Tuberías de Hormigón: Principales Factores Agresivos
De Construmatica
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Nota: Este artículo ha sido creado gracias a ATHA en el marco del Programa de Afiliados de la Construpedia. El contenido pertenece a la publicación Manual de Diseño y Cálculo para la Fabricación de Tuberías de Hormigón Armado, disponible en el sitio web .
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Los factores físicos y químicos que pueden agredir a tuberías de hormigón armado y que son, en conjunto, destacables desde el punto de vista de los problemas de durabilidad aparecidos en las aplicaciones normales de este producto son:
Ácidos
Cuando un ácido se encuentra en contacto con un hormigón de cemento Portland, la superficie expuesta del hormigón neutraliza, por la alcalinidad del hormigón, al ácido que ataca. Una cantidad dada de ácido destruirá una masa dada de hormigón, la cual es inversamente proporcional a la alcalinidad total del hormigón. Si no se añade ácido, la reacción se frena.
El ataque por ácido se puede producir desde dentro de la tubería (por el fluido que por ella circula), o desde fuera (por el tipo de terreno que está en contacto con la tubería).
Se han encontrado dos tipos de ataques interiores. Uno es un fenómeno bioquímico consecuencia de procesos anaerobios, que se pueden llegar a dar en ciertas situaciones muy especiales y desafortunadas en redes de saneamiento con poca pendiente, muy horizontales, en zonas muy cálidas y sin caudales ni aireación. El segundo tipo lo producen efluentes de tipo ácido, que circulen indebidamente por una red de saneamiento no preparada específicamente para recibirlos.
El ataque bioquímico tiene como características:
- Presencia de ácido sulfúrico.
- Aunque el volumen total de ácido sea escaso, la concentración del mismo es elevada, hasta un 5%, por lo que en alto porcentaje reaccionará con las superficies expuestas de hormigón.
La existencia de un medio ácido depende de un tipo de condiciones muy poco frecuentes en las tuberías de saneamiento. Actualmente existen medios de predicción y detección de estas condiciones específicas, y medios para prevenirla, aunque ninguno mejor que el de una red proyectada con pendientes adecuadas por la que circulen caudales suficientes con la ventilación adecuada.
La circulación de disoluciones ácidas está prohibida, puesto que un efluente de tipo ácido resultaría dañino para el proceso de tratamiento del mismo efluente. La medida de la acidez se consigue mediante la lectura del pH; así un efluente con pH 5,5 se considera agresivo, mientras que por debajo de 5 se considera altamente agresivo. Frecuentemente se utilizan corrientes de efluente intermitentes con incrementos cíclicos del valor del pH para mitigar los efectos de la acidez del efluente sobre las tuberías de saneamiento.
El ataque exterior a las tuberías de un sistema de saneamiento depende de un número de parámetros elevado, ya que implica muy diversas condiciones. Este fenómeno es por tanto menos predecible. Además, la cantidad de ácido debido a corrientes entre los materiales del suelo será mucho menor que en el caso anterior, por lo que el pH no es el único dato necesario para evaluar la agresividad. El otro valor necesario se mide en miligramos equivalentes de ácido por cada 100 gramos de suelo, y mide la acidez total del suelo.
La medida del pH puede conseguirse de manera suficientemente exacta en campo con un medidor normalizado. Para obtener la acidez total del suelo, es necesario tomar muestras en la profundidad en la que va a situarse la tubería, por que en caso contrario, obteniendo muestras solamente de la superficie, los resultados pueden dar lugar a errores.
Cuando aparece un problema de ataque por ácido, tanto interior como exterior, se aconseja:
- Usar un hormigón con baja permeabilidad y usar áridos calizos para neutralizar el ácido.
- Aumentar el recubrimiento de hormigón como hormigón de sacrificio.
- Cuando el ataque es exterior es posible el uso de recubrimientos protectores.
Los hormigones expuestos a ataque de ácido sulfúrico sufren, además, el efecto añadido de las reacciones producidas por los sulfatos formados en el ataque. De estos sulfatos el más importante es el de calcio que, al cristalizar como yeso y/o formar con el aluminato tricálcico del cemento compuestos expansivos, contribuye en segunda pero principal instancia a la destrucción del hormigón. Por ello, el uso de cementos con bajo contenido de aluminato tricálcico, los cuales apenas afectan a la resistencia al ataque meramente químico del hormigón por el ácido sulfúrico, puede mitigar substancialmente el efecto destructivo añadido debido a las reacciones expansivas del sulfato de calcio formado en primera instancia por el ataque sulfúrico (Véase 5.1.6 Sulfatos).
Dentro del grupo de ácidos debe hacerse mención especial al ácido sulfhídrico (H2S). Dicho ácido, en forma gaseosa, resulta tóxico; se produce mediante digestión anaerobia de los fangos que circulan por la red de saneamiento a altas temperaturas. Este gas puede oxidarse resultando ácido sulfúrico (H2SO4) altamente agresivo; para que dicha oxidación tenga lugar es necesaria la participación de una serie de bacterias que pueden llegar a encontrarse en zonas cálidas, y cuando no hay circulación ni de aire ni de aguas por la red de saneamiento.
