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Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 46, pp. 45-55, 2015.
Influencia del micro-ambiente en el interior de una
edificación sobre la corrosión del acero de refuerzo
Alberto Hernández-Oroza, Dainelys Guerra-Bouza*
Empresa de Proyectos de Arquitectura y Urbanismo. Restaura. OSDE Centro Histórico. Departamento de
Diagnóstico. Habana Vieja. Cuba. C.P. 10100 e-mail: [email protected]*Ministerio de
Salud Publica Nivel Central. Dirección de Inversiones, La Habana, Cuba. C.P. 10400 e-mail:
[email protected]
Recibido: 16 de febrero de 2015.
Aceptado: 15 de mayo de 2015.
Palabras clave: micro-ambiente, corrosión, perfil de humedad, resistividad.
Key words: micro-environment, corrosion, moisture profile, resistivity.
RESUMEN. En el presente trabajo se plantean los resultados del estudio de caso de una edificación de cuatro niveles
afectada por corrosión de los aceros de refuerzo de las vigas de hormigón en los niveles tercero y cuarto. Debido a
modernizaciones en la arquitectura de su fachada, consecuentemente se propició la formación de un micro-ambiente
en el interior de la edificación en los niveles antes mencionados. La finalidad de este estudio es determinar la
influencia del micro-ambiente sobre la corrosión de las barras de acero, a través de ensayos comparativos entre los
cuatro niveles de la edificación. Los ensayos realizados se basaron en técnicas destructivas y no-destructivas
ejecutadas sobre las vigas secundarias que soportan los entrepisos y la cubierta. En el estudio se tuvo en cuenta la
relación de equilibrio existente entre la humedad relativa ambiental y la capacidad de absorción de agua de las vigas
secundarias de hormigón armado ensayadas. Los resultados de esta relación se expresaron como perfiles de
humedades, y los valores obtenidos indicaron una tendencia hacia el aumento de contenido de agua en la masa de
hormigón de los elementos estructurales estudiados. Apoyado en ensayos de resistividad, fue posible conocer el
estado de corrosión de los aceros de refuerzo, y demostrar el efecto del micro-ambiente sobre la durabilidad de una
edificación de hormigón armado.
ABSTRACT. This paper presents the results of the case study of a building of four levels affected by corrosion of the
steel reinforcement concrete beams in the third and fourth levels. Due to modernizations in the architecture of its
façade, consequently was formed a micro-environment inside the building at the above mentioned levels. The purpose
of this study is to determine the influence of micro-environment on the corrosion of steel bars, through comparative
tests between the four levels of the building. The tests performed were based on destructive and non-destructive
techniques executed on the secondary beams that support the ceilings of the lowers and uppers levels of the building.
The study took into account the relation of equilibrium between the ambient relative humidity and the water
absorption capacity of the secondary beams of concrete tested. Results were expressed as the relative humidity
profiles, and the values obtained indicated a trend towards increased water content within the structural elements
studied. Supported in trials of electrical resistance was possible to know the state of corrosion of steel reinforcement,
and to demonstrate the effect of micro-environment on the durability of reinforced concrete building.
INTRODUCCIÓN
La influencia de la humedad relativa (Hr) en la corrosión de los aceros de refuerzo depende en gran medida del
equilibrio que se establezca entre el entorno circundante, y los elementos estructurales presentes en el área 1. Factores
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como la relación agua/cemento utilizada, el equilibrio Cl-/OH-, la humedad de los poros y el acceso de oxígeno, entre
otros2-4, influyen directamente en el inicio del mecanismo de corrosión en las barras de acero.
Con relación a la temperatura ambiental (Ta), esta variable tiende a aumentar el riesgo de corrosión a medida que ella
aumenta, aunque su influencia es aún menos clara2,5. Para la edificación que se presenta en este trabajo, la Ta oscila
entre 22-25ºC. En estos intervalos el efecto de esta variable en la corrosión se estima como despreciable, debido a que
las velocidades de corrosión solo aumentan ligeramente 2.
