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Análisis de álcalis en agua de amasado en hormigón

Fotómetro de llama marca Jenway modelo PFP7 perteneciente a las instalaciones de EQA Laboratorio, S.L.

Cumplimiento del Código Estructural RD 470/21 a través de la Fotometría de Llama. La empresa EQA Laboratorio S.L quiere realizar esta nota técnica para poner en valor la importancia de la determinación precisa de los niveles de álcalis en el agua de amasado en la producción de hormigón de alta calidad, conforme a las especificaciones del código estructural RD 470/21.

Dr. J Agustín Herrera Rubia. Ldo en Química y Doctor en Ciencias de la Tierra.
Director de Calidad y Medio Ambiente en EQA Laboratorio S.L.

La calidad del agua utilizada en el proceso de amasado es un factor decisivo en la producción de hormigón de alta calidad. El agua de amasado reacciona con el cemento, facilitando las reacciones químicas que contribuyen al endurecimiento y fortaleza del hormigón. Por lo tanto, la composición química del agua puede afectar de manera significativa a las propiedades finales del hormigón, incluyendo su resistencia, durabilidad y apariencia.

La presencia de impurezas o sustancias disueltas en el agua, como pueden ser álcalis (oxido de sodio y potasio), sulfatos, cloruros, entre otros, pueden interferir con el proceso de hidratación del cemento y afectar de manera negativa a la reactividad y la estructura microscópica del hormigón endurecido (Taylor, 1997). En particular, los álcalis, como el sodio y el potasio, pueden reaccionar con ciertos agregados y causar expansión y fisuración, un fenómeno conocido como reactividad álcali-agregado (RAA). Por tanto, la medición precisa de los niveles de álcalis en el agua de amasado es de suma importancia para asegurar la conformidad con las normativas vigentes y garantizar la calidad y durabilidad del hormigón.

El Código Estructural RD 470/21, en su Artículo 29, especifica la necesidad de determinar los álcalis en el agua de amasado, expresados en Na2O equivalente (Na2O + 0,658 K2O) y esta debe ser inferior o igual a 1,5 g/L o 1500 ppm (partes por millón), como una medida para controlar y mitigar los riesgos asociados con la reactividad álcali-agregado y otras potenciales degradaciones del material (RD 470/21, 2021). Sin embargo, en el Código Estructural no hace referencia a ninguna norma donde explique cómo realizar el ensayo , por lo tanto, cada laboratorio se debe crear un procedimiento interno técnico de ensayo para realizar la determinación de los álcalis en agua de amasado.

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Metodología general para analizar los álcalis en agua de amasada mediante fotometría de llama

La Fotometría de Llama (Figura 1) es una técnica analítica consolidada que permite determinar la concentración de ciertos metales en una muestra mediante la medición de la intensidad de la radiación emitida o absorbida por los metales cuando se les expone a una llama (Skoog, West & Holler, 1996).

En el contexto del análisis de álcalis en agua de amasado para hormigón, esta técnica es especialmente relevante para la determinación de las concentraciones de sodio (Na) y potasio (K), cuyas presencias son expresadas como óxido de sodio equivalente (Na2O equivalente). A continuación, se describen los pasos generales que se crearon en el procedimiento técnico de ensayo en EQA Laboratorio S.L (Tabla1, página siguiente), así como las consideraciones más relevantes de la metodología de evaluación de álcalis mediante fotometría de llama en una tabla resumen:

Impacto de los niveles elevados de sodio y potasio en el hormigón

Unos niveles elevados de sodio y potasio en el hormigón pueden conducir a una serie de problemas relacionados con la durabilidad y desempeño del material. Ambos elementos, cuando están presentes en altas concentraciones, pueden contribuir a una reacción química conocida como reactividad álcali-agregado (RAA). A continuación, se discuten los principales impactos y mecanismos asociados con altas concentraciones de sodio y potasio en el hormigón:

Reactividad Álcali-Agregado (RAA)
Mecanismo de Reactividad: Los álcalis (sodio y potasio) presentes en el agua de amasado pueden reaccionar con ciertos tipos de agregados reactivos presentes en el hormigón, como sílices (RAS) y silicatos(RASS). (Stark et al., 1993).

