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EMPLEANDO UNA CÁMARA DE ENVEJECIMIENTO
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ESTUDIO DEL GRADO DE DETERIORO
DEL HORMIGÓN SIMPLE Y ARMADO
EMPLEANDO UNA CÁMARA
DE ENVEJECIMIENTO
STUDY OF THE DEGREE OF DETERIORATION OF PLAIN AND
REINFORCED CONCRETE USING AN AGING CHAMBER
Karen Bohórquez
1
& José Luis Piñeiros-Mendoza
1*
Recibido: 15 de julio 2020 / Aceptado: 15 de diciembre 2020
DOI: 10.26807/ia.v9i1.176
Palabras clave: cámara de simulación climática, espectrofotometría
de absorción atómica, hormigón, técnicas gravimétricas,
técnicas volumétricas.
Keywords: atomic absorption spectrophotometry, concrete,
climate simulation chamber, gravimetric techniques, volumetric techniques.
RESUMEN
El hormigón es uno de los materiales más usados en el área de construcción.
Debido al uso diario de este material se realizó el estudio del envejecimiento
1 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de
Ciencias Químicas, Quito–Ecuador (karenpamelabohorquez@outlook.com; *correspondencia: jlpi-
neiros@puce.edu.ec., jlpineiros2014@gmail.com)
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del hormigón simple y del hormigón armado para prevenir futuras afectaciones
a este tipo de materiales. Se ubicaron muestras de hormigón en una cámara de
simulación climática en la que se controlaron las condiciones de humedad,
temperatura y radiación de acuerdo a un modelo multivariable de los paráme-
tros mencionados para simular el envejecimiento acelerado de los materiales.
De esta manera se logró representar la degradación acelerada que sufrirían los
materiales en la ciudad de Quito en 0, 5, 10, 15 y 20 años de exposición am-
biental. Se emplearon técnicas gravimétricas, técnicas volumétricas, y la técnica
de espectrofotometría de absorción atómica. Todos los resultados obtenidos
fueron tabulados y graficados para visualizar su variación y tendencia en fun-
ción del tiempo de exposición. El análisis más destacado fue el de la humedad,
ya que presentó una tendencia de aumento y disminución con valores que va-
rían entre 2,17 % y 3,37 % para el hormigón simple y 1,21 % y 2,32 % en el
caso del hormigón armado, lo cual se debe a la evaporación del agua por las
temperaturas elevadas. Otro análisis importante fue el equilibrio carbonato-bi-
carbonato debido al paso de iones hidronio (H
+
) que provocó un cambio de
pH en el medio, y los óxidos de hierro que variaron significativamente por la
presencia de un refuerzo de hierro en el hormigón armado con valores de 2,26
% a 7,23 % con respecto al hormigón simple que presentó valores de 0,89 %
a 5,48 %. Se concluyó que sí existieron cambios en la composición química
del hormigón simple y del hormigón armado al pasar los años.
ABSTRACT
Concrete is one of the most used materials in the construction area, due to this
the aging of plain concrete and reinforced concrete was studied. Concrete sam-
ples were located in a climate simulation chamber where humidity, temperature
and radiation conditions could be controlled. The analyzes were performed for
samples that were subjected to 5, 10, 15 and 20 years. Gravimetric techniques,
volumetric techniques and the atomic absorption spectrophotometric technique
were used. The most prominent analyzes were moisture, since it presented an
increasing and decreasing trend with values that vary between 2.17 % and 3.37
% for simple concrete and 1.21 % and 2.32 % in the case of reinforced con-
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crete. This is due to the evaporation of water due to high temperatures. Another
important analysis was the carbonate-bicarbonate balance due to the passage
of hydronium ions (H
+
) that caused a change in pH in the medium, and iron
oxides that varied significantly due to the presence of an iron reinforcement in
the reinforced concrete with values from 2.26 % to 7.23 % with respect to sim-
ple concrete, which presented values from 0.89 % to 5.48 %. It was concluded
that there were changes in the chemical composition of plain concrete and
reinforced concrete over the years.