El micro-ambiente por su parte es considerado uno de los factores decisivos en el establecimiento de los procesos de
corrosión6. Su efecto está relacionado por el equilibrio que se establece entre la estructura y sus alrededores. En este
trabajo, la influencia del micro-ambiente ocurre en el interior de los niveles superiores del inmueble, y actúa sobre las
vigas secundarias y principales que soportan los techos.
El inmueble bajo estudio representa una edificación de cuatro niveles afectada por problemas de corrosión en las
vigas de hormigón armado en los niveles tercero y cuarto. El edificio ocupa una parcela de 4800.00 m 2 y simboliza
una estructura cúbica acristalada soportada por un sistema aporticado con vigas, columnas y losas nervadas
(entramado de viga y losa), de hormigón armado.
Los pisos son de terrazo integral y la carpintería es de aluminio y cristal. Las vigas secundarias presentan un peralto
de 350 mm con un alma variable que oscila entre 150 mm para el caso de la longitud inferior y 200 mm para la
superior. En el caso de las vigas principales se disponen de dos tipos: el primero posee una sección de 900 x 750 mm
y el segundo de 500 x 750 mm. Existen varios tipos de columnas con diferentes secciones. Las dimensiones de los
elementos se mantienen igual en toda la estructura7.
En el caso de los niveles superiores, la climatización se alimenta a través de un sistema ininterrumpido de inyección
de aire frío con temperaturas entre 22-25 ºC. Para los primeros niveles se mantuvo el reflujo de aire natural a través
de los patios interiores, en los cuales las fluctuaciones de Ta y Hr en el interior del primer y segundo nivel,
dependerán de las variaciones climatológicas propias del país y sus estaciones del año.
Para el tercer y cuarto nivel de la edificación, las Hr en el interior del inmueble alcanzaron valores que oscilan entre
65-82 %. La propia arquitectura de la edificación le impide intercambiar energía eficientemente con el medio
exterior, por lo que la humedad en su interior se mantuvo oscilando entre los valores antes mencionados durante los
cinco años posteriores a la modernización a estructura cúbica acristalada.
En Cuba los estudios de diagnóstico abordados por diversos investigadores 8-11 a estructuras de hormigón armado, se
han centrado fundamentalmente en entornos exteriores de elevada, muy elevada y extrema agresividad corrosiva de la
atmósfera. Las investigaciones llevadas a cabo han presentado la problemática en la zona del litoral norte de La
Habana, con o sin condiciones de apantallamiento, ya sea por efecto de la vegetación o por las estructuras presentes
en esta zona. Esta investigación tuvo como objetivo medir la influencia del micro-ambiente sobre la corrosión de los
aceros de refuerzo producido por elevados valores de humedad relativa ambiental. Este tema aún no ha sido estudiado
con profundidad para las condiciones del clima tropical insular de Cuba.
MATERIALES Y MÉTODOS
Los diagnósticos de daños por corrosión asociados a problemas de Ta y Hr, son de manera general difíciles de
estudiar y predecir, debido a que sus efectos muchas veces se contraponen 2,12. Una metodología efectiva para evitar
malas interpretaciones es plantearse la investigación en dos etapas generales 13. La primera basada en inspección
organoléptica y toma de datos específica de todas las lesiones encontradas en la estructura bajo estudio; y la segunda
de tipo experimental, fundamentada en la ejecución de ensayos en función de lo observado, y conclusiones alcanzadas
en la primera etapa.
Inspección organoléptica
En la inspección visual resulta de mucha utilidad apoyarse del croquis de ubicación. En este se declaran la ubicación
de las vigas principales y secundarias que soportan los entrepisos y la cubierta del cuarto nivel. Para la obra en
estudio, se ejecutó el levantamiento (Fig. 1) de todas las lesiones observadas en cada una de las áreas presentes en el
cuarto nivel. De la inspección visual efectuada, se obtuvo como resultado que las vigas tanto principales como
secundarias que conforman los techos y forjado de los niveles superiores, presentan problema de corrosión de los
refuerzos.
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Leyenda
Zonas a liberar para diagnóstico
Zonas en buen estado visible
Zonas con daños en el 1/3 superior del
peralto del nervio
Fig. 1. Clasificación de las áreas del cuarto nivel, según resultados de la inspección organoléptica.
