reactividad_silice_agregado

7/26/2019 reactividad_silice_agregado

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REACTIVIDAD SILICE-AGREGADO EN EL CONCRETO; EVALUACION Y

MTODO DE ENSAYO

Ing. Wilfredo Mandujano V.Ing. Wilfredo Quintana

ARPL tecnologa Industrial

1. RESUMEN

El fenmeno daino de la Reaccin Alcali-Silice (RAS) con caractersticas

expansivas en el concreto o mortero elaborados con agregados reactivos esconocida desde hace mucho tiempo. Este artculo presenta una sntesis dediversos mtodos de ensayo para la evaluacin de los alcalinos en loscementos y agregados con la finalidad de prevenir y/o controlar la reaccindaina en el concreto o mortero, desarrollados desde la dcada de los 40cuando se descubri el fenmeno expansivo debido a la reaccin alcal-slice.

Presenta tambin un resumen de los ensayos de reactividad alcalina deagregados usando distintos cementos realizados en los ltimos aos en elLaboratoro ARPL sobre muestras procedentes de obras en distintos puntos delpas, lo cual permite en forma preliminar ubicar geogrficamente las canterasde agregados con o sin potencial de reactividad alcalina.

Se concluye planteando la necesidad de que los laboratorios de ensayo demateriales pongan a punto los mtodos de ensayo relacionados a la RAS deagregados potencialmente reactivos para responder con xito a la crecientedemanda y necesidad de la industria de la construccin por prevenir y/ocontrolar la RAS y, posteriormente poder elaborar un mapa geolgico decaracterizacin de los agregados.

2. LA SITUACION ACTUAL EN NUESTRO MEDIO DEL PROBLEMA DE

LA RASA pesar que el conocimiento del fenmeno daino de la RAS en el concreto ymortero data de los aos 40, el uso y aplicacin de ste no se han dado ennuestro medio debido, posiblemente, a que los agregados usados en laindustria de la construccin no presentaban caractersticas reactivas. Sinembargo, en los 2 o 3 ltimos aos el laboratorio ARPL ha efectuado ensayosde reactividad alcalina para la industria del concreto y la construccin debido aque han estado efectuando obras en distintos puntos del pas usandoagregados de canteras cercanas a la obra de desconocido potencial de RAS.


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En el Laboratorio ARPL desde hace tiempo se ha venido implementado lamayora de los principales mtodos de ensayo para la evaluacin de los lcalisen los cernemos y la reactividad potencial lcali-slice de los agregados; y sehan realizado ensayos con propsitos particulares. Debido a la creciente

demanda por los ensayos relacionados a la RAS, el Laboratorio ARPL esconsciente de la necesidad del permanente entrenamiento de los analistas ydel conocimiento del fenmeno para un eficiente trabajo en vista que lanaturaleza misma de los mtodos de ensayos normalizados encierran ciertasdeficiencias -que se vienen discutiendo por ejemplo en el seno de los comitsCO9 y CO1 de ASTM- que implica habilidad y destreza de los operadores demanera de obtener resultados precisos y exactos. Este trabajo es parte deeste propsito.

3. FUNDAMENTOS TEORICOS

3.1. PROCEDENCIA DE LOS ALCALIS

Los lcalis disponibles, capaces de reaccionar con la slice reactiva de losagregados, provienen bsicamente del cemento y del agregado, pero tambinpueden provenir de las puzolanas y an del medio ambiente:

- ALCALIS PROVENIENTES DE LOS MINERALES DEL CEMENTO -'Es conocido que durante la fabricacin del clnker de cemento Prtlandse presenta el ciclo de los lcalis los cuales, debido a su alta volatilidad,gran parte salen con los gases del horno pero la otra parte precipitansobre el clnker como sulfatos o se incorporan dentro de los cristales delas fases del clnker.

Trabajos como los de Leslie Struble y Sidney Diamond identificaron ladistribucin de los lcalis en las distintas fases del clnkeridentificndolos como sulfatos alcalinos (K,Na)SO4, langbeinita clcicaK2Ca2(SO4)3, y C3A modificado por lcali y demostraron su solubilidad einfluencia sobre la RAS.Por otro lado, aunque no especifica claramente su finalidad. la normaASTM C1l4, adems del procedimiento para la determinacin de loslcalis totales; indica un procedimiento por lcali soluble o xxx

- ALCALIS PROVENIENTES DE LAS PUZOLANAS

Otra fuente de lcalis son las puzolanas naturales o artificiales. Algunasnormas tcnicas especifican lmites mximos de lcalis disponiblescuando se va usar en la elaboracin de concretos con la finalidad deprevenir la expansin debida a la RAS.

