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10/11/2004
Reactividad áridoReactividad árido--álcali en áridos para hormigónálcali en áridos para hormigón
Dolores García del Amo
Universidad Nacional de Educación a Distancia
10/11/2004
REACCIÓN ÁRIDOREACCIÓN ÁRIDO--ÁLCALI (RAA)ÁLCALI (RAA)
l Ciertos tipos de áridos + álcalis de la solución de poro de la pasta de cemento ---------- gel de sílice (R)o productos de la reacción del carbonato.
l En presencia de humedad el gel se expande, manifestándose con agrietamiento y movimientos diferenciales
l 1. álcalis + sílice reactiva------- gell 2. Gel + humedad------expansión
l Por ejemplo, la expansión del hormigón de plantas hidroeléctricas y presas, debido a RAA, puede originar:
– Deformaciones excesivas y agrietamiento de presas– Descuadre de puertas de aliviaderos– Distorsión de las partes mecánica
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REACCIÓN ÁLCALIREACCIÓN ÁLCALI--SÍLICE (RAS)SÍLICE (RAS)
l Reacción de los álcalis con áridos con formas de sílice pobremente cristalinas: ópalo, calcedonia, tridimita, cristobalita y vidrio volcánico.
l Los áridos son peligrosos cuando éstos minerales se presentan en cantidades entre 1 y 5 %.
l La expansión del hormigón es relativamente rápida; el agrietamiento de las estructuras se observa dentro de los 10 años posteriores a su construcción.
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REACCIÓN ÁLCALIREACCIÓN ÁLCALI--SÍLICE (RAS)SÍLICE (RAS)
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FASES DE AGRIETAMIENTOFASES DE AGRIETAMIENTO
• FASE 1. La parte superficial pierde humedad: suave retracción por secado
• FASE 2. RAA + formación de gel (la formación del gel puede originar reducción inicial de volumen) + absorción de humedad + hinchamiento + presión = separación de las grietas superficiales y posible exudación del gel.
• FASE 3. RAA continúa hasta:. La sílice se termine. El pH se reduzca. Haya suficiente secado superficial
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REACCIÓN ÁLCALIREACCIÓN ÁLCALI--SÍLICESÍLICE--SILICATO (RASS) O DE EXPANSIÓN SILICATO (RASS) O DE EXPANSIÓN LENTALENTA
l Reacción de los álcalis con áridos con cuarzo deformado o subgranulado (grauwacas, argilitas, arenitas, cuarcitas, gneis, granito, filita, arcosa, arenisca, etc).
l Los porcentajes minerales peligrosos son difíciles de establecer ya que dependen del grado de deformación del cuarzo.
l La expansión del hormigón es lenta; el agrietamiento de las estructuras puede no hacerse evidente hasta 20 años después de su
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EXPANSIÓNEXPANSIÓN
l Las expansiones pueden llegar a originar desplazamientos de diferentes porciones de una estructura.
l Como el deterioro del hormigón debido a RAA es lento, el riesgo de catástrofe es bajo.
l La RAA puede exacerbar otros mecanismos de deterioro (hielo-calor, deshielo, ataque por sulfatos) y a la inversa.
l Algunos de los mayores problemas de RAA detectados corresponden a presas de centrales hidroeléctricas.
