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La importancia en la elección de los agregados para los pavimentos de hormigón

El siguiente trabajo, presentado en el 6° Congreso Iberoamericano de Pavimentos de Hormigón, realizado en Puerto Iguazú, Argentina, los días 23 y 24 de Abril de 2015, muestra la experiencia obtenida en la Autovía Mesopotámica de la Ruta Nacional 14. Por los Ing. Daniel Violini, Ing. Mariano Pappalardi, y el Mg. Ing. Carlos A. Milanesi.
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EDITORIAL

SEGUNDA PARTE: PROBLEMÁTICA DE LA REACCIÓN ÁLCALI-SÍLICE EN LA TOMA DE DECISIONES, DESDE MÉTODOS TRADICIONALES, HASTA LOS NUEVOS CRITERIOS NORMATIVOS.
Por los Ing. Daniel Violini, gerente de Calidad I+D y Asistencia Técnica de Cementos Avellaneda; Ing. Mariano Pappalardi, adjunto Asistencia Técnica y el Mg. Ing. Carlos A. Milanesi, jefe del Departamento Técnico.

En la primera parte de este trabajo se reflejaron las dificultades halladas al momento de la selección del tipo de agregado grueso (canto rodado silíceo del río Uruguay y piedra partida basáltica), empleado en los hormigones de la calzada de la Ruta Nacional 14, principalmente vinculadas a la problemática de fisuración a edad temprana. En esta segunda parte, se desarrollan los aspectos vinculados al estudio de la reacción álcali-sílice (RAS). Se informan los resultados de los métodos de evaluación aplicados, vigentes al momento del inicio de la obra, y las experiencias recogidas a partir del estudio de los hormigones de la Ruta Nacional 127, como principal antecedente existente en la región. Se discutirá la limitación de los métodos de ensayos normativos aplicados y los desarrollos que surgieron a partir de este trabajo.

 

EXPERIENCIA CON LA RAS

A partir de la planificación de la obra, que correspondió en la Ruta Nacional 14 al tramo I, se inició la selección, compra y almacenamiento del agregado grueso a emplear. Este hecho es clave, ya que el consumo de agregado grueso diario es del orden de 1.600 toneladas. La definición del agregado estaba condicionada por diferentes factores, como lo son la ubicación del yacimiento por temas de provisión y costo, y la problemática de durabilidad. La temática específica a resolver es la reacción álcalis-sílice (RAS), de los agregados basálticos y los cantos rodados silíceos. En general, los profesionales, incluso algunos destacados como Adam Neville, minimizaban este efecto, a pesar de la existencia de antecedentes de RAS en obras de la zona construidas con ambos agregados.
La RAS es una reacción química, entre los iones presentes en la solución de los poros del hormigón y ciertos minerales silíceos (ópalo, vidrio volcánico, etc.), que componen los agregados. Esta reacción genera un gel que, al absorber agua, expande y fisura al hormigón. Para que esto se produzca es necesario que el agua, los álcalis y la sílice reactiva, estén presentes en cantidades mínimas. La ausencia de cualquiera de ellos inhibe la reacción (figura 1).
Para resolver la problemática de la RAS se aplicaron los métodos tradicionales vigentes en aquella época. Dado que las definiciones había que efectuarlas prontamente, la aptitud de los agregados se resolvió mediante la aplicación del examen petrográfico y el método acelerado NBRI (IRAM 1674). Los resultados obtenidos se indican en la tabla 1.

La necesidad de cumplir con los requisitos de durabilidad con relación a la RAS y la falta de estudios anticipados de mayor certeza, obligaron a definir los materiales mediante el método acelerado IRAM 1674 (con resultados a los 16 días). Este método, habilitó únicamente a los Cantos Rodados de Silíceos (CRS), ya que el basalto presentaba una expansión muy superior al límite permitido (tabla 1). En paralelo, se realizaron estudios sobre hormigones (IRAM 1700), cuyos primeros resultados se obtuvieron al año (tabla 2), mientras transcurría el avance de la obra.
Posteriormente, se efectuaron nuevos ensayos con el CRS, obteniendo valores expansión significativamente más altos (0,24%).