INTRODUCCIÓN
En la antigüedad, el material de cons-
trucción que se utilizaba era el ce-
mento en bruto, el cual era hecho por
la trituración y quema de yeso o pie-
dra caliza. Cuando se agregaron are -
na y agua a estos cementos se convir-
tieron en mortero, que era un material
similar al yeso, y era usado para ad-
herir piedras entre sí. Durante miles
de años el hormigón fue mejorando,
se combinó con otros materiales y, en
última instancia, se transformó en el
hormigón moderno (Gromicko, N., et
al, 2016).
El hormigón empleado en construc-
ción está conformado principalmente
de cemento, agregados gruesos y fi -
nos de piedra, arena y agua. En el
momento de su amasado se pueden
añadir otros productos o materiales
para mejorar alguna de sus caracte-
rísticas determinadas (Nistal, 2012).
El hormigón es considerado uno de
los materiales más usados en el área
de construcción por ser un sólido
compacto, denso y poroso (Arre-
dondo, 1972). Para preservar las es-
tructuras hechas a base de hormigón
es necesario estudiar el deterioro quí-
mico y físico que sufren debido a las
variables atmosféricas. Con esta in-
formación se pueden evitar futuras
grietas o rupturas en este tipo de ma-
teriales de construcción.
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El término envejecimiento hace refe-
rencia para cambios en el desem-
peño de los materiales con el pasar
del tiempo. El envejecimiento acele-
rado simula las variaciones del clima
a las que están sometidas las diferen-
tes muestras de materiales de cons-
trucción en un periodo de tiempo
determinado (Pazos, 2018). El enve-
jecimiento artificial trata de reprodu-
cir el clima de una zona, en condi-
ciones controladas, para analizar lo
que le sucede a un material en fun-
ción del tiempo.
En un estudio se evaluó la influencia
de la atmósfera de la ciudad de Es-
meraldas en cuatro sistemas de pin-
tura de poliuretano formulados con
pigmentos amarillos de cromo. Se
rea lizaron ensayos acelerados para
reproducir la degradación medioam-
biental de las pinturas. Los estudios
acelerados en una cámara de arco de
Xenón reprodujeron la degradación
de pinturas en la intemperie y se
pudo determinar que la radiación UV
es la principal causa de degradación
en las pinturas (Chico, 2012).
METODOLOGÍA
Se tomaron 5 cilindros hechos de
hormigón simple y 5 de hormigón ar-
mado de 30 cm de altura y 15 cm de
diámetro cada uno, estos fueron ob-
tenidos en el marco del proyecto
“Definición de los principales impac-
tos ambientales generados por el
cambio climático que afectarían los
materiales de construcción en pro-
yectos de Ingeniería Civil, aplicación
piloto en la ciudad de Quito, Ecua-
dor” el cual fue realizado en la Facul-
tad de Ingeniería Civil de la Pontificia
Universidad Católica del Ecuador
(Pazos, 2018).
Figura 1. Muestra de cilindro
de hormigón armado
Se empleó una cámara de simulación
climática BIOBASE BJPX-A450 en la
cual se realizaron variaciones de pa-
rámetros climáticos en lapsos de
tiempos definidos. La cámara cuenta
con un humidificador ultrasónico
YADU. El control climático dio resul-
tados en periodos de tiempo cortos
ya que 5 años simulados equivalen a
19,25 días, y se realizó la investiga-
ción hasta simular 20 años (Pazos,
2018). Se procede en base a ciclos,
cada ciclo está conformado de subru-
tinas en las que se simulan valores de
humedad, temperatura, radiación y
tiempo deseado.
El ciclo está conformado por tres su-
brutinas con temperaturas y humeda-
des constantes durante un periodo de
tiempo. En la primera subrutina la cá-
mara de envejecimiento se encuentra
a 25 °C, con humedad relativa de 70
% por 1200 minutos; en la segunda
subrutina la temperatura aumenta a
35 °C con humedad relativa de 50 %
por 800 minutos; y la última subru-
tina a una temperatura de 20 °C con
humedad de 50 % por 1250 minutos
(Pazos, 2018).
