1. INTRODUCCIÓN

Los problemas de durabilidad en las estructuras de concreto reforzado (ECR) comienzan con la interacción del medio con la superficie de los materiales base cemento portland (^{Cai et al., 2016}; ^{Hou et al., 2015}; ^{Hou et al., 2016}). A corto o mediano plazo, esta interacción provoca el deterioro de las ECR, generando además gastos anuales entre 18 a 21 mil millones de USD en rehabilitaciones o reparaciones debido a la corrosión del acero de refuerzo (^{Barnat-Hunek et al., 2016}; ^{Khaloo et al., 2016}). Más del 50% de estas ECR presentan problemas de deterioro a causa de la alta permeabilidad o baja calidad del concreto (^{Fajardo, et al., 2015}; ^{Rtimi et al., 2016}), que favorece al mecanismo de transporte de agentes agresivos como al dióxido de carbono (CO2), ion cloruro (Cl-) y sulfatos (SO4-2), siendo éstos, la principal causa de deterioro en las ECR (^{Achal et al.,2015}; ^{Trapote-Barreira et al., 2014}). Sin embargo, debemos recordar que las propiedades importantes, tales como la resistencia, la permeabilidad y la durabilidad, están ligadas directamente con la porosidad en el concreto (^{Fajardo et al., 2015}; ^{Hou et al., 2015}; ^{Hou et al., 2016}; ^{Kupwade-patil et al., 2016}). No obstante, la porosidad está condicionada por el tipo y la cantidad de cemento empleado, el nivel de compactación, transporte, el tiempo y tipo de curado, siendo este último una de las etapas principales del sistema constructivo de las ECR, debido a que es de gran ayuda y contribuye en el logro de muchas de sus propiedades, (^{Fajardo et al., 2015}; ^{Zahedi et al., 2015}). El curado es el mecanismo empleado para impulsar la hidratación del cemento; llevando un control de la temperatura y el movimiento de humedad, a partir de la superficie hacia el interior del concreto. El curado se presenta en un periodo donde las ECR generalmente pierden humedad por la evaporación, el sangrado o la hidratación. Durante este periodo, existe una demanda de agua para continuar con la hidratación. El gradiente de humedad que se genera promueve el movimiento de agua hacia el interior, aunado a la absorción que origina la porosidad de la matriz del concreto. Esta técnica no es nueva, pero permite la hidratación, de tal forma que maximiza las propiedades potenciales que se pueden desarrollar en una matriz base cemento portland (^{Kong et al., 2016}; ^{Kupwade-Patil et al., 2016}; ^{Wyrzykowski et al., 2016}). Sin embargo, un proceso inadecuado de curado (o la ausencia) del concreto pueden dar lugar a una porosidad elevada, especialmente en la superficie externa del concreto. Hoy en día existen una gran variedad de productos que aseguran ofrecer una serie de beneficios a la superficie del concreto; desde incremento en las propiedades mecánicas hasta la reducción de la permeabilidad. No obstante, dichos productos, ya sean añadidos durante o después del proceso de curado, no están logrando los beneficios ofrecidos ni las necesidades de la industria de la construcción. En efecto, se han encontrado problemas asociados con una inadecuada aplicación, degradación provocada por la exposición constante a los rayos UV, incompatibilidad química y por tanto pérdida de la adherencia entre éste y el sustrato (^{Lakshmi et al.,2012}; ^{Zhu et al., 2016}; ^{Zhu et al., 2013}). Por lo que, se ha generado una amplia variedad de investigaciones durante las últimas décadas, debido principalmente al impacto económico causado por el problema de durabilidad, donde se han propuesto una variedad de métodos para mejorar las ECR y que estas sean más duraderas. Sin embargo, la estrategia más común adoptada, es retrasar el proceso de degradación del concreto reforzado por la disminución de la porosidad reduciendo la relación de agua/cemento o la adición de nanopartículas (^{Efome et al., 2015}; ^{Franzoni et al., 2014}; ^{Jia et al., 2016}; ^{Pacheco-Torgal et al., 2009}; ^{Pigino et al., 2012}; ^{Pour-Ali et al., 2015}). En estudios previos se han ingresado nanopartículas mediante migración en morteros endurecidos y se comprobó el bloqueo de los poros, provocando una disminución de la permeabilidad (^{Fajardo et al., 2015}; ^{Sánchez et al., 2014}). Otros métodos han sido desarrollados a partir de la introducción de nanopartículas hacia el interior de materiales base cemento portland aplicada a edades tempranas (^{Hou et al. 2015}; ^{Jalal et al. 2012}). Estas técnicas han comprobado los efectos benéficos de la interacción de las nanopartículas con ciertas fases de la matriz de los materiales cementantes. No obstante, presentan desventajas asociadas principalmente a la complejidad de la aplicación en obras o elementos reales. Por lo tanto, en el presente trabajo se estudia la influencia de los movimientos de humedad a partir del curado con agua en materiales base cemento portland convirtiéndolo en un medio propicio para la inducción de las nanopartículas con el objetivo de mejorar las propiedades que incrementen la durabilidad.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.4 Preparación del espécimen y aplicación del curado.

