determinación de la reactividad potencial de agregados para cementos

1. REACTIVIDAD SILICE-AGREGADO EN EL CONCRETO; EVALUACION Y
MÉTODO DE ENSAYO
Ing. Wilfredo Mandujano V.
Ing. Wilfredo Quintana
ARPL tecnología Industrial
1. RESUMEN
El fenómeno dañino de la Reacción Alcali-Silice (RAS) con características
expansivas en el concreto o mortero elaborados con agregados reactivos es
conocida desde hace mucho tiempo. Este artículo presenta una síntesis de
diversos métodos de ensayo para la evaluación de los alcalinos en los
cementos y agregados con la finalidad de prevenir y/o controlar la reacción
dañina en el concreto o mortero, desarrollados desde la década de los 40
cuando se descubrió el fenómeno expansivo debido a la reacción alcalí-sílice.
Presenta también un resumen de los ensayos de reactividad alcalina de
agregados usando distintos cementos realizados en los últimos años en el
Laboratorío ARPL sobre muestras procedentes de obras en distintos puntos del
país, lo cual permite en forma preliminar ubicar geográficamente las canteras
de agregados con o sin potencial de reactividad alcalina.
Se concluye planteando la necesidad de que los laboratorios de ensayo de
materiales pongan a punto los métodos de ensayo relacionados a la RAS de
agregados potencialmente reactivos para responder con éxito a la creciente
demanda y necesidad de la industria de la construcción por prevenir y/o
controlar la RAS y, posteriormente poder elaborar un mapa geológico de
caracterización de los agregados.
2. LA SITUACION ACTUAL EN NUESTRO MEDIO DEL PROBLEMA DE
LA RAS
A pesar que el conocimiento del fenómeno dañino de la RAS en el concreto y
mortero data de los años 40, el uso y aplicación de éste no se han dado en
nuestro medio debido, posiblemente, a que los agregados usados en la
industria de la construcción no presentaban características reactivas. Sin
embargo, en los 2 o 3 últimos años el laboratorio ARPL ha efectuado ensayos
de reactividad alcalina para la industria del concreto y la construcción debido a
que han estado efectuando obras en distintos puntos del país usando
agregados de canteras cercanas a la obra de desconocido potencial de RAS.

2. En el Laboratorio ARPL desde hace tiempo se ha venido implementado la
mayoría de los principales métodos de ensayo para la evaluación de los álcalis
en los cernemos y la reactividad potencial álcali-sílice de los agregados; y se
han realizado ensayos con propósitos particulares. Debido a la creciente
demanda por los ensayos relacionados a la RAS, el Laboratorio ARPL es
consciente de la necesidad del permanente entrenamiento de los analistas y
del conocimiento del fenómeno para un eficiente trabajo en vista que la
naturaleza misma de los métodos de ensayos normalizados encierran ciertas
deficiencias -que se vienen discutiendo por ejemplo en el seno de los comités
CO9 y CO1 de ASTM- que implica habilidad y destreza de los operadores de
manera de obtener resultados precisos y exactos. Este trabajo es parte de
este propósito.
3. FUNDAMENTOS TEORICOS
3.1. PROCEDENCIA DE LOS ALCALIS
Los álcalis disponibles, capaces de reaccionar con la sílice reactiva de los
agregados, provienen básicamente del cemento y del agregado, pero también
pueden provenir de las puzolanas y aún del medio ambiente:
- ALCALIS PROVENIENTES DE LOS MINERALES DEL CEMENTO -'
Es conocido que durante la fabricación del clínker de cemento Pórtland
se presenta el ciclo de los álcalis los cuales, debido a su alta volatilidad,
gran parte salen con los gases del horno pero la otra parte precipitan
sobre el clínker como sulfatos o se incorporan dentro de los cristales de
las fases del clínker.
Trabajos como los de Leslie Struble y Sidney Diamond identificaron la
distribución de los álcalis en las distintas fases del clínker
identificándolos como sulfatos alcalinos (K,Na)SO4, langbeinita cálcica
K2Ca2(SO4)3, y C3A modificado por álcali y demostraron su solubilidad e
influencia sobre la RAS.
Por otro lado, aunque no especifica claramente su finalidad. la norma
ASTM C1l4, además del procedimiento para la determinación de los
álcalis totales; indica un procedimiento por álcali soluble o xxx
- ALCALIS PROVENIENTES DE LAS PUZOLANAS
Otra fuente de álcalis son las puzolanas naturales o artificiales. Algunas
normas técnicas especifican límites máximos de álcalis disponibles
cuando se va usar en la elaboración de concretos con la finalidad de
prevenir la expansión debida a la RAS.
- ALCALIS PROVENIENTES DE LOS AGREGADOS
Muchos agregados tienen naturaleza u origen volcánico con
composición andesítica o reolítica que pueden liberar álcalis en el
concreto o mortero y afectar la RAS con efectos expansivos. David

