Estrategia integral de prevención de la reacción árido-álcali (Monografías del IETcc) (Spanish Edition) [1 ed.] 8400105168, 9788400105167

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MONOGRAFÍAS DEL IETcc

MONOGRAFÍAS DEL IETcc N.º 430

418. María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Javier Olmeda Montolío y Moisés Frías Rojas, Morteros especiales con propiedades termo-aislantes usando coque de petróleo como árido ligero, 2013. 419. Francisca Puertas Maroto et al., Proceso de deterioro por descalcificación del cemento: estudio comparativo de cementos de diferente composición, 2013. 420. Ana María Guerrero Bustos, Valorización de cenizas mediante tratamiento hidrotermal para su aplicación en materiales de construcción, 2014. 421. María Inés Pernas Alonso, Escalera monástica en Galicia. Escaleras de rampas al aire: análisis gráfico, 2015. 422. César Medina Martínez, María Isabel Sánchez de Rojas Gómez y Moisés Frías Rojas, Valorización de árido cerámico de sanitarios como árido reciclado en la fabricación de hormigones estructurales eco-eficientes, 2015. 423. Samuel Domínguez Amarillo, Juan José Sendra Salas e Ignacio Oteiza Sanjosé, La envolvente térmica de la vivienda social: el caso de Sevilla, 1939 a 1979, 2016 (serie Arquitectura, 1). 424. Pablo de la Fuente Martín y Carlos Zanuy Sánchez, Fundamentos para el cálculo de estructuras prismáticas planas, 2017. 425. David Revuelta Crespo, Pedro Carballosa de Miguel y José Luis García Calvo, Guía para el empleo de hormigones expansivos, 2017. 426. Eloy Velasco Gómez y Jon Zubiaurre Sasia (coords.), Forjados activos para edificios eficientes, 2018. 427. Eloy Asensio de Lucas (coord.), Valorización de los residuos de construcción y demolición (RCD) como puzolanas alternativas, 2018. 428. Jon Zubiaurre Sasia y Eloy Velasco Gómez, Forjados activos para edificios eficientes, 2018. 429. Ronaldo Soares Teixeira (coord.), Celulosa nanofibrilada y pulpa celulósica usada como refuerzo en materiales, 2019.

El hormigón es uno de los materiales más utilizados en la construcción a escala mundial, especialmente en la obra civil. No obstante, su propia composición y su exposición al medioambiente pueden afectar a su durabilidad e incluso a la seguridad de las estructuras. Una de las alteraciones que se pueden producir es el desarrollo de reacciones expansivas en la masa del hormigón, que genera fisuración ramificada y pueden comprometer severamente las propiedades físicas y mecánicas con el tiempo. Una de las reacciones expansivas más habituales es la reacción árido-álcali. Esta se produce debido a la interacción de los álcalis, presentes en el hormigón, con áridos potencialmente reactivos en presencia de agua, para formar productos expansivos que inducen la formación de productos expansivos y microfisuración. Algunas estructuras se consideran especialmente sensibles frente a la reacción árido-álcali debido a las condiciones de exposición ambiental o a sus requerimientos de seguridad: presas, instalaciones nucleares, puentes, pavimentos y, en general, cuando el hormigón dañado no se puede sustituir con facilidad. Todo esto justifica la necesidad de un diseño de mezclas de hormigón no expansivas, mediante una estrategia de prevención adecuada. La presente monografía recoge una estrategia integral para el diseño de mezclas de hormigón no expansivas. Esta se basa en el estado actual del conocimiento a escala internacional y en la experimentación realizada por el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) durante más de veinticinco años de trabajo en esta área. La monografía contiene una amplia documentación sobre la normativa y las estrategias internacionales de prevención, el análisis de la influencia de los componentes del hormigón, la metodología de ensayo para validar mezclas de hormigón y la descripción de la estrategia prescriptiva y prestacional para prevenir la reacción árido-álcali, hasta la propuesta final de la autora sobre la estrategia más adecuada para la prevención.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI

Esperanza Menéndez Méndez

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417. Irene García-Díaz y Francisca Puertas Maroto, Empleo de residuos cerámicos como materia prima alternativa en la fabricación de cemento Pórtland, 2011.

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Esperanza Menéndez Méndez Doctora ingeniero industrial (UPM), premio extraordinario de tesis y máster en Medioambiente por la UPM, es responsable de la Unidad de Ensayos Químicos y FísicoQuímicos del IETcc-CSIC desde 1996. Es especialista en caracterización, diseño durable y extensión de vida útil de materiales de construcción, y ha participado en treinta y cinco proyectos de investigación, nueve internacionales y once como investigadora principal. Es autora de un libro y editora de otros nueve, y ha contribuido en más de cien publicaciones, cien capítulos de libro y en más de ciento cincuenta congresos con dieciocho conferencias o participaciones invitadas, así como dos premios a las mejores comunicaciones. También ha participado en más de trescientos contratos de investigación, más de doscientos cincuenta como responsable. Ha dirigido dos tesis doctorales y ha sido directora y coordinadora de ocho cursos internacionales. En 2013 fue la directora de los Cursos Avanzados Eduardo Torroja del CSIC. De 2010 a 2011 fue profesora del Máster SEDUREC de la UIMP y desde 2015 del Máster de Explotación y Seguridad de Presas (SPANCOLD-UPM), y ha impartido más de cincuenta cursos de grado y postgrado. Es experta en varios organismos internacionales y miembro de diversos comités de normalización nacionales e internacionales. También ha sido miembro honorario de Lat RILEM en 2014 y premio Fellow de RILEM en 2017.

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

Imagen de cubierta: productos expansivos formados debido a la reacción sílice-álcali; cristales tipo roseta (toma de microscopio, IETcc-CSIC).

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Dirección Ángel Castillo Talavera, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Secretaría Ángela Sorli Rojo, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Comité Editorial Luis Albajar Molera, Universidad Politécnica de Madrid María del Carmen Andrade Perdrix, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Moisés Frías Rojas, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Pedro Garcés Terradillos, Universidad de Alicante Ángel Leiro López, CEDEX Amparo Moragues Terrades, Universidad Politécnica de Madrid Manuel Olaya Adán, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antonia Pacios Álvarez, Universidad Politécnica de Madrid Consejo Asesor Antonio Almagro Gorbea, Escuela de Estudios Árabes, CSIC Rigoberto Burgueño, Stony Brook University, EE. UU. Alicia Castro Lozano, Instituto de Ciencias de Materiales, CSIC Adelaida Esteve Campillo, Ministerio de Fomento Ana María Fernández Jiménez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Luis Fernández Luco, Universidad de Buenos Aires, Argentina Antón García-Abril, Massachusetts Institute of Technology (MIT), EE. UU. Ana María Guerrero Bustos, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Aurora López Delgado, Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas, CSIC Cecilio López Hombrados, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antoni Marí Bernat, Universitat Politècnica de Catalunya Beatriz Martín Pérez, University of Ottawa, Canadá María del Sagrario Martínez Ramírez, Instituto de Estructura de la Materia, CSIC Isabel Martínez Sierra, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC César Medina Martínez, Universidad de Extremadura Eugenio Oñate Ibáñez de Navarra, Universitat Politècnica de Catalunya Gloria Pérez Álvarez Quiñones, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Antonio Porro Garat, Tecnalia Research and Innovation Julián Rivera Lozano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Gonzalo Ruiz López, Universidad de Castilla-La Mancha Julián Salas Serrano, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Javier Sánchez Montero, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC María Isabel Sánchez de Rojas Gómez, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC Holmer Savastano Junior, Universidade de São Paulo, Brasil Peter Tanner, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC

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Esperanza Menéndez Méndez

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS Madrid, 2019

Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo por escrito de la editorial. Las noticias, los asertos y las opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, solo se hace responsable del interés científico de sus publicaciones.

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En esta edición se ha utilizado papel ecológico sometido a un proceso de blanqueado ECF, cuya fibra procede de bosques gestionados de forma sostenible.

ÍNDICE

Agradecimientos........................................................................................................................................ 9 Siglas y abreviaturas.................................................................................................................................. 11 1. Introducción....................................................................................................................................... 13 1.1. Incidencia de la reacción árido-álcali y su evolución en el tiempo.......................................... 16 1.2. La reacción árido-álcali en España........................................................................................... 18 1.2.1. Tipología de áridos en la Península Ibérica................................................................. 19 1.2.2. Áridos reactivos en España.......................................................................................... 19 1.2.3. Tipología de estructuras afectadas por reacción árido-álcali en España.................... 20 2. Enfoques internacionales sobre la prevención de la reacción árido-álcali....................................... 23 2.1. España. Instrucción EHE-08 y normas UNE.......................................................................... 25 2.1.1. Instrucción EHE-08..................................................................................................... 25 2.1.2. Normas UNE................................................................................................................. 26 2.2. Francia. Normativa AFNOR..................................................................................................... 28 2.2.1. El enfoque preventivo................................................................................................... 28 2.2.1.1. Nivel de prevención....................................................................................... 29 2.2.1.2. Balance de álcalis........................................................................................... 29 2.2.1.3. Evaluación de mezclas................................................................................... 30 2.3. Norteamérica. Normativa ASTM y recomendaciones ACI y AASHTO.................................... 30 2.3.1. Incidencia y prevención de la reacción de áridos dolomíticos.................................... 31 2.3.2. Incidencia y prevención de la reacción de áridos silíceos............................................ 31 2.3.3. Estrategia de prevención de la reacción sílice-álcali.................................................... 32 2.3.4. Estrategia AASHTO para la prevención de la reacción sílice-álcali............................ 34 2.3.4.1. Fase 1: determinar la reactividad del árido................................................... 34 2.3.4.2. Fase 2: determinar el riesgo de reactividad álcali-sílice............................... 34 2.3.4.3. Fase 3: determinar el nivel de prevención.................................................... 36 2.3.4.4. Fase 4: identificar las medidas preventivas.................................................. 36 2.3.4.5. Consideraciones para la aplicación del enfoque prescriptivo de AASHTO PP65.......................................................................................... 37 2.4. Australia. Normativa AS........................................................................................................... 38 2.5. RILEM. Recomendaciones y procedimientos de ensayo......................................................... 38 2.5.1. Recomendaciones para ensayo y calificación de áridos............................................... 38 2.5.2. Evaluación de estructuras afectadas por reacción sílice-álcali y carbonato-álcali...... 41 2.6. Correlación entre métodos de ensayo...................................................................................... 43 3. Análisis de los componentes del hormigón con relación al desarrollo de la reacción árido-álcali..... 45 3.1. Cementos. Características asociadas con la reacción árido-álcali y métodos de ensayo para su determinación.............................................................................................................. 45

3.1.1. Contribución de los álcalis del cemento a la reacción árido-álcali.............................. 45 3.1.2. Diseño de mezclas de conglomerante para la prevención de la reacción árido-álcali... 48 3.1.3. Eficacia de los cementos de bajo contenido en álcalis en la minimización de la expansión por reacción árido-álcali..................................................................... 49 3.2. Adiciones. Características asociadas con la reacción árido-álcali y métodos de ensayo para su determinación.............................................................................................................. 50 3.2.1. Reducción de la expansión con el uso de adiciones..................................................... 51 3.2.2. Valoración de la extracción potencial de álcalis de las adiciones................................ 52 3.3. Agua de amasado. Características asociadas con la reacción árido-álcali y métodos de ensayo para su determinación............................................................................................. 54 3.3.1. Composición química del agua y aporte potencial de álcalis....................................... 55 3.4. Áridos. Características y ensayos relacionados con la reacción árido-álcali........................... 55 3.4.1. Caracterización mineralógica de áridos mediante difracción de rayos X................... 55 3.4.2. Petrografía de los áridos............................................................................................... 57 3.4.2.1. Cuantificación de fases de los áridos............................................................. 58 3.4.2.2. Determinación de la reactividad potencial de los áridos.............................. 59 3.4.2.3. Índice de reactividad de los áridos................................................................ 61 3.4.3. Contenido de álcalis de los áridos................................................................................ 61 3.4.4. Valoración de la potencial lixiviación de álcalis desde los áridos................................ 62 3.4.5. Efecto pésimo de los áridos en la reacción árido-álcali............................................... 65 3.4.6. Influencia del tamaño y distribución de los áridos en el desarrollo de la reacción árido-álcali............................................................................................. 67 3.4.7. Expansión potencial de los áridos................................................................................ 68 3.4.7.1. Ensayos de barras de mortero....................................................................... 70 3.4.7.2. Ensayos de prismas de hormigón.................................................................. 71 3.4.8. Diseño de mezclas de áridos no expansivos................................................................. 74 3.4.9. Velocidad de reacción de los áridos y clasificación en función de su comportamiento expansivo................................................................................. 75 4. Ensayos de mezclas de hormigón con dosificaciones de obra.......................................................... 79 5. Diseño de mezclas de hormigón no expansivas................................................................................ 83 5.1. Selección de componentes........................................................................................................ 83 5.1.1. Selección de áridos....................................................................................................... 83 5.1.2. Selección de conglomerante......................................................................................... 84 5.1.3. Características del agua................................................................................................ 85 5.1.4. Álcalis efectivos en el hormigón................................................................................... 85 5.2. Verificación de la no expansividad de las mezclas de hormigón de obra............................... 86 6. Estrategia de prevención de la reacción árido-álcali......................................................................... 89 6.1. Estrategia prestacional............................................................................................................. 89 6.1.1. Componentes de la mezcla de hormigón..................................................................... 89 6.1.2. Evaluación prestacional del hormigón......................................................................... 90 6.2. Estrategia prescriptiva.............................................................................................................. 92 6.3. Conclusiones sobre la estrategia de prevención....................................................................... 96 7. Referencias......................................................................................................................................... 99

AGRADECIMIENTOS Esta publicación ha sido posible gracias a la experiencia adquirida y al trabajo realizado por la autora en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja del CSIC (IETcc-CSIC) durante más de veinticinco años. La autora ha participado en diversos contratos y proyectos de investigación y ha colaborado con grupos y comités internacionales, especialmente del RILEM (International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures). Fruto de estos trabajos se ha adquirido la experiencia que se refleja en esta monografía y que ha permitido elaborar este documento sobre estrategia de prevención de la reacción árido-álcali. La mayor parte de los resultados mostrados en esta monografía se han obtenido en los laboratorios del IETcc-CSIC con cargo a los proyectos PIE 201460E67 y PIE 201660E054. La autora quiere agradecer expresamente la colaboración de Ricardo García-Roves, Beatriz Aldea, Esther Puerto, Hairon Recino, Yasmín Salem y Carmen Barba, así como al personal técnico de la Unidad de Ensayos Químicos y Físico-químicos del IETcc-CSIC. Los planteamientos preventivos incluidos en esta monografía no hubiesen sido posibles sin las discusiones técnicas y los intercambios de opinión con distintos colegas / amigos ingenieros, químicos, geólogos, físicos, etc. Estos intercambios han permitido plantearse numerosas cuestiones con una visión multidisciplinar y dar respuesta a estas desde diferentes puntos de vista. Por último, la autora desea expresar su agradecimiento a Ángel Castillo, director de las Monografías, a su consejo de redacción, a los revisores de la misma y a Editorial CSIC por la edición de este trabajo.

SIGLAS Y ABREVIATURAS AAR AASHTO ACI AFNOR ANEFA AS ASTM CEM CRC CSIC CV EHE-08 EN FHWA IETcc IGME Iqz LA LCPC MSSSI Na2Oe NR PRP RAA RAC RAS RC RE RILEM RME S TDT UNE V W

Alkali-aggregate reaction-Reacción árido-álcali American Association of State Highway and Transportation Officials-Asociación Americana Oficial de Carreteras y Transporte del Estado American Concrete Institute-Instituto Americano del Hormigón Association Française de Normalisation-Asociación Francesa de Normalización Asociación Nacional de Empresarios Fabricantes de Áridos Australian Standarization-Normalización australiana American Society for Testing and Materials-Sociedad Americana para Ensayos y Materiales Cemento Concrete Research Council-Consejo de Investigación del Hormigón Consejo Superior de Investigaciones Científicas Ceniza volante Instrucción de hormigón estructural, 2008 European Standards-Normalización europea Federal Highway Administration-Administración federal de carreteras Instituto Eduardo Torroja de Ciencias de la Construcción Instituto Geológico y Minero de España Índice de reactividad de los cuarzos Low alkali-Bajo contenido en álcalis Laboratoire Central des Ponts et Chausse´es-Laboratorio Central de Puentes y Caminos Ministerio de Sanidad, Servicios Sociales e Igualdad Óxido de sodio equivalente No reactivo Potencialmente reactivo con efecto pésimo Reacción árido-álcali Reacción álcali-carbonato Reacción álcali-silicato Pliego de recepción de cemento Reactividad elevada Réunion Internationale des Laboratories et experts des matériaux systèmes de construction et ouvrages-Reunión internacional de laboratorios y expertos de materiales, sistemas de construcción y obras Reactividad muy elevada Slag-Escorias de horno alto Texas Department of Transportation-Departamento de transportes de Texas Asociación Española de Normalización Cenizas volantes silíceas Cenizas volantes calcáreas

1. INTRODUCCIÓN La reacción árido-álcali es una patología que puede producirse en las estructuras y elementos de hormigón con el tiempo, dependiendo de los componentes de este y de las condiciones medioambientales a las que esté expuesto. Dentro de la reacción áridoálcali se incluye la reacción sílice-álcali, que se produce entre los áridos de naturaleza silícea y los álcalis del hormigón y la reacción carbonato-álcali, que se produce entre los álcalis del hormigón y áridos de naturaleza dolomítica. Sin embargo, la reacción carbonato-álcali prácticamente no tiene incidencia y en muchos casos se considera que no está bien diagnosticada y que se trata de reacción silicatoálcali, por la presencia de inclusiones de partículas silíceas en áridos de naturaleza calcárea. Si se analiza estadísticamente la aparición de fallos en el proceso de construcción, estos se asocian fundamentalmente con la fase de proyecto. En segundo lugar, se asocian con la ejecución y, en me-

nor medida, con las características de los materiales y su uso. Estas estadísticas son similares a nivel español y europeo, como se puede observar en los valores medios, recogidos en la Figura 1. La fisuración del hormigón es atribuible a numerosas causas. Las fisuras pueden afectar solo a la apariencia o pueden indicar fallos estructurales significativos o problemas de durabilidad. Las fisuras pueden representar la totalidad del daño, pero también pueden señalar problemas de mayor magnitud. Su importancia depende del tipo de estructura, así como de la naturaleza de la fisuración. Por ejemplo, fisuras que pueden ser aceptables para un edificio residencial pueden no serlo en el caso de una estructura para almacenamiento de líquidos. Las reacciones expansivas de tipo árido-álcali se caracterizan por un tipo de fisuración ramificado, debido a que los procesos expansivos no tienen una dirección preferencial, salvo que estén influidos por otros factores como cargas, tensiones, etc. No obstante, es necesario definir qué se entiende por fisura. En las rocas naturales

Figura 1. Proporción de fallos en construcción a nivel español y europeo (Bureau Veritas, 2013).

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y en los materiales artificiales compuestos, como el hormigón, se pueden definir diferentes geometrías que constituyen los huecos presentes en el material, presentando cada tipo unas características propias en cuanto a dimensiones y aspecto. En materiales porosos pétreos se diferencia entre poros, accesos y fisuras de acuerdo con las dimensiones y características. Uno de los posibles criterios de clasificación es el que se recoge en la Tabla 1 (E. Menéndez, 2013a y 2013b). La fisuración juega un papel importante en la respuesta del hormigón a las cargas, tanto en tracción como en compresión. En los materiales de construcción se definen los tipos de fisuras en función de la dimensión de su diámetro, según se clasifican en la Tabla 2 (E. Menéndez, 2010, 2012a y 2013a). Los poros de aire en el hormigón tienen generalmente una forma esférica o un aspecto irregular, dependiendo de la zona en la que se forman, por ejemplo, en interfases árido-pasta. Sin embargo, en el caso de las reacciones expansivas se forman fisuras ramificadas. En la Figura 2 se pueden observar numerosos poros de aire, en la imagen de microscopía electrónica de la izquierda, y pequeñas fisuras debidas a reacción árido-álcali en la imagen de estereomicroscopía de la derecha. En el caso de la reacción árido-álcali, los poros actúan como cámaras de expansión cuando se produce la formación de geles expansivos en su proximidad. Sin embargo, para que se produzca la formación de fisuras, es necesario superar la resistencia a tracción del hormigón.

La microfisuración del hormigón, debido a la reacción árido-álcali, forma una retícula originada en el interior o en la superficie de los áridos reactivos, dependiendo de la morfología y de la porosidad de los áridos reactivos. Así mismo, dependiendo de si los áridos reactivos son finos o gruesos, se formará una retícula de fisuras característica, como las que aparecen en la Figura 3. La fisuración microscópica del material se manifiesta a nivel de elementos de hormigón como una fisuración también reticular, si no está influenciada por acciones mecánicas específicas. El espesor de las fisuras visibles puede variar desde décimas de milímetros hasta centímetros. No obstante, es necesaria una adecuada diagnosis del origen de la fisuración, puesto que diferentes tipos de alteraciones pueden conllevar la aparición de fisuras con un aspecto similar. La expansión asociada a la reacción puede inducir la formación de importantes grietas y efectos adicionales como la apertura de juntas, desalineación de bloques y acodalamiento de elementos mecánicos. En la Figura 4 se pueden ver algunos ejemplos de estos efectos en la presa de Fontana (Estados Unidos).

