Tesis:
Parámetros potencialmente críticos para la determinación de reactividades expansivas en áridos de la Península Ibérica
- Autor: GARCÍA ROVÉS LOZA, Ricardo
- Título: Parámetros potencialmente críticos para la determinación de reactividades expansivas en áridos de la Península Ibérica
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. DE MINAS Y ENERGÍA
- Departamentos: INGENIERIA GEOLOGICA Y MINERA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77160/
- Director/a 1º: MENÉNDEZ MÉNDEZ, Esperanza
- Director/a 2º: ORTIZ MENÉNDEZ, José Eugenio
- Resumen: La reacción árido-álcali es un fenómeno patológico que se manifiesta en estructuras de hormigón y que compromete seriamente su durabilidad. Esta patología está principalmente influenciada por los materiales que forman parte de la composición de las mezclas de los hormigones fabricados y de las condiciones ambientales en las que se encuentran.
Dentro de la composición de los hormigones diseñados en la fase de ingeniería para una determinada estructura es de especial interés la selección de un árido con las propiedades mecánicas adecuadas y de baja o nula reactividad árido-álcali. De forma indirecta se hace necesario conocer y analizar también aquellos materiales extraídos de las explotaciones mineras más próximas a la ubicación de la estructura de hormigón para fomentar los áridos de proximidad y mejorar muy positivamente la sostenibilidad y cuidado del medio ambiente, en general, y el aspecto económico del proyecto a ejecutar.
Dependiendo de la composición química, los áridos en ambiente alcalino pueden desarrollar reacciones expansivas. Para que se produzcan este tipo de reacciones se tienen que dar de forma simultánea, presencia en cantidad suficiente de componentes reactivos en los áridos, concentración de álcalis en el hormigón, agua y temperatura suficiente para que la reacción química se produzca con una cinética de reacción determinada, formando productos de reacción expansivos que inducen la generación de fisuras. Es muy importante tener en cuenta la velocidad de reacción de los áridos. En ocasiones los áridos de reactividad potencial lenta son considerados no dañinos cuando en realidad pueden producir daño, si bien este factor está fuertemente influenciado por las condiciones ambientales a que está sometido el hormigón.
La Península Ibérica se caracteriza por tener una gran variedad de materiales, destacando la gran diversidad de recursos mineros existentes en la actualidad.
El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es aumentar el conocimiento y profundizar en el estudio del comportamiento de los áridos españoles en relación a la reacción áridoálcali, en cuanto a su potencial reactividad y su velocidad de reacción.
Del estado del conocimiento, basado fundamentalmente en el análisis de la bibliografía científica existente, se observa que aún no existe suficiente investigación que determine una clara identificación y clasificación de aquellos áridos que presentan velocidades de reacción lenta y que no pueden ser clasificados de forma correcta en los ensayos normalizados existentes en la actualidad.
Los áridos utilizados en la fabricación de hormigones, sin un estudio previo de detalle en la fase de diseño que tenga en cuenta el análisis de su potencial reactividad en el tiempo, pueden provocar a largo plazo serios daños en estructuras de gran envergadura y especiales como presas, centrales de producción energética, depósitos de residuos nucleares, puentes, túneles, prefabricados utilizados en el sector del transporte ferroviario, etc. Potencialmente, esos daños que se pueden generar influyen negativamente en la estabilidad de las estructuras, comprometiendo la integridad de las mismas a lo largo de su vida útil y por lo tanto el bienestar de la sociedad que se encuentre en el entorno de la zona de implantación de dichas estructuras.
Para ello, esta Tesis Doctoral se fundamenta en la aplicación de diversas técnicas y ensayos para el análisis microestructural y composicional de áridos de la Península Ibérica con el objetivo de obtener una metodología de análisis de la potencial reactividad árido-álcali, clasificando los áridos según su velocidad de reacción, siendo la expansión la referencia de la potencial reactividad con el ensayo de barras de mortero alargado en el tiempo.
Durante la investigación realizada y partiendo del análisis petrográfico según la recomendación RILEM AAR-1.1., se observa necesario completar el estudio realizado a todos los áridos, mediante el uso de otras técnicas de ensayo complementarias para obtener mayor información y precisión en la clasificación de su potencial reactividad. El análisis petrográfico inicial es interesante para identificar fases mineralógicas potencialmente reactivas, pero no suficiente para clasificar con precisión la potencial reactividad de los áridos teniendo en cuenta las velocidades de reacción.
