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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.2 Santiago ago. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000200002 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 24 N°2, Agosto de 2009 www.ing.puc.cl/ric PAG. 141- 152

 

Métodos de evaluación de las reacciones álcali-sílice en hormigones con áridos reciclados

 

Miguel Barreto Santos*, Jorge de Brito**1, António Santos Silva***

* Instituto Politécnico de Leiria, PORTUGAL

**Universidad Técnica de Lisboa, PORTUGAL

***Laboratorio Nacional de Ingeniería Civil, PORTUGAL

Autor de correspondencia:


RESUMEN

Las reacciones álcali-sílice son una de las causas químicas de la degradación de los hormigones con áridos pétreos (HAP) que comprometen su durabilidad. La introducción de áridos reciclados (AR) en los hormigones produce alteraciones en sus propiedades y diferencias en los resultados de los ensayos de evaluación de las RAS. Se encuentran en la bibliografía algunos cuidados en la evaluación de los AR y de los hormigones con áridos reciclados (HAR) en cuanto a la RAS, así como propuestas de modificación de las metodologías de ensayo existentes. Existen propuestas de modificación del ensayo acelerado de mortero y hormigón con AR para acelerar las reacciones y recomendaciones para evitar alteraciones en las características del AR grueso, durante la preparación de probetas. Algunos artículos recomiendan la pre-saturación del AR, debido a su absorción de agua, para evitar variaciones en los resultados de expansión de probetas de hormigón a edades prematuras. El presente artículo pretende describir sucintamente las características de los HAR y de las RAS presentando observaciones de la bibliografía en cuanto a los métodos de evaluación de las RAS en HAR y en HAP.

Palabras Clave: Hormigones con áridos reciclados, reacciones álcali-sílice, durabilidad, degradación


 

1. Introducción                                     

El ataque por reacciones sulfáticas internas y por reacciones álcali-árido puede provocar la de-gradación del hormigón a través de las denominadas "reacciones expansivas de origen interna". Las reacciones álcalis-árido (RAA) engloban las reacciones álcali-sílice (RAS), álcali-silicato y álcali-carbonato, aunque sean las RAS las que vienen presentando una mayor relevancia.

En los hormigones con áridos pétreos (HAP), la alteración de las propiedades del hormigón debido a las RAS origina principalmente la disminución de la capacidad de flexión y tracción, la reducción del módulo de elasticidad y, aunque en menor escala, de la resistencia a compresión. La reacción causa además otros efectos en el hormigón como son, por ejemplo, el aumento de volumen o la fisuración de la superficie del hormigón, abriendo un camino preferente para la entrada de los agentes externos agresivos que aumentan la susceptibilidad de las estructuras a los problemas de corrosión de la armadura, ciclos hielo-deshielo, entre otros.

Entre las estructuras más afectadas por esta reacción deletérea se destacan las presas, los puentes, los muelles y los pavimentos de carreteras, aunque existan también registros del surgimiento de RAS en otros tipos de estructuras de hormigón.

Existe un conjunto de recomendaciones internacionales con relación a la temática de la prevención y mitigación de la reacción expansiva en los HAP. En Portugal, dichas recomendaciones se encuentran descritas en la Especificación E461 del Laboratorio Nacional de Ingeniería Civil (LNEC) intitulada "Hormigones. Metodologías para prevenir reacciones expansivas internas" (LNEC E461, 2006).

La incorporación de áridos reciclados (AR) en hormigones altera sus características, obligando a algunos cuidados en los métodos convencionales de evaluación de las RAS. En los próximos capítulos, se describen sucintamente las propiedades de los hormigones con áridos reciclados (HAR), la problemática de las RAS en HAP y algunas observaciones en cuanto a las metodologías de ensayo de las RAS en HAR.

2. Hormigones con áridos reciclados

Los AR tienen varias aplicaciones, como refieren Brito (2005), Carrijo (2005), Miranda (2000) y Hansen (1992), que incluyen utilizaciones en las capas de base y súbase de pavimentos de carreteras o en terraplenes con características diversas que no implican una selección tan rigorosa de sus componentes. En aplicaciones más exigentes, como morteros u hormigones estructurales, es necesario tener un conocimiento más profundo de las potencialidades y limitaciones de los AR que serán incorporados en las mezclas.

