REACTIVIDAD SILICE-AGREGADO EN EL CONCRETO; EVALUACION Y

MÉTODO DE ENSAYO

Ing. Wilfredo Mandujano V.

Ing. Wilfredo Quintana ARPL tecnología Industrial

1. RESUMEN El fenómeno dañino de la Reacción Alcali-Silice (RAS) con características expansivas en el concreto o mortero elaborados con agregados reactivos es conocida desde hace mucho tiempo. Este artículo presenta una síntesis de diversos métodos de ensayo para la evaluación de los alcalinos en los cementos y agregados con la finalidad de prevenir y/o controlar la reacción dañina en el concreto o mortero, desarrollados desde la década de los 40 cuando se descubrió el fenómeno expansivo debido a la reacción alcalí-sílice. Presenta también un resumen de los ensayos de reactividad alcalina de agregados usando distintos cementos realizados en los últimos años en el Laboratorío ARPL sobre muestras procedentes de obras en distintos puntos del país, lo cual permite en forma preliminar ubicar geográficamente las canteras de agregados con o sin potencial de reactividad alcalina. Se concluye planteando la necesidad de que los laboratorios de ensayo de materiales pongan a punto los métodos de ensayo relacionados a la RAS de agregados potencialmente reactivos para responder con éxito a la creciente demanda y necesidad de la industria de la construcción por prevenir y/o controlar la RAS y, posteriormente poder elaborar un mapa geológico de caracterización de los agregados. 2. LA SITUACION ACTUAL EN NUESTRO MEDIO DEL PROBLEMA DE LA RAS A pesar que el conocimiento del fenómeno dañino de la RAS en el concreto y mortero data de los años 40, el uso y aplicación de éste no se han dado en nuestro medio debido, posiblemente, a que los agregados usados en la industria de la construcción no presentaban características reactivas. Sin embargo, en los 2 o 3 últimos años el laboratorio ARPL ha efectuado ensayos de reactividad alcalina para la industria del concreto y la construcción debido a que han estado efectuando obras en distintos puntos del país usando agregados de canteras cercanas a la obra de desconocido potencial de RAS.

En el Laboratorio ARPL desde hace tiempo se ha venido implementado la mayoría de los principales métodos de ensayo para la evaluación de los álcalis en los cernemos y la reactividad potencial álcali-sílice de los agregados; y se han realizado ensayos con propósitos particulares. Debido a la creciente demanda por los ensayos relacionados a la RAS, el Laboratorio ARPL es consciente de la necesidad del permanente entrenamiento de los analistas y del conocimiento del fenómeno para un eficiente trabajo en vista que la naturaleza misma de los métodos de ensayos normalizados encierran ciertas deficiencias -que se vienen discutiendo por ejemplo en el seno de los comités CO9 y CO1 de ASTM- que implica habilidad y destreza de los operadores de manera de obtener resultados precisos y exactos. Este trabajo es parte de este propósito. 3. FUNDAMENTOS TEORICOS 3.1. PROCEDENCIA DE LOS ALCALIS Los álcalis disponibles, capaces de reaccionar con la sílice reactiva de los agregados, provienen básicamente del cemento y del agregado, pero también pueden provenir de las puzolanas y aún del medio ambiente: - ALCALIS PROVENIENTES DE LOS MINERALES DEL CEMENTO -'

Es conocido que durante la fabricación del clínker de cemento Pórtland se presenta el ciclo de los álcalis los cuales, debido a su alta volatilidad, gran parte salen con los gases del horno pero la otra parte precipitan sobre el clínker como sulfatos o se incorporan dentro de los cristales de las fases del clínker.