Tabla 2. Clasificación de fisuras en los materiales de construcción Clasificación de fisuras Microfisuras

Menores de 0,2 mm

Pequeñas fisuras

Entre 0,2 mm y 0,5 mm

Fisuras

Entre 0,5 mm y 2 mm

Tabla 1. Clasificación de poros, accesos∫ y fisuras en materiales pétreos porosos Clasificación de huecos

Poros

Tamaño

Microporo

Mesoporo

Macroporo

< 60µm

60µm-2mm

> 2mm

Equidimensionales (x ≈ y ≈ z)

Forma Accesos

Tamaño

Microacceso < 7,5µm

> 7,5µm Cilíndricas y cónicas (x > y ≈ z)

Forma Longitud Tamaño Espesor

Fisuras

Macroacceso

Microfisura

Fisura

< 1mm

> 1mm

Microfisura

Fisura

< 1µm

> 1µm

Densidad lineal

No. fisuras/longitud (μm-1)

Forma

Planares (x ≈ y > z)

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 15

Figura 2. Poros y microfisuras en el hormigón.

Figura 3. Patrón de fisuración por reacción árido-álcalis de áridos finos (izquierda) y de áridos gruesos (derecha) (BCA, 1998 y E. Menéndez, 2010).

Figura 4. Fisuración, desalineaciones y formación de grietas en la Presa de Fontana (Estados Unidos).

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1.1. Incidencia de la reacción árido-álcali y su evolución en el tiempo Las reacciones álcali-sílice y álcali-silicato son consecuencia de la reacción que se produce en los áridos silíceos (amorfos, poco cristalizado o policristalinos con cristalizaciones de sílice deformadas) por la acción de los álcalis. Por su parte, la reacción álcali-carbonato se considera que tiene una incidencia poco significativa en las estructuras de hormigón, y actualmente se cuestiona la incidencia de este tipo de reacción. En general, se asocia la reacción álcali-carbonato de áridos dolomíticos con la presencia de inclusiones de sílice reactiva o a la presencia de algunos tipos de arcillas [Katayama et al., 2016]. Debido a esto las principales aportaciones en prevención de la reacción árido-álcali están relacionadas con la reacción sílice-álcali. El esquema general del proceso fue establecido por Plum et al., (1958), de acuerdo con la siguiente reacción: SiO2 + NaOH + H2O  n1Na2O.n2CaO.n3SiO2.n4H2O En cuanto al mecanismo de expansión fue propuesto por [Chatterji et al., 1986 y 1989, E. Menéndez, 2010]. La expansión se produce en seis pasos: 1. Con un pH igual o superior a 7, los iones hidroxilo penetran en las partículas reactivas. La penetración de iones se incrementa con un mayor pH y la fuerza iónica; si bien decrece la absorción de iones OH- con el tamaño del catión hidratado asociado (K+, Na+, Li+, Ca2+). Esto implica que se produce una menor penetración de iones OH- cuando estos están asociados con el calcio. 2. Los cationes asociados con los iones OHentran en los granos de sílice reactiva con mayor facilidad cuanto más pequeños son (p.ej. Na+ hidratado). 3. Los iones de OH- que entran en los áridos atacan las cadenas de siloxanos, de acuerdo con la siguiente ecuación: Si-O-Si + OH- = Si-OH + Si-Oy producen una mayor apertura de los granos de sílice reactiva, lo que permite la difusión de la sílice fuera de estos. 4. La ratio de sílice difundido de los granos reactivos está en función del Ca2+ que se en-

cuentra en las zonas próximas, de tal manera que una mayor concentración de iones Ca2+ produce una disminución en la difusión de sílice. 5. El hidróxido de calcio [Ca(OH)2] incide de tres formas en el desarrollo de la reacción sílice-álcali: a. acelera la penetración de Na+, K+, Ca2+, OH- y H2O en el grano reactivo, b. favorece la penetración preferente de Na+, OH- y H2O en el grano reactivo en presencia de disoluciones de NaCl, e c. impide la difusión de los iones de silicato fuera del grano. 6. Cuando la cantidad neta de materiales (Na+, K+, Ca2+, OH- y H2O) que entran en el grano de sílice reactiva excede a la cantidad de materiales que salen (SiO2=), se produce la expansión. En lo relativo a la reacción carbonato-álcali, esta se produce entre los áridos dolomíticos (carbonatos cálcico-magnésicos) y los álcalis presentes en el hormigón. La reacción árido-álcali es un fenómeno lento que puede empezar a manifestar alteraciones después de décadas de construidas las estructuras. Se han detectado estructuras afectadas por este fenómeno en todo el mundo, si bien es complicado disponer de una estadística fiable, ya que muchas estructuras no están diagnosticadas adecuadamente o ni siquiera se ha investigado el origen del daño observado. A nivel internacional se han documentado decenas de casos de alteración debido a reacción árido-álcali. Las estructuras más documentadas, con relación a este fenómeno, son las estructuras hidráulicas. Diversos estudios internacionales documentan casos a nivel mundial, que constituyen aproximadamente el 15% de las presas afectadas por algún tipo de alteración. En cuanto a la incidencia a nivel mundial de la reacción árido-álcali, se han documentados casos en prácticamente todos los países de Europa, en mayor o menor medida, en América (Estados Unidos, Canadá, Brasil, México y Argentina), en Asia (India, Pakistán, China y Tailandia), en África (Sudáfrica, Nigeria, Mozambique, Kenia, Zimbabue, Ghana y Uganda) y en Australia. En general, hay un mayor número de casos documentados en los países con un control más estricto de las estructuras, por lo que no puede descartarse que la distribución a nivel mundial sea más homogénea. Particularmente en el caso de las

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presas, el mayor número de estructuras documentadas con reacción árido-álcali corresponde a Estados Unidos, Canadá, Sudáfrica y varios países europeos (Gran Bretaña, Noruega y Francia). [Menéndez, 2011a, 2013c y 2016a, Hydroworl, 2012, Ialad, 2012 y Acres, 2013]. En España durante muchos años se consideró que no había potencialidad de reactividad en los áridos, limitándose los casos conocidos a algunas estructuras hidráulicas. Sin embargo, esta suposición no era correcta y en los últimos veinticinco años se han diagnosticado numerosos casos de reacción álcali-silicato en distintos tipos de estructuras y elementos de hormigón. Además de presas, se han identificado en puentes, losas, pavimentos y elementos prefabricados. Estas alteraciones se han observado en distintas zonas de la península, asociadas fundamentalmente con áridos de origen granítico, granitoides, gneis, cuarcitas, areniscas, diabasas y algunas pizarras metamórficas, si bien estas últimas no suelen utilizarse como áridos en el hormigón. Aunque no se dispone de una estadística sobre la incidencia de la reacción árido-álcali en España, se puede considerar que el 3 - 5% de las estructuras hidráulicas están afectadas por reacciones expansivas internas, especialmente por reacción árido-álcali. La incidencia del fenómeno de la reacción árido-álcali se ha estudiado especialmente en las estructuras hidráulicas, tanto por su especial singularidad en cuanto a las consecuencias del daño, como por tener grandes volúmenes de hormigón, lo que favorece la manifestación de las alteraciones asociadas con este tipo de fenómenos. Analizando los casos de alteración a nivel mundial por reacciones árido-álcali en presas con relación a su fecha de construcción,

se puede ver que la mayor parte de los casos se producen en estructuras construidas entre 1920 y 1970 (Figura 5 izq.), lo que está relacionado tanto con los años transcurridos para que se observe la alteración como con la velocidad de reacción de los áridos. Este mismo análisis, en España muestra una incidencia claramente destacada en las presas construidas entre 1950 y 1980 (Figura 5 dcha.), lo que coincide con el periodo de mayor número de construcción de presas. Por otra parte, el tiempo transcurrido desde el año de construcción ha permitido que los áridos de reacción lenta hayan generado suficientes productos de reacción como para observar, de forma clara, síntomas de daño, habida cuenta de que en España la mayoría de los áridos identificados en las estructuras hidráulicas afectadas por RAA se consideran de reacción lenta, como los granitos y las granodioritas. En cuanto al tiempo de aparición de los síntomas de la reacción árido-álcali, depende esencialmente de la velocidad de reacción de los áridos, pero también de las condiciones de exposición ambiental y de las cargas a las que está sometido el hormigón. Continuando con el ejemplo de las estructuras hidráulicas, a nivel mundial se observa una distribución relativamente homogénea, debido a la variabilidad de los áridos en cuanto a velocidad de reacción (Figura 6 izq.). Sin embargo, en España el tiempo transcurrido hasta la aparición de los síntomas se concentra mayoritariamente entre quince y veinticinco años, lo que es característico de los áridos de reacción lenta, como los granitos que, como se ha indicado, se han utilizado en la mayor parte de las estructuras hidráulicas afectadas por RAA. (Figura 6 dcha.). La evolución temporal de la reacción áridoálcali depende de varios factores que inciden en el

Figura 5. Presas afectadas por RAA a nivel mundial y en España, en función de la década de construcción.

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tiempo transcurrido desde la aparición del daño, así como en el grado de alteración producido. Estos factores están asociados, principalmente, con el tipo, tamaño y distribución de los áridos reactivos, los álcalis libres presentes en al hormigón (procedentes fundamentalmente del cemento y, en menor medida, de otras fuentes como el agua de amasado, los álcalis extraídos de áridos o de adiciones, de otros componentes del hormigón o bien de un aporte externo), la presencia de agua o humedad y la forma en la que esta accede al hormigón (por capilaridad, filtrante, con presión o con arrastre), la temperatura, las cargas —especialmente la compresión— y de forma general, las condiciones a las que está expuesto el hormigón. En cuanto al tipo de exposición del

hormigón cabe destacar, además de la forma de acceso del agua o la humedad y de las cargas mecánicas, la incidencia que tienen factores como el viento o la insolación, que inciden sobre la temperatura del hormigón y que se produzcan ciclos de humedadsecado (Figura 7). [Menéndez, 2010 y 2016a].

1.2. La reacción árido-álcali en España Durante años se ha considerado que la reacción árido-álcali no tenía una incidencia significativa en España. Sin embargo, esto era debido principalmente a que una gran parte de los áridos de la Península Ibérica son áridos de reacción lenta, por lo que mu-

Figura 6. Tiempo transcurrido hasta la aparición de la RAA en presas a nivel mundial y en España.

Figura 7. Factores que inciden en el tiempo de aparición y los efectos de la RAA.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 19

chas de las alteraciones observadas han tardado en manifestarse más de 15-20 años, aunque también es debido a la deficiente identificación del fenómeno en algunas estructuras o elementos de hormigón. Por otra parte, algunas de las primeras estructuras afectadas por reacción árido-álcali diagnosticadas corresponden a presas, en las que gran parte de los áridos son granitos. Estos áridos son de reacción lenta, sin embargo, el elevado volumen del hormigón de estas estructuras y la presencia constante de agua ha favorecido que se observasen las consecuencias de estos fenómenos expansivos y se identificase esta incidencia [Gil y Cajete, 1988, 1991; López et al., 2002, Segarra, 2005 y Menéndez, 2011].

1.2.1. Tipología de áridos en la Península Ibérica Si bien se analiza la incidencia de la reacción en España, la tipología de áridos es común en toda la Península Ibérica. En la Península hay tres tipos fundamentales de suelos y, por tanto, de áridos: silíceos, calizos y arcillosos (Figura 8). La zona silícea está situada principalmente en la mitad occidental de la Península, mientras que las zonas calizas y

arcillosas están inter-mezcladas en el sur, el norte y la zona oriental de la Península [IGME, 2018]. Las zonas silíceas se centran fundamentalmente en el Macizo Galaico Portugués, el Sistema Central, los Montes de Toledo y en Sierra Morena (Figura 9). En estas zonas silíceas es donde aparecen fundamentalmente los casos diagnosticados de reacción árido-álcali [IGME, 2018].

1.2.2. Áridos reactivos en España Existen diversos listados de minerales y rocas potencialmente reactivas que contienen los áridos que han mostrado más frecuentemente problemas de reacción árido-álcali en el hormigón. Por otra parte, hay otros áridos que pueden contener en su composición algunos componentes susceptibles de reaccionar con los álcalis. Se distinguen minerales y rocas potencialmente reactivas. Los minerales corresponden a áridos de reacción rápida, mientras que las rocas normalmente contienen partículas reactivas en su composición. En las Tablas 3 y 4 se recogen a nivel internacional los principales minerales y rocas considerados potencialmente reactivos [Menéndez, 2010].

Figura 8. Tipología de suelos en la Península Ibérica [IGME, 2018].

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Figura 9. Distribución de suelos en las distintas zonas de la Península Ibérica [IGME, 2018].

En España se ha observado reacción árido-álcali en estructuras de hormigón con distintas tipologías de áridos. Los áridos en los que se ha detectado reactividad son los que se indican a continuación. • Áridos de tipo silíceo: - - - - - -

Granitos y granodioritas Gneises graníticos Cuarcitas Areniscas Feldespatos Basaltos

• Áridos de tipo calizo: calizas con inclusiones de partículas silíceas, que contienen cuarzo con extinción ondulante.

Según la distribución de explotación de canteras en España, en el año 2012 había 4.200 canteras. De estas, las explotaciones relacionadas con

los áridos silíceos que han presentado reactividad, corresponden al 14,12% del total de explotaciones [ANEFA, 2012]. La distribución de estas canteras se distribuye de acuerdo con los porcentajes que se recogen en la Tabla 5. Por su parte, el porcentaje de explotaciones de áridos calizos constituye el 28,14%, y de dolomitas el 1,46% [ANEFA, 2012]. De acuerdo con estos resultados, en España los áridos reactivos son fundamentalmente rocas polifásicas con partículas reactivas de sílice, por lo que estos se consideran de velocidad lenta.

1.2.3. Tipología de estructuras afectadas por reacción árido-álcali en España Las principales estructuras afectadas por reacción árido-álcali en España están relacionadas fundamentalmente con los factores que afectan al desarrollo de la reacción. Estos factores son la presencia de agua o humedad, la temperatura y la exposición a condiciones ambientales sensibles. A partir de estos

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 21

Tabla 3. Listado de minerales potencialmente reactivos Minerales potencialmente reactivos

Materiales reactivos

Ópalo

Contiene sílice amorfa

Calcedonia

Sílice microcristalina a criptocristalina, generalmente fibrosa

Algunas formas de cuarzo

- Microcristalino a criptocristalino - Cristalino, pero fuertemente fracturado, veteado y/o con inclusiones rellenas

Cristobalita

Cuarzo cristalino

Tridimita

Silíceos con pequeñas cantidades de Al2O3, Fe2O3, tierras alcalinas y álcalis

Riolita, vidrio andesítico, productos desvitrificados criptocristalinos

Vidrio o material criptocristalino como la matriz de rocas volcánicas o fragmentos en tobas

Vidrios silíceos sintéticos

Vidrio

Tabla 4. Listado de rocas con minerales potencialmente reactivos Rocas potencialmente reactivos

Magmáticas

Metamórficas

Sedimentarias

Materiales reactivos

Granito Granodionita

Cuarzo de red deformada que presenta extinción ondulante Minerales feldespáticos alterados, juntas de granos abiertas

Riolita Dacita Andesita Traquiandesita Basalto

Presencia de vidrios silíceos o de vidrios basálticos más o menos desvitrificados, presencia de tridimita, cristobalita y ópalo

Obsidiana Tobas volcánicas Retinita

Vidrios ricos en sílice más o menos desvitrificados con frecuencia microfisurados

Gneis Mica-esquistos

Cuarzo con red deformada que presenta extinción ondulante Minerales feldespáticos alterados, juntas de granos abiertas

Cuarcitas Corneana

Presencia de vidrios silíceos o de vidrios basálticos más o menos desvitrificados, presencia de tridimita, cristobalita y ópalo

Arenisca Cuarcitas

Matriz silícea mal cristalizada. Juntas de granos alargadas

Grauvaca, vacia gris Siltita Esquistos cuarzosos

Minerales filíticos asociados. Presencia de ópalo y de cuarzo microcristalino

Radiolanitas

Presencia de calcedonia y de ópalo

Sílex

Presencia de sílice tipo ópalo en micronódulos o diseminados en la red, asociados o no a sulfuros de origen sedimentario y a filitas

Calizas Calizas dolomíticas Dolomitas

Dolomía, filosilicatos expuestos por desdolomitización

Tabla 5. Porcentaje de canteras con los distintos tipos de áridos reactivos utilizados en España [ANEFA, 2012] Tipo de árido

Porcentaje de canteras con relación al total de canteras en España

Granito

6,54 %

Areniscas

3,37 %

Sílice

2,24 %

Cuarcita

0,64 %

Basalto

0,50 %

Feldespato

0,31 %

Arenas silíceas

0,26 %

Cuarzo

0,26 %

22 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

factores se detectan estructuras especialmente sensibles al desarrollo de la reacción árido-álcali, por su exposición a determinados factores que hacen que la reacción se desarrolle en mayor medida que para hormigones similares expuestos a otro tipo de condiciones. Algunas de las estructuras sensibles que han desarrollado daños por reacción árido-álcali son las que se indican a continuación. • Obras hidráulicas: Este tipo de estructuras está sometido a condiciones especialmente sensibles al desarrollo de la reacción áridoálcali debido a los siguientes aspectos: - Grandes volúmenes de hormigón: Favorece la acumulación de tensiones debido a la formación de productos expansivos - Presencia constante de agua: La presencia de agua hace que se produzca una mayor expansión en caso de formarse productos de reacción. - Presión hidrostática de agua: El agua accede a todo el volumen de hormigón por la presión hidrostática de la misma. - Zonas con distintas condiciones ambientales: Hay zonas con mayor insolación, viento, etc. que pueden incidir favoreciendo el desarrollo desigual de la reacción. • Elementos prefabricados de hormigón: estos elementos de hormigón ven favorecido el desarrollo de la reacción árido-álcali debido fundamentalmente al incremento de temperatura durante el curado inicial. Si bien se han limitado las temperaturas de curado en los últimos años, un incremento

inicial de la temperatura hace que se active la reacción y que el ambiente agresivo llegue con mayor facilidad a las partículas reactivas. Adicionalmente, las tensiones generadas durante el proceso de desmoldeo puede ocasionar la formación de pequeñas fisuras, lo que facilita la entrada de agresivos. En el caso de curados a temperaturas superiores a los 65-70o C puede producirse, simultáneamente, la formación de ettringita diferida y de reacción árido-álcali, favoreciendo una reacción a la otra. Si estos elementos están expuestos a la lluvia, ciclos de humedad-secado y temperatura elevada durante su vida útil, se favorece el desarrollo de la reacción árido-álcali. • Puentes: se han observado alteraciones por reacción árido-álcali en pilas, tableros y pilonos. Al gual que en los elementos prefabricados, estos elementos están expuestos a la lluvia, a ciclos de humedad-secado y a temperatura elevada durante su vida útil, lo que puede favorecer el desarrollo de la reacción árido-álcali. En algunos casos la reacción árido-álcali ha aparecido asociada con el uso de sales de deshielo. • Pavimentos recubiertos con resina: en este tipo de pavimentos se produce una concentración preferencial de álcalis cerca de la superficie, como consecuencia de la evaporación del agua superficial, quedando posteriormente confinado por la aplicación de una resina impermeable. Como consecuencia se forman expansiones localizadas cerca de la superficie que hace que salten conos (llamados pop-outs) de aproximadamente 1 cm de profundidad.

2. ENFOQUES INTERNACIONALES SOBRE LA PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI A lo largo de la vida útil de las estructuras se modifica su funcionalidad, especialmente debido a los posibles daños y alteraciones que se producen con el tiempo. En el caso de las reacciones expansivas esta alteración está asociada con la aparición de fisuras, expansiones y otros síntomas que inciden en el adecuado funcionamiento de las estructuras de hormigón afectadas. Si se analiza la funcionalidad de una estructura en el tiempo se pueden definir cuatro etapas principales en las que se realizan actuaciones con relación a la reacción árido-álcali. Estas etapas son: • • • •

Prevención Caracterización Prognosis Mitigación

La prevención es la primera etapa en la que se puede intervenir, con el fin de diseñar mezclas de

hormigón suficientemente seguras como para que no desarrollen expansividad con el paso del tiempo, incluso cuando parte o todos los áridos sean calificados como potencialmente reactivos [Menéndez et al., 2017a]. Por su parte, la caracterización e identificación adecuada del fenómeno es necesaria cuando se comienzan a observar deterioros en el hormigón, con el fin de identificar el tipo de reacción que se está produciendo e incluso determinar el grado de desarrollo de la reacción y su distribución en la estructura afectada [Menéndez, 2010, 2011b y 2015a]. Una de las fases que más esfuerzos requiere y en el que se están realizando avances significativos es la fase de prognosis, en la que se trata de analizar la evolución de la expansión y de la degradación en las estructuras afectadas [Menéndez et al., 2017b, Martín et al., 2018]. La etapa final de actuación en una estructura afectada por reacción árido-álcali sería la mitigación del fenómeno, con la intención de alargar la vida útil de las estructuras [Menéndez et al., 2011c]. En la Figura 10 se representa la función de fiabilidad en el tiempo para una estructura y las diferentes etapas en las que se puede intervenir en relación con el desarrollo de la reacción árido-álcali.

Figura 10. Evolución de la fiabilidad de estructuras y etapas de intervención en relación con las reacciones expansivas internas [Menéndez et al., 2010, 2011b y 2011c].