Para evitar la presencia de ácido sulfhídrico, han de asegurarse condiciones aerobias, para lo que se ha de cuidar la pendiente de proyecto y construcción evitando situaciones de estancamiento de aguas, asegurando un caudal suficiente así como la debida aireación de la tubería. Para evitar estancamientos debidos a depósitos de sedimentos en los tubos, se considera normal no bajar de 0,3 m/s la velocidad cuando el efluente no contenga arena y de 0,6 m/s cuando en el efluente esté presente la arena. La temperatura del efluente puede limitarse pero deberá controlarse al mismo, sobre todo si es de tipo industrial, mediante análisis periódicos que registren el pH, la demanda bioquímica de oxígeno a los cinco días, la demanda de oxígeno y la temperatura.
La Norma UNE 127.010 en su Anejo D, da una serie de características para el hormigón utilizado en zonas en las que, por su escasa pendiente, poco caudal o escasa ventilación, sea posible la aparición del ácido sulfhídrico:
- El cemento deberá ser resistente a los sulfatos. (Se recomienda el uso de cemento SR).
- El árido empleado será como mínimo de un 80% calizo.
- El contenido de sulfatos de los áridos, expresado en SO3, se limita al cuatro por mil del peso total del árido.
- La relación agua/cemento será como máximo de 0,45.
- Se podrá añadir aditivos que mejoren la trabajabilidad del hormigón con el objeto de reducir la relación agua/cemento. La resistencia a compresión del hormigón deberá ser como mínimo de 40 MPa.
- El recubrimiento de las armaduras longitudinales respecto a las superficies interior y exterior de los tubos será de 25 mm. Cuando los tubos tengan un espesor de pared menor de 60 mm, el recubrimiento no podrá ser inferior a 19 mm. Los extremos macho y hembra del tubo deberán ir armados de forma que no exista ninguna sección transversal de la tubería montada sin armadura y con un recubrimiento mínimo a la superficie interior y exterior de 15 mm.
- Cuando la distancia del borde de la armadura a la superficie extrema sea inferior a 10 mm, se colocará una protección adecuada (topes de plástico, pinturas especiales,...).
- Aunque no está recogido en la Norma UNE 127.010, actualmente se está extendiendo el uso de aditivos poliméricos que, incorporados al hormigón, mejoran su comportamiento ante el ataque de ácidos.
Sulfatos
Los sulfatos de sodio, magnesio y calcio presentes en los suelos, aguas subterráneas o efluentes, pueden resultar agresivos al hormigón hecho con cemento Portland, mediante reacciones químicas con ciertos componentes del hormigón, principalmente con hidratos de aluminato tricálcico para formar sulfoaluminato de calcio. Esta reacción se acompaña de una expansión por lo que puede llegar a producirse un agrietamiento del hormigón. La situación es típica de aquellas condiciones donde la concentración de sulfatos, y en particular de calcio, en la superficie del tubo ha sido producida por la exposición de éste a atmósferas gaseosas, (industriales, lluvia ácida), que contienen gases sulfurosos capaces de dar por disolución (y en casos también por oxidación) ácido sulfúrico. La exposición de los tubos a estas atmósferas es más dañina que la correspondiente a cualquier concentración de sulfatos en el agua.
Ante este tipo de ataques se dan las siguientes recomendaciones:
- La reducción del contenido de aluminato tricálcico del hormigón es la forma más directa de aumentar la resistencia del hormigón ante ataques producidos por sulfatos.
- Suponiendo una cantidad fija de aluminato tricálcico, un alto contenido de cemento aumenta la resistencia del hormigón ante ataques producidos por sulfatos.
Cloruros
El efecto más perjudicial de los cloruros sobre las tuberías de hormigón es la posible corrosión de los redondos de acero de las armaduras de los tubos de hormigón armado.
El hormigón con cemento Portland protege los redondos de acero de la corrosión en condiciones altamente agresivas para el acero. La protección es un fenómeno electroquímico, en el que la alta alcalinidad del hormigón, con un pH alrededor de 12 normalmente, pasiva el acero. Este efecto permanece mientras el valor del pH del hormigón sea igual o superior a 10, incluso en presencia de oxígeno libre; lo que ocurre es que el ion cloro es capaz de romper la película oxídica que produce la pasivación del acero. Se ha establecido una cantidad de ion cloro por encima de la cual aparecen fenómenos de corrosión, siempre y cuando exista oxígeno que contribuya a apoyar la corrosión. Cuanto mayor sea la concentración de ion cloro, suponiendo presencia de hormigón, más rápidamente aumentará la corrosión, siempre que exista oxígeno en cantidad suficiente.
