La corrosión del concreto en edificaciones históricas
Una evaluación de la condición de corrosión de una estructura de concreto identifica las condiciones que afectan el comportamiento a largo plazo del desempeño del concreto dentro de su entorno y a lo largo del tiempo. El objetivo es crear un modelo útil para determinar cuándo la estructura va a alcanzar un estado crítico de deterioro y cuándo va a necesitar reparaciones. El análisis también permite a los propietarios planificar la extensión de la vida útil y la obsolescencia, si es necesario. En edificios históricos de concreto, la vida de diseño prevista y la vida de servicio deseada suelen estar separadas por muchos años. En los Estados Unidos es usual considerar que un edificio es histórico cuando tiene 50 años o más de antigüedad, y no es raro que sigan funcionando mucho más allá de los años de servicio que tenían previstos. El análisis detallado de la condición de corrosión es una línea importante en el proceso de evaluación del envejecimiento del concreto. La evaluación identifica los factores de deterioro, incluidos los daños físicos, químicos, estructurales, mecánicos y electroquímicos, para incorporar todo esto dentro de una matriz de riesgo.
Este enfoque holístico de la encuesta –es decir, que asume la totalidad del sistema atendiendo también a cada una de sus partes– es multifacético y tiene una visión a largo plazo en el desempeño de la estructura. El análisis final incluye el uso de modelos de durabilidad para comprender el comportamiento futuro, los marcos de tiempo proyectados para alcanzar estados límite y cuándo mostrará la estructura un incremento en su deterioro. Este enfoque metodológico permite a los propietarios tomar decisiones informadas acerca de la mejor opción de reparación para prolongar la vida de los edificios. Para ilustrar los resultados de recientes modelos de evaluación de la condición de corrosión y durabilidad utilizamos cuatro estudios de caso. Cada estructura evaluada tiene su propia relevancia en la historia de la arquitectura en los Estados Unidos, pues en cada una se utilizó un sistema diferente de construcción y fue diseñada por prominentes arquitectos americanos.
Preservar el concreto
Los retos particulares frente a edificios emblemáticos incluyen restricciones de referencia como reducir al máximo las intervenciones, preservar la construcción histórica, la reversibilidad y reemplezar con materiales del mismo tipo a los originales. Este principio de la intervención mínima es frecuente en toda la comunidad de conservación que está en desacuerdo con la industria general de reparación de concreto. Los profesionales de la industria enfrentan un desafío cuando tratan obras referentes de concreto ya que las reparaciones no siguen una filosofia de conservación.
El concreto arquitectónico en el movimiento moderno abarca desde estructuras individuales hasta ciudades planificadas. El diseño, el método de construcción, los materiales utilizados y los estándares de mano de obra empleados en la creación de una estructura de concreto variarán enormemente según su fecha de construcción. Todos estos factores afectarán la durabilidad de la estructura. Además, la ubicación y el clima juegan un papel importante en el deterioro y la posterior reparación. La naturaleza efímera de la estructura y los vínculos invisibles entre el material, la fabricación, la integridad y la estructura tendrán que ser considerados en la reparación.
Los métodos actuales de “reaparación tradicional” contrarrestan generalmente los estándares de conservación. Así, es demasiado frecuente considerar las estructuras de concreto "históricas" como poco importantes y desechables. Los requisitos para acometer intervenciones que pueden ser invasivas y para preservar la integridad de la estructura crean intrincados desafíos físicos y filosóficos. Deben tenerse en cuenta el equilibrio de la conservación, la autenticidad de la construcción original, el cumplimiento de los códigos y la minimización del deterioro. El objetivo final de una intervención debe ser preservar la estructura para las futuras generaciones y al mismo tiempo reducir el impacto sin comprometer la seguridad de los usuarios y la estabilidad de la estructura. Sin duda, el efecto más perjudicial en el concreto es la corrosión del acero de refuerzo. No se trata de preguntar si la estructura va a sufrir corrosión, sino cuándo va a corroerse.
Evaluaciones de la condición de corrosión
El proceso de evaluación de la corrosión para estructuras históricas y emblemáticas debe adoptar los principios establecidos en las guías de patrimonio colonial o de cualquier organismo oficial de conservación en el país respectivo. Aunque las prácticas estándar descritas por el ACI, por la Asociación para la Prevención de la Corrosión y por otras entidades suministran una base de referencia para las encuestas, no abordan la sensibilidad necesaria para evaluar el concreto histórico.