24 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

La aplicación de una adecuada estrategia de prevención permite la fabricación de mezclas de hormigón no expansivas, lo que es aplicable a las estructuras de nueva fabricación. Esta estrategia se basa en la realización de ensayos sobre los componentes y, adicionalmente, en la planificación de la aplicación de las restricciones en función del tipo de estructura y ambiente de exposición. Con relación al ensayo de componentes y mezclas, existen dos metodologías básicas para la prevención de la reacción árido-álcali y en las que se basan los ensayos estandarizados a nivel internacional: • Caracterización de componentes • Caracterización de mezclas de hormigón • Caracterización de componentes: el ensayo de los componentes es, en general, más versátil y rápido que los ensayos realizados en hormigón. Sin embargo, la calificación de los componentes con relación a la reacción árido-álcali es menos representativa del comportamiento del hormigón a largo plazo. Se califican cada uno de los componentes del hormigón: áridos, cementos, adiciones, agua, aditivos, etc. No todos los ensayos realizados sobre componentes conllevan una calificación relacionada directamente con la reacción árido-álcali. Si bien todos en otros casos la información obtenida ayuda a conocer parámetros utilizables en la prevención de la reacción.

La calificación de los componentes se basa, generalmente, en la aplicación de métodos de ensayos normalizados. En estos ensayos se modifican algunas características de la mezcla o de las condiciones de exposión con el fin de acelerar los procesos de reacción y favorecer la reactividad del componente objeto de análisis. Además, se cualifica la idoneidad de los componentes, independientemente de la dosificación que se vaya a utilizar en el hormigón de obra. Debido a esto, la calificación obtenida puede no ser representativa del material que se va a utilizar en la mezcla real del hormigón de obra. • Caracterización de mezclas de hormigón: la utilización de mezclas de hormigón para evaluar la potencialidad de la reacción áridoálcali genera unas condiciones más realistas con relación al desarrollo de la reacción en una obra real. No obstante, aunque estos ensayos son más realistas que la prevención basada en la caracterización de los componentes, se requiere más tiempo para obtener resultados y las mezclas analizadas se alejan generalmente de las utilizadas en obra. Los ensayos sobre mezclas determinan los efectos de los procesos químicos, físicos y físico-químicos que se producen en el material. Y permiten ensayar distintos tipos de dosificaciones con los compuestos utilizados en la mezcla real. Los resultados se asemejan más a los que podrían producirse en la realidad.

Figura 11. Vías de ensayo para la prevención de la reacción árido-álcali y características asociadas.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 25

2.1. España. Instrucción EHE-08 y normas UNE El reglamento español de referencia para el hormigón estructural es la Instrucción de Hormigón Estructural, EHE-08, que se prevé que se sustituirá próximamente por el Código Estructural. En lo relativo a la prevención de la reacción árido-álcali, la Instrucción se mantiene en un planteamiento básico, basado principalmente en la evaluación de los áridos y la recomendación de utilización de cementos de bajo contenido en álcalis, cuando los áridos que se van a utilizar se califican como potencialmente reactivos. A este efecto se consideran cementos de bajo contenido en álcalis aquellos en los que el óxido de sodio equivalente es menor del 0,6% (Na2Oe = 0,658·K2O + Na2O). Adicionalmente, en el año 2016 se publicaron varias normas UNE relativas a la evaluación de la reacción árido-álcali en mezclas de conglomerante y de áridos, así como en mezclas de hormigón (UNE 83967, UNE 83968 y UNE 83969). No obstante, no se puede considerar que exista una verdadera estrategia de prevención asociada con la normativa o con la reglamentación en España. En la presente monografía se trata de establecer una estrategia integral de prevención de la reacción árido-álcali.

2.1.1. Instrucción EHE-08 La EHE-08 recoge, en su artículo 28.7.6, las especificaciones relativas a las limitaciones establecidas en los áridos para la prevención de la reacción árido-álcali. En primer lugar, indica la necesidad de realizar una caracterización petrográfica de los áridos. Para ello se utiliza el procedimiento descrito en la norma UNE-EN 932-3. Esta caracterización consiste en la identificación de las fases mineralógicas presentes en el árido y sirve de base para establecer la presencia o no de áridos potencialmente reactivos. En la Tabla 28.7.6 de la EHE-08 se recoge, a nivel informativo, las principales rocas y minerales reactivos con los álcalis (rocas magmáticas, metamórficas y sedimentarias). Sin embargo, esta caracterización petrográfica es muy general y no tiene una orientación específica para la reacción árido-álcali. Otra limitación de este procedimiento consiste en que muchos áridos silíceos pueden calificarse como potencialmente reactivos al contener partículas de cuarzo con extinción ondulante sin que se haga una caracterización y cuantificación específica de estas partículas. No obstante, existen otros pro-

cedimientos de evaluación de los áridos mediante petrografía que están orientados específicamente a la identificación y clasificación de las fases reactivas presentes en los áridos, como el documento AAR-1.1 de RILEM [Nixon y Sims, 2016], e incluso métodos que cuantifican la superficie eficaz de reacción de los cuarzos con extinción ondulante y que permiten establecer un índice de reacción cuantitativo para los áridos silíceos (Menéndez et al., 2015b). En una segunda fase se establecen los ensayos para determinar la potencial reactividad de los áridos frente a la reacción sílice-álcali y la reacción carbonato-álcali, en función de la potencial reactividad del árido silíceo o dolomítico. En el caso de la reacción carbonato-álcali se determina, por vía húmeda, el porcentaje de Al2O3 frente a la relación CaO / MgO, aplicando la norma UNE 146507-2, clasificándose los áridos como no reactivos o potencialmente reactivos. La principal limitación de este ensayo es que puede generar errores significativos en el caso de mezclas de dolomitas y granitos y dar lugar a falsos positivos frente a la reacción por la interferencia de los feldespatos. Cuando en la caracterización petrográfica se identifican áridos silíceos potencialmente reactivos, la reactividad potencial de los áridos se evalúa mediante métodos de medida de expansión. Los áridos pueden ensayarse mediante el método acelerado de barras de mortero, que tiene una duración de catorce a veintiocho días, o con el método de prismas de hormigón, con una duración de un año. El método acelerado de barras de mortero se recoge en la norma UNE 146508, en el que se ensayan probetas de mortero en una disolución 1N de NaOH a 80o C, durante catorce o veintiocho días, dependiendo de los resultados a catorce días. Este ensayo es el más utilizado a nivel internacional para calificar la potencial reactividad de áridos silíceos, debido a su corta duración. No obstante, hay que tener en cuenta que otros procesos podrían generar expansión, por lo que en caso de duda es recomendable verificar la formación de productos de reacción por técnicas de microscopía electrónica, para determinar el origen del deterioro. Por otra parte, este método de ensayo tiene una importante limitación para áridos de reacción lenta, como algunos granitos, por lo que se les puede calificar no reactivos áridos que en la práctica sí lo sean. Por tanto, para áridos dudosos se recomienda extender la duración del ensayo hasta los veintiocho días y realizar ensayos complementarios, si la expansión está cerca del límite establecido del 0,20% a los veintiocho días. Diversos autores han propuesto la clasificación de la

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velocidad de reacción de los áridos, en función del comportamiento en el ensayo acelerado de barras de mortero [FHWA, 2013, Menéndez et al., 2017a y 2018a]. La clasificación de la velocidad de los áridos se trata más especificamente en el apartado 3.4.9. La dosificación de los áridos silíceos o dolomíticos sean clasificados como potencialmente reactivos en los ensayos acelerados, se puede evaluar mediante el método de prismas de hormigón, realizado de acuerdo con la norma UNE 146509. En este ensayo se analiza la expansión de prismas de hormigón, fabricados con un tamaño máximo de árido de 20 mm y una granulometría específica, en el que el Na2Oe del cemento se ajusta hasta el 1,25%. El ensayo consiste en someter los prismas a 100% de humedad relativa y 38o C, durante un año, midiendo periódicamente la expansión, con un límite del 0,04%. Este método califica separadamente las fracciones de árido fino y de árido grueso. Para ello, se ensaya cada fracción con un árido inocuo en la fracción complementaria, es decir, árido grueso potencialmente reactivo con árido fino inocuo (p. ej. caliza) y viceversa. En general, este ensayo tiende a subestimar la reactividad potencial de los áridos de reacción lenta, ya que se ha observado que califica como no reactivos áridos que en la práctica han dado problemas de reactividad, especialmente en presas obras hidráulicas. La estrategia de prevención de la EHE-08 se basa únicamente en la evaluación de los áridos, prohibiendo la utilización de áridos calificados como potencialmente reactivos o exigiendo su utilización con cementos de bajo contenido en álcalis.

Esta estrategia es insuficiente, ya que no siempre es factible tener disponibilidad de áridos o cementos adecuados. Esto es especialmente apreciable en el caso de estructuras en las que se utilizan grandes volúmenes de áridos y no es posible seleccionar áridos en zonas alejadas de la obra, como el caso de las presas. Por su parte, la utilización de cementos de bajo contenido en álcalis no es siempre factible, por no ser adecuados o accesibles (p. ej. por tener un elevado calor de hidratación). Como estrategia secundaria, en caso de no disponer de materias primas adecuadas, propone un estudio experimental sobre la utilización de cementos con adiciones, salvo el filler calizo, o uso de adiciones en el hormigón, además de utilizar medidas adicionales de protección como la impermeabilización. Sin embargo, no se realiza ninguna indicación sobre la diferente eficacia de distintos tipos de adición que pueden tener comportamientos sensiblemente distintos (apartado 3.2.1). En la Figura 12 se recoge un esquema de la metodología de evaluación de los componentes para la prevención de la reacción árido-álcali y la estrategia para prevenir la aparición de la reacción árido-álcali, según lo establecido en la Instrucción EHE-08.

2.1.2. Normas UNE Adicionalmente a las normas recogidas en la EHE08 existen otras normas UNE relativas a métodos de ensayo para la prevención de la reacción áridoálcali.

Figura 12. Ensayos para la evaluación de potencial reactividad y estrategia de prevención de la reacción árido-álcali, según la EHE-08.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 27

El denominado método químico, corresponde a la norma UNE 146507-1 —actualmente derogada— Ensayos de áridos. Determinación de la reactividad potencial de los áridos. Método químico. Parte 1: Determinación de la reactividad álcali-sílice y álcali-silicato está basado en la cuantificación de la sílice reactiva que se disuelve en una disolución 1N de NaOH a 80o C a veinticuatro, cuarenta y ocho y setenta y dos horas. La experiencia ha demostrado que este método de ensayo tiene una mala correlación con el comportamiento en obra de gran parte de los áridos, especialmente los de reacción lenta, cuya sílice necesita más tiempo para disolverse, y con otros métodos de calificación de áridos. Por tanto, se ha derogado y se recomienda no utilizarlo para la calificación de la reactividad de los áridos silíceos. Por otra parte, se han publicado una serie de normas, relacionadas con la evaluación de la reactividad potencial sílice-álcali encaminadas a abordar una estrategia de prevención de esta reacción mediante el estudio de mezclas de áridos o de conglomerante —y de su comprobación— mediante la evaluación de las mezclas de hormigón que se van a utilizar en cada caso. La norma UNE 83968, Durabilidad del hormigón. Método acelerado en probetas de mortero. Evaluación de la expansión de probetas de mortero utilizando mezclas de áridos potencialmente reactivos y no reactivos, frente a la reacción álcali-sílice y álcali-silicato y la norma UNE 83969,

Durabilidad del hormigón. Método acelerado en probetas de mortero. Evaluación de la expansión de probetas de mortero utilizando conglomerantes y áridos potencialmente reactivos frente a la reacción álcali-sílice y álcali-silicato permite: • Seleccionar mezclas de áridos potencialmente no reactivas, mediante la combinación de distintos porcentajes de áridos potencialmente reactivos y no reactivos. • Seleccionar conglomerantes adecuados, con diferentes tipos y porcentajes de adición, para moderar la expansión asociada con la reactividad de áridos potencialmente reactivos. Ambos ensayos utilizan el método acelerado de barras de mortero, que permite obtener resultados en veintiocho días y constituyen un paso previo para el diseño de mezclas de hormigón no expansivas. No obstante, es necesario verificar la no expansividad de las mezclas de hormigón. Para ello puede utilizarse el método de ensayo descrito en la norma UNE 83967. Durabilidad del hormigón. Método de ensayo para evaluación de la expansión potencial por reacción árido-álcali de dosificaciones de hormigón. Método semi-acelerado de prismas de hormigón, que permite analizar la potencial expansión de mezclas de hormigón, con tamaño de árido máximo de 20mm, en un periodo de ciento cuarenta días

Figura 13. Normas UNE para diseño y verificación de mezclas de hormigón.

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(veinte semanas), ensayando los prismas de hormigón a 100% de humedad relativa y 60o C. Estas normas UNE permiten un diseño de mezclas de áridos y de conglomerantes, además de la evaluación de mezclas reales de hormigón. En la Figura 13 se recoge un esquema de las normas UNE para diseño de mezclas de componentes y de hormigón.

considera poco seguro para determinar la potencial reactividad de los áridos y está en desuso. Otros métodos para la calificación de los áridos se basan en la evaluación de prismas de morteros con distintas granulometrías, tamaños, tiempos y condiciones de ensayo. La norma AFNOR P18-594 resume varios métodos de ensayo y los criterios de evaluación de estos ensayos se recogen en la norma AFNOR FD P18-542. Estos métodos de ensayo son los siguientes:

2.2. Francia. Normativa AFNOR La normativa francesa dispone de diversos ensayos para la caracterización de componentes y de mezclas de hormigón. Además, puede considerarse más avanzada que la mayoría de reglamentaciones en Europa, ya que también cuenta con una estrategia completa para prevenir la reactividad árido-álcali en el hormigón. El enfoque preventivo parte de una filosofía basada en la responsabilidad de los actores de la construcción, la mejor gestión de los recursos naturales y la construcción sostenible al mejor precio. Para ello se necesita el conocimiento de los constituyentes mediante el estudio por métodos normalizados. Francia tiene las normativas y recomendaciones más elaboradas para la prevención de la reacción árido-álcali de la Unión Europea. Así mismo, hay que destacar la influencia de la normativa y la regulación francesa en diversas zonas, especialmente en África, en países como Túnez, Marruecos, Arabia Saudita o Costa de Marfil. En lo referente a la caracterización de componentes se da una especial importancia a la caracterización petrográfica de los áridos y a la determinación y cuantificación de especies potencialmente reactivas. Según la normativa francesa, los áridos deben cumplir con el procedimiento recomendado en las normas AFNOR FD P18-541, FD P18-542 y XP P18-543. Es muy importante tener en cuenta una caracterización adecuada para evitar falsos negativos debido a una mala evaluación o a un muestreo no representativo. Por otra parte, se debe tener cuidado de no sobredimensionar el análisis petrográfico, adaptándolo al tipo de material y conocimiento previo sobre el árido. El conocimiento de los minerales y de las especies reactivas es un requisito previo para la calificación de los áridos. Además de la caracterización petrografía, hay otros ensayos de caracterización de los áridos utilizados para la prevención de la reacción árido-álcali como el ensayo cinético [AFNOR P18-589], que corresponde al ensayo químico que, en general, se

• Barras de mortero semi-acelerado: se ensayan barras de 2,5x2,5x28 cm, conservadas a 38o C a 100% de humedad relativa, hasta tres o seis meses. Este ensayo es similar al ASTM C227, que está actualmente en desuso por la baja sensibilidad para diversos tipos de áridos y su elevada duración con relación a otros métodos de ensayo. • Autoclave: Se utilizan probetas de 4x4x16cm, que se ensayan en autoclave con una presión de 0,15 MPa y 127o C durante cinco horas. • Método Microbar: Se ensayan micro-probetas de 1x1x6cm con árido 0,16/0,32 mm a 150ºC en una disolución al 10% de KOH, durante seis horas. • Prismas de hormigón: Se evalúan prismas de hormigón de 7x7x28cm con álcalis suplementarios (1,25% de Na2Oe en peso de cemento) a 38 o C y 100% de H.R., durante ocho meses.

2.2.1. El enfoque preventivo El enfoque preventivo de la reacción árido-álcali en el hormigón se recoge en la norma AFNOR FD P18464, que corresponde a la guía para la prevención. La primera fase de la prevención consiste en determinar el nivel de prevención de las obras de hormigón. La elección de este nivel se basa en un enfoque basado en criterios objetivos, tales como el entorno en el que se encuentra la estructura, sus características, su ubicación, su importancia estratégica y económica, su tamaño, su uso, las limitaciones que generarían las intervenciones de mantenimiento, etc. Algunas de las obras, que pueden incluirse en cada una de las categorías de estructuras son las siguientes: • Categoría I: bloques de hormigón, elementos no portantes, obras provisionales, elementos fácilmente reemplazables, prefabricados no estructurales…

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 29

• Categoría II: la mayoría de las obras civiles, puentes modernos, presas pequeñas, estaciones depuradoras, pavimentos… • Categoría III: edificios de reactores nucleares y de su refrigeración, grandes presas, túneles, puentes y viaductos significativos, monumentos y edificios significativos… A partir de estas categorías se definen tres posibles niveles A, B y C de prevención. A cada uno de estos niveles se aplica un tipo de precauciones. En la Tabla 6 se recogen los niveles de prevención requeridos, en función de la clase de exposición ambiental y de la categoría de la obra.

2.2.1.1. Nivel de prevención Las precauciones relacionadas con cada nivel de prevención es el siguiente: • Nivel A: no se requieren precauciones especiales para la prevención de la reacción árido-álcali. Los únicos requisitos son las reglas normales de construcción. • Nivel B: en este caso, en el que están encuadradas la mayoría de las obras de ingeniería civil, se plantean varias soluciones posibles. En general, es suficiente una de estas soluciones para protegerse de los riesgos: • Utilizar áridos calificados como no reactivos. • Si los áridos están calificados como PRP (potencialmente reactivos con efecto pésimo), se pueden utilizar si se cumplen las condiciones siguientes: - El hormigón se fabrica únicamente con áridos PRP, tanto la arena como la grava. - O bien, los áridos tienen al menos un 70% de sílex, como promedio de todas las medidas de la caracterización petrográfica. O bien, cumplen el ensayo de prismas

de hormigón semi-acelerado AFNOR NF P18-454, según los límites establecidos en la norma AFNOR FD P18-456. En caso de no cumplirse ambas condiciones hay que hacer ensayos adicionales para áridos potencialmente reactivos. • Nivel C: en este caso, se requiere para la fabricación del hormigón que se utilicen áridos no reactivos (NR) o, como alternativa, áridos caracterizados como un efecto pésimo potencialmente reactivo (PRP), siempre que cumplan las condiciones indicadas para el Nivel B. También se plantea el posible uso de áridos calificados como potencialmente reactivos (PR) cuando no existe otra posibilidad, siempre que se realice un estudio exhaustivo de una formulación propuesta basado en estudios experimentales bien definidos. Un posible método es verificar, en mezclas de hormigón, el umbral de álcalis a partir del cual aparecerán alteraciones. Este método de prevención implica la caracterización de los áridos y la determinación de los álcalis activos para la evaluación del hormigón durante un año, de acuerdo con el método AFNOR P18-544 modificado; así como la verificación de las mezclas de hormigón mediante el ensayo de prismas de hormigón semi-acelerado AFNOR NF P18454, según los límites establecidos en la norma AFNOR FD P18-456.

2.2.1.2. Balance de álcalis Además de los álcalis del cemento, es necesario considerar los álcalis activos o extraíbles que provienen de los áridos, de las adiciones y del agua, si bien los más importantes son los aportados por el cemento. Los álcalis activos de los áridos varían notablemente de un tipo de roca a otro. Incluso dentro de la

Tabla 6. Niveles de prevención en función de la categoría de la obra y el tipo de exposición Categoría de la obra

Clase de ambiente Seco o poco húmedo

Húmedo y agua

Húmedo con hielo-deshielo

Medio marino

I. Riesgo bajo, aceptable

A

A

A

A

II. Riesgo poco aceptable

A

B

B

B

III. Riesgo inaceptable

C

C

C

C

30 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

misma categoría de rocas, existen también variaciones, aunque no son decisivas. La potencial extracción de álcalis de los áridos se determina de acuerdo con la norma AFNOR XP P18-544. A partir de los ensayos realizados, se considera que los áridos con un contenido total de álcalis inferior al 1% tendrán una contribución muy baja al hormigón, generalmente menor de 0,2 kg/m3, por lo que no se consideran relevantes y solo sería necesario evaluar los áridos con un contenido de álcalis superior al 1%.

2.2.1.3. Evaluación de mezclas Para la verificación de la no reactividad de las mezclas empleadas en la fabricación del hormigón, se utiliza el método de ensayo de la norma AFNOR NF P18454 y el límite establecido en la norma AFNOR FD P18-456. Mediante este método de ensayo es posible evaluar hormigones con las dosificaciones previstas de uso, utilizando los áridos, cemento, adiciones y agua seleccionados y adicionando los álcalis potencialmente extraíbles de los áridos y de las adiciones.

Para la prevención de la reacción árido-álcali la normativa AFNOR plantea la siguiente estrategia (Figura 14): • Definir el riesgo del elemento o de la estructura de hormigón • Caracterización petrográfica de los áridos a emplear • Establecimiento del nivel de prevención • Balance de álcalis activos y extraíbles en el hormigón • Evaluación de las mezclas de hormigón a utilizar

2.3. Norteamérica. Normativa ASTM y recomendaciones ACI y AASHTO La normativa ASTM es importante por ser una de las más ampliamente utilizadas en todo el mundo, especialmente en el continente americano —Estados Unidos y Canadá— y en Centroamérica y Suramérica, aunque también, se utiliza en otros países

Figura 14. Esquema de la metodología de prevención AFNOR.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 31

como consecuencia de la incidencia de la economía estadounidense. En Norteamérica se han detectado e identificados casos tanto de reacción álcali-carbonato como de reacción sílice-álcali, por lo que se establecen metodologías claramente diferenciadas para ambos tipos de reacciones. No obstante, los casos identificados como reacción álcali-carbonato están siendo puestos en tela de juicio y muchos de ellos están relacionados con la presencia de inclusiones de partículas silíceas en los áridos calizos.

