Reacción álcali-sílice: por qué las adiciones ricas en sílice retienen los álcalis

Toda​​ presa, bloque de cimentación o pavimento de concreto que abre una fisura en mapa después de algunos años levanta la misma sospecha: reacción álcali-agregado. En la práctica brasileña el conjunto se llama RAA. La forma habitual es la reacción álcali-sílice, la RAS. Es lenta, silenciosa y, una vez instalada, no tiene una reparación simple. La conversación útil ocurre antes de la primera bachada, en la elección del agregado, del cemento y de la adición mineral.

Tres condiciones, un gel

La RAS necesita tres cosas al mismo tiempo:

1. Agregado con sílice reactiva — sílice poco cristalina o deformada, que se disuelve en un medio muy alcalino.
2. Alcalinidad alta en la solución de los poros — sodio y potasio, sobre todo del cemento, sostienen un pH muy elevado y mucha hidroxila disponible.
3. Humedad — sin agua el gel no se forma ni se hincha.

La hidroxila ataca la sílice del agregado; sodio, potasio y calcio entran en la estructura y se forma un gel álcali-silíceo. Ese gel absorbe agua y expande dentro del agregado y en la zona de transición. La presión fisura el agregado y la pasta. En el elemento aparecen fisuración en mapa, exudación de gel, desplazamientos y pérdida de rigidez. Rajabipour y colaboradores (2015) recuerdan que varios pasos de ese mecanismo todavía se discuten. El consenso es que quitar cualquiera de las tres condiciones interrumpe el proceso.

En la práctica, la humedad no se controla en una cimentación o en una presa, y el agregado es el que ofrece la región. Queda la química de la pasta. Ahí entran las adiciones.

Cómo mitiga la adición

Tres efectos actúan juntos.

Dilución. Sustituir parte del cemento por una adición de bajo contenido de álcalis reduce el álcali total que entra al concreto. Es el efecto más simple, y solo no explica el desempeño de las adiciones más eficaces.

Retención de álcalis por un C-S-H de baja Ca/Si. La reacción puzolánica consume portlandita y forma C-S-H adicional, con una relación Ca/Si más baja que la del C-S-H del cemento puro. Richardson (2008) muestra que la estructura del C-S-H varía con esa relación y que, con menor Ca/Si, la cadena de silicatos se alarga y la superficie carga más sitios capaces de retener cationes. Hong y Glasser (1999) lo midieron de forma directa: la capacidad del C-S-H de fijar sodio y potasio crece a medida que cae la relación Ca/Si. El álcali retenido en el hidrato no está en la solución de los poros, y la solución queda menos agresiva.

Caída del pH y de la portlandita. Con menos hidroxila libre, la disolución de la sílice del agregado se desacelera. Con menos portlandita y menos calcio disponible, cambia también la composición del gel que se forma y su capacidad de expandir. La adición además refina los poros y reduce la movilidad de los iones y del agua.

El punto central: no basta con “tener adición”. Lo que mitiga es la sílice reactiva de la adición, transformada en un C-S-H pobre en calcio, en cantidad suficiente para bajar la alcalinidad de los poros por debajo de lo que ese agregado tolera.

Por qué no existe un contenido universal

La revisión de Thomas (2011) organiza las tendencias que muestran la literatura y la experiencia de campo:

• Humo de sílice y metacaolín son muy reactivos y ricos en sílice (el metacaolín, también en alúmina). Suelen ser eficaces con contenidos de sustitución relativamente bajos.
• Ceniza volante varía mucho. La de bajo calcio (clase F) tiende a ser bastante más eficaz que la de alto calcio (clase C). Shehata y Thomas (2000) mostraron que, a medida que suben el CaO y los álcalis de la ceniza, sube el contenido necesario para controlar la expansión.
• Escoria de alto horno tiene más calcio que las puzolanas y, en general, necesita contenidos de sustitución más altos para el mismo efecto.

Y el contenido necesario no depende solo de la adición. Depende de la reactividad del agregado, del contenido de álcalis del cemento, del consumo de cemento por metro cúbico y de álcalis que vengan de otras fuentes. La misma ceniza que resuelve con un cemento de bajo álcali y un agregado moderadamente reactivo puede no bastar con un cemento más alcalino y un agregado más reactivo. Copiar el contenido de una obra a otra es transferir la conclusión sin transferir las premisas.

La práctica brasileña: NBR 15577

La ABNT NBR 15577 trata la reacción álcali-agregado en partes. Dos importan aquí.

