¿Es el agua de mar agresiva para el hormigón?

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La gran cantidad de obras marítimas que se realizan han obligado a realizar numerosos estudios sobre el comportamiento de los hormigones sometidos a la acción del agua del mar. El hormigón, como material heterogéneo que es, presenta propiedades que varían de las características de sus componentes, de sus cantidades, de la forma de poner dicho hormigón en obra, del curado y conservación, del medio donde va a estar trabajando, entre otras.

En efecto, el agua de mar provoca un proceso muy complejo sobre el hormigón en el que intervienen gran número de parámetros mecánicos, físicos, químicos, biológicos y atmosféricos. Sin embargo, la agresividad química de los componentes del agua marina sobre los productos de hidratación del cemento, en especial el hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) y el sulfato cálcico (CaSO4), provocan expansiones debidas a la reacción álcali-árido, si hay árido reactivo, a la presión de cristalización de sales en el hormigón, a la acción del hielo en climas fríos, a la corrosión de las armaduras y a la erosión física debida al oleaje. Estas acciones aumentan la permeabilidad del hormigón, lo que retroalimenta el proceso. Son los iones sulfato del interior de la matriz los que reaccionan con el monosulfatoaluminato produciendo estringita, que es la responsable de la expansión y la rotura. Con todo, el agua de mar es menos agresiva para el hormigón que cada una de las soluciones que la componen individualmente debido a que el comportamiento expansivo asociado con formación de estringita está inhibido por la presencia de cloruros y facilita su solubilidad. Además, el CO2 disuelto en el agua carbonata gradualmente al hormigón, formando una capa superficial de carbonato cálcico que actúa como protector frente al ataque del hidróxido de magnesio y del sulfato cálcico los cuales terminan colmatando los poros restantes.

Lo anteriormente expuesto indica que, en un hormigón de razonable calidad, no suele ser un serio problema el ataque químico por el agua de mar. El parámetro esencial que determina el buen comportamiento de un hormigón es su compacidad y la morfología de sus poros. Por tanto, aunque el agua de mar podría considerarse como poco agresiva respecto de los hormigones, el ambiente marino, por sí mismo, resulta fuertemente agresivo. En efecto, el ataque químico del agua de mar depende de si el hormigón se encuentra sumergido total o parcialmente. Si está totalmente sumergido, tienen lugar fundamentalmente los procesos químicos. En la zona de oscilación, actúan los ataques químicos con otras acciones físicas como cristalizaciones de sales, heladas, etc. En la zona no sumergida, pero cercana al agua, ésta sube por capilaridad y arrastra sales que pueden cristalizar dando lugar a expansiones. Además, los cloruros del agua marina (MgCl2) solubilizan el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) (portlandita) que se ha formado durante el fraguado y endurecimiento del cemento, formando cloruro de calcio e hidróxido de magnesio.

http://blog.hidrodemolicion.com/2013/02/corrosion-del-hormigon-en-ambiente.html

El tema se complica cuando tratamos con hormigón armado. Efectivamente, los cloruros (incluso los bromuros) presentes en el agua marina atacan a las armaduras. Los iones cloruro penetran por difusión por los poros del hormigón y llegan a las armaduras, donde forman un electrolito conductor que rompe su capa pasivante y se produce la oxidación llamada de “picadura”. Es por ello, que en las estructuras de hormigón armado situadas en ambiente marino, resulta fundamental respetar los recubrimientos recomendados para evitar la corrosión descrita.

Os dejo a continuación una guía técnica de IECA donde se describe con mayor detalle el comportamiento del hormigón en ambiente marino.

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Los orígenes del hormigón armado

http://www.cehopu.cedex.es/hormigon/

Las civilizaciones antiguas ya tuvieron la idea de juntar piedras usando un amalgamador. Así, hacia el 2500 a.C., los egipcios ya emplearon un mortero de cal y yeso en la construcción de las pirámides de Giza. Sin embargo, fueron los romanos los que emplearon el hormigón a gran escala en obras como el Coliseo (en su cimiento y paredes internas) y el Panteón, construidos en los años 80 y 120 d.C. en Roma, o bien en el puente de Alcántara, en Hispania, del 104 al 106 d.C.