- ALCALIS PROVENIENTES DE LOS AGREGADOSMuchos agregados tienen naturaleza u origen volcnico concomposicin andestica o reoltica que pueden liberar lcalis en el

concreto o mortero y afectar la RAS con efectos expansivos. David


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Stark y colaboradores demostraron que los lcalis pueden ser liberadosen cantidades significativas en medios saturados con Ca(OH)2especialmente de rocas volcnicas como las andesitas e incluso demateriales no reactivos tales como los feldespatos por intercambio

inico, donde el in calcio de la solucin sustituye a los iones sodio ypotasio en la estructura del silicato con riesgo de producir expansin.

- ALCALIS PROVENIENTES DEL MEDIO AMBIENTEBajo ciertas condiciones, el medio ambiente tambin puede contribuir ala concentracin de lcalis en el concreto.

3.2. LAS REACCIONES ALCALI-AGREGADO

Se conocen tresos tipos de reacciones lcali-agregado. La reaccin lcali-Carbonato cuando se utilizan calizas y/o dolomitas como agregados, que es

poco extendido y no es propsito de este trabajo, la reaccin lcali-silicato quese desarrolla muy lentamente y con insignificante expansin y la reaccinlcali-Slice que es ms amplio con materiales que involucran slice amorfa,slice de pobre cristalizacin o metaestables y que se caracterizan por surelativamente corto tiempo para el inicio y manifestacin de la fisuracin yresquebrajamiento del concreto debida a la RAS con limitada duracin. Lafisuracin ocurre generalmente dentro de los 5 a 10 aos y la reaccin se agotaen lapso de 10 a 20 aos, segn datos de M.D.A Thomas et al.

En la Tabla N 1 se indican los principales tipos de agregados potencialmentereactivos.

3.2.1. MECANISMO DE REACClON ALCALI SILICE

El fenmeno de la RAS que puede causar la expansin y fisuracin de lasestructuras del concreto es muy complejo. Muchos autores han elaboradoteoras para explicar este fenmeno a nivel de laboratorio desde eldescubrimiento por Stanton, T.E. en 1940, Hansen en 1944, Power y Stenior en1955. K.. Mather y Gogte ambos en 1973 . Diamond en 1976, 1989, Glasser en1981, Chatterji en 1989 y otros.La teora ms aceptada es la de Power and Stenior. Segn ellos, la hidratacin

de la slice es catalizada por la presencia de iones hidroxilos en la pasta decemento, cuya ecuacin se puede escribir de la siguiente manera:

OHgel

NaOSiOHNaOhSi

2+

++

(1)

Donde el hidroxilo reacciona con los grupos silanol (Si-OH). A altasconcentraciones de hidroxilos (OH-), stos tambin atacan los enlaces puentessloxanos fuertes (Si-O-Si) con el siguiente resultado:


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OHgel

SiONa

gel

NaOSiNaOHSiOSi

22 +

+

+

(2)

La estructura abierta de la slice amorfa o vtrea es mucho ms fcilmenteatacada por los iones OH que la slice cristalina con SiO2firmemente limitadasdentro de una ordenada malla cristalina, como el cuarzo. El producto de lareaccin arriba sealada es un gel isotrpico pobremente definido de silicato desodio o potasio que absorbe agua con excepcional capacidad de hincharsetrayendo como consecuencia la expansin y fisuracin del concreto.

Los grficos 1 y 2 muestran la RAS de los agregados de minerales y rocassilicosas y de rocas volcnicas.

3.2.2. EFECTOS MECANICOS DE LA RAS

El siguiente modelo grfico de Power y Stenior, explica la hiptesis de losmismos sobre la RAS con partculas de palo:

Zona A:Representa la solucin en el poro en una matriz con H2O, K+, Na+,Ca2+, OH-, H3SiO4

-

Zona B:Formacin inicial del gel de C-N-S-H no expansivo (dependiendo de laconcentracin de calcio sobre la concentracin de Na).

