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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.2 Santiago ago. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000200005 

Revista Ingeniería de Construcción Vol.24 N°2, Agosto de 2009 www.ing.puc.cl/ric PAG. 181- 194

 

Efecto de la adición mineral cal- zeolita sobre la resistencia a la compresión y la durabilidad de un hormigón

 

Juan José Dopico Montes de Oca**, José Fernando Martirena Hernandez*, Alberto López Rodríguez**, Raúl González López*

* Universidad Central Marta Abreu de las Villas. CUBA

** Empresa Prefabricado Industrial Villa Clara. CUBA

Autor de correspondencia:


RESUMEN

La práctica internacional reporta una creciente utilización de los hormigones de altas resistencias, con excelentes resultados en la durabilidad, relacionado con la obtención de una matriz cementicia muy densa, a partir del empleo de altos volúmenes de adiciones minerales muy finas, tales como las cenizas volantes, la microsílice, el metacaolín y otros materiales. Para los países emergentes, entre los cuales se ubica Cuba, el uso de estas adiciones puzolánicas resultan una solución relativamente costosa, dado los altos precios de importación de estos materiales puzolánicos, de ahí la utilidad de usar las fuentes nacionales de puzolanas disponibles de probada reactividad, como sustituías parciales de los contenidos de Cemento Portland Ordinario (CPO) en las mezclas de hormigón, sin que se vean afectadas significativamente sus propiedades. El presente trabajo muestra la influencia del nivel de sustitución de los contenidos de Cemento Portland por adición mineral cal- puzolana, en combinación con superplastificante, en el comportamiento de la resistencia a la compresión y la durabilidad de un hormigón. Varios niveles de sustitución de CPO son evaluados, utilizando toba zeolítica como puzolana. Los resultados obtenidos corroboran la posibilidad del reemplazo de altos volúmenes de CPO por aglomerante cal-zeolita, sin que se afecten la resistencia a compresión requerida y su comportamiento ante la acción del ingreso del ion cloruro y la carbonatación.

Palabras Clave: Materiales cementicios suplementarios, resistencia a la compresión, adición cal- puzolana, cloruros, carbonatación; zeolita


1. Introducción                                   

La incidencia de las emisiones de la producción de cemento Portland en el calentamiento global, así como las continuas y crecientes intervenciones dE reparación y reconstrucción en que se ven envueltas las estructuras de hormigón, como resultado de incorrectos diseños, deficiente construcción e insuficientes programas de mantenimiento, atraen cada vez mas la atención de especialistas y gobiernos, en el apremiante tema de la vida útil de las edificaciones, todo lo cual resulta un proceso muy costoso no sólo desde el punto de vista económico, sino también desde el punto de vista ecológico. Aitcin (2000); (Bentur y Mitchel, 2008).

Las medidas necesarias a tomar para disminuir esencialmente la agresividad al medio ambiente, deberán contemplar durante la producción del cemento, la mejora de la eficiencia del proceso, minimizando los consumos de combustibles fósiles e incrementando el uso de extensores del clinker, tales como los materiales cementicios suplementarios (MCS). El uso de los MCS, incorporados durante la producción del cemento Portland ó durante el proceso de fabricación del hormigón, han demostrado no solo ser efectivos en la reducción de las emisiones, sino también en el mejoramiento reológico de las mezclas, en la disminución del calor de hidratación y la porosidad capilar, en el mejoramiento de las resistencias mecánicas, incluso con notables reducciones del contenido de cemento Portland, así como en la durabilidad de las estructuras de hormigón armado. Martirena (2004); (Scrivener y Kirkpatrick, 2008).

Las adiciones puzolánicas se utilizan como material cementicio suplementario, siempre que la puzolana sea reactiva. La contribución de los productos de reacción puzolánicos están asociados a la cantidad de Ca(OH)2 producido durante la reacción de hidratación del cemento, a la finura del material, así como al tipo y tiempo de curado durante las primeras edades. Para sustituciones CPO en masa en el orden del 50% ó más, la contribución principal del material puzolánico se verifica más como filler inerte, en cambio, si la puzolana de alta finura se añade a la masa de hormigón conjuntamente con hidróxido de calcio (adición cal-puzolana), el suministro de cal a la mezcla fresca contribuiría a que mayores cantidades de puzolana pueda reaccionar, por lo que el potencial de productos de reacción podría incrementarse. (Mira et al, 2001); Martirena (2004).