“El proceso de corrosión para las estructuras de concreto reforzadas con acero puede simplificarse en un proceso de dos etapas, la ‘fase de iniciación’ y la ‘fase de propagación’. Por definición, la fase de iniciación es el tiempo necesario para que las condiciones conduzcan a la corrosión y la fase de propagación es el período en que la corrosión se extiende hacia la armadura de acero y conduce finalmente a la formación de manchas de óxido, fisuración y desprendimiento del recubrimiento” (British Research Establishment, BRE).
Determinando las condiciones del edificio antes de una pérdida significativa de material, el equipo de arquitectura e ingeniería (A/E) puede determinar la causa del problema, los mecanismos de la falla, el tiempo que transcurre hasta cuando se produzca la falla, y un enfoque proactivo de conservación frente a una reparación reactiva. Al abordar la estructura debe considerarse toda la patología, así como la historia de los materiales de construcción, la comprensión de los materiales de construcción de las estructuras particulares, el tipo de construcción, las condiciones actuales, y los mecanismos de deterioro.
En una estructura histórica la recopilación de información puede tener limitaciones. Muchas veces se restringen la extracción de núcleos de concreto o la cantidad de penetraciones que es posible hacer al acero de refuerzo. Esto constituye un desafío complejo para determinar las condiciones actuales de la estructura. Por lo tanto, mientras el equipo es capaz de recopilar datos del sitio, los modelos de degradación permiten pronosticar cuándo deben hacerse las intervenciones. Antes de elegir una opción de reparación, las mejores prácticas dictaminan que deben analizarse todos los factores de deterioro y la condición actual.
Modelos de deterioro
Los modelos utilizados para determinar el desempeño del concreto se basan en los “Modelos de vida residual para la reparación de concreto” del BRE. A lo largo del proceso de evaluación se utilizaron la penetración de cloruro y la difusión de carbonatación cuando se aplicó a la estructura, y en todos los casos se utilizaron modelos de iniciación de fisuración. Se evaluó cada estructura con una matriz de riesgo personalizada basada en ciertos límites. Se analizaron críticamente los límites que producían la corrosión con base en la pérdida de las propiedades del material como punto crítico y primordial en el proceso de evaluación.
Modelos de difusión de carbonatación
Cuando la investigación indicó que la carbonatación aún no había alcanzado la profundidad del acero de refuerzo, se realizaron modelos de difusión de carbonatación. Los modelos se utilizaron para determinar el plazo en el que la carbonatación alcanzaría al acero y el concreto que estuvieran aún en buen estado. Como la carbonatación también aparece a lo largo de las fisuras, el modelo no era aplicable a los puntos en los que se presentaban fisuras.
Perfiles de cloruro y modelos de penetración de cloruro
Un modelo para predecir la entrada de cloruro al concreto, tiene como objetivo predecir el perfil de cloruro después de cierto tiempo de exposición, o por lo menos del contenido de cloruro a la profundidad del refuerzo. La salida tiende a ser comparada con un nivel límite de cloruro que es relevante para la corrosión del acero de refuerzo. El modelo asume los parámetros que mueven la iniciación de la corrosión a la propagación el acero. Las cuatro estructuras presentadas no muestan un riesgo evidente de ataque de cloruro en la superficie, pero permitieron al equipo determinar que estaban contaminadas. Los perfiles de cloruro se extrajeron de profundidades específicas dentro de los núcleos de concreto y se compararon con la profundidad del acero de refuerzo. Si los perfiles siguen patrones de difusión típicos, podría predecirse el plazo en que alcanzarán el límite de cloruro en el acero de refuerzo.
Modelos de iniciación de fisuración
Los modelos de iniciación de fisuras, o modelos de "tiempo hasta la fisuración", suponen que la corrosión se ha iniciado y la estructura se ha empezado a deteriorar. Los modelos proporcionan un marco de tiempo para las fallas de microagrietamiento. Se utiliza la velocidad de corrosión real, después se genera la velocidad de pérdida de sección del acero y posteriormente el tiempo hasta la fisuración. El modelo supone una resistencia consistente y normal del concreto sin recubrimiento, vacíos, o relleno poroso o débil. Este modelo se ocupa únicamente de configurar el efecto de la fisuración relacionada con la corrosión en la estructura después de iniciada la corrosión.
