Durabilidad en las Estructuras de Hormigón Armado.

1. La EHE.

La normativa que actualmente rige el diseño, cálculo, construcción y control de la estructuras de hormigón armado es la Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08.

Cuando en el año 1998 apareció la denominada EHE, supuso una revolución en materia de durabilidad. Se trataba de prestar especial atención en conseguir estructuras más durables, puesto que se llevaba detectando cómo muchas estructuras de hormigón presentaban patologías no deseables demasiado pronto en su vida útil.

En la EHE-08 se incluyen temas aconsejables, como el concepto de vida útil de la estructura, los criterios de sostenibilidad o el empleo de nuevos hormigones. Así mismo, la gestión de las estructuras se debía revisar, dando más importancia a las inspecciones de aquellos puntos que pudieran tener mayor trascendencia que a la simple elaboración de probetas.

2. La durabilidad de las estructuras.

Durabilidad es la capacidad de una estructura de hormigón para soportar, durante la vida útil para la que fue proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta. En ese tiempo la estructura debe mantener su idoneidad de uso. Pasado ese plazo, se admite que no compense reparar la estructura por su elevado coste, y su posible deterioro puede exigir la demolición.

La vida útil nominal de la estructura se fija en el proyecto por la propiedad y no podrá ser inferior a 50 años (viviendas y oficinas), 15 - 50 años (edificios agrícolas e industriales), 100 años (monumentos) y de 3 a 10 años (estructuras temporales).

Los agentes que pueden disminuir la durabilidad del hormigón son muchos, pero se clasifican en agentes mecánicos (sobrecargas, vibraciones), físicos (heladas, fuego), biológicos (microorganismo, vegetación) y químicos (terrenos de sulfatos, productos químicos industriales).

Salvos para los primeros, que se tendrán en cuenta en el cálculo estructural, la degradación del hormigón depende, básicamente, de la posibilidad de transporte que, por sus poros, realicen gases o agua con sustancias agresivas. Estas sustancias degradarán el hormigón y/o corroerán las armaduras.

Por tanto, para conseguir estructuras durables, debemos actuar en:

* Fase de redacción del proyecto.

* Durante la ejecución de la obra.

* En el uso y mantenimiento de la estructura.

2.1. Durabilidad en la fase de proyecto.

El proyecto incluirá las medidas necesarias para que la estructura alcance la duración de vida útil acordada, según el tipo estructural y las condiciones agresivas ambientales.

La primera medida consiste en elegir una forma estructural adecuada, evitando diseños que sean sensibles a la acción del agua. Otra posible medida es adoptar soluciones para facilitar el mantenimiento y la sustitución de elementos.

Pero lo más importante, es que el proyecto debe prevenir el tipo de ambiente más o menos agresivo al que estará expuesta la estructura. La norma lo llama Clase de Exposición, que se define para cada elemento estructural. Esto es fundamental para determinar la dosificación adecuada del hormigón, para que éste pueda soportar el ataque y no se deteriore, y los espesores de los recubrimientos del hormigón sobre las barras de acero, y evitar que estas se oxiden.

La EHE tipifica esas Clases de Exposición en Generales, aquellas que afectan a la corrosión de las armaduras (ambientes con humedad o con cloruros de mar o piscinas) y Específicas, son las que afectan a los procesos de deterioro del propio hormigón (ataques químicos, heladas y/o erosión).

Todo elementos estructural (una zapata, un pilar, un forjado) estará sometido a una clase general de exposición y puede estar sometido a ninguna, una o varias clases específicas de exposición.

Algunos ejemplos a la hora de elegir la Clase de Exposición, a parte de los recogidos en las propias tablas, son:

*  Un forjado interior de un edificio, que esté en zonas de cocinas o baños, es ambiente IIa. Si es zona de dormitorios o de oficinas, es ambiente I.

*  Un forjado de cámara sanitaria, una cubierta no protegida, o un muro de sótano en terreno no agresivo, son IIa.

*   Una cimentación en terreno yesífero (con sulfatos) es ambiente IIa + Qb.

*   Un pilar de fachada, chapado con ladrillo visto, es ambiente IIa si el edificio se encuentra en Oviedo y ambiente IIb si está en Madrid.

Las zonas de pluviometría media anual superior a los 600 mm (600 l/m2), se refiere a toda la Cordillera Cantábrica, Galicia y zonas de montaña como todo el Sistema Central, y parte de los Sistemas Ibéricos y Béticos.

