martes, 30 de julio de 2019

REACCIONES QUÍMICAS


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Superficie de un pilar de hormigón con patrón de grietas de reacción álcali-sílice
La reacción álcali-agregado es un término que se refiere principalmente a una reacción que ocurre con el tiempo en el concretoentre la pasta de cemento altamente alcalina y el dióxido de silicio no cristalino , que se encuentra en muchos agregados comunes . Esta reacción puede causar la expansión del agregado alterado, lo que conduce al desprendimiento y la pérdida de resistencia del hormigón.

Terminología más precisa [ editar ]

La reacción álcali-agregado es una expresión general, pero relativamente vaga, que puede generar confusión. Las definiciones más precisas incluyen lo siguiente:
  1. Reacción álcali-sílice (ASR, la reacción más común de este tipo);
  2. Reacción álcali-silicato , y;
  3. Reacción álcali-carbonato .
La reacción álcali-sílice es la forma más común de reacción álcali-agregado. 
Otros dos tipos son:
  • la reacción álcali-silicato, en la cual los minerales de silicato de capa ( minerales de arcilla ), a veces presentes como impurezas, son atacados, y;
  • la reacción álcali-carbonato, que es un ataque poco común en ciertas calizas dolomíticas arcillosas , que probablemente impliquen la expansión del mineral Brucita (Mg (OH) 2 .
La reacción puzolánica que ocurre en el establecimiento de la mezcla de cal apagada y materiales puzolánicostambién tiene características similares a la reacción álcali-sílice, principalmente la formación de hidrato de silicatode calcio (CSH).










La reacción álcali-carbonato es un proceso sospechoso de la degradación del concreto que contiene agregado de dolomita .
El álcali del cemento puede reaccionar con los cristales de dolomita presentes en el agregado que inducen la producción de brucita , (MgOH) 2 y calcita (CaCO 3 ). Este mecanismo fue propuesto tentativamente por Swenson y Gillott (1950) [1] y puede escribirse de la siguiente manera:
La brucita (Mg (OH) 2 ), podría ser responsable de la expansión volumétrica después de la des-dolomotización del agregado, debido a la absorción de agua.









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Patrón característico de grietas asociado con la reacción álcali-sílice que afecta una barrera de concreto en una autopista de los Estados Unidos [1] [2]
Para los tipos menos comunes de degradación del hormigón impulsado por álcalis, consulte Reacción de agregado alcalino .
La reacción álcali-sílice ( ASR ), más comúnmente conocida como "cáncer de concreto", es una reacción de hinchamiento que ocurre con el tiempo en el concreto entre la pasta de cemento altamente alcalina y la sílice no cristalina ( amorfa ) reactiva que se encuentra en muchos agregados comunes , dado suficiente humedad.
Esta reacción provoca la expansión del agregado alterado por la formación de un gel soluble y viscoso de silicato de sodio (Na 2SiO 3  •  n H 2 O , también se observó Na 2 H 2 SiO 4  •  n H 2 O, o NSH (sodio hidrato de silicato), según la convención adoptada). Este gel higroscópico se hincha y aumenta de volumen al absorber agua: ejerce una presión expansiva dentro del agregado silíceo , causando desprendimientoy pérdida de resistencia del hormigón, que finalmente conduce a su falla.
La ASR puede provocar grietas graves en el concreto, lo que resulta en problemas estructurales críticos que incluso pueden forzar la demolición de una estructura en particular. [3] [4] La expansión del concreto a través de la reacción entre cemento y agregados fue estudiada por primera vez por Thomas E. Stanton en California durante la década de 1930 con su publicación fundacional en 1940.

Química [ editar ]

Patrón típico de grietas de la reacción álcali-sílice (ASR). Las exudaciones de gel a través de las grietas de concreto tienen un color amarillo característico y un pH alto.
La reacción se puede comparar con la reacción puzolánica que se catalizaría por la presencia indeseable de concentraciones demasiado altas de hidróxidos alcalinos (NaOH y KOH) en el hormigón. Es una reacción mineral ácido-base entre NaOH o KOH , hidróxido de calcio , también conocido como Portlandita , o (Ca (OH) 2 ), y ácido silícico (H 4SiO 4 o Si (OH) 4 ). Cuando se completa y se simplifica, esta reacción se puede representar esquemáticamente de la siguiente manera:
Ca (OH) 2 + H 4 SiO 4 → Ca 2+ + H 2 SiO 4 2− + 2 H 2 O → CaH 2 SiO 4  • 2 H 2 O

