Carbonatación a fondo (2) Proceso y factores

Seguimos con el monográfico: carbonatación a fondo. En este artículo trataremos el proceso de carbonatación y los factores de influencia.

Ya hemos visto que la carbonatación se produce por el ingreso del CO2 al interior de la masa del hormigón, y lo hace por el único sitio posible: donde no hay materia que se lo impida. Al ser un gas no necesita de poros o fisuras de gran tamaño pero no solo depende del tamaño de los poros como veremos en este artículo.

Por tratarse de un proceso invasivo hablamos de frente de carbonatación pues la interfase entre hormigón carbonatado y no carbonatado crea habitualmente un plano más o menos paralelo a la superficie en hormigones homogéneos. Como ya comentamos en la anterior entrada, el proceso por el que el CO2 penetra al hormigón se denomina difusión y se rige por la la ley de Fick, directamente relacionada con el segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica. Al existir una alta concentración de CO2 exterior en comparación con el interior del hormigón, este lo invadirá en busca de un equilibrio, como lo haría la temperatura, siendo el proceso inverso imposible de modo natural, es decir, es irreversible. La ley de Fick señala que a mayor gradiente se acelera la difusión. Por ello, mayor concentración de CO2 también tendremos mayor velocidad de carbonatación. Para hacernos una idea de las diferencias de concentración de CO2 según donde nos encontremos, en un ambiente urbano puede encontrarse 10 veces más CO2 que en uno rural, donde podemos estar entorno al 0,03%. Pero, ojo, los científicos alertan que las concentraciones medias de CO2 en la atmosfera están alcanzado valores tan altos que solo se dieron hace tres millones años, en una atmosfera muy distinta a la que hoy disfrutamos. En lugares mal ventilados con alta presencia humana, animal o industrial se pueden disparar los valores de CO2.

Ya tenemos dos factores de afección en el proceso de carbonatación: la porosidad del material (que se expone al final de este artículo) y el grado de concentración de CO2, pero no son los únicos.

Carbonatación a fondo (2) Proceso y factores

Imagen SEM del gel de sílice incluyendo agujas de etringita.

La humedad es otro factor vital, y no solo en el exterior. Un hormigón saturado de agua no permite la entrada del CO2 y por lo tanto no se carbonatará. El motivo queda recogido en nuestro monográfico sobre las propiedades del agua: En un poro saturado el agua está adherida eléctricamente a las paredes y el gas no es capaz de vencer esa fuerza por lo que no penetrará. Pero con la humedad exterior es distinto.

Si construyésemos una estructura en el desierto de Atacama no tendríamos que preocuparnos por la carbonatación, ya que esta jamás se produciría. El motivo es muy sencillo. En las fórmulas de reacción que muestran los procesos de carbonatación hay un elemento necesario para producir dicha reacción: el agua. Si no hay agua (humedad) el hidróxido de calcio no se diluye y por lo tanto no hay carbonatación posible. No solo la humedad juega en nuestra contra por la disolución del hidróxido cálcico, sino que existe otra reacción favorecedora de la creación de carbonato de calcio por colaboración del CO2 con el agua:

CO2 + H2O → CO3H2 (ácido carbónico)

CO3H2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2H2O (Es decir, más carbonato de calcio hidratado)

En la fase acuosa también se va a generar un descenso del PH por formación de carbonato de calcio. Es una batalla entre elementos químicos, y como tal, aquí cuenta en alto grado el número de tropas. A mayor CO2 y menor reserva alcalina, más avance del frente de carbonatación. A mayor reserva alcalina, mayor resistencia al avance de la carbonatación. Con menor porosidad más abrupto le resulta el terreno al invasor. Pero en esta batalla las bajas también cuentan; y es que el carbonato de calcio generado en la carbonatación va a precipitar y solidificarse, de modo que también es un impedimento para que progrese el CO2 al taponar o menguar las vías de invasión (poros) por tratarse de elemento insoluble.

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Así que tenemos un baremo en el que los extremos: clima muy seco y clima saturado, pero ¿qué ocurre en los estados intermedios y cuáles son esos extremos?

Aunque existen diversos estudios con distintos resultados al respecto (depende del tipo de hormigón y sus características finales) parece existir cierto consenso en los valores: entre el 40-50% y 75-80% de humedad relativa se encuentran los valores más altos y crecientes de favorecimiento, que posteriormente decrecen hasta llegar al grado de saturación, donde se paraliza.

Como en todos los procesos donde interviene la humedad, la temperatura siempre tiene algo que decir. Volvemos a referirnos a nuestro monográfico sobre el agua para comprender el porqué. Con el incremento de la temperatura las moléculas de agua se vuelven más activas y reaccionan con mayor rapidez con los elementos en contacto. Solo tenemos que cocinar para comprobarlo. Puede decirse pues que el incremento de la temperatura acelera el proceso de carbonatación.

Otro elemento a tener en cuenta en estructuras expuestas es el viento, elemento favorecedor del ingreso de CO2. En las caras perpendiculares a la dirección de los vientos dominantes encontraremos mayor avance del frente de carbonatación.

Respecto a la porosidad

El estudio de la porosidad del hormigón requiere, por su importancia, de un monográfico en el que trabajaremos en su momento. A modo general, podemos dividir los tipos de poros del hormigón en:

Poros de aire incorporado: Muchos de los aditivos utilizados en el hormigón se valen de la inclusión de aire para modificar las propiedades del hormigón durante el amasado, vertido o del hormigón ya fraguado. De este modo se generan poros internos. Puede existir interconexión entre estos poros. Tamaño habitual entre 50 µm y 1 mm.

Poros de aire ocluido: Se generan en le mezclado de la pasta y su tamaño es muy variable. Puede existir interconexión entre estos poros. Tamaño habitual entre 0,5 mm y 1 cm.

Poros capilares: Se producen durante el en el espacio ocupado por el agua que finalmente no son ocupados por el gel. Generalmente existe interconexión entre estos poros, aunque no de forma global. Tamaño habitual entre 0,01 µm y 1 µm.

Poros de gel: Se forman en el gel. No tienen interconexión. Tamaño habitual inferior 0,003 µm.

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Hormigón aditivado para la formación de poros

Por otro lado, hay estudios que proponen que la interfase entre la pasta de cemento y el árido grueso puede ser una zona favorable a la difusión del CO2. Esta sería propicia si los áridos se encuentran en contacto, especialmente por segregación o por tener un porcentaje muy elevado en la mezcla. En este caso actuaría también la porosidad del propio árido cuando es significativa, y más si existe contacto.

No solo el tamaño y porcentaje de poros es de influencia en las características resistentes a la carbonatación. La distribución y la conectividad entre poros son mucho más influyentes que su número. Los poros con conexión crean vías que facilitan el progreso del CO2. Como ya hemos expuesto, que estos poros se encuentren saturados o no de agua los convertirá respectivamente en poros no activos o activos frente a la carbonatación.

Además de la red porosa, las fracturas, fisuras y microfisuras son elementos que ofrecen un fácil aporte directo y por lo tanto carbonatación. No tiene sentido analizar la resistencia frente a la carbonatación de una estructura sin realizar un estudio de patología del hormigón, pues podríamos contar con zonas débiles que no cumplan las expectativas generales. También veremos en otro artículo de este monográfico los consejos para realizar un estudio de carbonatación en una estructura.

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Fotografía cabecera: Autor Gomera b en http://commons.wikimedia.org bajo licencia Creative Commons.
Imágenes incrustadas: Autores Evaducetc y Marco Bernardini respec, en http://commons.wikimedia.org bajo licencia Creative Commons.
Referencias bibliográficas (53) y (54)
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