La programación multivariables fue
desarrollada mediante un programa
SOLVER para visualizar la interrela-
ción de las variables climáticas
cuando una de ellas es modificada
en un ambiente controlado. El SOL-
VER registra valores históricos de las
variables climáticas (radiación solar,
temperatura, Heliofanía y partículas
menores a 2,5 mm) y mediante fór-
mulas establecidas genera los posi-
bles valores proyectados en el
tiempo. El software tiene como refe-
rencias datos de tres estaciones del
INHAMI y del Municipio de Quito
con la estación del Camal, Belisario
y Carapungo. Se escogieron estas es-
taciones debido a la confiabilidad y
cantidad que proporcionaban los
datos (Alarcón, 2017).
Las muestras de hormigón simple y
hormigón armado tenían forma cilín-
drica, se fragmentaron con una lima
de metal y se procedió́ a pulverizar
las muestras usando un molino de
bolas, luego se las homogenizó y
cuartearon manualmente con el fin
de tener resultados representativos,
se las etiquetó y finalmente se las
guardó en tubos cónicos Falcon en
un lugar seco y fresco. Los análisis
fueron realizados por triplicado para
cada parámetro.
Los análisis realizados fueron: hume-
dad (secado en estufa Memmert Mo-
delo SM 200), silicatos (ASTM
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C144-07-06), óxido de hierro (ASTM
C114-07-15), óxido de calcio (ASTM
C114-07-13), óxido de magnesio
(ASTM C114-07-14). En el caso de
las determinaciones volumétricas se
realizaron carbonatos y bicarbonatos
por medio del método de Vogel. Fi-
nalmente, se empleó́ un Espectro-
fotómetro de Absorción Perkin Elmer,
AAnalyst 400, para la identificación
y cuantificación de los siguientes ca-
tiones: hierro, sodio, potasio, calcio
y magnesio. Para la realización de las
curvas de calibración se utilizaron las
pipetas de 10-100 μL CAPP, 100-
1000 μL Pipette, y de 1-5 mL CAPP
y, los estándares empleados fueron
de 1000 μg/mL marca AccuStandard,
Inc. Adicionalmente se realizaron
muestras por triplicado para asegurar
resultados.
RESULTADOS
Con los resultados de los estudios, se
graficaron las líneas de tendencia
entre los parámetros analizados y el
tiempo de exposición simulado en la
cámara de simulación climática, adi-
cionalmente se aplicó la prueba esta-
dística ANOVA (análisis de varianza
con un factor) para así poder determi-
nar si existían diferencias significati-
vas entre los promedios de concen-
tración de cada componente en cada
clase de hormigón y en los diferentes
tiempos de envejecimiento. La hipó-
tesis nula estableció que el promedio
del porcentaje o concentración de
determinado componente no varía
significativamente con el paso del
tiempo, mientras que la hipótesis al-
ternativa estableció que el valor del
promedio del porcentaje o concentra-
ción de determinado componente sí
varia significativamente con el paso
del tiempo.
Figura 2. Líneas de tendencia
de los resultados de humedad
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Figura 3. Líneas de tendencia
de los resultados de carbonatos
Figura 5. Líneas de tendencia
de los resultados de silicatos
Figura 7. Líneas de tendencia
de los resultados de óxido de calcio
Figura 4. Líneas de tendencia
de los resultados de bicarbonatos
Figura 6. Líneas de tendencia
de los resultados de óxido de hierro
Figura 8. Líneas de tendencia de
los resultados de óxido de magnesio
Figura 9. Líneas de tendencia
de los resultados de hierro
Figura 11. Líneas de tendencia
de los resultados de magnesio
Figura 10. Líneas de tendencia
de los resultados de calcio
Figura 12. Líneas de tendencia
de los resultados de sodio
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Figura 13. Líneas de tendencia
de los resultados de potasio
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Para reproducir y acelerar las condi-
ciones climáticas de un material de-
terminado se necesita un software
que pueda relacionar matemática-
mente cada variable; además, se re-
quiere un gran número de datos
meteorológicos obtenidos a lo largo
de los años para desarrollar predic-
ciones. Esta investigación explorato-
ria se pudo realizar gracias a los
datos de tres estaciones meteorológi-
cas: Carapungo, Belisario y El Camal,
adicionalmente por el uso del soft-
ware SOLVER.