Trabajos como los de Leslie Struble y Sidney Diamond identificaron la distribución de los álcalis en las distintas fases del clínker identificándolos como sulfatos alcalinos (K,Na)SO4, langbeinita cálcica K2Ca2(SO4)3, y C3A modificado por álcali y demostraron su solubilidad e influencia sobre la RAS. Por otro lado, aunque no especifica claramente su finalidad. la norma ASTM C1l4, además del procedimiento para la determinación de los álcalis totales; indica un procedimiento por álcali soluble o xxx

- ALCALIS PROVENIENTES DE LAS PUZOLANAS Otra fuente de álcalis son las puzolanas naturales o artificiales. Algunas normas técnicas especifican límites máximos de álcalis disponibles cuando se va usar en la elaboración de concretos con la finalidad de prevenir la expansión debida a la RAS.

- ALCALIS PROVENIENTES DE LOS AGREGADOS

Muchos agregados tienen naturaleza u origen volcánico con composición andesítica o reolítica que pueden liberar álcalis en el concreto o mortero y afectar la RAS con efectos expansivos. David

Stark y colaboradores demostraron que los álcalis pueden ser liberados en cantidades significativas en medios saturados con Ca(OH)2 especialmente de rocas volcánicas como las andesitas e incluso de materiales no reactivos tales como los feldespatos por intercambio iónico, donde el ión calcio de la solución sustituye a los iones sodio y potasio en la estructura del silicato con riesgo de producir expansión.

- ALCALIS PROVENIENTES DEL MEDIO AMBIENTE

Bajo ciertas condiciones, el medio ambiente también puede contribuir a la concentración de álcalis en el concreto.

3.2. LAS REACCIONES ALCALI-AGREGADO Se conocen tresos tipos de reacciones álcali-agregado. La reacción Álcali-Carbonato cuando se utilizan calizas y/o dolomitas como agregados, que es poco extendido y no es propósito de este trabajo, la reacción álcali-silicato que se desarrolla muy lentamente y con insignificante expansión y la reacción Álcali-Sílice que es más amplio con materiales que involucran sílice amorfa, sílice de pobre cristalización o metaestables y que se caracterizan por su relativamente corto tiempo para el inicio y manifestación de la fisuración y resquebrajamiento del concreto debida a la RAS con limitada duración. La fisuración ocurre generalmente dentro de los 5 a 10 años y la reacción se agota en lapso de 10 a 20 años, según datos de M.D.A Thomas et al. En la Tabla N° 1 se indican los principales tipos de agregados potencialmente reactivos. 3.2.1. MECANISMO DE REACClON ALCALI SILICE El fenómeno de la RAS que puede causar la expansión y fisuración de las estructuras del concreto es muy complejo. Muchos autores han elaborado teorías para explicar este fenómeno a nivel de laboratorio desde el descubrimiento por Stanton, T.E. en 1940, Hansen en 1944, Power y Stenior en 1955. K.. Mather y Gogte ambos en 1973 . Diamond en 1976, 1989, Glasser en 1981, Chatterji en 1989 y otros. La teoría más aceptada es la de Power and Stenior. Según ellos, la hidratación de la sílice es catalizada por la presencia de iones hidroxilos en la pasta de cemento, cuya ecuación se puede escribir de la siguiente manera:

OHgelNaOSiOHNaOhSi 2+

−−−→++−−

−−− (1)

Donde el hidroxilo reacciona con los grupos silanol (Si-OH). A altas concentraciones de hidroxilos (OH-), éstos también atacan los enlaces puentes síloxanos fuertes (Si-O-Si) con el siguiente resultado:

OHgel

SiONagel

NaOSiNaOHSiOSi 22 +−

+−−

−→+−−−−−−

(2)

La estructura abierta de la sílice amorfa o vítrea es mucho más fácilmente atacada por los iones OH que la sílice cristalina con SiO2 firmemente limitadas dentro de una ordenada malla cristalina, como el cuarzo. El producto de la reacción arriba señalada es un gel isotrópico pobremente definido de silicato de sodio o potasio que absorbe agua con excepcional capacidad de hincharse trayendo como consecuencia la expansión y fisuración del concreto. Los gráficos 1 y 2 muestran la RAS de los agregados de minerales y rocas silicosas y de rocas volcánicas. 3.2.2. EFECTOS MECANICOS DE LA RAS El siguiente modelo gráfico de Power y Stenior, explica la hipótesis de los mismos sobre la RAS con partículas de ópalo: Zona A: Representa la solución en el poro en una matriz con H2O, K+, Na+, Ca2+, OH-, H3SiO4

