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Articulo de referencia

Hormigón armado

El hormigón armado , también llamado ferrohormigón , es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensa...

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El hormigón armado , también llamado ferrohormigón , es un material compuesto en el que la resistencia a la tracción y la ductilidad relativamente bajas del hormigón se compensan con la inclusión de armaduras con mayor resistencia a la tracción o ductilidad. La armadura suele ser, aunque no necesariamente, de barras de acero (conocidas como corrugaciones ) y generalmente se embeben pasivamente en el hormigón antes de que fragüe. Sin embargo, el postensado también se emplea como técnica para reforzar el hormigón. En términos de volumen utilizado anualmente, es uno de los materiales de ingeniería más comunes. [ 1 ] [ 2 ] En términos de ingeniería de corrosión , cuando se diseña correctamente, la alcalinidad del hormigón protege las barras de acero de la corrosión . [ 3 ]

Descripción

La novedosa forma del Pabellón Philips construido en Bruselas para la Expo 58 se logró utilizando hormigón armado.

Los sistemas de refuerzo se diseñan generalmente para resistir esfuerzos de tracción en regiones específicas del hormigón que podrían causar fisuras inaceptables o fallos estructurales. El hormigón armado moderno puede contener diversos materiales de refuerzo, como acero, polímeros o materiales compuestos alternativos, junto con barras de refuerzo o no. El hormigón armado también puede someterse a esfuerzos permanentes (hormigón a compresión y refuerzo a tracción) para mejorar el comportamiento de la estructura final bajo cargas de trabajo. En Estados Unidos , los métodos más comunes para lograrlo se conocen como pretensado y postensado .

Para una construcción fuerte, dúctil y duradera , el refuerzo debe tener al menos las siguientes propiedades:

  • Alta fuerza relativa
  • Alta tolerancia a la deformación por tracción
  • Buena adherencia al hormigón, independientemente del pH, la humedad y factores similares.
  • Compatibilidad térmica, que no provoque tensiones inaceptables (como expansión o contracción) en respuesta a los cambios de temperatura.
  • Durabilidad en el entorno del hormigón, independientemente de la corrosión o de las tensiones sostenidas, por ejemplo.

Historia

El desarrollo inicial del hormigón armado tuvo lugar en paralelo en Inglaterra y Francia a mediados del siglo XIX. [ 4 ]

Casa de François Coignet en 72 rue Charles-Michels, Saint Denis

French builder François Coignet was the first to use iron-reinforced concrete as a building technique.[5] In 1853-55, Coignet built for himself the first iron reinforced concrete structure, a four-story house at 72 rue Charles Michels in the suburbs of Paris known as the François Coignet House.[6] Coignet's descriptions of reinforcing concrete suggests that he did not do it for means of adding strength to the concrete but for keeping walls in monolithic construction from overturning.[7] The 1872–73 Pippen Building in Brooklyn, although not designed by Coignet, stands as a testament to his technique.

House built by Coignet for his factory workers at 59-61 rue Charles-Michels, Saint Denis

In 1854, English builder William B. Wilkinson reinforced the concrete roof and floors in the two-story house he was constructing. His positioning of the reinforcement demonstrated that, unlike his predecessors, he had knowledge of tensile stresses.[8][9][10] Between 1869 and 1870, Henry Eton would design, and Messrs W & T Phillips of London construct the wrought iron reinforced Homersfield Bridge, with a 50' (15.25 meter) span, over the river Waveney, between the English counties of Norfolk and Suffolk.[11]

Joseph Monier, a 19th-century French gardener, was a pioneer in the development of structural, prefabricated and reinforced concrete, having been dissatisfied with the existing materials available for making durable flowerpots.[12] He was granted a patent for reinforcing concrete flowerpots by means of mixing a wire mesh and a mortar shell in 1867.[13] In 1877, Monier was granted another patent for a more advanced technique of reinforcing concrete columns and girders, using iron rods placed in a grid pattern. Though Monier undoubtedly knew that reinforcing concrete would improve its inner cohesion, it is not clear whether he even knew how much the tensile strength of concrete was improved by the reinforcing.[14]

En 1877, Thaddeus Hyatt publicó un informe titulado «Relato de algunos experimentos con hormigón de cemento Portland combinado con hierro como material de construcción, con referencia a la economía del metal en la construcción y para la seguridad contra incendios en la fabricación de techos, pisos y superficies transitables» [ 15 ] , en el que describió sus experimentos sobre el comportamiento del hormigón armado. Su trabajo desempeñó un papel fundamental en la evolución de la construcción con hormigón como una ciencia probada y estudiada. Sin el trabajo de Hyatt, se podría haber recurrido a métodos de ensayo y error más peligrosos para el avance de la tecnología. [ 7 ] [ 16 ]

Antes de la década de 1870, el uso de la construcción con hormigón aún no era una tecnología científicamente probada, aunque se remontaba al Imperio Romano y se había reintroducido a principios del siglo XIX. [ 17 ]

Ernest L. Ransome , un ingeniero nacido en Inglaterra, fue uno de los primeros innovadores en técnicas de hormigón armado a finales del siglo XIX. Utilizando el conocimiento sobre hormigón armado desarrollado durante los 50 años anteriores, Ransome mejoró casi todos los estilos y técnicas de los inventores anteriores. La innovación clave de Ransome fue torcer la barra de acero de refuerzo, mejorando así su adherencia al hormigón. [ 18 ] [ 19 ] Ganando cada vez más fama por sus edificios construidos con hormigón, Ransome pudo construir entre 1886 y 1889 dos de los primeros puentes de hormigón armado en Norteamérica. [ 18 ] Uno de sus puentes todavía se encuentra en Shelter Island, en el East End de Nueva York.

