Durabilidad:

Tradicionalmente la normatividad colombiana se ha basado fundamentalmente en los códigos de construcción norteamericanos. El capítulo C sobre concreto estructural, de la NSR-10 ( Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente) ^[1] , por ejemplo, se basa en el reglamento ACI 318-11. Su versión ACI 318-14 (Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary) ^[2] , al igual que su predecesora,  contiene especificaciones que deben cumplir los materiales cementantes (Tabla 1).

Tabla 1 Especificaciones ACI 318-14 para los materiales cementantes*

(*) F uente: AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. Norma e Informe técnico ACI 318-14. Farmington Hills, MI: ACI, 2014. 520 p.

Todos los materiales cementantes especificados en la Tabla 1, y las combinaciones de estos materiales deben ser incluidos en los cálculos de la relación a/mc de la mezcla   de concreto ^[3] . El reglamento ACI 318 presenta adicionalmente requisitos mínimos de durabilidad, que tienen en cuenta el tipo de material cementante, y que se establecen según el grado de severidad de las condiciones de exposición del elemento estructural de concreto. Entre otros requisitos se tiene que concretos expuestos a ciclos de congelamiento y deshielo que estarán en contacto continuo con la humedad y expuestos a productos químicos descongelantes, deberán cumplir con limitaciones sobre la cantidad de ceniza volante, otras puzolanas, humo de sílice, y de escoria, en la composición de los materiales cementantes; en el caso de concretos expuestos a concentraciones perjudiciales de sulfatos, procedentes del suelo y el agua, se permiten combinaciones de materiales cementantes resistentes a estos iones. Además de la selección adecuada de los cementantes, son presentadas otras exigencias para lograr concretos durables (por ejemplo, relación a/mc máxima, resistencia mínima, adecuado contenido de aire incorporado, recubrimientos mínimos del refuerzo, adecuada compactación, uniformidad, y suficiente curado).

El tema de la durabilidad del concreto es extensamente tratado en el informe técnico ACI 201.2R-01 (Guía para la Durabilidad del Hormigón) ^[4] y por Tang et al. ^[5] . Estas dos referencias definen la durabilidad del concreto de cemento hidráulico, como su capacidad para resistir la acción de la meteorización, los ataques químicos, la abrasión, o cualquier otro proceso de deterioro. En ese sentido, el concreto en general cuenta con buena habilidad para soportar la intemperie, protegiendo los refuerzos con los recubrimientos e indicaciones de los reglamentos que buscan bajas permeabilidades del material. Solo en casos de extrema exposición   a agentes agresivos se necesitan medidas complementarias, como el uso de barreras protectoras, armaduras recubiertas con pintura epóxica, acero inoxidable, protección catódica, o inhibidores de corrosión. La norma técnica colombiana NTC 5551 (Durabilidad de estructuras de concreto ) ^[6] , menciona la sugerencia de curar las estructuras por aspersión de agua fría por un tiempo mínimo que depende del tipo de cementante usado. Por un periodo de 7 días si es cemento portland, y 15 días para concretos elaborados con material cementante cuyas adiciones sean hidráulicamente activas o cemento Tipo V. Esta diferencia en el tiempo de curado requerido, es indicativo de la desigual naturaleza de los concretos cuando son elaborados con diferentes tipos de cementante.

Los procesos de deterioro mayormente tenidos en consideración por los códigos de construcción son: congelamiento y deshielo, exposición a agentes químicos agresivos, abrasión, corrosión de los metales y otros materiales embebidos en hormigón, y reacciones químicas de los agregados. Dentro de la categoría de exposición a agentes químicos agresivos, se encuentra el deterioro por carbonatación, fenómeno que propicia corrosión en las barras de acero embebidas en el concreto. La corrosión de la armadura, en general, es la causa más común de deterioro de las estructuras de concreto, y el problema más grave de durabilidad en la ingeniería de la construcción ^{[7] , [8] , [9]} . La terminología de la norma ASTM G15-99b ^[10] define la corrosión como la reacción química o electroquímica entre un material, en general un metal, y su ambiente, que produce un deterioro del material y sus propiedades. La corrosión del metal se puede dar de dos maneras, la primera por corrosión seca o directa a elevadas temperaturas y en ausencia de agua, y   la segunda con intervención   de una solución acuosa o corrosión húmeda ^{[11] , [12]} . En el segundo caso en el metal se produce zonas anódicas y catódicas en un mecanismo electroquímico donde se transfiere electrones.

En la reacción anódica se oxida o disuelve el hierro, liberándose electrones y formándose iones ferrosos; en la reacción catódica se reduce el oxígeno, consumiéndose los electrones y formándose iones hidroxilo. Finalmente, las posteriores reacciones conllevan a generar productos sólidos de corrosión que ocupan un mayor volumen que el acero original (herrumbre), desarrollándose esfuerzos expansivos en el concreto que lo rodea, y en consecuencia su fisuramiento; simultáneamente el área transversal efectiva del acero se reduce y la adherencia entre el refuerzo y el concreto es disminuida.