En el caso de una estructura sometida a un ataque químico (ambiente clase Q) que ería por un terreno o por un agua agresivos, en la tabla de la EHE se distingue entre subclases de agresividad débil, media o fuerte (Qa, Qb y Qc). Se analizará el suelo o las aguas en cuestión, y según los valores obtenidos y de acuerdo a la tabla, se puede establecer el tipo concreto de exposición.

Para el caso de estructuras sometidas a una especial agresividad (depuradoras de aguas residuales o depósitos de líquidos o sustancias industriales), y cuando las medidas normales de protección no se consideren suficientes, se puede recurrir a sistemas especiales de protección, como revestir superficialmente el hormigón, utilizar armaduras galvanizadas o de acero inoxidable, añadir aditivos inhibidores de la corrosión o proteger las armaduras mediante ánodos de sacrificio (protección catódica).

2.2. Durabilidad en la fase de ejecución.

La buena calidad en la ejecución tiene una influencia decisiva para conseguir una estructura durable.

2.2.1. La calidad del hormigón.

Depende de diversos factores: las materias primas, la dosificación, la correcta puesta en obra y del posterior curado.

A)     La dosificación.

Las proporciones en las que hay que mezclar los distintos componentes será la adecuada para cumplir con la resistencia mecánica del hormigón y su durabilidad, fijado en proyecto.

En referencia a su durabilidad, en la dosificación debemos cumplir con los límites marcados por la máxima relación agua/cemento (kilos de agua por kilos de cemento) y el contenido mínimo de cemento (kg por m³ de hormigón), ambos en función de la Clase de Exposición a la que este expuesto el hormigón.

Una relación a/c de 0,25 es suficiente para hidratar todo el cemento Pórtland, pero se necesita más cantidad para poder amasar el hormigón y para facilitar su posterior puesta en obra. Esto se consigue si se aumenta la relación a 0,4 o 0,5.

Con una relación a/c de 0,7 los poros se hacen demasiados grandes, hasta de 1mm de diámetro, además de ser más numerosos, no siendo el hormigón compacto y por tanto duradero respecto el ataque de gas y agua.

Una relación a/c grande hace disminuir drásticamente la resistencia del hormigón. Aumentar un 10% la cantidad de agua puede hacer disminuir un 20% la resistencia del hormigón. Por tanto, para el ambiente menos agresivo, la máxima relación a/c permitida es 0,65.

El contenido mínimo de cemento es importante porque con su alcalinidad se protege a las armaduras de la corrosión, por lo que debemos de dosificarlo con una cantidad mínima que en ningún caso sea inferior a 250 kg de cemento por m³ de hormigón armado (200 kg para el hormigón en masa y 275 kg para el hormigón pretensado).

Una cantidad de 250 kg de cemento da como resultado un hormigón con una resistencia de 25 N/mm² (250 kg/cm²), por ello, la norma fija también esta resistencia como la mínima para el hormigón armado.

La cantidad máxima de cemento se fija en 500kg, para no elevar en exceso la temperatura de fraguado, que provocaría fuertes retracciones.

B)      La puesta en obra.

Su vertido, colocación, y compactación, deberá cuidar lo siguiente:

*   No se colocará hormigón que tenga principio de fraguado.

* El límite de tiempo del que se dispone, desde la fabricación del hormigón hasta su colocación es de 1,5 horas en condiciones normales.

*  Se evitará la disgregación de la mezcla, o separación de los áridos gruesos, sin dejar caer el hormigón desde alturas superiores a los 2 metros.

*  El vertido se realizará por tongada que permitan la compactación completa de la masa.

Un hormigón sin compactar puede tener hasta un 20% de aire ocluido, el cual se debe reducir hasta que quede cercano al 1%. Con ello se conseguirá obtener un hormigón más denso y, por tanto, más impermeable, es decir, más resistente al agua, menos vulnerable a la intemperie y con muchas menos probabilidades de que las armaduras de su interior puedan oxidarse. Además, el hormigón bien compactado es más resistente; así un 4% de aire ocluido de más, supone un 20% menos de resistencia.

C)     Correcto curado.

El objetivo es mantener el hormigón húmedo y a temperatura adecuada, para que la hidratación del cemento desarrolle la resistencia final del hormigón.

Durante el fraguado y el primer periodo de endurecimiento (48 horas) el hormigón alcanza temperaturas apreciables, produciéndose pérdidas de agua por evaporación. La masa se seca y se interrumpe el proceso de hidratación mencionado, creándose poros en el hormigón, además de posibles faltas de fraguado.