La presencia del hidróxido de calcio adicional además, incrementaría la concentración de iones Ca2+ y OH en la solución y con ello aceleraría el comienzo de la reacción puzolánica desde el principio. Por otro lado, la utilización de la puzolana en combinación con la cal, de finura similar a la del cemento pórtland, conduciría a la reducción del peligro de descalcificación en el hormigón, aun para grandes volúmenes de sustitución, a partir de la elevación del pH en el agua de poros, que impediría la protección pasiva del refuerzo. (Mira et al 2001); (Sebaibi et al, 2004); (Brouwers y Radix, 2005); (Shi et al, 2005); (Jatuphon et al, 2005). De forma similar, la adición mineral cal-puzolana contribuiría en la complementación de la distribución granulométrica de los finos, pudiendo el hidróxido de calcio llegar a ocupar los espacios vacíos entre los granos de cemento y eventualmente la puzolana de alta finura, ocupar los diminutos espacios existentes entre pequeños granos del agregado fino. Este principio se aplica en la obtención de hormigones autocompactantes, y de altas resistencias, logrando excelentes resultados en las propiedades mecánicas y durabilidad, además de reducir notablemente el índice de consumo del CPO. Bornemann (2002); Martirena (2004); (Jatuphon et al., 2005).

El presente trabajo muestra la influencia del nivel de sustitución de los contenidos de Cemento Portland por una adición mineral cal-puzolana, en combinación con superplastificante, en el comportamiento del hormigón fresco, la resistencia a compresión y la durabilidad de un hormigón, evaluando varios niveles de sustitución, hasta formular el posible reemplazo de altos volúmenes de CPO por Adición Cal- Zeolita (ACZ), sin afectar de forma significativa la resistencia a compresión del hormigón, la penetración del ion cloruro y el fenómeno de la carbonatación.

2. Desarrollo y discusión

2. Development and discussion

2.1 Materiales

El cemento Portland responde a la denominación P- 350, (Tipo I), elaborado por cementera Carlos Marx provincia Cienfuegos. La Tabla 2.1 muestra sus características principales.

Tabla 2.1 Ensayos Físicos al Cemento

Los resultados de los ensayos físicos realizados, indican cumplimiento de las especificaciones del cemento utilizado establecidas en la NC 95 / 2001. "Cemento Portland. Especificaciones".

El hidróxido de calcio es suministrado en bolsas de papel de 22 kg, producidas por la Empresa Azucarera Pepito Tey, Cienfuegos; protegidas durante el trabajo experimental en bolsas de plástico para limitar la carbonatación durante el periodo de ensayos. Su peso específico es 2,46, con 7656 cm2/g de superficie específica Blaine y un 72% de cal reactiva.

Como fuente de puzolana fue utilizada una toba zeolítica, obtenida durante el proceso de molienda, en la planta La Tasajera, Ranchuelo, denominada Zeomicro, de 2,29 de peso específico. La Tabla 2.2 muestra la composición química del hidrato de cal y la toba zeolítica obtenidas por Fluorescencia de Rayos - X.

Tabla 2.2 Composición química Cal y Zeolita Table 2.2 Lime and Zeolite Chemical Composition

Según la ASTM C 618- 03 la puzolana empleada clasifica como puzolana tipo F por contener más de 70% de los óxidos principales Si02 + Fe203 + A1203. La Figura 2.1 muestra el comportamiento granulóme trico de los materiales cementicios utilizados.