Uno de los primeros edificios de hormigón construidos en Estados Unidos fue una casa particular diseñada por William Ward , terminada en 1876. La casa fue diseñada especialmente para ser ignífuga.

G. A. Wayss fue un ingeniero civil alemán y pionero de la construcción con hormigón armado. En 1879, Wayss adquirió los derechos alemanes de las patentes de Monier y, en 1884, su empresa, Wayss & Freytag , realizó el primer uso comercial del hormigón armado. Hasta la década de 1890, Wayss y su empresa contribuyeron significativamente al desarrollo del sistema de refuerzo de Monier, consolidándolo como una tecnología científica avanzada. [ 14 ]

The Lamington Bridge was Australia's first large reinforced concrete road bridge. It was designed by Alfred Barton Brady, who was the Queensland Government Architect at the time of the bridge's construction in 1896.[20] It has eleven 15.2-metre (50 ft) spans and a total length of 187-metre (614 ft), larger than any known comparable bridge in the world at that time.[21]

One of the first skyscrapers made with reinforced concrete was the 16-story Ingalls Building in Cincinnati, constructed in 1904.[10]

The first reinforced concrete building in Southern California was the Laughlin Annex in downtown Los Angeles, constructed in 1905.[22][23] In 1906, 16 building permits were reportedly issued for reinforced concrete buildings in the City of Los Angeles, including the Temple Auditorium and 8-story Hayward Hotel.[24][25]

In 1906, a partial collapse of the Bixby Hotel in Long Beach killed 10 workers during construction when shoring was removed prematurely. That event spurred a scrutiny of concrete erection practices and building inspections. The structure was constructed of reinforced concrete frames with hollow clay tile ribbed flooring and hollow clay tile infill walls. That practice was strongly questioned by experts and recommendations for "pure" concrete construction were made, using reinforced concrete for the floors and walls as well as the frames.[26]

En abril de 1904, Julia Morgan , arquitecta e ingeniera estadounidense, pionera en el uso estético del hormigón armado, completó su primera estructura de hormigón armado, El Campanil, un campanario de 22 metros (72 pies) en Mills College , [ 27 ] ubicado al otro lado de la bahía de San Francisco . Dos años después, El Campanil sobrevivió al terremoto de San Francisco de 1906 sin sufrir daños, [ 28 ] lo que contribuyó a consolidar su reputación e impulsar su prolífica carrera. [ 29 ] El terremoto de 1906 también modificó la resistencia inicial del público al hormigón armado como material de construcción, que había sido criticado por su supuesta falta de atractivo. En 1908, la Junta de Supervisores de San Francisco modificó los códigos de construcción de la ciudad para permitir un uso más amplio del hormigón armado. [ 30 ] 

En 1906, la Asociación Nacional de Usuarios de Cemento (NACU) publicó la Norma N.° 1 [ 31 ] y, en 1910, el Reglamento de Construcción Estándar para el Uso de Hormigón Armado . [ 32 ]

Uso en la construcción

Varillas del tejado de la Sagrada Familia en construcción (2009)
Estatua del Cristo Redentor en Río de Janeiro , Brasil. El monumento está hecho de hormigón armado revestido con un mosaico de miles de baldosas triangulares de esteatita . [ 33 ]

Se pueden construir muchos tipos diferentes de estructuras y componentes estructurales utilizando elementos de hormigón armado, como losas , muros , vigas , columnas , cimientos , pórticos y más.

El hormigón armado se puede clasificar en hormigón prefabricado o hormigón vertido in situ .

Diseñar e implementar el sistema de piso más eficiente es fundamental para crear estructuras de edificios óptimas. Pequeños cambios en el diseño de un sistema de piso pueden tener un impacto significativo en los costos de los materiales, el cronograma de construcción, la resistencia final, los costos operativos, los niveles de ocupación y el uso final del edificio.

Sin refuerzo, la construcción de estructuras modernas con material de hormigón no sería posible.

Elementos de hormigón armado

Cuando se utilizan elementos de hormigón armado en la construcción, estos elementos exhiben un comportamiento básico al ser sometidos a cargas externas . Los elementos de hormigón armado pueden estar sujetos a tracción , compresión , flexión , cortante y/o torsión . [ 34 ]

Comportamiento

Materiales

El hormigón es una mezcla de agregados gruesos (trozos de piedra o ladrillo) y finos (generalmente arena y/o piedra triturada) con una pasta de material aglutinante (generalmente cemento Portland ) y agua. Cuando el cemento se mezcla con una pequeña cantidad de agua, se hidrata para formar redes cristalinas opacas microscópicas que encapsulan y fijan el agregado en una forma rígida. [ 35 ] [ 36 ] Los agregados utilizados para hacer hormigón deben estar libres de sustancias nocivas como impurezas orgánicas, limo, arcilla, lignito, etc. Las mezclas de hormigón típicas tienen una alta resistencia a las tensiones de compresión (alrededor de 4000 psi (28 MPa) ); sin embargo, cualquier tensión apreciable ( por ejemplo, debido a la flexión ) romperá la red rígida microscópica, lo que dará como resultado el agrietamiento y la separación del hormigón. Por esta razón, el hormigón típico sin armar debe estar bien apoyado para evitar el desarrollo de tensión.  

