Mecanismos de expansión

La reacción álcali-sílice es aceptada a nivel internacional, pero existen diferentes hipótesis para explicar el o los procesos de expansión. La primera fue elaborada por Hansen (1944) quién propuso la teoría de la presión osmótica como mecanismo de expansión, según la cual la pasta de cemento que envuelve a un agregado reactivo constituiría una especie de membrana semipermeable continua por la que los iones de los complejos sílico-alcalinos no pueden difundirse desde los sitios reactivos hacia el interior, pero el agua sí puede pasar de la solución de poro a través de la misma. Por lo tanto, el agua impulsada dentro del agregado reactivo, donde la reacción química

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potencial es menor, forma una celda de presión osmótica y el aumento del gel sílico- alcalino. Esto produce un incremento de la presión hidrostática que se ejerce sobre la pasta de cemento que circunda al agregado, y de este modo induce a la fisuración de la misma (Figura 4.9). Este concepto es la base del ensayo de las celdas osmóticas (Batic et al. 1987; Batic y Sota 2001; Pan et al. 2012).

Figura 4.9: Esquema del aumento de volumen por RAS según la teoría de la membrana osmótica

(Veronelli1978, modificado por Batic y Sota 2001).

McGowan y Vivian (1952) propusieron una teoría mecánica para explicar la expansión de los productos de la RAS. En esta teoría, una capa sólida de álcali-silicato formada sobre la superficie de un agregado potencialmente reactivo, absorbe humedad de la solución de poro y se transforma en gel, que aumenta su volumen e induce a la fisuración de la pasta de cemento. La expansión es acompañada por la formación y ampliación de las fisuras debido a la acción de la presión hidráulica.

Powers y Steinour (1955a y b), establecen que tanto la teoría de la presión osmótica (membrana semipermeable) como la de presión de imbibición pueden ser generadas dependiendo de que el complejo álcali-silicato sea fluido o sólido. Independiente del mecanismo, la causa del hinchamiento sería termodinámicamente la misma. Glasser (1979) sugiere que el producto de reacción (RAS) se comporta como una membrana semipermeable como resultado de su insolubilidad.

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Según Pan et al. (2012) la teoría de la presión osmótica y la teoría de la expansión mecánica son fundamentalmente lo mismo. El gel sílico-alcalino puede existir en la forma de sólido o de fluido coloidal, dependiendo de la cantidad de agua embebida. La expansión del hormigón es generada primariamente a través de la celda de presión osmótica por el gel fluido, o a través del hinchamiento del gel sólido.

Dron y Brivot (1992, 1993) proponen que el producto de la RAS hidratado es transportado desde el agregado hacia el mortero a través de micro-poros interconectados mediante canales, que luego reaccionaría con el ion Ca+2, produciendo la expansión del gel y con ello la fisuración de hormigón. Bazănt y Steffens (2000)

proponen que la expansión en el hormigón debido a la RAS, es causada por la presión (de hinchamiento) acumulada en la zona de interfase del agregado y la pasta de cemento. La imbibición de agua genera una presión en el gel, el cual es inicialmente liberado por empuje, y penetra en los microporos de la pasta de cemento cercana a la superficie del agregado. Una vez que estos están completamente llenos, la formación de más gel induce al incremento de la presión, fisurando de este modo a la pasta de cemento.

De acuerdo a los citados mecanismos de expansión, las fracturas toman lugar solo en la pasta de cemento y en los agregados sujetos a una compresión. Sin embargo, Ponce y Batic (2006) demostraron mediante técnicas petrográficas, que el origen de las fracturas de los hormigones afectados por la RAS depende de la naturaleza y mineralogía de los agregados. Estos autores concluyeron que constituyentes de los agregados tales como ópalo y rocas volcánicas vítreas producen geles de RAS que generan expansión en la zona de interfase pasta-agregado, causando la fisuración de la pasta del mortero, mientras que agregados con mineralogía mixta, por ejemplo graníticos, con reacción interna, generan fisuras tanto en el agregado como en la pasta de cemento.

Basados en patrones reales de fisuración en hormigones por causa de la RAS, Idorn (2001) manifestó que la presión expansiva debido a la formación de gel hidratado se desarrolla directamente dentro del agregado reactivo causando un esfuerzo de tracción. El incremento de la tensión expansiva es liberado por la fisuración tanto del agregado como de la pasta de cemento que rodea al mismo.

Ichikawa y Miura (2007), plantean que el agregado potencialmente reactivo se encuentra herméticamente sellado por una corona de reacción rígida e insoluble, la cual

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no permite la difusión del gel sílico-alcalino viscoso, pero sí la penetración de la solución alcalina. Estos autores basaron su trabajo en el análisis de los patrones de fisuras y de dureza de agregados afectados por la RAS en el hormigón. En base a esto proponen que el anillo de reacción generado juega un rol significativo en el deterioro del hormigón. Este anillo sería generado por la siguiente reacción:

-Si-O-R + R-O-Si- + Ca+2+2OH-→ -Si-O-Ca-O-Si- + 2ROH

El modelo propuesto se basa en tres supuestos:

1) El anillo de reacción sería generado por la reacción delCa2+con el silicato alcalino hidratado fluido que cubre la región superficial del agregado, de manera que el anillo presentaría huecos que permitirían la fuga de gel que se genera después de la formación del borde de reacción.

2) El anillo de reacción actuaría como una membrana dura semipermeable para permitir la penetración de la solución alcalina en el agregado.

3) Este reborde de reacción sería lo suficientemente duro para acumular la presión expansiva necesaria para fisurar al agregado.