 

INICIO DE LA OBRA

La obra se inició con el CRS y, tal como se describió en la parte 1 de este trabajo, surgieron problemas de fisuración temprana, principalmente por el alto coeficiente de dilatación térmica del agregado (CRS). Esto obligó a buscar una solución a partir del basalto, para lo cual se plantearon tres acciones básicas, hasta disponer de los resultados del ensayo IRAM 1700 (un año de duración):

  • Tomar las recomendaciones tradicionales para evitar los efectos de la RAS.
  • Innovar en la metodología de la normativa vigente, incorporando el criterio canadiense e inclusive, avanzando en un método de corto tiempo de definición.
  • Evaluar el comportamiento en servicio del hormigón con basalto, empleado en la Ruta Nacional 127.

Al momento de la construcción de esta obra, las medidas requeridas para evitar la RAS, a partir de la normativa vigente, eran las siguientes:

-Reemplazo del agregado potencialmente reactivo por otro que no lo fuera. La práctica demuestra que este recurso, en general, no tiene aplicación.
-Empleo de un cemento de bajo álcalis (< 0,60 % de Na2Oeq). Al momento de la construcción de esta obra, ninguna de las empresas cementeras garantizaba la provisión de este tipo de cementos en la zona próxima a la misma.
-Uso de un aditivo inhibidor a base de litio. Incrementan el costo de la mezcla significativamente y no resulta aplicable.
-Uso de un cemento resistente a la reacción álcali-agregado (RRAA).
-Emplear Adiciones Minerales Activas (AMA).

El empleo de una AMA (puzolanas, escorias, cenizas volantes) en el hormigón, o formando parte del cemento, generan en el pavimento una fuerte tendencia a la fisuración. Este hecho, se debe a que la AMA, además de inhibir la RAS, reduce la resistencia del hormigón a edad temprana, el cual, no puede absorber las tensiones inducidas por el enfriamiento y se fisura en las primeras horas (de 12 a 48 horas). Por tal motivo, surge una limitación al contenido de las adiciones en los cementos de aplicación vial, acotando este valor al 20 %, tal como lo indica la Norma IRAM 50002. Por lo indicado, no se pueden aplicar las dos últimas recomendaciones mencionadas.

 

INNOVACIÓN EN LA NORMATIVA

En el año 2007, a partir de haber observado que los cementos con altas adiciones presentaban problemas durante la construcción de la ruta, nuestra área de Asistencia Técnica planteó la necesidad de innovar en la norma de requisitos de agregados, en aquellos aspectos vinculados a la RAS, a fin de evitar la fisuración temprana. Tomando como base lo realizado en Canadá, se convoca al Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT) y a expertos en tecnología del hormigón, para la consideración de la misma y la realización de los estudios necesarios. El criterio canadiense, que fue introducido a posteriori en nuestro cuerpo normativo, se resume en los siguientes pasos:

En primer lugar, se define el nivel de reactividad del agregado mediante el método IRAM 1700: (tabla 3)

De acuerdo a los resultados de expansión del hormigón, ambos agregados pueden considerarse moderadamente reactivos.
El segundo paso consiste en establecer el riesgo de RAS en función de las condiciones de exposición de la estructura (disponibilidad de agua), su tamaño y la reactividad del agregado (tabla 4). Si tomamos que este es de moderada reactividad y el hormigón está expuesto al aire húmedo, le corresponde un riesgo de RAS igual a “3”.

El tercer paso es definir el nivel de prevención requerido para inhibir la RAS (tabla 5). Éste se establece en función del riesgo de RAS (tabla 4) y del tipo de estructura, tipificada en función de la severidad de las consecuencias que genera la reacción (en una primera aproximación, depende de la vida útil requerida).

Teniendo en cuenta que la vida útil en servicio del pavimento se ubica entre 20 y 25 años y su riesgo de RAS es “3”, es necesario implementar un nivel de prevención moderado (tabla 5), para lo cual, se requiere limitar el contenido de álcalis del hormigón a 2,4 kg Na2Oeq/m3, lo que define a su vez cuánto de álcalis puede tener el cemento (tabla 6).