- Zona B: Formación inicial del gel de C-N-S-H no expansivo (dependiendo de la concentración de calcio sobre la concentración de Na). Zona C: Difusión a través del gel para reaccionar con el ópalo. Expansivo: Bajo Ca+ → gel N-S-R expansivo. De Seguridad sin peligro: Alto Ca2+ → gel de C-N-S-H no expansivo. Zona D: Para una reacción sin peligro H debe difundirse hacia fuera propiciando espacios en un hidrato (gel) poroso y permitir la difusión de H2O, Ca2+ y Na+" hacia el interior del agregado. Zona E: El Na+ es regenerado cuando el Ca2- reacciona con el gel de N-S-H y libera Na+. 3.2.3. FACTORES QUE INFLUYEN LA REACCIONA ALCALI-SILlCE Muchos son los factores que afectan la expansión debida a la reacción álcali-sílice estudiados por distintos investigadores, entre los factores más importantes tenemos:

a. Finura, cantidad de cemento y contenido de álcalis

El contenido de álcalis de los cementos varían ampliamente de acuerdo a cada fabrica y al tipo de proceso y tipo materias primas que se utiliza en su manufactura. Aparte del contenido de álcalis del cemento, la cantidad total de álcalis del concreto está influenciada por la cantidad de cemento presente y la contribución de álcalis de otras fuentes. agregados, agua de mezcla aditivos químicos y adiciones minerales. Según algunos autores la expansión a una edad dada del concreto tiende a incrementarse con la finura del cemento y su contenido de álcali. Ver Gráficos 3 y 4.

b. Naturaleza, cantidad y grado de reactividad de los agregados

Las diferencias entre agregados reactivos y no reactivos dependen de muchos factores como la forma cristalográfica, contenido vítreo o amorfo e imperfecciones. Los materiales no reactivos como el cuarzo tiene un arreglo cristalino ordenado de átomos de sílice y oxígeno que son resistentes a los ataques de los álcalis, mientras que las formas

reactivas e la sílice tal como el ópalo son amorfos, grupos de sílice y oxígenos espaciados irregularmente y estas especies amorfas son fácilmente atacadas por los álcalis. Tabla N° 1 señalada en la Sección 3.2 muestra las especies reactivas.

c. Naturaleza de los materiales cementicios usados y contenido de álcalis

Diversos autores, entre ellos Hobbs en 1986 y Grattan-Bellew en 1987 con ensayos en laboratorio y en campo demostraron que reemplazando una parte del cemento con puzolana u otros materiales cementicios como cenizas volantes humo de sílice, escoria granulada de alto horno, etc.; se reducen y hasta eliminan la expansión excesiva.

d. Proporciones de mezcla de concreto - Relación agua/cemento

Otro factor que influye la expansión del concreto resultante de la RAS es la proporción de la mezcla; algunos experimentos han demostrado que altas relaciones agua/cemento incrementan la reacción expansiva.

e. Influencia del medio ambiente sobre el concreto

Los principales efectos medioambientales sobre la reacción álcali-sílice son el contenido de humedad y las variaciones de la temperatura y la exposición a sales solubles que penetran dentro del concreto. Existen regiones climáticas que tienen variaciones estacionales durante el cual el concreto está expuesto a ciclos lentos de temperatura y cambios en el contenido de humedad que afectan la fisuración por la reacción álcali-sílice.

