¿Qué es el ataque de sulfatos al hormigón?

El ataque por sulfatos es una reacción química entre el sulfato y la pasta de cemento del hormigón que forma minerales expansivos y agrieta el hormigón. La FHWA cita como productos la etringita, el yeso y la taumasita. La grafía británica es sulphate attack. Es el mismo proceso.

Qué reacciona

Los iones sulfato entran en el agua de los poros del hormigón, desde fuera o desde dentro. La permeabilidad del hormigón controla la velocidad a la que entran. La FHWA describe la reacción en tres formas.

• La etringita es un sulfoaluminato de calcio. Se forma cuando el sulfato reacciona con las fases de aluminato de la pasta. La FHWA dice que la etringita causa la mayor parte de la disrupción en el ataque por sulfatos. Muchos investigadores relacionan la resistencia a sulfatos de un cemento con su contenido de aluminato tricálcico (C3A), porque el C3A determina cuánta etringita puede formarse.
• El yeso se forma cuando el sulfato se combina con el calcio. Su expansión puede no ser destructiva, pero el yeso tiene muy poca capacidad cementante, así que el hormigón pierde integridad. La FHWA cita un límite: la corrosión por yeso agrava el daño directamente por encima de 1 000 ppm de sulfato, y apenas influye hasta que el sulfato supera 4 000 ppm.
• La taumasita es un mineral parecido a la etringita, con sílice en lugar de alúmina. Depende del silicato de calcio hidratado (CSH) de la pasta, no del contenido de C3A. Por eso un cemento con bajo contenido de C3A no la limita. La FHWA dice que se forma con más facilidad a bajas temperaturas, y que a menudo se confunde con la etringita. Puede continuar hasta que no quede ningún agente aglutinante.

Ataque externo e interno

En el ataque externo por sulfatos, el sulfato procedente del exterior del hormigón penetra en él y reacciona con las fases de aluminato de la pasta. La FHWA cita como ejemplos el agua subterránea y los productos químicos para deshielo. El suelo es la fuente más común. El daño depende de la fuente, de la concentración de sulfato, de la permeabilidad del hormigón y de la composición de la pasta.

La sal de deshielo es una segunda vía. La FHWA indica que la sal de roca estándar puede tener una pureza de solo el 92 por ciento. Las impurezas suelen ser yeso y anhidrita. Un estudio encontró hasta un 4 por ciento de sulfato cálcico en sal de roca natural. La FHWA llama daño por productos de deshielo (deicer distress) al deterioro causado por estas impurezas.

El ataque interno por sulfatos toma el sulfato del interior del hormigón. La FHWA distingue tres formas:

• La formación diferida de etringita (DEF) es la etringita que se forma en el hormigón después de haber fraguado y ganado resistencia. Las altas temperaturas durante el curado temprano impiden que la etringita primaria se forme correctamente. Cuando el hormigón se enfría, el sulfato y el aluminato reaccionan y forman etringita expansiva. La FHWA cita investigaciones sobre una temperatura mínima de 65 a 80 °C, y muchas fuentes citan 70 °C. Señala que el curado con vapor es el vínculo habitual y que no está claro que los pavimentos colados in situ alcancen esas temperaturas.
• El exceso de sulfato procede de sulfato lentamente soluble en el clínker, las cenizas volantes o el árido. Produce expansión de la pasta igual que el ataque externo. La FHWA dice que en un pavimento es casi imposible separarlo de la DEF.
• La etringita secundaria es etringita que se disuelve y vuelve a cristalizar en huecos y grietas. La mayoría de los expertos coinciden en que no genera presión suficiente para fracturar una pasta sana. Puede rellenar los poros de aire, y esto puede reducir la resistencia a los ciclos de hielo-deshielo.

Cómo reconocerlo

La FHWA indica para ambos tipos un agrietamiento fino cerca de las juntas y de los bordes de las losas, o un agrietamiento en mapa en toda la losa. El ataque externo suele aparecer primero como agrietamiento cerca de las juntas y de los bordes de las losas, a los pocos años de la construcción. La FHWA indica que en casos avanzados la pasta puede convertirse en un polvo no cohesivo. Según la FHWA, el ataque interno en muchas estructuras se manifiesta como grietas en mapa finas y muy próximas entre sí, con grietas más anchas a intervalos regulares.

Otros mecanismos producen el mismo patrón. La FHWA indica el mismo agrietamiento para la reactividad álcali-sílice (ASR) y la reactividad álcali-carbonato (ACR), así que el agrietamiento por sí solo no muestra la causa. El momento de la primera aparición ayuda un poco:

Un segundo informe de la FHWA (HIF-15-018) da de 1 a 5 años para el ataque externo. Los intervalos se solapan, así que el tiempo tampoco establece la causa.