Para prevenir los fenómenos de corrosión debidos al ataque de cloruros se dan las siguientes recomendaciones:
- Es conveniente evitar el uso de hormigones porosos y permeables.
- Deben prevenirse agrietamientos en el hormigón.
- Se recomienda aumentar el recubrimiento de hormigón, aunque este aumento no siempre podrá evitar que aparezca puntualmente el fenómeno de corrosión en ambientes muy agresivos.
- Bajo condiciones de exposición muy agresivas se recomienda el uso de recubrimientos protectores.
Heladas
Los daños causados por ciclos de hielo-deshielo se producen debido a que el agua penetra en los poros y fracturas del hormigón; se hiela, aumentando su volumen, lo que produce un aumento de tensión suficiente para poder llegar a fracturar el hormigón; el caso contrario, es decir el deshielo de un poro lleno de agua, produce una disminución del volumen de agua en el poro, lo que implica la aparición de tensiones igualmente perjudiciales para el hormigón. La agresividad de las condiciones de exposición viene dada por la frecuencia de los ciclos de hielo-deshielo.
Para este tipo de fenómenos se recomienda el uso de hormigones de alta compacidad, en los que se cuide de manera especial el acabado de las superficies libres del hormigón. En condiciones de exposición muy agresivas es posible el uso de recubrimientos protectores. Habitualmente, y por el hecho de estar las tuberías enterradas, los tubos no están expuestos a la acción de las heladas.
Velocidad-abrasión
Se han realizado estudios acerca de los efectos de abrasión sobre las tuberías debidos a la excesiva velocidad del fluido si bien no se han obtenido conclusiones debido a que las observaciones realizadas en campo han dado resultados muy limitados. Este fenómeno ha sido estudiado en alcantarillas, donde muchas veces se combina con fenómenos de corrosión debidos a aguas muy agresivas.
La velocidad de la corriente no produce efectos negativos sobre el hormigón por si misma, siempre que se mantenga dentro de los rangos normales. Dentro de estos rangos, el efecto de la velocidad sobre las tuberías depende de la carga de partículas, es decir, de la cantidad de sólidos que se mueven por la tubería debido a la corriente. La carga de partículas puede ser continua o intermitente, y variar según el tamaño, dureza o densidad de los sólidos. Normalmente, es más un problema técnico de diseño que un problema de abrasión, sobre todo en sistemas de alcantarillado, puesto que tanto el tamaño como la densidad de las partículas son, normalmente, muy pequeños en sistemas de alcantarillado de aguas negras y un poco mayores en sistemas no separativos.
En sistemas de alcantarillado en los que el efluente no tenga arena, la velocidad máxima de diseño es normalmente de 3 m/s admitiéndose esporádicamente valores de hasta 6 m/s. Si el efluente contiene arenas, la velocidad de diseño debe reducirse a 2 ó 3 m/s para evitar problemas de erosión.
La principal recomendación para evitar los efectos de abrasión sobre los tubos debido a la velocidad de la corriente es utilizar áridos en el hormigón cuya dureza sea superior a la de las partículas en suspensión que la corriente de aguas residuales pueda arrastrar.
Cuando fuera necesaria una consideración especial de resistencia a la erosión se utilizarán áridos finos de cuarzo u otro material de dureza similar, un árido grueso con desgaste de Los Angeles inferior a 30 y una cantidad máxima de cemento de 375 kg/m³.
Corrientes eléctricas derivadas o "vagabundas"
Cuando las tuberías de hormigón armado enterradas corren paralelas a líneas de tracción eléctrica, (tren o metropolitano), y el terreno entre ambas se hace más conductor, por humedad y/o por sales, es posible que, si la conducción eléctrica está mal aislada, la corriente busque el camino de mínima resistencia y derive hacia la armadura de la tubería, sobre todo si el hormigón que la recubre no es lo suficientemente compacto e impermeable. Entonces, la corriente entra por un determinado punto en la armadura, circula por ella a lo largo de un cierto trecho y la abandona en otro punto para volver a la conducción principal. El punto de penetración se erige en cátodo de un sistema electroquímico, es decir, en zona protegida, y en él no suele suceder nada. Pero en el punto de abandono se establece el correspondiente ánodo y en él tiene lugar una corrosión muy extensa e intensa que provoca la destrucción de la armadura, la del hormigón que la recubre y, por lo tanto, la de la tubería en dicho punto.
Este fenómeno es más peligroso en tuberías donde hay continuidad en las armaduras de los distintos tubos (unión soldada, camisa de chapa conjunta, etc.). En el caso de tuberías de saneamiento hay interrupción en la continuidad de las armaduras en cada tubo (unión elástica).
Cuando por el trazado de la tubería sea posible y probable la intervención de las citadas corrientes derivadas, llamadas también "vagabundas", se hace preciso tomar precauciones previas para dar a la armadura y a la tubería una protección catódica, bien sea mediante ánodos "de sacrificio" o mediante corriente "impresa".
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