Figura 2.1 Distribuciones Granulométricas de sumatorias de cada aglomerante (Granulómetro Láser Malvern Mastersizer)

 

Los agregados grueso y fino utilizados proceden de la trituración de rocas calizas, obtenidos en la cantera "Mariano Pérez", El Purio. Su composición química muestra contenidos de CaCO3 superior al 90%, y contenidos de Si02 inferiores al 5%. Como árido grueso fue trabajada una piedra de tamaño máximo 9,72 mm, fracción (10-5) mm (Granito). Las características físicas de los áridos se detallan en las Tablas 2.3 y 2.4.

Tabla 2.3 Características físicas de los áridos empleados

 

Tabla 2.4 Distribución granulométrica de los áridos empleados

 

Los ensayos físicos realizados, indican cumplimiento de las especificaciones de los áridos utilizados, establecidas en la NC- 251 del 2005, "Áridos para hormigones hidráulicos, Requisitos".

Como aditivo químico fue utilizado MAPEFLUID N200, superplastificante de moderada acción retardante, reductor de agua, Tipo F según la ASTM C 494. Consumo (0,5-1,5) kg por cada 100 kg de cemento (0,4- 1,25) 1, 1,2 de Peso Específico.

2.2. Plan Experimental

Para evaluar la influencia de la adición mineral cal- zeolita en el comportamiento de la resistencia a la compresión y la durabilidad, se siguió el siguiente plan experimental, fundamentado en la utilización de la propuesta de corrección de mezclas con adiciones minerales que a continuación se relaciona: Martirena (2004).

1. Dosificación Mezcla Control del hormigón, con superplastificante y sin adición mineral, utilizando método de diseño de mezclas O Reilly, a partir de las materias primas disponibles y las propiedades del hormigón fresco requeridas, precisando la consistencia y trabajabilidad adecuada, acorde a la tecnología empleada y los parámetros de resistencia exigida a los 28 días O'Reilly (1990). Determinación experimental de proporción árido fino: árido grueso y de la dosificación del superplastificante, a partir del ensayo de fluidez en pastas por el ensayo de Cono de Marsh, según NC- 461 del 2006 "Determinación de la fluidez de lechadas de cemento Portland empleando el embudo Marsh" (Etapa I)

2. Fabricación de mezclas experimentales, para diferentes valores de sustitución en masa, donde la cantidad de cemento definido en la Mezcla Control es reemplazado gradualmente por una masa similar de Adición Cal-Zeolita (ACZ) y el agua es añadida hasta conseguir la consistencia exigida. Se establece el limite de sustitución del CPO/ACZ a partir del análisis de los valores de resistencia a compresión obtenidos y con ello la determinación del volumen de pasta (Vpasta) (Etapa II)

3. Fabricación de mezclas experimentales para diferentes niveles de sustitución β) en volumen de CPO/ACZ, donde la cantidad de CPO es variada en volumen por ACZ, manteniendo constante el Vpasta. Determinación límite de sustitución de CPO/ACZ a partir de evaluar los valores de resistencia a la compresión del hormigón. (Etapa III).

4.  Realización ensayos de durabilidad en mezclas experimentales de la Etapa III. Definición límite de sustitución de CPO/ACZ a partir de evaluar los criterios de durabilidad.

Mezclas experimentales preparadas para similar trabajabilidad, utilizando hormigonera de acción gravitacional de 150 litros en el mezclado, proporción 47% de arena y 53% de piedra y 1.2 % de superplastificante. Uso de probetas cilindricas de 150 mm x 300 mm para los ensayos de resistencia a la compresión y probetas cilindricas de 10 cm. x 20 cm. para los ensayos de durabilidad. Curado de probetas sumergidas en agua hasta el momento del ensayo. Probetas para los ensayos de durabilidad mantenidas expuestas bajo la acción del intemperismo, partir de los 60 días. Volumen de pasta calculado teniendo en cuenta los volúmenes aportados en cada mezcla por el cemento, la cal, la zeolita, el agua y el superplastificante.