Zona C:Difusin a travs del gel para reaccionar con el palo. Expansivo: BajoCa+gel N-S-R expansivo. De Seguridad sin peligro: Alto Ca2+gel deC-N-S-H no expansivo.

Zona D: Para una reaccin sin peligro H debe difundirse hacia fuerapropiciando espacios en un hidrato (gel) poroso y permitir la difusin 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 ylibera Na+.

3.2.3. FACTORES QUE INFLUYEN LA REACCIONA ALCALI-SILlCE

Muchos son los factores que afectan la expansin debida a la reaccin lcali-slice estudiados por distintos investigadores, entre los factores msimportantes tenemos:


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a. Finura, cantidad de cemento y contenido de lcalisEl contenido de lcalis de los cementos varan ampliamente de acuerdoa cada fabrica y al tipo de proceso y tipo materias primas que se utilizaen su manufactura. Aparte del contenido de lcalis del cemento, lacantidad total de lcalis del concreto est influenciada por la cantidad de

cemento presente y la contribucin de lcalis de otras fuentes.agregados, agua de mezcla aditivos qumicos y adiciones minerales.Segn algunos autores la expansin a una edad dada del concretotiende a incrementarse con la finura del cemento y su contenido delcali. Ver Grficos 3 y 4.

b. Naturaleza, cantidad y grado de reactividad de los agregadosLas diferencias entre agregados reactivos y no reactivos dependen demuchos factores como la forma cristalogrfica, contenido vtreo o amorfoe imperfecciones. Los materiales no reactivos como el cuarzo tiene unarreglo cristalino ordenado de tomos de slice y oxgeno que son

resistentes a los ataques de los lcalis, mientras que las formas


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reactivas e la slice tal como el palo son amorfos, grupos de slice yoxgenos espaciados irregularmente y estas especies amorfas sonfcilmente atacadas por los lcalis.

Tabla N 1 sealada en la Seccin 3.2 muestra las especies reactivas.

c. Naturaleza de los materiales cementicios usados y contenido de lcalisDiversos autores, entre ellos Hobbs en 1986 y Grattan-Bellew en 1987con ensayos en laboratorio y en campo demostraron que reemplazandouna parte del cemento con puzolana u otros materiales cementicioscomo cenizas volantes humo de slice, escoria granulada de alto horno,etc.; se reducen y hasta eliminan la expansin excesiva.

d. Proporciones de mezcla de concreto - Relacin agua/cementoOtro factor que influye la expansin del concreto resultante de la RAS es

la proporcin de la mezcla; algunos experimentos han demostrado quealtas relaciones agua/cemento incrementan la reaccin expansiva.

e. Influencia del medio ambiente sobre el concretoLos principales efectos medioambientales sobre la reaccin lcali-sliceson el contenido de humedad y las variaciones de la temperatura y laexposicin a sales solubles que penetran dentro del concreto. Existenregiones climticas que tienen variaciones estacionales durante el cualel concreto est expuesto a ciclos lentos de temperatura y cambios en elcontenido de humedad que afectan la fisuracin por la reaccin lcali-slice.

4. NORMAS DE ESPECIFICACION Y ENSAYOS DE EVALUACION DELA REACCION ALCALI-SILICE

El resumen de las Normas Tcnicas ASTM que presentamos, estnrelacionados con el fenmeno de la reaccin lcali-slice. Las de especificacin,indican los lmites mximos del tenor de lcalis (sodio y potasio) en cementos,agregados, puzolanas naturales o artificiales y de algn aditivo mineral que seincorporarn al concreto de cemento. Las normas de ensayos permitencuantificar o evaluar qumica y fsicamente el contenido de lcalis o el potencial

de reactividad lcali -slice de los agregados o combinaciones de cemento-agregados produciendo valores que se compararn con los valores lmites delas Normas de Especificacin.

Las normas ASTM bajo la jurisdiccin de los Comits C-1 y C-9, evalanpermanentemente las normas establecidas a fin de mejorarlas o sustituirlas. Unejemplo es la norma C1260 y C1293 dadas ltimamente y se encuentran endiscusin, la norma C227 referida al uso del vidrio Pyrex consideradainadecuada por problemas de repetibilidad y precisin en los ensayos sustituirlopor vidrio Vycor considerado ms estable.


