Tesis:
Estudio de la reactividad álcali-sílice originada por componentes reactivos minoritarios.
- Autor: LANZA FERNANDEZ,Víctor Daniel
- Título: Estudio de la reactividad álcali-sílice originada por componentes reactivos minoritarios.
- Fecha: 2012
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: CONSTRUCCION
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/14186/
- Director/a 1º: ALAEJOS GUTIERREZ, María del Pilar
- Resumen: La reacción álcali sílice se produce cuando algunas formas de sílice contenidas en los áridos reaccionan con los álcalis presentes en la disolución intersticial del hormigón formando un gel que, al embeber agua, expande produciendo el deterioro del hormigón. En función de la forma de sílice que desarrolla la reacción, existen dos tipos de áridos reactivos: - Áridos de reacción rápida, causada por la presencia de ópalo, tridimita, cristobalita, vidrio volcánico y cuarzo micro y/o criptocristalino (incluyendo la calcedonia). - Áridos de reacción lenta, debido a la presencia de cuarzo altamente deformado y/o microfisurado. En ambos casos la reacción química producida es la misma, aunque la forma en la que se manifiesta en el hormigón es distinta. En el caso de áridos que producen reacción rápida, los límites fijados en diferentes normativas coinciden siempre en el hecho de que los componentes reactivos son perjudiciales incluso encontrándose en cantidades muy reducidas en las rocas utilizadas para la fabricación de los áridos del hormigón. Esta tesis se centra en el estudio de componentes reactivos minoritarios (áridos de reacción rápida). En España ya ha sido identificada y estudiada esta patología en diferentes obras hidráulicas. El coste de la reparación de estas obras se habría podido evitar realizando una selección adecuada de los áridos a emplear. Para ello, la identificación de áridos reactivos es un trabajo fundamental, ya que de él depende la durabilidad del hormigón. Sin embargo, los bajos contenidos que pueden desencadenar la reacción, así como las limitaciones de los ensayos convencionales, hacen que sea necesario fijar una metodología de estudio para áridos de reacción rápida capaz de detectar estos componentes que, incluso en porcentajes minoritarios en los áridos (siempre inferiores al 5%), son capaces de producir procesos de degradación irreversibles en una obra hidráulica. El cumplimiento de este objetivo es complejo debido a las siguientes dificultades que muestra la reacción álcali sílice: - Todas las rocas silíceas han sido clasificadas en algún momento como árido reactivo. Por tanto, no es posible relacionar una roca concreta con su reactividad. - No es directamente extrapolable la experiencia de unos países a otros y el comportamiento de los áridos en obra y frente a los diferentes ensayos para la detección de su reactividad deben ser comprobados de forma específica en cada país. Lo mismo sucede con los límites máximos admisibles para cada componente reactivo. - Los áridos de reacción rápida se caracterizan por producir la reacción álcali-sílice incluso cuando los componentes reactivos están presentes en concentraciones muy bajas (en general por debajo del 5%). Para poder alcanzar el objetivo principal de la tesis de definir una metodología de estudio de áridos de reacción rápida, dando solución a las dificultades existentes, ha sido necesario resolver una serie de objetivos intermedios. Para resolver estos objetivos se han empelados áridos cuya reactividad es conocida, ya que han sido extraídos de obras afectadas por la reacción álcali sílice. Los objetivos planteados y resultados obtenidos se muestran a continuación. El primer objetivo ha sido la definición clara y exhaustiva de cuáles son los componentes reactivos minoritarios que hacen a un árido de reacción rápida y evaluar las diferentes técnicas existentes para su identificación y cuantificación. Dentro de este objetivo se han diferenciado dos técnicas para la identificación y cuantificación