2.3.1. Incidencia y prevención de la reacción de áridos dolomíticos La reacción álcali-carbonato se asocia con áridos dolomíticos, con distintas mineralogías de cristales de dolomita embebidos en matrices de arcillas. Estos cristales pueden observarse en el análisis petrográfico, aplicando la norma ASTM C295. En Norteamérica son conocidas diversas canteras con presencia de áridos de estas características y se evita su uso en hormigones con cementos hidráulicos. Los métodos de ensayo para determinar la potencial reacción álcali-carbonato incluyen el ensayo de expansión de cilindros de roca, según el método de la norma ASTM C586, y el ensayo de expansión de prismas de hormigón, según la norma ASTM C1105. No hay métodos específicos recomendados para la prevención de la expansión cuando los áridos disponibles han sido calificados como potencialmente reactivos frente a la reacción álcali-carbonato. La

única solución adoptada es utilizar una fuente alternativa de áridos. En la Figura 15 se recoge el esquema ASTM de evaluación para prevenir la reacción carbonato-álcali.

2.3.2. Incidencia y prevención de la reacción de áridos silíceos En la mayoría de las áreas de Norteamérica se han identificado casos de reacción sílice-álcali, lo que indica que en estas zonas existen áridos silíceos reactivos. La evaluación petrografía de los áridos —mediante el método descrito en la norma ASTM C295— puede identificar los minerales silíceos potencialmente reactivos. El ensayo utilizado de forma más habitual para calificar los áridos silíceos es el método de expansión acelerado de barras de mortero, norma ASTM C1260. Este ensayo produce resultados en aproximadamente dos semanas, habida cuenta de que los áridos considerados como potencialmente reactivos cuando la expansión es superior al 0,20% (norma ASTM C33). Sin embargo, muchas reglamentaciones consideran como criterio un límite de expansión el 0,10% a los catorce días, si bien se ha comprobado que este criterio no es adecuado para áridos de reacción lenta, que pueden mostrar una expansión por debajo del límite, aunque próxima a 0,10%. En algunos casos este ensayo se considera muy agresivo, ya que puede calificar como potencialmente reactivos áridos que no producen reacción en obra. Por tanto, se recomienda que los resultados del ensayo ASTM

Figura 15. Esquema de prevención ASTM de la reacción carbonato-álcali.

32 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

C1260 se complementen con otra información sobre la potencial reactividad de un árido determinado [FHWA, 2008 e Ideker, 2012]. Otros métodos de ensayo se han ido descartando porque se consideran poco realistas, como la evaluación mediante el método químico rápido (norma ASTM C289), y el método de expansión de barras de mortero a largo plazo (norma ASTM C227); ambos métodos se han dejado de utilizar en los últimos años. El ensayo considerado como más realista, que correlaciona el potencial deterioro de hormigones de laboratorio con el deterioro producido en estructuras reales o en las probetas expuestas al ambiente, es el ensayo de expansión de prismas de hormigón, norma ASTM C1293. Este ensayo tiene una duración de un año y, por tanto, puede no ser adecuado si no se dispone de tiempo suficiente o si no se ha realizado con suficiente anticipación. Según este método, los áridos se consideran potencialmente reactivos cuando la expansión es superior al 0,04% después de un año de ensayo. Sin embargo, este método ha demostrado ser menos exigente y posiblemente menos seguro que los métodos semi-acelerado de prismas de hormigón a 60o C durante veinte semanas (ver apartado 3.4.7.2). En la Figura 16 se recoge el esquema ASTM de evaluación para prevenir la reacción sílice-álcali.

2.3.3. Estrategia de prevención de la reacción sílice-álcali Según las recomendaciones del American Concrete Institute (ACI) se pueden aplicar diversas medidas para prevenir la aparición de la reacción álcali-sílice.

Para que se produzca la expansión por reacción sílice-álcali es necesario que simultáneamente haya álcalis suficientes, sílice reactiva y exposición a la humedad. Por tanto, el hormigón que permanece seco en el interior de edificios y no está en contacto con el terreno, normalmente no necesitará que se apliquen medidas preventivas. Pero cuando el hormigón está expuesto a la humedad y a otras condiciones medioambientales adversas se aplican diversas estrategias para la prevención del daño por reacción sílice-álcali. • Utilización de áridos no reactivos: La opción más básica, para prevenir la reacción sílice-álcali, es evitar el uso de fuentes de áridos que hayan sido calificados como potencialmente reactivos. Esto puede no ser factible, porque los áridos no reactivos no sean económicamente rentables o puede no haber disponibilidad de áridos no reactivos cerca. • Limitación de la cantidad de álcalis en el hormigón: otra posible opción es usar cemento de bajo contenido en álcalis, en los que el Na2Oe es inferior al 0,60%. Sin embargo, los cementos de bajo contenido en álcalis no están disponibles en muchas regiones. En ese caso, la mejor opción es limitar el contenido máximo de álcalis disponibles en el hormigón teniendo en cuenta solo los álcalis procedentes del cemento Portland. Para la prevención de la reacción sílice-álcali en el hormigón, se limita habitualmente a un contenido máximo de álcalis de 3,0 kg/m3

Figura 16. Esquema de prevención ASTM de la reacción sílice-álcali.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 33

o inferiores, para estructuras consideradas como críticas como las presas. Sin embargo, cuando se considera como solución el uso de cementos de bajo contenido en álcalis u hormigones con bajo contenido en álcalis, debe tenerse en cuenta que la concentración de álcalis puede incrementarse en el hormigón durante la vida de la obra debido a la exposición a fuentes externas como las sales de deshielo y agua de mar, o por la migración de álcalis dentro del hormigón. Sin embargo, las normas ASTM no tienen en cuenta el potencial incremento de álcalis debido a la extracción de álcalis de los áridos o de las adiciones. • Utilización de adiciones: La opción más aceptada para mitigar la reacción sílice-álcali es incorporar adiciones al hormigón, considerándose como adiciones eficaces para este problema: cenizas volantes, puzolanas naturales, escorias o humo de sílice. Las adiciones combinan álcalis en los productos de hidratación y previenen que se produzca expansión. Una excepción son las cenizas volantes con un contenido de óxido de calcio mayor del 20%, que se clasifican como cenizas volantes tipo C. Las cenizas volantes tipo C requieren normalmente mayores porcentajes para mitigar la reacción. La cantidad de adiciones requeridas depende de la reactividad de los áridos, el contenido de álcalis del hormigón, el tipo de adición y la exposición del hormigón a fuentes externas de álcalis. Para evaluar la eficacia de las adiciones se utilizan como métodos de ensayo más habituales los recogidos en las normas ASTM C441, ASTM C1293 y ASTM C1567. Estos métodos de ensayo aceleran la reacción utilizando áridos artificiales altamente reactivos, elevando el contenido de álcalis en la mezcla, con exposición a disoluciones altamente alcalinas, utilizando temperatura elevada o una combinación de las anteriores. El ensayo de prismas de hormigón, ASTM C1293 tiene una duración de dos años y la expansión debe ser menor del 0,04%. Por tanto, tiene una clara limitación de uso en la práctica, ya que generalmente no puede esperarse ese tiempo para determinar el porcentaje adecuado de sustitución. Generalmente, las adiciones se evalúan mediante el método de la norma ASTM C1567 con un límite de expansión de 0,10%

a los catorce días. Según diversos estudios, este método proporciona una estimación conservadora de la cantidad de adiciones necesarias para mitigar la reacción síliceálcali en el hormigón. Independientemente del procedimiento utilizado para establecer el contenido mínimo de adiciones necesarias, hay que tener en cuenta cómo afecta a otros requerimientos del hormigón. Algunos de estos requerimientos son el tiempo de fraguado, la trabajabilidad y las resistencias a edades tempranas y largas. • Utilización de sales de litio: algunos productos químicos, principalmente el nitrato de litio, se han mostrado eficaces en la mitigación de la RAS. Las recomendaciones de los fabricantes deben establecer los niveles de dosificaciones eficaces para mezclas de hormigón específicas. El método CRC-C 662 del Cuerpo de Ingenieros es la referencia para evaluar la efectividad de la dosificación de mezclas de litio. En algunos casos, la combinación de las sales de litio conjuntamente con el uso de adiciones se ha mostrado eficaz para prevenir la expansión. • Ensayos de componentes y condiciones de uso: los métodos de ensayo de componentes aceleran la reacción, en algunos casos se considera que ninguno de estos métodos evalúa la potencialidad de deterioro de las mezclas reales de hormigón propuestas para los proyectos. Ninguno de los ensayos evalúa la efectividad del contenido de álcalis del cemento Portland, ya que evalúan solamente el comportamiento de los áridos. Por tanto, cuando los áridos finos y gruesos son calificados como potencialmente reactivos, la estrategia aplicada es determinar la dosificación de las adiciones necesaria para mitigar la acción de la fracción más reactiva. El método AASHTO PP 65-10 proporciona un procedimiento paso a paso para la evaluación de los áridos y una metodología prescriptiva basada en el comportamiento para minimizar el daño potencial en el hormigón de obra. Si bien se basa en la aplicación de las estrategias indicadas anteriormente, principalmente el uso de adiciones al hormigón. Esta metodología también incluye la consideración de nivel de riesgo de ocurrencia de la reacción árido-álcali en las estructuras, para establecer las medidas preventivas.

34 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

En la Figura 17 se recoge la estrategia propuesta por el ACI para la prevención de la reacción síliceálcali.

2.3.4. Estrategia AASHTO para la prevención de la reacción sílice-álcali AASHTO ha desarrollado una estrategia para la prevención de la reacción sílice-álcali, ya que se considera que los áridos de tipo dolomítico potencialmente reactivos no se pueden utilizar en la fabricación de hormigones. Esta estrategia sigue distintas fases consecutivas en las que se establecen diferentes aspectos como la reactividad de los áridos, el riesgo de que se produzca reacción sílice-álcali, en función del ambiente de exposición del hormigón, el nivel necesario de prevención y las medidas preventivas que se van a aplicar. A continuación, se recogen las especificaciones de las diferentes fases de aplicación de esta estrategia de prevención.

2.3.4.1. Fase 1: determinar la reactividad del árido Se determina la reactividad del árido mediante el ensayo acelerado de barras de mortero (ASTM C 1260) o bien mediante el ensayo de prismas de hormigón (ASTM C 1293). Se clasifican entre el grado R0 (no reactivo) y el grado R3 (muy altamente reactivo) en función del porcentaje de expansión observado en los ensayos de calificación del árido. En la Tabla 7 se muestras los grados de reactividad del árido.

2.3.4.2. Fase 2: determinar el riesgo de reactividad álcali-sílice Se determina el riesgo a partir de la clase de reactividad del árido (Tabla 7) y del tamaño y clase de exposición de la estructura de hormigón, que se especifica en la Tabla 8. El nivel de riesgo varía entre el Nivel 1 (riesgo muy bajo o despreciable) y el Nivel 6 (riesgo alto).

Figura 17. Estrategia del ACI para la prevención de la reacción sílice-álcali.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 35

Tabla 7. Clasificación de la reactividad de los áridos Clase de reactividad

Descripción de la reactividad

Expansión (%) Ensayo 1 año

Expansión (%) Ensayo 14 días

R0

No reactivo

≤ 0,04

≤ 0,10

R1

Reactividad moderada

> 0,04, ≤ 0,12

> 0,10, ≤ 0,30

R2

Reactividad elevada

> 0,12, ≤ 0,24

> 0,30, ≤ 0,45

R3

Reactividad muy elevada

> 0,24

> 0,45

Tabla 8. Definición del nivel de riesgo en función de las características de la estructura Tamaño y condiciones de exposición del hormigón

Clase de reactividad del árido R0

R1

R2

R3

Hormigón no masivo(1) en ambiente seco(2)

Nivel 1

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 3

Elementos masivos

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 3

Nivel 4

Nivel 1

Nivel 3

Nivel 4

Nivel 5

Todos los hormigones expuestos a álcalis durante Nivel 1 su vida en servicio(3)

Nivel 4

Nivel 5

Nivel 6

(1)

en ambiente seco

(2)

Todos los hormigones expuestos a aire húmedo, enterado o en inmersión

Se considera hormigón masivo > 0,9 m3. Se considera ambiente seco aquel con una humedad relativa menor del 60%, normalmente solo las cimentaciones de edificios. (3) Un ejemplo de estructuras expuestas a álcalis (sodio y potasio) durante la vida en servicio son las estructuras marinas expuestas a agua de mar o autopistas expuestas a sales de deshielo (p.e. NaCl) o anticongelantes (p.e. acetato potásico, acetato sódico, formiato potásico, formiato sódico, etc.). (1) (2)

Tabla 9. Clasificación de las estructuras según la severidad de las consecuencias de ocurrencia de la reacción álcali-sílice1 (modificado para las estructuras de carreteras, según RILEM TC 191-ARP) Clase

Consecuencias de RAS

Aceptabilidad de RAS

Ejemplos2

S1

Seguridad, económicas y ambientales. Consecuencias pequeñas o insignificantes

Se puede tolerar cierto deterioro de RAS

• Elementos sin carga, en el interior de edificios • Estructuras temporales (por ejemplo 75 años

No se consideran las consecuencias de daño por RAC; ya que esta recomendación no permite el uso de áridos cálcicos reactivos. (2) Los tipos de estructuras incluidos en cada Clase solo sirven como ejemplos. Cada propietario puede decidir usar su propio sistema de clasificación. Por ejemplo, las aceras, los bordillos o las canaletas pueden incluirse en la Clase S3. (1)

36 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

• Opción 1: limitar el contenido de álcalis del hormigón Se limita el contenido total de álcalis del hormigón, en función del nivel de prevención requerido. En la Tabla 11 se recoge este contenido.

2.3.4.3. Fase 3: determinar el nivel de prevención Se determina el nivel de prevención en función del nivel de riesgo, definido en la Fase 2 (Tabla 8), y de la clasificación del tipo de estructura (Tabla 9). Se establece una clasificación de estructuras basada en la severidad de las consecuencias de la ocurrencia de la reacción álcali-sílice. Esta clasificación se recoge en la Tabla 9. Los niveles de prevención se definen en la Tabla 10. El nivel de prevención va desde el Nivel V (sin necesidad de medidas de prevención) hasta el Nivel ZZ (necesidad de medidas preventivas excepcionales) en función del riesgo (definido en la Tabla 8) y de la clasificación de las estructuras, de acuerdo con la Tabla 9.

• Opción 2: uso de adiciones minerales La cantidad mínima de adiciones se determina a partir de las indicaciones recogidas en la Tabla 12 en función del tipo de adición y del nivel de prevención requerido. El nivel mínimo de adición se puede ajustar en función del contenido de álcalis del cemento Portland según lo establecido en la Tabla 13.

2.3.4.4. Fase 4: identificar las medidas preventivas

• Opción 3: limitar el contenido de álcalis del hormigón y usar adiciones En la Tabla 14 se dan indicaciones sobre la combinación de la limitación de álcalis del hormigón y el uso de adiciones.

Se plantean diferentes opciones prescriptivas como medidas aceptables para prevenir la RAS. Estas opciones se basan en el nivel de prevención requerido, definido en la Fase 3 (Tabla 10)

Tabla 10. Determinación del nivel de prevención Clasificación de la estructura (Tabla 9) Nivel de riesgo (Tabla 8)

S1

S2

S3

S4

Nivel de riesgo 1

V

V

V

V

Nivel de riesgo 2

V

V

W

X

Nivel de riesgo 3

V

W

X

Y

Nivel de riesgo 4

W

X

Y

Z

Nivel de riesgo 5

X

Y

Z

ZZ

Nivel de riesgo 6

Y

Z

ZZ

(1)

No está permitido construir estructuras de clase S4, cuando el riesgo de RAS es Nivel 6. En este caso es necesario tomar medidas para reducir el nivel de riesgo. (1)

Tabla 11. Contenido máximo de álcalis en hormigón, fabricado con cemento portland, para proporcionar los diferentes niveles de prevención Nivel de prevención

Contenido máximo de álcalis en el hormigón (Na2Oe)

V

Sin límite

W

3,0 Kg/m3

X

2,4 Kg/m3

Y

1,8 Kg/m3

Z(1)

Tabla 12

ZZ

(1)

(1)

Para los niveles de prevención Z y ZZ se deben de utilizar adiciones.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 37

Tabla 12. Niveles mínimos de adiciones para proporcionar diversos niveles de prevención Tipo de adición(1)

Cenizas volantes (CaO≤18%)

Contenido de álcalis de la adición (% Na2Oe)

Nivel mínimo de sustitución(2) (% en masa de material cementante) Nivel W

Nivel X

Nivel Y

Nivel Z

Nivel ZZ

≤3,0

15

20

25

35

Tabla 14

>3,0 a ≤4,5

20

25

30

40

Escoria

≤1,0

25

35

50

65

Humo de sílice(3)

≤1,0

2.0 x KGA

2.5 x KGA

3.0 x KGA

4.0 x KGA

Las adiciones pueden añadirse directamente a la mezcla de hormigón o ser un componente del cemento. Las adiciones deben cumplir con los requisitos estandarizados. (2) El uso de altos niveles de adiciones en el hormigón puede aumentar el riesgo de problemas de descamación debido a las sales de deshielo, si no se cuida la dosificación, acabado y curado del hormigón. (3) El nivel mínimo de humo de sílice (como porcentaje del material cementante) se calcula a partir del contenido de álcalis (Na2Oe) del hormigón aportado por el cemento Portland y expresado en kg/m3 (KGA en la Tabla 12). El KGA se calcula multiplicando el contenido de cemento del hormigón (en kg/m3) por el contenido de álcalis del cemento dividido entre 100. Por ejemplo, para un hormigón con 300 kg/m3 de cemento con un contenido de álcalis de 0,91% Na2Oe, el valor de KGA = 300 x 0,91 / 100 = 2,73 kg/ m3. Para este hormigón, el nivel mínimo de sustitución de humo de sílice para el Nivel X es 2,5 x 2,73 = 6,8%. Independientemente del valor calculado, el nivel mínimo de humo de sílice no debe ser inferior al 7% cuando es el único método de prevención. (1)

Tabla 13. Ajuste del nivel mínimo de adiciones en función del contenido de álcalis en el cemento portland Álcalis del cemento (%Na2Oe)

Nivel de adición

≤0,70

Reducir la cantidad mínima de adición dada en la Tabla 12 en un nivel de prevención(1)

>0,70 a ≤1,00

Usar los niveles mínimos de adición dados en la Tabla 12

>1,00 a ≤1,25

Aumentar la cantidad mínima de adición de la Tabla 12 en un nivel de prevención

>1,25

No se da ninguna indicación

Los niveles de sustitución no deben ser inferiores a los que figuran en la Tabla 12 para el nivel de prevención W, independientemente del contenido de álcalis del cemento Portland. (1)

Tabla 14. Uso de adiciones y limitación del contenido de álcalis del hormigón, para proporcionar niveles excepcionales de prevención Nivel de prevención

Z ZZ

Adiciones como única prevención

Límite del contenido de álcalis en el hormigón y uso de adiciones según el nivel indicado

Nivel mínimo de adiciones

Contenido máximo de álcalis

Nivel mínimo de adiciones

Nivel Z de la Tabla 12

1,8 Kg/m3

Nivel Y de la Tabla 12

No permitido

1,8 Kg/m3

Nivel Z de la Tabla 12

2.3.4.5. Consideraciones para la aplicación del enfoque prescriptivo de AASHTO PP65 Se realizaron una serie de consideraciones para el desarrollo del marco general del enfoque prescriptivo del documento AASHTO PP65, como son las siguientes: • El nivel de riesgo de RAS aumenta a medida que aumenta la reactividad del árido, el ta-

maño de la estructura o la disponibilidad de humedad y si la estructura está expuesta a álcalis durante la vida en servicio. • Algunas estructuras de hormigón pueden tolerar un mayor nivel de riesgo que otras (por ejemplo, una acera de hormigón), ya sea porque las consecuencias de la RAS son menos graves o porque la vida útil requerida es menor (o ambas). En tales casos, puede estar justificado un menor nivel de prevención.

38 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

• La RAS nociva puede prevenirse únicamente limitando el contenido de álcalis del hormigón. • El contenido máximo de álcalis que se puede tolerar, sin que aparezca la RAS perjudicial, dependerá principalmente de la reactividad del árido y de si el hormigón está expuesto a compuestos alcalinos durante su vida en servicio. • La RAS nociva puede prevenirse utilizando material cementante con adiciones o con una combinación de adiciones. • La cantidad de adiciones requerida para prevenir la RAS nociva depende de una serie de factores de influencia, como son los siguientes: - La reactividad del árido - La composición de la adición (especialmente CaO, SiO2 y Na2Oe) - Los álcalis los aporta al sistema solamente el cemento portland - Sí puede haber presencia de compuestos alcalinos durante la vida en servicio Estas consideraciones, así como los límites para contenidos máximos de álcalis y niveles mínimos

de sustitución de adiciones, se basan en los trabajos experimentales incluidos en el documento de la FHWA, 2012. La prescripción para la prevención de la reacción álcali-sílice del documento AASTHO, 2012 no considera la utilización de compuestos de litio como medida preventiva ya que se ha demostrado que la eficacia de los compuestos de litio, en el control de la expansión debido a la RAS, está muy influenciada por la naturaleza del árido reactivo (Tremblay et al., 2007). Por tanto, no es posible prescribir la dosis de litio requerida en función de la reactividad del árido o la mineralogía y, en consecuencia, se considera que los compuestos de litio deben analizarse utilizando el enfoque prestacional, para determinar la dosis mínima requerida para un determinado árido. Sin embargo, las especificaciones del Texas Department of Transportation para construcción y mantenimiento de autopistas, calles y puentes indica la posibilidad de utilización de sales de litio cuyo porcentaje de uso se determina mediante el ensayo acelerado de barras de mortero [TDT, 2014]. Finalmente, en la Figura 18 se recoge un esquema de la estrategia de prevención del esquema AASHTO PP65.