Si se coloca un material con alta resistencia a la tracción, como el acero , en el hormigón, el material compuesto, el hormigón armado, resiste no solo la compresión, sino también la flexión y otras acciones de tracción directa. Una sección compuesta donde el hormigón resiste la compresión y el refuerzo ( barras de acero ) resiste la tracción puede fabricarse en casi cualquier forma y tamaño para la industria de la construcción.

Características clave

Tres características físicas confieren al hormigón armado sus propiedades especiales:

  1. El coeficiente de dilatación térmica del hormigón es similar al del acero, lo que elimina las grandes tensiones internas debidas a las diferencias de dilatación o contracción térmica .
  2. Cuando la pasta de cemento del hormigón se endurece, se adapta a la superficie del acero, permitiendo que las tensiones se transmitan eficazmente entre los diferentes materiales. Generalmente, las barras de acero se texturizan o corrugan para mejorar aún más la adherencia o cohesión entre el hormigón y el acero.
  3. El entorno químico alcalino proporcionado por la reserva de álcalis (KOH, NaOH) y la portlandita ( hidróxido de calcio ) contenida en la pasta de cemento endurecida provoca la formación de una película pasivante en la superficie del acero, haciéndolo mucho más resistente a la corrosión que en condiciones neutras o ácidas. Cuando la pasta de cemento se expone al aire y el agua meteórica reacciona con el CO₂ atmosférico , se forma ácido carbónico . El ácido carbónico reacciona entonces con la portlandita y el silicato de calcio hidratado (CSH) de la pasta de cemento endurecida para carbonatarlos progresivamente, reduciendo gradualmente el pH elevado de 13,5-12,5 a 8,5, el pH del agua en equilibrio con la calcita ( carbonato de calcio ), y el acero deja de estar pasivado.

Como regla general, y solo para dar una idea de la magnitud, el acero está protegido a un pH superior a ~11, pero comienza a corroerse por debajo de ~10, dependiendo de las características del acero y las condiciones fisicoquímicas locales cuando el hormigón se carbonata. La carbonatación del hormigón, junto con la penetración de cloruros , se encuentran entre las principales causas de la falla de las barras de refuerzo en el hormigón.

La sección transversal relativa de acero requerida para el hormigón armado típico suele ser bastante pequeña y varía del 1 % para la mayoría de vigas y losas al 6 % para algunas columnas. Las barras de refuerzo suelen tener sección transversal redonda y su diámetro varía. Las estructuras de hormigón armado a veces incorporan elementos como núcleos huecos ventilados para controlar la humedad.

La distribución de las características de resistencia del hormigón (a pesar del refuerzo) a lo largo de la sección transversal de los elementos verticales de hormigón armado es inhomogénea. [ 37 ]

Mecanismo de acción compuesta del refuerzo y el hormigón

El refuerzo en una estructura de hormigón armado, como una barra de acero, debe sufrir la misma tensión o deformación que el hormigón circundante para evitar la discontinuidad, el deslizamiento o la separación de los dos materiales bajo carga. Mantener la acción compuesta requiere la transferencia de carga entre el hormigón y el acero. La tensión directa se transfiere del hormigón a la interfaz de la barra para cambiar la tensión de tracción en la barra de refuerzo a lo largo de su longitud. Esta transferencia de carga se logra por medio de la adherencia (anclaje) y se idealiza como un campo de tensión continuo que se desarrolla en las proximidades de la interfaz acero-hormigón. Las razones por las que los dos componentes de materiales diferentes, hormigón y acero, pueden trabajar juntos son las siguientes: (1) El refuerzo puede estar bien adherido al hormigón, por lo que pueden resistir conjuntamente las cargas externas y deformarse. (2) Los coeficientes de expansión térmica del hormigón y del acero son muy similares (1.0 × 10 −5 a1,5 × 10 −5 para hormigón y1,2 × 10 −5 para el acero) que se puede prevenir el daño inducido por el estrés térmico en la unión entre los dos componentes. (3) El hormigón puede proteger el acero embebido de la corrosión y el ablandamiento inducido por altas temperaturas.

Anclaje (adherencia) en hormigón: Códigos de especificaciones

Debido a que la tensión de adherencia real varía a lo largo de la longitud de una barra anclada en una zona de tensión, los códigos internacionales de especificaciones actuales utilizan el concepto de longitud de desarrollo en lugar de tensión de adherencia. El requisito principal para la seguridad contra fallas de adherencia es proporcionar una extensión suficiente de la longitud de la barra más allá del punto donde se requiere que el acero desarrolle su tensión de fluencia, y esta longitud debe ser al menos igual a su longitud de desarrollo. Sin embargo, si la longitud real disponible es insuficiente para el desarrollo completo, se deben proporcionar anclajes especiales, como dientes, ganchos o placas de extremo mecánicas. El mismo concepto se aplica a la longitud de empalme por solape [ 38 ] mencionada en los códigos, donde los empalmes (solapamiento) se proporcionan entre dos barras adyacentes para mantener la continuidad de tensión requerida en la zona de empalme.