de componentes reactivos: el estudio petrográfico y la difracción de rayos X. La mayor parte de las metodologías existentes para el estudio de áridos reactivos recogen como ensayo inicial evaluar la reactividad potencial a través del estudio petrográfico, para lo cual existen diferentes normas con diferentes técnicas para la cuantificación de componentes reactivos. Esta tesis doctoral se centra en componentes reactivos minoritarios, lo que hace que sea fundamental que el método de cuantificación de componentes reactivos en los áridos sea preciso y riguroso. Para conseguirlo, a partir de la bibliografía existente, se han definido cuales son los componentes de reacción rápida a identificar, cómo pueden ser cuantificados y, por último, se han evaluado los límites para áridos reactivos rápidos españoles. Los resultados obtenidos son: - Los Componentes de reacción rápida a identificar son: cuarzo reactivo (cuarzo con tamaño de grano comprendido entre 10 μm y 60 μm), cuarzo altamente reactivo (cuarzo con tamaño de grano inferior a 10 μm incluida la calcedonia), tridimita y cristobalita (componente característico de rocas volcánicas ácidas), ópalo (formado por precipitación de sílice) y el vidrio volcánico (presente en las rocas volcánicas). - Cuantificación: se realiza siguiendo el conteo por puntos descrito en la norma RILEM AAR-1: machaqueo de la muestra, preparación de láminas delgadas de arena y conteo de, al menos, 1000 puntos efectivos (restando los que caen en resina) por fracción estudiada. - Límites para áridos reactivos españoles: Se clasifica como reactivos todos los áridos que, en al menos una de las fracciones estudiadas (2-4mm y < 10 micras y/o entre 10 y 60 micras), se ha demostrado que no es necesario ampliar en ningún caso el ensayo por encima de 14 días (como pide actualmente la norma española en algunos casos), siendo el límite de 0,10% a 14 días suficiente para clasificar a los áridos como reactivos. Este ensayo, para áridos de reacción rápida, ha mostrado como limitación en la bibliografía que no es válido para áridos de elevada porosidad (áridos ligeros y flint poroso). Sin embargo, no se han dado estos casos en áridos reactivos españoles. *Ensayos químicos ASTM y UNE. Tras aplicar ambos ensayos a diferentes áridos reactivos españoles, se ha modificado el ensayo ASTM (el que mejor se ajusta con la reactividad real de los áridos) para la detección de cuarcitas y cuarzoarenitas reactivas por su contenido en cuarzo inferior a 60 micras, según los parámetros siguientes: se ensayan 25 gramos de la facción 0,300-0,150 mm, midiendo la sílice soluble. El valor de 12 mmol/l corresponde a 0,10% expansión a 14 días en el ensayo acelerado de probetas de mortero. Entre 0 y 60 mmol/l la reacción obtenida es: Expansión 14 días = 0,0082• SiO2 (mmol/l). (R2: 0,72) La reducción de alcalinidad se considera un parámetro de poca influencia (valores bajos corresponden con áridos de baja porosidad). La principal limitación del ensayo para áridos de reacción rápida es que el límite sólo es válido para cuarcitas y cuarzoarenitas reactivas por su contenido en cuarzo inferior a 60 micras. Sería necesario valorar otros factores (otros componentes reactivos o tipos de rocas, diferente porosidad, áridos con un contenido elevado aluminio soluble) para hacer el límite extensivo. *Gel Pat. El ensayo Gel Pat, diseñado para la detección de áridos con sílice altamente reactiva, no detecta áridos de reacción rápida por su contenido en cuarzo inferior a 60μm. El tercer objetivo que ha tratado de resolver esta tesis ha sido definir un nuevo ensayo que, de una forma fácil y rápida, sea capaz de diferenciar áridos potencialmente reactivos de inocuos. Así, se podría saber si el árido es inocuo y no es necesario mayor estudio o, si es reactivo, que ensayo sería el óptimo para su estudio en función del tipo de reactividad (árido de reacción rápida o lenta). En las metodologías actuales esta preselección de áridos se