La granulometría y el proceso de trituración del árido, dando formas y texturas a las partículas, influencian la resistencia mecánica, la trabajabilidad y el consumo de cemento en los HAR (Brito, 2005).

Se ha constatado, por análisis de la bibliografía, que las características del mortero adherido son la principal causa de la disminución de la resistencia mecánica de los AR. Alaejos e Sánchez (2004) afirman, por ejemplo, que no se deberían utilizar AR provenientes de hormigones con va-lores de resistencia a compresión inferiores a 25 MPa.

Las referencias bibliográficas relatan, en su generalidad, una disminución de la trabajabilidad del HAR tanto mayor cuanto mayor es la tasa de sustitución de áridos pétreos (AP) por AR, en parte debido a la mayor absorción de agua de los AR, como verificado en las campañas experimentales de Santos (2002), Matías e Brito (2005) e Evangelista (2007) para una relación agua/cemento (a/c) efectiva constante. Esta alteración en la propiedad del hormigón fresco puede ser atenuada, por ejemplo, según las recomendaciones de Alaejos et al. (2004), mediante la cuantificación de la cantidad adicional de agua a juntar al hormigón durante su producción, la presaturación de los áridos o la utilización de adyuvantes (materiales cementicios suplementarios o adiciones minerales).

La diferencia entre la resistencia a compresión del HAR y la del HAP aumenta con el aumento de la clase de resistencia del hormigón. Sin embargo, manteniendo la curva granulométrica de los áridos y la trabajabilidad del hormigón fresco idénticas, la resistencia del HAR comparada con la del HAP viene presentando valores satisfactorios (Brito, 2005). No obstante, existen algunos condicionantes adicionales a tener en cuenta como, por ejemplo, el consumo de cemento, la tasa de sustitución, el porcentaje de áridos finos en la mezcla y el tipo de árido, la relación a/c y la utilización de adyuvantes. Cuanto a la resistencia a tracción, Brito (2005), en su lección de síntesis, considera que la diferencia entre los valores se mantiene con la introducción de AR en el hormigón, aunque de manera menos acentuada que en la resistencia a compresión.

La rugosidad de los áridos es normalmente superior en los AR relativamente a los AP contribu-yendo para una mejora en la resistencia a la abrasión, aunque el comportamiento de los HAR y HAP con respecto a la abrasión pueda depender también de la relación a/c efectiva adoptada en cada uno, de la porosidad, de la irregularidad de la superficie de los áridos así como del contenido de ligante. Se registra en la bibliografía una tendencia para la disminución del módulo de elasticidad y un aumento de la retracción relativamente al HAP con el aumento de la tasa de sustitución de AP por AR (Brito, 2005).

La permeabilidad de los hormigones es uno de los factores comprometedores de su durabilidad, permitiendo el surgimiento y agravamiento de algunas causas de deterioración como la carbona-tación, el ataque por cloruros e el desarrollo de RAS. La porosidad de los LLAR, como comentado por Levy (2001) en su estudio sobre la durabilidad de los LLAR, contribuye para que estos hormigones estén más susceptibles a la influencia de los agentes externos.

3. Las reacciones álcali-sílice

Las condicionantes de la durabilidad del hormigón pueden tener origen química o física. Las causas químicas de la degradación del hormigón son (Santos Silva, 2007):

•  ataque por el agua del mar;

•  ataque por sulfatas;

•  ataque por el agua dulce y medios ácidos;

•  ataque bioquímico;

•  corrosión de la armadura;

•  reacciones expansivas internas.

Las RAS, que están englobadas en las reacciones expansivas internas del hormigón y que son del ámbito del estudio en este artículo, se definen como la reacción entre la solución alcalina y algunos minerales de sílice que, en presencia de agua, genera un gel expansivo. Para que la RAS ocurra es necesaria la presencia en simultáneo en el hormigón de contenidos suficientes en humedad, álcalis y áridos reactivos (Fernandes, 2005).