Por tanto, un correcto curado consigue que la impermeabilidad del hormigón sea la mayor posible, con los mínimos poros, mejorando su durabilidad y su resistencia (de un 30 a un 50%). Además, el curado mejora considerablemente la apariencia externa del hormigón, ya que se reduce la retracción de la masa y por lo tanto su cuarteo y descascarillado.

El mantenimiento de la humedad en el hormigón se realiza mediante regado, pero sin que se produzca el lavado de su superficie, es decir, haciéndolo justamente cuando ha endurecido ligeramente la misma.

2.2.2. La corrosión de las armaduras.

Las armaduras deben permanecer exentas de corrosión durante la vida útil de la estructura, por que el óxido aumenta de volumen agrietando el hormigón. Este deterioro empeora la situación, porque deja vía libre para el avance de la corrosión. Aunque desaparezcan las causas, la corrosión sigue avanzando si no se eliminan los óxidos.

Para que no se inicie es fundamental:

*     Obtener un hormigón compacto, que retrase la entrada de agua.

*     Colocar las armaduras debidamente recubiertas de hormigón.

*     Que el hormigón mantenga su ph alcalino (12 ó 13).

El hormigón al estar elaborado con cemento Pórtland, proporciona un ambiente alcalino en el que las armaduras pueden mantenerse sin corrosión por tiempo indefinido. Si el ph baja a 10, las armaduras se quedan sin esa protección y, si aparece humedad o cualquier otro ataque, comenzarán a oxidarse.

Con anterioridad a la EHE 98, los fabricantes de hormigón economizaban utilizando determinados aditivos y mezclas que conseguían hormigones cada vez más resistentes, pero con menor cantidad de cemento. El hormigón obtenido tenía un ph insuficiente, y las patologías por oxidación de las armaduras se generalizaban. Por eso la norma introdujo la limitación del contenido mínimo de cemento.

Sin embargo, aún cumpliendo dicha limitación, la protección alcalina que ofrece el hormigón se puede perder por:

A) La carbonatación del hormigón.

La reacción del CO₂ del aire con el hidróxido de calcio resultante de la hidrólisis del cemento. Este proceso no destruye el hormigón, sólo reduce su alcalinidad, dejando las armaduras indefensas. Tiene lugar en ambientes con alta contaminación (aparcamientos subterráneos, polígonos industriales, ambientes urbanos) que empieza en la superficie y va penetrando algunos centímetros a lo largo del tiempo.

La velocidad con la que se carbonata el hormigón depende de la relación agua/cemento utilizada en su fabricación (la velocidad se multiplica por dos si la relación a/c es 0,7 en vez de 0,5), de la cantidad de cemento utilizado (también es doble si se utilizan sólo 150 kg de cemento por m³ de hormigón en vez de 300 kg) o de la humedad relativa del ambiente en el que se encuentra la estructura (la velocidad es doble si la humedad es del 50% en vez de un 80% ó un 20%, igual de perjudicial son los dos extremos).

La Instrucción fija los cálculos de velocidad para poder determinar el espesor de recubrimiento de hormigón adecuado y, comprobar que se cumple con el periodo mínimo de vida útil de la estructura.

B) La acción de iones despasivantes.

Esencialmente cloruros (también sulfatos o sulfuros) que rompen la capa pasivante de naturaleza electroquímica que existe entre el acero y el hormigón. Los cloruros también pueden afectar a los tiempos de fraguado y endurecimiento.

La EHE limita el contenido de iones despasivantes en los materiales. Además, el contenido total de cloruros en el hormigón será inferior a 0,4% del peso del cemento, para obras de hormigón armado, y 0,2% para hormigón pretensado.

C) También se puede perder la protección alcalina en situaciones especiales de medios agresivos.

Por otra parte, la EHE prohíbe el contacto de las armaduras con otros metales de muy diferente potencial galvánico, pro ser punto de inicio de corrosión. Igualmente, prohíbe la utilización de aceros protegidos por recubrimientos metálicos, salvo que la Dirección de Obra lo autorice con un estudio experimental avalado.

Otro factor a tener en cuenta para la durabilidad de las armaduras es que el hormigón no se fisure en exceso. Toda estructura de hormigón se encuentra fisurada por varios motivos (fisuras de retracción, de dilatación, de deformación). La cuestión no es si hay fisuras o no, si no cuál es su tamaño y si eso afecta a la durabilidad de la estructura, es decir, si las fisuras tienen un acho que permita la entrada más rápida de agentes (cloruros o CO₂) que puedan corroer las armaduras.

Se ha demostrado que las fisuras hasta un ancho de 0,4 mm no son significativas. Cuando son más pequeñas, se colmatan y se sellan ellas solas, por la suciedad y el propio óxido. La EHE limita las aberturas máximas de fisuras en función de la clase de exposición.