4. NORMAS DE ESPECIFICACION Y ENSAYOS DE EVALUACION DE

LA REACCION ALCALI-SILICE El resumen de las Normas Técnicas ASTM que presentamos, están relacionados con el fenómeno de la reacción álcali-sílice. Las de especificación, indican los límites máximos del tenor de álcalis (sodio y potasio) en cementos, agregados, puzolanas naturales o artificiales y de algún aditivo mineral que se incorporarán al concreto de cemento. Las normas de ensayos permiten cuantificar o evaluar química y físicamente el contenido de álcalis o el potencial de reactividad álcali -sílice de los agregados o combinaciones de cemento-agregados produciendo valores que se compararán con los valores límites de las Normas de Especificación. Las normas ASTM bajo la jurisdicción de los Comités C-1 y C-9, evalúan permanentemente las normas establecidas a fin de mejorarlas o sustituirlas. Un ejemplo es la norma C1260 y C1293 dadas últimamente y se encuentran en discusión, la norma C227 referida al uso del vidrio Pyrex considerada inadecuada por problemas de repetibilidad y precisión en los ensayos sustituirlo por vidrio Vycor considerado más estable.

4.1 NORMAS TECNICAS PARA CEMENTOS RELACIONADOS CON LOS ALCALIS

Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION ESPECIFICACIÓN

C 150 -97 Especificación para cementos Pórtland

Especifica requisitos físicos y químicos con límites mínimos y máximos para 8 tipos de cementos

% Na eq Max = 0.6 para todos los tipos

Cuando se va usar en concretos con agregados potencialmente reactivos

C 585-97 Especificación para Cementos Hidráulicos Adicionados

Especifica requisitos físicos y químicos con límites mínimos y máximos para 5 tipos de cementos

% Na eq Max = 0.03 para Cementos Tipos S y Tipo SA

Cuando se va usar en concretos con agregados de roca caliza sin mancha con materia deletéreos

DE ENSYOS

C 114-97 Análisis químico de Cementos Hidráulico

Análisis químico

Álcalis Totales Álcalis Soluble en H2O

Procedimiento y datos para comparar normas de especificación

4.2 NORMAS TECNICAS PARA AGREGADOS RELACIONADOS CON

LOS ALCALIS Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION ESPECIFICACIÓN

C 33-93 Especificación para agregados del concreto

Define los requisitos de gradación y calidad de los agregados gruesos y finos

Usar cementos con % de álcalis ≤ 0.6%

En caso de sospechar agregado potencialmente reactivo, evaluar con las distintas normas

DE ENSAYOS

C 227-90 Reactividad potencial de combinaciones de cemento-agregado (Método de la Barra)

Determina la susceptibilidad de la combinación de cemento-agregado a la reactividad expansiva

Barras curadas a 37.8°C ± 1.7°C Medición a las 24 horas y 14 días. Adicionales a 1, 2 ,3 4, 6, 9 y 12 meses

RAS Excesiva: > 0.05% a 3 meses > 0.10% a 6 meses No excesiva, si: > 0.05% a 3 meses < 0.10% a 6 meses

C 289-94 Reactividad potencial álcali-sílice (Método químico)

Determina el RAS, midiendo la cantidad de reacción durante 24 horas con NaOH 1N a 80°C

Rc = reducción de la alcalinidad (mmol/l) Sc = sílice disuelta (mmol/l)

Plotea Rc vs Sc INOCUO: Si el punto cae en la zona izquierda de la curva POTENCIALMENTE DAÑINO: Si el punto cae a la derecha de la curva y encima de la línea punteada DANIÑO: Si el punto cae a la derecha de la curva y por debajo de la línea punteada

C 295-90 Examen petrográfico de los agregados para el concreto

Determina las caracte-rísticas químicas y físicas por observación

Reporta el examen petrográfico e incluye recomendaciones

petrográfica para la performance del material en el concreto

C 1260-94 (aprobado Marzo 94 y publicado mayo 94) Reactividad alcalina potencial de agregados (Método Barra)

Permite determinar en sólo 16 días la RAS potencialmente dañina de agregado en barras de morteros expuestos en solución NaOH 1N

Lecturas de expansión: a 24 horas LI a 48 horas LO en lapso de 14 días 3 lecturas en períodos iguales Curados a 80 ± 2°C

INOCUO: Exp. = < 0.10% a 16 días DAÑINO: Exp. = > 0.20% a 16 días Estudios adicionales si: Exp. = 0.10-0.20% a 16 días