Una de las principales fuentes de suministro de álcalis es el cemento aunque, como también indica el informe técnico TR3 (2003), cualquier fuente de sodio o potasio pueda ser una contribución para el desarrollo de la reacción. Así, la cantidad en álcalis del hormigón debe contabilizar también las diversas fuentes internas y externas que sean potenciales suministradoras de álcalis, concretamente los álcalis de los áridos.

El oxido de sodio equivalente (Na2Oeq = Na20 + 0.658 x K20) es utilizado, por convención, para indicar el contenido en álcalis del cemento Portland, siendo normalmente limitado, como forma de mitigar la RAS, a valores inferiores al 0,6% (ASTM C150-02, 2003), si bien algunos autores (Stievenard-Gireaud, 1987; Prince e Perami, 1993), recomienden limites inferiores. Las recomendaciones más actuales recomiendan que el control del contenido en Na2Oeq del hormigón sea igual a la suma del contenido en Na2Oeq de sus constituyentes, con el límite de 3 kg/m3, excepto para las estructuras vulnerables cuyo valor es aún menor.

El mecanismo reaccional de la RAS ha sido del ámbito de estudio de diversos investigadores co-mo Dent Glasser y Kataoka (1981a, b), Chatterji (1989), Hobbs (1988) entre otros. Las diversas contribuciones científicas han conducido a la explicación del mecanismo reaccional de la RAS actualmente para dos modelos distintos, el modelo topoquímico y el modelo de disolución - precipitación (Santos Silva, 2006). En el modelo topoquímico la reacción es descrita como siendo desarrollada en la superficie de los áridos reactivos, sin que necesariamente exista un traslado de especies reactivas del árido para la solución. En el modelo de disolución - precipitación la reacción es desarrollada en la solución intersticial después del cambio al estado iónico de las diversas especies reactivas. Las teorías de formación del gel sílice-alcalino y de su expansividad son actualmente también encuadradas en estos dos modelos.

La expansividad del gel formado por el desarrollo de la RAS provoca la degradación del hormigón a través de diversos efectos mecánicos tanto para el material como para la estructura. Normalmente, la degradación del hormigón por RAS puede tardar algún tiempo en manifestarse y la sospecha de su existencia se acentúa con el surgimiento de fisuras, exudaciones, eflorescencias, pop-outs, descamaciones y expansión de la estructura. El diagnostico in situ es posteriormente confirmado a través del análisis microscópica en laboratorio.

La figura 1 ilustra algunas estructuras afectadas por RAS con fisuración típica de la reacción.

Figura 1. Manifestaciones macroscópicas de RAS. Fuente: figura a) (Pecchio et al., 2006); figuras b) y c) (Santos Silva 2007)

No existe todavía una solución doradora de reparación de las estructuras afectadas por RAS, por lo que (Santos Silva, 2007), para asegurar la durabilidad de las estructuras frente a esta reacción deletérea, es necesario tomar medidas preventivas y seguir las recomendaciones en la elección de los materiales, sea mediante la utilización de áridos no reactivos a los álcalis, la reducción en alcalinidad de la solución intersticial del hormigón o el control de la humedad.

Sin embargo, existen algunos materiales que, introducidos en la mezcla del hormigón, o en algunos casos, en estructuras afectadas por RAS, pueden mitigar estas reacciones. Además de las adiciones minerales tipo II, las adiciones químicas a base de sales de litio son los materiales más citados en la bibliografía.

4. Investigación sobre métodos de evaluación de las ras en har

En el IIth ICAAR, los investigadores Gress e Kozikowski (2000) presentaron un artículo en el que estudiaron alteraciones en las metodologías de diversos métodos de ensayo de las RAS en los HAP y en los HAR, para acelerar las reacciones y evitar largos periodos en espera de resultados. Estos autores justificaron la investigación con la necesidad de existir un ensayo acelerado, que evalúe el AR y su incorporación en el HAR, para que la mezcla pueda ser rápidamente evaluada. Esta carencia surgió en la secuencia de la degradación de diversos quilómetros de un pavimento, en Estados Unidos, debido a la RAS. La posibilidad del reciclaje ser una opción para la rehabilitación del pavimento condujo a la necesidad de estudiar la reactividad del AR y la continuación de la RAS en el HAR tras el aumento del contenido en álcalis.

