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CONSIDERACIONES SOBRE LA RAS EN EL PROYECTO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN. Oscar Rafael Batic Investigador Principal CIC-LEMIT Profesor Materiales III Facultad de Ingeniería de la UNLP

Jorge Daniel Sota Profesional Principal CIC-LEMIT Docente de Tecnología del Hormigón. Facultad Regional La Plata de la UTN

Resumen Las estructuras de hormigón armado se proyectan entre otros motivos para que soporten solicitaciones de diverso origen como cargas y las del ambiente en que esta ubicada (acciones físicas o químicas) y mantengan la serviciabilidad en el tiempo es decir, tengan una vida en servicio prolongado en muchos casos establecidos previamente. En los últimos veinte años se ha observado la gran preocupación de la Sociedad científica, tecnológica y civil por el deterioro prematuro del hormigón armado, debido principalmente al limitado conocimiento del comportamiento en diferentes ambientes en los que deberá enfrentar condiciones que difícilmente puedan reproducirse en el laboratorio y a la simultaneidad de ellas ya sea en la naturaleza o en el ambiente industrial. Una de las patologías que se presenta en el hormigón es la reacción deletérea que se produce entre los agregados con minerales que contienen sílice termodinámicamente inestable y los álcalis contenidos en el hormigón en presencia de humedad, reacción conocida como reacción álcali sílice (RAS). Esta patología fue observada en obras importantes en USA en la década del 30 y luego detectada como una de la principales causas de deterioro prematuro en todo el mundo. Ello ha motivado a la realización de varias reuniones científicas internacionales (ICAAR) y Comites con RILEM ARP.TC 191. A pesar de que los conocimientos sobre diversos aspectos de esta reacción deletérea han avanzado mucho, y las soluciones tecnológicas que se aplican, en general, son eficientes, igualmente se observan obras afectadas que insumen grandes presupuestos de mantenimiento, reparación o reemplazo. Es por este motivo que se mostraran algunas obras afectadas, los estudios que se deben realizar durante el proyecto para evitarla y las recomendaciones a nivel local que se deberían tener en cuenta durante la etapa del proyecto de cualquier obra de hormigón, principalmente los que están permanente o periódicamente en contacto con humedad elevada. Palabras Claves: RAS, agregados reactivos, álcalis, adiciones minerales.

REACCION ALCALI SILICE (RAS) 1.- INTRODUCCIÓN La RAS involucra a reacciones químicas que se producen entre los agregados reactivos y los álcalis contenidos en el hormigón de cemento pórtland en presencia de humedad, con aumento de volumen e inducen la rotura prematura y pérdida de la prestación de servicio en las estructuras de hormigón que están integrando. Los primeros efectos de la RAS se detectaron en la costa oeste de los Estados Unidos de Norte América, en California en la década de 1930 y son citadas en la bibliografía en los años 1940 por Thomas Stanton [1], a partir de entonces ha sido observada en muchos países del mundo como una de las principales causas que motivan deterioros en el hormigón. Esta reacción deletérea ha dado origen a una enorme cantidad de publicaciones de estudios hechos en obra y en laboratorio y de eventos técnicos realizados principalmente por este tema, como son las reuniones ICAAR y otros y la formación de Comisiones y Comites de studio como es el Comité RILEM ARP T-191. En nuestro país un estudio precursor fue el realizado durante la segunda mitad de la década del ´50 por los Ings. Fava y Colina y los Dres. Cortelezzi y Manuele [2] A partir de este momento se han llevado a cabo numerosas investigaciones en nuestro medio y en el mundo; en Europa el tema cobró importancia a partir de 1980 que es el momento en que comienzan a observarse con mayor asiduidad los efectos desfavorables de la RAS. Como ejemplo podemos citar que existen obras afectadas por RAS en nuestro pais en la mayoria de las provincias .