Figura 18. Estrategia del AASHTO para la prevención de la reacción sílice-álcali.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 39

2.4. Australia. Normativa AS En Australia los métodos de ensayos que se aplican son similares a los procedimientos de RILEM y a las normas ASTM. Las principales normas australianas aplicables a la prevención de la reacción árido-álcali son las que figuran a continuación. • AS 1141.60.1 (Method for sampling and testing aggregates-Part. 60.1: Alkaliaggregate reactivity, accelerated mortar bar test): ensayo para determinar la potencial reactividad álcali-sílice de áridos en barras de mortero. El ensayo consiste en mantener las barras de mortero a 80o C en una disolución 1N de NaOH. El método es similar al método RILEM AAR-2 y a la ASTM C 1260. El límite de expansividad se evalúa a los diez días y a los veintiún días. Los límites de expansividad para considerar la reactividad de los áridos son los siguientes: - No reactivos: 1,5%), lo que asocian a una extracción de álcalis desde las cenizas volantes y a una contribución de estos a un mayor desarrollo de la reacción árido-álcali. No existen procedimientos normalizados para evaluar la potencial extracción de álcalis a partir de las adiciones. No obstante, Menéndez et al., (2019b) han realizado un extenso estudio sobre veinticinco adiciones de diferente tipo y composición química, que incluye puzolanas, cenizas volantes, escorias de horno alto, filler calizo, humo de sílice y filler de árido silíceo reactivo. Se han analizado catorce métodos de ensayo con diferentes periodos de exposición y disoluciones de ensayo y se ha determinado que el mayor porcentaje de extracción se produce en las calizas y en las puzolanas, que corresponden a las adiciones naturales y, en menor medida, en las cenizas volantes y en las escorias. Esto se asocia con el mayor grado de fijación de los álcalis en los sub-productos industriales, debido a la formación de los mismos a temperaturas elevadas. Con relación a los métodos de extracción, los que mejor reproducen el comportamiento real de las adiciones en el hormigón son aquellos en los que se utilizan disoluciones de Ca(OH)2 y que en realidad producen un intercambio iónico sodio-calcio y potasio-calcio. Por su parte, la valoración de extracción potencial de álcalis, mediante la combinación del sodio lixiviado en disoluciones de KOH y del potasio lixiviado en disoluciones de NaOH tiende a sobreestimar la extracción de álcalis, mientras que los métodos acelerados en agua caliente subestiman ligeramente la extracción potencial de álcalis. Los porcentajes de extracción de álcalis, con relación al contenido de óxido de sodio equivalente inicial de la adición están en torno al 0,02-0,04% en la mayoría de los casos estudiados, especialmente en las cenizas volantes y las escorias de alto horno,

Na2Oe

si bien estas últimas pueden mostrar una extracción de hasta el 0,20-0,25% cuando se analiza la extracción combinada de sodio y potasio en las disoluciones complementarias. Por su parte, se observan porcentajes máximos más elevados de extracción en las calizas, con un máximo de 0,6-0,8%, y en las puzolanas, con un máximo de 0,30-0,40%. Mientras que el humo de sílice muestra porcentajes máximos de extracción potencial de álcalis en torno al 0,100,20%, claramente inferiores al resto de adiciones analizadas (Menéndez et al., 2019b). En la Figura 31 se recoge un ejemplo de la estimación de álcalis lixiviados de una ceniza volante, ensayada con diferentes disoluciones, para determinar el porcentaje de Na2Oe con relación al total de la ceniza. El ensayo se realiza con las siguientes disoluciones: agua caliente, disolución saturada en Ca(OH)2, disolución 1N de NaOH, disolución 1N de KOH y evaluación combinada del NaO2 extraído de la disolución 1N de KOH más el KO2 extraído de la disolución 1N de NaOH; mientras que la línea punteada indica los álcalis lixiviados de la misma ceniza volante, después de diez años en el hormigón. Se observa que la disolución que produce unos resultados más próximos, con una ligera sobreestimación, es la disolución saturada de Ca(OH)2, seguida por ensayo rápido en agua caliente, si bien en este se subestima la extracción de álcalis. Por su parte, el balance neto de álcalis en las disoluciones 1N de NaOH y KOH muestra una combinación parcial del ion presente en la disolución (sodio o potasio, respectivamente) al combinarse con la ceniza volante, lo que en la práctica significaría una estabilización del álcali, lo que muestra, por tanto, una disminución relativa de álcalis en la disolución. Sin embargo, cuando se valora el potasio, extraído de la disolución 1N de NaOH, más el sodio, extraído de la disolución 1N de KOH, y se expresa como Na2Oe, el porcentaje de lixiviación sobreestima de forma importante la extracción de álcalis producida con el tiempo.

54 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

Según los resultados recogidos en la figura anterior, para la disolución saturada en Ca(OH)2 la aportación de álcalis de la ceniza con el tiempo estaría en torno a 0,05kg/m3 de Na2Oe, para una dosificación del 20% de ceniza en un hormigón con 300kg/m3 de cemento. Esto en principio no supondría un incremento significativo y, por tanto, no contribuiría de forma importante al desarrollo de la reacción álcali-sílice. Sin embargo, si se considerase la combinación de las disoluciones 1N de NaOH más KOH, la aportación de álcalis con el tiempo podría llegar a un 0,21kg/m3 de Na2Oe, para el ejemplo de dosificación anterior. El método de ensayo recomendado por Menéndez et al., 2019b consiste esquemáticamente en someter la adición al ensayo de puzolanicidad durante catorce días, de acuerdo con el procedimiento de la norma UNE-EN 196-5:2011, filtrar la adición (sólido) y someter la adición a la acción de una disolución saturada de Ca(OH)2 durante veintiocho días a 20o C. Al final del periodo de extracción, filtrar y determinar la concentración de Na2O y K2O extraídos en la disolución, calculando la cantidad de Na2Oe con relación al peso de sólido.

Figura 31. Extracción potencial de álcalis de una ceniza volante, utilizando diferentes disoluciones de extracción, y extracción producida después de diez años en el hormigón.

3.3. Agua de amasado. Características asociadas con la reacción árido-álcali y métodos de ensayo para su determinación El agua es un elemento extremadamente importante en el hormigón, tanto en estado fresco como endurecido. En los primeros momentos del amasado del hormigón, el agua es el vehículo de reacción por el que se produce la hidratación del cemento y se forman los productos de hidratación que le confieren sus propiedades resistentes. El agua constituye un elemento esencial en la fase líquida contenida en la red porosa del hormigón, que contribuye a la evolución de la hidratación de las fases anhidras remanentes en el tiempo. Esta evolución de la hidratación se ralentiza notablemente con el tiempo. Sin embargo, el agua de la fase porosa y el agua externa siguen constituyendo el vehículo de la mayoría de las reacciones que se producen en el hormigón, a lo largo del tiempo, y que inciden sobre su durabilidad. En el hormigón de corta edad pueden distinguirse diferentes tipos de aguas: el agua de amasado, responsable de la hidratación; hielo, cuando se requiere controlar el aumento de temperatura; agua para ajustar la consistencia, generalmente añadida después del vertido, y agua de otros aportes, como aditivos u otras mezclas químicas que, en general, solo se tienen en cuenta cuando aumentan la relación agua / cemento en más de 0,01. De acuerdo con la EHE-08 el agua utilizada para el amasado y curado del hormigón no debe contener ningún elemento perjudicial para afectar las propiedades del hormigón o su durabilidad. En general, se consideran aguas sancionadas como aceptables por la práctica y aguas potables. No obstante, se indican una serie de condiciones que tiene que cumplir el agua, para no considerarse perjudicial, realizándose la toma de muestras de acuerdo

Tabla 19. Límite establecido para algunas sustancias en el agua de amasado y de curado, según la EHE-08 Característica

Límite

pH (UNE 7234) Sustancias disueltas (UNE 7130)

≥5

Sulfatos, SO4= (UNE 7131) Ion cloruro, Cl- (UNE 7178)

≤ 15 g/l (15.000 ppm) Cementos comunes

≤ 1 g/l (1.000 ppm)

Cementos SR

≤ 5 g/l (5.000 ppm)

Para hormigón pretensado

≤ 1 g/l (1.000 ppm)

Para hormigón armado o en masa con armadura

≤ 3 g/l (3.000 ppm)

Hidrato de carbono (UNE 7132)

0

Sustancias orgánicas solubles en éter (UNE 7235)

≤ 15 g/l (15.000 ppm)

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 55

con la norma UNE 7236. Las características que debe de cumplir el agua de amasado y curado son las que se recogen en la Tabla 19. Por su parte, la EHE-08 también establece algunos límites para la utilización de agua reciclada, procedente del lavado de cubas de las centrales del hormigonado, y permite su uso siempre que estas cumplan con las características de la Tabla 19 y su densidad no sea mayor de 1,3 g/l, ya que densidades mayores indicarían un aporte excesivo de partículas. Por su parte, la norma UNE-EN 206, Hormigón. Especificaciones, prestaciones, producción y conformidad, recomienda como criterio general que el agua de amasado siga los requerimientos recogidos en la norma UNE-EN 1008.

3.3.1. Composición química del agua y aporte potencial de álcalis De acuerdo con el «Informe técnico sobre calidad del agua de consumo humano en España» del Ministerio de Sanidad, Servicios Sociales e Igualdad (MSSSI, 2011), el pH del agua tiene como valores paramétricos inferior y superior 6,5 y 9,5 respectivamente, si bien se consideran como aptas para el consumo aquellas que muestran valores superiores a 4,5 e inferiores a 10,5. De forma mayoritaria (> 70%) el agua en España presenta unos valores de pH de 7,01-8,00, seguido por valores de comprendidos entre 8,01-9,50 (>25%) y el valor medio de pH del 7,76, para poblaciones de más de cinco mil habitantes y del 7,72, para poblaciones menores. En lo relativo al sodio, el valor paramétrico es inferior a 200 mg/L, considerándose esta agua no apta para el consumo humano cuando dicho valor es superior a 650 mg/L. En España el valor medio de sodio en el agua para consumo humano está situado entre 10,1-100 mg/L para el 52,5% de las aguas analizadas, y es ≤ 10 mg/L en el 34%; lo que indica una baja presencia de sodio disuelto en el agua potable; observándose valores superiores a 650mg/L solo en el 0,37% de los análisis. Estos valores no implican un aporte significativo de sodio cuando se utiliza agua potable. No obstante, el agua de amasado o curado puede no proceder de la red de agua para el consumo humano. En general, se considera que la presencia de álcalis en el agua de amasado o curado no es perjudicial en el hormigón, ya que el pH de este es muy elevado. No obstante, debería conocerse el porcentaje de álcalis (sodio y potasio) si se sospecha que el agua puede tener una cantidad significativa, con el

fin de tenerlo en cuenta de cara a la prevención de la reacción árido-álcali y a la propia formulación del hormigón. En este sentido es conveniente determinar el pH y la conductividad del agua si esta no es conocida, con el fin de identificar un posible exceso de álcalis o de sustancias disueltas, que tendrían que ser analizadas para ver su potencial incidencia sobre el hormigón. En estos casos se puede determinar la cantidad específica de sodio y potasio presentes en el agua utilizando alguna de las técnicas instrumentales de laboratorio habituales, como son la espectrometría de plasma inducida, la absorción atómica, la cromatografía iónica o la fluorescencia de rayos X, entre otras. En el caso que el agua presente una cantidad significativa de álcalis, estos deberían tenerse en cuenta en el estudio de la formulación de hormigón que se va a utilizar en obra y considerarlos álcalis disponibles.

3.4. Áridos. Características y ensayos relacionados con la reacción árido-álcali Los áridos son uno de los elementos necesarios para que se produzca la reacción árido-álcali. Sin embargo, la definición de un árido como potencialmente reactivo no es sencillo. Por una parte, la reacción árido-álcali necesita un elevado periodo de tiempo para producirse y esto hace que los métodos de evaluación tengan que ser acelerados, a pesar de lo cual algunos ensayos tienen una elevada duración, lo que hace difícil su aplicabilidad en la práctica. Por otra parte, puede haber una importante variabilidad en la composición de los áridos durante su uso en una determinada obra, bien por cambios en el frente de cantera o bien por tratarse de áridos mezcla de diferentes orígenes, como los áridos de río. No obstante, existen distintos métodos para valorar la potencial reactividad de los áridos, así como para formular mezclas que puedan ser calificadas como no reactivas.

3.4.1. Caracterización mineralógica de áridos mediante difracción de rayos X Mediante la técnica de difracción de rayos X se pueden determinar y cuantificar las principales fases mineralógicas de los áridos [Ramachandran y Beaudoin, 2001] e, incluso, cuantificar el porcentaje de amorfos mediante la aplicación de programas de refinamiento Rietvelt [Mac Cusker et al., 1999,

56 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

de la Torre, et al., 2001 y Jiménez et al., 2015]. La exactitud de los análisis por difracción de rayos X dependen de la configuración del equipo de medida y del correcto uso e interpretación de resultados, si bien la exactitud es elevada y con una desviación estándar en torno al 0,45% para diferentes grados de cristalinidad, mientras que la precisión de la repetibilidad y de la reproducibilidad son muy elevadas (por debajo del 1,3% en promedio) [Macarós, 2002 y Vizcaino, 2014]. Este ensayo permite, de una forma rápida, caracterizar de forma básica los áridos con el fin de identificar la presencia de componentes que puedan ser calificados como potencialmente reactivos, como el cuarzo, o componentes que puedan lixiviar álcalis con el tiempo, como los feldespatos. La obtención de un espectro estándar, a partir de una muestra molida representativa del árido, puede llevar unos veinte minutos, si bien, para realizar un análisis cuantitativo, con determinación de amorfos, la duración del ensayo puede ser de seis a diez horas, más el tratamiento de los resultados. No obstante, este ensayo es recomendable como caracterización inicial de los áridos, en lo relativo a su potencial reactividad con los álcalis del hormigón. Esta técnica puede ser más eficaz que una petrografía simple, con poca o nula información sobre los minerales potencialmente reactivos, y da resultados que permitan decidir con rapidez la conveniencia de realizar el Ensayo acelerado de barras de mortero (UNE 146508) u otro ensayo que permita calificar los áridos con relación a su potencial reactividad. Si bien hay que tener en cuenta que no puede no detectar inclusiones cristalinas en concentraciones muy bajas o identificar el tipo de materiales amorfos que están en el mineral; si permite identificar los compuestos cristalinos presentes, a partir de una cierta concentración, y tomar decisiones para la realización de los ensayos acelerados de barras de mortero u otro ensayo de caracterización de los áridos. A continuación, se muestran tres ejemplos de áridos con diferentes mineralogías que sería necesario analizar de forma específica a partir de los resultados obtenidos en el análisis simple por difracción de rayos X. En la Figura 32, se puede ver el espectro de una dolomita con caliza y un pequeño porcentaje de cuarzo (a), un granito (b) y un árido silíceo con feldespatos (c) con un porcentaje significativo de amorfos. Adicionalmente, en la Tabla 20 se muestra la cuantificación de las diferentes fases presentes en los áridos, así como su porcentaje de amorfos.

Los resultados de difracción de rayos X y la cuantificación de fases indicarían que el árido calcáreo contiene dolomita, por lo que habría que comprobar su potencial reactividad mediante el ensayo de la norma UNE 146507-2 y habría que ver si el 10,7% de árido silíceo es potencialmente reactivo, bien por detectarse extinción ondulante en el análisis petrográfico o bien realizando el Ensayo acelerado de barras de mortero (UNE 146508). En cuanto al granito, debido a su composición minera-

Figura 32. Espectros de difracción de rayos X de un árido calizo con inclusiones de cuarzo (a), de un granito (b) y de una arena silícea (c).

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 57

Tabla 20. Composición cuantitativa de diferentes áridos, obtenida por refinamiento Rietvelt. Árido Calcáreo

Dolomita

Calcita

Cuarzo

51,59 %

36,60 %

10,70 %

Granito Silíceo

21,38 %

Albita

Anortita

28,03 %

6,46 %

5,13 %

50,58 %

Cristobalita

Microclina

Annita

Amorfos

32,10 %

4,01 %

8,02 %

1,11 %

lógica, lo conveniente sería realizar el Ensayo acelerado de barras de mortero (UNE 146508), para ver su potencial reactividad; además, debido a la presencia de álcalis en los feldespatos habría que determinar el porcentaje de álcalis potencialmente extraíbles con tiempo (Apartado 3.4.4) si se va a ensayar una mezcla hormigón de obra (Apartado 4). Por último, el árido silíceo con feldespatos contiene un 35,42% de amorfos por lo que directamente se realizaría el Ensayo acelerado de barras de mortero (UNE 146508), para ver su potencial reactividad; e igual que en el caso anterior habría que determinar el porcentaje de álcalis potencialmente extraíbles con tiempo (Apartado 3.4.4) si se va a ensayar una mezcla hormigón de obra (Apartado 4).

3.4.2. Petrografía de los áridos El análisis petrográfico de los áridos permite determinar la mineralogía y las proporciones de las principales especies minerales y los accesorios. Se determina la clasificación de las rocas y sus relaciones

8,87 %

35,42 %

texturales y cristaloquímicas, y se acotan a partir de estas las fases mineralógicas susceptibles de producir neoformaciones y desestabilización cristaloquímica cuando se usan en el hormigón. Para la observación petrográfica es necesario realizar una selección de muestras representativas de los áridos y realizar la preparación de las láminas delgadas, necesarias para el estudio del árido. De forma esquemática la preparación de láminas delgadas consta de las siguientes fases: embutido en resina de baja viscosidad para rellenar poros, corte y pegado en un porta-muestras de vidrio, corte con diamante para obtener una capa fina de árido adherida al porta-muestras y pulido, hasta obtener una capa de árido completamente plana con un espesor de 25 a 30 µm. Mediante la microscopía óptica, combinando luz natural —analizada y polarizada— y el giro de la platina, se puede analizar el estado tensional de la red cristalina, la susceptibilidad de la roca que va a ser alterada y, a su vez, la capacidad de aporte iónico de determinados elementos que favorecen el desarrollo de fases potencialmente agresivas en medios con valores de pH muy bajos.

Figura 33. Fases del análisis petrográfico del árido.

58 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

El estudio petrográfico se centra especialmente en los cuarzos, cuyo porcentaje de deformación puede estimarse con gran precisión, y con él, el grado de potencial reactividad de esta fase mineralógica [Mather, 1966; Dolar-Mantuani, 1981; Poole, 1992; Grattan-Bellew, 1993 y Prendes y Menéndez, 1998 entre otros].

3.4.2.1. Cuantificación de fases de los áridos Para realizar el análisis petrográfico de los áridos es necesario obtener una muestra representativa de los mismos. Se puede utilizar el método indicado en la norma UNE-EN 932-1 o bien el recogido en el documento RILEM AAR 1.1 (Nixon y Sims, 2016). Se analiza la petrografía de las diferentes muestras en detalle mediante lámina delgada, utilizando un microscopio óptico de luz polarizada, determinándose su mineralogía y composición y obteniéndose su clasificación petrográfica. Existen diferentes

metodologías para el análisis petrográfico de los áridos y rocas para su uso en hormigón, como las descritas en las normas ASTM C294, ASTM C295 y UNE-EN 932-3 y el método de clasificación de RILEM AAR1.1 (Nixon y Sims, 2016). La clasificación petrográfica recogida en las normas ASTM C294 y ASTM C295 es más detallada que la de la norma UNE-EN 932-3, por lo que se recomienda atenerse a las primeras. La clase mineral más abundante es la correspondiente a los silicatos. Además, es el grupo más importante en términos geológicos por ser petrogénico, es decir, son minerales que forman las propias rocas. Todos los silicatos están compuestos por silicio y oxígeno. Estos elementos pueden estar acompañados de aluminio, hierro, magnesio o calcio, entre otros. El cuarzo, que es uno de los minerales más comunes y más extendidos de la corteza terrestre, presenta en una gran variedad de condiciones geológicas, siendo una de las fases más abundantes en la mayoría de los minerales y uno de los áridos más utilizados en la fabricación del hormigón. Los áridos

Tabla 21. Tipos, propiedades y aspecto de los cuarzos más comunes Tipo de cuarzo

Temperatura de formación

Estructura cristalina

Cuarzo-α

Tª < 573 oC

Trigonal

Cuarzo-β

573o C < Tª < 867o C

Hexagonal

Tridimita

Tª > 867o C

Hexagonal

Calcedonia

Trigonal

Ópalo

Amorfo

Sílice hidratada

Tª > 1.6000 C

Sílex

Triclínico

Amorfo

Cristobalita-α

Fases polimórficas

Tetragonal

Cristobalita-β

Fases polimórficas

Cúbico

Aspecto

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 59

de naturaleza silícea pueden contener partículas reactivas, tales como cuarzos altamente deformados, feldespatos alterados o presencia de minerales opacos, que favorezcan las reacciones árido-álcali. El cuarzo es el polimorfo de sílice predominante en áridos potencialmente reactivos, y es estable en un amplio rango de condiciones. Las condiciones en las que se ha formado un cuarzo se refleja en sus cualidades, incluidas la estructura cristalina y su composición (Broekmans, 2004). En la Tabla 21 se recoge la temperatura de formación de algunos cuarzos y silicatos, su cristalización y su aspecto. En España gran parte de las estructuras afectadas por reacción álcali-sílice contienen áridos de tipo granítico. Con el fin de definir de forma más clara el tipo de árido, se pueden introducir los porcentajes recalculados de las fases mineralógicas: cuarzo, feldespatos potásicos y plagioclasas en el diagrama ternario superior de Streckeisen

de clasificación de rocas ígneas, pudiendo diferenciarse entre granitos, granodioritas, granitoides, etc. (Menéndez y Prendes, 2012c y Menéndez et al., 2015b). En la Figura 34 se recoge un ejemplo de clasificación de muestras de áridos graníticos, que quedan definidos como granodioritas y granitos.