Medidas anticorrosión

En climas húmedos y fríos, el hormigón armado para carreteras, puentes, aparcamientos y otras estructuras expuestas a la sal descongelante puede beneficiarse del uso de refuerzos resistentes a la corrosión, como barras de acero inoxidable o galvanizado en caliente, sin recubrimiento, con bajo contenido de carbono/cromo (microcompuestos), con recubrimiento epoxi . Un buen diseño y una mezcla de hormigón adecuada proporcionarán protección adicional en muchas aplicaciones.

Uncoated, low carbon/chromium rebar looks similar to standard carbon steel rebar due to its lack of a coating; its highly corrosion-resistant features are inherent in the steel microstructure. It can be identified by the unique ASTM specified mill marking on its smooth, dark charcoal finish. Epoxy-coated rebar can easily be identified by the light green color of its epoxy coating. Hot dip galvanized rebar may be bright or dull gray depending on length of exposure, and stainless rebar exhibits a typical white metallic sheen that is readily distinguishable from carbon steel reinforcing bar. Reference ASTM standard specifications A1035/A1035M Standard Specification for Deformed and Plain Low-carbon, Chromium, Steel Bars for Concrete Reinforcement, A767 Standard Specification for Hot Dip Galvanized Reinforcing Bars, A775 Standard Specification for Epoxy Coated Steel Reinforcing Bars and A955 Standard Specification for Deformed and Plain Stainless Bars for Concrete Reinforcement.

Another, cheaper way of protecting rebars is coating them with zinc phosphate.[39] Zinc phosphate slowly reacts with calcium cations and the hydroxyl anions present in the cement pore water and forms a stable hydroxyapatite layer.

Penetrating sealants typically must be applied some time after curing. Sealants include paint, plastic foams, films and aluminum foil, felts or fabric mats sealed with tar, and layers of bentonite clay, sometimes used to seal roadbeds.

Corrosion inhibitors, such as calcium nitrite [Ca(NO2)2], can also be added to the water mix before pouring concrete. Generally, 1–2 wt. % of [Ca(NO2)2] with respect to cement weight is needed to prevent corrosion of the rebars. The nitrite anion is a mild oxidizer that oxidizes the soluble and mobile ferrous ions (Fe2+) present at the surface of the corroding steel and causes them to precipitate as an insoluble ferric hydroxide (Fe(OH)3). This causes the passivation of steel at the anodic oxidation sites. Nitrite is a much more active corrosion inhibitor than nitrate, which is a less powerful oxidizer of the divalent iron.

Reinforcement and terminology of beams

Two intersecting beams integral to parking garage slab that will contain both reinforcing steel and the wiring, junction boxes and other electrical components necessary to install the overhead lighting for the garage level beneath it.
Un breve vídeo muestra la colocación de la última viga en una carretera elevada, parte de una nueva vía cerca de Cardiff Bay , Gales.

Una viga se dobla bajo la acción de un momento flector , lo que produce una pequeña curvatura. En la cara exterior (cara de tracción) de la curvatura, el hormigón experimenta tensión, mientras que en la cara interior (cara de compresión) experimenta compresión.

Una viga de refuerzo simple es aquella en la que el elemento de hormigón solo está reforzado cerca de la cara de tracción y el refuerzo, denominado acero de tracción, está diseñado para resistir la tensión.

Una viga doblemente reforzada es aquella en la que, además del refuerzo a tracción, el elemento de hormigón también está reforzado cerca de la cara de compresión para ayudar al hormigón a resistir la compresión y soportar las tensiones. Este último refuerzo se denomina acero de compresión. Cuando la zona de compresión del hormigón es insuficiente para resistir el momento positivo, es necesario proporcionar refuerzo adicional si el arquitecto limita las dimensiones de la sección.

Una viga con armadura insuficiente es aquella en la que la capacidad de tracción del refuerzo es menor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de compresión (con armadura insuficiente en la cara de tracción). Cuando el elemento de hormigón armado se somete a un momento flector creciente, el acero de tracción cede mientras que el hormigón no alcanza su condición de fallo final. A medida que el acero de tracción cede y se estira, un hormigón con armadura insuficiente también cede de forma dúctil, mostrando una gran deformación y una señal de advertencia antes de su fallo final. En este caso, la tensión de fluencia del acero rige el diseño.

Una viga sobre-reforzada es aquella en la que la capacidad de tracción del acero de refuerzo es mayor que la capacidad de compresión combinada del hormigón y el acero de refuerzo (sobre-reforzada en la cara de tracción). Por lo tanto, la viga de hormigón sobre-reforzado falla por aplastamiento del hormigón en la zona de compresión y antes de que el acero de refuerzo en la zona de tracción ceda, lo que no proporciona ninguna advertencia previa a la falla, ya que esta es instantánea.

