SECCIÓN INGENIERÍA CIVIL

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1 571 EL DIQUE DE PIEDRA DEL ÁGUILA. DESARROLLO Y APLICACIÓN DE UNA METODOLOGÍA PARA EVALUAR EL HORMIGÓN ADYACENTE A FISURAS POR LAS QUE ESCURRIÓ AGUA DURANTE 25 AÑOS * Ing. Alberto GIOVAMBATTISTA Académico de número Resumen El Dique de Piedra del Águila se encuentra sobre el río Limay, a 250 Km de las ciudad de Neuquén, República Argentina. Su propósito es la producción de energía eléctrica y la regulación de crecidas. Es una presa de gravedad en hormigón masivo, integrada por 42 bloques independientes o módulos. Tiene un volumen de m3, altura máxima de 172 m, longitud de coronamiento igual a 820 m y ancho máximo del orden de los 110 m al nivel de su fundación. El llenado del embalse se inició en El enfriamiento brusco por el agua del río generó fisuras de hasta 5 mm de abertura. Se aplicaron soluciones inmediatas para aliviar presiones y evitar la propagación de las fisuras. También se buscó reducir el volumen de las filtraciones para evitar la inundación de las galerías. Se previó la inyección de las fisuras con resinas epoxi, pero ello debió diferirse hasta la estabilización térmica de la masa interior del dique, lo que recién ocurrió en En 2004 se requirió investigar si el escurrimiento de agua por las fisuras había afectado al hormigón adyacente a ellas. A ese fin se desarrolló una metodología basada en la observación de la superficie de las fisuras y de cortes delgados correspondientes a distancias progresivas desde aquéllas, con identificación de productos. Se utilizó microscopia óptica y SEM y EDAX. Los resultados obtenidos permitieron apreciar que la lixiviación producida por el escurrimiento de agua había afectado la superficie de las fisuras y a 10 mm de hormigón adyacente. Keywords: dique, hormigón, fisura, lixiviación, microscopía. 1. Introducción El Dique de Piedra del Águila se encuentra sobre el río Limay, a 250 Km de las ciudades de Neuquén y San Carlos de Bariloche. Su propósito funda- * Conferencia pronunciada en la sesión plenaria del 4 de octubre de 2010.

2 572 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES E INSTITUTOS DE LA ACADEMIA mental es la producción de energía eléctrica. A ese efecto tiene 4 grupos turbogeneradores de 350 MW cada uno. También contribuye a la regulación de crecidas y posee un embalse de hm 3. Se trata de una presa de gravedad en hormigón masivo. Está integrada por 42 bloques independientes o módulos, separados por juntas de contracción de 2 a 3 mm de abertura, provistas de barreras de estanqueidad. En la Figura 1 se observa al dique desde aguas abajo. Figura 1 A tales efectos, se perforaron drenes desde las galerías hasta interceptar la fisura en una línea vertical próxima al paramento, con los cuales se lograron los objetivos buscados. También se aplicaron otras medidas complementarias sobre las cuales no se abunda por no afectar al tema de este trabajo. Las fisuras de mayor importancia se encuentran en los Módulos 16, 17, 27, 29, 31, 32, 35 y 36. Sus características difieren en magnitud y ubicación. La fisura del Módulo 16 está dispuesta según un plano inclinado no centrado en el bloque. Su abertura varía, acompañando las fluctuaciones del nivel del embalse y de la temperatura. Las fisuras de los Módulos 17, 27, 29, 31 y 32 son normales al eje de la Presa, están ubicadas aproximadamente en el medio del bloque y se produjeron con el llenado del embalse, por retracción térmica diferencial. En los Módulos 35 y 36 existen fisuras según un plano diagonal próximo a la junta de contracción, que han provocado una fractura en dos partes de estos bloques. También estas fisuras se abren y se cierran con la variación de temperatura. Todas las fisuras están drenadas, según se indicó anteriormente, excepto la del Módulo 36.