Catálisis de ASR por NaOH o KOH [ editar ]

Sin embargo, la reacción ASR difiere significativamente de la reacción puzolánica por el hecho de que está catalizada por hidróxidos alcalinos solubles ( NaOH / KOH ) a un pH muy alto. Se puede representar de la siguiente manera utilizando la notación geoquímica clásica para sílice disuelta totalmente hidratada (Si (OH) 4 o ácido silícico : H 4 SiO 4 ), pero también existe una notación industrial más antigua (H 2 SiO 3 , sílice hemihidratada (no existen), por analogía con el ácido carbónico ): 
2 Na (OH) + H 4 SiO 4 → Na 2 H 2 SiO 4  • 2 H 2 O
Na 2 H 2 SiO 4  • 2 H 2 O + Ca (OH) 2 → CaH 2 SiO 4  • 2 H 2 O + 2 NaOH
La suma, o la combinación, de las dos reacciones mencionadas anteriormente da una reacción general que se asemeja a la reacción puzolánica, pero es importante tener en cuenta que esta reacción es catalizada por la presencia indeseable en el cemento u otros componentes concretos de alcalino soluble. hidroxidos (NaOH / KOH) responsables de la disolución del ácido silícico a pH alto:
Ca (OH) 2 + H 4 SiO 4 → CaH 2 SiO 4  • 2 H 2 O
Sin la presencia de NaOH o KOH responsables de un pH alto (~ 13.5), la sílice amorfa no se disolvería y la reacción no evolucionaría. Además, el silicato de sodio o potasio soluble es muy higroscópico y se hincha cuando absorbe agua. Cuando el gel de silicato de sodio se forma y se hincha dentro de un agregado silíceo poroso, primero se expande y ocupa la porosidad libre. Cuando este último está completamente lleno, si el gel soluble pero muy viscoso no se puede expulsar fácilmente de la red de sílice, la presión hidráulica aumenta dentro del agregado atacado y conduce a su fractura. Es la expansión hidromecánica del agregado silíceo dañado rodeado de pasta de cemento endurecido rico en calcio, lo que es responsable del desarrollo de una red de grietas en el concreto. Cuando el silicato de sodio expulsado del agregado encuentra granos de portlandita presentes en la pasta de cemento endurecido, se produce un intercambio entre los cationes de sodio y calcio y el silicato de calcio hidratado (CSH) precipita con una liberación concomitante de NaOH. A su vez, el NaOH regenerado puede reaccionar con el agregado de sílice amorfo que conduce a una mayor producción de silicato de sodio soluble. Cuando un borde continuo de CSH envuelve completamente la superficie externa del agregado silíceo atacado, se comporta como un El NaOH regenerado puede reaccionar con el agregado de sílice amorfo, lo que conduce a una mayor producción de silicato de sodio soluble. Cuando un borde continuo de CSH envuelve completamente la superficie externa del agregado silíceo atacado, se comporta como un El NaOH regenerado puede reaccionar con el agregado de sílice amorfo, lo que conduce a una mayor producción de silicato de sodio soluble. Cuando un borde continuo de CSH envuelve completamente la superficie externa del agregado silíceo atacado, se comporta como unbarrera semipermeable y dificulta la expulsión del silicato de sodio viscoso al tiempo que permite que el NaOH / KOH se difunda de la pasta de cemento endurecido dentro del agregado. Esta barrera selectiva de CSH contribuye a aumentar la presión hidráulica dentro del agregado y agrava el proceso de craqueo. Es la expansión de los agregados lo que daña el concreto en la reacción álcali-sílice.
Portlandita (Ca (OH) 2 ) representa la reserva de aniones OH - en la fase sólida. Mientras la portlandita, o los agregados silíceos, no se hayan agotado por completo, la reacción ASR continuará. Los hidróxidos alcalinos se regeneran continuamente mediante la reacción del silicato de sodio con portlandita y, por lo tanto, representan la correa de transmisión de la reacción ASR que lo conduce a su integridad. Por lo tanto, es imposible interrumpir la reacción ASR. La única forma de evitar ASR en presencia de agregados silíceos y agua es mantener la concentración de álcali soluble (NaOH y KOH) en el nivel más bajo posible en el concreto, de modo que el mecanismo de catálisis se vuelva insignificante.

