¿Por qué se hincha y se agrieta el concreto?

Con AAR, los ingredientes básicos en el concreto son en realidad el problema: el cemento -el principal componente del concreto- contiene metales alcalinos como el sodio y el potasio. La humedad en el concreto reacciona con estos metales alcalinos para formar una solución alcalina. Los principales componentes del concreto son la arena y la grava, que a su vez contienen silicatos como el cuarzo o el feldespato. El agua alcalina reacciona con estos silicatos y forma un hidrato de silicato de calcio alcalino. Este mineral acumula humedad en su estructura, lo que hace que se expanda y gradualmente agriete el concreto desde adentro.

Lo más sorprendente aquí: La misma reacción química se produce en numerosas piezas de grava dentro del concreto; las pequeñas piedras se agrietan una a una. La presión que puede ejercerse sobre una estructura entera debido a esta micro-reacción es enorme: una pared de presa, por ejemplo, puede expandirse unos pocos decímetros. Esto puede causar daños en los puntos de conexión laterales a la roca o deformaciones en el área de la esclusa. La reacción se produce gradualmente, y el primer daño sólo se nota en las estructuras afectadas después de diez a quince años. Sin embargo, el continuo hinchamiento del concreto puede reducir seriamente la vida útil de las estructuras.

En 2015, un equipo de científicos de Empa y del Instituto Paul Scherrer (PSI) logró identificar la estructura del cristal acuoso que desencadena la hinchazón en el concreto. Anteriormente, esta estructura había sido objeto de muchas especulaciones.

El descubrimiento inspiró un proyecto de investigación interdisciplinario financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF). Además de Empa y PSI, también participan dos institutos de la EPFL. Las actividades de investigación son coordinadas por el investigador de la Empa Andreas Leemann. "Queremos estudiar y comprender la AAR en todas sus dimensiones, desde el nivel atómico y las escalas de longitud en el rango de Angstrom hasta estructuras enteras en una escala de centímetros y metros", explica Leemann.

Seis proyectos cubren todas las dimensiones

En el proyecto SNSF Sinergia se definieron seis subproyectos: La PSI utiliza la radiación de sincrotrón para estudiar la estructura de los productos de reacción con el fin de explicar sus fuentes. Los parámetros clave para la activación de los silicatos y la composición de los productos de reacción formados desde el principio están siendo estudiados en la EPFL; además, se están utilizando simulaciones por ordenador para investigar el impacto de la hinchazón en las estructuras.

Y en Empa, la formación de las grietas en el concreto está siendo investigada en resolución espacial y temporal usando tomografía computarizada en el Centro de Rayos X de Empa, y los cristales acuosos están siendo sintetizados en el laboratorio. Esto permite a los investigadores obtener mayores cantidades de la sustancia que normalmente se encuentra en grietas de tamaño nanométrico a micrométrico en pedazos de grava. Sin embargo, sólo con cantidades mayores de la sustancia en cuestión pueden determinarse con precisión las propiedades físicas.

Los hallazgos no sólo deberían ayudar a comprender mejor la AAR, sino que también deberían revelar formas de evitar daños y, por lo tanto, costos: "Ya estamos en el proceso de descodificar el fenómeno, que hasta ahora sólo se ha entendido en fragmentos", dice Leemann. El proyecto, de cuatro años de duración, se puso en marcha en mayo de 2017. Los primeros resultados ya están en marcha. El siguiente paso consistirá en vincular más estrechamente a cada uno de los grupos y basarse en los resultados de los socios. Al final, esto debería proporcionar una imagen más completa de los TCA que permita medir con mayor eficacia el estado y el riesgo de las estructuras de concreto y supervisar más científicamente el destino de los edificios afectados.