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AGRIETAMIENTOAGRIETAMIENTOl Las estructuras afectadas por RAA se caracterizan por
presentar un característico patrón de grietas rodeando al árido.(visión óptima durante el secado del hormigón mojado)
l Procesos que dan lugar al agrietamiento:– 1º. Formación del gel sobre la partícula de árido reactivo– 2º. Absorción de agua por el gel– 3º. Aumento de volumen del gel que ejerce una presión >
10MPa en todas direcciones
– ESQUEMA
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Ajuste plásticoContracción plástica
Contracción por secadoContracción por carbonatación*
CONTRACCIÓN
Corrosión de la armaduraAtaque hielo-deshielo*
Recrstalización de sales*Gradiente térmico
EXPANSIÓN
CAPAS EXTERNAS
Ajuste plásticoContracción por secado
Calor de hidratación (exp. y cont.)Áridos con contracción
CONTRACCIÓN
Reacción árido-álcaliReformación de etringita (DEF)
EXPANSIÓN
INTERIOR
CAUSAS DEL AGRIETAMIENTO
*Agentes externos
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Análisis químicos y otros
Agentes externos agresivos
EXAMEN MICROSCÓPICO
Otras causas
SI
Análisis químicos y otros
Material interno peligroso
EXAMEN MICROSCÓPICO
Otras causas
NO
¿Está restringido a capas externas?
Causas no conocidas
Investigación estructural y análisis
CAUSAS ESTRUCTURALES
AGRIETAMIENTO OBSERVADO EN LA ESTRUCTURA
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DEPÓSITOS DEPÓSITOS SUPERFICIALESSUPERFICIALESl En las grietas del hormigón se pueden encontrar depósitos
superficiales (eflorescencias o exudaciones) de gel AAR o de carbonato cálcico. (color blanco a gris oscuro).
l Los depósitos superficiales pueden no acompañar RAA expansiva.
l Otros mecanismos pueden originar también eflorescencias (transmisión de agua a través del hormigón).
l Es conveniente un análisis químico para determinar si es gelAAR.
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POPOUTSPOPOUTSl Popout: Fragmento caido de la superficie del hormigón que
deja un agujero de entre 25 y 50 mm en el hormigón.
l La localización de gel RAA en el popout es un síntoma inconfundible de RAA. El análisis del árido situado en el fondo del hueco explicará la causa (ej. áridos porosos pueden absorber agua que bajo heleda se expandirá y formará un popout).
l Los popouts son estéticamante negativos pero normalmente no afectan a la durabilidad del hormigón. No implican necesaria expansión y agrietamiento futuro.
l Para minimizar su aparición conviene:– Elegir métodos de curado húmedos y regar la superficie con
agua antes del secado final– Utilizar materiales cementicios suplementarios que reduzcan la
RAA.
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IDENTIFICACIÓN IDENTIFICACIÓN DE ESFUERZOSDE ESFUERZOSl IMPORTANTE:
DISTINGUIR ENTRE LA REACCIÓN Y EL DAÑO RESULTANTE DE LA REACCIÓN
l Para diagnosticar que un hormigón está dañado por RAA es necesario:
– verificar la presencia de gel. PETROGRAFÍA (ASTM C-856)– encontrar un conjunto de grietas internas conectando
partículas de áridos que han reaccionado
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Previsión y minimización de riesgos Previsión y minimización de riesgos de RAAde RAA
. Control de los factores que afectan a la reacción
. Identificación de áridos potencialmente reactivos. Normativa de ensayos
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.1.1.-- Formas reactivas de sílice en el áridoFormas reactivas de sílice en el árido
ÁRIDOS QUE PUEDEN CONSIDERARSE REACTIVOS(CONTIENEN MÁS DE LAS SIGUIENTES CANTIDADES DE CONSTITUYENTES)
ÓPALO> 0,5 %
CHERTo CALCEDONIA
> 3,0 %
TRIDIMITAo CRISTOBALITA
> 1,0 %
ARENASy GRAVAS
NATURALES
FILITA
ARGILITA
GRAUWACA
GNEIS
GRANITO
CUARZO DEFORMADOo MICROCRISTALINO
> 5 %
VIDRIO ÁCIDO> 66 % SiO2
VIDRIO INTERMEDIO52 % - 66 % SiO2
VIDRIOVOLCÁNICO
> 3 %
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.2.2.-- Alto contenido en álcalis de la solución de poroAlto contenido en álcalis de la solución de poro
l Si el pH, o alcalinidad (normalmente de, al menos, 12,5) de la disolución de poro crece, el potencial para la raa crece también.
l El pH de la disolución aumenta con el contenido en álcalis del cemento.
l Si la concentración de álcalis es suficientemente grande , los hidróxidos alcalinos son capaces de romper incluso fuertes enlaces entre el silicio.