Figura 1 – Pavimento Corrientes

Figura 2 –Pilar puente dique

Figura 3 – Pila de Puente

La Pampa-Neuquen

Entre Rios

2.- CARACTERÍSTICAS DE LAS ESTRUCTURAS AFECTADAS POR RAS Las manifestaciones externas de una obra afectada por la RAS son fisuras y grietas con un diseño seudo hexagonal (Figura 4), con fisuras características que partiendo de un punto salen aproximadamente a 120 grados, en forma de mapa, a veces con coloraciones mas oscuras sobre los labios de la fisura, expulsión de un material de aspecto de caramelo ámbar claro a marrón brillante, cuando se secan o carbonatan son claras o de color blanco, humedad marcando las fisuras, hinchamiento del hormigón, ondulaciones de las losas, cerrados de juntas de contracción, superposición de losas (Figura 5), roturas en forma de cuña por la presión de hinchamiento, en ocasiones saltaduras de juntas, pop-outs (cráter invertido); cuando la estructura contiene armaduras las fisuras son paralelas a ellas, cuando existen restricciones de borde se orientan con cierto ángulo (p. ej. 45°), habitualmente la abertura sobre la superficie exterior puede variar desde décimas de mm hasta 2 a 3 cm. En el caso de extraer testigos del hormigón afectado es posible observar que esto se produce en toda la masa; generalmente estos hechos están magnificados por aureolas en los agregados (Figura 6), síntomas de corrosión en la interfase árido-mortero, microfisuración de la pasta y a veces de los agregados y coloraciones diferentes en los agregados, mortero o en la pasta o rellenando las fisuras como consecuencia del gel que va penetrando o por los productos de reacción formados.

Figura 4

Figura 5

Figura 6 3.- CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LA RAS Y LOS MECANISMOS DE EXPANSION El hormigón endurecido contiene en su masa una red de capilares y poros que están parcialmente ocupados por una solución salina altamente alcalina, con un pH superior a 12,5 , este fluido esta constituido principalmente por hidróxidos alcalinos disueltos, de sodio (Na+), potasio (K +), Calcio (Ca2+) e hidroxilos (HO -), con contenidos menores de otros elementos tales como SO4 2-, Al+, Fe+,. Los agregados gruesos o finos no son totalmente estables dentro del hormigón dando reacciones en algunos casos benéficas y en otras ocasiones deletéreas. Algunos agregados inestables reaccionan ante un pH elevado, dando compuestos expansivos, que producen tensiones internas, que llegan a provocar la fisuración y pérdidas de la capacidad portante de la pieza. La reacción álcali sílice se produce entre los iones hidroxilos (HO -) de la solución de poros y ciertos componentes silíceos de los agregados, la sílice reactiva no es directamente alterada por los álcalis (Na y K).

Los hidróxidos alcalinos contribuyen inicialmente a la elevada concentración de los iones hidroxilos en la solución de poros y luego a la formación de un gel silicato-álcali expansivo en presencia de calcio (Ca2+). Si bien el Ca+ no interviene claramente en el mecanismo de la reacción, provee de alcalinidad a la solución de poros. Según Powers y Steinour la relación Ca/Si determina el tipo de producto formado, los estudios muestran que estos pueden ser o no expansivos según esa relación y que la expansión disminuye al bajar el contenido de calcio (inhibición de las puzolanas). Otros autores rebatieron la teoría osmótica y propusieron interpretaciones como la presión hidráulica por absorción de agua, teoría del hinchamiento, etc.., algunos de ellos indicaron que las diferencias son solo formales, Diamond [3] 4.- MECANISMOS DE EXPANSION A pesar de que es generalmente aceptado que la reacción química envuelve a numerosos y diferentes mecanismos de expansión, Hansen en 1944 [3] dio su teoría osmótica de la pasta de cemento que envuelve al agregado reactivo para constituir una suerte de membrana semipermeable continua donde el agua de la solución de poros puede atravesarla pero no el silicato iónico complejo. El agua es impulsada dentro del grano reactivo donde la reacción química potencial es menor, produciendo una celda de presión osmótica en la que crece la presión hidrostática que es ejercida sobre la pasta de cemento, inevitablemente ello conduce al fisuramiento del mortero que la rodea. (Figura 7).

