Grouts de alto desempeño para la protección de cables de acero en puentes

El concreto pre-esforzado ha sido uno de los mayores desarrollos en la industria de la construcción de puentes durante la segunda mitad del siglo XX [1], y ha seguido progresando en términos de tecnología, sistemas y soluciones de ingeniería de manera sorprendente. Su importancia radica en contrarrestar la debilidad del concreto bajo tensión, al introducir una pre-compresión que resista las cargas impuestas [2]; es sabido que la resistencia a la tracción del concreto es de cerca del 10% de su resistencia a la compresión, por lo cual los cuerpos fabricados solamente en concreto pueden fisurarse cuando se cargan. Así, la función del pre-esforzado es someter la estructura de concreto a compresión en aquellas regiones en las que la carga genere esfuerzos de tracción, de modo que la tensión causada por las cargas aplicadas primero tenga que cancelar la compresión inducida por el pre-esforzado antes de romper el concreto [1]. Esto es posible gracias al diseño, en el cual se debe balancear el efecto de la carga y del pre-esforzado para que la tensión de la carga sea compensada por la compresión inducida por el pre-esforzado, pues de esta manera se elimina la tensión y se previenen las fisuras; como resultado, se obtiene una construcción duradera y eficiente a buen costo [1].

El sistema de pre-esforzado se puede realizar de dos formas diferentes: pre-tensado y post-tensado. En el primero, los cables de acero son halados y anclados a los extremos de la plancha de fundición antes de vaciar el concreto; este sistema no requiere el uso de ningún tipo de ducto para rodear los cables, sino que el concreto es vaciado directamente sobre y alrededor de los cables tensados y, una vez ha alcanzado una resistencia adecuada, los cables se sueltan de sus anclajes [3] y su fuerza es transferida al cuerpo de concreto [1]. El sistema de post-tensado, por su parte, implica que los anclajes y ductos que contienen los cables de acero sean ubicados en la plancha de fundición antes de vaciar el concreto, con el fin de tensar los cables después de que el concreto haya curado adecuadamente. Como el concreto no está en contacto directo con el acero post-tensado, dicho acero no está unido o protegido de la misma forma en que lo está el acero del sistema pre-tensado [3], por lo cual necesita ser protegido contra la exposición al aire, humedad y otras condiciones que promuevan la corrosión del cable; para ello, se bombea un grout cementicio a través del ducto por medio de una bomba, confiriéndole al acero la protección necesaria contra los efectos del medio ambiente [1] [3]. La unión del grout al acero de post-tensado, además, provee la transferencia de la fuerza de pre-esforzado al miembro estructural [3].

Sistema de post-tensado: acero, ducto y grout [3]

Grout para sistemas de post-tensado

Bajo estas condiciones, el grout es el factor de protección más importante del sistema de post-tensado, y se le debe poner especial atención. El grout cementicio es químicamente básico [1] y provee un ambiente alcalino que pasiva la superficie del acero, y sirve como una barrera física que ayuda a mantener a raya los agentes causantes de corrosión, tales como agua, oxígeno y cloruros, entre otros [4]. Así mismo, sirve para unir los cables internos y el ducto al concreto que lo rodea de manera que el elemento estructural se comporte integralmente como una unidad [4], por lo cual la protección adecuada de los cables comienza por llenar completamente los ductos con un grout de alta calidad [1]. El grout debe rodear y estar adecuadamente unido al acero para ser efectivo, así que no solamente es importante el material sino también el proceso de mezcla y de aplicación, pues la durabilidad de la estructura es afectada directamente por la calidad del proceso de aplicación del grout [3].

En un comienzo, la mayoría de grouts usados en construcción eran una simple mezcla de cemento portland y agua; estos grouts parecían comportarse satisfactoriamente, pero en ambientes agresivos como climas marinos o nórdicos, donde se encontraron cloruros o sulfatos, no funcionaban adecuadamente [5]. Estos grouts presentaban problemas de segregación y vacíos debido a la excesiva exudación de agua [1] por lo que, a partir de los años 90, empezaron a observarse problemas de corrosión en varios proyectos en la Florida y alrededor del mundo, que fueron atribuidos a la combinación de usar estos grouts junto con mano de obra inadecuada [4]. A raíz de esto, el Instituto de Post-Tensado (PTI por sus siglas en inglés) publicó, en 2001, las Especificaciones para Aplicación de Grout en Estructuras Post-Tensadas, que introdujo nuevos requerimientos para minimizar los problemas de exudación y mejorar el proceso de aplicación, lo cual llevó a que los fabricantes desarrollaran grouts pre-empacados que cumplían con los requisitos establecidos por el PTI. Si bien estos grouts redujeron los problemas de vacíos generados por la exudación, surgieron nuevos problemas relacionados con alto contenido de cloruros y segregación que obligaron a que el PTI publicara, en 2012, una nueva versión de su Especificación, en la que se establecen nuevos requerimientos para enfrentar dichos problemas [4], así como para fortalecer la reducción de exudación de agua y asegurar una construcción adecuada [6]. En 2013 fue publicada una adenda en la que se incluyen pasos adicionales para asegurar la calidad del proceso de aplicación del grout, esencial para asegurar la durabilidad de las estructuras post-tensadas [6].