El uso de cemento de bajo de bajo contenido en álcalis puede no ser suficiente para controlar reacciones con áridos muy reactivos
l Ciclos repetidos de humedad-secado pueden originar concentraciones altas de álcalis en sitios localizados. (Al viajar la humedad a través del hormigón, disuelve álcalis y los transporta, depositándolos cuando la humedad se evapora)
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.3.3.--Humedad suficienteHumedad suficiente
l El gel producto de la reacción absorbe humedad originando expansión.
l La expansión puede aparecer en hormigones con una humedad relativa del 80%.
Cualquier incremento de la impermeabilidad del hormigón, reduce el movimiento de humedad y álcalis en él. Por ejemplo:
Uso de una baja relación agua/cemento*Uso de materiales cementicios suplementarios
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.4.4.--Contenido en álcalis del hormigónContenido en álcalis del hormigón
l Idealmente, el concepto de álcalis del hormigón debe incluir los álcalis de todos los ingredientes del hormigón.
(kg cemento/m3) x (%Na2O equivalente* del cemento/100) = kg álcali/m3
*(Na2O eq = Na2O + 0,658 K2O)Límite aceptable en Canadá y algunos países de Europa: 3 kg/m3 de hormigón.
En EEUU el método utilizado es especificar un cemento de bajo contenido en álcalis (Na2O equivalente* < 0,60 %).
l Pese a estas precauciones, el hormigón puede exhibir expansión si:. La humedad concentra los álcalis. El árido es extremadamente reactivo. Los álcalis provienen de ciertos minerales y aditivos químicos. “ los áridos. “ el agua. Alto contenido total en álcalis por alto contenido en cemento
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.5.5.-- Álcalis externosÁlcalis externos
l Álcalis externos pueden incrementar la expansión RAA especialmente cuando el hormigón está agrietado o es altamente permeable.
l Las fuentes de álcalis externos son: – Sales de deshielo– Agua del mar– Aguas subterráneas– Aguas de procesos industriales
El uso de desheladores para soluciones salinas o agua del mar impide que el cloruro sódico provea de cantidades ilimitadas de álcalis al hormigón.
Otros caminos para reducir el ingreso de álcalis externos:
Reducir la permeabilidad del hormigónUso de cubiertas protectorasLimpieza regular de la estructura
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.6.6.-- HumedadHumedad--secadosecado
l El hormigón con alto contenido inicial de agua puede mantener una humedad relativa interna alta si no se le permitió secarse, y, así, favorecer la RAA.
l La migración de álcalis puede aparecer con la alternancia de humedad-secado, concentrándose éstos cerca de la zona de secado.
Es deseable proveer al hormigón de un buen drenaje para minimizar la humedad disponible y el efecto de los ciclos humedad-secado.
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Factores que afectan a la RAA.Factores que afectan a la RAA.7.7.-- TemperaturaTemperatura
l El hormigón expuesto a altas temperaturas es más susceptible a la RAA que el que lo está a temperaturas inferiores.
l El efecto de alta o baja temperatura sobre la expansión última es árido-dependiente, con muchos áridos la reacción es mayor a mayor temperatura.