Los ensayos realizados se basaron en los ensayos acelerados de mortero y de hormigón, de acuerdo con las normas ASTM C 1260yASTMC 1293 respectivamente, aunque utilizando prismas de hormigón con diferencias en la forma y en el modo de conservación. Los ensayos fue-ron acelerados, más allá de lo estipulado en dichas normas, a través de aumentos de temperatura, aplicación de energía de microondas, utilización de energía ultra-sónica e incrementos del contenido en álcalis. El ensayo ASTM C 1260, por ejemplo, es rápido en evaluar los AP usando pequeñas probetas de 25 x 25 x 280 mm, pero no fue empleado para evaluar los AR debido a las restricciones al tamaño máximo de los áridos en los pequeños moldes. Por eso, estos autores pro-pusieron que las dimensiones de las probetas de ensayo ASTM C 1260 fueran alteradas a prismas de 76.2 x 76.2 x 279 mm. El ensayo ASTM C1293, semejante al AAR-3 de la RILEM, es considerado por estos autores el ensayo más adecuado para relacionar el comportamiento del hormigón in situ con el comportamiento en laboratorio. Aún así, dado que el ensayo tiene la duración de un año, Gress e Kozikowski (2000) proponen modificaciones al ensayo, en concreto, el empleo de temperatura más elevada y diferentes condiciones de humedad con las probetas sellados en vacuo en un plástico con agua, intentado así obtener resultados de expansión correlacionadles estadísticamente con el ensayo ASTM C 1293, pero en menos tiempo.

En la campaña experimental utilizaron AR gruesos provenientes del hormigón con RAS del pavimento reciclado, AP utilizados en el hormigón de origen (HO) del pavimento y AP finos ino-cuos. Los resultados del ensayo modificado ASTM C 1260 con alteraciones en la forma de las probetas (sólidos, con agujeros, con recortes laterales, entre otros) y el contenido de álcali, figura 2, muestran que el AR presenta una expansión menor que el AP, utilizando un cemento con Na20eq de 1.15%, siendo justificado por estos autores con la menor reactividad del AR por unidad de volumen y su mayor porosidad para contención del gel sílice-alcalino sin expandirse. Se verifica, de esta manera, que el HAR se expande menos que el HAP, aunque ocurra lo contrario con el aumento de álcalis.

Figura 2. Resultados del ensayo ASTM C1260 modificado con (A) AP, (B) AR y 1.15% de Na2Oeq, (C) AR y 1.37% de Na2Oeq (Gress y Kozikowski, 2000)

 

Gress y Kozikowski observaron aún una buena correlación entre los resultados obtenidos en los ensayos modificados ASTM C 1293 y en los ensayos efectuados con energía de microondas. Concluyeron que las alteraciones introducidas en los ensayos ASTM C 1260 y ASTM C 1293 aceleraron efectivamente la RAS. Igualmente el ensayo de energía de microondas produjo efectos en el desarrollo acelerado del fenómeno expansivo. El análisis de ensayos modificados y la investigación de la RAS en HAR fueron del ámbito del estudio de Scott (2006). Este autor trabajó en la mitigación de la RAS en HAR investigando la reactividad de los HAR con AR de hormigón que había exhibido degradación debido a la RAS. Investigó también la hidratación inicial de los HAR y los resultados de las modificaciones introducidas en los ensayos ASTM C 1260 y ASTM C 1293. En su revisión bibliográfica, refiere la escasa información existente sobre la RAS en los HAR, aunque en la que pudo consultar, sea recomendado que se efectúen ensayos previos de reactividad a la RAS en los AR. Con relación al origen del AR y a la RAS, para Scott (2006), o el AR proviene de un hormigón con degradación por RAS, o entonces de un hormigón donde no se observó cualquier indicio de esta reacción deletérea. Así, en el caso de que el HAR contenga AR de hormigón que haya estado sujeto a degradación por RAS, ésta pueda ahora no ocurrir al haberse extinguido en el HAP de origen. Por otro lado, puede nunca haber ocurrido por falta de condiciones ideales para su desarrollo y surgir ahora en el HAR si dichas condiciones son halladas. Puede también pasar que el AR utilizado pro-venga de un hormigón que haya reaccionado solo parcialmente, pudiendo en este caso ocurrir de inmediato la degradación debido a la RAS en el nuevo HAR, lo que puede significar la disminución de la vida útil de la estructura. Este mismo investigador refiere además otras condiciones que pueden influir en la degradación del HAR debido a la RAS por incorporación de AR de hormigón que reaccionó solo parcialmente, como:

