Palabras clave: Envejecimiento, reacción expansiva, microgrietas, propiedades mecánicas

Generation and characterization of microcracks in structural materials.

In this paper, we study how to generate and accelerate, expansive phenomena within cementitious composites, considering

elements of addiction using both fly ash and slag. We present results of monitoring of these processes from the beginning and

characterize chemical, microstructural, and crystallographic by X-ray diffraction, backscattering electron microscopy, X-ray

dispersive energy and mercury porosimetry. These data are supplemented with values of mechanical behavior of materials

to determine their functionality. As a result of these studies, we propose a model for the generation and progression of

microcracks for each alteration processes studied.

Keywords: Aging, expansive reaction, microcracks, mechanical properties

1. Introducción

Los daños en el hormigón tienen diferentes orígenes y

los fondos destinados a su reparación pueden constituir un

importante aporte de recursos. Gran parte de hormigón está

hecho a medida para el proyecto concreto a que va destinado

y a menudo es necesaria la integración de materiales locales

de calidad variable, utilizando diseños que no son estándar

y, a veces sometidos a la construcción acelerada de procesos

que pueden sacrificar la calidad por la velocidad. Según una

estadística realizada en Estados Unidos sobre reparación

de hormigón en el año 2007, los recursos destinados a este

propósito se sitúan entre 18 y 21 miles de millones de dólares

anuales. Estos datos inciden sobre la necesidad de realizar una

adecuada prevención y diagnóstico de las posibles causas que

originan la aparición de deterioros en forma de fisuración,

como manifestación externa (1, 2). A nivel europeo podemos

estar en torno a los mismos porcentajes, ya que la tipología de

las estructuras y los métodos constructivos son similares a los

de Estados Unidos, lo que se refleja en la internacionalización

de las empresas europeas y, especialmente, españolas que

desarrollan numerosos proyectos en toda América del Norte

(Estados Unidos y Canadá).

La ASCE (Sociedad Americana de Ingenieros Civiles),

en su evaluación de 2009 realizada sobre el estado de las

Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio

Vol 51, 1, 45-54, Enero-Febrero 2012 ISSN 0366-3175. eISSN 2173-0431.

doi: 10.3989/cyv.072012

infraestructuras en EEUU, estimó que para los próximos 5

años será necesaria una inversión superior a los 2,2 billones de

dólares para abordar la reparación y el mantenimiento de las

estructuras afectadas (3).

Las estructuras de hormigón pueden deteriorarse y

perder su funcionalidad por diferentes motivos, si bien

mayoritariamente estos procesos de degradación están

asociados con las condiciones de exposición ambiental a que

se encuentran sometidas las estructuras.

En los estudios realizados sobre el origen de daños en

las estructuras solo un porcentaje relativamente pequeño,

entre el 15-20%, de los fallos se consideran asociados con

una deficiencia de los materiales. No obstante, a lo largo de

la vida útil de las estructuras los materiales están expuestos

al medioambiente e interaccionan con él, y se ven influidos

por las condiciones de uso y cargas a que están sometidos.

Por tanto, las alteraciones y daños que se producen en las

estructuras de hormigón están asociados con la evolución y

deterioro de este material y de los que se encuentren incluidos

en él (4).

El origen a que están asociados estos fenómenos de

alteración de los hormigones puede ser variado, desde

reacciones químicas, procesos físicos, acciones mecánicas,

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E. Men énde z y J. de Frutos

etc. Gran parte de los fenómenos de alteración del hormigón

está asociado al ataque químico, dentro del cual se engloban

diferentes procesos. Los procesos de deterioro más importantes

están asociados con reacciones y fenómenos que se producen

en el interior del material y que generan tensiones disruptivas,

que pueden hacer que se supere la resistencia a tracción del

hormigón, dando lugar a la formación de fisuras. La aparición

de fisuras internas debilita el material haciendo que éste

pierda propiedades mecánicas, pero además, produce la

apertura de zonas de entrada de agresivos, lo que implica la

realimentación de los fenómenos de degradación y acelera el

deterioro del material y de la estructura o elemento en el que

se encuentra.

Las reacciones y fenómenos expansivos internos en el

hormigón presentan diferentes características en función de

la zona del material en la que se éste produciendo el origen

del deterioro. Si consideramos como las partes fundamentales

del hormigón: los áridos, la fase conglomerante (pasta de

cemento hidratada y sus componentes) y la red porosa del

material (generada durante el proceso de endurecimiento y

que evoluciona en el tiempo), podremos distinguir fenómenos

expansivos internos que se producen en las diferentes partes

del hormigón.

Sin considerar la corrosión de armaduras que está

relacionada con la interacción e acero-hormigón, los fenómenos

expansivos internos más relevantes que se producen en

el hormigón, y que se asocian con reacciones químicas y

alteraciones físico-químicas, corresponden a los siguientes (4):

• Reacción árido-álcali: Se origina a nivel de los áridos finos

y/o gruesos.

• Ataque por sulfatos: Se origina a nivel de la fase

conglomerante.

• Ciclos de hielo-deshielo: Se origina a nivel de la fase

porosa.

La consecuencia general de estos fenómenos es

la aparición de microfisuras internas en el material, que

progresan más o menos en función del tiempo y del grado

de exposición, manifestándose exteriormente en el hormigón

con diferentes tipos de alteraciones. A pesar de iniciarse a

distintos niveles en el interior del hormigón, la manifestación

externa de daño puede aparecer de forma similar, siendo

las más habituales la presencia de fisuras ramificadas, los

desconchones y pérdidas de material o la aparición de

depósitos superficiales. Si analizamos los fenómenos a

nivel meso y microscópico, se pueden definir patrones de

fisuración, [4,5] que esquemáticamente podríamos relacionar

con el grado de definición del deterioro y la microestructura

y más específicamente el tamaño de poro presente en el

material y su evolución con el daño. Para poder hacer este

estudio, es necesario partir del estado microestructural de un

material y clasificar los diferentes tipos de poros presentes en

el mismo. En la Figura 1 se esquematiza el tipo y tamaño de

poro que consideraremos en este trabajo, y en la tabla 1, se

recoge la clasificación de los poros para este material en base

a diferentes criterios. Entre todos ellos, los datos de la Figura

1 se ajustan al propuesto por Metha (6).

Siendo importante determinar el tipo de alteración del

material, cuando este se manifiesta el proceso de deterioro

suele estar muy avanzado y en esos casos la capacidad de

actuación es muy limitada. Resulta de máximo interés buscar

algún procedimiento de análisis de los procesos que permita

determinar su presencia en estados iniciales pudiendo tomar

medidas preventivas que impidan la progresión

...