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4.1 NORMAS TECNICAS PARA CEMENTOS RELACIONADOS CON LOSALCALIS

Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION

ESPECIFICACINC 150 -97Especificacin paracementos Prtland

Especifica requisitosfsicos y qumicos conlmites mnimos ymximos para 8 tipos decementos

% Na eq Max = 0.6para todos los tipos

Cuando se va usar enconcretos con agregadospotencialmente reactivos

C 585-97Especificacin paraCementosHidrulicosAdicionados

Especifica requisitosfsicos y qumicos conlmites mnimos ymximos para 5 tipos decementos

% Na eq Max = 0.03para Cementos Tipos S yTipo SA

Cuando se va usar enconcretos con agregadosde roca caliza sin manchacon materia deletreos

DE ENSYOS

C 114-97Anlisis qumico deCementos Hidrulico

Anlisis qumico lcalis Totaleslcalis Soluble en H2O

Procedimiento y datospara comparar normas deespecificacin

4.2 NORMAS TECNICAS PARA AGREGADOS RELACIONADOS CONLOS ALCALIS


ESPECIFICACIN

C 33-93Especificacin para

agregados delconcreto

Define los requisitos de

gradacin y calidad delos agregados gruesos yfinos

Usar cementos con % de

lcalis 0.6%

En caso de sospechar

agregado potencialmentereactivo, evaluar con lasdistintas normas

DE ENSAYOS

C 227-90Reactividad potencialde combinaciones decemento-agregado(Mtodo de la Barra)

Determina lasusceptibilidad de lacombinacin decemento-agregado a lareactividad expansiva

Barras curadas a 37.8C 1.7CMedicin a las 24 horas y 14das. Adicionales a 1, 2 ,3 4,6, 9 y 12 meses

RAS Excesiva:> 0.05% a 3 meses> 0.10% a 6 mesesNo excesiva, si:> 0.05% a 3 meses< 0.10% a 6 meses

C 289-94Reactividad potencial

lcali-slice (Mtodoqumico)

Determina el RAS,

midiendo la cantidad dereaccin durante 24horas con NaOH 1N a80C

Rc = reduccin de la

alcalinidad (mmol/l)Sc = slice disuelta (mmol/l)

Plotea Rc vs Sc

INOCUO: Si el punto caeen la zona izquierda de lacurvaPOTENCIALMENTEDAINO: Si el punto caea la derecha de la curva yencima de la lneapunteadaDANIO: Si el punto caea la derecha de la curva ypor debajo de la lneapunteada

C 295-90Examen petrogrficode los agregadospara el concreto

Determina las caracte-rsticas qumicas yfsicas por observacin

Reporta el examenpetrogrfico e incluyerecomendaciones


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petrogrfica para laperformance del materialen el concreto

C 1260-94(aprobado Marzo 94y publicado mayo 94)Reactividad alcalinapotencial deagregados (MtodoBarra)

Permite determinar enslo 16 das la RASpotencialmente dainade agregado en barrasde morteros expuestosen solucin NaOH 1N

Lecturas de expansin:a 24 horas LIa 48 horas LOen lapso de 14 das3 lecturas en perodosigualesCurados a 80 2C

INOCUO:Exp. = < 0.10% a 16 dasDAINO:Exp. = > 0.20% a 16 dasEstudios adicionales si:Exp. = 0.10-0.20% a 16das

4.3 NORMAS TECNICAS PARA PUZOLANAS Y ADITIVOS MINERALESRELACIONADOS CON LOS ALCALIS


ESPECIFICACIN

C 240-97Especificacin para

humo de slice parauso como aditivomineral enagregados, mortero yconcreto de cementohidrulico

Especifica a humos de

slice para uso enconcreto u otrossistemas que contienencemento hidrulico

E. qumicos:

Na2O eq. Mx. = 1.5%

E. fsicos: (opcional)Contrac. Min = 80%con ASTM C 311

Cuando se va a usar en

un concreto conagregados reactivos

C-595-97Especificacin paraCementos hidrulicosAdiciones

Especifica requisitosfsicos y qumicos para 5tipos de cementos ylcalis para puzolanas yescorias

Expan. Mx. = 0.05% a 91dasDe acuerdo a C227

Se usan cementos tiposIPM IPM(A) y con 2.5, 5,7.5 10, 12.5 y 15% depuzolana

C-618-97Esp. Para cenizasvolantes de carbn

puzolanas naturalesnaturales o calcina-das para uso comoaditivo mineral enconcreto