Tras la caída del imperio romano, el uso del hormigón decae hasta que, en la segunda mitad del siglo XVIII se vuelve a emplear en Francia y en Inglaterra. Así, en 1758, el ingeniero John Smeaton, ideó un nuevo mortero al reconstruir el faro de Eddyston en la costa de Cornish. En esta obra se empleó un mortero adicionando una puzolana a una caliza con una alta proporción de arcilla. Este mortero se comportaba bien frente a la acción del agua del mar debido a la presencia de arcilla en las cales, permitiendo incluso fraguar bajo el agua permanecer insoluble una vez endurecido.

Aunque Joseph Aspdin patentó en 1824 el cemento Portland, se considera al francés Vicat como padre del cemento al proponer en 1817 un sistema de fabricación que se sigue utilizando actualmente. Con todo, el cemento Portland actual se produce, desde el año 1845, con el sistema de Isaac C. Jhonson. Este procedimento se basa en altas temperaturas capaces de clinkerizar la mezcla de arcilla y caliza.

Las nuevas dársenas en el puerto de Toulon (Francia), en 1748, constituyen la primera obra moderna en la que se emplea el hormigón y que se encuentre documentada. Esta obra se ejecutó mediante tongadas alternas de hormigón fabricado con puzolana y mampostería irregular. En 1845 Lambot empieza a fabricar en Francia objetos en los que combina el hormigón y el acero surgiendo de esta forma el primer hormigón armado.

Patentes de sistemas de hormigón armado (Christophe 1902)

Destaca la publicación, en 1861, del libro “Bétons Aglomérés appliqués à l’art de construire“, donde François Coignet analiza la función del hormigón y del acero como partes integrantes del nuevo material. Joseph Monier construye en 1875 el primer puente de hormigón armado del mundo en Chazalet (Francia) con un vano de 16,5 m de luz patentando el hormigón armado. En 1885, asociados Coignet y Monier, presentan en la Exposición Universal de París ejemplos de elementos que podrían realizarse con hormigón como vigas, bóvedas, tubos, etc.

A finales del siglo XIX se comienza a utilizar el hormigón en países como Alemania y Estados Unidos. Aunque las primeras aplicaciones del hormigón en Estados Unidos datan de 1875, fue a partir de 1890 cuando su empleo alcanzó un impulso extraordinario. Eran unos años donde las bases científicas del comportamiento del hormigón armado no estaban asentadas y, por tanto, las aplicaciones estaban sujetas a patentes y sistemas de firmas comerciales. Así, a pesar de las patentes de Monier sobre el hormigón armado, el desarrollo del nuevo material no despegó hasta que empresarios alemanes como Freytag no compraron los derechos de explotación. Fue en 1885 cuando el ingeniero Gustaf Wayss, que acababa de asociarse a las empresas alemanas que poseían los derechos de Monier, estableció los principios básicos del comportamiento del hormigón armado.

Edmond Coignet y De Tedesco publicaron en 1884 el primer método de dimensionamiento elástico de secciones de hormigón armado sometidas a flexión, mientras que el ingeniero Mathias Koenen, director técnico de la empresa de Wayss y Freytag, publicó en 1886 el primer método empírico de este tipo de secciones. La empresa de Wayss y Freytag construyó entre 1887 y 1899 trescientos veinte puentes distribuidos por toda Alemania y el Imperio austro-húngaro.

Las construcciones de Monier en Alemania supusieron un impulso potente en Francia, donde a partir de 1890, empezó una auténtica revolución en la industria de este país. Jean Bordenave patentó en 1886 un sistema de tuberías de hormigón armado (Sidéro-ciment) que se utilizaría por primera vez en el abastecimiento de agua potable de Venecia. La primera patente realmente significativa en el ámbito del hormigón la realizó F. Hennebique en 1892 en Francia y Bélgica. En 1902 Rabut define las leyes de deformación del hormigón armado y sus reglas de cálculo y empleo. En 1904 De Tedesco publica el primer volumen completo sobre hormigón. La primer tesis sobre hormigón estructural la presentó F. Dischinger en 1928, versando dicho trabajo sobre láminas de hormigón para cubrir grandes espacios.