Para una mayor comprensión, a con-
tinuación se analizarán las tenden-
cias de variación de cada parámetro
en ambos tipos de hormigones.
Humedad
El contenido de humedad es uno de
los parámetros más importantes con
respecto al comportamiento del hor-
migón simple y armado. Se expresa
en porcentaje, y se realiza en la ma-
yoría de los hormigones por la deter-
minación de la pérdida de masa que
sufre el material cuando se somete a
una combinación tiempo-tempera-
tura adecuada.
Se utilizó un humidificador ultrasó-
nico que provocaba vapor de agua
dentro de la cámara de simulación
climática. Al estar los hormigones so-
metidos a estas condiciones se espe-
raba un aumento en el porcentaje de
agua en las muestras. Y en efecto,
como se puede observar en la Fi-
gura 2, hay valores que variaron
entre 2,17 % y 3,37 %, para el hor-
migón simple y 1,21 % y 2,32 % en
el caso del hormigón armado. Hay
un crecimiento en los primeros 10
años ya que la alta temperatura y ra-
diación pudieron provocar la evapo-
ración del agua absorbida, esta
pérdida de humedad pudo haber
ocasionado crecimiento de poros y
rupturas. En los siguientes años pudo
existir una reintroducción capilar, y
se puede decir que este crecimiento
continuará debido a que el hormigón
es un material poroso que almacena
agua y el aumento tiene que llegar
hasta saturación. Se debe tomar en
cuenta que la radiación y la tempe-
ratura elevada son las causantes de la
evaporación del agua ocluida en los
hormigones; esto puede provocar el
crecimiento de poros y rupturas (Joi-
sel, 1981).
DISCUSIÓN
Carbonatos y Bicarbonatos
Para la determinación se empleó el
método de Vogel, en el cual se debe
calcular la alcalinidad total y la can-
tidad de bicarbonatos, luego por la
diferencia de ambos se obtiene el
contenido de carbonatos. Como se
puede observar en la Figura 3, los va-
lores obtenidos para carbonatos va -
rían entre 0,31 % y 0,46 % en el caso
del hormigón simple, mientras que
para el hormigón armado en la Fi gura
4 los valores varían entre 0,22 % y
0,35 %. Los valores para bicarbona-
tos aumentaron en comparación con
los valores de carbonatos, los porcen-
tajes obtenidos para el hormigón sim-
ple fueron entre 1,40 % y 1,28 %, y
los porcentajes para las muestras de
hormigón armado variaron entre
1,52 % y 1,46 %. En la Figura 3 se
puede observar que para estos anio-
nes se tienen diferentes tendencias.
En el carbonato se visualiza una dis-
minución a partir del año 10 y, de-
bido a esto, el análisis estadístico
ANOVA muestra que no existen dife-
rencias significativas a medida que
pasa el tiempo. En cuanto a los bicar-
bonatos, éstos aumentan de manera
imperceptible en cada año para el
hormigón armado; en el caso del
hormigón simple también tiene una
tendencia de aumento a excepción
del año 10 en el que se disminuyó
muy poco y, por esta razón, el análi-
sis estadístico ANOVA no considera
que haya diferencias significativas
importantes con el pasar de los años
en las muestras de hormigón simple
y hormigón armado.
Al tener una disminución de carbo-
natos y un aumento de bicarbonatos
se puede interpretar que hubo un
cambio en el pH del medio. Esto
ocurre debido a que los iones hidro-
nio (H
+
) se impregnaron al hormigón
por la absorción del dióxido de car-
bono y, al juntarse con la humedad,
se puede solubilizar y formar el ácido
carbónico (Mook, 2002). El ácido
carbónico libera iones hidronio y
iones bicarbonato, y es así que se ob-
tiene la formación de más bicarbona-
tos.