3 573 En las Figuras 2 y 3 se muestra la ubicación de las fisuras sobre el paramento de aguas arriba y un perfil del desarrollo estimado para la fisura del Módulo 32. Figura 2 Superada la emergencia, se planteó la reparación de las fisuras mediante su inyección con resina epoxi. Pero este trabajo debe realizarse luego de que el núcleo del dique se enfríe a la temperatura de equilibrio con el medio exterior. Situación que recién se dio en el año Los módulos habían sido construidos con un núcleo de hormigón masivo interior, de bajo contenido de cemento, y hormigones de mayor resistencia en los paramentos de aguas arriba y aguas abajo. En la Tabla 1 se dan las características de los hormigones existentes en las zonas fisuradas. Figura 3

4 574 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES E INSTITUTOS DE LA ACADEMIA Tabla 1 - Tipos de hormigón y contenidos de cemento La explotación del dique está a cargo de Hidroeléctrica Piedra del Águila S.A. (HPDA). El correspondiente contrato de concesión exige su monitoreo permanente y la auditoría periódica por un panel de expertos internacionales. Algunos indicadores registrados por el monitoreo llevaron a que en el año 2004 el panel de expertos solicitara investigar la posible alteración del hormigón a consecuencia del pasaje de agua por las fisuras durante los 22 años transcurridos hasta ese entonces, desde el llenado del embalse. Las principales acciones y resultados obtenidos en dichas investigaciones se explican en el presente trabajo. 2. Los daños a evaluar y la metodología planteado para ello Era esperable que el pasaje de agua por las fisuras hubiera producido lixiviación de los compuestos solubles de la pasta de cemento endurecido, con la consecuente pérdida de masa y resistencia del hormigón. También podía haber erosionado la superficie de las fisuras con arrastre de las partículas finas, desagregado por la disminución de la adherencia a la pasta de cemento. El tema de la lixiviación puede verse en Giovambattista, De ese texto cabe transcribir que la estructura de la pasta de cemento endurecida está constituida por un sistema agregado de: silicato de calcio hidratado (gel de cemento), cristales de hidróxido de calcio y cristales de sulfoaluminatos. El conjunto constituye un seudosólido cuyos poros están total o parcialmente llenos de una solución alcalina con ph mayor que 12,5. Esta alcalinidad se debe a que el agua está saturada de iones Ca y tiene, además, iones Na y K en solución. En un cemento puro hidratado, sin adiciones minerales activas, los cristales de Ca(OH) 2 ocupan entre el 20 al 25% del volumen de la pasta y los

5 575 cristales de sulfoaluminatos entre el 10 y el 15%. Esos compuestos varían según la composición del clinquer. También disminuyen con el agregado de adiciones activas. En el caso del Ca(OH) 2, la disminución se produce por menor contenido de clinquer y además porque parte de ese compuesto se consume en la reacción puzolánica. En Piedra del Águila se utilizó un cemento puzolánico con aproximadamente 30% de toba volcánica. El pasaje de agua a través del hormigón produce el arrastre del líquido de poros saturado de calcio, y la disolución de los cristales de hidróxido de calcio hasta saturar el agua ingresante. La continua lixiviación del Ca(OH) 2 provoca pérdida de masa, aumento de la porosidad y disminución de resistencia. Si el proceso continúa hasta bajar significativamente la disponibilidad de cristales de Ca(OH) 2, entonces disminuye el ph del líquido de poros y sobrevienen otros procesos de deterioro: corrosión de las armaduras de acero para ph inferior a 9, lixiviación del calcio que forma parte de los silicatos para ph entre 6 y 4,5 y pérdida de estabilidad de los silicatos cuando el ph desciende por debajo de 4,5. En este último caso, el silicato se convierte en un gel de sílice sin poder ligante y el hormigón se termina desintegrando. Asimismo, cuando el agua escurre con velocidad, la acción química anterior suma un efecto abrasivo. La sinergia de ambos fenómenos agrava el proceso de degradación. Por otra parte, si el flujo de agua es reducido, la solución de Ca(OH) 2 se deposita sobre la superficie exterior aguas debajo de la estructura, el agua se evapora, el hidróxido cristaliza y posteriormente se combina con el CO 2 del aire formando carbonato de calcio, que es muy poco soluble y se adhiere fuertemente al hormigón. Cuando ocurre este proceso, los pasajes de agua se sellan y la lixiviación se hace regresiva. De lo expuesto en párrafos precedentes queda claro que un fenómeno de lixiviación puede ser de carácter progresivo, con aumento del flujo y de la degradación del hormigón, o de carácter regresivo, con sellado de los pasajes de agua. Cuando se da la primera situación, dependiendo de la vida en servicio de la estructura y de la velocidad del deterioro, puede llegar un momento en que sea necesario realizar tareas de mantenimiento. El fenómeno de lixiviación es de ocurrencia en las obras hidráulicas, pero difícilmente alcanza una magnitud que comprometa la estabilidad de las estructuras. Su efecto suele alterar los valores estéticos, y en algunos casos compromete el funcionamiento de la estructura. En la publicación mencionada más arriba se dan algunos antecedentes de lixiviación en diques de hormigón. En Piedra del Águila, una primera aproximación de la magnitud de la lixiviación se tuvo a partir de la evaluación del agua del embalse. Por su con-