•  la variación del valor del pH, por ejemplo, en el caso de que el pH del HAP tenga valores no compatibles con la RAS puede después, cuando se incorpore el AR de hormigón en una mezcla en la que el pH sea elevado, desarrollar RAS;

•  el proceso de reciclaje y alteraciones en el medio, por ejemplo, del HAP en que las RAS no ocurrieron por falta de condiciones favorables, puede accionar las reacciones expansivas;

•  los álcalis presentes en el gel sílice-alcalino de los AR de hormigón en el que ocurrieron las RAS pueden ser prejudiciales en el HAR ya que pueden contribuir para el nuevo desarrollo de las RAS;

•  los álcalis del cemento y del AR pueden causar un aumento del pH en el HAR que puede ser más agresivo que el del HO en que el cemento era la única fuente de álcalis.

En la campaña experimental, Scott (2006) utilizó cemento de elevado contenido en álcalis y, como áridos gruesos, un árido de control de Blue Rock y un AR de hormigón de un pavimento con AP de Blue Rock, también utilizado por Li (2005) en su trabajo, conocidos por su reactividad. Utilizó una arena no reactiva como AP fino y un AP grueso calizo, que sirvió de control para verificar si, además de los áridos gruesos reactivos, algún otro material contribuía para la RAS. Aplicó, para evaluación de la reactividad del material los ensayos ASTM C 1260 y ASTM C 1293. Asimismo, estudió también ensayos alternativos para acelerar la obtención de resultados, modificando las dimensiones de las probetas, introduciendo corriente eléctrica en las probetas de hormigón y variando las condiciones de humedad y temperatura de los ensayos. Dichas alteraciones tuvieron como base los trabajos de Kozikowski (Gress e Kozikowski, 2000; Kozikowski, 2000).

La utilización del ensayo ASTM C 1260 para el AR es comentada por Scott (2006), refiriendo que la reducción del tamaño de las partículas de AR para incorporación en la mezcla de mortero provoca la pulverización de la matriz de los áridos. El proceso de pulverización rompe el AR dividiendo el árido en AP y en mortero adherido, no ensayando el AR como conjunto. Este investigador examinó la reactividad del AP contenido en el AR, tras la separación del mortero adherido, mediante el ensayo ASTM C 1260. Las alteraciones al ensayo de la barra de mortero ASTM C 1260 consistieron en la sustitución de la barra de mortero por prismas de hormigón utilizados en el ensayo ASTM C 1293, pero utilizando las condiciones del ensayo ASTM C 1260, excepto en el valor limite de expansión que fue alterado de 0.10 para 0.04% a los 28 días. Analizó también la influencia de la sustitución de la barra de hormigón por un cubo con agujeros laterales, que facilita la entrada de la solución de NaOH, aumentando de esta manera la cinética de las reacciones. En el ensayo de prismas de hormigón, preconizado por la norma ASTM C 1293, este autor introdujo alteraciones en las dimensiones de las probetas, utilizando también cubos con agujeros late-rales pero sellados en vacuo en un plástico, uniformizando la distribución de la humedad.

Considerando que la protección catódica del acero, aunque protegiendo la armadura, promueve las RAS, Scott (2006) estudió también un método de acelerar la reacción para la obtención de resultados más expeditos a través del pasaje de corriente eléctrica - Figura 3.