4.3 NORMAS TECNICAS PARA PUZOLANAS Y ADITIVOS MINERALES

RELACIONADOS CON LOS ALCALIS Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION ESPECIFICACIÓN

C 240-97 Especificación para humo de sílice para uso como aditivo mineral en agregados, mortero y concreto de cemento hidráulico

Especifica a humos de sílice para uso en concreto u otros sistemas que contienen cemento hidráulico

E. químicos: Na2O eq. Máx. = 1.5% E. físicos: (opcional) Contrac. Min = 80% con ASTM C 311

Cuando se va a usar en un concreto con agregados reactivos

C-595-97 Especificación para Cementos hidráulicos Adiciones

Especifica requisitos físicos y químicos para 5 tipos de cementos y álcalis para puzolanas y escorias

Expan. Máx. = 0.05% a 91 días De acuerdo a C227

Se usan cementos tipos IPM –IPM(A) y con 2.5, 5, 7.5 10, 12.5 y 15% de puzolana

C-618-97 Esp. Para cenizas volantes de carbón puzolanas naturales naturales o calcina-das para uso como aditivo mineral en concreto

Especifica a los aditivos minerales por actividad puzolánica o cementicia a ambos necesarios en el concreto

Na2O eq. Máxz. = 1.5% Para los tipos aditivos minerales: N, f, c. N = Puzolana natural F = cenizas de C. AntracitC = ceniza de C submitominoso y lignito

DE ENSAYO

C-311-97 Muestreo, ensayo de cenizas volantes o puzolanas naturales para uso como aditivo mineral en concreto de cemento portland

E. = Físicos: produce datos para comparar con los requisitos de C 618 por efectividad del mineral en el control de RAS E. Químico: determina el alcali disponible (Na y K) según método C114

Usa: 1.-Mezclas de control según

C411 con cemento de 0.5 – 0.6%

2.- Mezcla de ensayo: Cem + ad. = 400 g

Pyrex = 900g 3. Proced según C227 Det. El % de Na + K

Efectivo: < ó = 0.05% a 3 meses < ó = 0.10% a 6 meses %Na2O, máx. = 1.5 para mat. Tipo N, F y C según C618

C 441-96 Efectividad del aditivo mineral o escoria granulada de alto horno en la prevención excesiva expansión del concreto por la RAS

Evaluación preliminar o de descarte por la efectividad relativa de distintos materiales para usarse en la prevención de expansión debida a la RAS

1.- Mezcla de control

Cem. = 400 g Pirex = 900 g

2. Mezcla de ensayo: Cem = 300g

A. min. = 100 xd.M/3.15 Pyrex = 900g

1 y 14 días, a 1, ..12 y 24 meses de edad Re=(Ec-Ee) x 100/Ec

Si existe retracción entonces tiene efectividad de control de la RAS Re= % retracción Ec= Exp. M de control Ee=Exp. M ensayo

5. METODOS PARA PREVENIR Y/O CONTROLAR LA REACCION EXPANSIVA ALCALI-SILICE DE CEMENTO Y AGREGADO

Los problemas de la reactividad álcali-sílice se pueden evitar o controlar de varias diferentes formas, algunas de las clásicas son:

- No usar rocas reactivas o, por lo menos, mezclarlo con agregados no reactivos.

- No usar cementos o materiales cementicios con alto contenido de álcalis.

- Usar cementos con contenidos de álcalis menores que 0.6% de bajo álcali

- No usar aditivos o agua de mezclado que contengan álcalis. - Usar menores contenidos de cemento y bajas relaciones

agua/cemento. - Remplazar una parte del cemento con una cantidad adecuada de

materiales con contenido de sílice reactiva finamente pulverizado, como la puzolana.