3. Stark y colaboradores demostraron que los álcalis pueden ser liberados
en cantidades significativas en medios saturados con Ca(OH)2
especialmente de rocas volcánicas como las andesitas e incluso de
materiales no reactivos tales como los feldespatos por intercambio
iónico, donde el ión calcio de la solución sustituye a los iones sodio y
potasio en la estructura del silicato con riesgo de producir expansión.
- ALCALIS PROVENIENTES DEL MEDIO AMBIENTE
Bajo ciertas condiciones, el medio ambiente también puede contribuir a
la concentración de álcalis en el concreto.
3.2. LAS REACCIONES ALCALI-AGREGADO
Se conocen tresos tipos de reacciones álcali-agregado. La reacción Álcali-
Carbonato cuando se utilizan calizas y/o dolomitas como agregados, que es
poco extendido y no es propósito de este trabajo, la reacción álcali-silicato que
se desarrolla muy lentamente y con insignificante expansión y la reacción
Álcali-Sílice que es más amplio con materiales que involucran sílice amorfa,
sílice de pobre cristalización o metaestables y que se caracterizan por su
relativamente corto tiempo para el inicio y manifestación de la fisuración y
resquebrajamiento del concreto debida a la RAS con limitada duración. La
fisuración ocurre generalmente dentro de los 5 a 10 años y la reacción se agota
en lapso de 10 a 20 años, según datos de M.D.A Thomas et al.
En la Tabla N° 1 se indican los principales tipos de agregados potencialmente
reactivos.
3.2.1. MECANISMO DE REACClON ALCALI SILICE
El fenómeno de la RAS que puede causar la expansión y fisuración de las
estructuras del concreto es muy complejo. Muchos autores han elaborado
teorías para explicar este fenómeno a nivel de laboratorio desde el
descubrimiento por Stanton, T.E. en 1940, Hansen en 1944, Power y Stenior en
1955. K.. Mather y Gogte ambos en 1973 . Diamond en 1976, 1989, Glasser en
1981, Chatterji en 1989 y otros.
La teoría más aceptada es la de Power and Stenior. Según ellos, la hidratación
de la sílice es catalizada por la presencia de iones hidroxilos en la pasta de
cemento, cuya ecuación se puede escribir de la siguiente manera:
Si Oh Na OH Si O Na 2 +
H O
− −
gel
− − + + → −
−
− − (1)
Donde el hidroxilo reacciona con los grupos silanol (Si-OH). A altas
concentraciones de hidroxilos (OH-), éstos también atacan los enlaces puentes
síloxanos fuertes (Si-O-Si) con el siguiente resultado:

4. Si O Si NaOH Si O Na 2 2 +
H O
Na O Si
gel
gel
−
+
− −
− − − − + → −
− −
(2)
La estructura abierta de la sílice amorfa o vítrea es mucho más fácilmente
atacada por los iones OH que la sílice cristalina con SiO2 firmemente limitadas
dentro de una ordenada malla cristalina, como el cuarzo. El producto de la
reacción arriba señalada es un gel isotrópico pobremente definido de silicato de
sodio o potasio que absorbe agua con excepcional capacidad de hincharse
trayendo como consecuencia la expansión y fisuración del concreto.
Los gráficos 1 y 2 muestran la RAS de los agregados de minerales y rocas
silicosas y de rocas volcánicas.
3.2.2. EFECTOS MECANICOS DE LA RAS
El siguiente modelo gráfico de Power y Stenior, explica la hipótesis de los
mismos sobre la RAS con partículas de ópalo:
Zona A: Representa la solución en el poro en una matriz con H2O, K+, Na+,
Ca2+, OH-, H3SiO4
-
Zona B: Formación inicial del gel de C-N-S-H no expansivo (dependiendo de la
concentración de calcio sobre la concentración de Na).
Zona C: Difusión a través del gel para reaccionar con el ópalo. Expansivo: Bajo
Ca+ → gel N-S-R expansivo. De Seguridad sin peligro: Alto Ca2+ → gel de
C-N-S-H no expansivo.
Zona D: Para una reacción sin peligro H debe difundirse hacia fuera
propiciando espacios en un hidrato (gel) poroso y permitir la difusión de H2O,
Ca2+ y Na+" hacia el interior del agregado.
Zona E: El Na+ es regenerado cuando el Ca2- reacciona con el gel de N-S-H y
libera Na+.
3.2.3. FACTORES QUE INFLUYEN LA REACCIONA ALCALI-SILlCE
Muchos son los factores que afectan la expansión debida a la reacción álcali-sílice
estudiados por distintos investigadores, entre los factores más
importantes tenemos:

5. a. Finura, cantidad de cemento y contenido de álcalis
El contenido de álcalis de los cementos varían ampliamente de acuerdo
a cada fabrica y al tipo de proceso y tipo materias primas que se utiliza
en su manufactura. Aparte del contenido de álcalis del cemento, la
cantidad total de álcalis del concreto está influenciada por la cantidad de
cemento presente y la contribución de álcalis de otras fuentes.
agregados, agua de mezcla aditivos químicos y adiciones minerales.
Según algunos autores la expansión a una edad dada del concreto
tiende a incrementarse con la finura del cemento y su contenido de
álcali. Ver Gráficos 3 y 4.
b. Naturaleza, cantidad y grado de reactividad de los agregados
Las diferencias entre agregados reactivos y no reactivos dependen de
muchos factores como la forma cristalográfica, contenido vítreo o amorfo
e imperfecciones. Los materiales no reactivos como el cuarzo tiene un
arreglo cristalino ordenado de átomos de sílice y oxígeno que son
resistentes a los ataques de los álcalis, mientras que las formas

6. reactivas e la sílice tal como el ópalo son amorfos, grupos de sílice y
oxígenos espaciados irregularmente y estas especies amorfas son
fácilmente atacadas por los álcalis.
Tabla N° 1 señalada en la Sección 3.2 muestra las especies reactivas.
c. Naturaleza de los materiales cementicios usados y contenido de álcalis
Diversos autores, entre ellos Hobbs en 1986 y Grattan-Bellew en 1987
con ensayos en laboratorio y en campo demostraron que reemplazando
una parte del cemento con puzolana u otros materiales cementicios
como cenizas volantes humo de sílice, escoria granulada de alto horno,
etc.; se reducen y hasta eliminan la expansión excesiva.
d. Proporciones de mezcla de concreto - Relación agua/cemento
Otro factor que influye la expansión del concreto resultante de la RAS es
la proporción de la mezcla; algunos experimentos han demostrado que
altas relaciones agua/cemento incrementan la reacción expansiva.
e. Influencia del medio ambiente sobre el concreto
Los principales efectos medioambientales sobre la reacción álcali-sílice
son el contenido de humedad y las variaciones de la temperatura y la
exposición a sales solubles que penetran dentro del concreto. Existen
regiones climáticas que tienen variaciones estacionales durante el cual
el concreto está expuesto a ciclos lentos de temperatura y cambios en el
contenido de humedad que afectan la fisuración por la reacción álcali-sílice.
4. NORMAS DE ESPECIFICACION Y ENSAYOS DE EVALUACION DE
LA REACCION ALCALI-SILICE
El resumen de las Normas Técnicas ASTM que presentamos, están
relacionados con el fenómeno de la reacción álcali-sílice. Las de especificación,
indican los límites máximos del tenor de álcalis (sodio y potasio) en cementos,
agregados, puzolanas naturales o artificiales y de algún aditivo mineral que se
incorporarán al concreto de cemento. Las normas de ensayos permiten
cuantificar o evaluar química y físicamente el contenido de álcalis o el potencial
de reactividad álcali -sílice de los agregados o combinaciones de cemento-agregados
produciendo valores que se compararán con los valores límites de
las Normas de Especificación.
Las normas ASTM bajo la jurisdicción de los Comités C-1 y C-9, evalúan
permanentemente las normas establecidas a fin de mejorarlas o sustituirlas. Un
ejemplo es la norma C1260 y C1293 dadas últimamente y se encuentran en
discusión, la norma C227 referida al uso del vidrio Pyrex considerada
inadecuada por problemas de repetibilidad y precisión en los ensayos sustituirlo
por vidrio Vycor considerado más estable.