Comúnmente los concretos le dan excelente protección a la corrosión a las varillas de refuerzo, debido a la alta alcalinidad que posee la pasta de cemento (normalmente mayor a 12.5), lo cual hace que el acero permanezca en un estado pasivo ^[13] . El comité 222 del ACI ^[14] explica que esto ocurre al crearse una película de óxido de hierro adherida firmemente al acero, que lo protege de la corrosión. Sin embargo se puede posibilitar el inicio del proceso electroquímico de corrosión del acero embebido en el concreto (despasivación). Las causas más importantes para que esto suceda son por una parte, la penetración de iones cloruro, y por otra el ingreso de dióxido de carbono hasta la superficie del refuerzo; la primera rompiendo la capa pasiva y la segunda reduciendo la alcalinidad debido a la carbonatación ^{[15] , [16]} . La carbonatación ocurre debido a que los hidróxidos libres (principalmente hidróxido de calcio) del concreto reaccionan con dióxido de carbono proveniente del aire o del agua para formar carbonato de calcio ^[17] . Usualmente la carbonatación es un proceso lento en concretos con una baja relación entre agua y material cementante (a/mc), y su efecto corrosivo es considerado  menos habitual que el inducido por iones cloruro ^[18] . Sin embargo, en áreas industriales la velocidad de la carbonatación puede aumentar por las altas concentraciones de CO ₂. De acuerdo al informe técnico ACI 201.2R-01 ^[19] , la reacción del cemento portland hidratado con el CO ₂ del aire (carbonatación), depende fundamentalmente de la humedad relativa ambiente, la temperatura, la permeabilidad del concreto y la concentración de CO ₂.

El diagrama de Pourbaix muestra las condiciones de potencial y de pH para que un metal se pasive, sea inmune, o presente corrosión. El potencial electroquímico relaciona la disposición de transferencia de carga electrónica entre un metal y su entorno, en este caso, entre el acero y el fluido de poro de la pasta de cemento.  El diagrama de Pourbaix presenta  cuatro zonas termodinámicas de estabilidad de las especies resultantes del proceso corrosivo. La zona I de corrosión generalizada, la zona II que indica pasividad en el acero, la zona III de inmunidad, y la zona IV que corresponde a pasividad por formación de los óxidos de hierro Fe ₂O ₃ y Fe ₃O ₄. Conforme al diagrama, si el pH de la pasta cementícea del concreto disminuye y se dan las condiciones de potencial adecuadas, es posible que se genere corrosión, ya que  el acero embebido en el concreto puede quedar sometido a las condiciones de corrosión de la zona I. 
 

El inicio de la corrosión activa en el acero de refuerzo del concreto solo ocurrirá una vez se rompa la protección pasiva por reducción del pH, por ataque de iones agresivos o por fisuramiento en el concreto.  Como lo menciona el informe técnico ACI 222.R-01 ^[20] , la película pasiva puede inhibir la corrosión activa suministrando una barrera de difusión para el producto de reacción de las especies reaccionantes Fe y O ₂, o lo que es más común, ocupando los sitios atómicos reactivos en la superficie del metal con moléculas de óxido, previniendo que los átomos de metal en estos lugares se disuelvan. Rota esta barrera, para que exista corrosión electroquímica se requiere una diferencia de potencial, presencia de oxígeno y presencia de humedad. 
 

Otros factores ambientales y de construcción, que afectan la velocidad y nivel de la corrosión en el concreto reforzado, son los ciclos de humedecimiento y secado, la heterogeneidad del concreto, el tipo de acero, las corrientes parásitas, los efectos galvánicos debido al contacto entre metales disímiles, las proporciones de mezcla del concreto, y los espesores de recubrimiento de concreto sobre el refuerzo.

La velocidad de corrosión puede ser determinada como una corriente de corrosión a través de la medida de la velocidad a la cual los electrones son removidos del acero en las reacciones anódicas . La cantidad de metal eliminada por corrosión se puede evaluar, a partir de la corriente de corrosión, con la ecuación   de Faraday ^[21] .

En esta ecuación se observa que el material eliminado es proporcional   a la corriente I que se produce y al tiempo transcurrido. Dividiendo por la densidad, la masa puede ser convertida a espesor de la capa oxidada o disuelta; para el hierro (o acero): 1 m A/cm ² = 11.8 m m/año ^[22] .

La densidad de corriente, la cual es equivalente a la corriente neta dividida por el área del electrodo, no puede ser evaluada directamente y se requiere de curvas de polarización corriente-voltaje para su determinación. Técnicas como la extrapolación Tafel, la resistencia a la polarización, conocida también como polarización lineal, la espectroscopía de impedancia electroquímica, y el pulso galvanostático pueden ser utilizadas.

Una curva de polarización es la representación del potencial (E) frente al logaritmo de la densidad de corriente (log(i)) ^[23] .  La curva adquiere un comportamiento característico debido al desarrollo de la pasivación y al limitado acceso de oxigeno ocasionado por la barrera física que proporciona el recubrimiento de concreto.

El efecto benéfico del uso de materiales cementantes alternativos tiene que ver con la mejora de la calidad del concreto que protege las barras de refuerzo en las estructuras y que aumenta el tiempo de iniciación de la corrosión. De manera general se considera la vida útil de una edificación un periodo de 50 años y para grandes obras públicas de 100. Sin embargo sobre este tema no hay consenso. Özbay et al. ^[24] , mencionan como la experiencia ha mostrado que bajo los efectos combinados de cargas mecánicas y ambientes, muchas infraestructuras comienzan a deteriorarse después de solo 20 o 30 años. De ahí la importancia de seguir estudiando las prácticas de diseño y construcción actuales, junto con las innovaciones que maximicen los atributos del concreto de cemento hidráulico.