3.4.2.2. Determinación de la reactividad potencial de los áridos Para predecir el potencial comportamiento reactivo de los áridos, la primera etapa consiste en el análisis petrográfico, mediante la identificación de fases minerales y posibles alteraciones que, para determinados valores de pH, humedad y temperatura, pueden favorecer la rotura de los puentes siloxano, así como el intercambio iónico y, además, dar lugar a la formación de productos de reacción árido álcali.

Figura 34. Representación de varios áridos graníticos en el diagrama de Streckeisen para rocas ígneas (Menéndez et al., 2015b).

60 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

El método de ensayo RILEM AAR-1.1 (Nixon y Sims, 2016) proporciona una clasificación de los áridos en relación a su potencial reactividad basada en su caracterización petrográfica. Este método aporta un procedimiento general para el examen petrográfico de áridos, enfocado a identificar los tipos de rocas y minerales que pudieran reaccionar con los iones hidroxilo de la disolución intersticial del hormigón. El método es aplicable a áridos naturales, que incluyen arena, grava gruesa, todo uno, y áridos de machaqueo. El método también se puede utilizar para cuantificar las cantidades de los diferentes tipos de minerales y rocas de forma general. El objetivo principal es obtener la clasificación de los áridos en términos de reactividad frente a los álcalis en función de la presencia de fases mineralógicas potencialmente reactivas, que favorecen la reactividad. Los áridos se clasifican en una de las siguientes clases: • Clase I: reactividad con los álcalis improbable.

• Clase II: reactividad alcalina incierta. El árido no puede clasificarse de forma definitiva en las clases I y III. • Clase III: reactividad con los álcalis muy probable Este método de ensayo también contempla un análisis cuantitativo de fases y propone dos metodologías diferentes: • Separación de partículas: se basa en separar partículas que pertenezcan a una misma fase mineralógica, mediante el análisis de los datos para obtener los porcentajes de cada fase mineralógica. • Conteo de puntos en láminas delgadas: se aplica cuando la técnica por separación de partículas es muy compleja o imposible. Se basa en utilizar una cuadrícula ortogonal sobre una lámina delgada y contar los puntos de intersección que caen en las diferentes fases mineralógicas existentes.

Figura 35. Secuencia de imágenes a intervalos de giro de 11º para observa la extinción ondulante del cuarzo.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 61

Posteriormente se analizan los datos para obtener los porcentajes de cada fase mineralógica presente en el árido. La extinción ondulante del cuarzo, que se puede observar en lámina delgada utilizando microscopía óptica con luz polarizada, representa el grado de deformación de la red cristalina de cada grano debido a diferentes orientaciones internas. Los límites entre las diferentes áreas de deformación tienen una alta dislocación y el cuarzo es químicamente más reactivo. El grado de extinción de los cuarzos es función de los diferentes procesos de formación de la roca en la que se encuentra contenido (Smith, 1997). El desarrollo de sub-granos contribuye a una mayor reactividad, debido a la alta densidad de dislocación asociada con los límites de subgranos de los cristales de cuarzo deformados (Wigum, 1995). Un ejemplo de la extinción ondulante de un grano de cuarzo en un árido granítico se recoge en la Figura 35, donde se muestra una secuencia de micrografías a intervalos del polarizador de 11°.

3.4.2.3. Índice de reactividad de los áridos Dolar-Mantuani (1981), Sims et al. (1990) y Grattan-Bellew (1993) analizaron petrográficamente diferentes especies de SiO2 y relacionaron, de forma cualitativa, el estado reticular del cuarzo con su reactividad, considerando los ángulos de extinción ondulante de los cuarzos. Por su parte, Prendes et al., 2007 y Menéndez et al., 2014c analizaron de forma cuantitativa el perímetro externo de grano y los perímetros internos de contacto entre diferentes zonas de deformación dentro de un mismo grano de cuarzo a partir del análisis de los colores de interferencia, las texturas y la extinción ondulante utilizando microscopía óptica con luz polarizada y tratamiento digital de imágenes. A partir de la relación entre perímetro exterior e interiores de los cuarzos deformados se determina el índice de reactividad de los cuarzos (Iqz), asociado con la deformación de los mismos (Menéndez et al., 2014c y Menéndez et al., 2015b), que se define según la siguiente expresión. Donde, Iqz, es el índice de reactividad del cuarzo Pext, es el perímetro del borde exterior de grano Pint, son los perímetros de bordes interiores comunes de áreas de extinción

Cuando el índice de reactividad de un grano de cuarzo es muy próximo a 1, Iqz → 1, indica una red cristalográfica muy estable (extinción recta), mientras que valores de índice próximos a 0, Iqz → 0, indican una estructura reticular deformada (extinción ondulante). Para el estudio de una roca es necesario un tratamiento estadístico de granos de cuarzo, que puede representarse como un histograma de frecuencias en el que el eje de ordenadas representa los porcentajes y el de abscisas el valor de Iqz. A partir de este tratamiento estadístico, el árido se puede considerar potencialmente reactivo si el Iqz < 0,39. Cuando se multiplica el porcentaje de granos con Iqz < 0,39 por el porcentaje de cuarzos en el árido, se determina el Qreactivo con respecto al %Qtotal, del que se deduce el porcentaje de cuarzos reactivos de cada árido (Menéndez et al., 2014c y Menéndez et al., 2015b). En la Figura 36 se recoge un ejemplo de cálculo de índice de reactividad de un cuarzo. Se observa el cuarzo con distintos grados de rotación de la platina y una última imagen que corresponde a la composición de todas las imágenes precedentes. Extrayendo los bordes de las diferentes áreas y aplicando la fórmula anterior es de Iqz = 0,45; que, por tanto, está por encima de los valores umbrales definidos, lo que implica que este cuarzo se consideraría como no reactivo, aunque su índice es próximo al umbral de reactividad. Con esta metodología también se pueden calcular otros parámetros de potencial reactividad como son el grado de alteración de los feldespatos o los contactos entre diferentes fases minerales de la misma roca.

3.4.3. Contenido de álcalis de los áridos En general se considera que los áridos son componentes inertes del hormigón en lo que se refiere al potencial aporte de álcalis. Sin embargo, muchas de las rocas utilizadas para la producción de áridos tienen inclusiones de compuestos con álcalis (sodio y potasio) en su composición. Y se considera que en determinadas condiciones ambientales se puede producir con el tiempo una lixiviación o extracción de álcalis desde los áridos a la pasta cementante, lo que incidiría sobre el desarrollo de la reacción árido-álcali. Entre los minerales que contienen álcalis hay que destacar los feldespatos y algunas micas. Si bien los álcalis pueden proceder, también, de

62 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

Figura 36. Secuencia de imágenes para el cálculo del índice de reactividad e imagen integrada.

contaminaciones externas como el agua de mar o aguas con elevado contenido en sodio o potasio. En España encontramos inclusiones de feldespatos en numerosos áridos para construcción, fundamentalmente los áridos graníticos y las areniscas, además de las inclusiones de feldespatos o arcillas en rocas calcáreas como compuestos minoritarios. Los feldespatos son componentes esenciales de muchas rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, con lo que estas rocas se clasifican en función de su contenido en feldespatos. Estos son aluminosilicatos con una composición química que varía dependiendo del tipo y cantidad de álcalis que contienen. Todos los feldespatos tienen una red tridimensional de tetraedros (SiO4) y (AlO4) en los que todos los tetraedros comparten sus átomos de oxígeno con los vecinos y aluminio, potasio, sodio y calcio que equilibran la carga entre estos tetraedros. Las principales familias de feldespatos son los feldespatos potásicos (ortoclasa KAlSi3O8), los feldespatos sódicos (albita NaAlSi3O8) y los feldespatos cálcicos (anortita CaAl2Si2O8) (Hurlbut y Klein, 1982). Además de los feldespatos hay otras rocas que contienen álcalis en su composición y que pueden ser utilizadas como árido en el hormigón tales, como minerales de arcilla, zeolitas, anfíboles, vidrio volcánico y dawsonita, si bien su presencia es menos frecuente que los feldespatos. Locati et al. (2010) resumieron los minerales más comunes que contienen sodio o potasio y que se utilizan como áridos para hormigón. En la Tabla

22 se recogen los áridos con álcalis, su composición química, estructura y sistema de cristalización. El contenido de álcalis de los áridos se determina mediante análisis químico por las técnicas habituales de análisis de sólidos, como la fluorescencia de rayos X. Se determina la proporción de óxido de sodio y óxido de potasio, y se expresa como óxido de sodio equivalente (Na2Oe), como en los cementos. El total de álcalis en los áridos no puede considerarse como álcalis eficaces en la mezcla de hormigón, ya que estos están combinados en los minerales y no son fácilmente solubles. Si considerásemos el total de álcalis, el contenido total de Na2Oe en el hormigón puede llegar a ser elevadísimo, si bien la mayoría de los álcalis presentes en los minerales no llegan a estar en contacto con la fase líquida del hormigón. Sin embargo, con el tiempo, el pH alcalino y la apertura de fisuras en los áridos pueden llevar a producir una lixiviación de parte de los álcalis de los áridos a la masa del hormigón, lo que puede incidir en el desarrollo de la reacción árido-álcali. Por tanto, es necesario evaluar los álcalis lixiviables de los áridos.

3.4.4. Valoración de la potencial lixiviación de álcalis desde los áridos Si bien el desarrollo de la reacción árido-álcali en el hormigón se asocia, principalmente, con los álcalis procedentes del cemento, otros componentes

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 63

Tabla 22. Principales minerales con álcalis, presentes en los áridos para hormigón Grupo

Feldespatos alcalinos

Plagioclasas Feldespatoides

Micas

Anfíboles

Piroxenos

Carbonatos

Mineral

Composición química

Ortoclasa

K(AlSi3O8)

Anortoclasa

(Na,K)AlSi3O8

Microclima

K(AlSi3O8)

Adularia

KAlSi3O8

Albita-Anortita

(Na,Ca)[Al(Si,Al)Si2O8]

Nefelina

(Na,K)AlSiO4

Leucita

KAl(Si2O6)

Cancrinita

(Na,Ca,K)6-8(Al6Si6O24)(CO3,SO4)1-2.1-5H2O

Moscovita

K2Al4[Si6Al2O20](OH,F)4

Biotita

K(Mg,Fe2+3)(Al,Fe3+)Si3O10(OH,F)4

Paragonita

Na2Al4[Al2Si6O20](OH)4

Hornblenda

Ca2Na(Mg,Fe)4(Al,Fe,Ti)AlSi8AlO22(OH,O)2

Glaucofeno

Na2Mg3Al2[Si8O22](OH)2

Riebecita

Na2Fe

Aegirina

NaFe3+[Si2O6]

Jadeita

Na(Al,Fe )Si2O6

Onfacita

(Na,Ca)(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)[Si2O6]

Augita

(Ca,Na)(Mg,Fe,Al)[(Al,Si)2O6]

Dawsonita

NaAl(CO3)(OH)2

2+ 3

Estructura

Sistema de cristalización Monoclínico

Tectosilicato

Triclínico Monoclínico Monoclínico

Fe

3+ 2

Tectosilicato Tectosilicato

Hexagonal Tetragonal Hexagonal Monoclínico

Fllosilicato

Monoclínico Monoclínico Monoclínico

Inosilicato

[Si8O22](OH)2

Monoclínico Monoclínico Monoclínico

3+

pueden contribuir a la disponibilidad de álcalis en el hormigón. Especialmente se ha estudiado el potencial aporte de álcalis lixiviados de los áridos con el tiempo, cuando estos tienen en su composición una significativa cantidad de sodio y potasio. Los principales minerales alcalinos en los áridos para hormigón corresponden a los feldespatos y, por tanto, han sido los más analizados. Se han realizado diversos trabajos para evaluar la posible liberación de álcalis desde los áridos, para lo que se han utilizado diferentes condiciones de ensayo (van Aardt et al., 1977; Ouali, 1997; Stark et al., 1986; Kawamura et al., 1989; French, 1992; St-John et al., 1992; LCPC, 1993; Berubé et al., 2002a y 2002b; Lu et al., 2006; Locati et al., 2010 y Menéndez et al., 2012b, 2016b, 2016c). Estos ensayos están relacionados fundamentalmente con el comportamiento de los feldespatos y feldespatoides. Si bien, otros estudios indican que las micas pueden liberar álcalis e influir en el desarrollo de la reacción árido-álcali [Grattan-Bellew et al., 1980; Berubé et al., 2002b y Wang et al., 2008]. También se han realizado trabajos para analizar la solubilidad de la moscovita y la biotita con el fin de analizar su comportamiento en distintas condiciones de temperatura y pH (Boles y Johnson, 1984; Nagy,

Triclínico

Inosilicato

Monoclínico Monoclínico Monoclínico

Carbonato

Ortorrómbico

1995; Malmstrøm y Banwart, 1997; Oelkers et al., 2008 y Crundwell 2014a y 2014b). La liberación de álcalis desde los áridos contribuye a aumentar los iones OH- y el pH en la disolución de la fase porosa del hormigón, modificando la composición de esta. En cuanto a la incidencia de los álcalis lixiviados de los áridos en el desarrollo de la reacción álcali-sílice existen pocos trabajos que lo hayan corroborado. Berubé et al., 2002a; Shayan, 2004 y Wang et al., 2008 encontraron solo evidencias indirectas de que los álcalis lixiviados aumentaran la reacción álcali-sílice en hormigones de obra. Así mismo, se han encontrado evidencias de reacción álcali-sílice, debido a la migración de álcalis de feldespatos, con áridos que contienen dawosnita y nefelina (Gillott y Rogers, 1994 y Durand, 2000). Por su parte, Menéndez et al., 2012b y 2016c corroboraron la lixiviación de álcalis desde feldespatos sódicos y potásicos, que forman parte de áridos graníticos, y su influencia en la formación de productos de reacción álcali-sílice en hormigones de presas. Los métodos de ensayo aplicados para la evaluación de la potencial extracción de álcalis desde los áridos se basan fundamentalmente en someter estos a la acción de disoluciones alcalinas con elevado pH que, en algunos casos, simulan la composición de la

64 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

fase porosa del hormigón (Menéndez et al 2012b, 2012c y 2016c). Ante la necesidad de acelerar los procesos que se producen en los hormigones de obra a lo largo del tiempo, los ensayos para la estimación de la extracción de álcalis aceleran los parámetros de ensayo que son, fundamentalmente, temperatura, duración, tipo y concentración de la disolución de extracción, relación sólido / líquido y tamaño de partícula. Menéndez et al., 2016b han analizado los distintos parámetros aplicados en los métodos de ensayo utilizados en diferentes estudios, concluyendo que el método de ensayo más eficaz para la extracción de álcalis es la exposición a una disolución saturada de Ca(OH)2 a 80o C por un periodo de veintiocho días, pero este método no puede considerarse como representativo de lo que ocurre en un hormigón real, por lo que es recomendable utilizar métodos de ensayo con parámetros más próximos a la realidad. Menéndez et al. (2016c) compararon veintidos métodos de ensayo (incluido el método RILEM AAR8 que está en elaboración) para evaluar la potencial extracción de álcalis desde un árido granítico, del que

se había corroborado la extracción de álcalis desde los feldespatos en un hormigón real. Estos métodos de ensayo analizados varían fundamentalmente en la disolución de extracción, temperatura y tiempo de ensayo y, en menor medida, en el tamaño de partícula y la proporción sólido / líquido. En la Tabla 23 se recoge un resumen de los principales métodos utilizados junto con los principales parámetros de ensayo. Para cada ensayo se determina el Na2O y el K2O, extraídos al final del mismo, recalculando el Na2Oe lixiviado, con el fin de comparar los diferentes métodos de ensayo. En la Figura 37 se representan los resultados obtenidos en cada uno de los métodos de ensayos utilizados, así como el valor máximo de extracción de álcalis del árido, obtenido a partir del análisis microestructural de un hormigón real, después de sesenta años puesto en obra. Cuando se utilizan disoluciones de extracción que contienen sodio o potasio solamente, se produce una disminución de ese ión, que se asocia con un intercambio iónico o con la formación de productos de reacción. Sin embargo, cuando se determina el Na2Oe

Tabla 23. Comparación de métodos de ensayo para evaluar la extracción de álcalis desde los áridos Métodos de extracción

Tamaño del árido

Relación líquido / sólido

Tª

Tiempo

Disoluciones de extracción

< 500µm

2:1

20ºC

48 horas

Agua ultrapura

Método 1 [Menéndez et al., 2011d, 2012b] Método 2

[Menéndez et al., 2011d, 2012b]

315µm>áridoárido0,30%; ≤0,45% - Prismas de hormigón a 1 año: >0,12%; ≤0,24%

Figura 51. Clasificación de la velocidad de reacción de los áridos según el ensayo acelerado de barras de mortero [Menéndez et al., 2019a].

Tabla 26. Clasificación de la reactividad de los áridos a partir de la expansión obtenida en el ensayo acelerado de barras de mortero [Menéndez et al, 2019a] Calificación del árido

Expansión a los 14 días

Expansión a los 28 días

No reactivo

≤ 0,08%

≤ 0,18%

Reactividad lenta

≥ 0,08% y < 0,18%

≥ 0,20% y < 0,25%

Reactividad moderada

≥ 0,20% y < 0,25%

≥ 0,25% y < 0,35%

Reactividad rápida

≥ 0,30% y < 0,35%

≥ 0,35% y < 0,45%

Reactividad muy rápida

≥ 0,40% y < 0,45%

≥ 0,45% expansión

78 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

• Muy altamente reactivos: - Barras de mortero a 14d: >0,45% - Prismas de hormigón a 1 año: >0,45% En la Tabla 27 se comparan los criterios de Menéndez et al. (2019a), Katayama (2014) y de FHWA (2013) con relación al tiempo de aparición de síntomas de deterioro por reacción árido-álcali en el tiempo en estructuras reales. Establecer un criterio sobre la velocidad de reacción de los áridos potencialmente reactivos

permite obtener un indicio del comportamiento de estos en obras reales, si bien hay que tener en cuenta las condiciones ambientales a las que va a estar expuesto y que tendrán una incidencia muy significativa sobre la aparición de daños por reacción sílice-álcali. Por tanto, cuando se indica el tiempo hasta la aparición de síntomas en estructuras se trata, en todos los casos, de hormigones expuestos a ambientes con humedad elevada o exposición a ciclos de humedad-secado y con suficientes álcalis disponibles procedentes del cemento.