6 576 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES E INSTITUTOS DE LA ACADEMIA tenido de CO 2, se asumió que era débilmente agresiva. Pero debíamos medir su efecto en la estructura y especialmente determinar la eventual disminución de la resistencia del hormigón en las adyacencias de la fisura. Para ello, dado el tamaño máximo del agregado utilizado en el hormigón (ver Tabla 1), se requería la extracción de testigos de 270 mm de diámetro, lo cual era prácticamente inviable. Se optó entonces por extraer testigos de 100 mm de diámetro y estimar la pérdida de resistencia a partir de la pérdida de masa en los poros del hormigón. A ese efecto se tuvo en cuenta que la resistencia relativa de los materiales es una función de su porosidad, como muestra la Figura 4. Figura 4 3. Estudios realizados y resultados obtenidos En los módulos 16, 27, 32, 35 y 36 se ejecutó un total de diez (10) perforaciones con extracción de testigos, buscando interceptar los planos de fisura

7 577 entre la galería y el paramento de aguas arriba. Se realizó la observación macroscópica de los testigos. Luego se cortaron treinta y seis (36) rodajas normales al eje de los testigos y a partir de la traza de las fisuras, con un espesor variable entre 25 mm y 30 mm. Sobre la superficie de las rodajas se realizaron las siguientes determinaciones, que fueron ejecutadas por el Departamento de Geología de la Universidad Nacional del Sur: a) Microscopia óptica para: i) evaluar la cantidad y tamaño de poros existentes sobre la superficie del corte; ii) cuantificar el contenido de hidróxido de calcio en el interior de los poros; iii) analizar aspectos particulares observados en cada caso. b) Difractometria de rayos X para determinar la composición mineralógica (química) del material contenido en los poros y cavidades de las rodajas analizadas. Estas determinaciones no aportaron información significativa. No se logró purificar suficiente muestra para que el DRX resultara concluyente. c) Microscopias electrónicas de barrido (SEM) para complementar las microscopias ópticas e identificar con EDAX a los productos presentes en los poros y cavidades. Esto último constituyó una herramienta alternativa a la mencionada en a). d) Además, se realizó macroscopia y difractometria de rayos X para identificar el material clástico encontrado en las superficies de las fisuras. Se observaron 21 rodajas para evaluar la distribución y el tamaño de los poros. En cada rodaja se estudiaron, como mínimo, 9 campos microscópicos elegidos al azar, descartando aquellos en que el agregado grueso cubría más del 50% de la superficie del campo. Se cuantificó: i) la superficie total de poros en relación a la superficie observada, ii) la longitud de poros interceptados en relación a la longitud total del perfil y iii) el estado de colmatación de los poros observados. De su análisis surgió que la posición relativa de la superficie observada y la afluencia de agua no se correlaciona con el contenido de hidróxido de calcio contenido en los poros interceptados por esa superficie. Consecuentemente, se descartó a la cuantificación de poros como elemento de medición de la lixiviación de hidróxido de calcio producida en el hormigón próximo a las fisuras. No obstante, las determinaciones a) y c) dieron información muy útil para estimar el grado de afectación del hormigón adyacente a las fisuras, tal como ilustran las Figuras 5 a 7. Cabe destacar que los aspectos particulares encontrados en las microscopias ópticas fueron confirmados con SEM y EDAX, como surge de la Tabla 2. La Figura 5 muestra una microscopía óptica de un hormigón no afectado por el escurrimiento de agua por la fisura. Esta imagen se obtuvo a unos 15

8 578 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES E INSTITUTOS DE LA ACADEMIA mm de profundidad en el interior de la rodaja, lejos de superficies afectadas por el cortes. Se observa que la mayoría de las cavidades de aire están total o parcialmente ocupadas por hidróxido de calcio. Una de ellas contiene un nido de etringita primaria. La Figura 6 corresponde a un hormigón alterado sobre la superficie de la fisura en el módulo 32, nivel 472. En la zona periférica del agregado grueso se acumularon abundantes cavidades de aire que el proceso erosivo comunicó entre sí dando lugar al canal que prácticamente despega al fragmento de roca. La circulación de agua eliminó al cemento y algo del agregado fino. Las partículas de éste están desnudas y el mortero tiene modificada su textura. Figura 5 Figura 6