realiza a través del estudio petrográfico, si bien este ensayo presenta ciertas limitaciones. Se ha diseñado una alternativa menos compleja que, aunque proporcione menos información que un estudio petrográfico detallado del árido, permita diferenciar fácil y rápidamente entre árido inocuo, árido potencialmente reactivo de reacción rápida o árido potencialmente reactivo de reacción lenta: el Gel pat modificado. Se han realizado dos modificaciones sobre el ensayo Gel Pat: ataque químico a 80ºC y fabricación dejando gran cantidad de huecos entre las partículas de árido. Este ensayo Gel Pat modificado detecta diferentes componentes de reacción rápida (cuarzo interior a 60 micras, ópalo, sílex, calcedonia) o lenta (cuarzo microfisurado y altamente deformado) en áridos gruesos y finos y de forma visual en sólo 3 días (en lugar de los 14 días del ensayo normalizado). Además, dependiendo de cómo reaccionan los áridos, es posible diferenciar entre áridos de reacción rápida y lenta tras una inspección visual de la pastilla. Una vez que el ensayo se ha completado, las partículas reactivas donde el gel se ha acumulado pueden ser seleccionadas y fácilmente retiradas de la pastilla para su estudio petrográfico. De esta manera, el componente reactivo puede ser identificado con un número bajo de láminas delgadas, incluso cuando el contenido de componentes reactivos es muy bajo. Expuestos todos los ensayos para la identificación de áridos de reacción rápida y analizadas sus ventajas y limitaciones, se propone la siguiente metodología para el estudio de áridos reactivos, basada en la obtención de resultados fiables en el corto espacio de tiempo y de una manera simplificada. 1º: Gel Pat modificado (3 días, visual), ensayo químico (12 mmol/l, 24 h) o Difracción rayos X (DC>1475A, 6 h) * Si en ensayo es inocuo: Fin * Si se clasifica como de reacción lent: futuras líneas de investigación *Si se clasifica como potencialmente reactivo (rápido): ensayo acelerado de probetas de mortero. La petrografía se empleará cuando se considere necesario conocer el árido en profundidad: identificación y cuantificación de componentes reactivos. El ensayo Gel Pat pre-vio ayudará a orientar la petrografía. La elección de Gel Pat o petrografía se realizará teniendo en cuenta que: - El Gel Pat modificado es un ensayo fácil (medida visual) y rápido (3 días) pero proporciona resultados cualitativos. Sólo clasifica al árido como potencialmente reactivo o inocuo y diferencia áridos de reacción rápida o lenta. La realización de láminas delgadas de partículas seleccionadas permite además identificar el componente reactivo. - La petrografía es un ensayo muy laborioso y que exige una formación muy es-pecífica del petrógrafo en reacción álcali-sílice. Sin embargo, además de clasi-ficar al árido como reactivo o inocuo, proporciona una información muy completa: descripción petrográfica, composición mineralógica cuantitativa, contenido en componentes reactivos, expansión potencial en el ensayo acelerado de probetas de mortero y posible efecto pésimo del árido. El ensayo químico y la difracción de rayos X, siempre que sean utilizados teniendo en cuentas las limitaciones de cada técnica, permiten anticipar por su rapidez de reali-zación el resultado del ensayo acelerado de probetas de mortero. Además, al igual que el ensayo Gel Pat modificado, son ensayos útiles para realizar una preselección de áridos, ya que proporciona resultados de forma rápida. La difracción de rayos X, aunque debido a sus limitaciones no se puede emplear de forma única para caracterizar un árido, es una herramienta muy útil para completar el estudio petrográfico. El límite de detección de algunos componentes reactivos por di-fracción es mayor que el contenido máximo admitido. Aun así, la técnica permite ca-racterizar de forma rápida el cuarzo reactivo (caso identificado en España) e identificar áridos altamente reactivos por su contenido en tridimita, cristobalita, ópalo C u ópalo CT.