La reacción básica de la RAS es:
SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O

La reacción básica de la RASS es:
KAlSi3O8+NaOH→NaAlSi3O8⋅H2O+KOH

Estas reacciones producen un gel hidratado expansivo que, en presencia de humedad, puede provocar presiones internas en la estructura del hormigón, resultando en la expansión y eventual fisuración del material.

Consecuencias de la RAA y RASS
Fisuración: La expansión causada por el gel de la RAA o RASS puede llevar a la fisuración del hormigón, lo que compromete su integridad estructural.

Permeabilidad aumentada: Las fisuras generadas pueden aumentar la permeabilidad del hormigón, facilitando la penetración de agentes dañinos como cloruros y sulfatos.

Degradación: La RAA acelera la degradación del hormigón, reduciendo su vida útil y aumentando los costos de mantenimiento y reparación.

Tabla 1. Resumen del procedimiento técnico interno de ensayo en EQA Laboratorio S.L.

Etapas del proceso Acciones Detalles
Preparación de la muestra Recolección de una muestra representativa del agua de amasado  
Filtración de la muestra (si es necesario) para eliminar partículas en suspensión  
Calibración del
fotómetro de llama
Preparación de soluciones patrón con
concentraciones conocidas de sodio y potasio
 
Calibración del fotómetro usando las soluciones patrón para establecer la recta de calibración Relación entre la intensidad de la radiación y la concentración de los metales
Análisis de la muestra Introducción de una alícuota de la muestra en la llama del fotómetro  
Excitación de electrones de sodio y potasio en la llama y medición de la radiación emitida Las longitudes de onda características de la radiación son medidas por el fotómetro
Cálculo de Na2O equivalente Uso de la recta de calibración para determinar las concentraciones de sodio y potasio en la muestra  
Cálculo del Na2O equivalente usando la fórmula Na2O equivalente = Na2O + 0.658xK2O  

 

Otras reacciones y efectos
Efecto en la hidratación del cemento: Los álcalis pueden afectar la velocidad de hidratación del cemento, lo que a su vez puede influir en la resistencia y durabilidad del hormigón.

Corrosión de armaduras: Aunque los álcalis en sí no causan corrosión, la permeabilidad aumentada debido a la RAA puede facilitar la entrada de cloruros, que son corrosivos para las armaduras de acero en el hormigón.

Decoloración: Los álcalis pueden contribuir a la decoloración del hormigón, afectando su apariencia estética.

Alteración de la trabajabilidad: Altas concentraciones de álcalis pueden alterar la trabajabilidad del hormigón fresco, afectando la facilidad con la que se puede mezclar, transportar, colocar y compactar.

La gestión adecuada de los niveles de álcalis en el agua de amasado es esencial para mitigar estos problemas y asegurar la entrega de un hormigón duradero y de alta calidad. La normativa, como el Código Estructural RD 470/21, proporciona los límites que no se deben de superar para que no aparezcan estas alteraciones o patologías en el hormigón.

Conclusión

La evaluación precisa de álcalis en el agua de amasado para no superar los límites que marca Código Estructural RD 470/21, es crucial para la calidad y durabilidad del hormigón. Los niveles elevados de sodio y potasio pueden desencadenar la reacción Álcali- Sílice (RAS), causando fisuras y deterioro. La fotometría de llama es una técnica robusta y confiable para determinar los niveles álcalis en el agua de amasado. Se recomienda seguir procedimientos estipulados, realizar controles rigurosos y promover la educación entre los profesionales de la industria. Este manejo adecuado de álcalis respalda la construcción de estructuras seguras, duraderas y conformes a las regulaciones vigentes, contribuyendo así a la optimización del desempeño del hormigón.

Bibliografía

  • Pecchio M., Kihara Y., Battagin A. F. y Andrade T. (2006), "Produtos da reaccáo álcalis silicato em concretos de edificacóes da regiáo do Grande Recife - PE", II Simposio sobre Reaccáo Álcalis agregado em Estruturas de Concreto, RAA 2006, IBRANCON, 10 p
  • RD 470/21 (2021). Código Estructural. Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana. Gobierno de España.
  • Skoog, D. A., West, D. M., & Holler, F. J. (1996). Fundamentals of Analytical Chemistry. Saunders College Publishing.
  • Taylor, H. F. W. (1997). Cement Chemistry. Thomas Telford.

EQA Laboratorios
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