6. PARTE EXPERIMENTAL.- RESUMEN DE ENSAYOS DE

REACTIVIDAD ALCALINA Como se ha señalado anteriormente, en el laboratorio ARPL se han venido ejecutando ensayos por reactividad alcalina de los agregados por el método químico o expansión de barras de mortero de cemento o con combinaciones de cemento-agregado. La Tabla 1 muestra los resultados de los ensayos de RAS ejecutados sobre la expansión de las barras de mortero con agregados de distinta procedencia. La Tabla 3 muestra los resultados del potencial de RAS mediante el método químico C 289. La Tabla 4 muestra los resultados comparativos de los ensayos de RAS usando el método químico C 289 y físico C 227. La Tabla 5 muestra la RAS usando distintas puzolanas de distinta procedencia. 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El fenómeno del potencial de reactividad álcali-sílice expansivo de los agregados, se viene tomando en cuenta en nuestro medio en los últimos años. Desde su descubrimiento por sus efectos dañinos en 1940 y hasta la actualidad se vienen investigando para prevenir, controlar y tener mayor conocimiento del fenómeno, a la par se están diseñando nuevas normas y métodos acelerados

de evaluación, en vista que la respuesta de los resultados para ser confiables físicamente son demasiado largos llegando hasta 24 meses o más. Los laboratorios del campo del cemento y la construcción deben ponerse a la altura de las crecientes exigencias poniendo a punto los métodos y normas técnicas más usuales, así como capacitar permanentemente al personal técnico. Efectuar ensayos cooperativos en el campo de los ensayos de reactividad alcalina. De los ensayos de RAS efectuados en ARPL se observan que existen canteras con agregados potencialmente reactivos ubicados especialmente en la zona sur del país, así como la zona del norte chico y del departamento de Ancash que necesitan ser mejor estudiadas. Identificar y coadyuvar en la evaluación, localización y mapeado de las canteras de agregados de nuestro país. 8. BILIOGRAFIA 1. G. M. Idoro and Della M. Roy : "Opportunities with Alkalis in Concrete

Testing, Research. and Engineering Practice". ASTM STP 930 VH. Dudson ASTM Philadelphia. 1986.

2.- David Stark and Muharnmad S.Y. Bharty: "Alkali-Silica Reactivity: Effect

of Alkali in Aggregate on Expansion". ASTM STP 930. Philadelphia, 1986 3. Richard Helmuth and David Stark: "Alkali-Silica Reactivity Mechanisms".

Materials Science of Concrete III 4. M.D.A Thomas. R Doug Hooton and C. A Rogers: 'Prevention of

Damage Due to Alkali-Aggregate Reaction (AR) in Concrete Construction - Canadian Approach". Cement, Concrete and Aggregate, Vol. 19, N° L 1997.

5. Leslie Struble and Sidney Diamond: "Influence of Cement Alkali

Distribution on Expansion Due to Alkali-Silica Reaction". ASTM STP 930. Philadelphia. 1986.

6. Robert L. Smith and Carl F. Raba. Jr.: "Recent Developments in the Use

of Fly Ash to Reduce AIkali-Silica Reaction". ASTM STOP 930. Philadelphia. 1986.

7. Michael L. Leming and Bao Q. Nguyen: "Limits on Alkali Content in

Cement - Results from a Field Study. Cement, Concrete and Aggregate. Vol 22, N° 1, Junio 2000.

8. Leslie JK. Struble ansd Claus Pade.: Proposed New Test Procedure for

Measuring Alkali-Silica Expansion Produced by Hydraulic Cement". Cement, Concrete and Aggregate Vol. 22 N° 1, June 2000.

9. Benoit Fournier, Marc-Andre, and Guy Bergeron: "A Rapid Autoclave

Mortar bar Method to Determine the Potential Alkali-Silica Reactivity of St. Lawrence Lowlands Carbonate Aggregates (Quebec, Canada)". Cement, Concrete and Aggregate Vol 13. N° 1 Verano 1991.

10. Manuel Gonzáles de La Cotera: "Guía Introductoria a la Durabilidad en

Concreto". Revista Ingeniería N° 22 11. ASTM: Annual Book ASTM Standards. Vol. 04.01, Cement, Lime,

Gypsum. 12. ASTM: Annual Book ASTM Standards. Vol. 04.02, Concrete and

Aggregates.