SUSTANCIAS DELETEREAS EN EL HORMIGÓN AMANDA SEPULVEDA BELLO RESUMEN Se afirma que los agregados pétreos usados en la producción de hormigón, deben ser químicamente inertes. En la práctica algunas veces esto no se cumple a cabalidad y los agregados terminan en mayor o menor grado reaccionando con el cemento, con el medio ambiente u ocasionando agresiones internas, perjudicando así algunas propiedades del hormigón. Se analizan algunas sustancias deletéreas presentes en los agregados y el daño que producen al hormigón.
PALABRAS CLAVE: Agregados pétreos, chert, sales libres, impurezas orgánicas, arcilla.
1.
INTRODUCCIÓN
La contaminación de los agregados puede manifestarse en el concreto se diversas maneras: disminución de la resitencia, afectando la durabilidad de los elementos estructurales y perjudicando la estética. En los procesos constructivos es posible que aumenten el tiempo de mezclado y retrasen o impidan el proceso de fraguado. El origen del árido para hormigón influye en las propiedades físicas y químicas de éste, bien sea por sus componentes ó por las reacciones que se puedan presentar con el cemento, como puede ser la reacción álcali-árido. 2.
por su tamaño suelen retener más materia orgánica, se impide total o parcialmente el fraguado del cemento”. En efecto, la presencia de materia orgánica en los arídos, en contenidos mayores a 500 ppm puede impedir la adecuada hidratación del cemento y por lo tanto, ocasionar retardos en el fraguado de las mezclas y reducción de la resistencia a compresión a todas las edades. En la fotografía 1, se observa un concreto que a 48 horas no había fraguado, por lo que fue necesario su retiro, el cual no requirió de equipo mecánico de demolición por su estado de fluidez:
MÉTODO Y RESULTADOS
Entre las principales sustancias reactivas deletéreas, con las cuales los agregados pueden contaminarse, ya sea por causas naturales o inadecuada limpieza de los medios de transporte, se encuentran: 1. Impurezas orgánicas: De acuerdo con Gutierrez (2003): “La materia orgánica es producto de la descomposición de los vegetales y sustancias carbonosas, cuya composición química es ácido tánico y sus derivados conocidos con el nombre de humus. Cuando la presencia de humus es alta, especialmente en las arenas que
Fotografía 1.Concreto hidráulico para losa de pavimento que transcurridas 48 horas aún se encuentra en estado fluido. Fuente: Propia del autor.
Para efectos de determinar el contenido de materia orgánica de las arenas, se ejecuta un ensayo cualitativo, según la norma NTC 127, comparando la coloración que produce la muestra de arena al agregarle una solución de hidróxido de sodio al 3%, con una tabla de colores cuyo resultado es un número que indica el color de referencia. (Gutierrez, 2003) La norma NTC 127 especifica la forma de realizar el ensayo y la NTC 174, especifica el valor que debe dar el ensayo para la aceptación o rechazo de la arena. La presencia de otras partículas como terrones de arcilla, carbón, madera, lignito, mica, pueden disminuir la resistencia del concreto, o poner en peligro su durabilidad. (Gutierrez, 2003). 2. Contenido de arcilla y material con diámetro inferior a 0.074 mm:
productos de hidratación), en una solución muy alcalina (pH>12.5), compuesta por hidróxidos de sodio (Na) y potasio (K), provenientes de los álcalis del cemento. Reviste especial importancia tener en cuenta que en algunas fuentes de agregado se encuentra la roca “Chert”, roca sedimentaria rica en sílice que es considerada potencialmente reactiva a los álcalis de cemento. Este tipo de agregados reaccionan químicamente con el medio de contacto, dando lugar a la formación de un gel que, al absorber agua, se expande y crea presiones capaces de desintegrar el concreto, En la fotografía 2 se muestra la formación y expansión del gel que desintegra el concreto. Fotografía 2-.Concreto hidráulico con agregados pétreos ricos en chert, se observa la formación de geles que al expendirse fisuran el concreto Fuente: http://www.understanding-cement.com/alkali-silica.html
Según Gutierrez (2003): “Los
limos, arcillas y polvos procedentes de la trituración de las rocas con tamaños menores de 0.074 mm de diámetro son perjudiciales si se encuentran en un alto porcentaje en los agregados. La razón radica especialmente en que por ser tamaños menores que los granos del cemento, se encuentran recubriendo los agregados más gruesos impidiendo una buena adherencia entre éstos y la pasta de cemento. Algunos tipos de arcilla, al entrar en contacto con el agua producen fenómenos de expansión o encogimiento, que generan presiones internas que pueden agrietar la estructura.” La presencia de arcilla en el árido es funesta debido a que favorece la disminución de la adherencia entre la pasta de cemento y el árido, perjudicando la resistencia a tracción por esa falta de adherencia. Su eliminación se hace por lavado de la arena.