Los tipos de lesiones encontrados fueron pérdidas de recubrimiento, grietas y/o fisuras ubicadas en las caras laterales,
entre 3-5 cm de las aristas inferiores. En algunas vigas estos daños se extendían a toda la luz, mientras en otras
aparecían solo en tramos perfectamente definidos, ubicados a la altura antes mencionada (Figuras 2, 3, 4 y 5).
Otra característica llamativa fue la aparición de manchas de eflorescencia en las caras laterales de las vigas, sobre el
tercio superior de estas (Figuras 6 y 7). Este tipo de lesión es comúnmente asociada a filtraciones, fundamentalmente
por aguas puras12. Su aparición resulta más explicativa en las vigas de cubierta. Sin embargo, la presencia de la
eflorescencia, es mayor en las vigas de entrepiso del tercer nivel, donde no existe la posibilidad de filtración de aguas
de lluvia.
En el caso de las vigas ubicadas en los niveles inferiores, no se observó daño alguno en sus elementos. Tampoco se
apreciaron manchas de eflorescencia ni humedades, tanto en las vigas secundarias y principales, como en las losas de
los entrepisos del primer y segundo nivel.
Perfil de humedad
En los procesos de corrosión de los aceros de refuerzo, la influencia de la Hr y la Ta presentes, ejercen un papel
fundamental en el inicio de la corrosión2. Para medir estos parámetros físicos y comprobar su influencia sobre las
lesiones encontradas, se utilizó un termo higrómetro Proceq Hygropin 14. Este permite medir la Hr en un rango entre
0-100 %, y Ta de -40 – 85 ºC.
Figuras 2 y 3. Grietas por corrosión de los aceros de refuerzo en vigas secundarias sobre las caras laterales al
nivel de los refuerzos.
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Fig. 4. Macro celda de corrosión en viga principal.
Fig. 5. Estado de corrosión de los aceros de refuerzos
en vigas secundarias.
Figuras 6 y 7. Manchas de eflorescencias en vigas secundarias del tercer nivel, ubicadas sobre el tercio superior.
40
350
400
50
650
40
175
En este estudio, la técnica de aplicación de perfiles de
humedades15,16 se basó en medir el contenido de agua presente
dentro del elemento estructural. Se plantea por objetivo
determinar el umbral a partir del cual la cantidad de agua en el
interior de los poros propició el inicio de los procesos de
corrosión.
La técnica de perfiles de humedades se realizó sobre las vigas
secundarias debido a la facilidad de aplicación. En ellas los
aceros se encuentran embebidos a 4 cm de profundidad. (Fig.
8). La medida se realizó sobre la cara inferior y laterales. En
estas últimas se realizaron las perforaciones al mismo nivel de
los refuerzos pero hasta una profundidad de 3 cm (Fig. 9).
Esto permitió conocer cuál es el contenido de agua presente en
la frontera cercana al refuerzo, sin impactar sobre este.
Fig. 8. Esquema de la sección de las vigas
secundarias.
Se realizaron cuatro mediciones desde la superficie hasta 3 cm de profundidad. Seguidamente se introdujo el sensor
de medición de perfiles suministrado por el fabricante para el equipo Proceq Hygropin, en cada uno de los orificios.
Las lecturas de los contenidos de humedad pueden ser tomadas al momento, o se pueden dejar instalados lo sensores a
modo de monitoreo, durante un período de tiempo definido por la investigación. En este estudio, las lecturas se
tomaron de manera instantáneas en cada uno de los orificios a las tres profundidades estudiadas, y en cada una de las
vigas secundarias ensayadas.
Mediciones potenciométricas
Como evaluación poteciométrica, se realizó la comprobación tanto de la intensidad de corrosión (Icorr), como de los
potenciales (Ecorr) presentes en las barras de acero de las vigas. Estas variables se midieron mediante el uso del
corrosímetro GECOR 8. El principio se basa en medir el valor de la Icorr a través de ensayos de resistividad,
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aplicando la ecuación de Stern y Geary17. Se determinaron cuatro puntos de ensayos marcados como P1, P2, P3 y P4.