Figura 7

5.- CONDICIONES NECESARIAS PARA LA REACCION La reacción deletérea se produce si están presentes simultáneamente las detalladas en I- III, además la temperatura puede acelerar las reacciones al aumentar, luego es necesario tiempo. I)

la presencia de un agregado reactivo conteniendo sílice metaestable

II)

una concentración mínima de iones alcalinos (Na+,K+, Ca2+ y HO-) en el fluido de poros

III)

presencia de humedad elevada,

IV)

una temperatura ambiente que rodea al hormigón normal, no muy baja y

V)

el transcurso del tiempopara que se alcancen las condiciones óptimas para el inicio de la reacción.

En la Figura 8 se muestra un esquema típico de los procesos de la reacción álcali-sílice detectados a través de la medida del aumento de volumen o longitud. Se observa un período de inducción (1) de el cual van movilizándose los iones en la solución de poros hasta iniciar el ataque al agregado reactivo, luego una reacción franca (2) entre los componentes activos con aumento de la velocidad de reacción y por último un amortiguamiento y disminución de la velocidad de reacción (3) (o expansión) por agotamiento de alguno de los factores intervinientes, (p.ej. los álcalis disponibles) hasta llegar a desaparecer y la curva tender a la horizontal según la mineralogía y otras características, la reacción puede ser normal o lenta.

Expansión

3

2

1

Tiempo

Figura 8

1) Reacción álcali-sílice rápida o normal. Rocas que contienen minerales de sílice pobremente cristalizado o metaestable como son: opalo, tridimita, cristobalita y vidrio volcánico, algunas porosas con moléculas de agua. Las manifestaciones externas en el hormigón comienzan a aparecer a partir del año o antes.

2) Reaccion alcali-silice lenta. Las rocas que contienen formas de cuarzo tensionado o deformado (cataclastizadas), con un periodo de inducción muy prolongando y con signos de deterioro externo y fisuración luego de un lapso de 8 a 25 años posteriores a la construcción. 6.- INFLUENCIA DE LOS AGREGADOS REACTIVOS Si consideramos que todos los parámetros vinculados a las proporciones de las mezclas se mantienen constantes, el nivel de reactividad de los agregados generalmente se incrementa con: 1) el contenido de sílice metaestable dentro de la roca, 2) con la cantidad de estas partículas en el agregado, 3) decrece con el mayor tamaño de las partículas de agregado reactivo, 4) a igualdad de la mineralogía aumenta la reacción con la porosidad del agregado, etc. Algunos agregados finos o gruesos principalmente los que producen reacción rápida o normal con ópalo o con vidrio volcánico, como constituyente reactivo, producen un efecto pesimun, es decir, que la máxima expansión se produce para una proporción o tamaño de fracción de partículas reactivas determinadas (Figuras 8 y 9). [5] 7.- INFLUENCIA DE LOS DE HIDRÓXIDOS ALCALINOS EN EL FLUIDO DE POROS Los hidróxidos alcalinos o mejor sus iones (Na+, K+, OH-) en el fluido de poros del hormigón, manejan las características de la RAS y son generalmente una función del contenido de álcali del cemento usado y a veces proceden de los componentes del hormigón o del ambiente que lo rodea. La expansión del hormigón con agregados reactivos generalmente es mayor o crece con el contenido de álcali total en el hormigón (expresada en Na2 O en Kg/m3 ). Sin embargo el umbral de álcali total contenido en el hormigón necesario para iniciar y mantener la RAS (expansión y efectos deletéreos) varía según el agregado utilizado. Figura 9. Los álcalis de otro origen, como el procedente de los agregados [6] (p.ej. feldespatos), que se producen por el intercambio de K o Na por el Ca [7], por agregado marino sin lavar, por aditivos químicos o adiciones minerales pueden contribuir al incremento de iones en la solución de poros y aumentar los efectos deletéreos producidos por la RAS al usarlos.

