Reacciones expansivas internas : estudio de los áridos y hormigón de presas
Authors:   , Gobbi Andressa 
Published: July 2023

A significant part of the pathologies found in concrete dams is related with the presence of unsound aggregates that react with the cement paste. Such reactions may lead to expansions, causing damage and compromising the durability of the structure. Despite of the most frequent and studied in the literature is the alkali aggregate reaction (AAR), others reactions may cause similar consequences. This is the case of the internal sulfate attack (ISA) from the use of aggregates contaminated with iron sulfides. In presence of oxygen and water these compounds oxidase releasing sulfates which react with the portlandite and aluminates of the concrete. As a result, the secondary gypsum and secondary ettringite generated lead to expansive phenomena.
In spite of the increased number of studies considering ISA and its consequences, deeper insight regarding uncertainties such as how the ISA develops, its differences with respect to AAR from the diagnostic point of view, and if the ISA may occur combined with the AAR is required. In this line, specific experimental methods to predict the risk of ISA is also needed. The strategy adopted by most of the standards and guidelines limit the maximum content of iron sulfides and/or total sulfates present in the aggregate used to produce the concrete. Taking account that part of the iron sulfides do not react due to the protection of the interlocking rock, methods capable to quantify the effective amount that oxidize and is free to react with the phases present in the concrete are required.
The objective of this doctoral thesis is to answer these questions providing information regarding the accelerated evaluation of the sulfates releasing from the oxidation of the iron sulfides. Likewise, deeper study of the ISA in two real damps provides evidences of its development in parallel with the AAR. The work addresses complementary aspects which include the study of different accelerated procedures to evaluate the potential reactivity of the aggregates in terms of maximum release of sulfates and the study of the concrete from dams presenting expansive phenomenon.
Given the need of deep insight regarding the ISA of concrete, this doctoral thesis addresses the following key issues: the study of distinct accelerated procedures to assess the potential reactivity of aggregates regarding the maximum release of sulfates and the analysis of the concrete from two dams subjected to expansive phenomena.
The study of the aggregates assess the effects of the main variables related to the oxidation of the iron sulfides present in the aggregates used to concrete dam production. In this sense, the influence of variables such as: the temperature, the alkalinity of the medium, the aggregate size, the shapes and the time of agitation of the oxidation and sulfates releasing is assessed.
In the case of the concrete, the study deals with the experimental programme performed in two dams: Graus and Tavascán. In both structures, the main pathological manifestations are the expansive problems of internal origin responsible for significant horizontal and vertical movements. The experimental tests allow to confirm the main causes of the anomalous behaviour due to the internal reactions and the expansive behaviour associated. The methodology and the obtained results of several tests performed in the dams and at laboratory with specimens of concrete and samples of aggregates from the quarries are presented.
Complementary, a protocol of operations based on the obtained knowledge with the study of the dams of Graus and Tavascán is proposed. The protocol is a useful tool and guideline to the definition of a methodological approach towards the diagnostic of concrete dams presenting indications of expansions of internal origin.
Gran parte de las patologías encontradas en las presas de hormigón están relacionadas con la presencia de áridos inadecuados que reaccionan con la pasta de cemento, dando lugar a expansiones que causan daños y comprometen la durabilidad de la estructura. Si bien la reacción más frecuente y estudiada en la literatura es la álcali-árido (RAA), existen otras que también puede causar consecuencias similares. Este es el caso, por ejemplo, de la reacción sulfática interna (RSI) ocasionada por el uso de áridos contaminados con sulfuros de hierro. En presencia de oxígeno y agua, estos compuestos se oxidan, liberando sulfatos que reaccionan con la portlandita y los aluminatos presentes en el hormigón para producir yeso secundario y etringita secundaria, dando lugar a un fenómeno expansivo. A pesar del creciente número de estudios sobre la RSI y sus consecuencias, todavía se requieren más trabajos que permitan entender cómo se desarrolla la RSI, sus diferencias con respecto a la RAA desde el punto de vista de diagnóstico y si la RSI puede producirse en combinación con la RAA. Otro punto todavía pendiente de desarrollar son los métodos experimentales específicos para evaluar el riesgo de la RSI. La estrategia adoptada por la mayoría de las normativas es limitar el contenido máximo de sulfuro de hierro y/o sulfatos totales presentes en el árido utilizado para fabricar el hormigón. Sin embargo, parte de los sulfuros de hierro presentes no reaccionan al estar protegidos por la roca encajante por lo que se requieren métodos capaces de cuantificar lo que efectivamente se oxida y queda libre para reaccionar con las fases encontradas en el hormigón. La presente tesis doctoral tiene como objetivo responder a esas cuestiones, aportando información sobre la evaluación acelerada de la liberación de sulfatos a partir de la oxidación de los sulfuros de hierro. Asimismo, se ahonda en el estudio de la RSI en 2 presas reales, aportando evidencias del desarrollo de la reacción en paralelo a la RAA. El trabajo se ha abordado en diferentes vertientes complementarias que incluyen el estudio de diferentes procedimientos acelerados para evaluar la reactividad potencial de los áridos en términos de liberación máxima de sulfatos y el estudio del hormigón de las presas con fenómenos expansivos. A nivel árido se realiza el estudio del efecto de las variables de contorno relacionadas con la oxidación de los sulfuros de hierro presentes en los áridos utilizados en la fabricación del hormigón. En este contexto se busca evaluar la influencia de la temperatura, alcalinidad del medio, tamaño del árido, formas y tiempo de agitación en la oxidación y liberación de los sulfatos. A nivel hormigón, el estudio trata de las campañas experimentales realizadas en las presas de Graus y Tavascán, cuyas principales manifestaciones patológicas son problemas expansivos de origen interno responsables por movimientos horizontales y verticales significativos. Los ensayos experimentales permiten confirmar las causas principales de los comportamientos anómalos debidos a las reacciones internas y los comportamientos expansivos asociados. Se presenta la metodología y los resultados obtenidos en una serie estudios realizados en las presas y en laboratorio con testigos de hormigón y muestras de árido extraídos de la cantera. De forma complementaria, se propone un protocolo de actuación basado en el conocimiento obtenido a partir del estudio de las presas de Graus y Tavascán. Ese protocolo es una herramienta útil y sirve de guía a la definición del planteamiento metodológico para el diagnóstico de presas de hormigón con indicios de expansiones de origen interna.