Una viga reforzada equilibrada es aquella en la que tanto la zona de compresión como la de tracción alcanzan la fluencia bajo la misma carga aplicada, y el hormigón se aplasta y el acero de tracción cede simultáneamente. Sin embargo, este criterio de diseño es tan arriesgado como el hormigón sobrearmado, ya que la falla es repentina, pues el hormigón se aplasta al mismo tiempo que cede el acero de tracción, lo que proporciona muy poca advertencia de daños en caso de falla por tracción. [ 40 ]

Los elementos portantes de hormigón armado deben diseñarse normalmente con un refuerzo insuficiente para que los usuarios de la estructura reciban una advertencia de un colapso inminente.

La resistencia característica es la resistencia de un material cuando menos del 5% de la muestra muestra una resistencia inferior.

La resistencia de diseño o resistencia nominal es la resistencia de un material, incluyendo un factor de seguridad del material. El valor del factor de seguridad generalmente oscila entre 0,75 y 0,85 en el diseño de esfuerzos admisibles .

El estado límite último es el punto de falla teórico con una cierta probabilidad. Se define bajo cargas y resistencias factorizadas.

Las estructuras de hormigón armado se diseñan normalmente según las normas y reglamentos o las recomendaciones de un código como ACI-318, CEB, Eurocódigo 2 o similares. Los métodos WSD, USD o LRFD se utilizan en el diseño de elementos estructurales de hormigón armado. El análisis y diseño de elementos de hormigón armado se puede realizar mediante enfoques lineales o no lineales. Al aplicar factores de seguridad, los códigos de construcción suelen proponer enfoques lineales, pero en algunos casos se utilizan enfoques no lineales. Para ver ejemplos de simulación y cálculo numérico no lineal, consulte las referencias: [ 41 ] [ 42 ]

Hormigón pretensado

El pretensado del hormigón es una técnica que aumenta considerablemente la resistencia a la carga de las vigas de hormigón. El acero de refuerzo en la parte inferior de la viga, que estará sometido a fuerzas de tracción durante su uso, se coloca a tensión antes de verter el hormigón a su alrededor. Una vez que el hormigón se ha endurecido, se libera la tensión del acero de refuerzo, generando una fuerza de compresión interna en el hormigón. Al aplicarse las cargas, el acero de refuerzo soporta mayor tensión y la fuerza de compresión en el hormigón se reduce, pero no se convierte en una fuerza de tracción. Dado que el hormigón siempre está bajo compresión, es menos propenso a agrietarse y fallar. [ 43 ]

Modos de fallo comunes del hormigón armado

Desprendimiento de hormigón del techo de una oficina ( interior ) en Singapur , posiblemente debido a la corrosión de las barras de refuerzo.

El hormigón armado puede fallar debido a una resistencia insuficiente, lo que conlleva una falla mecánica, o debido a una reducción en su durabilidad. La corrosión y los ciclos de congelación/descongelación pueden dañar el hormigón armado mal diseñado o construido. Cuando las barras de refuerzo se corroen, los productos de oxidación ( óxido ) se expanden y tienden a desprenderse en escamas, agrietando el hormigón y desprendiendo las barras de refuerzo. A continuación, se describen los mecanismos típicos que provocan problemas de durabilidad.

Fallo mecánico

Es casi imposible prevenir el agrietamiento de la sección de concreto; sin embargo, el tamaño y la ubicación de las grietas pueden limitarse y controlarse mediante un refuerzo adecuado, juntas de dilatación, una metodología de curado apropiada y un diseño de mezcla de concreto apropiado. El agrietamiento puede permitir que la humedad penetre y corroa el refuerzo. Esto constituye una falla de servicio en el diseño de estado límite . El agrietamiento suele ser el resultado de una cantidad insuficiente de barras de refuerzo o de barras de refuerzo espaciadas a una distancia excesiva. El concreto se agrieta bajo cargas excesivas o debido a efectos internos como la retracción térmica prematura durante el curado.

La falla final que conduce al colapso puede ser causada por el aplastamiento del hormigón, que ocurre cuando las tensiones de compresión superan su resistencia, por la fluencia o falla de la barra de refuerzo cuando las tensiones de flexión o cortante superan la resistencia del refuerzo, o por falla de adherencia entre el hormigón y la barra de refuerzo. [ 44 ]

Carbonatación

El agrietamiento de la pared de hormigón se produce por la corrosión e hinchazón del acero de refuerzo. El óxido tiene menor densidad que el metal, por lo que se expande al formarse, agrietando el revestimiento decorativo de la pared y dañando el hormigón estructural. El desprendimiento de material de una superficie se denomina desconchamiento .
Vista detallada del desconchamiento, probablemente causado por una capa de hormigón demasiado fina entre el acero y la superficie, acompañada de corrosión por exposición externa.

La carbonatación, o neutralización, es una reacción química entre el dióxido de carbono presente en el aire y el hidróxido de calcio y el silicato de calcio hidratado presentes en el hormigón.