Analogía con la carbonatación de cal sodada [ editar ]

El mecanismo de reacción álcali-sílice catalizado por una base fuerte soluble como NaOH o KOH en presencia de Ca (OH) 2 (tampón de alcalinidad presente en la fase sólida) se puede comparar con el proceso de carbonatación de la cal sodada . El ácido silícico ( H 2 SiO 3 o SiO 2 ) simplemente se reemplaza en la reacción por el ácido carbónico ( H 2 CO 3 o CO 2 ).
(1) CO 2 + 2 NaOH  →   Na 2 CO 3 + H 2 O (Atrapamiento de CO 2 por NaOH soluble)
(2) Na 2 CO 3 + Ca (OH) 2 → CaCO 3 + 2 NaOH   (regeneración de NaOH)
suma (1 + 2) CO 2 + Ca (OH) 2 → CaCO 3 + H 2 O   (reacción global)
En presencia de agua o simplemente de humedad ambiental , las bases fuertes, NaOH o KOH, se disuelvenfácilmente en su agua de hidratación ( sustancias higroscópicas , fenómeno de delicuescencia ) y esto facilita enormemente el proceso de catálisis porque la reacción en solución acuosa ocurre mucho más rápido que en el agua. fase sólida seca El NaOH húmedo impregna la superficie y la porosidad de los granos de hidróxido de calcio con un área superficial específica alta. La cal sodada se usa comúnmente en los rebreathers de buceo decircuito cerrado y en los sistemas de anestesia .

Mecanismo de deterioro del hormigón [ editar ]

El mecanismo de ASR que causa el deterioro del hormigón se puede describir en cuatro pasos de la siguiente manera:
  1. La solución muy básica (NaOH / KOH) ataca los agregados silíceos (disolución de ácido silícico a pH alto), convirtiendo la sílice mal cristalizada o amorfa en un gel de silicato alcalino soluble pero muy viscoso (NSH, KSH).
  2. El consumo de NaOH / KOH por la reacción de disolución de sílice amorfa disminuye el pH del agua de poro de la pasta de cemento endurecida. Esto permite la disolución de Ca (OH) 2 (portandita) y aumenta la concentración de iones Ca 2+ en el agua de los poros del cemento. Los iones de calcio reaccionan con el gel de silicato de sodio soluble para convertirlo en hidratos de silicato de calcio (CSH) sólidos. El CSH forma un recubrimiento continuo poco permeable en la superficie externa del agregado.
  3. La solución alcalina penetrada (NaOH / KOH) convierte los minerales silíceos restantes en gel de silicato alcalino soluble voluminoso. La presión expansiva resultante aumenta en el núcleo del agregado.
  4. La presión acumulada agrieta el agregado y la pasta de cemento circundante cuando la presión excede la tolerancia del agregado. [6]

Efectos estructurales de ASR [ editar ]

El agrietamiento causado por ASR puede tener varios impactos negativos en el concreto, incluyendo: [7]
  1. Expansión: La naturaleza hinchada del gel ASR aumenta la posibilidad de expansión en elementos de hormigón.
  2. Resistencia a la compresión: el efecto de ASR en la resistencia a la compresión puede ser menor para niveles de expansión bajos, a grados relativamente más altos en una expansión más grande. (Swamy RN 1986) señala que la resistencia a la compresión no es un parámetro muy preciso para estudiar la gravedad de la ASR; sin embargo, la prueba se realiza debido a su simplicidad.
  3. Resistencia a la tracción / capacidad de flexión: las investigaciones muestran que el agrietamiento ASR puede reducir significativamente la resistencia a la tracción del hormigón; reduciendo así la capacidad de flexión de las vigas. Algunas investigaciones sobre estructuras de puentes indican aproximadamente un 85% de pérdida de capacidad como resultado de ASR.
  4. Módulo de elasticidad / UPV: El efecto de ASR sobre las propiedades elásticas del hormigón y la velocidad del pulso de ultrasonido (UPV) es muy similar a la capacidad de tracción. Se muestra que el módulo de elasticidad es más sensible al ASR que la velocidad del pulso.
  5. Fatiga: ASR reduce la capacidad de carga y la vida útil del concreto (Ahmed T 2000).
  6. Corte: ASR mejora la capacidad de corte del concreto reforzado con y sin refuerzo de corte (Ahmed T 2000).

