Ingeniería

Planeación de la durabilidad para proyectos de infraestructura

Hacer las cosas con un plan que cuente con los pasos a seguir, aunado a la precisión y experiencia dará por resultado trabajos exitosos.
El proceso de la planeación de la durabilidad para infraestructura depende principalmente de la previsión sobre cuánto material interactuará con el medio ambiente en el cual será colocado, tomando en cuenta los cambios en ese entorno como resultado de la construcción y la operación de la estructura. Al comienzo del proyecto es necesario establecer el proceso para la valoración de la durabilidad durante la duración total del proyecto. El proceso de planeación tiene tres fases principales: Comprensión de las condiciones de exposición; predicción sobre cómo reaccionarán los materiales en las condiciones de exposición, así como la selección de los materiales correctos para satisfacer los requisitos de durabilidad para la vida de diseño.

Vida de diseño y durabilidad
La durabilidad se define como la capacidad del material de resistir el ambiente de exposición, manteniendo al mismo tiempo sus propiedades técnicas deseadas. En términos del proceso de la infraestructura, se requiere que los materiales de construcción sean durables para el periodo de vida de diseño nominado de la estructura.

Exposición ambiental
El primer paso importante en la planeación de la durabilidad es comprender el ambiente para el cual se está diseñando la infraestructura. Es importante saber si la atmósfera contiene medios agresivos de industrias cercanas, si el agua es potable o salina, y si el suelo puede retener sustancias agresivas. También es importante
entender cuáles elementos agresivos están presentes en cada zona de exposición. Por ejemplo, un pilote de un puente puede estar expuesto a un ambiente al aire libre, sumergido, o semienterrado, y posiblemente a una zona
de mareas dependiendo de la ubicación. Con frecuencia, necesita considerarse el ambiente más agresivo para el todo el elemento a fin de asegurar que el elemento pueda ser rápidamente construido.

Ambiente atmosférico
Los principales elementos que causan degradación en el concreto son el CO₂ y las sales de aerosol base cloruros. Para todos los materiales, uno de los parámetros cruciales al determinar la amplitud de la degradación es el tiempo de humedad el cual es, esencialmente, el periodo de cada día en el cual hay la suficiente humedad en el aire para provocar que ocurra el proceso de degradación en la superficie del material. Por su parte, los contaminantes atmosféricos principales que influyen en la durabilidad de los materiales de construcción son como sigue:
• El dióxido de carbono (CO₂) en presencia de agua, vapor de agua, o agua en los poros en el concreto, forma ácido carbónico. El ácido carbónico a su vez reacciona con el hidróxido de calcio en la pasta de cemento para formar carbonato de calcio y agua, dando como resultado una disminución en el pH del concreto. Este proceso es conocido como carbonatación. Cuando el concreto se carbonata hasta la profundidad del acero de refuerzo, y el pH del concreto cae por debajo de 8.3, la capa de óxido de hierro pasivo que cubre y protege al acero de refuerzo contra la corrosión, deja de ser estable. Se ha demostrado que el dióxido de carbono es el agente principal que agota la alcalinidad del concreto.
• El dióxido de azufre (SO₂) en presencia de agua o de vapor de agua se hace ácido, corroyendo el acero expuesto y el acero galvanizado y agotando la alcalinidad del concreto.
• Los iones de cloruro de las sales de aerosol depositado en la superficie en estructuras de concreto, ingresan por el recubrimiento de concreto hasta que la concentración crítica es rebasada y pasa al acero de refuerzo, e inicia la corrosión del acero en puntos defectuosos en la película pasiva en el acero. En un ambiente marino, los iones de cloruro son los elementos más agresivos.

Estructuras enterradas
Para estructuras de concreto, la agresividad del suelo depende principalmente de una selección ligeramente diferente de factores, incluyendo el pH. En un ambiente enterrado es necesario determinar no sólo la concentración de elementos agresivos en el suelo, sino la rapidez de relleno para permitir una estimación a corto y largo plazo, de las tasas de degradación.
En donde los elementos enterrados forman componentes de la estructura de un túnel, se debe valorar el efecto de la presión de agua. Para túneles con rieles es necesario considerar el efecto de las tasas del flujo de aire. Las altas tasas del flujo de aire pueden incrementar la velocidad con que se jalan la humedad y las sales a través del revestimiento de concreto, reduciendo el tiempo para que empiece la corrosión.
Para ambientes enterrados, los elementos principales que afectan la corrosión o la degradación del acero y el concreto incluyen:
• Concentración de oxígeno: Ya que la reducción de oxígeno es la reacción catódica predominante en ambientes enterrados, la difusión de oxígeno a través de los suelos es usualmente el paso para controlar la velocidad del proceso de corrosión. Además del oxígeno, se requiere de agua para permitir que ocurra corrosión, ya que provee condición electrolítica, completando el circuito electroquímico.
• pH/ácidos en el agua subterránea: El agua ácida del subsuelo que contiene CO₂ disuelto es agresiva con el concreto. Valores por debajo de 5.5 se consideran agresivos hacia el concreto; valores entre 5.5 y 6.5 son débilmente agresivos, y valores mayores a 6.5 se consideran no agresivos.
• Iones de cloruro: Los suelos con alto contenido de cloruros son agresivos para el concreto reforzado. Estos iones se disuelven en el concreto. A concentraciones mayores que 0.06% por peso del concreto se iniciará la corrosión en el acero de refuerzo.
• Iones de sulfato: Concentraciones de iones de sulfato por encima de 150 ppm se consideran dañinos al concreto. El sulfato de magnesio es agresivo con el concreto en concentraciones por encima de 300 ppm.
• Agua suave del subsuelo: El agua suave puede dar como resultado lixiviación del hidróxido de calcio (cal) de la pasta de cemento hidratada en el concreto. Una vez disuelto el hidróxido de calcio, el silicato de calcio restante hidrata la fase de aglomeración del gel y se vuelve químicamente inestable y empieza a descalcificarse, dando como resultado la disminución de la resistencia de la pasta de cemento, y por lo tanto del concreto. Las concentraciones de menos de 20 ppm se consideran potencialmente agresivas y representan un riesgo de lixiviación localizado.
• Los sulfatos activos que reducen las bacterias (SRB) son únicamente activos bajo condiciones óptimas que incluyen un ambiente anaeróbico, pH en el rango de 5.5–9.0, un mínimo de 30 ppm de iones de sulfatos y pequeñas cantidades de nitrógeno y fósforo en el medio ambiente y una fuente de carbón en los alimentos (nutrientes orgánicos). Los SRB activos pueden encontrarse en el suelo anegado, en el lodo del lecho marino, en aguas estancadas y bajo depósitos, o bajo colonias de otras bacterias. La manera en que afectan otras sustancias agresivas al concreto se discuten en las normas DIN 40.30.

