Investigadores estudian la durabilidad del concreto en México

Por Michael Ramírez / Transferencia Tec

Muchos de nosotros nos hemos topado a veces con obras recién inauguradas que muestran patologías en su construcción, como grietas en los muros, expansiones internas u oxidación en la superficie del concreto. ¿A qué se debe este fenómeno?

La durabilidad es la capacidad del concreto para resistir acciones físicas, químicas, biológicas y climáticas. Una estructura durable es aquella cuya vida de servicio puede ser mayor a los 50 años; incluso, en algunos países se han diseñado estructuras de concreto con vidas útiles de 80 a 100 años.

Sin embargo, en la actualidad, las estructuras de concreto expuestas a ambientes agresivos (urbanos, marinos, industriales) presentan daños prematuros y manifiestan deterioro incluso tan solo 10 años después de haberse construido.

Todas las lesiones habituales de una construcción tales como la corrosión, los agrietamientos y las manchas de óxido en la superficie del concreto, son conocidas como “Patologías de la construcción”, y éstas pueden alcanzar un proceso de deterioro aún más marcado: la delaminación del recubrimiento de concreto por la corrosión del acero de refuerzo. Dichas patologías, tan frecuentes en la actualidad, regularmente se deben a que las estructuras de concreto no se diseñan con criterios de durabilidad, sino utilizando un criterio “mecanístico”, es decir, de resistencia a las cargas mecánicas externas.

Por todo lo anterior es importante y necesario definir los procedimientos para el diseño y la construcción de estructuras durables antes de ser expuestas a ambientes agresivos. Y para tal efecto, un equipo de profesores y alumnos del Tec de Monterrey, Campus Querétaro, desarrollan investigación enfocada a promover la transferencia tecnológica sobre el mejoramiento de la durabilidad de los materiales de construcción, especialmente el concreto, y su importancia para conseguir una sustentabilidad en las construcciones.

En entrevista con Transferencia Tec, el profesor investigador del Departamento de Ingeniería y Ciencias del Campus Querétaro, y especialista en materiales de construcción, Andrés Antonio Torres Acosta, aseguró que existen líneas de investigación enfocadas a analizar la durabilidad del concreto, temática que no se ha abordado en el entorno de la construcción debido a ideas que se han establecido con el paso de los años tanto en las empresas como en los profesionales de la ingeniería civil y la arquitectura.

De hecho, el investigador publicó recientemente el artículo de investigación “Electrical resistivity as durability index for concrete structures” en el ACI Material Journal, una de las más prestigiadas revistas científicas en el área de los materiales.

¿A qué se debe que el tema de la durabilidad del concreto en la construcción no sea muy abordado en México?
Es casi una tradición en la ingeniería civil y la arquitectura ver al concreto como un material inerte, como una piedra artificial que no reacciona químicamente con casi nada, y se tomaba como referencia la durabilidad de las pirámides mayas o mexicas hechas de piedra. Pero existe el inconveniente de que esas pirámides no llevaban acero, que es el que se corroe y se degrada. El concreto también sufre degradación, químicamente hablando, y por ello es que existen varios tipos de cemento para disminuir este tipo de degradación. Actualmente se  diseñan estructuras y se construyen con concreto considerando únicamente la resistencia mecánica de los materiales, y al diseñador le interesan muy poco los procesos químicos que podrían suceder dentro de este material.

¿Cuáles son entonces las características del concreto?
El concreto es un material que, por el propio cemento, aglutina la arena y la grava reaccionando con el agua, lo que forma productos de hidratación base cal-sílice-agua, que pueden reaccionar con sustancias químicas, las cuales pueden penetrar en el concreto porque es poroso. Si fuera un material impermeable no habría problema, pero los concretos que estamos acostumbrados a fabricar y utilizar en nuestro país tienen una muy alta porosidad. Un concreto estructural, aquí en México, tiene una resistencia mecánica de 25 megapascales (MPa), que son concretos con una relación agua-cemento de entre 0.7 y 0.8, es decir, casi la misma cantidad de cemento es de agua. Esto genera un concreto muy poroso, en el orden del 30 por ciento de vacíos dentro de la masa del material. Con un material así, y las condiciones climatológicas de nuestro país, es más fácil que penetren agentes químicos agresivos.