7. 4.1 NORMAS TECNICAS PARA CEMENTOS RELACIONADOS CON LOS
ALCALIS
Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION
ESPECIFICACIÓN
C 150 -97
Especificación para
cementos Pórtland
Especifica requisitos
físicos y químicos con
límites mínimos y
máximos para 8 tipos de
cementos
% Na eq Max = 0.6
para todos los tipos
Cuando se va usar en
concretos con agregados
potencialmente reactivos
C 585-97
Especificación para
Cementos
Hidráulicos
Adicionados
Especifica requisitos
físicos y químicos con
límites mínimos y
máximos para 5 tipos de
cementos
% Na eq Max = 0.03
para Cementos Tipos S y
Tipo SA
Cuando se va usar en
concretos con agregados
de roca caliza sin mancha
con materia deletéreos
DE ENSYOS
C 114-97
Análisis químico de
Cementos Hidráulico
Análisis químico
Álcalis Totales
Álcalis Soluble en H2O
Procedimiento y datos
para comparar normas de
especificación
4.2 NORMAS TECNICAS PARA AGREGADOS RELACIONADOS CON
LOS ALCALIS
Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION
ESPECIFICACIÓN
C 33-93
Especificación para
agregados del
concreto
Define los requisitos de
gradación y calidad de
los agregados gruesos y
finos
Usar cementos con % de
álcalis ≤ 0.6%
En caso de sospechar
agregado potencialmente
reactivo, evaluar con las
distintas normas
DE ENSAYOS
C 227-90
Reactividad potencial
de combinaciones de
cemento-agregado
(Método de la Barra)
Determina la
susceptibilidad de la
combinación de
cemento-agregado a la
reactividad expansiva
Barras curadas a 37.8°C ±
1.7°C
Medición a las 24 horas y 14
días. Adicionales a 1, 2 ,3 4,
6, 9 y 12 meses
RAS Excesiva:
> 0.05% a 3 meses
> 0.10% a 6 meses
No excesiva, si:
> 0.05% a 3 meses
< 0.10% a 6 meses
C 289-94
Reactividad potencial
álcali-sílice (Método
químico)
Determina el RAS,
midiendo la cantidad de
reacción durante 24
horas con NaOH 1N a
80°C
Rc = reducción de la
alcalinidad (mmol/l)
Sc = sílice disuelta (mmol/l)
Plotea Rc vs Sc
INOCUO: Si el punto cae
en la zona izquierda de la
curva
POTENCIALMENTE
DAÑINO: Si el punto cae
a la derecha de la curva y
encima de la línea
punteada
DANIÑO: Si el punto cae
a la derecha de la curva y
por debajo de la línea
punteada
C 295-90
Examen petrográfico
de los agregados
para el concreto
Determina las caracte-rísticas
químicas y
físicas por observación
Reporta el examen
petrográfico e incluye
recomendaciones