Figura 3. Ensayo de expansión con introducción de corriente eléctrica (Scott, 2006)

Scott (2006) en los ensayos de expansión observó que los HAR producidos tenían una elevada expansión inicial, que atribuyó a la absorción de agua de la mezcla durante la hidratación inicial de hormigón. Así, como también referido por Li (2005), presaturó los AR antes de su introducción en las mezclas testadas, rellenando sus poros y asumiendo que de esta manera eliminaría las expansiones iniciales. Colocó los AR de hormigón en agua durante 48 horas y utilizó el agua de la pre-saturación para introducir en la mezcla, evitando la pérdida de álcalis. Experimentó también, en otro conjunto de AR, la saturación por vacuo, de forma a cuantificar solamente las expansiones debidas a la RAS. Con las metodologías descritas, observó el efecto de algunas adiciones minerales, como cenizas volantes, escoria de alto-horno y sílice de humo, tal como el efecto de cemento de bajo contenido en álcali y la introducción de nitrato de litio en la mitigación de la RAS en los HAR. De estas estrategias verificó que únicamente el cemento de bajo contenido en álcalis, 55% de escorias de alto-horno, 25% de cenizas volantes o 100% de nitro de litio, fueron efectivos en la mitigación de la RAS, aunque tuvieran que ser considerados los procedimiento de preparación inicial de los áridos. Confirmó también el mayor contenido en álcalis solubles existente en el AR de hormigón estudiado, con relación al AP de control, que atribuyó a la fracción de mortero del AR. En sus conclusiones, este investigador considera que los ensayos a la RAS en AR de hormigón deberían ser enfocados en las características del material, incluyendo las tasas de absorción, de fracción de mortero y de álcalis libres. Comenta aún que los resultados de las alteraciones de los ensayos que efectuó, aunque proponiendo en algunos casos la continuación del seguimiento, mostraron correlaciones satisfactorias.

Las elevadas expansiones iniciales de los hormigones fueron también observadas en el trabajo de Li (2005) sobre la mitigación de la RAS en HAR. No obstante, lo dicho autor comenta que las expansiones son más evidentes en los ensayos con hormigones que con morteros, lo que justifica con el pequeño tamaño de las partículas.

La metodología de ejecución del ensayo acelerado de la barra de mortero fue modificada por algunos investigadores como Li (2005), Scott (2006), Etxeberria (2004) o Shehata et al. (2008) entre otros, para testar la reactividad del AR. Los dichos investigadores consideran que el ensayo de la barra de mortero para testar la reactividad de los AR se debe hacer separadamente al árido y al mortero adherido que constituye el AR. La polvorización del mortero adherido, durante la reducción del árido para introducción en la mezcla, altera las características del conjunto de los AR.

Shehata et al. (2008) consideran también que en el ensayo acelerado de la barra de mortero se deben utilizar los AR finos provenientes de la trituración secundaria, es decir, de los AR gruesos. Se observaron diferencias en los valores de la expansión de los morteros producidos con AR finos de la trituración primaria del hormigón de origen y de la trituración secundaria de los AR gruesos. En su investigación, verificaron igualmente la existencia de la reactividad en HAR producido con AR provenientes de HAP afectado por la RAS. Estos autores creen que la reactividad hallada en el HAR fue potenciada con la trituración del HAP, produciendo nuevas faces frescas de contacto entre los AP reactivos y el nuevo cemento de la mezcla, causando expansiones en el nuevo hormigón.

5. Conclusiones

Se ha verificado que los ensayos de moteros para evaluación de la RAS, aunque más céleres, pueden suscitar variaciones de resultados debido a la fragmentación del AR, para el ensayo, que provoca la pulverización del mortero adherido, creando AR fino con características distintas del AR grueso original. Algunos estudios presentados recomiendan que se ensaye separadamente el mortero adherido y el AP, constituyentes del AR, o que únicamente se utilice para el ensayo el AR resultante de trituración de AR, es decir, de una trituración secundaria. Existen también pro-puestas de modificación del ensayo acelerado ASTM C 1260 para el caso del AR empleando probetas de hormigón para evitar alteraciones en las características del AR grueso.

Debido a la absorción de agua del AR, algunos artículos recomiendan su presaturación para evitar variaciones significativas en los resultados de expansión de probetas de hormigón a edades prematuras.

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E-mail: jb@civil.ist.utl.pt

Fecha de recepción: 22/ 06/ 2009 Fecha de aceptación: 20/ 07/ 2009

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