El contenido de álcalis del hormigón dependerá, entonces, del contenido de álcalis del cemento, calculado como la suma del valor promedio (µ) más un desvío estándar (s), y el contenido de cemento por m3 de hormigón (c). Para verificar si el contenido total de álcalis del hormigón resulta inferior al valor límite requerido por la norma, teniendo en cuenta los valores típicos que se manejaron para esta obra (µ = 0,67 %; s = 0,04 %, c = 330 kg/m3), se realiza el siguiente análisis:

\"CODIGO\"

El cemento granel CPF40 (Olavarría), cumplió con dicho requisito.

Paralelamente, se realizaron experiencias en el LEMIT con un método acelerado, similar al IRAM 1700, propuesto por RILEM (International union of laboratories and experts in construction materials, systems and structures), el cual, emplea una temperatura de estacionamiento de 60 °C. Los resultados se obtienen a las 13 semanas (≈ 3 meses) y ya demostró un desempeño excelente, por lo cual, fue normalizado recientemente.

A partir de estos desarrollos y trabajos presentados en congresos de la especialidad, se pudo innovar en la faceta normativa de la RAS y la ingeniería dispone de un nuevo método de control que resulta muy útil en el campo vial.

 

ESTUDIO DEL BASALTO DE LA RUTA NACIONAL 127

El uso del basalto quedó condicionado al resultado de un estudio detallado que realizamos sobre la Ruta Nacional 127, luego de una vida en servicio de más de 10 años. En general, el basalto tuvo un desempeño adecuado y sin signos de RAS, a excepción de un pequeño tramo, indicado en la figura 2. En algunos sectores, el pavimento mostraba un deterioro significativo,
producido principalmente por falencias constructivas y fallas de la subbase. (figura 2)

El tramo I no presenta deterioros de importancia (foto 1), se observan algunas fisuras plásticas, posiblemente por deficiencias en la membrana de curado y su aplicación. Hay escalonamientos leves como consecuencia de fallas en las juntas y la base y fisuras sobre la junta longitudinal, típicas por haber construido la ruta por media calzada. No hay signos de RAS.

El tramo II presenta deterioros de importancia (foto 2), sectores con fallas constructivas (foto 3), y escalonamientos en las juntas moderados y severos (foto 4). Se observa fisuración transversal en ancho completo y espesor total. Se constatan trabajos de resellado, bacheado y reemplazo de losas. Se verifican sectores con abundante presencia de agua (foto 5) y sin embargo no hay signos de RAS. Esto se pudo verificar al observar las interfaces de los agregados basálticos, en los restos del pavimento demolido (foto 6).

El tramo III presenta un estado general bueno (foto 7). Se detectan sectores con escalonamientos leves a moderados. No hay signos de RAS.

El estado del pavimento en el tramo IV puede subdividirse en tres sectores. El primero, que va desde el kilómetro 291 a 310, posee un comportamiento satisfactorio, acorde con la vida en servicio del pavimento. En la última parte, desde el kilómetro 310 hacia el final del tramo, se observan daños localizados, en la zona de juntas, con signos de RAS (fotografía 8). Desde el kilómetro 318 hasta el empalme con Ruta Nacional 14 (aproximadamente tres kilómetros), el deterioro observado es muy importante (fotografía 9).