Los especímenes fueron desmoldados una vez cumplidas 24 h desde su fabricación. Posteriormente, se realizaron cortes transversales en los extremos (a 25 mm) de cada espécimen, lo anterior para evitar los efectos de frontera producidos durante la preparación y el colado. Luego se realizaron los cortes transversales para obtener especímenes de 50 mm de longitud, como se indica en la Figura 1.

Figura 1 Obtención de las secciones transversales del espécimen de mortero para la aplicación del tratamiento con NBS. 

La aplicación de la solución con NBS se llevó a cabo durante el proceso del curado. Para ello se preparó una solución empleando NBS al 0.1% con respecto al volumen de agua utilizada en el curado. La aplicación de la solución se llevó a cabo de forma superficial generando una película de agua con un tirante de 20 mm (véase Figura 2), el cual permaneció por 3 días. También se utilizaron muestras de referencia (CNT) donde solo se empleó agua potable para el curado.

Figura 2 Aplicación del tratamiento con solución acuosa de NBS durante el proceso de curado externo. 

2.5 Caracterización de los especímenes CNT y tratados con NBS

Posterior a la aplicación del tratamiento con NBS, se procedió a seccionar los especímenes utilizados para la determinación de la resistividad eléctrica en 3 zonas de 16 mm cada una (véase Figura 3). La zona 1 (Z1) siendo la más próxima a la superficie donde se aplicó el curado con NBS, Zona 2 (Z2) intermedia al tratamiento, mientras que la zona 3 (Z3), es la zona más alejada a la superficie del tratamiento. Las secciones obtenidas fueron colocadas en inmersión en agua para generar un estado de saturación. Posteriormente, las muestras fueron monitoreadas constantemente durante 112 días para determinar el efecto generado por las NBS.

Fig. 3 Obtención de secciones de las muestras de mortero para su evaluación por resistividad. 

Los ensayos de fisisorción de N₂ y resistividad eléctrica fueron determinados en las muestras de CNT y tratadas con NBS como se indica en procedimientos ya reportados en trabajos previos (^{Fajardo et al., 2015}).

2.6 Exposición a medios agresivos

Una vez que las medidas de resistividad eléctrica evidenciaron un cambio en la microestructura de las muestras de mortero (un incremento en la resistividad eléctrica), éstas fueron retiradas de la inmersión para seguir una exposición a un ambiente rico en CO₂ o en Cl^- para determinar el efecto que ejercen las NBS en dos medios agresivos diferentes.

Para el caso de exposición en CO₂ se tomaron 3 especímenes cada uno de los morteros de CNT y tratados con NBS, las cuales fueron recubiertas en la periferia con pintura epóxica (Epoxaclyl E-6000) y sellador Alkafin (sellador acrílico marca Comex®) con el objetivo de promover un avance transversal de la carbonatación. Posteriormente, las muestras se colocaron en una cámara ambiental a 30°C con una humedad relativa de 60 ± 5% y una concentración de 10% de CO₂ durante 14 días. Al finalizar, la profundidad de carbonatación fue determinada empleando el procedimiento descrito en un trabajo previo utilizando fenolftaleína como indicador (^{Fajardo et al., 2015}).