Mitigación [ editar ]

La ASR puede mitigarse en concreto nuevo mediante varios enfoques complementarios:
  1. Limite el contenido de metales alcalinos del cemento . Muchas normas imponen límites en el contenido de "Na 2 O" equivalente del cemento.
  2. Limite el contenido reactivo de sílice del agregado . Ciertas rocas volcánicas son particularmente susceptibles a ASR porque contienen vidrio volcánico ( obsidiana ) y no deben usarse como agregado. El uso de agregados de carbonato de calcio a veces se considera como una solución definitiva para evitar cualquier problema. Sin embargo, si bien puede considerarse como una condición necesaria, no es suficiente. En principio, no se espera que la piedra caliza (CaCO 3 ) contenga un alto nivel de sílice, pero en realidad depende de su pureza. De hecho, algunas calizas silíceas (ao, Kieselkalk encontrado en Suiza) [8]puede cementarse con sílice amorfa o poco cristalina y puede ser muy sensible a la reacción ASR, como también se observa con algunas calizas silíceas de Tournais en las canteras del área de Tournai en Bélgica . [9] En Canadá, la piedra caliza silícea de Spratt también es particularmente conocida en estudios que tratan con ASR y se usa comúnmente como el agregado de referencia de ASR canadiense. Por lo tanto, el uso de piedra caliza como agregado no es una garantía contra la ASR en sí misma.
  3. Agregue materiales silíceos muy finos para neutralizar la alcalinidad excesiva del cemento con ácido silícico provocando deliberadamente una reacción puzolánica controlada en la etapa inicial del fraguado del cemento. Los materiales puzolánicos convenientes para agregar a la mezcla pueden ser, por ejemplo , puzolana , humo de sílice , cenizas volantes o metacaolín . [10] Estos reaccionan preferentemente con los álcalis del cemento sin formación de una presión expansiva, porque los minerales silíceos en partículas finas se convierten en silicato alcalino y luego en silicato de calcio sin formación de bordes de reacción semipermeables.
  4. Otro método para reducir la ASR es limitar los álcalis externos que entran en contacto con el sistema.
En otras palabras, ya que a veces es posible para combatir el fuego con fuego , también es viable para combatir la reacción ASR por sí mismo. Una reacción rápida iniciada en la etapa inicial de endurecimiento del concreto sobre partículas de sílice muy finas ayudará a suprimir una reacción lenta y tardía con agregados silíceos más grandes a largo plazo. Siguiendo el mismo principio, la fabricación de cemento de pH bajo también implica la adición de materiales puzolánicos finamente divididos ricos en ácido silícico a la mezcla de concreto para disminuir su alcalinidad. Además de reducir inicialmente el valor de pH del agua de poro del hormigón, el principal mecanismo de trabajo de la adición de humo de sílice es consumir portlandita (el depósito de hidroxido (OH -) en la fase sólida) y para disminuir la porosidad de la pasta de cemento endurecido por la formación de hidratos de silicato de calcio (CSH). Sin embargo, el humo de sílice tiene que dispersarse muy finamente en la mezcla de concreto, porque los copos aglomerados de humo de sílice compactado también pueden inducir ASR si el proceso de dispersión es insuficiente. Este puede ser el caso en estudios de laboratorio realizados en pastas de cemento solo en ausencia de agregados. Sin embargo, con mayor frecuencia, en grandes lotes de concreto, el humo de sílice se dispersa suficientemente durante las operaciones de mezclado de concreto fresco por la presencia de agregados gruesos y finos.
Como parte de un estudio realizado por la Administración Federal de Carreteras , se han aplicado una variedad de métodos a las estructuras de campo que sufren grietas y expansión afectadas por ASR. Algunos métodos, como la aplicación de silanos , han demostrado ser muy prometedores, especialmente cuando se aplican a elementos como columnas pequeñas y barreras viales, mientras que otros métodos, como la aplicación tópica de compuestos de litio , han demostrado ser poco o nada prometedores para reducir la ASR -inducción inducida y grietas. [11]

Tratamiento [ editar ]

No hay tratamientos en general en las estructuras afectadas. La reparación en secciones dañadas es posible, pero la reacción continuará. En algunos casos, el secado de la estructura seguido de la instalación de una membrana impermeable puede detener la evolución de la reacción.
Las estructuras masivas, como las presas, plantean problemas particulares: no se pueden reemplazar fácilmente y la hinchazón puede bloquear las compuertas del vertedero o las operaciones de la turbina . Cortar ranuras en la estructura puede aliviar algo de presión y ayudar a restaurar la geometría y la función.