2.2.1 Mezcla Control

La Mezcla Control, sin adición mineral y con superplastificante MAPEFLUID N200, diseñada para obtener 30.0 MPa de resistencia a la compresión a los 28 días, relación a/c 0.4, dos por ciento de contenido de aire y 12 ± 1 cm. de asentamiento medidos por el cono de Abrams, a utilizar en la producción de elementos de hormigón, que requieren tamaño máximo del agregado grueso 9,52 mm. La Tabla 2.5 muestra la dosificación gravimétrica utilizada.

Tabla 2.5 Dosificación Mezclas Control

Según se aprecia en la Figura 2.2, el diseño de la mezcla control, satisface el cumplimiento de las exigencias de resistencia a la compresión a los 28 días para la cual fue diseñada.

2.2.2 Fabricación Mezclas Experimentales. Etapa II

Las mezclas experimentales correspondientes a esta etapa, fueron obtenidas a partir de hacer variar en la Mezcla Control, las cantidades de CPO por adición mineral cal- zeolita (ACZ), evaluando los niveles 10%, 20%, 30% y 40% de sustitución en masa, manteniendo constante el resto de los constituyentes. El agua fue controlada hasta obtener valores de asentamiento de 12 ± 1 cm. medidos en el Cono de Abrams. Incorporación de los constituyentes de la adición mineral de forma independiente en proporción 20% de cal y 80% de zeolita en masa. Determinación de la resistencia a la compresión de cada mezcla a los 3, 7, 28 y 60 días.

El límite de sustitución de CPO/ACZ y con ello el volumen de pasta (Vpasta) a utilizar en la Etapa III, lo definirá la mezcla experimental cuyo nivel de sustitución ofrezca valores de resistencia a la compresión a los 28 días que no difieran significativamente al definido por la Mezcla Control. Así fueron obtenidos las dosificaciones y características de las mezclas de hormigón y los resultados de resistencia media a la compresión, tal como se muestran en la Tabla 2.6 y Figura 2.2.

Tabla 2.6 Características Mezclas Experimentales CPO/ACZ (Sustitución en masa)

El uso de la adición mineral cal- zeolita, influye en las características del hormigón en estado fresco. Como se aprecia en la Tabla 2.6 y tomando como referencia la mezcla Control, los volúmenes de pasta se ven incrementados, en la medida que crece el nivel de sustitución de las cantidades de CPO por ACZ, excepto para el 10%, y en todos los casos, el volumen de pasta supera el volumen de vacíos entre los áridos de 263.8 litros. Estos incrementos del Vpasta están relacionados con la elevación de la demanda de agua de amasado en la mezcla y con las diferencias de densidad entre la adición y el cemento.

El incremento en el volumen de pasta de la mezcla, trae aparejado la separación entre los agregados, disminuyendo así la fricción entre estos y como consecuencia las características Teológicas (plasticidad, fluidez) de la mezcla, se mantienen con pocos cambios al igual que los consumo de agua, tal y como ocurre para los hormigones autocompactantes.

La disminución del volumen de pasta en la mezcla del 10% de sustitución, esta asociado a la acción combinada de la ACZ y el superplastificante, logrando para una mínima demanda de agua, obtener la trabajabilidad requerida. Trabajar con una cantidad constante de superplastificante en las mezclas, hace que el efecto dispersante tenga mayor acción en la mezcla con el 10% menos de cemento, además del efecto plastificante de la adición, aportado principalmente por la cal. Los efectos sobre la compacidad de la adición mineral cal- zeolita, justificarían los incrementos de resistencia en las primeras edades.

De los resultados mostrados en la Figura 2.2, puede ser apreciado la influencia del nivel de sustitución de CPO por ACZ en masa, sobre el comportamiento de la resistencia media a la compresión. Por encima del 30% de sustitución de CPO por ACZ en masa, disminuye drásticamente la resistencia a la compresión para todas las edades ensayadas. Lo anterior estará dado, por la disminución en el aporte de productos de reacción, que contribuyen a la resistencia de la matriz, principalmente del CPO.

Al comparar los valores medios de resistencia a la compresión entre las mezclas, se observa que no existen diferencias significativas a las edades de 28 y 60 días entre la mezcla control y el 30% de sustitución en masa, siendo significativa la diferencia para el resto de las comparaciones. Esta mezcla define entonces el límite de sustitución en masa de CPO por ACZ, con Vpasta igual a 295,73 litros.