Otra serie de muestras fueron colocadas en inmersión durante un periodo de 56 días en una solución de 165 ± 1 g/L de NaCl como lo indica la norma ASTM C 1556. Para determinar la concentración de cloruros, se obtuvieron 10 g de polvo de cada sección para la fabricación de pastillas y determinar el contenido de cloruros (total vs % por peso de cemento) en un equipo de Fluorescencia de Rayos X - Epsilon 3X. Cabe mencionar que para esta prueba las secciones de 50 mm fueron divididas en 3 zonas denominadas Z1, Z2 y Z3 aproximadamente de 16 mm de espesor (véase Figura 4b).

Figura 4 a) Espécimen expuesto en ambientes agresivos y b) Secciones obtenidas para determinar cloruros. 

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 5, se presentan los resultados obtenidos de la resistividad eléctrica en las muestras de mortero correspondientes a las diferentes zonas de la muestra CNT y tratada con NBS. También se incluye el umbral de resistividad eléctrica (URE) establecido con una línea horizontal punteada en 10 kOhm.cm. Este valor suele utilizarse como un parámetro efectivo para evaluar el riesgo de corrosión del acero embebido en concreto, particularmente cuando la corrosión se induce por agentes agresivos del medio de exposición (^{Polder, 2001}; ^{Koleva et al., 2008}). Una matriz de concreto que logre superar este umbral pasa de un riesgo alto a un riesgo bajo o moderado de corrosión del acero de refuerzo. Cabe mencionar que el tiempo expresado en la Figura, representa el tiempo de inmersión que va desde 1 a 112 días después de haber sido sometidas al curado con NBS durante 72 h.

Figura 5 Evolución de la resistividad eléctrica de las muestras CNT y tratadas con NBS durante el tiempo de inmersión. 

En general, se observa un comportamiento ascendente durante los primeros 56 días, logrando un incremento de resistividad que oscila entre 34 - 36 kΩ.cm en las muestras tratadas con NBS, mientras que la muestra CNT permaneció alrededor de 5.0 kΩ.cm. Así mismo podemos observar que a partir de los 28 días la resistividad de las muestras tratadas con NBS incrementó hasta 7 veces por encima de la muestra CNT para el caso de las zonas 1 y 2. Este incremento fue superior al obtenido en un trabajo previo donde solo se logró hasta 3.5 veces empleando un sistema de introducción más complejo (^{Fajardo et al., 2015}).

De igual forma, podemos constatar un aumento de la resistividad eléctrica en las muestras tratadas con NBS a partir del día 3 colocándolas por encima del URE, siendo más notorio para las muestras Z1 y Z2 con una resistividad que oscila entre 12 - 15 kΩ.cm, lo que infiere un incremento de la durabilidad a partir de la disminución de la permeabilidad. Es importante mencionar que durante esta etapa el material cementante aún presenta reacciones de hidratación, por lo que se infiere que la inducción de NBS durante el curado podría ser más efectivo que otras técnicas relativamente más complejas a base de aplicaciones de campos eléctricos o sistemas de vacíos en concretos endurecidos (^{Fajardo et al., 2015}; ^{Kawashima et al., 2013}; ^{Kupwade-patil et al., 2016}; ^{Sánchez et al., 2014}; ^{Zhu et al.,2016}). Aunque los mecanismos no están completamente definidos, algunos autores deducen mecanismos generados por la interacción rápida de las NBS con la matriz cementante generando precipitación y posterior floculación de las NBS al entrar en contacto con la solución de poro. Por lo que, las NBS se aglomeran y obstruyen las interconexiones de poros al interactuar con el Ca(OH)₂ generando reacciones secundarias de hidratación y logrando reducir la permeabilidad de las ECR (^{Cárdenas et al., 2008}; ^{Fajardo et al., 2015}).