La etringita en un testigo no es una prueba. La FHWA dice que es muy común ver depósitos de etringita en los poros de aire y en las grietas de hormigón deteriorado. La etringita puede ser un síntoma del movimiento del agua y no la causa del daño. La FHWA pide que un petrógrafo seccione el testigo y juzgue si la etringita causó el agrietamiento o rellenó grietas que causó otro mecanismo. La FHWA también dice que los testigos deben abarcar todo el espesor del hormigón. Nombra la norma ASTM C856 como marco del examen petrográfico. Al microscopio, la DEF se ve como huecos en la pasta alrededor de las partículas de árido, en proporción a su tamaño.

Clases de exposición del ACI 318

El ACI 318-19 clasifica la exposición a sulfatos en cuatro clases, según el sulfato soluble en agua presente en el suelo o en el agua. El valor del suelo está en porcentaje en masa y procede de la norma ASTM C1580. El valor del agua está en ppm y procede de la norma ASTM D516 o ASTM D4130. El agua de mar es S1.

MS y HS son los tipos de cemento de mezcla moderadamente resistente y altamente resistente a sulfatos. S3 tiene dos opciones. La primera es 0,45 y 4 500 psi con puzolana o escoria. La segunda es 0,40 y 5 000 psi solo con cemento tipo V. No se permite un aditivo de cloruro cálcico en S2 y S3. El cemento tipo I o tipo III puede usarse en S1 si su contenido de C3A es inferior al 8 por ciento. Puede usarse en S2 si su contenido de C3A es inferior al 5 por ciento.

Prevención

La FHWA se centra en dos pasos. El primero es reducir la permeabilidad del hormigón con una relación w/cm más baja y con materiales cementantes suplementarios (SCM) aceptados. El segundo es usar un sistema cementante que resista los sulfatos. La FHWA indica cemento Portland tipo II o tipo V, y cemento mezclado moderada o altamente resistente a sulfatos, con adición de puzolana o de cemento de escoria. La FHWA también cita las cenizas volantes clase F y el cemento de escoria como SCM eficaces. La FHWA dice que una relación w/cm inferior a 0,45 ayuda frente al ataque externo.

Una mezcla también puede demostrar su idoneidad mediante un ensayo. El ACI fija límites para la expansión del mortero en el ensayo ASTM C1012, que expone el mortero a una solución de sulfato:

• S1: 0,10 por ciento a los 6 meses.
• S2: 0,05 por ciento a los 6 meses, o 0,10 por ciento a los 12 meses si no se cumple el límite de 6 meses.
• S3, opción 1: 0,10 por ciento a los 18 meses.

La tabla de la FHWA también permite que un cemento de cualquier tipo sirva en S2 en lugar del tipo V. Su expansión a 14 días en la norma ASTM C452 no debe superar 0,040 por ciento.

Pavimento de aeródromo

La FHWA dice que el ataque por sulfatos no es un problema común en los pavimentos. Es una preocupación para el hormigón en contacto con el suelo en muchas zonas del oeste de Estados Unidos. Si el ensayo del suelo muestra la clase S1 a S3, se requiere mitigación.

La FAA, en la AC 150/5320-6G, indica al proyectista que compruebe el sulfato soluble del suelo y del agua de amasado antes de estabilizar químicamente con cal o cemento. Recomienda precaución por encima de 3 000 ppm y control de la expansión por encima de 5 000 ppm. Los elementos de estabilización de la AC 150/5370-10H (P-154 a P-157) recogen la misma advertencia. El ingeniero comprueba el sulfato soluble durante el diseño para ver si la estabilización puede reaccionar y provocar hinchamiento. El elemento P-219 no permite la base de árido de hormigón reciclado en zonas con suelo de alto contenido en sulfatos (no más de 0,5 por ciento).

Para el propio pavimento de losas, la AC 150/5370-10H de la FAA da orientación en el elemento P-501. El contenido cementante debe ser de al menos 517 libras por yarda cúbica donde se prevea una exposición severa a hielo-deshielo, a sales de deshielo o a sulfatos. El ingeniero especifica una relación w/cm máxima de 0,45, o un valor más bajo para exposición a sulfatos. Para la base de hormigón magro (elemento P-306), indica especificar cemento tipo II cuando el árido elegido tenga antecedentes de reacción con sulfatos.

Para un inspector, el ataque por sulfatos es una posible causa del agrietamiento de juntas y de superficie en el hormigón. Un levantamiento con dron registra dónde está el agrietamiento. La causa requiere un ensayo de sulfato en el suelo o en el agua y un examen de laboratorio de un testigo.