Los dos primeros puntos (P1 y P2) corresponden a mediciones en vigas del tercer nivel, y los puntos P3 y P4 a vigas
del 4to nivel.
Para las vigas de los niveles inferiores, sobre las cuales no se
observó daño alguno en su superficie, se decidió utilizar una
técnica de medición no-destructiva. En este caso se aplicó el
principio de la celda de Wenner18. Para esto se utilizó el equipo
Proceq Resipod19 de medición de resistividad del hormigón (ρ).
Con ayuda del pacómetro se definió la ubicación de los
refuerzos y los cercos, y se delimitaron las áreas de las vigas en
donde estos no interfieran con el análisis. De la misma manera
que para las mediciones con GECOR 8, se establecieron puntos
de medición para los niveles inferiores de la edificación
clasificados como P5, P6, P7 y P8. Los puntos P5 y P6
responden a los elementos estructurales presentes en el primer
nivel; mientras que P7 y P8, los hacen para el segundo nivel.
Fig. 9. Orificios para el ensayo de perfil de
humedad al nivel de los refuerzos de acero.
Profundidad de carbonatación
La carbonatación es una de las principales causas de deterioro y
pérdida de durabilidad de las edificaciones de hormigón
armado20. Ella provoca la pérdida de las propiedades de
protección primarias al acero de refuerzo, debido a reacciones químicas entre la pasta de cemento hidratada con el
dióxido de carbono (CO2) atmosférico21. Este tipo de deterioro estructural puede ocurrir en cualquier entorno, sin
embargo se presenta con mayor influencia en aquellos ambientes con alta polución urbana, y en condiciones
específicas de humedad. El ensayo de profundidad de carbonatación se realizó utilizando el método clásico de
aplicación del indicador de fenolftaleína. La aplicación del indicador se realizó mediante spray, durante los primeros
15 min posteriores a la abertura del orificio. Sobre las vigas que se encuentran en los niveles tercero y cuarto, no se
realizó el ensayo ya que la magnitud y tipo de lesiones existentes, hacen ineficaz el método. Debido a que es una
técnica destructiva, esta solo se aplicó en vigas del primer nivel del inmueble con el propósito de conocer el avance
del frente de carbonatación, y la presencia de protección primaria a las barras de acero.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Temperatura y humedad
Los resultados obtenidos para los niveles superiores oscilan en una Hr de 65-82 % y Ta de 22-24 ºC. Para las áreas
que conforman los niveles inferiores, la Hr se encontraba entre 55-60 %, mientras que la Ta se mantenía en un
entorno muy similar entre 23-25 ºC. Tomando como base las diferencias en las mediciones de Hr obtenidas entre los
niveles superiores e inferiores de la edificación, se realizó una medición comparada de perfiles de humedades 15 con
las vigas presentes en todos los niveles. Los resultados son expresados en por ciento y representan la cantidad de agua
total por masa de hormigón (Figuras 10 y 11).
Figuras 10 y 11. Perfiles de humedades obtenidos en las vigas secundarias.
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La gráfica a la izquierda (Fig. 10), representa el perfil de humedad obtenido en los niveles tercero y cuarto de la
edificación en condiciones de micro-ambiente. Se observa como el contenido de agua a una profundidad de 3 cm,
excede el 20 % de concentración. A la derecha (Fig. 11) se muestra el perfil del primer y segundo nivel del inmueble.
En este caso se describe un perfil de humedad inferior al 20 % a la misma profundidad de 3 cm.
En todos los elementos estructurales estudiados, el contenido de agua tiende a aumentar a medida que se profundiza
en la masa del material. Esto responde a un comportamiento normal del hormigón, el cual aunque en su superficie la
humedad depende en gran medida del equilibrio que se establezca con el entorno circundante, hacia su interior la
concentración tiende a aumentar debido al agua presente en sus poros.