Silicatos
En el área de las construcciones, la
presencia de silicatos se atribuye a
los cuarzos y feldespatos que provie-
nen de los materiales de partida.
Cabe mencionar que aumentan la
calidad y estabilidad en ladrillos y
cementos (De Castrillo, 2017). Los
resultados expresados en la Figura 5
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indican que los valores para el hor-
migón simple varían entre 66,81 % y
79,32 %, mientras que para el hor-
migón armado están entre 72,54 % y
77,31 %, usando el método gravi -
mét rico por precipitación. Los datos
obtenidos para cada año se mantie-
nen constantes debido a que los hor-
migones presentan gran resistencia
en presencia de elevadas temperatu-
ras y de radiación. Los silicatos tie-
nen un gran impacto en la compo-
sición de los hormigones, así que
cualquier tipo de variación puede
afectar de manera significativa el por-
centaje de los demás componentes.
Debido a esto, el análisis estadístico
ANOVA indicó que sí hay diferencias
significativas en el transcurso del en-
vejecimiento.
Óxido de Hierro
En la Figura 6 se puede observar que
los valores obtenidos para el hormi -
gón simple van de 0,89 % a 5,48 %
y tiende a incrementar a medida que
pasan los años. En cambio, los valo-
res que se obtuvieron para el hor-
migón armado fueron de 2,26 % a
7,23 % y, de igual forma, la línea de
tendencia sube al transcurrir los
años. Se observa el incremento de
óxido de hierro en el caso del hor-
migón armado debido a que posee
un refuerzo de acero. Se debe tomar
en cuenta que dicha ganancia es
considerable y por esto se obtuvo di-
ferencias significativas para los dos
tipos de muestras. Es importante
mencionar que la pérdida de óxidos
de hierro puede ocasionar una dismi-
nución en la resistencia y dureza del
hormigón; esto ocurre debido a que
óxido férrico se encuentra en ocasio-
nes en polvo, al tener partículas tan
pequeñas se pueden dispersar en el
aire (Kozicki, 2019).
Óxido de Calcio
En la determinación de óxido de cal-
cio la precipitación del calcio ocurre
como oxalato distribuido como ácido
oxálico H
2
C
2
O
4
y oxalato monobá-
sico HC
2
O
2
2-
que saturan total o par-
cialmente al anion oxalato y al au-
men tar el pH neutralizan lentamente
el ácido y su especie monoba ́sica
hasta alcanzar la especie precipi-
tante, oxalato (C
2
O
4
), en su máxima
concentración y mínima solubilidad
de la sal (Brown, 1977). En la Figura
7 se observan los porcentajes de
óxido de calcio en el hormigón sim-
ple que van entre los valores de 6,96
% y 10,26 %, y se puede visualizar
una tendencia en aumento. En el
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caso del hormigón armado los valo-
res varían entre 6,13 % y 11,67 %. Se
puede visualizar en la Figura 7 que el
hormigón armado posee más canti-
dad de óxido de calcio en relación
con el hormigón simple; esto pude
ocurrir debido a que este óxido tam-
bién se presenta en forma de polvo y
se puede dispersar. En el análisis es-
tadístico ANOVA se observa que sí
existió́ diferencia significativa.
Óxido de Magnesio
Se analizó el óxido de magnesio, el
cual precipita como pirofosfato, y el
óxido se determina por cálculos es-
tequiométricos. Los porcentajes ob-
tenidos se presentan en la Figura 8,
los valores para el hormigón simple
varían entre 0,50 % y 2,00 % y para
el hormigón armado 0,53 % y 1,53
%. Los resultados a medida que
pasan los años difieren debido a
pérdidas en el precipitado o en la fil-
tración. El óxido de magnesio en pre-
sencia de humedad puede formar el
hidróxido de magnesio y éste puede
absorber dióxido de carbono; esto
puede explicar el porqué de la dife-
rencia entre los datos obtenidos. Otro
motivo por el cual los valores son dis-
tintos entre sí es el error experimental
al no remover totalmente las interfe-
rencias provenientes de los óxidos de
hierro y de calcio.