Al diseñar una estructura de hormigón, es habitual especificar el recubrimiento de hormigón para las armaduras (la profundidad de las armaduras dentro de la estructura). El recubrimiento mínimo de hormigón suele estar regulado por las normas de diseño o construcción . Si el refuerzo está demasiado cerca de la superficie, puede producirse una falla prematura por corrosión. La profundidad del recubrimiento de hormigón se puede medir con un medidor de recubrimiento . Sin embargo, el hormigón carbonatado presenta problemas de durabilidad solo cuando existe suficiente humedad y oxígeno para provocar corrosión electroquímica del acero de refuerzo.

Un método para comprobar la carbonatación de una estructura consiste en perforar un nuevo orificio en la superficie y tratar la zona de corte con una solución indicadora de fenolftaleína . Esta solución se torna rosa al entrar en contacto con el hormigón alcalino, lo que permite observar la profundidad de la carbonatación. No basta con utilizar un orificio ya existente, puesto que la superficie expuesta ya estará carbonatada.

cloruros

Los cloruros pueden favorecer la corrosión de las barras de refuerzo embebidas si se encuentran en una concentración suficientemente alta. Los aniones cloruro inducen tanto corrosión localizada ( corrosión por picaduras ) como corrosión generalizada de las armaduras de acero. Por este motivo, para la mezcla del hormigón se debe utilizar únicamente agua cruda o potable, asegurándose de que los áridos gruesos y finos no contengan cloruros, en lugar de aditivos que puedan contenerlos.

Varillas de refuerzo para los cimientos y muros de una estación de bombeo de aguas residuales.
El viaducto de Paulins Kill , en Hainesburg, Nueva Jersey, tiene 35 metros de altura y 335 metros de longitud, y fue aclamado como la estructura de hormigón armado más grande del mundo cuando se completó en 1910 como parte del proyecto de la línea ferroviaria Lackawanna Cut-Off . El ferrocarril Lackawanna fue pionero en el uso del hormigón armado.

Antiguamente, era común usar cloruro de calcio como aditivo para acelerar el fraguado del hormigón. También se creía erróneamente que evitaría la congelación. Sin embargo, esta práctica cayó en desuso una vez que se conocieron los efectos nocivos de los cloruros. Debe evitarse siempre que sea posible.

El uso de sales descongelantes en las carreteras, empleadas para reducir el punto de congelación del agua, es probablemente una de las principales causas de la falla prematura de los tableros de puentes, carreteras y estacionamientos de hormigón armado o pretensado. El uso de barras de refuerzo recubiertas de epoxi y la aplicación de protección catódica han mitigado este problema en cierta medida. Asimismo, se sabe que las barras de refuerzo de polímero reforzado con fibra (PRF) son menos susceptibles a los cloruros. Las mezclas de hormigón diseñadas adecuadamente y curadas correctamente son prácticamente impermeables a los efectos de los descongelantes.

Otra fuente importante de iones cloruro es el agua de mar . El agua de mar contiene aproximadamente un 3,5 % de sales en peso. Estas sales incluyen cloruro de sodio , sulfato de magnesio , sulfato de calcio y bicarbonatos. En el agua, estas sales se disocian en iones libres (Na⁺, Mg²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻, HCO₃⁻ ) y migran con el agua hacia los capilares del hormigón . Los iones cloruro , que constituyen aproximadamente el 50 % de estos iones, son particularmente agresivos como causa de corrosión de las barras de refuerzo de acero al carbono.

In the 1960s and 1970s it was also relatively common for magnesite, a chloride rich carbonate mineral, to be used as a floor-topping material. This was done principally as a levelling and sound attenuating layer. However it is now known that when these materials come into contact with moisture they produce a weak solution of hydrochloric acid due to the presence of chlorides in the magnesite. Over a period of time (typically decades), the solution causes corrosion of the embedded rebars. This was most commonly found in wet areas or areas repeatedly exposed to moisture.

Alkali silica reaction

This a reaction of amorphoussilica (chalcedony, chert, siliceouslimestone) sometimes present in the aggregates with the hydroxyl ions (OH−) from the cement pore solution. Poorly crystallized silica (SiO2) dissolves and dissociates at high pH (12.5 - 13.5) in alkaline water. The soluble dissociated silicic acid reacts in the porewater with the calcium hydroxide (portlandite) present in the cement paste to form an expansive calcium silicate hydrate (CSH). The alkali–silica reaction (ASR) causes localised swelling responsible for tensile stress and cracking. The conditions required for alkali silica reaction are threefold: (1) aggregate containing an alkali-reactive constituent (amorphous silica), (2) sufficient availability of hydroxyl ions (OH−), and (3) sufficient moisture, above 75% relative humidity (RH) within the concrete.[45][46] This phenomenon is sometimes popularly referred to as "concrete cancer". This reaction occurs independently of the presence of rebars; massive concrete structures such as dams can be affected.