Prueba de ASR [ editar ]

Algunas pruebas de ASTM que evalúan el potencial de ASR incluyen:
  • ASTM C227: "Método de prueba para la potencial reactividad alcalina de combinaciones de cemento y agregados (Método de barra de mortero)"
  • ASTM C289: "Método de prueba estándar para la reactividad potencial de álcali-sílice de los áridos (Método químico)"
  • ASTM C295: "Guía para el examen petrográfico de áridos para hormigón"
  • ASTM C1260: "Método de prueba para la reactividad potencial de los agregados (prueba de barra de mortero)". Es una prueba rápida de agregados: la inmersión de barras de mortero en NaOH 1 M a 80 ° C durante 14 días se utiliza para identificar rápidamente agregados altamente reactivos o agregados cuasi-no reactivos.
  • ASTM C1293: "Método de prueba para agregados de concreto por determinación del cambio de longitud del concreto debido a la reacción álcali-sílice". Es una prueba de confirmación a largo plazo (1 o 2 años) a 38 ° C en una atmósfera húmeda saturada de agua (dentro de un horno termostatizado) con prismas de concreto que contienen los agregados que se caracterizarán mezclados con un cemento altamente alcalino especialmente seleccionado para inducir ASR. Los prismas de hormigón no se sumergen directamente en una solución alcalina, sino que se envuelven con tejidos húmedos y se empaquetan firmemente dentro de láminas de plástico impermeables.
  • ASTM C1567: "Método de prueba estándar para determinar la potencial reactividad de álcali-sílice de combinaciones de materiales cementosos y agregados (método acelerado de barra de mortero)"
  • El método Oberholster en el que se basa la prueba ASTM C1260.
  • El método Dungan con ciclos térmicos adicionales superpuestos.
  • La prueba de microbarras de concreto fue propuesta por Grattan-Bellew et al. (2003) como una prueba acelerada universal para la reacción álcali-agregado. [12]

Estructuras afectadas conocidas [ editar ]

Superficie de un pilar de hormigón del edificio de la Galería Nacional de Canadá en Ottawa que presenta el patrón típico de grietas de la reacción álcali-sílice (ASR).

Australia [ editar ]

Bélgica [ editar ]

  • Muchos puentes y obras de ingeniería civil de autopistas debido al uso indebido de piedra caliza silicea de Tournaisia ​​altamente reactiva durante los años 1960 - 1970, cuando la mayoría de las autopistas se construyeron en Bélgica. Los daños por ASR comenzaron a reconocerse solo en la década de 1980. [18]
  • Residuos radiactivos mal acondicionados de la central nuclear de Doel : concentrados de evaporador y resinas de intercambio iónico gastadas (SIER) que producen grandes cantidades de gel de silicato de sodio. [19] [20] [21] [22] [23] [24]

Canadá [ editar ]

  • Muchas represas hidráulicas se ven afectadas por ASR en Canadá debido al amplio uso de agregados reactivos. [25] De hecho, el chert reactivo sensible a las heladas se encuentra muy a menudo en entornos glacio-fluviales de los que comúnmente se extraen gravas en Canadá. Otra razón es también la presencia de sílice reactiva en las calizas paleozoicas como la caliza silícea de Spratt.
  • Muchos puentes y obras de ingeniería civil de autopistas.
  • Edificio de la Galería Nacional de Canadá en Ottawa .

Francia [ editar ]

  • Antiguo puente Térénez en Bretaña, construido en 1951 y reemplazado en 2011.

Alemania [ editar ]

  • Deutsche Reichsbahn de Alemania Oriental utilizó numerosos lazos de hormigón en la década de 1970 para reemplazar los lazos de madera anteriores. Sin embargo, la grava del mar Báltico causó ASR y los lazos tuvieron que ser reemplazados antes de lo planeado, durando hasta la década de 1990. [ cita requerida ]
  • Después de la reunificación, muchas Autobahns en Alemania Oriental fueron restauradas con concreto que resultó ser defectuoso y afectado por ASR, lo que requirió un costoso trabajo de reemplazo. [ cita requerida ]

Nueva Zelanda [ editar ]

Reino Unido [ editar ]

Estados Unidos [ editar ]

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