Cantrill and Campbell (1939) publicaron los resultados de un estudio de la condición del pavimento de Kentucky; El análisis de los datos mostró que las fallas graves de los pavimentos de hormigón en toda la parte occidental de Kentucky se debieron a la utilización de gravas de cherts procedentes de los ríos Tennessi y Cumberland en la parte occidental de dicho Estado. Encontraron que esos Cherts eran extremadamente porosos, altamente absorventes, y poseían una baja gravedad específica.
3. Chert: El Concreto hidraúlico en estado endurecido posee una interconexión de poros capilares (espacios no ocupados por el cemento o por los
La grava de chert pasó todas las pruebas estándar de laboratorio para la abrasión y solidez que se empleaban en ese momento. Estas eran: (a) El ensayo de abrasión de Los
Ángeles (b) El ensayo de abrasión Deval y (c) Solidez en sulfato de sodio. También las pruebas de resistencia del concreto hecho con grava de chert mostraron valores comparables a los de las muestras hechas de con grava del Rio Ohío y a la piedra caliza triturada con buenos registros de servicio. Sin embargo, cuando el agregado de chert fue incorporado en vigas de hormigón y se sometió a 40 ciclos de congelación y descongelación en agua, se observó una clara reducción en resistencia a la flexión. Por consiguiente, se llegó a la conclusión de que la congelación y descongelación fue la causa de la desintegración de estos cherts de Kentucky ligeros cuando se utilizan en pavimentos de hormigón. (Cantrill and Campbell, 1939). Actualmente en Colombia se debe aplicar la NTC 130 (ASTM C 123) para identificar en una muestra de agregado grueso, partículas con gravedad específica menor o igual a 2,40 y la NTC 3773 (ASTM C 295), para identificar cuáles partículas en la fracción liviana son cherts. En la NTC 174 se limita el contenido en porcentaje de cherts en los agregados, en los cuales se consideran estas como impurezas. 4. Sales Solubles: Según Carrasco: “
La presencia de sales solubles en los agregados originan diversos problemas en el hormigón. Según su composición química los sulfatos reaccionan con el aluminato tricálcico del cemento provocando expansiones, los cloruros atacan las armaduras y elementos metálicos embebidos en el hormigón y los carbonatos o los bicarbonatos aumentan el pH del hormigón lo que puede ocasionar un retardo del proceso de hidratación. Además, deben mencionarse algunos problemas de orden estético ya que el agua solubiliza las sales y al evaporarse las arrastra a la superficie, provocando manchas denominadas eflorescencia. Considerando que el contenido total de sales es el que influye sobre las características del hormigón, se hace necesario controlar no sólo el
porcentaje aportado por los agregados sino también el que incorporan los aditivos y el agua de mezclado.” En términos generales las sales producen los siguientes efectos perjudiciales: En el hormigón reforzado, su absorción constituye áreas anódicas y catódicas con agua como agente electrolito. Este mecanismo conduce a la corrosión del acero de refuerzo y a la formación de delaminaciones. En la matriz de concreto generan diferentes tipos de patologías, entre las que se cuentan: descascaramientos degradación, pulverización, excamaciones, desagregación y eflorescencias. Sin embargo, la acción más nociva de las sales sobre el hormigón es su expansividad, al cristalizarse en los poros del material. 5. Mica: Las micas son minerales comunes en rocas volcánicas sedimentarias y metamórficas. Según Gutierrez (2003) el uso de agregados con estos minerales no es recomendable para hormigones, por la posibilidad de alteración con sustancias químicamente activas derivadas de la hidratación del cemento. Cuando están presentes en el agregado fino requieren mayor contenido de agua y por ende de cemento para lograr una determinada resistencia. 6. Minerales que contienen sulfato de Hierro: De acuerdo con Gutiérrez (2003) estos minerales pueden presentar reacciones sucesivas de oxidación, hidratación y combinación con el aluminato de calcio desprendido en la reacción química del cemento formando sulfo-aluminato de calcio, que provoca la desintegración del concreto especialmente en regiones cálidas y húmedas. Un ejemplo de este tipo de minerales es la pirita. 7. Reactividad alcalí-agregado: Los agregados que contienen ciertos constituyentes pueden reaccionar con los hidróxidos alcalinos en el concreto.
De acuerdo con Mather (1975) la reactividad es potencialmente perjudicial sólo cuando produce una expansión significativa. La reacción alcali – agregado ocurre entre una solución altamente alcalina de los poros con PH muy alto y los sílices reactivos de algunos agregados pétreos. Según Galvis (2007) La reacción álcali – agregado comprende tres formas:
reactivos con los álcalis, en las proporciones que impliquen estado crítico según cada tipo de roca o mineral. c) La exposición de la estructura de concreto en servicio a un ambiente húmedo; especialmente cuando se producen modificaciones de humedecimiento y secado, o perdida de humedad a través del concreto.
a) Reacción álcali – sílice b) Reacción álcali – silicato c) Reacción álcali – carbonato
En la fotografía 3 se puede observar el comportamiento típico en el hormigón para este tipo de reacción.