• NBR 15577-1:2018 es la guía. Clasifica el agregado según su reactividad, evalúa el riesgo según la exposición y el tipo de estructura, y define la intensidad de las medidas preventivas. Entre esas medidas está el uso de materiales que mitiguen la reacción, con eficacia comprobada por ensayo.
• NBR 15577-5:2018 es el ensayo que comprueba la mitigación. Es el método acelerado en barras de mortero: barras moldeadas con el agregado de la obra y con el cementante propuesto (cemento más adición) se sumergen en una solución alcalina a temperatura elevada, y la expansión se mide a lo largo de los días. El resultado se compara con el criterio de la NBR 15577-1. El propósito se acerca al del ASTM C1567 cuando la barra lleva la adición, y al del ASTM C1260 cuando se mira el agregado solo. La duración, la solución y el límite de expansión no son los mismos, y un resultado no sustituye al otro.

El detalle que cambia la decisión: el ensayo vale para la combinación ensayada. La mitigación se comprueba con el cemento y la adición que de verdad van a la obra, en el contenido propuesto, con el agregado de la obra. Si cambia el cemento, la fuente de la adición o la cantera, el resultado anterior deja de valer como prueba.

Lista de control para la obra y el control de calidad

1. Agregado caracterizado. ¿Hay un informe de reactividad de la cantera que se está usando, y es reciente?
2. Riesgo evaluado. ¿La estructura se encuadró por la NBR 15577-1 (exposición, humedad, porte, consecuencia del daño)? ¿La intensidad de la prevención quedó registrada?
3. Cementante definido y congelado. Tipo y fabricante del cemento, origen y tipo de la adición, contenido de sustitución.
4. Mitigación comprobada. ¿Hay un ensayo NBR 15577-5 con esa combinación exacta de cemento, adición y agregado, dentro del criterio?
5. Trazabilidad de insumos. ¿El cemento y la adición entregados son los ensayados? ¿Se revisaron la factura y el certificado de cada lote?
6. Disparador de reensayo. Un cambio de cemento, de fuente de adición o de cantera exige un ensayo nuevo antes del uso, no después.
7. Álcalis de otras fuentes. Aditivos, agua y agregados contaminados entran en la cuenta cuando el riesgo es alto.
8. Registro. Informe, mezcla y lotes archivados junto con la trazabilidad de las colocaciones. Si un día aparece una fisura, la investigación empieza con datos.

Una pregunta abierta

El ensayo acelerado en barras de mortero es rápido y reproducible, pero las condiciones severas acortan el tiempo y cambian la química. ¿Hasta qué punto unas pocas semanas en una solución alcalina caliente representan décadas de un bloque húmedo de cimentación? Por eso se discuten los ensayos de prisma de concreto, más lentos, y el monitoreo de campo. Mientras ese puente no esté bien construido, la prudencia es ensayar la combinación real, con margen, y tratar un cambio de insumo como un cambio de proyecto.

Referencias

1. Hong, S.-Y.; Glasser, F. P. Alkali binding in cement pastes. Cement and Concrete Research, v. 29, n. 12, p. 1893–1903, 1999. DOI: 10.1016/S0008-8846(99)00187-8.
2. Thomas, M. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction: A review. Cement and Concrete Research, v. 41, n. 12, p. 1224–1231, 2011. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.11.003.
3. Richardson, I. G. The calcium silicate hydrates. Cement and Concrete Research, v. 38, n. 2, p. 137–158, 2008. DOI: 10.1016/j.cemconres.2007.11.005.
4. Shehata, M. H.; Thomas, M. D. A. The effect of fly ash composition on the expansion of concrete due to alkali–silica reaction. Cement and Concrete Research, v. 30, n. 7, p. 1063–1072, 2000. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00283-0.
5. Rajabipour, F.; Giannini, E.; Dunant, C.; Ideker, J. H.; Thomas, M. D. A. Alkali–silica reaction: Current understanding of the reaction mechanisms and the knowledge gaps. Cement and Concrete Research, v. 76, p. 130–146, 2015. DOI: 10.1016/j.cemconres.2015.05.024.
6. ABNT. NBR 15577-1:2018 — Agregados — Reactividad álcali-agregado — Parte 1: Guía para la evaluación de la reactividad potencial y medidas preventivas para el uso de agregados en concreto.
7. ABNT. NBR 15577-5:2018 — Agregados — Reactividad álcali-agregado — Parte 5: Determinación de la mitigación de la expansión en barras de mortero por el método acelerado.