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Materiales y métodos para inhibir la Materiales y métodos para inhibir la RAARAA
l Utilizar cemento con:
– Cenizas volantes (ASTM C 618 Clase F)– Humo de sílice– Escorias de alto horno– Compuestos de litio
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Materiales y métodos para inhibir la Materiales y métodos para inhibir la RAARAA
l Utilizar cemento Portland de bajo contenido en álcalis (< 0,60 %)(baja a moderada reactividad de áridos)
l Limitar los álcalis del hormigónEuropa y Canadá: cuando se utilicen áridos reactivos, contenido en álcalis del hormigón < 3 kg m3
l Uso de materiales cementicios suplementariosRequerimientos químicos:• Escoria; Contenido en álcalis total < 1,0 %• Cenizas volantes “ < 4,5 %Requerimientos de dosificación:• Escoria mínimo del 50 %• Cenizas volantes entre 20 y 30 %
l Selección del árido– Resultado probado– Investigación de la calidad– En último caso, mezclarlos con áridos no reactivos
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Métodos de ensayo para la Métodos de ensayo para la evaluación de la RAA evaluación de la RAA
l Estudios de laboratorio
– EXAMEN PETROGRÁFICO(ASTM C 295) (UNE-EN 932-3, AENOR, 1997) (RILEM TC106/97/11)
– ENSAYO QUÍMICO(ASTM C 289 --NO RECOMENDADO--)(P 18 589 “ENSAYO CINÉTICO”)(UNE 146 507-EX, AENOR 1999)
--NO RECOMENDADO PARA REACCIONES DE CINÉTICA LENTA--
– ENSAYO ACELERADO DE BARRAS DE MORTERO(CSA A23.2-25A) (ASTM 1260)(UNE 146 508EX, AENOR 1999)
– ENSAYO DE PRISMAS DE HORMIGÓN(CSA A23.2-14A) (ASTM C 1293)(UNE 146 509EX, AENOR 1999)
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Métodos de ensayo para la evaluación de la Métodos de ensayo para la evaluación de la RAA. EXAMEN PETROGRÁFICORAA. EXAMEN PETROGRÁFICO
l IDENTIFICA MINERALES POTENCIALMENTE REACTIVOS
l ANÁLISIS MICROSCÓPICO BAJO LUZ POLARIZADA
l OTRAS HERRAMIENTAS (PLATINA UNIVERSAL, DRX, SEM, DIGITALIZACIÓN)PARA CARACTERIZAR LA TEXTURA DE LA SÍLICE
l ¡¡CUIDADO CON LA REPRESENTATIVIDAD DE LA MUESTRA!!
l INTERESANTE CORRELACIÓN PETROGRAFÍA-SERVICIO DEL ÁRIDO EN EL HORMIGÓN. ÚTIL EN ESPECIFICACIONES FUTURAS
l NO EVALUA SI EL ÁRIDO ORIGINARÁ EXPANSIÓN EN EL HORMIGÓN
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Métodos de ensayo para la evaluación de la Métodos de ensayo para la evaluación de la RAA. ENSAYO QUÍMICORAA. ENSAYO QUÍMICO
l ASTM C 289 : Se hace reaccionar el material con una solución alcalina de hidróxido sódico 1 N a 80 ºC . A 24 h se mide la cantidad de sílice disuelta desde el árido y la reducción en alcalinidad de la disolución.-SÓLO IDENTIFICA ÁRIDOS MUY ALTAMENTE REACTIVOS-
l P 18 589: Consiste en atacar la fracción granulométrica comprendida entre 0 y 315 µ del árido con una disolución de NaOH 1N a 80 ºC, midiendo en el filtrado, después de 24, 48 y 72 h, las concentraciones de sílice disuelta y de sodio por colorimetría y espectrofotometría de absorción atómica respectivamente.-NO ES UN ENSAYO PARA MATERIALES CON CINÉTICAS LENTAS- -SÓLO IDENTIFICA ÁRIDOS MUY REACTIVOS-