6%

Figura 8 – Curvas expansión edad para tenores crecientes de ópalo en el agregado [5]

Figura 9 - Efecto pesimun para agregado con diferente tenor de ópalo, influencia de % de álcali total sobre la RAS [5]

También aumenta el riesgo de RAS de los hormigones con agregados reactivos al ser expuestos a descongelantes salinos, agua de mar [8], aguas álcalinas naturales. 8.- INFLUENCIA DE LA HUMEDAD La RAS se desarrolla y sostiene en los elementos de hormigón con humedad interna superior al 80/85% . Para que el gel de la RAS produzca efectos negativos necesita agua, que es la que induce la expansión produciendo la presión destructora dentro del hormigón endurecido. Es común observar en los estudios de pavimentos deteriorados de hormigón suficiente humedad la que produce una situación favorable para la RAS. Esta situación es consecuencia de que se trata de una gran superficie poco permeable, como son las losas continuas, que en algunos casos permiten el ingreso de agua por las juntas y/o fisuras sin sellado o mal mantenidas o bien por las zanjas laterales de desagües. 9.- OTROS FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA RAS O SUS EFECTOS. Condiciones ambientales. Los elementos de hormigón afectados por la RAS y expuestos a ciclos de sol, lluvia y viento como pilas de puentes o elementos en zona de marea o playa, a veces muestran en la

superficie fisuras, provocando tensiones de fisuración en las superficies menos expansivas que las originadas dentro del hormigón por zonas de expansión internas [8]. Otra situación a considerar es que las fisuras en la superficie del hormigón debidas a RAS pueden acelerar otros procesos de deterioro del hormigón como son la corrosión de barras de refuerzo, congelación y deshielo, ataque por sulfatos. Permeabilidad del hormigón y razón agua/cemento. La disponibilidad de humedad en el ambiente y dentro del hormigón, es crítica para el desarrollo de las reacciones químicas de la RAS y para el desarrollo de deterioros o expansión debido a la RAS. Una menor razón a/c en el hormigón generalmente tiende a mejorar las propiedades mecánicas, menos contenido de agua libre en el interior, menor permeabilidad y reduce el ingreso y el movimiento de agua dentro del hormigón, a veces algunos de ellos inducen a comportamientos contradictorios si se analizan diferentes periodos. Investigaciones llevadas a cabo por el laboratorio de la Universidad de Laval y el CANMET han mostrado que para hormigón de cemento pórtland normal de similar contenido total de álcali, al variar la a/c de 0,35 a 0,55, el empleo de la menor razón a/c conduce a una reducción de la expansión por RAS. Aire intencionalmente incorporado. Es conocido que el aire incorporado al hormigón reduce la expansión debida a la RAS, pero generalmente no alcanza para prevenir la expansión y entonces luego de un periodo se producen los efectos deletéreos. La razón por la cual disminuyen parte de los efectos deletéreos de la RAS son similares a los que evitan la congelación y el deshielo, es decir, las burbujas de aire se comportan como pequeñas cámaras de contención o recepción de los productos (geles) impidiendo se generen tensiones, pero solo hasta que sean colmatados, a partir de ese momento comienzan los efectos deletéreos normales.[9] Efectos de los refuerzos de acero y otras restricciones sobre las piezas de hormigón. En el caso de presentarse la RAS en estructuras de hormigón armado en la superficie es visible que las fisuras presentan una disposición paralela a la dirección que están colocados los hierros, ello es coherente si se analiza las solicitaciones en esos lugares. 10.- EVALUACIÓN DE LA REACTIVIDAD DE LOS AGREGADOS PARA EL HORMIGÓN Algunas especificaciones para la elaboración del hormigón establecen en muchos casos que los agregados sean evaluados por su potencial de reactividad alcalina antes de ser usados. Esto puede ser analizado mediante diferentes enfoques según la envergadura de la obra y la información disponible. Es