9 579 Las Figuras 7.a, 7.b y 7.c son micrografías con SEM. Las dos primeras muestran poros vacíos en el Módulo 32, nivel 472, primera rodaja (M32N472- R1ar). Corresponde a una sección muy próxima a la visualizada en la Figura 6. La longitud de referencia en la 7.a es 200 micrómetros. En la Figura 7.c (M36-N528-R2ar), por el contrario, se aprecia un poro que no ha sufrido lixiviación, y permanece tapizado con cristales de hidróxido de calcio más etringita. La longitud de referencia en la 7.a es 10 micrómetros. Figura 7.a Figura 7.b Figura 7.c

10 580 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES E INSTITUTOS DE LA ACADEMIA Tabla 2 Rodaja Distancia a la Fisura [mm] Daños Micrografía óptica Cristales de Ca(OH) 2 Cristales de etringita Lixiviación de Ca(OH) 2 SEM y EDAX Cristales de Ca(OH) 2 Cristales de etringita M36-N528-R1ab 00 Sí No No M32-N472-R1ar 00 Sí No No Sí No No M36-N 528-R1ar 10 Sí M36-N528-R1ab 7 No Sí Sí, grandes No no M36-N528-R2ar 10 No Sí No Parcial Escasos -- M16-N528-R2ab M16-N528-R2ab M32-N500-R3ab M36-N528-R3ar 25/65 No Sí Sí No Sí Sí M32-N472-R2ar M32-N472-R6ab 30/210 No Sí No No Sí Sí Por otra parte, se realizó la determinación del contenido de óxido de calcio (CaO) en el mortero del hormigón de 11 rodajas ubicadas a distancias variables desde la fisura. Resultó un valor medio de 11,6% referido al peso del mortero, con un desvío estándar de 0,6%. Los valores extremos fueron 11,0% y 11,9%. Correspondieron, respectivamente, a rodajas adyacente y alejada de una fisura. Las diferencias encontradas son convergentes con las observaciones microscópicas. Los contenidos de CaO hallados en las rodajas fueron comparadas con los contenidos teóricos calculados a partir de la información disponible de la construcción del dique, y resultaron del mismo orden.

11 Conclusiones Las observaciones de todas las rodajas y los análisis realizados llevaron a las siguientes conclusiones: El agua del embalse es ligeramente agresiva por su capacidad de lixiviar calcio. Se produjo pérdida del material cementante en la superficie de las fisuras. En un espesor de 10 mm adyacente a la fisura, se observó lixiviación parcial del hidróxido de calcio en áreas reducidas y puntuales de las rodajas. No obstante, hay hidróxido suficiente para mantener la estabilidad de los silicatos y no hay pérdida de masa significativa. A más de 10 mm de la superficie de las fisuras el hormigón no tiene alteraciones de ningún tipo. Los caudales que escurren por las fisuras en general son estables. A nivel ingenieril, y de acuerdo a las determinaciones realizadas, se puede asegurar que el pasaje de agua afecta sólo al hormigón de la superficie de las fisuras. La metodología desarrollada resultó adecuada para evaluar el estado del hormigón adyacente a las fisuras. 5. Agradecimiento El autor agradece a Hidroeléctrica Piedra del Águila S.A. y en particular, a su Jefe Mantenimiento de Obras Civiles y Auscultación, Ing. Pablo Castro, por haber autorizado la publicación de la información utilizada en este trabajo. 6. Referencias Castro, Pablo Hidroeléctrica Piedra del Águila S.A. Estado del hormigón adyacente a fisuras. Exposición al panel de expertos. Giovambattista, Alberto Hidroeléctrica Piedra del Águila S.A. Informe 1-07, Estudios sobre el estado de los hormigones de la Presa de Piedra del Águila en las adyacencias de las fisuras existentes. Segunda Parte. Giovambattista, Alberto Hormigón: materiales, vida útil y criterios de conformidad y su consideración en el reglamento Cirsoc , 1ª ed., San Martín, Inst. Nacional de Tecnología Industrial INTI. ISBN