Conversion of high alumina cement

Resistente a ácidos débiles y especialmente a sulfatos, este cemento fragua rápidamente y posee una gran durabilidad y resistencia. Se utilizó con frecuencia después de la Segunda Guerra Mundial para la fabricación de objetos de hormigón prefabricado. Sin embargo, puede perder resistencia con el calor o el paso del tiempo (conversión), sobre todo si no se cura adecuadamente. Tras el derrumbe de tres cubiertas construidas con vigas de hormigón pretensado que utilizaban cemento de alto contenido en alúmina, este cemento fue prohibido en el Reino Unido en 1976. Las investigaciones posteriores demostraron que las vigas se habían fabricado incorrectamente, pero la prohibición se mantuvo. [ 47 ]

Sulfatos

Los sulfatos (SO₄ ) presentes en el suelo o en el agua subterránea, en concentraciones suficientes, pueden reaccionar con el cemento Portland del hormigón, provocando la formación de productos expansivos, como la etringita o la taumasita , que pueden causar fallos prematuros en la estructura. El ataque más común de este tipo se produce en losas de hormigón y muros de cimentación en terrenos donde la concentración de iones sulfato, debido a ciclos alternos de humectación y secado, puede aumentar. A medida que aumenta la concentración, puede comenzar el ataque al cemento Portland. En estructuras enterradas, como tuberías, este tipo de ataque es mucho menos frecuente, especialmente en el este de Estados Unidos. La concentración de iones sulfato aumenta mucho más lentamente en la masa de suelo y depende principalmente de la cantidad inicial de sulfatos en el suelo nativo. Se debe realizar un análisis químico de las perforaciones del suelo para comprobar la presencia de sulfatos durante la fase de diseño de cualquier proyecto que involucre hormigón en contacto con el suelo nativo. Si se detectan concentraciones agresivas, se pueden aplicar diversos recubrimientos protectores. Asimismo, en Estados Unidos se puede utilizar cemento Portland tipo 5 ASTM C150 en la mezcla. Este tipo de cemento está diseñado para ser especialmente resistente al ataque de sulfatos.

Construcción con placas de acero

En la construcción con placas de acero, las vigas longitudinales unen placas paralelas. Los conjuntos de placas se fabrican fuera de la obra y se sueldan en ella para formar muros de acero conectados por vigas longitudinales. Estos muros sirven de encofrado para el vertido del hormigón. La construcción con placas de acero acelera la construcción con hormigón armado al eliminar los laboriosos pasos manuales en obra de atar las barras de refuerzo y construir los encofrados. Este método proporciona una excelente resistencia, ya que el acero se encuentra en el exterior, donde las fuerzas de tracción suelen ser mayores.

Hormigón reforzado con fibras

El refuerzo con fibras se utiliza principalmente en hormigón proyectado , pero también puede emplearse en hormigón convencional. El hormigón convencional reforzado con fibras se utiliza sobre todo en suelos y pavimentos, pero también puede considerarse para una amplia gama de elementos constructivos (vigas, pilares, cimentaciones, etc.), ya sea solo o con barras de refuerzo atadas a mano.

Concrete reinforced with fibers (which are usually steel, glass, plastic fibers) or cellulose polymer fiber is less expensive than hand-tied rebar. The shape, dimension, and length of the fiber are important. A thin and short fiber, for example short, hair-shaped glass fiber, is only effective during the first hours after pouring the concrete (its function is to reduce cracking while the concrete is stiffening), but it will not increase the concrete tensile strength. A normal-size fiber for European shotcrete (1 mm diameter, 45 mm length—steel or plastic) will increase the concrete's tensile strength. Fiber reinforcement is most often used to supplement or partially replace primary rebar, and in some cases, it can be designed to fully replace rebar.[48]

Steel is the strongest commonly available fiber,[49] and comes in different lengths (30 to 80 mm in Europe) and shapes (end-hooks). Steel fibers can only be used on surfaces that can tolerate or avoid corrosion and rust stains. In some cases, a steel-fiber surface is faced with other materials.

Glass fiber is inexpensive and corrosion-proof, but not as ductile as steel. Recently, spun basalt fiber, long available in Eastern Europe, has become available in the U.S. and Western Europe. Basalt fiber is stronger and less expensive than glass, but historically has not resisted the alkaline environment of Portland cement well enough to be used as direct reinforcement. New materials use plastic binders to isolate the basalt fiber from the cement.

The premium fibers are graphite-reinforced plastic fibers, which are nearly as strong as steel, lighter in weight, and corrosion-proof. Some experiments have had promising early results with carbon nanotubes, but the material is still far too expensive for any building.

Non-steel reinforcement

Existe una considerable superposición entre los temas de refuerzo no metálico y refuerzo con fibras del hormigón. La introducción del refuerzo no metálico en el hormigón es relativamente reciente; se presenta en dos formas principales: barras de refuerzo no metálicas y fibras no metálicas (generalmente también no metálicas) incorporadas a la matriz de cemento. Por ejemplo, existe un creciente interés en el hormigón reforzado con fibra de vidrio (HRFV) y en diversas aplicaciones de fibras poliméricas incorporadas al hormigón. Si bien actualmente no hay muchos indicios de que estos materiales vayan a reemplazar las barras de refuerzo metálicas, algunos de ellos presentan importantes ventajas en aplicaciones específicas, y también existen nuevas aplicaciones en las que las barras de refuerzo metálicas simplemente no son una opción. Sin embargo, el diseño y la aplicación del refuerzo no metálico están plagados de desafíos. Por un lado, el hormigón es un entorno altamente alcalino, en el que muchos materiales, incluyendo la mayoría de los tipos de vidrio, tienen una vida útil corta . Además, el comportamiento de estos materiales de refuerzo difiere del de los metales, por ejemplo, en términos de resistencia al corte, fluencia y elasticidad. [ 50 ] [ 51 ]