Matriz de riesgo
La matriz de riesgo incluyó los resultados del potencial de semi-célula, la velocidad de corrosión, la resistividad eléctrica, la profundidad del recubrimiento, la profundidad de carbonatación y el porcentaje de cloruro por peso de cemento en relación con la profundidad del refuerzo. Los resultados de la semi-célula se abordaron en relación con la ASTM C876 y también se evaluaron las lecturas adyacentes. Las propiedades adicionales del material influyente determinado mediante un análisis de laboratorio dieron soporte a las condiciones del concreto. La categorización de los datos se correlacionó entre riesgos de corrosión altos, moderados, bajos y despreciables. La matriz proporciona una suma completa de todas las condiciones que ponen a la estructura en riesgo de deterioro. El objetivo general de la evaluación es determinar cómo se está desempeñando la estructura, cuáles son las principales influencias y modos de deterioro, cuál es la condición actual, cómo seguirá funcionando la estructura en base a estas condiciones y, finalmente, cuáles son las opciones disponibles de reparación.
New York Dock
Evaluacion de las condiciones
Los edificios se construyeron hace 106 años y se mantuvieron en servicio durante la mayor parte de ese lapso de tiempo. El estudio de la corrosión se concentró en las losas de piso y cubierta para construir una piscina en la azotea, con la capacidad de carga para el cambio de uso y donde la falta de impermeabilización había acumulado humedad en las losas.
A la intemperie desde la década de 1990 y expuesta frente al mar, hacía mucho tiempo había comenzado la corrosión en la fachada del edificio. Mientras que el agua se había acumulado en las losas del piso y la fachada exterior tenía pérdidas visibles, la mayor parte de la estructura interna estaba en condiciones apenas justas para ser un ejemplo tan antiguo de construcción en concreto.
Aproximadamente el 5% del área superficial se analizó en profundidad para determinar la velocidad y el potencial de corrosión, y la resistividad. Los datos obtenidos en los puntos de ensayo seleccionados revelaron que el 40% del área estaba en alto riesgo de corrosión, basados en la ASTM C876, y que el 32% de los datos de velocidad de corrosión estaban en un rango medio (28%) y uno alto (5%).
El programa de evaluación indicó que la corrosión inducida por carbonatación era la causa de las condiciones de corrosión de la estructura. Todos los núcleos y los ensayos in situ indicaron que la penetración de la carbonatación superaba la profundidad del acero y estaba ocurriendo desde la base de las losas hacia arriba, y de arriba hacia abajo. Los cloruros se identificaron en todas las muestras de laboratorio ensayadas, a niveles muy bajos; indicativos de cloruros fundidos.
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| New York Dock. Obsérvense las finas láminas de poliestireno resistentes a la intemperie, el agua estancada y la formación de crecimiento de plantas en losa saturada. |
Los datos recogidos bajo principios holísticos sugirieron que toda la estructura tenía riesgo de corrosión, incluyendo áreas donde había poca saturación y baja actividad corrosiva. Todas las losas y la cubierta mostraban variedad de condiciones y tasas de corrosión. La malla de todas las losas ensayadas quedó dentro de la zona carbonatada del concreto. Por lo tanto, sería imperativo mantener seca la estructura en todo momento para disminuir el riesgo de corrosión. Se encontró que la fachada del edificio estaba en las últimas etapas del proceso de deterioro por corrosión, por lo cual hubo que emprender reparaciones extensas, pues si el edificio se dejaba abandonado, el costo de la reparación aumentaría exponencialmente en 15 años. Los modelos de deterioro indicaron que el daño continuaría si no se realizaba reparación alguna a corto plazo. En las losas, elementos menos deteriorados, se encontró que tuvieron entre 10 y 15 años antes de que se produjeran los primeros daños significativos.
Las áreas más bajas de corrosión halladas estuvieron en el nivel de la cubierta, donde se instalaría la piscina. Se recomendó que esta condición de diseño no introdujera cloruros en el concreto existente, lo que aumentaría la matriz de riesgo. Sobre la base de la actividad de corrosión y del frente de carbonatación visto en la cubierta y en el sexto piso (que soportaría la piscina) se recomendó al equipo de diseño hacer esfuerzos por aislar el concreto existente de la base de la piscina y de los elementos portantes. No se consideró efectuar reparaciones electroquímicas dentro de la restauración total debido a la falta de continuidad entre las barras y la variación en la cubierta de concreto.