conveniente hacerlo mediante la observación del comportamiento de obras (in situ) similares, realizadas con los agregados en estudio o sino mediante la utilización de ensayos acelerados de laboratorio. 10.1.- Observación de estructuras de hormigón con agregados en estudio Para obtener información sobre el comportamiento de los agregados, de su potencial reactivo, el hormigón deberá ser evaluado por la observación del comportamiento “in situ” de suficientes estructuras aplicando los siguientes criterios. El agregado usado en el hormigón investigado debe provenir del mismo nivel estratigráfico como el de la procedencia del agregado propuesto para usar o ser petrograficamente igual. Las estructuras a estudiar y observar deben tener mas de 10 o 15 años de antigüedad según la constitución mineralógica de los agregados. El hormigón de esas estructuras debe estar hecho con cemento pórtland sin AMA, pues estas previenen los efectos deletéreos, expansiones y fisuras producidas por la RAS. El contenido de álcalis de este cemento debe ser similar o mayor al que se propone utilizar. El ambiente y el entorno de exposición, especialmente la disponibilidad de humedad será igual o mas severa que las que deberá soportar la obra nueva. El número mínimo de estructuras ha observar puede ser variable de acuerdo a la amplitud de criterio y el tipo y semejanza de las estructuras observadas, a modo indicativo un diagnóstico para una evaluación aceptable debería estar basado, por lo menos, en la observación de tres estructuras. 10.2. Estudio de los agregados en laboratorio Cuando no se cuenta con información obtenida del comportamiento de las estructuras en el campo, es necesario evaluar los agregados, se debe proceder a evaluar la reactividad potencial según el esquema que se presenta en la Figura 10, del cual se describen los pasos a continuación.

PROGRAMA DE ESTUDIO EN LABORATORIO

EXAMEN PETROGRÁFICO Y MINERALÓGICO

Método del prisma de hormigón

Expansión mayor que el límite

Aceptado

Método acelerado de la barra de mortero

Expansión menor que el límite

Expansión mayor que el límite

Expansión menor que el límite

Aceptar Rechazo o estudio de medidas preventivas

Aceptar

Figura 10 - Esquema sugerido para el estudio de la reactividad del agregado frente a la RAS A veces se considera como buena práctica el obtener las muestras de las pilas, que son representativas de la forma de trabajo y optimización de una procedencia. Esta alternativa es interesante ante yacimientos de petrografías homogéneas de rocas o muy heterogénea como depósitos de arenas y/o gravas de terrazas o márgenes de ríos con muestreo periódico. Los agregados en estudio habitualmente requieren ser evaluados en corto tiempo con ensayos rápidos, seguros, simples y reproducibles, es usual usar métodos acelerados. En la Figura 10 anterior se puede observar un esquema tentativo de los pasos del estudio. Es normal iniciar los estudios del agregado aplicando el Examen petrográfico IRAM 1649. Este se basa en que un geólogo con experiencia en el tema examine mediante lupa la superficie de los agregados, haga cortes delgados para observarlos, usando microscopio óptico de polarización, estos estudios

