Patología causada por el agua en estado sólido (I) Heladicidad

Ya hemos visto en los artículos anteriores cómo se produce la transformación del agua líquida en hielo. Sobre dicho suceso adelantábamos que ocurren dos fenómenos: la disminución de la densidad y el aumento de volumen o expansividad. Este último puede ser el origen de procesos patológicos que veremos en esta entrada sobre la heladicidad.

Cuando el agua se encuentra en estado líquido o gaseoso puede penetrar con facilidad en el sistema poroso de los materiales. Detengámonos un momento a repasar los conceptos de porosidad. La porosidad es una relación porcentual entre la masa de un material, en condiciones ambientales de laboratorio, comparada con la masa tras sumergirlo en agua; teniendo en cuenta que la densidad del agua es aproximadamente 1 Kg/litro.

Mientras mayor sea su porosidad, mayor volumen-peso de agua se introducirá en los poros del material. Otros ensayos, como la porosimetría por inyección de mercurio, nos suministran datos sobre la estructura porosa del material, ya que la capacidad de penetración depende de dicha estructura. Existen sistemas de poro cerrado, otros que solo muestran ciertos poros abiertos al exterior y otros con poros abiertos y conectados entre sí. El tamaño del poro también nos aporta datos sobre qué sustancias serán capaces de penetrar en función del tamaño de sus moléculas.

Una vez que penetra el agua líquida, o en forma de vapor de agua, si las condiciones ambientales son adversas, puede producirse su paso al estado sólido o congelación, con el consiguiente aumento del volumen. Si bien se estima que la dilatación que sufre el hielo con respecto al agua es de un 9% veremos que no es tan fácil calcular cuándo, este aumento de volumen, puede producir un daño.

patologias causadas por el agua en estado solido diagram de fase del hieloEl hielo en un material alotrópico. La alotropía es la propiedad que poseen algunos elementos químicos de formarse en estructuras químicas diferentes. Hay que tener en cuenta que hablamos de “estructura”, pues es la ordenación atómica lo que se modifica, y no su composición. De este modo, si tomásemos un recipiente de cristal, lo llenásemos completamente de agua y lo introdujéramos en un congelador, al cabo de unas pocas horas veríamos que la presión de la formación de hielo habría roto el cristal.

Si en cambio, el mismo recipiente fuese de un material lo suficientemente resistente e indeformable, no se rompería, pero se seguiría formado el hielo en su interior. Lo que se modificaría sería la estructura del hielo, de la que se conocen 12 estructuras cristalinas diferentes que van desde la I a la XII, y donde el tipo I es el habitual. También podríamos haber previsto un espacio con aire en el recipiente de cristal. En este caso, el aire se comprimiría permitiendo la expansión del hielo. En la imagen se muestra el diagrama de fase del hielo que relaciona temperatura, presión y volumen con las fases cristalinas del hielo.

No existe un valor estandar de la presión que ejerce el hielo. Depende de factores como presión (incluida la atmosférica), elementos que impidan la expansión, velocidad de regresión de la temperatura, zonas de contacto con elementos transmisores, etc. Además, el hielo no se forma de una manera uniforme.

Realmente es complicado conocer la fuerza de expansión del hielo por la cantidad de factores de influencia. Uno de los métodos para determinarla se fundamenta en el “módulo de compresibilidad”. Este se basa en determinar la fuerza necesaria que necesitaríamos aplicar a un volumen de hielo para reducir su volumen al inicial ocupado por el agua. Este valor superaría los 780 N/mm2, como vemos, un valor muy alto. He encontrado otros valores que oscilan entre los 75 y 200 N/mm2. En cualquier caso, como hemos señalado, son múltiples los valores de influencia, y por lo tanto, también los valores de presión.

Quizás, el factor que más nos importa en construcción es determinar si el agua que se va a congelar tiene, o no, un espacio que permita la expansión. Si una tubería quedara expuesta a temperaturas muy bajas y completamente llena de agua se produciría la rotura de la misma. Si se trata de un material poroso, al que puede acceder el agua en forma líquida, también tendrá una vía de escape para la expansión.