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Métodos de ensayo para la evaluación de la Métodos de ensayo para la evaluación de la RAA. ENSAYO ACELERADO DE RAA. ENSAYO ACELERADO DE BARRAS DE MORTEROBARRAS DE MORTERO
l Medida del cambio de longitud experimentado por una serie de probetas de mortero elaboradas con el árido a estudiar, después de haber sido sumergidas en agua a 80 ± 2 ºC (durante el primer día) y en una disolución de NaOH 1N a 80 ± 2 ºC (durante los 14 días siguientes)
AUTOR PAÍSDIAS DE
ALMACENAMIENTOEN NaOH A 80 ºC
LÍMITE DEEXPANSIÓN
Oberholster & Davies, 1986 Sudáfrica 12 > 0.11 indica expansiónpeligrosa
Berra et al., 1994 Italia 12 > 0.10
Shayan et al., 1988 Australia 1022
> 0.10> 0.10
Expansión < 0.01 indicaárido inocuo
Hooton & Rogers, 1993 Canadá CSA A23.2-25A 14 < 0.15 indica áridoinocuo
- USA ASTM C 1260-94 14 < 0.10 indica áridoinocuo
Wigum & Lindgard, 1994 Noruega 14 > 0.15< 0.15 indica árido
inocuoBatic et al., 1994 Argentina 28 -
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Métodos de ensayo para la evaluación de la RAA. Métodos de ensayo para la evaluación de la RAA. ENSAYO DE PRISMAS DE HORMIGÓNENSAYO DE PRISMAS DE HORMIGÓN
l Medida del cambio de longitud experimentado por una serie de probetas de hormigón elaboradas con el árido a estudiar, mantenidos a 38 ºC y 100 % de humedad relativa durante, al menos, 52 semanas.
ASTM C 227 --DESESTIMADO-- Expandía inicialmente muy lentamente pero continuaba expandiendo durante muchos años--
CSA A23.2-14 A ASTM C-1293– Cemento tipo I, alto en álcalis, 0,90% ± 0,1 % Na2O-equivalente) + NaOH hasta
simular 1,25 % de Na2O-equivalente en el cemento
– Relación agua/cemento de 0,42 a 0,45 (contenido en álcalis del hormigón de 5,25 kg/m3)
LÍMITE RECOMENDADO: MÁXIMO DE 0,04 % AL AÑOMenor para presas y contenedores nucleares
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DIAGNÓSTICO CORRECTODIAGNÓSTICO CORRECTO
O B S E R V A C I Ó N C O M E N T A R I O ¿ E S C O M P A T I B L EC O N L O S D A Ñ O S D EL A R A A ?
A g r i e t a m i e n t o v i s u a l A g r i e t a m i e n t oca rac t e r í s t i co dec o n t r a c c i ó n o e x p a n s i ó n .
S I
E d a d d e a g r i e t a m i e n t o < 5 o 6 a ñ o s S IE x a m e n d e l n ú c l e o M a c r o g r i e t a s d e 1 5 a 4 5
m m , a l g o d e g e l l l e n a n d op o r o s y á r i d o s a l g oa g r i e t a d o s .
S I
D i s t r i b u c i ó n i n t e r n a d e la g r i e t a m i e n t o
S i s t e m a d e g r i e t a s f i n a si n t e r c o n e c t a n d opa r t í cu l a s de á r idog r u e s o y f i n o a g r i e t a d a s .M a c r o g r i e t a s p r e s e n t e spe ro g r i e t a s f i nasa u s e n t e s e n l a r e g i ó nsuper f i c i a l .
S I
E x a m e n d e l á m i n ad e l g a d a
G e l i s ó t r o p o , g e ll l enando g r i e t a s f i na s ,ge l en l a pa s t a
S I
C o n t e n i d o e n c e m e n t o 4 7 0 k g / m 3 S IC o n t e n i d o o r i g i n a le s t i m a d o d e á l c a l i s
4 . 9 – 6 . 6 k g / m 3 S I
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DIAGNÓSTICO INCORRECTODIAGNÓSTICO INCORRECTO
OBSERVACIÓN O ENSAYO COMENTARIO¿ES LA OBSERVACIÓNCOMPATIBLE CONAAR? HIELO-DESHIELO?