Para cumplir las anchuras máximas de fisuras por deformación del elemento estructural, al entrar en carga se deberá limitar las deformaciones de las armaduras de acero, controlando la tensión máxima a la que podrán trabajar.

En la actualidad, existen en el mercado armaduras de acero inoxidable, de acero negro revestidas de acero inoxidable, de acero microcomposite y de aceros de aleaciones especiales, todos ellos de escasa utilización en estructuras normales de edificación pero interesantes para aplicaciones especiales de estructuras en ambientes muy agresivos.

2.3. Uso y mantenimiento de la estructura.

La nueva EHE obliga a la propiedad al mantenimiento de la estructura. Se entiende por mantenimiento el conjunto de actividades necesarias para que el nivel de prestaciones (de resistencia, durabilidad, funcionalidad) para el que fue proyectada la estructura no disminuya durante la vida útil de proyecto. El objetivo es evitar o retrasar la aparición de patologías que tendrían una resolución más complicada y menos económica.

Las actividades de mantenimiento se pueden desglosar en las siguientes:

* Conservar el Proyecto de Ejecución completo, con toda la documentación anexa y la que se vaya generando durante la vida del edificio (reparaciones, ampliaciones).

*   Realizar inspecciones rutinarias por parte de la Propiedad (limpieza de sumideros, reparación de impermeabilizaciones) que asegure el correcto funcionamiento y durabilidad de la estructura.

*   Realizar inspecciones principales, a instancia de la Propiedad, por técnicos cualificados y con experiencia, para detectar posibles daños, pérdida de seguridad, etc.

* Realizar inspecciones especiales y pruebas de carga, como consecuencia de los resultados obtenidos en una inspección principal.

El proyecto de la estructura incluirá un Plan de Inspección y Mantenimiento que contenga la definición precisa de los siguientes puntos:

*     Descripción de la estructura y las clases de exposición.

*     La vida útil considerada.

*    Los puntos críticos de la estructura que precisan especial atención a efecto de inspección y mantenimiento.

*  La periodicidad de las inspecciones, así como las técnicas y los criterios de inspección recomendados.

* La descripción detallada de la técnica de mantenimiento recomendada.

*  Los medios auxiliares para el acceso a las distintas zonas de la estructura.

3. Sostenibilidad de las estructuras.

La nueva EHE 08 incorpora como novedad criterios de sostenibilidad, y dice “el cumplimiento de esta instrucción es suficiente para la satisfacción del requisito de exigencias relativas al medio ambiente”. El proyecto, la construcción y el mantenimiento de la estructura serán tal que se minimice le generación de impactos ambientales, permitiendo un adecuado desarrollo sostenible.

Una estructura de hormigón contribuirá a la sostenibilidad si se cumplen criterios como:

*   Extender en el proyecto la vida útil de la estructura, para producir una mayor amortización de los posibles impactos al medio ambiente producidos durante la ejecución.

*  Hacer uso racional de la energía, tanto en la elaboración de los productos de construcción como en la ejecución de la obra.

* Optimizar el consumo de materiales, empleando menores cantidades de hormigón y acero. Es interesante la comparación de dos soluciones estructurales para una misma obra.

*   Emplear productos reciclados, como por ejemplo áridos, aceros o agua reciclada en la elaboración del hormigón.

*  Emplear productos en posesión de distintivos de calidad oficialmente reconocidos.

*   Emplear cementos que incorporen subproductos industriales o que se obtengan mediante procesos que minoren las emisiones de CO₂ a la atmósfera.

*  Implantar sistemas voluntarios de certificación medioambiental para los diferentes procesos, como por ejemplo, en las plantas de elaboración de hormigones, en los talleres de ferralla, en las fábricas de prefabricados,…

*  Aplicar criterios innovadores que aumenten la productividad, la competitividad y la eficiencia de las construcciones.

*  Tomar medidas específicas para gestionar los residuos de la ejecución de la obra.

*      Minimizar los impactos sobre el entorno durante le ejecución de la obra (ruido, polvo, vibraciones,…).

Es la propiedad la que debe decidir el criterio de sensibilidad medioambiental para la estructura, y comunicarlo al Autor del proyecto. Dicho criterio se mide por el índice ISMA (Índice de Sensibilidad Medioambiental) que es el resultado de multiplicar entre sí diferentes coeficientes y parámetros, los cuales tienen unos valores que son función de las deferentes acciones a tomar, en el proyecto y en la ejecución.