Del estudio del perfil de humedad a las vigas secundarias del tercer y cuarto nivel, se demuestra que el hormigón que
recubre las barras contiene una cantidad de agua en sus poros significativamente mayor que las vigas ensayadas en los
niveles inferiores del mismo inmueble. Aunque no fue posible evaluar la porosidad del hormigón y su nivel de
saturación, los resultados obtenidos indican que se iniciaron mecanismos de absorción de agua a través de los poros
capilares. Esta absorción paulatina trajo como consecuencia la despasivación de los aceros de refuerzo, en las vigas
secundarias del tercer y cuarto nivel.
Niveles superiores. Velocidad y potencial de corrosión
Para este estudio se graficaron los resultados obtenidos (Figuras 12 - 14) de los ensayos de velocidad y potencial de
corrosión en las vigas secundarias de los niveles tercero (P1 y P2), y cuarto (P3 y P4). De igual manera se representó
(Fig. 12) la dispersión de los resultados totales (all values). La dispersión obtenida es una característica propia entre la
Icorr y Ecorr. Ello responde a la relación existente entre estos dos parámetros con variables como el contenido de
humedad, disponibilidad de oxígeno, temperatura y resistividad del hormigón.
Analizando los potenciales obtenidos (Fig. 13), se observa como el mayor conjunto de valores se encuentra con Ecorr
entre -200 mV y -350 mV. En relación a las Icorr (Fig. 14), se aprecia que existe un balance entre resultados
inferiores y superiores a 0.1 µA/cm2. Sin embargo, analizando el conjunto de resultados (Fig. 12), se evidencia una
tendencia hacia valores Ecorr más negativos que -350 mV, e Icorr superiores a 0.5 µA/cm2. De los datos obtenidos se
deduce que existe una correspondencia entre el pronóstico de corrosión basado en la medición de potenciales y la
cinética del proceso, a partir de las Icorr obtenidas.
Fig. 12. Gráfico de dispersión de resultados de Icorr vs Ecorr en vigas secundarias del tercer y cuarto
nivel.
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Fig. 13. Resultados de Ecorr por puntos de medición realizados en el interior del inmueble en los niveles
3ro y 4to.
Fig. 14. Resultados de Icorr por puntos de medición realizados en el interior del inmueble en los niveles 3ro y 4to.
Niveles inferiores. Ensayo de resistividad
En las mediciones realizadas a las vigas que conforman los techos del primer y segundo nivel, las resistividades
(figuras 15 y 18) se encuentran por encima de los 100 KΩcm. Los resultados indican que existe bajo riesgo de
corrosión. Esto se debe a que los valores de ρ son proporcionales con el contenido de humedad del hormigón, y por
tanto con el nivel de saturación de sus poros.
A partir de los resultados de resistividad obtenidos, se pueden calcular las Icorr teóricas, basado en lo planteado por
RILEM TC 154-EMC (22). La metodología del cálculo aparece definida por la ec. 1. De los resultados de ρ y
aplicando la ec. 1, se puede inferir que las Icorr calculadas serán despreciables. Este análisis está en correspondencia
con las evidencias obtenidas organolépticamente, debido a que no se observa en estos elementos estructurales daño
alguno por corrosión de los refuerzos.
ec. 1
La Tabla 1 muestra un resumen de los valores medios obtenidos de los ensayos de resistividad. En los cuatro puntos
de medición estudiados, se obtiene como resultado Icorr despreciables.
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Tabla 1 Resultados medios obtenidos en los cuatro puntos de medición.
Puntos de medición
P5
P6
P7
P8
(KΩcm)
346.4
235.7
454.3
287.2
SD (KΩcm)
30.4
35.0
37.4
16.3
(µA/cm2)
0.09
0.13
0.07
0.1
Figuras 15 (P5) y 16 (P6). Resultados de las mediciones de resistividad en vigas secundarias del primer nivel.
Figuras 17 (P7) y 18 (P8). Resultados de las mediciones de resistividad en vigas secundarias del segundo nivel.
Perfil de carbonatación
Este estudio se aplicó solo en vigas del primer nivel del inmueble. Debido a que las condiciones de exposición en el
segundo nivel son similares a las del primero, los resultados obtenidos pueden ser extrapolados a este. A partir de 2
cm de profundidad, el hormigón que rodea al acero se torna color rosa (Fig. 19). El ensayo demuestra que existe un
entorno alcalino alrededor del refuerzo. Esta es una condición primaria para mantener la capa pasiva que protege las
barras de acero de la corrosión.
