11.3. Agregate naturale și concasate#
Intuiție
Trei sferturi din volumul unui beton este piatră măruntă. Ea trebuie să fie curată, de formă potrivită, rezistentă și, lucru care se uită ușor, inertă chimic față de ciment. Un agregat care reacționează cu cimentul fisurează betonul din interior, după zece-douăzeci de ani.
Agregatele sunt materiale granulare, naturale (nisip și pietriș din albii, terase sau depozite glaciare) sau concasate (obținute prin sfărâmarea rocilor de carieră), folosite ca material de umplutură inertă în beton, în mortare, în mixturi bituminoase și în straturile structurii rutiere și feroviare. Spre deosebire de piatra de construcție (Secțiunea 11.2), unde forma și dimensiunea blocului contează, la agregate interesează granulozitatea, forma granulelor (cât mai echidimensională, nu aciculară sau lamelară), curățenia (absența argilei și a materiei organice) și proprietățile mecanice discutate în Secțiunea 11.1.2 (coeficienți Los Angeles, micro-Deval, PSV).
Sursele de agregate naturale sunt balastierele din albiile majore și din terasele râurilor (nisip, pietriș, bolovăniș – vezi Secțiunea 3.4.3), iar sursele de agregate concasate sunt carierele de rocă compactă (calcare, andezite, bazalte, granite). Cerințele tehnice pentru fiecare destinație sunt fixate prin standardele de produs prezentate în Tabelul 11.1: agregatele pentru beton ((ASRO, 2008)) au cerințe stricte privind granulozitatea, conținutul de fine și de impurități, agregatele pentru mixturi bituminoase ((ASRO, 2003)) impun în plus valori minime ale coeficientului de șlefuire accelerată pentru stratul de uzură, iar agregatele pentru balast de cale ferată ((ASRO, 2003)) au cerințe severe de rezistență la sfărâmare și la uzură, date fiind solicitările dinamice repetate din trafic.
11.3.1. Reacția alcalii–silice (ASR)#
Nu orice agregat compatibil granulometric și mecanic este, automat, chimic inert în beton. O parte dintre rocile care conțin silice reactivă în forme slab cristalizate sau amorfe – opal, calcedonie, sticlă vulcanică, cuarț tensionat sau microcristalin – pot reacționa în timp cu hidroxizii alcalini (\(\ce{Na+}\), \(\ce{K+}\)) din soluția porilor pastei de ciment, într-un fenomen numit reacția alcalii–silice (ASR, alkali-silica reaction), observat pentru prima dată sistematic de Stanton (1940). Mecanismul, ilustrat în Figura 11.3, se desfășoară în patru etape: (1) soluția alcalină din porii pastei de ciment atacă silicea reactivă de la suprafața granulei de agregat; (2) se formează un gel alcalino-silicic higroscopic la interfața agregat–pastă; (3) gelul absoarbe apă din mediul înconjurător și își mărește volumul, generând presiuni de expansiune care fisurează pasta de ciment din jurul granulei; (4) fisurile se propagă și se interconectează în masa betonului, formând o rețea caracteristică, vizibilă la suprafață ca fisurare „în hartă” (map cracking), adesea însoțită de exsudații de gel prin fisuri.
Figura 11.3 Mecanismul reacției alcalii–silice (ASR) în beton: atacul alcalin asupra silicei reactive, formarea și umflarea gelului alcalino-silicic și fisurarea rezultată a pastei de ciment (schemă simplificată după Swamy, 1992, Thomas et al., 2013).#
Consecințele practice ale ASR sunt expansiunea și fisurarea betonului, cu reducerea rezistenței, a etanșeității și a durabilității structurii; fenomenul este deosebit de grav la structurile masive și la cele expuse permanent la umiditate (baraje, fundații, poduri), unde reacția, odată declanșată, evoluează pe durate de zeci de ani și este practic imposibil de oprit, ci doar de încetinit (Nixon și Sims, 2016). Prevenirea se face prin identificarea prealabilă a reactivității potențiale a agregatului (încercări petrografice și fizico-chimice de laborator), prin limitarea conținutului de alcalii al cimentului sau prin folosirea de adaosuri active (cenușă zburătoare, zgură, silice ultrafină) care fixează alcaliile într-o formă mai puțin mobilă (Thomas et al., 2013).
Reacția alcalii–silice – o degradare lentă, dar ireversibilă
Spre deosebire de multe defecte de execuție, care se manifestă rapid, ASR este o reacție chimică lentă, ale cărei efecte vizibile (fisurare, exsudații de gel, deformații) apar adesea la 10–20 de ani de la punerea în operă a betonului, când remedierea este costisitoare și, de regulă, doar paliativă. De aceea, verificarea reactivității potențiale a agregatului înainte de utilizare – element obligatoriu al studiilor geotehnice și de materiale pentru lucrări importante, mai ales baraje și poduri – este o măsură de prevenire mult mai eficientă din punct de vedere tehnic și economic decât orice intervenție ulterioară.