Tabla 27. Relación entre los resultados de ensayos acelerados de barras de mortero, Criterios de clasificación de reactividad los áridos a partir de la expansión en el ensayo acelerado de barras de mortero Ensayo acelerado barras de mortero [Menéndez et al, 2019a]

Ensayo de prismas de hormigón [Katayama, 2014]

Barras mortero Expansión a 28d

Síntomas en estructuras

Prismas hormigón Expansión >0,40%

Barras mortero Expansión a 14d

Prismas hormigón Expansión a 1 año

No reactivo

≤0,10%

Sin síntomas

≥365 días

≤0,10%

≤0,04%

Reactividad lenta

≥0,18% ; 25 años

≥180 días

Reactividad moderada

≥0,25%; 0,10; ≤0,30

>0,04; ≤0,12

Reactividad rápida

≥0,35%; 0,30; ≤0,45

>0,12; ≤0,24

Reactividad muy rápida

≥0,45%

0-5 años

≤50 días

>0,45

>0,24

Velocidad de reacción

Ensayos de barras mortero y prismas de hormigón [FHA, 2013 ]

4. ENSAYOS DE MEZCLAS DE HORMIGÓN CON DOSIFICACIONES DE OBRA En general, los ensayos para caracterizar mezclas de hormigón estandarizados utilizan una elevada dosificación de cemento y de álcalis, además de una granulometría específica tanto de la fracción fina como de la fracción gruesa de los áridos, ya que su objetivo principal es acelerar la reacción. Estos ensayos son poco realistas con relación al hormigón de obra, y su uso está normalmente destinado a la calificación de áridos con relación a su potencial reactividad con determinados cementos o con adiciones. Sin embargo, es necesario analizar las mezclas de hormigón con dosificaciones lo más próximas posible a las que vayan a ser utilizadas en obra. Para ello se utilizan métodos basados en ensayos de prismas de hormigón para la caracterización de áridos, en los que se utilizan valores similares a los del hormigón de obra en lo relativo a la dosificación de cemento, la relación árido grueso:árido fino, la relación agua / cemento, el uso de adiciones, aditivos y otros componentes. No obstante, hay que tener en cuenta la necesidad de limitar el tamaño máximo de los áridos gruesos debido al tamaño de los prismas, que es de 75x75x280 milímetros, si bien se especifica en las normas cómo reducir los tamaños máximos para mantener la representatividad de todas las fracciones granulométricas. Para la evaluación de dosificaciones reales de hormigón pueden utilizarse ensayos como los recogidos en las normas UNE 83967 y AFNOR NF P18-454, y realizar el ensayo a 60o C durante veinte semanas. Pero también se utilizan variaciones sobre los procedimientos de ensayo recogidos en las normas ASTM C1293/RILEM AAR-3/UNE 146509, en los que se mantienen las condiciones de ensayo, 38o C durante cincuenta y dos semanas, y se modifica la dosificación, aproximándola lo más posible a la realidad. No obstante, estos ensayos se utilizan generalmente como una aproximación al comportamiento del hormigón de obra. En el caso del método de 60o C y veinte semanas se aplica un límite de expansión de 0,02 % después de veinte semanas de ensayo. Por otra parte,

en muchas ocasiones se utiliza el método de 38o C y un año para calificar mezclas de hormigón. Sin embargo, este segundo método no está validado para ese uso y los resultados indican que es mucho menos restrictivo que el método de 60o C y veinte semanas, cuando se utiliza como límite de expansividad 0,04 % después un año, siendo este el límite establecido en las normas ASTM C1293/RILEM AAR-3/UNE 146509. En trabajos realizados en el IETcc-CSIC se ha evaluado la sensibilidad de los métodos de ensayos de prismas de hormigón cuando se ensayan a 60o C durante veinte semanas y a 38o C durante cincuenta y dos semanas, ensayando con las mismas dosificaciones de hormigón fabricadas con cementos de bajo y alto contenido en álcalis y con áridos de diferente grado de reactividad. Los cementos utilizados contienen 0,5% de Na2Oe y 1,1% de Na2Oe, respectivamente. Se ha calificado la reactividad de los áridos utilizando el ensayo acelerado de barras de mortero. Los áridos ensayados corresponden a: un cuarzo no reactivo, con una expansión de 0,17% a los veintiocho días de ensayo, una arenisca de reacción lenta (arenisca 2), con una expansión de 0,24% a los veintiocho días, una segunda arenisca de reacción moderada (arenisca 1), con una expansión de 0,31% a los veintiocho días, y una milonita de reacción rápida, con una expansión de 0,43% a veintiocho días. Se comprueba que el ensayo de 60o C durante veinte semanas es siempre más restrictivo que el ensayo de 38 oC durante un año, cuando se aplican como límites de reactividad 0,02% y 0,04%, respectivamente. En la Figura 52 se recogen los resultados obtenidos con el método de ensayo de 60o C durante veinte semanas, incluyéndose el límite establecido para la calificación de hormigón (0,02%). Por su parte, en la Figura 53 se recogen los resultados obtenidos con el método de ensayo de 38o C durante un año, con el límite establecido para la calificación de áridos (0,04%), ya que no hay un límite propuesto para la calificación de mezclas de hormigón, en las normas correspondientes. Se observa que, en todos los casos, el ensayo de prismas a 60 oC durante veinte semanas es mucho más restrictivo que el ensayo de 38 oC durante un año. En el primer caso las mezclas de hormigón fabricadas con milonita y con arenisca 2, cuando se

80 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

utiliza un cemento de alto contenido en álcalis, se califican como potencialmente reactivas; mientras que en las mismas condiciones la mezcla de hormigón fabricada con arenisca 1 queda en el límite de reactividad. Estos mismos áridos utilizados con cementos de bajo contenido en álcalis muestran una expansión muy limitada y dentro de los límites de no expansividad. Sin embargo, utilizando el ensayo de 38o C durante un año, solo la mezcla fabricada con árido tipo milonita y cemento de alto contenido en álcalis quedaría cerca del límite de expansividad del 0,04%, si bien este límite se utiliza para calificar áridos reactivos, lo que supondría que ni siquiera este árido de reacción rápida sería calificado como potencialmente reactivo. Para que el nivel de seguridad fuese similar al del ensayo de 60o C durante veinte semanas haría falta disminuir el límite de expansividad al 0,01%. En la Figura 54 se representa la relación entre el ensayo de 38o C durante un año y de 60o C durante veinte semanas, cuando se utilizan los límites de expansión de 0,04 % y 0,02%, respectivamente. Para comparar los resultados por ambos métodos, estos se muestran como porcentaje de tiempo frente al total del tiempo de ensayo y como porcentaje de expansión a cada tiempo de ensayo con relación al límite máximo establecido. El ensayo de 60o C durante veinte semanas de la recomendación RILEM AAR-4 (Nixon y Sims, 2016) para calificación de áridos tiene un límite de expansión del 0,03%. Sin embargo, el límite de expansión para el ensayo de mezclas de hormigón, según la norma AFNOR FD P18-456, es de 0,02%. Esto implica una reducción de un tercio en el límite de expansividad para la calificación de mezclas, con

relación a la calificación de áridos con álcalis suplementarios. Por tanto, se han analizado los resultados modificando el límite del ensayo de 38o C durante un año para calificar áridos reduciéndolo en un tercio, pasando de 0,04% a 0,025%, lo que implica una reducción de un tercio con relación al límite establecido en la norma UNE 146509. Por tanto, el límite para calificar mezclas de hormigón pasa del 0,04% al 0,025%. En la Figura 55 se recoge la relación de porcentaje de expansión frente al límite de ensayo, teniendo en cuenta el 0,025 % para el ensayo a 38o C durante un año y el 0,02 % para el ensayo de 60o C durante veinte semanas. Se observa que, incluso disminuyendo en un tercio el límite de calificación del ensayo de 38o C durante un año, el nivel de seguridad con este es mucho menor que con el ensayo de 60o C durante veinte semanas (Figura 55). En cuanto a los álcalis en la mezcla de hormigón, en el ensayo de la norma AFNOR NF P18-454 es el del cemento adicionando un porcentaje prefijado si se utilizan adiciones, este porcentaje depende del tipo de adición y se calcula en función del porcentaje de la cantidad adicionada. Por su parte, en el ensayo de la norma UNE 83697 se considera el porcentaje de álcalis aportados por el cemento y se recomienda evaluar las mezclas con esta cantidad e incrementando el contenido de álcalis al 1,25% de Na2Oe en peso de cemento con el fin de prever el comportamiento de la mezcla ante un eventual aumento de álcalis de origen interno o externo, lo que en la práctica implica realizar un ensayo doble, con diferentes porcentajes de álcalis. No obstante, como

Figura 52. Expansión de mezclas de hormigón fabricadas con áridos de diferente reactividad y cementos de alto y bajo contenido en álcalis, de acuerdo con el ensayo a 60º C y veinte semanas.

Figura 53. Expansión de mezclas de hormigón fabricadas con áridos de diferente reactividad y cementos de alto y bajo contenido en álcalis, de acuerdo con el ensayo a 38º C durante un año.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 81

se ha indicado en los Apartados 3.2.2 y 3.4.3 se pueden calcular los álcalis lixiviables con el tiempo de las adiciones y de los áridos y, por tanto, es posible incrementar el porcentaje de álcalis hasta obtener los que se podrían tener en la mezcla con el tiempo de exposición del hormigón al medioambiente. De este modo se evita sobreestimar la cantidad de álcalis en la mezcla de hormigón que se va a utilizar en obra o ensayar una mezcla que, si bien es la real en el momento del ensayo, puede variar en el tiempo en el sentido de tener más álcalis disponibles en el hormigón. Existen diversos estudios que han verificado la mayor restricción de los ensayos a 60o C durante veinte semanas, con relación al método de 38o C durante cincuenta y dos semanas. Esto se ha comprobado para áridos de diferente reactividad. Bollotte, 1992, realiza un estudio comparativo con ensayos realizados a 60o C y 38o C utilizando varios áridos reactivos y no reactivos, observando una buena correlación entre los resultados de ambos métodos de ensayo, y observando una mayor expansión relativa en los ensayos a 60ºC con relación a un tiempo de ensayo proporcional a 38ºC. Berubé et al., 2003, realizó diversos ensayos a 38o C y 60o C observando una lixiviación de álcalis en las probetas expuestas a 60o C; si bien como se ha indicado en el Apartado 3.4.7.2 esto puede evitarse utilizando los dispositivos adecuados. Ramos et al., 2011 y 2012 han comprobado la buena correlación entre las característi-

cas petrográficas de áridos potencialmente reactivos y el ensayo de 60o C durante veinte semanas, cuando se aplica el límite de expansión del 0,02% y la mayor sensibilidad de este método con relación al método de ensayo de 38o C durante cincuenta y dos semanas, incluso con un límite de ensayo del 0,03%, si bien proponen alargar los ensayos a menor temperatura para aproximarse más a las condiciones de obra, aunque esto no es factible en la mayor parte de los casos. Igarashi et al. (2016) realizan ensayos para evaluar el comportamiento de mezclas de hormigón a 40o C y 60o C, observando que los resultados de los ensayos a 60o C son más restrictivos, a la vez que se observa una mayor formación de geles cuando se analiza por microscopía óptica de fluorescencia, lo que indica la mayor sensibilidad de este ensayo. Por su parte, Medeiros et al. (2017) han comparado la reactividad de áridos de reacción muy lenta utilizando ensayos semi-acelerados a 60o C durante veinte semanas y ensayos a 38o C durante cincuenta y dos semanas; con límites de expansión del 0,03% y del 0,04%, respectivamente, comprobando que ninguno de los ensayos califica estos áridos como potencialmente reactivos; proponiendo la extensión del ensayo de 38o C hasta los dos años. Sin embargo, este tiempo de ensayo no es factible para la calificación de un árido, por lo que se considera más conveniente disminuir el límite de expansión del ensayo de 60o C a 0,02%, después de veinte semanas.

Figura 54. Relación entre la expansión del ensayo a 38 ºC durante un año y el ensayo de 60 ºC durante veinte semanas, cuando se aplican límites de expansión de 0,04% y 0,03%, respectivamente.

Figura 55. Relación entre la expansión del ensayo a 38 ºC durante un año y el ensayo a 60 ºC durante veinte semanas cuando se aplican límites de expansión de 0,025% y 0,02%, respectivamente.

5. DISEÑO DE MEZCLAS DE HORMIGÓN NO EXPANSIVAS La evaluación de los componentes del hormigón es, sin duda, una herramienta necesaria para la prevención de la aparición de daños, debido a reacciones álcali-árido. Sin embargo, es preciso evitar que se produzcan expansiones y deterioros en el hormigón de las estructuras. Por tanto, lo verdaderamente necesario es conseguir garantizar que las mezclas de hormigón que se van a poner en obra sean no expansivas. Para la prevención de la reacción sílice-álcali se pueden aplicar distintas estrategias, bien basadas en el ensayo y la selección solo de los componentes, o bien basadas en el ensayo de mezclas de hormigón. Sin embargo, una estrategia avanzada de diseño de hormigones no expansivos debe integrar la información obtenida en los ensayos de componentes y la información de ensayos complementarios, especialmente útil para la prevención de la expansión a largo plazo, y a partir de aquí diseñar mezclas de hormigón no expansivas [Menéndez, 2017a].

5.1. Selección de componentes La selección de los componentes ha de hacerse en función de los resultados de los ensayos que se han indicado en el Apartado 3 del documento. La utilización de unos determinados componentes está influenciada no solo por sus características, sino también por la disponibilidad de los mismos, por condicionamientos de puesta en obra o por la propia tipología del hormigón que se va a fabricar. Para la prevención de la reacción árido-álcali hay que tener en cuenta las diferentes mezclas de componentes a utilizar y los ensayos que permiten cualificar estos componentes.

5.1.1. Selección de áridos De forma, tradicional los áridos se analizan con relación a la presencia de partículas potencialmente reactivas y a su expansividad.

Para la identificación de los minerales presentes en los áridos puede utilizarse la difracción de rayos X o el análisis petrográfico. Si bien estos métodos de caracterización no nos dan exactamente la misma información, ambos nos permiten tomar una decisión sobre las siguientes etapas de estudio para la prevención de la reacción áridoálcali. Mediante difracción de rayos X podemos identificar los minerales presentes y cuantificar los compuestos, tanto cristalinos como amorfos, presentes. Esto permite identificar minerales potencialmente reactivos, dolomíticos o silíceos, además de identificar los álcalis en su composición que pudieran migrar con el tiempo y los minerales que habría que evaluar su potencial extracción con el tiempo. Por su parte, el análisis petrográfico permite cuantificar las diferentes fases y analizar la presencia de partículas reactivas, como los cuarzos con extinción ondulante, y de minerales con álcalis en su composición, como los feldespatos alcalinos. No obstante, si los análisis petrográficos no están enfocados a la determinación de la potencial reactividad con los álcalis, los resultados pueden no aportar información suficiente. Por ello, se recomienda, para obras expuestas a ambientes sensibles u obras de especial relevancia, la aplicación del Método de análisis y cuantificación RILEM AAR-1.1 (Nixon y Sims, 2016) y la determinación del índice de reactividad de los cuarzos (Menéndez et al., 2014c y Menéndez et al., 2015b) Si en la caracterización mineralógica o petrográfica detecta la presencia de dolomita, se determinará la reactividad potencial del árido mediante el método de ensayo de la norma UNE 146507-2. Si la calificación es que el árido es potencialmente reactivo, se podrán utilizar conglomerantes adecuados para el uso del mismo, si bien se deberá verificar la validez del hormigón formulado, mediante el ensayo de mezclas de hormigón con dosificaciones de obra, utilizando el método de ensayo de la norma UNE 83967, con los álcalis suplementarios calculados según el Apartado 5.1.4 y aplicando un límite de expansión permitido del 0,02% a las veinte semanas. En el caso que además de dolomita, el árido contenga minerales silíceos, habría que valorar también la potencial reactividad de estos.

84 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

Si en la caracterización mineralógica indica la presencia de minerales silíceos o si el análisis petrográfico detecta la presencia de áridos silíceos potencialmente reactivos (calificados como tipo II o tipo III según el RILEM AAR-1.1 o con un índice de reactividad de cuarzos menor de 0,39; se realizará el ensayo acelerado de barras de mortero según la norma UNE 146508. En el caso que el árido quede calificado como potencialmente reactivo se podrán utilizar dos vías para evitar la reactividad del hormigón. Una vía es formular una mezcla de áridos que sea no reactiva, para lo que se analizan las mezclas utilizando el método de ensayo de la norma UNE 83968. La otra vía es seleccionar un conglomerante que garantice la no reactividad de la mezcla cuando se utiliza el árido calificado como potencialmente reactivo; para ello, la mezcla conglomerante deberá verificarse con arreglo al método de la norma UNE 83969 (véase Apartado 5.1.2.). Una vez seleccionado la mezcla de áridos o el conglomerante, se deberá verificar la mezcla de

hormigón a utilizar en obra, mediante el método de ensayo de la norma UNE 83967, con los álcalis suplementarios calculados según el Apartado 5.1.4 y aplicando un límite de expansión permitido del 0,02% a las veinte semanas. En la Figura 56 se recoge el esquema de análisis y verificación de áridos, para evitar expansión por reacción árido-álcali.

5.1.2. Selección de conglomerante El conglomerante —y más concretamente el cemento— es la principal fuente de álcalis efectivos de la mezcla de hormigón. Debido a esto es imprescindible conocer el contenido de álcalis del cemento y de las adiciones en su caso, por lo que se determina el contenido en óxido de sodio equivalente (Na 2O e) según la norma UNE-EN 196-2. Se consideran cementos de bajo contenido en álcalis aquellos en los que el Na 2O e ≤ 0,6 %.

Figura 56. Esquema de análisis y selección de áridos con relación a la reacción árido-álcali.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 85

El uso de cementos de bajo contenido en álcalis es generalmente una medida eficaz para minimizar la expansividad de las mezclas de hormigón, cuando se utilizan áridos potencialmente reactivos. Sin embargo, no siempre están disponibles estos cementos o es adecuada su utilización. No obstante, el uso de adiciones es una medida eficaz para minimizar la expansión, si bien hay que considerar los potenciales álcalis extraíbles de las adiciones con el tiempo (Apartado 3.2.2). La atenuación de la expansión con el uso de adiciones minerales depende del tipo y porcentaje utilizado. Por tanto, es necesario verificar la suficiente atenuación de la reactividad para un determinado árido potencialmente reactivo. Para ello se utiliza el método de ensayo de la norma UNE 83969. Las adiciones minerales pueden incluirse como parte del cemento o bien como adición al hormigón. Sin embargo, a efectos de verificar su eficiencia para minimizar la expansión, se utiliza este mismo procedimiento de ensayo. En la Figura 57 se muestra el esquema de los métodos de selección de conglomerantes para prevenir la reacción árido-álcali.

5.1.3. Características del agua El agua de amasado no suele aportar una cantidad significativa de álcalis al hormigón. Sin embargo, si se prevé que el agua a utilizar en el hormigón

de obra va a tener un elevado contenido de álcalis (por ejemplo, agua de lavado de cubas), se deberían tener en cuenta estos álcalis adicionales a la hora de verificar la mezcla de hormigón. Para ello es necesario verificar el contenido de álcalis del agua de acuerdo con la norma UNE 7236.

5.1.4. Álcalis efectivos en el hormigón Además de los álcalis efectivos del cemento, se ha comprobado que tanto los áridos como las adiciones pueden aportar álcalis adicionales a lo largo del tiempo en condiciones de elevada presencia de agua en el hormigón. Esto contribuye al aumento de la cantidad de álcalis disponibles en la masa de hormigón y, por tanto, puede incrementar el riesgo de expansión debido a la reacción árido-álcali. Como se ha indicado en los Apartados 3.2.2 y 3.4.4 se puede valorar la cantidad de álcalis potencialmente extraíbles de las adiciones y de los áridos. Este potencial aporte de álcalis suplementarios deberá tenerse en cuenta para la formulación y ensayo de los hormigones de obra, y para su verificación. Por tanto, deberán calcularse los álcalis suplementarios de acuerdo con la siguiente expresión: Na2Osup. = (% Na2OeEAd· % Adición/m3) + (% Na2OeEÁr· % Árido/m3)

Figura 57. Esquema de procedimientos para la selección de conglomerantes.

86 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

5.2. Verificación de la no expansividad de las mezclas de hormigón de obra

Donde, Na2Osup.

es el porcentaje de álcalis suplementarios que hay que añadir por metro cúbico para verificar la mezcla de hormigón de obra

% Na2OeEAd

es el porcentaje de óxido de sodio equivalente lixiviado de la adición (Apartado 3.2.2)

% Adición/m3

es el porcentaje de adición en la dosificación del hormigón de obra, expresado en kg/m3

% Na2OeEÁr

es el porcentaje de óxido de sodio equivalente lixiviado del árido (Apartado 3.4.4)

% Árido/m3

es el porcentaje de árido en la dosificación del hormigón de obra, expresado en kg/m3

Los áridos y las adiciones se consideran las principales fuentes de álcalis suplementarios en el hormigón a largo plazo. No obstante, si hubiese otra potencial fuente de álcalis, estos deberían tenerse en cuenta para la dosificación del hormigón de verificación. Para considerar los álcalis suplementarios se incrementa la alcalinidad del agua de amasado, que en laboratorio suele ser agua potable con un pH muy próximo a 7, añadiendo NaOH de tal manera que el contenido de Na2Oe sea el requerido. Un ejemplo de cómo calcular la cantidad de NaOH que se debe añadir se recoge en la norma UNE 146509. En la Figura 58 se indican los álcalis adicionales que se han de tener en cuenta para la evaluación de mezclas de hormigón de obra.

Si bien los ensayos de componentes permiten seleccionar productos no reactivos, es necesario garantizar que la mezcla de hormigón sea no expansiva y no se desarrolle la reacción sílice-álcali. Para ello es necesario evaluar la dosificación a utilizar, con la proporción correspondiente de cada componente. Se pueden obtener mezclas de hormigón no reactivas utilizando componentes que, a priori, se considerarían inadecuados, siempre que se diseñen correctamente. Además, el ensayo de mezclas permite utilizar diferentes dosificaciones de áridos, cementos, adiciones, etc. Los ensayos de hormigón a 38o C y un año no son suficientemente restrictivos para considerarse dentro del nivel de seguridad, en algunos casos se ha propuesto alargarlos hasta dos años, pero normalmente no es posible esperar tanto tiempo para calificar un hormigón y tampoco garantiza que el ensayo vaya a ser más seguro que el de 60o C durante veinte semanas; por lo que no se recomienda la utilización de este ensayo. Sin embargo, el ensayo para la evaluación de las mezclas, por ser el que tiene mayor nivel de seguridad, es el ensayo semi-acelerado de prismas de hormigón a 60o C durante veinte semanas de duración, según el método de ensayo de la norma UNE 83967, incluye solo los álcalis suplementarios extraíbles de áridos, adiciones y otros componentes, con un límite de expansión del 0,02 % como consideración general. La gran ventaja de la verificación de las mezclas de hormigón de obra es que permiten utilizar cualquier componente, independientemente de la calificación de los mismos, siempre que se formulen y equilibren las mezclas de componentes principales y estas mezclas de hormigón son no expansivas. En la Figura 59 aparece el esquema para la verificación de las mezclas hormigón.

Figura 58. Fuentes de posibles álcalis adicionales que se han de tener en cuenta en la evaluación de las mezclas de hormigón.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 87

Figura 59. Esquema del ensayo para la validación de mezclas de hormigón de obra.

6. ESTRATEGIA DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI La prevención de la reacción árido-álcali se puede enfocar desde una perspectiva prescriptiva o bien desde una perspectiva prestacional.

6.1. Estrategia prestacional La estrategia prestacional se base en el diseño de mezclas de hormigón no expansivas, cuya no reactividad sea verificable mediante un ensayo prestacional.