Como los umbrales definidos en los ensayos estandarizados según UNE 146508 o ASTM C1260 no tienen en cuenta el comportamiento que desarrollan algunos áridos considerados de reacción lenta, manteniendo los tiempos de ensayo a corto plazo, se hace necesaria una revisión de los umbrales de clasificación definidos a corto plazo en los ensayos estandarizados en base al estudio y teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los ensayos acelerados con barras de mortero prolongados en el tiempo y la correlación de los resultados obtenidos en los propios ensayos estandarizados con los diferentes parámetros que caracterizan a los áridos química y físicamente, aumentando así la precisión en la clasificación de la potencial reactividad de los áridos.
A partir del estudio realizado en esta Tesis Doctoral, se propone una calificación de la velocidad de reacción característica de los áridos, definiendo cinco grupos (sin reactividad; reactividad lenta; reactividad moderada; reactividad rápida; reactividad muy rápida), a partir de los resultados obtenidos en el ensayo acelerado de barras de mortero a 14 días y a 28 días (UNE 146508).
También se propone otra clasificación de áridos, combinando el análisis petrográfico por microscopía óptica con luz polarizada, el tratamiento de imágenes y el ensayo acelerado de barras de mortero a 14 días y a 28 días (UNE 146508), que clasifica los áridos como no reactivos, áridos de reacción lenta, áridos de reacción rápida y áridos con efecto pésimo.
También se realiza un estudio de los álcalis extraíbles en el tiempo, aplicando los métodos de extracción denominados α y β. En el método α se utiliza una disolución de agua ultrapura a 20°C en contacto con el árido ensayado. En el método β se utilizan las disoluciones R1 [Ca(OH)2 sat + exc], R2 [0,7N NaOH], R3 [0,7N KOH], R4 [0,7N NaOH + Ca(OH)2 sat y exc], R5 [0,7N KOH + Ca(OH)2 sat y exc] a 150°C. Del análisis realizado, aquellos métodos que presentan mayor eficiencia de extracción iónica son los que utilizan disoluciones saturadas en Ca(OH)2 y que simulan la fase líquida de los hormigones, en este caso las disoluciones R4 [0,7N NaOH + Ca(OH)2 sat y exc] y R5 [0,7N KOH + Ca(OH)2 sat y exc] a 150°C. Estos métodos son más rápidos y económicos para evaluar la extracción de álcalis de los áridos.
De los resultados obtenidos del análisis factorial, aplicado para observar la correlación y discriminación de características y ensayos relacionados con la clasificación de la potencial reactividad de los áridos españoles estudiados en esta Tesis Doctoral, se corrobora que los áridos cuanto más silíceos, menor índice de reactividad IQr tienen, mayor expansión presentan en el ensayo rápido de barras de mortero según UNE 146508 y, a su vez, mayor cantidad de álcalis lixivian.
ABSTRACT
The alkali-aggregate reaction is a pathological phenomenon that takes place in concrete structures and seriously compromises their durability. This pathology is mainly influenced by the materials that are part of the composition of the manufactured concrete mixtures and the environmental conditions in which they are found.
Within the composition of the concretes designed for a given structure, the selection of an aggregate with adequate mechanical properties and low or no aggregate-alkali reactivity is of special interest. Indirectly, it is also necessary to know and analyze those materials extracted from the mining operations closest to the location of the concrete structure in order to promote local aggregates and very positively improve sustainability and care of the environment, in general, and the economic aspect of the project to be executed.
Depending on the chemical composition, aggregates can develop expansive reactions in an alkaline environment. For this type of reaction, the presence of a sufficient quantity of reactive components in the aggregates, alkali concentration in the concrete, water, and sufficient temperature with reaction kinetics must occur simultaneously. This produces expansive reaction products that induce the generation of cracks. It is very important to take into account the reaction speed of the aggregates. Sometimes slow potential reactivity aggregates are considered non-damaging whereas they can cause damage, although this factor is strongly influenced by the environmental conditions of the concrete.