Museo Solomon R. Guggenheim
Dado que nunca se había construido una estructura de concreto curvada y lisa de tal complejidad, se enfrentaron retos durante todo el proceso de construcción. El edificio cuenta con una rampa espiral que da seis vueltas con pendiente aproximada de 3 %, rigidizada por mallas exteriores a intervalos de 30°, y una rotonda interior cubierta por una cúpula de cristal. En todas partes se utilizó concreto armado, con un agregado de peso liviano para la superestructura.
El concreto reforzado fue diseñado para impedir el agrietamiento de todo el concreto arquitectónico. Se omitieron las juntas de expansión para asegurar una superficie lisa. Se utilizaron tres tipos de mezcla: concreto ligero de pizarra expandible en la rampa y los pisos, concreto de piedra en las paredes interiores, y las paredes exteriores son muros de concreto lanzado de 12,7 cm de espesor, proyectado contra formaletas curvas de madera contrachapada.
Evaluación de condición
La evaluación de la condición de corrosión tuvo tres fases diferentes: una revisión de informes anteriores relacionados con la corrosión, una evaluación de la corrosión en dos niveles, y un ensayo de polarización para determinar la eficacia de la protección catódica de corriente impresa.
Antes del estudio de corrosión, se había realizado una evaluación exhaustiva de las condiciones de daño de la estructura. La fachada original (y las capas subsiguientes) que normalmente adornaban el exterior habían sido retiradas para hacer investigaciones adicionales de los materiales, documentación y registro de condiciones. Se perforaron agujeros de prueba para verificar los detalles de la construcción, y las paredes interiores fueron despojadas de todas las superficies construidas.
La revisión de documentos, las pruebas in situ y la verificación visual de las condiciones revelaron que la carbonatación se había difundido entre 1 y 6 mm en la superficie del concreto en buen estado desde el exterior, y hasta 17 mm desde la cara interior de la pared de concreto lanzado. La corrosión se documentó a lo largo de las fisuras paralelas al acero de refuerzo, que se remonta a 1989, treinta años después de terminado el edificio. Los informes visuales hasta el 2006 confirmaron una actividad mínima de corrosión entre las fisuras y el acero de refuerzo.
Un análisis minucioso de semi-célula y mapeo de gradientes potenciales dio un apoyo visual de la actividad corrosiva. La evaluación de la corrosión indicó que el 4% de la superficie ensayada exhibía tasas superiores a 2,2 micras por año. Aunque esto se considera entre bajo y moderado para la mayoría de las estructuras, las tasas de 4 micras por año, combinadas con detalles específicos del sitio, indicaron un deterioro continuo en diez años. Este nivel de degradación es significativo teniendo en cuenta las exigencias del cliente para un edificio de uso continuo en un futuro indefinido.
En resumen, la campaña de restauración buscó aumentar el desempeño general de la fachada del edificio, mejorar la cobertura de los techos y protegerlo contra la intemperie, reforzar estructuralmente las paredes de la rotonda, reducir la humedad de las paredes exteriores, revestir el edificio entero y formarse una idea del desempeño a largo plazo de la estructura.
Como resultado, se instaló un sistema de monitoreo de corrosión a largo plazo para comprender mejor el desempeño de la estructura. Se produjeron fluctuaciones en la actividad, especialmente con cambios estacionales, y en tasas de moderadas a bajas. Se observó que la humedad dentro de las paredes de concreto lanzado variaba dramáticamente a lo largo del año, pero que, en general, disminuyó desde cuando se completó la restauración.
Conclusiones
Las evaluaciones de la corrosión del concreto en íconos históricos pueden tener factores desafiantes que se establecen antes de determinar los protocolos de la indagación. El concreto es muy económico y fácil de producir, las razones para retener todo el material posible durante la investigación y la posterior reparación deben guardar el equilibrio entre la seguridad y la comprensión de las condiciones de los materiales. Establecer el comportamiento de la corrosión puede ayudar a entender la condición, el deterioro y la degradación futura de una estructura. Es imprescindible conocer esa condición antes de tomar decisiones de reparación que pueden tener consecuencias prolongadas.
La comprensión de las condiciones y el desarrollo de modelos de degradación ayudaron, a su vez, a definir la urgencia y los niveles de intervención necesarios para las restauraciones. Los análisis de corrosión y las recomendaciones posteriores mostraron al equipo no sólo opciones convencionales de reparación sino la evaluación de un tratamiento electroquímico para cada estructura. En todos los casos deben considerarse las intervenciones que retrasen la degradación del material histórico sin alterar el concreto existente, reduciendo así la pérdida del patrimonio cultural.
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