6.1.1. Componentes de la mezcla de hormigón En primer lugar, es necesario conocer adecuadamente los componentes del hormigón en todos los aspectos relacionados con la reactividad frente a los álcalis. Para cada uno de los componentes es necesario establecer cuáles son las características críticas que influyen en la aparición y desarrollo de la reacción árido-álcali. A continuación, se describe para cada componente los factores que se van a determinar, para poder diseñar una mezcla de hormigón no expansiva. • Áridos: se debe determinar el índice de reactividad de los cuarzos, según lo indicado en el Apartado 3.4.2.3. Si el índice es menor de 0,4 se deberán aumentar las precauciones en el diseño de la mezcla, bien utilizando una mezcla de áridos reactivos y no reactivos o bien utilizando un adecuado porcentaje de adición. También es fundamental analizar el comportamiento expansivo, siendo el más indicado el Ensayo acelerado de barras de mortero (UNE 146508 o ASTM C 1260) según lo indicado en el Apartado 3.4.7.1. En este ensayo, además de determinar la expansividad potencial total a veintiocho días, hay que identificar los posibles áridos de reacción lenta, ya que estos pueden gene-

rar problemas a largo plazo y quedarse por debajo del límite de reactividad en el ensayo acelerado de barras de mortero. En estos casos puede ser aconsejable alargar el ensayo de expansión hasta los noventa días, con el fin de observar la evolución del comportamiento expansivo del árido. Por otra parte, es necesario analizar los álcalis potencialmente lixiviables de los áridos, ya que estos pueden contribuir a incrementar la reacción con el paso del tiempo; estos se determinan de acuerdo a lo indicado en el Apartado 3.4.4. Así mismo, el conocer el contenido de álcalis eficaces es necesario para formular adecuadamente la mezcla de hormigón que se va a ensayar por medio del ensayo prestacional. Y, en su caso, para determinar el contenido de álcalis eficaces en el hormigón. La expansividad, el índice de reactividad de los cuarzos, la potencial lixiviación de álcalis, etc., pueden hacer conveniente la formulación de mezclas de áridos reactivos y no reactivos. En este caso, las mezclas se deben evaluar, previamente a su utilización en la mezcla de hormigón, mediante un ensayo acelerado, Apartado 3.4.8. • Cemento: el cemento es el principal aporte de álcalis al hormigón, por tanto, es fundamental conocer adecuadamente el contenido de álcalis, expresado como óxido de sodio equivalente (Na2Oe). Conocer el contenido de álcalis del cemento es necesario para formular adecuadamente las mezclas de hormigón que se va a evaluar. • Adiciones: las adiciones pueden utilizarse como componente del cemento, o bien como adiciones al hormigón. En cualquiera de los casos hay que evaluar su eficiencia en la disminución de la expansividad de un árido potencialmente reactivo. Pero hay que tener en consideración que no todas las adiciones tienen la misma efectividad; por tanto, es necesario evaluar el porcentaje adecuado de un determinado tipo de adición para conseguir mitigar la expansividad de un árido potencialmente reactivo. Para ello es nece-

90 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

sario determinar el porcentaje adecuado de adición utilizando la evaluación de mezclas de mortero, de acuerdo con lo indicado en el Apartado 3.2.1. Así mismo, será necesario evaluar el potencial aporte de álcalis a la mezcla de hormigón con el paso del tiempo, procedentes del remanente anhidro de las adiciones, según lo indicado en el Apartado 3.2.2. • Agua: habitualmente no hay un aporte significativo de álcalis a partir del agua de amasado, si bien en determinados casos el agua a utilizar en obra puede contener una cantidad significativa de álcalis en su composición. En ese caso, hay que tener en cuenta estos álcalis a la hora de formular la mezcla de hormigón que va a ser sometida a ensayo para la verificación de su no expansividad. • Otros componentes: Si se añaden otros componentes al hormigón se debe tener en cuenta el potencial aporte de álcalis de estos. En el caso de líquidos se tendrá en cuenta su composición en álcalis o se utilizaran en la mezcla de hormigón que se pretende evaluar. Y, en el caso de componentes sólidos, será necesario evaluar el potencial aporte de álcalis eficaces a la mezcla de hormigón. Algunos de estos componentes son: aditivos, fibras, nanopartículas, etc.

6.1.2. Evaluación prestacional del hormigón El objetivo de este ensayo es evaluar la mezcla de hormigón para utilizar en obra, teniendo en cuenta tanto los componentes y su composición, como el potencial aporte de álcalis a la mezcla a largo plazo. En este sentido se pueden definir dos tipos de álcalis: • Álcalis efectivos en el hormigón fresco: estos álcalis proceden de forma prácticamente exclusiva del cemento y, en menor medida, tendrán su origen en el agua de amasado, las adiciones, etc. En cualquier caso, estos álcalis se incorporan a la mezcla a partir de los componentes durante el proceso de mezcla y las siguientes etapas de la hidratación de la pasta, y quedan parte de ellos en la fase líquida de la red porosa del hormigón. • Álcalis suplementarios en el hormigón endurecido: estos álcalis proceden generalmente

de la lixiviación de los áridos o de las adiciones con el tiempo. La concentración de álcalis puede aumentar localmente y producir en consecuencia aumentos locales de reactividad que produzcan efectos expansivos concentrados, con lo que se induce la formación de fisuras. Los álcalis suplementarios, estimados a partir de los ensayos de lixiviación de los componentes, deben añadirse a la mezcla de hormigón con el fin de garantizar el comportamiento no expansivo del hormigón con el tiempo. Generalmente se añaden al agua de amasado, con lo que se incrementa la alcalinidad de esta en la proporción necesaria mediante la adición de hidróxido sódico. Por tanto, la mezcla de hormigón se diseñará utilizando: • Áridos: se utilizará el tipo y proporción se vayan a utilizar en el hormigón de obra. Hay que tener en cuenta que, para fracciones muy gruesas de áridos, estas deberán ser modificadas acumulándola en la fracción de mayor tamaño, según lo indicado en el Apartado 5.1.1. Se mantendrá siempre el tipo y la proporción de áridos gruesos y finos. • Cemento: se utilizará el tipo y dosificación prescrito para la mezcla de hormigón que se va a utilizar en obra. • Adiciones: se utilizará el tipo y dosificación prescrito para la mezcla de hormigón que se va a utilizar en obra. • Otros componentes: se añadirán a la mezcla que se pretende evaluar, salvo que alguna circunstancia haga que no sea conveniente. En ese caso habrá que tomar en consideración las precauciones oportunas en cuanto a los efectos que su adicción, en el hormigón real, pueda tener sobre la reacción áridoálcali. • Álcalis suplementarios: se añadirán los álcalis suplementarios necesarios para reproducir lo que podría ocurrir a largo plazo en el hormigón debido a la lixiviación de álcalis de algunos componentes con el paso del tiempo. En las Figuras 60 y 61 se recoge un esquema de la aplicación de la estrategia prestacional, para el diseño de mezclas de hormigón no expansivas.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 91

Figura 60. Selección de componentes para la evaluación de una mezcla de hormigón.

Figura 61. Metodología de aplicación de la estrategia prestacional, para el diseño de mezclas de hormigón no expansivas.

Ensayo de verificación de la no expansividad de la mezcla: Para verificar la mezcla de hormigón diseñada, que será utilizada en obra, y garantizar su no expansividad se utilizará el ensayo de expansión semi-acelerado a 60o C, de acuerdo con el procedimiento de ensayo de la norma UNE 83967, con un límite de expansividad de 0,02% después de veinte semanas de ensayo. Este ensayo se considera el más adecuado ya que la duración del mismo es razonable para una

verificación previa a la construcción, y ha demostrado estar del lado de la seguridad, especialmente en comparación con los ensayos de expansión a 38 oC durante un año. Por su parte, la temperatura de 60 oC hace que se acelere la reacción pero no modifica sustancialmente la reacción. En la Tabla 28 se resumen las principales características del ensayo para evaluar la reactividad de una mezcla de hormigón que se va a utilizar en obra.

92 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

- Árido de reactividad elevada (RE): cuando la expansividad a veintiocho días está comprendida entre el 0,25% y el 0,35%, con un índice de reactividad de los cuarzos comprendida entre 0,5 y 0,4. - Árido de reactividad muy elevada (RME): cuando la expansividad a veintiocho días es mayor del 0,35%, con un índice de reactividad de los cuarzos menor de 0,4.

6.2. Estrategia prescriptiva Como alternativa a la estrategia prestacional se puede aplicar una estrategia prescriptiva. Este tipo de estrategia suele ser la recomendada en determinados reglamentos para prevenir casos de reactividad, cuando no se realizan estudios específicos para prevención y se considera que puede no haber especialistas capaces de diseñar mezclas en las que se pueda garantizar su no expansividad. Esta estrategia analiza diferentes aspectos relativos a la reactividad de los áridos, el tipo de ambiente al que está expuesto el hormigón, la tipología de las estructuras y las consecuencias del daño en las estas. Por otra parte, se plantean diferentes medidas para la prevención de la reacción árido-álcali. A partir de las características del material y de las estructuras se plantea una o varias medidas directas e indirectas, para la prevención de la reacción árido-álcali. • Definición de reactividad de áridos: se puede definir la reactividad de los áridos en función de la expansividad a los veintiocho días de ensayo de prismas acelerado y del índice de reactividad de los cuarzos (Iqz). Se definen cuatro tipos de reactividad de los áridos: - Árido no reactivo (NR): cuando la expansión a veintiocho días es menor del 0,10%, con un índice de reactividad de los cuarzos superior al 0,6. - Árido de reactividad moderada (RM): cuando la expansividad a veintiocho días está comprendida entre el 0,18% y el 0,25%, con un índice de reactividad de los cuarzos comprendida entre 0,6 y 0,5.

En la Figura 62 se recoge un esquema de la clasificación de reactividad de los áridos, en función de la expansión a veintiocho días y del IQr. • Definición de las condiciones de exposición ambiental: El ambiente al que está expuesto el hormigón tiene una gran influencia sobre la aparición y el desarrollo de la reacción árido-álcali, especialmente en lo referente a la presencia de agua o humedad, que son necesarios para el desarrollo y evolución de la expansividad de los productos de reacción. Así mismo, los ambientes expuestos a la acción de los álcalis suponen, obviamente, un mayor riesgo de incrementar el desarrollo de la expansividad. Por otro lado, los ambientes secos y protegidos de la acción ambiental minimizan el riesgo de desarrollo de la reacción. Se pueden clasificar los ambientes teniendo en cuenta estos parámetros básicos y diferenciando los siguientes ambientes: - Hormigón en ambiente seco (A1): hormigón en el interior de edificios o estructuras, hormigón no expuesto a la lluvia y a la temperatura,

Tabla 28. Parámetros de ensayo para la verificación de la no expansividad de mezclas de hormigón. Parámetro

Condiciones de ensayo

Probetas

Prismas 25 cm x 25 cm x 75 cm (*)

Relación árido:cemento

Dosificación de obra

Relación agua/cemento

Dosificación de obra

Álcalis añadidos

Extraíbles (áridos, adiciones, agua de obra, etc.)

Temperatura

60 oC

Humedad

100%, evitando goteo sobre las probetas

Tiempo de ensayo

20 semanas

Límite de expansión

0,02%

(*)

Medidas aproximadas, véase norma 83967.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 93

- Hormigón en ambiente húmedo (A2): expuesto a la lluvia, expuesto a ciclos de humedad-secado, estos hormigones están expuestos al ambiente, enterrados en ambiente húmedo o en zona de secado y humedad o en carrera de marea. - Hormigón expuesto a álcalis (A3): en contacto con agua de mar, aguas subterráneas alcalinas, expuestas a sales de deshielo o anticongelantes, en contacto con productos industriales alcalinos, etc. En la Figura 63 se recoge la clasificación del hormigón en función del ambiente al que está expuesto durante su vida en servicio. • Consecuencias del daño en las estructuras: dependiendo del tipo de estructura los deterioros, debido a la expansión por reacción árido-álcali, pueden ser más o menos tolerables, teniendo en cuenta factores como el riesgo asociado al fallo de la estructura, la facilidad de reposición o reparación,

el volumen de hormigón potencialmente afectado, etc. Se definen cuatro grados de consecuencias del daño: - Leves (C1): estructuras o elementos en las que un cierto grado de daño es tolerable, porque son fácilmente sustituibles, se trata de estructuras temporales y su rotura no tiene consecuencias sobre la seguridad ni patrimoniales. - Moderadas (C2): estructuras o elementos en los que un cierto grado de alteración es aceptable, porque se inspeccionan con facilidad, son sustituibles y el riesgo se puede controlar mediante inspecciones rutinarias. - Severas (C3): estructuras o elementos cuyo deterioro implica un riesgo para la seguridad de las personas o tienen un importante valor patrimonial. Requieren una monitorización regular, para verificar que no hay evolución de la reacción y plantear una posible monitorización intensiva, intervención, etc.

Figura 62. Clasificación de reactividad de los áridos, en función de la expansión a veintiocho días y del IQr.

94 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

- Muy severas (C4): se trata de estructuras con un especial requerimiento con relación a la seguridad o patrimoniales por la posibilidad de daños a las personas. Se requiere una inspección rutinaria y una monitorización intensiva o una intervención en el caso de aparecer síntomas de alteración.

En la Figura 64 se recoge un esquema de los niveles de consecuencia de daño para las estructuras afectadas por reacciones expansivas. • Medidas para la prevención de la reacción: La prevención de la reacción árido-álcali puede realizarse formulando un

Figura 63. Clasificación de las condiciones de exposición ambiental.

Figura 64. Consecuencias del daño en estructuras de hormigón afectadas por reacción árido-álcali.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI 95

hormigón no expansivo, a partir del estudio de sus componentes, como se ha indicado en el Apartado 6.1. No obstante, en una perspectiva prescriptiva se pueden fijar diferentes acciones que minimicen la expansividad de la mezcla, si bien habría que corroborar la eficiencia de estas medidas con algún ensayo experimental, como el Ensayo acelerado barras de mortero (UNE 146508). Algunas de las medidas preventivas son las que se indican a continuación: - Uso de áridos no reactivos (M1): aquellos en los que la expansión, por el método acelerado de barras de mortero, es inferior a 0,10% a los veintiocho días de ensayo. - Uso de adiciones activas (M2): estas son más o menos efectivas en la mitigación de la expansión en función del tipo de adición, por lo que es necesario distinto grado de sustitución según el tipo de adición utilizada. Una estimación el porcentaje de sustitución, para diferentes tipos de adición, se indica en la estrategia de prevención de AASTHO (Opción del Apartado 2.2.2.4.4) - Limitar el contenido de álcalis del hormigón (M3): dependiendo de la severidad del daño se puede limitar el contenido total de álcalis un contenido entre el 1,8kg/m3 al 3,0kg/m3, en función del nivel de prevención requerido. Esta medida

no se puede aplicar si los áridos contienen álcalis en su composición; porque el contenido total es muy elevado en todos los casos. - Uso de cementos de bajo contenido en álcalis (M4): en general, la limitación del contenido de álcalis en el cemento es una medida eficaz para limitar la expansión del hormigón cuando se utilizan áridos reactivos. No obstante, la aplicación de cada una de estas medidas, por separado, puede no ser suficiente para minimizar la expansión del hormigón. El esquema de las medidas para evitar la expansividad se recoge en la Figura 65. • Estrategia para la prevención de la reacción árido-álcali en función del tipo de estructura y de ambiente: La estrategia de prevención se puede establecer en función del tipo de estructura, según las consecuencias que puede tener su afección por reacciones expansivas y de las condiciones ambientales a las que está expuesto relativas a la presencia de humedad o de agua, álcalis, temperatura, etc. En la Figura 66 se recoge un esquema de la estrategia de prevención de la reacción árido-álcali en el hormigón para diferentes combinaciones de tipologías de estructuras y de ambiente al que están expuestos.

Figura 65. Clasificación de las medidas para la prevención de la reacción árido-álcali.

96 ESPERANZA MENÉNDEZ MÉNDEZ

De forma habitual las medidas preventivas indicadas anteriormente son suficiente para prevenir la reacción. No obstante, en el caso de áridos con mucha capacidad de reacción se debe incrementar el nivel de prevención. En el caso de áridos de reactividad elevada (RE) o muy elevada (RME) se debe incrementar en un nivel de prevención, para cada uno de los escenarios posibles. En la Tabla 28 se recogen las medidas preventivas que se van aplicar en caso de tener que utilizarse áridos muy reactivos, áridos RE y áridos RME.

6.3. Conclusiones sobre la estrategia de prevención Existen básicamente dos opciones estratégicas para prevenir la aparición y desarrollo de la reacción árido-álcali, el enfoque prescriptivo y el enfoque prestacional. El enfoque prescriptivo tiene en cuenta diversos factores de los materiales y ambientales para tratar de garantizar la no expansividad de los hormigones. Sin embargo, los hormigones de obra tienen,

Figura 66. Clasificación de las medidas para la prevención de la reacción árido-álcali.

Tabla 29. Incremento de las medidas preventivas para los áridos tipo de reactividad elevada (RE) y áridos de reactividad muy elevada (RME) Situación de la estructura Tipología de estructura Estructura C1

Estructura C2

Estructura C3

Estructura C4

Exposición ambiente

Medidas de prevención con áridos (RE) y (RME) Incremento del grado de prevención

Ambiente A1

1 medida “M”

Ambiente A2

1 medida “M” + seguimiento

Ambiente A3

1 medida “M” + seguimiento

Ambiente A1

1 medida “M” + seguimiento

Ambiente A2

2 medidas “M”

Ambiente A3

2 medidas “M”

Ambiente A1

2 medidas “M” + monitorización regular

Ambiente A2

2 medidas “M” + monitorización intensiva

Ambiente A3

3 medidas “M” + monitorización regular

Ambiente A1

2 medidas “M” + monitorización intensiva

Ambiente A2

3 medidas “M” + monitorización intensiva

Ambiente A3

3 medidas “M” + monitorización intensiva

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en general, características que no se corresponden con las formulaciones de ensayo, y dan lugar a una sobrestimación o subestimación del riesgo, ya que no es posible prever todos los escenarios posibles. Sin embargo, el enfoque prestacional permite verificar el hormigón de obra con el fin de garantizar su no expansividad en el futuro, en función del conocimiento y ensayo de diferentes aspectos de los componentes del hormigón. A partir de estos ensayos se pueden formular mezclas de hormigón

adecuadas para cada obra en las que pueden existir limitaciones en cuanto al tipo de árido, cemento o adiciones disponibles. Si bien la perspectiva prestacional requiere más conocimientos técnicos para su aplicación, es mucho más versátil para prevenir la reactividad árido-álcali, por lo que es más recomendable la verificación de la no expansividad de las mezclas reales de hormigón para fabricar hormigones no expansivos.

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MONOGRAFÍAS DEL IETcc

MONOGRAFÍAS DEL IETcc N.º 430

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El hormigón es uno de los materiales más utilizados en la construcción a escala mundial, especialmente en la obra civil. No obstante, su propia composición y su exposición al medioambiente pueden afectar a su durabilidad e incluso a la seguridad de las estructuras. Una de las alteraciones que se pueden producir es el desarrollo de reacciones expansivas en la masa del hormigón, que genera fisuración ramificada y pueden comprometer severamente las propiedades físicas y mecánicas con el tiempo. Una de las reacciones expansivas más habituales es la reacción árido-álcali. Esta se produce debido a la interacción de los álcalis, presentes en el hormigón, con áridos potencialmente reactivos en presencia de agua, para formar productos expansivos que inducen la formación de productos expansivos y microfisuración. Algunas estructuras se consideran especialmente sensibles frente a la reacción árido-álcali debido a las condiciones de exposición ambiental o a sus requerimientos de seguridad: presas, instalaciones nucleares, puentes, pavimentos y, en general, cuando el hormigón dañado no se puede sustituir con facilidad. Todo esto justifica la necesidad de un diseño de mezclas de hormigón no expansivas, mediante una estrategia de prevención adecuada. La presente monografía recoge una estrategia integral para el diseño de mezclas de hormigón no expansivas. Esta se basa en el estado actual del conocimiento a escala internacional y en la experimentación realizada por el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) durante más de veinticinco años de trabajo en esta área. La monografía contiene una amplia documentación sobre la normativa y las estrategias internacionales de prevención, el análisis de la influencia de los componentes del hormigón, la metodología de ensayo para validar mezclas de hormigón y la descripción de la estrategia prescriptiva y prestacional para prevenir la reacción árido-álcali, hasta la propuesta final de la autora sobre la estrategia más adecuada para la prevención.

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI

Esperanza Menéndez Méndez

ESTRATEGIA INTEGRAL DE PREVENCIÓN DE LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI

417. Irene García-Díaz y Francisca Puertas Maroto, Empleo de residuos cerámicos como materia prima alternativa en la fabricación de cemento Pórtland, 2011.

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Esperanza Menéndez Méndez Doctora ingeniero industrial (UPM), premio extraordinario de tesis y máster en Medioambiente por la UPM, es responsable de la Unidad de Ensayos Químicos y FísicoQuímicos del IETcc-CSIC desde 1996. Es especialista en caracterización, diseño durable y extensión de vida útil de materiales de construcción, y ha participado en treinta y cinco proyectos de investigación, nueve internacionales y once como investigadora principal. Es autora de un libro y editora de otros nueve, y ha contribuido en más de cien publicaciones, cien capítulos de libro y en más de ciento cincuenta congresos con dieciocho conferencias o participaciones invitadas, así como dos premios a las mejores comunicaciones. También ha participado en más de trescientos contratos de investigación, más de doscientos cincuenta como responsable. Ha dirigido dos tesis doctorales y ha sido directora y coordinadora de ocho cursos internacionales. En 2013 fue la directora de los Cursos Avanzados Eduardo Torroja del CSIC. De 2010 a 2011 fue profesora del Máster SEDUREC de la UIMP y desde 2015 del Máster de Explotación y Seguridad de Presas (SPANCOLD-UPM), y ha impartido más de cincuenta cursos de grado y postgrado. Es experta en varios organismos internacionales y miembro de diversos comités de normalización nacionales e internacionales. También ha sido miembro honorario de Lat RILEM en 2014 y premio Fellow de RILEM en 2017.

CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

Imagen de cubierta: productos expansivos formados debido a la reacción sílice-álcali; cristales tipo roseta (toma de microscopio, IETcc-CSIC).