The Iberian Peninsula is characterized by a great variety of materials, highlighting the huge diversity of existing mining resources.
The main objective of this Ph.D Thesis is to increase knowledge and deepen the study of the behavior of Spanish aggregates in relation to the aggregate-alkali reaction, in terms of their potential reactivity and reaction speed.
From the state of knowledge, based mainly on the analysis of the existing scientific bibliography, it can be observed that there is still research to do in order to determine a clear identification and classification of those aggregates that present slow reaction rates and that cannot be correctly classified into currently existing standard tests.
The aggregates used in the manufacture of concrete, without a previous detailed study in the design phase that takes into account the analysis of their potential reactivity over time, can cause serious long-term damage to large and special structures such as dams, energy production plants, nuclear waste deposits, bridges, tunnels, prefabricated elements used in the rail transport sector, etc. Potentially, these damages that can be generated negatively influence the stability of the structures, compromising their integrity throughout their useful life and therefore the well-being of the society that is in the area of implantation. of these structures.
For this prupose, the maingoal of this Ph.D Thesis is based on the application of various techniques and tests for the microstructural and compositional analysis of aggregates from the Iberian Peninsula with the aim of obtaining a methodology for the analysis of the potential aggregate-alkali reactivity, classifying the aggregates according to their speed of reaction, being the expansion the reference of the potential reactivity with the test of mortar bars extended in time.
During the investigation carried out and starting from the petrographic analysis according to the RILEM AAR-1.1 recommendation, it is observed that it is necessary to complete the study porformed on all the aggregates, through the use of other complementary test techniques to obtain more information and accuracy in the classification of their potential reactivity. The initial petrographic analysis is interesting to identify potentially reactive mineralogical phases, but not sufficient to accurately classify the potential reactivity of the aggregates taking into account the reaction rates.
As the thresholds defined in the standardized tests according to UNE 146508 or ASTM C1260 do not take into account the behavior developed by some aggregates considered to be slow-reacting, maintaining short-term test times, it is necessary to review these classification thresholds defined in short term in the standardized tests based on the study and taking into account the results obtained in the accelerated tests with mortar bars prolonged in time and the correlation of the results obtained in the standardized tests themselves with the different parameters that characterize the aggregates chemically and physically, thus increasing the precision in the classification of the potential reactivity of the aggregates.
From the study carried out in this Ph.D Thesis, a qualification of the characteristic reaction speed of the aggregates is proposed, defining five groups (without reactivity; slow reactivity; moderate reactivity; fast reactivity; very fast reactivity), based on the results obtained in the accelerated test of mortar bars at 14 days and 28 days (UNE 146508).
Another classification of aggregates is also proposed, combining petrographic analysis by optical microscopy with polarized light, image processing and the accelerated test of mortar bars at 14 days and 28 days (UNE 146508), which classifies aggregates as nonreactive, slow-reacting aggregates, fast-reacting aggregates and poor-effect aggregates.
A study of the extractable alkalis over time is also carried out, considering the extraction methods called α and β. In the α method, an ultrapure water solution at 20°C is used in contact with the tested aggregate. In the β method, the solutions R1 [Ca(OH)2 sat + exc], R2 [0.7N NaOH], R3 [0.7N KOH], R4 [0.7N NaOH + Ca(OH)2 sat and exc], R5 [0.7N KOH + Ca(OH)2 sat and exc] at 150°C. From the analysis carried out, the methods that present the highest ionic extraction efficiency are those that use solutions saturated in Ca(OH)2 and that simulate the liquid phase of concrete, in this case the solutions R4 [0.7N NaOH + Ca(OH )2 sat and exc] and R5 [0.7N KOH + Ca(OH)2 sat and exc] at 150°C. These methods are faster and cheaper to evaluate the extraction of alkalis from aggregates.
From the results obtained from the factorial analysis, applied to compare the characteristics and tests related to the classification of the potential reactivity of the Spanish aggregates studied in this Ph.D Thesis, it is corroborated that the more siliceous the aggregates, the lower the reactivity index. IQr has a greater expansion in the rapid test of mortar bars according to UNE 146508 and, in turn, a greater amount of leaching alkalis.