8. petrográfica para la
performance del material
en el concreto
C 1260-94
(aprobado Marzo 94
y publicado mayo 94)
Reactividad alcalina
potencial de
agregados (Método
Barra)
Permite determinar en
sólo 16 días la RAS
potencialmente dañina
de agregado en barras
de morteros expuestos
en solución NaOH 1N
Lecturas de expansión:
a 24 horas LI
a 48 horas LO
en lapso de 14 días
3 lecturas en períodos
iguales
Curados a 80 ± 2°C
INOCUO:
Exp. = < 0.10% a 16 días
DAÑINO:
Exp. = > 0.20% a 16 días
Estudios adicionales si:
Exp. = 0.10-0.20% a 16
días
4.3 NORMAS TECNICAS PARA PUZOLANAS Y ADITIVOS MINERALES
RELACIONADOS CON LOS ALCALIS
Norma ASTM ALCANCE/RESUMEN RESULTADOS/VALORES INTERPRETACION
ESPECIFICACIÓN
C 240-97
Especificación para
Especifica a humos de
E. químicos:
humo de sílice para
sílice para uso en
Na2O eq. Máx. = 1.5%
uso como aditivo
concreto u otros
mineral en
sistemas que contienen
E. físicos: (opcional)
agregados, mortero y
cemento hidráulico
Contrac. Min = 80%
concreto de cemento
con ASTM C 311
hidráulico
Cuando se va a usar en
un concreto con
agregados reactivos
C-595-97
Especificación para
Cementos hidráulicos
Adiciones
Especifica requisitos
físicos y químicos para 5
tipos de cementos y
álcalis para puzolanas y
escorias
Expan. Máx. = 0.05% a 91
días
De acuerdo a C227
Se usan cementos tipos
IPM –IPM(A) y con 2.5, 5,
7.5 10, 12.5 y 15% de
puzolana
C-618-97
Esp. Para cenizas
volantes de carbón
puzolanas naturales
naturales o calcina-das
para uso como
aditivo mineral en
concreto
Especifica a los aditivos
minerales por actividad
puzolánica o cementicia
a ambos necesarios en
el concreto
Na2O eq. Máxz. = 1.5% Para los tipos aditivos
minerales: N, f, c.
N = Puzolana natural
F = cenizas de C. Antracit
C = ceniza de C
submitominoso y lignito
DE ENSAYO
C-311-97
Muestreo, ensayo de
cenizas volantes o
puzolanas naturales
para uso como
aditivo mineral en
concreto de cemento
portland
E. = Físicos: produce
datos para comparar con
los requisitos de C 618
por efectividad del
mineral en el control de
RAS
E. Químico: determina el
alcali disponible (Na y K)
según método C114
Usa:
1.-Mezclas de control según
C411 con cemento de 0.5
– 0.6%
2.- Mezcla de ensayo:
Cem + ad. = 400 g
Pyrex = 900g
3. Proced según C227
Det. El % de Na + K
Efectivo:
< ó = 0.05% a 3 meses
< ó = 0.10% a 6 meses
%Na2O, máx. = 1.5 para
mat. Tipo N, F y C según
C618
C 441-96
Efectividad del
aditivo mineral o
escoria granulada de
alto horno en la
prevención excesiva
expansión del
concreto por la RAS
Evaluación preliminar o
de descarte por la
efectividad relativa de
distintos materiales para
usarse en la prevención
de expansión debida a la
RAS
1.- Mezcla de control
Cem. = 400 g
Pirex = 900 g
2. Mezcla de ensayo:
Cem = 300g
A. min. = 100 xd.M/3.15
Pyrex = 900g
1 y 14 días, a 1, ..12 y 24
meses de edad
Re=(Ec-Ee) x 100/Ec
Si existe retracción
entonces tiene efectividad
de control de la RAS
Re= % retracción
Ec= Exp. M de control
Ee=Exp. M ensayo

9. 5. METODOS PARA PREVENIR Y/O CONTROLAR LA REACCION
EXPANSIVA ALCALI-SILICE DE CEMENTO Y AGREGADO
Los problemas de la reactividad álcali-sílice se pueden evitar o controlar de
varias diferentes formas, algunas de las clásicas son:
- No usar rocas reactivas o, por lo menos, mezclarlo con agregados no
reactivos.
- No usar cementos o materiales cementicios con alto contenido de
álcalis.
- Usar cementos con contenidos de álcalis menores que 0.6% de bajo
álcali
- No usar aditivos o agua de mezclado que contengan álcalis.
- Usar menores contenidos de cemento y bajas relaciones
agua/cemento.
- Remplazar una parte del cemento con una cantidad adecuada de
materiales con contenido de sílice reactiva finamente pulverizado,
como la puzolana.
6. PARTE EXPERIMENTAL.- RESUMEN DE ENSAYOS DE
REACTIVIDAD ALCALINA
Como se ha señalado anteriormente, en el laboratorio ARPL se han venido
ejecutando ensayos por reactividad alcalina de los agregados por el método
químico o expansión de barras de mortero de cemento o con combinaciones de
cemento-agregado.
La Tabla 1 muestra los resultados de los ensayos de RAS ejecutados sobre la
expansión de las barras de mortero con agregados de distinta procedencia.
La Tabla 3 muestra los resultados del potencial de RAS mediante el método
químico C 289.
La Tabla 4 muestra los resultados comparativos de los ensayos de RAS
usando el método químico C 289 y físico C 227.
La Tabla 5 muestra la RAS usando distintas puzolanas de distinta procedencia.
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El fenómeno del potencial de reactividad álcali-sílice expansivo de los
agregados, se viene tomando en cuenta en nuestro medio en los últimos años.
Desde su descubrimiento por sus efectos dañinos en 1940 y hasta la actualidad
se vienen investigando para prevenir, controlar y tener mayor conocimiento del
fenómeno, a la par se están diseñando nuevas normas y métodos acelerados