La reacción álcali – sílice: se debe fundamentalmente a la sílice amorfa (SiO3) con estructura no cristalina que poseen algunos agregados: puzolanas, ópalos, materiales volcánicos vítreos, cristobalitas, tufandesitas, cuarzos, riolitas, chert, calizas blandas, granates, piritas etc. La sílice amorfa es muy reactiva. Forma geles de un gran volumen. (Galvis 2007).
Reacción álcali – silicato: Los silicatos son sales de ácido silícico. Las reacciones álcali – silicato conforman un proceso no muy bien conocido. Se sabe que su naturaleza es idéntica a la reacción álcali – sílice. En este caso los geles formados son de menor volumen y cantidades más limitadas. La expansión de la reacción es muy lenta , sus efectos pueden evidenciarse en (10 – 20) años ; una vez manifiesta sus efectos son devastadores. (Galvis 2007).
El mayor riesgo de ocurrencia de reacción deletérea sucede cuando se dan tres escenarios en el concreto: a) Empleo de un cemento portland con alto contenido de álcalis (más de 0,60 por ciento expresado como Na2O); específicamente si el contenido de álcalis en el concreto sobrepasa los 3 3 kg/m . Fotografía 3-.Formación de gel alrededor del agregado debido a la reacción alcalí sílice. Fuente: Diagnostic evaluation and repair of deteriorated concrete Bridges Department of Civil Engineering University of mississippi
Reacción Álcali – Carbonato: Los álcalis del cemento reaccionan sobre agregados calcáreos (CaCO3) por lo general, de grano fino con contenidos arcillosos que los hace reactivos y expansivos. La reacción se presenta con atmósfera húmeda. La expansión de debe a la transformación de la dolomita: CaMg (CO3)2 en calcita CaCO3 y brucita Mg (OH)2, las cuales son altamente expansivas, sus cristales aumentan ,hinchan sus volúmenes. (Galvis 2007). La reacción álcali - carbonato ocurre en hormigones que incorporan rocas carbonatadas como áridos. Las RAS ofrece un mayor motivo de preocupación que la RAC porque la frecuencia de agregados que contienen minerales reactivos de sílice es mayor. Los agregados de carbonatos reactivos con álcalis tienen una composición específica que no es muy común. (Galvis 2007). Puntos críticos en Colombia
b) La utilización de agregados pétreos que estén constituidos por rocas y minerales
El Instituto Americano del Concreto (ACI) reveló 16 puntos críticos en Colombia de agregados potencialmente reactivos. Se encuentran relacionados en la NTC174 (Quinta
actualización) y son los que se muestran a continuación:
la masa de hormigón afectando la estética, resistencia o durabilidad del mismo.
Fig. 1- Listado de Sitios Críticos en Colombia por presencia de agregados potencialmente reactivosFuente: NTC 174. Concretos. Especificaciones de los agregados para concreto, 2000
REFERENCIAS. [1] GUTIERREZ DE LOPEZ, Libia (2003) El Concreto y otros Materiales para Construcción, Editorial Universidad Nacional, Manizales, Colombia. [2] A Review of Research on Deleterious Substances in Concrete Aggregates : Technical Paper, Joint Transportation Research Program [3] http://www.understanding-cement.com/alkalisilica.html [4] CARRASCO, Fernanda, Apuntes Cátedra Tecnología del Hormigón, Universidad Tecnológica Nacional, Press, 1978. [5] GALVIS Victor., identificaciòn del deterioro producido por el medio ambiente natural sobre las estructuras de concreto, Monografía de grado, Universidad Industrial de Santander (2007).
3.
CONCLUSIONES
Los agregados son un componente que puede reaccionar en mayor o menor grado dentro de la masa del hormigón. Dicha reacción puede suceder por la variación en sus características durante los procesos de explotación, manejo y transporte ó deberse a condiciones intrínsecas referentes a los minerales constitutivos y la liología de la roca. Debido a que constituyen la mayor parte del volumen del hormigón, se consideran componentes críticos en el concreto y tienen un efecto relevante en el comportamiento de las estructuras de hormigón. Para la producir un concreto de calidad se hace imprescindible conocer a detalle sus componentes, ya que tanto la resistencia como la durabilidad dependen en gran parte, de las propiedades físicas y químicas de los agregados pétreos. Resulta pertinente realizar los ensayos requeridos para prescindir o limitar el empleo de agregados que efectúen reacciones nocivas en
[6] Diagnostic evaluation and repair of deteriorated concrete Bridges Department of Civil Engineering University of mississippi
