Son varios los mecanismos que pueden afectar al hormigón durante los ciclos hielo- deshielo, pero ninguno de ellos puede explicar totalmente el daño por este fenómeno en los hormigones. Las hipótesis principales para explicar los daños de la congelación del hormigón se basan principalmente en que el agua al helarse experimenta un incremento de volumen de un 9%, y al no existir espacio libre para absorber la expansión, ésta genera unas tensiones de tracción en las paredes de la red capilar que puede llegar a fisurar y romper el material. Según esto, únicamente el hormigón con un grado de saturación superior al 91,7% sufriría el efecto de la helada, aunque también puede verse afectado el hormigón con un grado de saturación por encima del 80% [Alaejos, 2003]. Esta es la teoría más citada en la bibliografía para explicar el deterioro de la pasta de cemento y consecuentemente del hormigón [Cánovas, 2007; Popovics, 1998; Ronning, 2001; Mindess, 2003; Valenza & Scherer, 2007].
2.2.1 Presión hidráulica
El agua en los poros capilares de hormigón está sometida a una presión que es tanto mayor cuanto menor es el diámetro de éstos y por tanto también se reduce el punto de congelación. Como consecuencia, el agua de los poros de mayor diámetro se hiela antes que la de los poros más finos, con lo cual los cristales de hielo que se han formado en los primeros impiden la expansión del agua al helarse en los más finos, dando lugar a la creación de una presión hidráulica sobre las paredes de los poros que puede llegar a fisurar el hormigón [Cánovas, 2007].
Figura 2.6 El principio de la presión hidráulica [Rostam, 1989].
Sin embargo, [Powers, 1975] dedujo que el hormigón siempre contiene suficiente espacio de aire para incluir el hielo formado dentro de un hormigón totalmente saturado. Propuso la teoría que el aumento de volumen del agua del 9% durante la congelación en el hormigón saturado hace que el agua emigre a una región menos saturada. La
resistencia viscosa a este flujo, a consecuencia de la baja porosidad del hormigón, produce presiones hidráulicas. La magnitud de esta presión depende del ratio de la congelación, el grado de saturación, el coeficiente de permeabilidad de la pasta y la longitud de la red capilar de la región saturada a una región no saturada. Si esta presión supera la resistencia del hormigón en un punto, la acción de congelación produce las fisuras. Sin embargo, si el agua fuera capaz de emigrar a un hueco de aire, el hielo se formaría en aquel hueco, y la presión hidráulica desaparecería, como se muestra en la Figura 2.6. También Powers concluyó que su teoría no funcionaba para el hormigón de alta calidad.
[Jacobsen, 1999] indicó que la reducción de la permeabilidad del hormigón por la disminución de la relación a/c exige el aumento del aire ocluido en el hormigón sometido a la acción del hielo. No demostró la relación entre la presión hidráulica y la permeabilidad. Sin embargo, la conclusión final era que había mucho menos hielo presente en el hormigón de baja relación a/c.
En cualquier caso, la reducción de la relación a/c también aumentará la compresión y, hasta cierto punto, la resistencia a tracción mejorando la capacidad de la estructura material para resistir a la presión hidráulica.
La presión entre el hielo y las paredes de los poros, puede llegar a 8-10 MPa [Lindmark, 1998]. Este valor es superior a la resistencia a tracción del hormigón, debiendo tratarse este fenómeno desde el punto de vista de la mecánica de la fractura, un acercamiento que todavía no ha sido totalmente explorado [Ronning, 2001].
2.2.2 Presión osmótica
La teoría de la presión osmótica como un mecanismo de deterioro fue sugerido y discutido por Powers [Powers, 1975 y Litvan, 1976] como una explicación del crecimiento del hielo a temperatura constante por debajo de 0°C. Esta presión es la que impele a las moléculas de agua desde los poros no helados hacia las cavidades heladas; el proceso se debe a que el agua contenida en los poros del hormigón está en forma de solución alcalina, con lo cual, hasta que no se alcanza el punto de congelación, no tiene lugar la formación de hielo (Figura 2.7). En la porción de agua no helada aumenta la concentración en sales disueltas. Algunos autores señalan a la presión osmática como la causa más importante en el daño del hormigón por efecto del hielo [Neville, 1999].
Figura 2.7 El mecanismo de Presión osmótica [Pigeon, 1995].
Aunque [Litvan, 1976] contradice la posibilidad de que se originen efectos osmóticos dentro del hormigón; afirmó que la primera congelación a 0ºC y la formación de hielo se produce solamente en el agua pura. La segunda congelación ocurre aproximadamente a -22°C, lo que se atribuyó a la congelación del resto de la solución. Esta afirmación confirma que durante el período de refrigeración, los poros o las paredes de poros pueden contener una solución con alta concentración de sal causando este deterioro. En las losas de hormigón, además de los efectos directos del hielo, aparece el problema del uso de las sales fundentes para la descongelación. El proceso repetitivo del uso de las sales junto con los ciclos hielo-deshielo conduce a descascarillados y deterioros superficiales. Se produce un grave deterioro en el hormigón incluso con baja concentración de sal, entre el 2-4% originándose ataques de origen físicos [Verbeck & Helmuth, 1968].
[Ronning, 2001] realizó una investigación para explicar este fenómeno, utilizando muestras de hormigón almacenadas en agua con diferentes concentraciones de sal antes del ensayo de hielo-deshielo. Según muestra la Figura 2.8, se concluyó que el daño dependía de la concentración de sal exterior, pero que la existencia de cloruros en el agua de los poros reducía el daño cuando se realizaba el ensayo de hielo-deshielo con una concentración del 3% de sal. Además, se señaló que el daño no está relacionado con la presión osmótica, ya sea producido internamente o superficial.
Figura 2.8 Investigación osmótica de los efectos de las muestras pre-almacenadas con diferentes concentraciones de sal (NaCl) antes de la prueba de descascarillamiento [Ronning, 2001].
2.2.3 El efecto de superrefrigeración
La diferencia del aumento de la congelación del agua entre los poros capilares grandes y los poros de gel más pequeños produce como efecto adicional la superrefrigeración del agua en estos últimos. El agua congelada en los capilares más grandes está en estado de baja energía, mientras que el agua en los poros de gel está en estado de alta energía, es decir, el equilibrio termodinámico es inestable. Para responder a este desequilibrio el agua superrefrigerada emigra hacia la zona congelada, añadiendo este efecto a la presión osmótica [Boyd & Skally, 2007].
2.2.4 Resumen del mecanismo del hielodeshielo
A continuación se resume de forma esquemática el mecanismo de deterioro originado por el hielo-deshielo:
• Cuando el agua se congela en los poros aumenta su volumen un 9%, desarrollando tensiones que pueden producir la fractura del hormigón.
• El agua se dirige hacia los canales capilares, donde la temperatura de congelación es más baja que en los poros, originando una presión hidráulica que puede fracturar el hormigón.
• El agua se congela primero en los poros de mayor diámetro. En los poros de gel, en cambio, la temperatura de congelación puede ser del orden de -60°C [Calavera, 1996].