La forma común de determinar si podemos sufrir daños en un material por el proceso de congelación del agua viene determinada por los ensayos de heladicidad o ciclos de hielo-deshielo. Estos ensayos someten las piezas a ciclos de congelación-descongelación con diversos métodos y número de ciclos, valorando posteriormente los daños que puedan producirse.

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Las normas UNE que regulan estos ensayos son:

UNE 67048:1988 Bloques cerámicos de arcilla cocida. Ensayo de heladicidad.

UNE-EN 12371:2011 Métodos de ensayo para piedra natural.

UNE-EN ISO 10545-12:1997 Baldosas cerámicas. Parte 12: Determinación de la resistencia a la helada.

UNE-EN 539-2:2007/AC:2009 Tejas de arcilla cocida para colocación discontinua. Determinación de las características físicas. Parte 2: Ensayo de resistencia a la helada.

UNE-EN 1239:2011 Adhesivos. Estabilidad congelación-descongelación.

UNE-EN 12091:1997 Productos aislantes térmicos para aplicaciones en la edificación. Determinación de la resistencia a ciclos de congelación y descongelación.

UNE-EN 1328:1996 Tableros de partículas aglomeradas con cemento. Determinación de la resistencia a la congelación.

UNE-EN 15304:2011 Determinación de la resistencia a los ciclos hielo-deshielo del hormigón celular curado en autoclave.

UNE-CEN/TS 12390-9:2008 EX Ensayos de hormigón endurecido. Parte 9: Resistencia al hielo-deshielo. Pérdida de masa superficial.

UNE-EN 1367-1:2008 Ensayos para determinar las propiedades térmicas y de alteración de los áridos. Parte 1: Determinación de la resistencia a ciclos de hielo y deshielo.

UNE-EN 1367-6:2009 Ensayos para determinar las propiedades térmicas y de alteración de los áridos. Parte 6: Determinación de la resistencia a ciclos de hielo y deshielo en presencia de sal (NaCl).

UNE-EN 772-18:2011 Métodos de ensayo de piezas para fábrica de albañilería. Parte 18: Determinación de la resistencia al hielo-deshielo de las piezas silicocalcáreas para fábrica de albañilería.

UNE-EN 12697-41:2006 Mezclas bituminosas. Métodos de ensayo para mezcla bituminosa en caliente. Parte 41: Resistencia a los fluidos de deshielo.

UNE-EN 14617-5:2012 Piedra aglomerada. Métodos de ensayo. Parte 5: Determinación de la resistencia al hielo y al deshielo.

UNE-EN 13687-1:2002 Productos y sistemas para la protección y reparación de estructuras de hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de la compatibilidad térmica. Parte 1: Ciclos de hielo-deshielo con inmersión en sales de deshielo.

UNE-EN 13687-3:2002 Productos y sistemas para la protección y reparación de estructuras de hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de la compatibilidad térmica. Parte 3: Ciclos térmicos sin inmersión en sales de deshielo.

UNE-EN 13581:2003 Productos y sistemas para la protección y reparación de estructuras de hormigón. Métodos de ensayo. Determinación de la pérdida de masa de un hormigón impregnado hidrofóbicamente después del ensayo de hielo-deshielo con inmersión en sales.

UNE-EN 13746:2006 Superficies deportivas. Determinación de los cambios dimensionales debidos al efecto de condiciones variadas de agua, hielo y calor.

UNE 400902:2009 Productos cerámicos decorativos. Elementos para jardinería elaborados en arcilla cocida no esmaltada. Ensayo de heladicidad.

UNE-EN 14297:2006 Chimeneas. Método de ensayo para la determinación de la resistencia al hielo-deshielo de los productos de chimenea.

UNE 304101:2011 Ensayo de heladicidad de macetas esmaltadas.

Conocer cómo se comportará un material en una zona donde se prevean ciclos de hielo-deshielo es fundamental para determinar su durabilidad. No debemos infravalorar los pequeños daños superficiales, ya que se destruyen las características originales de la superficie y esto puede ser originen de otros procesos patológicos no deseables, como el ingreso de sales.

Podemos clasificar los daños causados por el hielo como mecánicos, ya que se originan por la fuerza de presión que se ejerce sobre las superficies de contacto.

Imagen incrustada obtenida en: http://www.cec.uchile.cl

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