Anuncio cemento, 1903

En España la técnica del hormigón armado también llegó a finales del siglo XIX, desarrollándose simultáneamente con la industria del cemento portland. Nuestro país se situó desde ese momento en las primeras posiciones en el desarrollo internacional de la construcción con hormigón armado. La fabricación de traviesas de ferrocarril por parte de Nicolau en 1891 y el proyecto y construcción en 1893 del depósito de agua de Puigverd (LLeida) por parte del ingeniero Francesc Maciá, se consideran las primeras aplicaciones de este material. En los primeros años del siblo XX, otros ingenieros y arquitectos (Ribera, Zafra, Rebollo, Durán, Jalvo, Fernandez Casado, Torroja, entre otros) contribuyeron enormemente al desarrollo del hormigón armado en España. Por último, a partir de 1910, se introduce la enseñanza del hormigón armado en la Escuela de Ingenieros de Caminos de Madrid. No obstante, accidentes como el de la construcción del tercer depósito del Canal de Isabel II hizo que estos inicios fueran complicados.

Puente de Ribera (1910) en Valencia de Don Juan (León). http://www.mirame.chduero.es/PHD/Hidro.php?id=196

Referencias:

http://www.cehopu.cedex.es/hormigon/

http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/informesdelaconstruccion/article/viewArticle/3261/3674

 

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Fabricación del cemento

El cemento es un conglomerante formado a partir de una mezcla de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que tiene la propiedad de endurecerse al contacto con el agua. Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón.

Las fases para su fabricación son las siguientes:

  1. Fragmentado y molido. En esta primera fase, la piedra calcárea y la arcilla se fragmentan y se muelen hasta quedar reducidas a polvo.
  2. Dosificación y mezcla. En una gran cuba o cisterna se mezclan las cantidades exactas de cada material y se amasan hasta obtener la textura adecuada.
  3. Cocción. Se efectúa en un horno giratorio en forma de cilindro de hasta 100 m de largo. El material recorre lentamente el tubo y se cuece a una temperatura de 1.300 a 1.500 °C. De él sale en forma de pequeñas bolas; es lo que se llama clínker.
  4. Molido del clínker. El clínker que hemos obtenido se muele hasta que se convierte en un polvo finísimo, que recibe el nombre de cemento.
  5. Almacenamiento y empaquetamiento. El cemento se almacena en silos. Después se empaqueta en sacos de 50 kg, listo para su comercialización y para ser utilizado.
Esquema del proceso de fabricación del cemento Portland, mostrando los posibles puntos de control de calidad, en los cuales el productor extrae muestras.

Sin embargo, para entender mejor este proceso, dejo unos cuantos vídeos explicativos que espero resulten de vuestro interés.

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¿Cuándo se inventó el primer cemento artificial?

Pont du Gard, Francia

Los datos históricos nos indican que ya se emplearon diversos morteros y hormigones en civilizaciones tan antiguas como la egipcia o la china hacia el 3000 A.C. Sin embargo, fueron los romanos los que utilizaron su famoso mortero formado de cal y adiciones de tierra volcánica abundante en Puzzoli, a las faldas del Vesubio. Con este material se construyeron numerosas obras, entre las que podemos destacar el teatro de Pompeya, los baños públicos de Roma, el Pont du Gard o el Panteón.

Hubo que esperar a 1756 cuando John Smeaton empleó morteros obtenidos por calcinación de mezclas de calizas y arcillas para reconstruir el faro de Eddystone. Años más tarde, en 1796, James Parker patenta un cemento hidráulico natural al calcinar caliza con impurezas de arcilla, denominándolo “Cemento Parker” o “Cemento Romano”. Son en estos años, a caballo entre el final del siglo XVIII y el principio del XIX cuando se registran numerosas patentes de cementos naturales, detacándose el cemento de Luois Vicat, fruto de la mezcla de cales y arcillas en proporciones adecuadas y molidas de forma conjunta. Ello permitió proyectar al propio Vicat el primer puente construido con hormigón en masa, el puente de Souillac, entre 1812 y 1824. Continue reading “¿Cuándo se inventó el primer cemento artificial?”