Los plásticos/polímeros reforzados con fibra (FRP) y los plásticos reforzados con vidrio (GRP) consisten en fibras de polímero , vidrio, carbono, aramida u otros polímeros o fibras de alta resistencia incrustadas en una matriz de resina para formar una barra, rejilla o fibra de refuerzo. Estas barras se instalan de forma muy similar a las barras de acero. Su coste es mayor, pero cuando se aplican correctamente, las estructuras presentan ventajas, en particular una drástica reducción de los problemas relacionados con la corrosión , ya sea por la alcalinidad intrínseca del hormigón o por fluidos corrosivos externos que puedan penetrar en él. Estas estructuras pueden ser significativamente más ligeras y, por lo general, tienen una vida útil más larga . El coste de estos materiales ha disminuido drásticamente desde su adopción generalizada en la industria aeroespacial y en el ámbito militar.

En particular, las varillas de FRP son útiles para estructuras donde la presencia de acero no sería aceptable. Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética tienen imanes enormes y, por lo tanto, requieren edificios no magnéticos . Asimismo, las cabinas de peaje que leen etiquetas de radio necesitan hormigón armado transparente a las ondas de radio . Además, cuando la vida útil de la estructura de hormigón es más importante que su coste inicial, el refuerzo sin acero suele tener ventajas cuando la corrosión del acero de refuerzo es una causa importante de fallo. En tales situaciones, el refuerzo resistente a la corrosión puede prolongar sustancialmente la vida útil de una estructura, por ejemplo, en la zona intermareal . Las varillas de FRP también pueden ser útiles en situaciones donde es probable que la estructura de hormigón se vea comprometida en el futuro, por ejemplo, los bordes de los balcones cuando se reemplazan las barandillas , y los suelos de los baños en construcciones de varias plantas donde la vida útil de la estructura del suelo probablemente sea muchas veces mayor que la de la membrana impermeabilizante del edificio.

El refuerzo plástico suele ser más resistente , o al menos presenta una mejor relación resistencia-peso que el acero de refuerzo. Además, gracias a su resistencia a la corrosión, no requiere un recubrimiento de hormigón tan grueso como el del acero (normalmente de 30 a 50  mm o más). Por lo tanto, las estructuras reforzadas con FRP pueden ser más ligeras y duraderas. En consecuencia, para algunas aplicaciones, el coste total del ciclo de vida será competitivo con el del hormigón armado.

Las propiedades del material de las barras de FRP o GRP difieren notablemente del acero, por lo que existen diferencias en las consideraciones de diseño. Las barras de FRP o GRP tienen una resistencia a la tracción relativamente mayor pero una rigidez menor, por lo que es probable que las deflexiones sean mayores que para las unidades equivalentes reforzadas con acero. Las estructuras con refuerzo interno de FRP suelen tener una deformabilidad elástica comparable a la deformabilidad plástica (ductilidad) de las estructuras reforzadas con acero. En ambos casos, es más probable que la falla ocurra por compresión del hormigón que por rotura del refuerzo. La deflexión es siempre una consideración importante en el diseño del hormigón armado. Los límites de deflexión se establecen para asegurar que el ancho de las fisuras en el hormigón armado con acero se controle para evitar que el agua, el aire u otras sustancias agresivas alcancen el acero y causen corrosión. Para el hormigón armado con FRP, la estética y posiblemente la estanqueidad serán los criterios limitantes para el control del ancho de las fisuras. Las varillas de FRP también tienen resistencias a la compresión relativamente menores que las barras de acero, y por lo tanto requieren enfoques de diseño diferentes para las columnas de hormigón armado .

Una desventaja del uso de refuerzos de FRP es su limitada resistencia al fuego. Cuando la seguridad contra incendios es un factor importante, las estructuras que emplean FRP deben mantener su resistencia y el anclaje de las fuerzas a las temperaturas previstas en caso de incendio. Para la protección contra incendios , es necesario un recubrimiento de hormigón o revestimiento protector de espesor adecuado. Se ha demostrado que la adición de 1  kg/m³ de fibras de polipropileno al hormigón reduce el desprendimiento durante un incendio simulado. [ 52 ] (Se cree que la mejora se debe a la formación de vías de escape desde el interior del hormigón, lo que permite la disipación de la presión del vapor. [ 52 ] )

Otro problema radica en la eficacia del refuerzo a cortante. Los estribos de FRP formados por doblado antes del endurecimiento suelen tener un rendimiento relativamente inferior al de los estribos de acero o a las estructuras con fibras rectas. Al someterse a tensión, la zona entre las regiones rectas y curvas está sujeta a fuertes esfuerzos de flexión, cortante y longitudinales. Se requieren técnicas de diseño especiales para abordar estos problemas.

There is growing interest in applying external reinforcement to existing structures using advanced materials such as composite (fiberglass, basalt, carbon) rebar, which can impart exceptional strength. Worldwide, there are a number of brands of composite rebar recognized by different countries, such as Aslan, DACOT, V-rod, and ComBar. The number of projects using composite rebar increases day by day around the world, in countries including the USA, Russia, South Korea and Germany.

See also

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