Especifica a los aditivosminerales por actividadpuzolnica o cementicia

a ambos necesarios enel concreto

Na2O eq. Mxz. = 1.5% Para los tipos aditivosminerales: N, f, c.N = Puzolana natural

F = cenizas de C. AntracitC = ceniza de Csubmitominoso y lignito

DE ENSAYO

C-311-97Muestreo, ensayo decenizas volantes opuzolanas naturalespara uso comoaditivo mineral enconcreto de cementoportland

E. = Fsicos: producedatos para comparar conlos requisitos de C 618por efectividad delmineral en el control deRAS

E. Qumico: determina elalcali disponible (Na y K)segn mtodo C114

Usa:1.-Mezclas de control segn

C411 con cemento de 0.5 0.6%

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

Pyrex = 900g3. Proced segn C227

Det. El % de Na + K

Efectivo:< = 0.05% a 3 meses< = 0.10% a 6 meses

%Na2O, mx. = 1.5 paramat. Tipo N, F y C segnC618

C 441-96Efectividad deladitivo mineral oescoria granulada dealto horno en laprevencin excesivaexpansin delconcreto por la RAS

Evaluacin preliminar ode descarte por laefectividad relativa dedistintos materiales parausarse en la prevencinde expansin debida a laRAS

1.- Mezcla de controlCem. = 400 gPirex = 900 g

2. Mezcla de ensayo:Cem = 300g

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

1 y 14 das, a 1, ..12 y 24meses de edadRe=(Ec-Ee) x 100/Ec

Si existe retraccinentonces tiene efectividadde control de la RAS

Re= % retraccinEc= Exp. M de controlEe=Exp. M ensayo


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

Los problemas de la reactividad lcali-slice se pueden evitar o controlar de

varias diferentes formas, algunas de las clsicas son:

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

- No usar cementos o materiales cementicios con alto contenido delcalis.

- Usar cementos con contenidos de lcalis menores que 0.6% de bajolcali

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

agua/cemento.

- Remplazar una parte del cemento con una cantidad adecuada demateriales con contenido de slice reactiva finamente pulverizado,como la puzolana.

6. PARTE EXPERIMENTAL.- RESUMEN DE ENSAYOS DEREACTIVIDAD ALCALINA

Como se ha sealado anteriormente, en el laboratorio ARPL se han venidoejecutando ensayos por reactividad alcalina de los agregados por el mtodoqumico o expansin de barras de mortero de cemento o con combinaciones decemento-agregado.

La Tabla 1 muestra los resultados de los ensayos de RAS ejecutados sobre laexpansin de las barras de mortero con agregados de distinta procedencia.

La Tabla 3 muestra los resultados del potencial de RAS mediante el mtodoqumico C 289.

La Tabla 4 muestra los resultados comparativos de los ensayos de RASusando el mtodo qumico C 289 y fsico C 227.

La Tabla 5 muestra la RAS usando distintas puzolanas de distinta procedencia.

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El fenmeno del potencial de reactividad lcali-slice expansivo de losagregados, se viene tomando en cuenta en nuestro medio en los ltimos aos.

Desde su descubrimiento por sus efectos dainos en 1940 y hasta la actualidadse vienen investigando para prevenir, controlar y tener mayor conocimiento delfenmeno, a la par se estn diseando nuevas normas y mtodos acelerados


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de evaluacin, en vista que la respuesta de los resultados para ser confiablesfsicamente son demasiado largos llegando hasta 24 meses o ms.

Los laboratorios del campo del cemento y la construccin deben ponerse a la

altura de las crecientes exigencias poniendo a punto los mtodos y normastcnicas ms usuales, as como capacitar permanentemente al personaltcnico.

Efectuar ensayos cooperativos en el campo de los ensayos de reactividadalcalina.

De los ensayos de RAS efectuados en ARPL se observan que existen canterascon agregados potencialmente reactivos ubicados especialmente en la zonasur del pas, as como la zona del norte chico y del departamento de Ancashque necesitan ser mejor estudiadas.

Identificar y coadyuvar en la evaluacin, localizacin y mapeado de lascanteras de agregados de nuestro pas.

8. BILIOGRAFIA

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11. ASTM: Annual Book ASTM Standards. Vol. 04.01, Cement, Lime,Gypsum.

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