De esto concluyen que el deterioro del hormigón procede de acuerdo a las siguientes etapas (Figura 4.10):

1) Los iones OH- y R+ en la solución de poro despolimerizan a los agregados ricos en sílice metaestable para formar el silicato alcalino hidratado (fluido).La región superficial del agregado es cubierta homogéneamente con el silicato alcalino. El consumo de iones OH- ayuda a la disolución de los iones Ca2+ en la solución.

2) Los iones Ca2+ penetran fácilmente en el silicato alcalino de menor viscosidad para volver a polimerizarlo. El agregado queda herméticamente cerrado por un borde de reacción rígido que no permite la penetración de silicatos alcalinos pero sí de los iones R+, Ca2+ y OH-. El Ca2+ penetra mucho más lentamente que los R+.

3) Los iones OH- y R + penetran a través del anillo de reacción para convertir el silicato recién formado en un silicato alcalino de mayor volumen. La presión expansiva resultante se almacena en el agregado. La presión acumulada fisura al agregado y a la pasta de cemento circundante cuando excede la resistencia de ambos. Este modelo

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propone que la reacción álcali-sílice no causa el deterioro del hormigón, si se completa antes de la formación del anillo de reacción.

Figura 4.10: Representación esquemática del mecanismo de la RAS induciendo a la fisuración del

hormigón (Ichikawa y Miura 2007).

4.5.2.2. Rol del calcio

Algunos autores omiten la participación del Ca2+ en el mecanismo primario de reacción y expansión (Hansen 1944; Mc Gowan y Vivian 1952; Dent Glasser 1979) o en la descripción primaria del gel. Sin embargo, Hensen (1944) postula que el Ca2+, si bien no participa en el mecanismo inicial de la reacción, la activa a través de la regeneración de álcalis, reaccionando con el complejo álcali-silicato y proveyendo de álcalis a la solución de poro. Powers y Steinour (1955a, 1955b), concluyeron que la relación Ca2+/ álcalis determina el tipo de producto de reacción. Una baja concentración de Ca(OH)2 generaría un producto sílico-alcalino no expansivo, pero cuando se encuentra presente en cantidad suficiente formaría un producto expansivo compuesto por un complejo de álcali-calcio-sílice. Por otro lado, Struble y Diamond (1981) observaron que los geles que contenían calcio sufrían una transformación de líquido a sólido, mientras que los que no poseían calcio se transformaban del estado líquido inicial a membranas semipermeables.

Diamond (1989), Sota et al. (1996, 1997) y otros autores aplicaron la técnica de extracción de la solución de poro propuesta por Longuet et al. (1973), y demostraron que en ausencia de calcio, el “gel” sílico-alcalino no se formaría. Las soluciones obtenidas

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por este método se hallaban compuestas por Na(OH), K(OH), con trazas de Ca+2 y SO4=. Algunos autores proponen esta técnica como diagnóstica de la RAS (Sota et al. 1996; Pan et al. 2012; Plusquellec et al. 2016).

Experimentalmente se determinó que el hidróxido de calcio es mucho menos soluble en agua pura (20 m mol/L a 25°C) que los álcalis, y produce soluciones de pH 12,4. Los contenidos alcalinos y el pH de las soluciones de poro en los hormigones aumentan a medida que se liberan los álcalis, y el contenido de agua se reduce mediante la hidratación del cemento. Cuando las pastas y los morteros de cemento portland se curan durante varias semanas como sistemas sellados, el agua en los poros se convierte esencialmente en una solución de hidróxidos alcalinos que alcanza concentraciones casi constantes (Helmuth et al. 1993). Estudios realizados por Chatterji (1979) en barras mortero con ópalo en donde se redujo el contenido de Ca(OH)2, demostraron que no se produce expansión, pero sí una gran cantidad de gel de sílice sobre la cara de las barras. Chatterji (1989) propone un mecanismo en el que sugiere que la reacción se produce en el hormigón cuando el contenido neto de K+, Na+, Ca2+ y OH- que ingresa al agregado reactivo excede la cantidad de Si4+, y que la concentración delCa2+ que rodea al grano controla la velocidad de difusión del Si4+ hacia el exterior del agregado reactivo, por lo que estima que altas concentraciones de Ca2+ prevendrían la migración de Si4+ y conducirían a la expansión.

La concentración de iones en una solución se determina por la solubilidad del sólido menos soluble que puede precipitar, de modo que la concentración de iones Ca2+ en la solución alcalina está dada por [Ca2+] = 4,8 × 10-5/ [OH-]2, donde 4,8 × 10-5 es el producto de solubilidad a temperatura ambiente, y [Ca2+] y [OH-] son las concentraciones de los iones en mol/dm3. Suponiendo que[OH-] en la solución alcalina es de 0,1 mol/dm3 (pH = 13), la [Ca2+] sería sólo 0,0048 mol/dm3. Por lo tanto, la solución contiene iones Ca2+ que no son suficientes para generar un borde de reacción duro compuesto de redes -O-Si-O- Ca-O-Si-O-. El consumo de iones Na+, K+ y OH- por la formación de silicato alcalino disminuye la concentración de iones OH- en la pasta de cemento que rodea al agregado, lo que conduce al aumento de los iones Ca2+ en la solución (Dent Glasser y Kataoka 1981; Sota et al. 1996; Sota 1997). El silicato alcalino originalmente fluido y homogéneo que rodea al agregado afectado por RAS, se convertiría radicalmente en un reborde o anillo de reacción rígido, suficientemente denso para prevenir la fuga de gel sílico-alcalino

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fluido generado después de la formación del reborde de reacción. Esto podría producir un reciclado de los iones alcalinos con lo cual, bajo ciertas circunstancias, la RAS no podría ser detenida ni aún usando sustancias inhibidoras (Ichikawa y Miura 2007).