Corrosión en cables de post-tensado.

En la adenda del 2013, el PTI establece que los materiales que deben componer los grouts a ser usados en cables de post-tensado se limitan a [5]:

1. Cemento Portland
2. Materiales cementicios suplementarios (limitados a cenizas volantes, escoria granulada de alto horno y microsílica no densificada).
3. Aditivos químicos; y
4. Agua

Los materiales cementicios suplementarios y los aditivos químicos no deben contener sulfatos [5].

El cemento Portland es, entonces, el principal material del grout, y debe cumplir con los requerimientos de la ASTM C150/C150M. Pueden añadirse otros materiales cementicios para mejorar las propiedades del producto final; en el caso de las cenizas volantes (Clase C y Clase F según ASTM C618) y la escoria granulada de alto horno (Grado 120 según ASTM C989/C989M), sirven para mejorar la corrosión en ambientes agresivos, mientras que la microsílica no densificada (ASTM C1240) puede mejorar la resistencia a la penetración de cloruros debido a que las partículas ayudan a llenar los intersticios entre los granos de cemento hidratado, reduciendo la permeabilidad [1]. Por su parte, la relación agua/cemento debe limitarse a máximo 0.45 con el fin de evitar la retención de agua excesiva y la exudación, y para optimizar el proceso de hidratación [1].

En cuanto a los aditivos, éstos pueden usarse para mejorar la trabajabilidad y reducir el requerimiento de agua, reducir la exudación, mejorar las propiedades de bombeo o incluir aire [1], entre otros efectos.

Control de calidad

Los grouts preempacados por el fabricante, a los cuales solamente se les agrega agua en la proporción indicada, deben pasar por un estricto control de calidad en laboratorio y, en sitio, también se deben hacer pruebas diarias para verificar el control de calidad y el desempeño del producto. Para asegurar la consistencia en las propiedades del grout, debe ser usado dentro de los 6 meses siguientes a la fecha de fabricación, y el almacenamiento en sitio no debe superar 1 mes [3].

De acuerdo con el PTI, los factores que afectan la calidad del grout incluyen [5]:

• La tasa de hidratación del cemento, pues afecta el tiempo de trabajabilidad y el tiempo de fraguado
• Fluidez del grout (tanto la inicial como los cambios de fluidez) como función del tiempo y la temperatura
• Control del volumen
• Permeabilidad
• Resistencia
• Características de estabilidad a la exudación
• Nivel de resistencia a la corrosión requerida para el acero de pre-esforzado; y
• Segregación de los materiales después de mezclados.

En concordancia, las pruebas de laboratorio que determinan si un grout es aceptado para un proyecto, definidas por el PTI, son:

Propiedades medidas en laboratorio a un grout para sistema post-tensado.

Además de los requerimientos que debe cumplir el grout, debe trabajarse con personal altamente calificado, entrenado en las técnicas apropiadas de aplicación. Algunos Departamentos de Transporte de Estados Unidos, como el de Florida, exigen a sus contratistas un Plan de Operación que debe ser entregado 6 semanas antes de empezar cualquier trabajo de aplicación del grout, en el que deben incluir información acerca de quién va a realizar el proceso y qué capacitaciones y experiencia tiene para hacerlo, qué grout se va a utilizar (debe estar en la lista de materiales aprobados por el Departamento) y cuáles son sus propiedades, qué equipo se va a emplear, qué procedimientos se van a seguir y cuáles son los volúmenes y tasas de flujo. Una vez revisado y aprobado el plan, se hace una reunión antes del inicio de la operación para que todo el equipo se familiarice con los procedimientos planeados y las especificaciones que aplican. Durante la ejecución de las operaciones, se hace inspección permanente de los cables y ductos, así como pruebas en sitio de flujo, exudación, densidad y temperatura del grout. Después de que se ha terminado de aplicar el grout, se debe verificar todo el sistema, detectar si hay vacíos y, por último, sellar los sistemas [3].

Un grout preempacado para sistemas de post-tensado usualmente es aceptado si el fabricante demuestra que cumple con las pruebas mencionadas o las que especifique el proyecto. Sin embargo, la durabilidad de la estructura y el éxito del proyecto no solamente están dados por la calidad del grout empleado, sino también por la gente que realiza las operaciones de instalación del sistema, por la adecuada planificación de las actividades a realizar y por la constante inspección durante su ejecución.

Referencias