pueden ser complementados por DRX, EDAX, SEM, análisis químico y análisis de imágenes, para identificar la presencia y distribución de material potencialmente reactivo en los agregados. Con el fin de decidir la reactividad potencial del agregado es conveniente aplicar el punto 2.2.9.5 del Proyecto de CIRSOC (2002). Ver Anexo I. Cuando el agregado no contiene rocas reactivas conocidas, y no se detectan constituyentes silíceos reactivos el agregado puede ser clasificado como no reactivo. Cuando la muestra de agregado contiene rocas reactivas y/o constituyentes silíceos reactivos en cantidades evaluadas como dañinas para el hormigón se deben tomar medidas tendientes a prevenir la RAS. Mientras que los agregados que no pueden ser clasificados en forma inequívoca como reactivos o no reactivos deben ser evaluados mediante estudios adicionales de reactividad en morteros y hormigones.. Método acelerado de la barra de Mortero. IRAM 1674 La reactividad potencial alcalina de los agregados puede ser estudiada mediante el ensayo acelerado de barras de mortero (conocido como NBRI), es un ensayo que permite evaluar el potencial RAS de agregados finos o gruesos en 16 días. Consiste en hacer barras de mortero de 25x25x285 mm con un mortero de cemento y arena con granulometría, proporciones, razón a/c y mezclado determinado y someterlas a un tratamiento de una solución de hidroxido de sodio a 80°C y medir periódicamente la expansión hasta 16 días. Para considerar a un agregado como no reactivo la expansión a los 16 días debe ser menor a 0,100 %. Si resulta una expansión mayor de 0,200 % el agregado en estudio debe ser considerado reactivo frente a los álcalis y por lo tanto desechado o se deben tomar precauciones, en el caso de decidir usarlo, para evitar los efectos deletéreos provocados por la RAS. Si el valor de la expansión resulta comprendido entre 0,100 y 0,200 % se debe tomar al agregado como marginal y será necesario hacer estudios ampliatorios que permitan catalogar fehacientemente el comportamiento frente a la RAS. Es interesante destacar que existen estudios en el ambito local [10] e internacional, que muestran que en el caso de analizar rocas que contienen cuarzo tensionado, microcristalino, criptocristalino, el límite para considerar al agregado no reactivo debe ser reducido a 0,080% a 16 días. Existen algunos agregados de este tipo petrográfico que este ensayo no los pone de manifiesto por lo que se aconseja profundizar mediante un estudio minucioso petrográfico-mineralogico y utilizar el método de los prismas de hormigón IRAM 1700 para confirmar el comportamiento.

Método de los prismas de hormigón. – IRAM 1700 El Método de los Prismas de Hormigón está especificado por IRAM 1700. Este ensayo fue normalizado en el año 1999 y es el mas conveniente para estudiar reactividad de un agregado o del conjunto de agregados finos y gruesos. La mezcla de hormigón tiene un contenido de cemento pórtland de 420 Kg/m3 con un contenido de álcalis de 0,9 ± 0,1 expresado en Na2 O, razón a/c = 0,42-0,45, el contenido de álcalis totales en el hormigón debe ser incrementado a 1,25 % Na2 O en masa del cemento, para lo cual se agregará NaOH en el agua de mezclado, el asentamiento debe estar próximo a 8 cm, el contenido de aire menor del 2%. Luego las probetas se miden y se someten a un estacionamiento a 38°C y humedad elevada (saturado) hasta un año. El estudio de diferentes agregados conduce a curvas de crecimiento de la expansión en el tiempo como se observa en las Figura 11. En

los

prismas

hechos

con

agregados fuertemente reactivos se observa

una

rápida

expansión,

también manchas y geles a veces aparecen fisuras, todo debido a la RAS y con el tiempo es común se produzca un

aplanamiento de la

curva de expansión, o sea una Figura 11 Aspecto superficial de un prisma de hormigón al cabo de un año ensayado según IRAM 1700.

disminución de la velocidad de reacción.

A la edad de un año se

aconseja

observar

detalles

de

superficie para detectar geles y fisuras y a veces, completar con estudios de la microestructura por microscopía óptica a fin de confirmar los efectos de la reacción deletérea

En la Figura 11 se muestra la

superficie de un prisma de hormigón a la edad de un año ensayado según norma IRAM 1700, conteniendo un agregado muy reactivo. Se observa en la superficie fisuras , coloraciones diferentes, geles y algunas saltaduras (no muy común). A veces las probetas no presentan signos muy evidentes de reacción sobre la superficie pero si expansiones que superan los límites, ante situaciones como esta es conveniente estudiar la microestructura

del hormigón para confirmar esta reacción. En la Figura 12 se muestra un corte delgado con efectos provocados por la RAS, con microscopio óptico y electrónico de barrido (SEM).

Figura 12 – Corte delgado a) con microscopio óptico y b) observación por SEM Para evaluar los resultados de los estudios de los agregados por el método de los prismas de hormigón es usual aceptar el límite