10. de evaluación, en vista que la respuesta de los resultados para ser confiables
físicamente son demasiado largos llegando hasta 24 meses o más.
Los laboratorios del campo del cemento y la construcción deben ponerse a la
altura de las crecientes exigencias poniendo a punto los métodos y normas
técnicas más usuales, así como capacitar permanentemente al personal
técnico.
Efectuar ensayos cooperativos en el campo de los ensayos de reactividad
alcalina.
De los ensayos de RAS efectuados en ARPL se observan que existen canteras
con agregados potencialmente reactivos ubicados especialmente en la zona
sur del país, así como la zona del norte chico y del departamento de Ancash
que necesitan ser mejor estudiadas.
Identificar y coadyuvar en la evaluación, localización y mapeado de las
canteras de agregados de nuestro país.
8. BILIOGRAFIA
1. G. M. Idoro and Della M. Roy : "Opportunities with Alkalis in Concrete
Testing, Research. and Engineering Practice". ASTM STP 930 VH.
Dudson ASTM Philadelphia. 1986.
2.- David Stark and Muharnmad S.Y. Bharty: "Alkali-Silica Reactivity: Effect
of Alkali in Aggregate on Expansion". ASTM STP 930. Philadelphia, 1986
3. Richard Helmuth and David Stark: "Alkali-Silica Reactivity Mechanisms".
Materials Science of Concrete III
4. M.D.A Thomas. R Doug Hooton and C. A Rogers: 'Prevention of
Damage Due to Alkali-Aggregate Reaction (AR) in Concrete
Construction - Canadian Approach". Cement, Concrete and Aggregate,
Vol. 19, N° L 1997.
5. Leslie Struble and Sidney Diamond: "Influence of Cement Alkali
Distribution on Expansion Due to Alkali-Silica Reaction". ASTM STP 930.
Philadelphia. 1986.
6. Robert L. Smith and Carl F. Raba. Jr.: "Recent Developments in the Use
of Fly Ash to Reduce AIkali-Silica Reaction". ASTM STOP 930.
Philadelphia. 1986.
7. Michael L. Leming and Bao Q. Nguyen: "Limits on Alkali Content in
Cement - Results from a Field Study. Cement, Concrete and Aggregate.
Vol 22, N° 1, Junio 2000.

11. 8. Leslie JK. Struble ansd Claus Pade.: Proposed New Test Procedure for
Measuring Alkali-Silica Expansion Produced by Hydraulic Cement".
Cement, Concrete and Aggregate Vol. 22 N° 1, June 2000.
9. Benoit Fournier, Marc-Andre, and Guy Bergeron: "A Rapid Autoclave
Mortar bar Method to Determine the Potential Alkali-Silica Reactivity of
St. Lawrence Lowlands Carbonate Aggregates (Quebec, Canada)".
Cement, Concrete and Aggregate Vol 13. N° 1 Verano 1991.
10. Manuel Gonzáles de La Cotera: "Guía Introductoria a la Durabilidad en
Concreto". Revista Ingeniería N° 22
11. ASTM: Annual Book ASTM Standards. Vol. 04.01, Cement, Lime,
Gypsum.
12. ASTM: Annual Book ASTM Standards. Vol. 04.02, Concrete and
Aggregates.