En la Figura 6, se presentan los resultados del diámetro y área de poro obtenido por la técnica de Fisisorción de N₂ en las muestras CNT y tratada con NBS correspondiente a la zona 1 a partir de los 14 días posterior al curado o tratamiento con NBS.

Figura 6 Distribución del tamaño de poro en muestras CNT y Tratada con NBS obtenidas a 14 días de inmersión. 

Se observa una porosidad en el intervalo de 25 - 450 Å (2.5 a 45 nm), con un comportamiento bimodal; destacando la zona de mesoporos (<10 nm). Las muestras tratadas con NBS lograron disminuir la permeabilidad, mediante un bloqueo de la mayor cantidad de poros capilares pequeños, dejando al descubierto la porosidad > 90 Å (9 nm). Cerrando la entrada principalmente a los poros interconectados y poros de gel. Esto, debido a la interacción de las NBS durante las reacciones de hidratación disminuyendo por consiguiente la adsorción de N₂ hasta en un 90% en la muestra tratada con NBS con respecto la muestra CNT (^{Cai et al. 2016}; ^{Zhang et al., 2011}).

La Figura 7 muestra las isotermas de adsorción de nitrógeno en las muestras de CNT y tratadas con NBS, donde se observa la presencia de isotermas de tipo IV (de acuerdo a la IUPAC) referidas a las características de los materiales mesoporosos y macroporosos de tipo de cuello de botella o irregulares.

Figura 7 Isotermas de adsorción en muestras CNT y Tratada con NBS obtenidas a 14 días de inmersión. 

En general, se observa una reducción en el volumen de adsorción nitrógeno alrededor del 90% en las muestras tratadas con NBS durante los primeros 14 días de inmersión con respecto a la muestra CNT, indicando una reducción en los diámetros de poro y por ende la reducción de la permeabilidad. Por lo tanto, se confirma que, bajo las condiciones experimentales utilizadas aquí, el uso de NBS en solución acuosa durante el curado promueve el ingreso de NBS logrando reducir los poros capilares pequeños concordando con los resultados obtenidos por Hou, siendo éstos responsables de la permeabilidad en los materiales base cemento portland (^{Cai et al. 2016}; ^{Hou et al. 2013}, ^{Hou et al., 2015}).

En la Figura 8 se observan los resultados obtenidos de los especímenes de mortero que fueron expuestos en un ambiente rico en CO₂ con el objetivo de evaluar su efecto.

Figura 8 Se presenta el avance en la carbonatación en las muestras CNT y tratada con NBS. 

Se observa una clara disminución de la profundidad de carbonatación en las muestras de mortero tratadas con NBS con respecto la muestra CNT. Por lo tanto, es posible concluir que el efecto generado en los morteros se debe a una disminución en la permeabilidad debido al bloqueo de los poros tipo cuello de botella. El bloqueo provoca una disminución de la interconductividad y por ende un incremento de la resistividad eléctrica de la matriz cementante.

En la Tabla 2 se presentan los resultados obtenidos de los especímenes de mortero expuestos en un ambiente rico en Cl^-.

Los resultados confirman una disminución en la concentración de cloruros, lo que evidencia una disminución en la difusión de iones Cl^- a través de la matriz cementante en las muestras tratadas con NBS y consecuente disminución del transporte de agentes agresivos a través de los morteros. Por lo tanto, la disminución de la concentración de cloruros evidencia una disminución de la permeabilidad, lo que concuerda con los resultados de presentados anteriormente. Definitivamente, el incremento de la vida útil de ECR recién colocada podría ser obtenido al aplicar un tratamiento como el descrito aquí. El proceso de curado empleando NBS podría ser considerado una nueva opción para incrementar la durabilidad durante el proceso constructivo, siendo este último una de las principales problemáticas de la pérdida de durabilidad.

4. CONCLUSIONES

La aplicación NBS inducida durante el curado externo a través de una solución, de acuerdo a las condiciones experimentales utilizadas aquí, permite concluir que:

Se comprueba que la aplicación de las NBS durante el proceso de curado, puede resultar prometedora en el incremento de la durabilidad en las ECR.