El hormigón empleado en la Ruta Nacional 127 se elaboró con un contenido de cemento del orden de 390 kg/m3. El cemento utilizado, de tipo normal, fue provisto por distintas fábricas (distintos contenidos de álcalis). En la construcción del tramo I se empleó cemento de bajo álcalis (< 0,6 % Na2Oeq) debido a que el basalto fue calificado como potencialmente reactivo. En base a resultados de ensayos de laboratorio, obtenidos poco tiempo después de iniciada la obra, se decidió eliminar las restricciones referidas al contenido de álcalis del cemento. De esta manera, el resto de los tramos se ejecutó con cementos de moderado contenido de álcalis (≈ 0,75 %), en tanto que un sector del tramo IV se construyó con cemento de alto álcalis (> 1 %), debido a inconvenientes de índole logística, surgidos por problemas de habilitación ocurridos en el puente Zárate-Brazo Largo.
Se extrajeron testigos en diferentes zonas del pavimento (con y sin daño), sobre los que se realizaron diversos estudios para constatar la presencia de signos de RAS y determinar el contenido de álcalis solubles en el hormigón.
Estos estudios demostraron que en los sectores donde se verificó RAS (tramo IV), el contenido de álcalis solubles del hormigón era mayor a 3,0 kg de Na2Oeq/m3, mientras que en el resto de los tramos, el valor promedio resultó del orden de 2,5 kg de Na2Oeq/m3.
Si se admite que el 60 % del contenido total de álcalis del cemento pasa a la solución de los poros del hormigón, el contenido total de álcalis del hormigón de la Ruta Nacional 14 es inferior (por diseño) a 2,4 kg de Na2Oeq/m3, y el aporte de álcalis de los agregados es igual a 0,54 kg de Na2Oeq/m3 (valor determinado en laboratorio), es posible estimar que el contenido de álcalis solubles en el hormigón es igual a 2,0 kg de Na2Oeq/m3 (tabla 7).

En resumen, para el caso de la piedra partida basáltica, si se compara el valor máximo del contenido de álcalis solubles del hormigón que tiene por diseño la Ruta Nacional 14, con el valor determinado en los sectores de la Ruta Nacional 127, donde no se observaron signos de RAS, es posible concluir que la probabilidad de ocurrencia de esta reacción en la ruta 14, cumpliendo con el límite máximo impuesto por la norma canadiense (2,4 kg de Na2Oeq/m3), será mínima.

CONCLUSIONES

A partir de los estudios y experiencias realizadas sobre la RAS, surgen las siguientes conclusiones sobre los agregados que se emplearon en la construcción de la Ruta Nacional 14:

  • Los estudios de caracterización de agregados deben iniciarse con suficiente antelación para evitar la adopción de soluciones inadecuadas.
  • La necesidad de una pronta respuesta y el uso del ensayo acelerado de la barra de mortero (IRAM 1674) condujo a resultados contradictorios, con ambos agregados, dado que en este caso particular el método de ensayo no guarda relación con el comportamiento del mismo agregado en el hormigón.
  • El método del prisma de hormigón (IRAM 1700) condujo a un resultado más confiable, acorde a la realidad, presentando el inconveniente de la excesiva duración del ensayo.
  • La alta reactividad del canto rodado silíceo y su posible uso combinado con el basalto, demandan el estudio del comportamiento del agregado frente al fenómeno  pessimum de la RAS de dicha combinación.
  • El uso de adiciones minerales activas como alternativa para inhibir la RAS resulta inapropiada para el uso vial. La aplicación del método canadiense con el uso de un cemento con contenido moderado de álcalis posibilitó encontrar una salida para evitar esta reacción.
  • El estudio de la Ruta Nacional 127 permitió validar dicho método, correlacionando los contenidos de álcalis de esos hormigones con la RAS. La validez de este criterio no sólo descansa en la fortaleza de los antecedentes del método sino también en la experiencia recogida del comportamiento de obras en servicio en el país.
  • Los estudios y trabajos desarrollados permitieron introducir modificaciones en la normativa vigente, colocando las normas IRAM 1531 y 1512 en la vanguardia a nivel internacional. El nuevo enfoque es racional y permite optimizar los recursos disponibles en las proximidades de la obra a construir. Su aplicación permitirá el uso de cementos de moderado contenido de álcalis o con AMA, sin necesidad que sean RRAA.
  • El nuevo método acelerado del prisma de hormigón (IRAM 1700) permitirá evitar el rechazo de agregados de buen comportamiento en el hormigón, que son caracterizados en forma  inadecuada por el NBRI.

 

     

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