Cuando el concreto es muy poroso,
el cloruro llega a corroer el acero,
cambiando su estado de metal a un óxido,
lo que genera expansiones 

¿Qué tipo de agentes agresivos son los que más afectan el concreto?
En zonas urbanas, están el agua, el oxígeno y el dióxido de carbono (CO₂); hablando de estructuras en zonas industriales, es el agua, el oxígeno, el dióxido de carbono y el dióxido de azufre (SO₂). En las zonas marinas, sería el cloruro (Cl), que no afecta al concreto en particular pero sí al acero. Con este concreto tan poroso, el cloruro llega a corroerlo cambiando su estado de metal a un óxido, y este óxido genera expansiones dentro del concreto afectándolo por las grietas que generan estas expansiones internas. Se pueden observar también manchas de óxido en las losas, los muros, los trabes, y en columnas de una estructura afectada por la corrosión del acero. Con el tiempo, si no se reparan los elementos dañados, los agrietamientos se van haciendo mayores hasta que se desprenden pedazos de recubrimientos de concreto, que en estructuras normales es de dos o tres centímetros. Por eso se les pide a las constructoras que en zonas marinas las estructuras deban tener recubrimientos de 5 centímetros como mínimo, para que el cloruro tarde más en penetrar.

El concreto que se suele hacer en México es muy poroso porque usan relaciones de agua/cemento muy altas

¿Cuáles son los factores por lo que estos concretos tienen esa porosidad que menciona?
El concreto que se suele hacer en México es muy poroso porque usan relaciones de agua/cemento muy altas, más que nada por desconocimiento de estos factores. Los que investigamos este tema lo hemos difundido sobre todo a nivel universitario, para que los estudiantes adquieran esa experiencia. También hemos trabajado con empresas y en construcciones para asesorarlos, principalmente en lo que se refiere a la durabilidad mejorando las mezclas de concreto y aumentar los recubrimientos de concreto que deben de tener las estructuras. También hemos observado que se han modificado mucho los cementos mexicanos, principalmente por la cuestión de la emisión de dióxido de carbono y la disminución de costos de producción. Ante esto les hacemos la aclaración que, si lo que se pretende es bajar las emisiones de CO₂ al ambiente para disminuir el efecto invernadero, hay que hacer un mejor concreto, porque si se rebaja su calidad poniéndole otros componentes diferentes a los cementos, efectivamente se reduce la huella de carbono, pero en 10 o 20 años se le va a tener que emplear más cemento para reparar esas construcciones porque pueden iniciar su procesos de corrosión más temprano.

¿Qué ha propuesto su equipo de especialistas para que se dé a conocer aún más este tema para las generaciones actuales y las que vienen?
Primero, incluir en las materias de conocimiento de materiales de construcción temas que demuestren que el concreto no solamente posee una propiedad principal que se denomina resistencia mecánica a la compresión (también llamada en ingeniería civil y arquitectura f’c), sino que también el concreto es un material que reacciona con el medio ambiente químicamente hablando. Se les muestra en el plan de estudios las reacciones de hidratación del cemento, la microestructura que forman estas reacciones y las reacciones químicas que se forman en este proceso de endurecimiento. Luego se les enseña a caracterizar los materiales que conforman el concreto (cemento, arena y grava) para un mejor diseño de mezclas de concreto. En la clase de diseño de elementos de concreto, que se ofrece como optativa para continuar con el plan de enseñanza en cementos y concretos, se imparten también los temas de los factores ambientales que desencadenan la degradación del concreto y la electroquímica de la corrosión del acero de refuerzo en concreto. Por último, en esta segunda materia, se les enseña a los alumnos a diseñar mezclas de concreto por durabilidad, y así definir las mezclas de concreto que puedan alcanzar vidas útiles (o de servicio) de más de 80 años en ambientes agresivos como marino tropical o industriales.

Como segundo plan de acción que tenemos en el Campus Querétaro está el poder generar estrategias de colaboración con otros campus del Tec de Monterrey, así como otras universidades y centros de investigación, con el fin de continuar la labor de investigación en ciencias de los materiales de construcción. A la fecha hemos presentado trabajos en congresos nacionales e internacionales relacionados con el tema de mejora de durabilidad de materiales base cemento mediante el uso de mucílago de nopal (tema que se tratará en otra entrevista) y se han enviado y aceptado publicaciones en revistas internacionales indizadas como la de ACI Materials Journal y la Construction and Building Materials, ambas Q1 en el área de Tecnología de la Construcción. Esto ha permitido que el Tec de Monterrey esté trascendiendo como una institución de importancia en el tema de durabilidad de los materiales de construcción.