Concreto sumergido
Los ambientes sumergidos pueden variar de relativamente benignos a severamente corrosivos respecto al acero y al concreto. La corrosividad depende de varios factores, incluyendo el pH, las sales disueltas (cloruros, sulfatos), dióxido de carbón disuelto, tasa de flujo, contaminación y oxígeno disueltos. En algunos ambientes los organismos microbiológicos pueden acelerar la tasa de corrosión. Las pilas de puentes pueden ser severamente degradadas por este tipo de ambientes.

Cambios al ambiente de exposición
El ambiente de exposición puede ser cambiado de varias maneras:
• Modo de construcción: Por ejemplo, el proceso de perforación para las pilas coladas en el sitio en un suelo pluvial puede exponer suelos con sulfato potencialmente ácidos permitiendo la conversión a suelos con sulfatos y ácidos agresivos. Si se ha usado un pilote hincado en lugar de una pila colada en una perforación, es menos probable que ocurra exposición al oxígeno y la conversión resultante de ácidos agresivos.
• Operación o mantenimiento de la infraestructura: Por ejemplo, en un largo túnel de carretera la acumulación de humo por los tubos de escape puede dar como resultado un incremento drástico en los niveles de CO₂, SO₂ y otros gases que incrementan la corrosividad del ambiente atmosférico.

Valoración física del medio ambiente
Las pruebas para confirmar las condiciones de exposición son una parte importante del proceso de durabilidad. Para estructuras enterradas, incluyendo pilotes, tuberías y en sótanos de edificios, es necesario tomar muestras y probar tanto el suelo como el agua del subsuelo a la profundidad a la cual la estructura estará enterrada. Es importante que las muestras tomadas de los ambientes enterrados y sumergidos para las pruebas de laboratorio sean empaquetadas correctamente para evitar la degradación de las muestras previamente al análisis.
Las muestras pueden degradarse debido a la pérdida de humedad o a degradación por UV. Éstas deben empaquetarse, mínimo en contenedores impermeables al aire, preferentemente en condiciones oscuras y frescas. Si han de realizarse pruebas biológicas, todas las muestras deben ser recolectadas en contenedores estériles.

Métodos para lograr la durabilidad
La siguiente etapa en el proceso de planeación de la durabilidad consiste en determinar los requisitos básicos para limitar la degradación causada por las condiciones de exposición ambientales a niveles aceptables durante la vida de diseño de la estructura.
Para proyectos de infraestructura mayores, el método de diseño ideal para proveer una estructura durable en ambientes agresivos será donde se requieren mantenimiento mínimo, monitoreo o reemplazo, durante la vida de diseño. Para estructuras de concreto, esta metodología se satisface más cuando el recubrimiento de concreto provee la durabilidad adecuada para el periodo completo de la vida de diseño. Dependiendo del ambiente, esto puede significar que el recubrimiento debe proveer, ya sea resistencia adecuada al ingreso de cloruros o al bióxido de carbono. Para estructuras de concreto, esto no significa que la corrosión no debe iniciarse durante la vida de diseño, ya que esto con frecuencia producirá un diseño demasiado conservador. Idealmente, la mezcla de concreto debe ser diseñada para permitir que se inicie la corrosión sin que ocurra daño significativo. Los modelos típicos para modificar la mezcla de concreto incluyen la adición de material cementante suplementario o ceniza volante, escoria de alto horno o humo de sílice, y la reducción de la relación agua-cemento.
Cuando el recubrimiento de concreto no puede proporcionar durabilidad adecuada, es necesario implementar otras medidas. Estas medidas pueden incluir: recubrimientos protectores, prevención catódica, inhibidores de corrosión, refuerzo de acero inoxidable o una combinación de estas medidas. En situaciones en donde la corrosión no es aceptable y el mantenimiento es una función indeseable o simplemente imposible, se recomienda que se seleccionen materiales alternos con una mayor resistencia a la corrosión.
Una de las etapas finales importantes del desarrollo del plan de durabilidad es una revisión del diseño. Esta revisión se realiza para asegurar que la estructura pueda ser fácilmente construida con la incorporación de las metodologías seleccionadas para el mejoramiento de la durabilidad. c

 

Foto: Archivo CyT, Cortesía PCA.
Referencias: Extraído del resumen de Sarah Furman–Maunsell, AECOM. Este documento fue presentado primero en la Conferencia 2008 Sobre la Corrosión y su Prevención, de la Asociación Australiana para la Corrosión, Wellington, Nueva Zelanda, celebrada en noviembre 17-19 de 2008.

 

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