Agrietamiento sobre el nivel dellenado
Algunas grietas paralelas a la caraexpuesta del muro
NO SI
Agrietamiento por debajo del nivelde llenado
Hormigón en buenas condiciones NO SI
Condición del núcluo encima delnivel de llenado
Grietas paralelas a la superficiedecreciendo en intensidad con ladistancia a la superficie
NO SI
Condición del núcleo debajo delnivel de llenado
No hay grietas visibles NO SI
Gel AAR sobre la superficie de losnúcleos
Pocos poros llenos o parcialmentellenos con gel
POCO -
Distribución de grietas bajo luzultravioleta (sobre el nivel dellenado)
Sistema interconectado de grietasen el corazón del hormigón.Expansión
NO SI
Distribución de grietas bajo luzultravioleta (bajo el nivel dellenado)
Grietas de menor intensidad quesobre el nivel. No expansión NO SI
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DIAGNÓSTICO INCORRECTODIAGNÓSTICO INCORRECTOOBSERVACIÓN O ENSAYO COMENTARIO
¿ES LA OBSERVACIÓNCOMPATIBLE CONAAR? HIELO-DESHIELO?
Examen de lámina delgada (sobreel nivel de llenado)
Baja concentración de gel ¡POCO SI
Examen de lámina delgada (bajo elnivel de llenado)
Concentración de gel baja POCO SI
Expansión de testigos en humedad Expansión pequeña POSIBLE -Expansión de testigos en solucióncaústica
Posterior formación de gel.Pequeña contracción
NO -
Resistencia hielo-deshielo deltestigo
Baja resistencia hielo-deshielo POSIBLE SI
EL DETERIORO DEL HORMIGÓN EN LA PARTE EXPUESTA DEL MURO ESDEBIDO PRIMARIAMENTE AL ATAQUE HIELO-DESHIELO Y QUE RAA ES IMPROBABLE QUE SEA UNA CAUSA SECUNDARIA DE DETERIORO
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MANTENIMIENTO DE ESTRUCTURAS DE MANTENIMIENTO DE ESTRUCTURAS DE
HORMIGÓN CON RASHORMIGÓN CON RAS
Hanshin Expressway Public CorporatiosHanshin Expressway Public Corporatios (Japón)(Japón)
Otros trabajos de reparación
NO RAA
INVESTIGACIONES DE CAMPO:. Medición de la apertura de las grietas
. Medida de la velocidad sónica del hormigón
TRABAJOS DE REPARACIÓN:. Suspensión del agua mediante juntas
. Impermeabilización del hormigón: lechadas, cubrimientos,etc
VERIFICACIÓN DE ESTRUCTURAS CON:Gel
Expansión total con def. de 1,000X10-6Grietas de 0,2-0,3 mm de espesor y 100 mm de long. total
SI RAA
EMISIÓN DEL JUICIO
INSPECCIÓN ÁRIDOS REACTIVOSEnsayos de expansión
Verificación del gelVerificación de minerales peligrosos
ESTRUCTURA ESTUDIADAGrietas + Gel + Expansión
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Ej. TANQUE DE AGUA, Ej. TANQUE DE AGUA, Mildura Mildura (Australia)(Australia)
DIAGNÓSTICO DEL HORMIGÓN:
– AGRIETAMIENTO CARACTERÍSTICO– EXUDACIÓN DE GEL– EXAMEN MICROSCÓPICO óptico+electrónico
• Coronas de reacción• Gel producto de la reacción
– ENSAYOS DE LABORATORIO NEGATIVOS
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Ej. TANQUE DE AGUA, Ej. TANQUE DE AGUA, Mildura Mildura (Australia)(Australia)
REPARACIÓN DEL HORMIGÓN:
– Restringir el agua de llegada a las columnas– Reducir la corrosión de la armadura
1º. SECAR EL TANQUE2º. LIMPIAR LA SUPERFICIE DE LAS COLUMNAS3º. DESHIDRATAR LA ESTRUCTURA (secado por
ventilación y calor durante 28 días)4º. APLICAR UNA CUBIERTA DE FIBRA DE
VIDRIO