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Fig. 19. Perfil de carbonatación a una de las vigas del segundo nivel. El color rosa indica zona de alcalinidad
alrededor del acero de refuerzo.
Basado en el resultado obtenido mediante el uso del indicador colorimétrico, se puede aplicar el modelo cinético para
estimar la constante de carbonatación (KCO2). Para esto se tiene en cuenta la edad del inmueble, y la profundidad de
carbonatación. El modelo se plantea en la ec. 2.
ec. 2
Dónde XCO2 es la profundidad de carbonatación mm, KCO2 es la constante de carbonatación en mm/año, y t es el
tiempo en años. El resultado de la aplicación del modelo en función de los datos, se expresa en la ec. 3.
ec. 3
El valor de KCO2 obtenido indica que el hormigón utilizado para la construcción del inmueble es durable y de alta
calidad. Partiendo de la KCO2, se desarrolló un modelo matemático que permitió evaluar la evolución del perfil de
carbonatación. El resultado de esta evaluación se muestra en la Fig. 20.
40
20
2
XCO (mm)
30
10
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo (aٌ os)
Fig. 20. Modelo que muestra el avance del frente de carbonatación para las vigas ubicadas en el primer nivel.
En la gráfica se observa cómo ha avanzado paulatinamente la carbonatación hacia el interior de la masa de hormigón
a razón de 2.6 mm/año. Acerca de la constante de carbonatación obtenida, se considera 12 que para valores de 2-3
mm/año, el hormigón presenta elevada resistencia a la carbonatación. Modelos predictivos similares han sido
obtenidos por otros investigadores21, con el objetivo de estimar el avance del frente de carbonatación en estructuras de
hormigón armado.
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Para evaluar el tiempo teórico en que el frente de carbonatación alcanzará la armadura, se aplicó nuevamente el
modelo cinético (ec. 4). Para esto se tiene en cuenta la X CO2 pero a la profundidad real a la que se encuentran los
refuerzos en las vigas secundarias. Como valor de KCO2 se toma la obtenida mediante el cálculo (ec. 3). No se
involucran en este análisis otras variables como la influencia de contaminantes, variaciones climáticas, solicitaciones,
entre otras que influyen significativamente en el valor de t.
ec. 4
Basado en las condiciones actuales de exposición a las que se encuentran las vigas secundarias de los niveles
inferiores de la edificación, el tiempo en que el frente carbonatación alcanzará la armadura es superior a los 200 años.
Este resultado indica que los primeros niveles de la estructura, no se deteriorarán por el fenómeno de la
carbonatación.
CONCLUSIONES
El estudio comprobó que en el interior de una edificación en donde la humedad relativa se mantiene elevada por
largos períodos de tiempo, es posible la creación de un micro-ambiente capaz de dar inicio al fenómeno de la
corrosión de los aceros de refuerzo, y propiciar la pérdida de funcionalidad y estabilidad estructural de sus elementos
constructivos.
Las manchas de eflorescencias presentes en las vigas secundarias del tercer nivel evidenciaron la presencia de un
exceso de agua en los poros del hormigón. Esto conllevó a la lixiviación de los hidratos cálcicos, los cuales afloraron
en las caras exteriores de las vigas en forma de carbonatos.
El estudio del perfil de humedad realizado con termo higrómetro, probó ser una herramienta eficaz en el análisis de
las causas de la corrosión. Su medición a partir de la superficie hasta un entorno cercano a los refuerzos, respondió
consecuentemente a los daños por corrosión encontrados en el tercer y cuarto nivel de la edificación.
Los ensayos comparativos de resistividad, demostraron la influencia directa del contenido de humedad de los
materiales pétreos sobre la durabilidad de las edificaciones de hormigón armado.
El ensayo del frente de carbonatación realizado a las vigas del primer nivel muestra cómo se mantiene la protección
primaria que brindan los álcalis del cemento a las barras de acero de refuerzo. El valor de KCO2 obtenido indica que el
hormigón utilizado para la construcción del inmueble es durable y de alta calidad.
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