Metales
Finalmente, se analizaron los catio-
nes empleando la técnica de espec-
trofotometría de absorción atómica.
Se confirmó que es una técnica que
utiliza la mínima cantidad de reacti-
vos y los análisis se realizan en
menos tiempo.
Se realizaron curvas de calibración
para las cuales se utilizaron estánda-
res con certificados confiables Los
análisis se hicieron por triplicado
para obtener resultados que permitan
estimar su precisión. Se obtuvieron
coeficientes de correlación próximos
a 1, en el caso del hierro fue de
0,9998, en el calcio fue de 0,9979,
en el magnesio fue de 0,9906, en el
sodio fue de 0,9994 y en el potasio
0,9964. Esto significa que se pudo
comprobar que la absorbancia es di-
rectamente proporcional a la concen-
tración de las muestras, cumplién-
dose así la Ley de Lambert Beer. Una
vez obtenidas las funciones lineales
se pudo determinar la concentración
de las muestras de hormigón simple
y hormigón armado.
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En el caso de las curvas y muestras de
calcio y magnesio se utilizó óxido de
lantano para eliminar interferencias
de ionización. Para las curvas de
sodio y potasio se añadió cloruro de
cesio con el mismo fin de descartar
interferencias. Los análisis de hierro,
calcio y magnesio, como se visualiza
en las Figuras 9-11, tienen tendencias
muy parecidas a los análisis gravimé-
tricos ya que estos cationes pueden
haber estado en forma de óxido. Se
puede explicar que el hierro como
óxido se presenta en forma de polvo
y se puede desprender con facilidad.
En el caso del sodio y del potasio
solo se realizaron análisis espectrofo-
tométricos, ambos valores se mantie-
nen en su mayoría constantes, como
se observa en las Figuras 12 y 13. Los
cationes se pudieron haber encon-
trado en forma de óxidos o cloruros,
los cuales tienen bastante afinidad
con el agua.
CONCLUSIÓN
Las condiciones climáticas a las que
se vieron expuestas las muestras de
hormigón armado y hormigón simple
tienen una incidencia directa en el
deterioro de estas.
De los resultados obtenidos se ob-
serva que sí hay un impacto en los
análisis, ya que los factores climáti-
cos llegaron a producir cambios en
la composición química.
Se identificaron las afectaciones que
sufrieron tanto el hormigón simple
como el hormigón armado por me -
dio del uso de una cámara de simu-
lación climática que brindó resulta-
dos cercanos a la realidad. Entre los
cambios más importantes es preciso
mencionar el aumento y disminución
del porcentaje de humedad con va-
lores que variaron entre 2,17 % y
3,37 %, para el hormigón simple y
1,21 % y 2,32 % en el caso del hor-
migón armado. El desplazamiento
del equilibrio carbonato-bicarbo-
nato. Y el aumento de óxido de hierro
con valores entre 2,26 % a 7,23 % en
las muestras de hormigón armado en
comparación con el hormigón simple
con variaciones de 0,89 % a 5,48 %.
Por medio de los análisis gravimétri-
cos, volumétricos y espectrofotomé-
tricos se pudo determinar que el
envejecimiento del hormigón simple
varió de una manera imperceptible
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en la mayoría de parámetros analiza-
dos con respecto al hormigón ar-
mado. El análisis que más variación
tuvo fue el del óxido de hierro debido
a la presencia de un refuerzo de hie-
rro en el hormigón armado.
Se logró comparar el comporta-
miento de ambos hormigones, para
esto se observó que el hormigón sim-
ple sufre menos variaciones en su
composición química a medida que
pasan los años. Con los valores expe-
rimentales obtenidos en las muestras
de hormigón simple se pudo observar
que, en la mayoría de los análisis, se
reportaron porcentajes menores en
comparación al hormigón armado.
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