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El concreto es el material de fabricación humana más utilizado en la tierra y generalmente se considera uno de los materiales de construcción más asequibles, versátiles y más fuertes, según Aleksandra Radlinska, profesor de ingeniería civil y ambiental en Penn State.
A pesar de esto, reconoce que las estructuras de concreto pueden ser más susceptibles al daño de lo que inicialmente pensaba, especialmente cuando se expone a minerales particulares encontrados en Pensilvania, según el Servicio Geológico de los Estados Unidos.
Radlinska, junto con un equipo de investigadores de Penn State y la Universidad de Georgia, fue coautor de un estudio publicado en Investigación de cemento y concreto. Su trabajo exploró los impactos de dos minerales de sulfuro de hierro que ocurren naturalmente en el medio ambiente, la pirrotita y la pirita, en la integridad estructural del concreto.
Si bien se han realizado investigaciones extensas sobre los impactos de estos minerales en entornos ácidos o de bajo equilibrio de pH, dijo Radlinska, se entiende menos sobre cómo estos minerales interactúan con materiales con un alto equilibrio de pH como el concreto. Según Radlinska, una mejor comprensión del impacto que estos minerales tienen en el concreto podrían ayudar a informar renovaciones de diseño e infraestructura en toda la Commonwealth.
Radlinska discute por qué el concreto es susceptible a estos minerales de sulfuro de hierro y qué pueden hacer los ingenieros para diseñar materiales de concreto contra factores ambientales.
¿Qué hace que la integridad del concreto sea susceptible a los minerales de sulfuro de hierro? ¿Dónde se encuentran estos minerales en el medio ambiente?
El concreto es susceptible a los minerales de sulfuro de hierro debido a su reactividad química y su capacidad para sufrir oxidación y reacciones expansivas en presencia de agua y oxígeno. La formación de los productos con forma de óxido y los minerales de sulfato secundario inducen tensiones internas y expansión dentro del concreto, lo que resulta en grietas, astillas y, finalmente, se desmorona de las estructuras de concreto.
Este es especialmente el caso de los cimientos de concreto expuestos a la humedad del suelo, donde el agregado, las rocas trituradas o la arena mezcladas con cemento para crear concreto, estaba contaminada con pirrotita, un mineral de sulfuro de hierro muy común. Las implicaciones económicas y de seguridad de dicha degradación incluyen un aumento de los costos de mantenimiento y remediación, así como la integridad estructural comprometida.
La pirrotita se asocia típicamente con depósitos de sulfuro de metal base y se puede encontrar en rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, tipos diferentes de rocas que se encuentran en Pensilvania. La pirrotita está relacionada con la pirita mineral más común y conocida, también conocida como oro del tonto, pero difiere de la pirita porque tiene menos azufre y es mucho más reactivo al agua.
Además de estos minerales de sulfuro de hierro, ¿qué otros minerales o factores ambientales afectan la integridad estructural del concreto con el tiempo?
El concreto, mientras que un material de construcción duradero y la elección frecuente de las empresas de construcción de todo el mundo, es un material químicamente reactivo. Su integridad estructural puede verse comprometida por ambos componentes internos, como minerales nocivos, que pueden ser peligrosos para las personas o hacer que las estructuras sean propensas a usar, y factores ambientales externos como el clima o la erosión.
Entre las reacciones perjudiciales observadas frecuentemente se encuentran las reacciones de álcali-silicio, investigadas extensamente en Penn StateReacciones de carbonato alcalino debido a minerales de carbonato como dolomita, ataque de cloruro, donde el cloruro corroe las estructuras de refuerzo dentro del concreto, daño debido a la congelación y descongelación repetidas, y la carbonatación, por nombrar algunas.
A pesar de su susceptibilidad a estas reacciones, el concreto demuestra ser uno de los materiales de construcción más resistentes y versátiles, y como tal, es elegido y diseñado para una variedad de condiciones climáticas y ambientales.
¿Qué tipos de edificios e infraestructura se ven más afectados por estos hallazgos? ¿Cómo afecta esto al Pensilvania promedio?
El daño de la pirrotita en los EE. UU. Afecta más severamente los edificios residenciales y las estructuras de baja a mediana altura que usan concreto hecho con un agregado de origen local contaminado por minerales de sulfuro de hierro, particularmente en las bases de las estructuras.
Si bien las fallas de concreto relacionadas con la pirrotita son más comunes en Connecticut y Massachusetts, las partes de Pensilvania son geológicamente susceptibles debido a formaciones de rocas sedimentarias que contienen sulfuros de hierro.
¿Cómo probó los impactos de estos minerales en el concreto?
Es posible detectar la pirrotita en conjunto, pero estimar su impacto y potencial de daño al concreto es un trabajo en progreso.
En nuestro trabajo reciente, investigamos la cinética y los mecanismos de disolución de sulfuro de hierro a altos niveles de pH mediante el diseño de una serie de experimentos de reactores por lotes, que nos permiten probar y monitorear las reacciones en un entorno ideal. La cinética de la disolución de sulfuro de hierro se evaluó determinando la tasa de liberación de azufre en las soluciones.
Estas pruebas tienden a requerir condiciones controladas de laboratorio y pueden llevar mucho tiempo. Sin embargo, son pasos necesarios para establecer un punto de referencia y desarrollar protocolos de prueba más rápidos que puedan implementarse más fácilmente en el campo.
¿Cuáles son las mejores formas de proteger el concreto de la disolución con el tiempo?
El concreto, cuando está diseñado correctamente, puede durar milenios. La ciencia de los materiales del concreto ha avanzado dramáticamente nuestra comprensión de las estrategias de prueba de materiales y materiales informados, así como aditivos químicos y minerales, que adaptan cada mezcla de concreto a requisitos locales específicos.
Sin embargo, este es un campo de investigación activo y en evolución, donde los nuevos materiales y requisitos requieren soluciones innovadoras y adaptativas. Específicamente, esto implica seleccionar un diseño de mezcla de concreto de baja permeabilidad para minimizar el agua y la entrada de cloruro, probando agregados que se utilizarán en el concreto e implementan el mantenimiento e inspección regular.
Con eso, podemos esperar que la infraestructura concreta no solo dure más, sino que también sea más resistente, asegurando que siga siendo la opción sólida para las generaciones venideras.
Más información: Zhanzhao Li et al, Cinética de disolución de minerales de sulfuro de hierro en soluciones alcalinas, investigación de cemento y concreto (2025). Doi: 10.1016/j.cemconres.2025.107850
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
Cita: Preguntas y respuestas: ¿Pueden los minerales comprometer estructuras de concreto? (2025, 7 de agosto) Consultado el 7 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-qa-minerals-comppromise-concrete.html
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