Figura 2.2 Comportamiento de la Resistencia media a la Compresión según nivel de sustitución de CPO/ACZ en masa

2.2.3 Fabricación Mezclas Experimentales. Etapa III

Para la determinación del límite de sustitución en volumen de CPO/ACZ en esta etapa, son variados en volumen (β) las proporciones de CPO y ACZ dentro del volumen de pasta que define la mezcla del 30% de sustitución en masa. Esta mezcla se define a su vez como la mezcla del 37 % de sustitución en Volumen, que en lo adelante llamaremos ß-40. Manteniendo constante el volumen de pasta, los áridos, el agua y la cantidad de superplastificante, de forma tal que la relación en volumen agua/finos se mantiene constante, son variadas las proporciones en volumen de CPO y ACZ, evaluando los puntos correspondientes al 20% ß-20) y el 60% ß60) de sustitución en volumen como mezclas experimentales, elaboradas en condiciones similares a las mezclas de la etapa anterior. Así fueron obtenidas las dosificaciones (expresadas en unidades de masa) y los resultados de resistencia media a la compresión, tal como se muestran en la Tabla 2.7 y Figura 2.3.

Tabla 2.7 Dosificación Mezclas Experimentales CPO/ACZ (Sustitución en volumen)

Figura 2.3 Comportamiento de la Resistencia media a la Compresión a las distintas edades

Las mezclas experimentales fabricadas en esta etapa, elaboradas con similares volúmenes de pasta y relación agua/finos constante, mantienen con poco cambios sus características Teológicas de plasticidad y fluidez, medibles por la similitud en los valores de asentamientos obtenidos.

La variación en los niveles de sustitución de CPO por ACZ en volumen ß), dentro de un volumen de pasta constante, traen como consecuencia también, variación en los valores de resistencia obtenidos, aumentando ó disminuyendo en dependencia de los volúmenes de CPO presentes en la mezcla respectivamente, tal como se aprecia en la Figura 2.3. Los autores consideran que lo anterior esta dado por el aporte de cada aglomerante en la producción de sólidos, principalmente por los aportados en la hidratación del CPO, siendo significativas las diferencias en los valores medios de resistencia a la compresión al comparar los resultados entre las mezclas.

Del análisis de los resultados de resistencia media a la compresión obtenidos, se considera que utilizando hasta un 37 % de sustitución en volumen de CPO por adición cal-zeolita es posible garantizar los valores de resistencia exigidos, definidos por la mezcla control.

2.2.4 Análisis Durabilidad

En la valoración del comportamiento de la durabilidad de las mezclas de hormigón en la Etapa III, incluyendo además la mezcla control, son evaluados los resultados obtenidos en el Ensayo Rápido de Resistencia a la Penetración de los Iones Cloruros según la ASTM 1202 "Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration" y la Determinación de la Profundidad de Carbonatación según NC 355 del 2004 "Determinación de la profundidad de carbonatación en hormigones endurecidos y puestos en servicio".

2.2.4.1 Resistencia a la penetración de cloruros

En el ensayo de resistencia a la penetración de los iones cloruros (ver Figura 2.4), fue determinada la carga pasada en Coulombs durante 6 horas, en muestras a la edad de un año. En función de la carga pasada en Coulombs, la normativa, hace una evaluación de la resistencia a la penetración de los iones cloruros en Alta (> 4000), Moderada (2000 - 4000), Baja (1000 - 2000), Muy baja (100 - 1000) y Despreciable (< 100). Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 2.5.

Figura 2.4 Set Ensayo Rápido de migración Ion cloruro, según AAHSTO T277 (Izquierda); set utilizado por el autor (derecha)

Figuras 2.5 Carga pasada en Coulombs a 1 Año. Resultados carga pasada por hora (izquierda). A las 6 horas (derecha)

Al analizar el comportamiento del hormigón a ser penetrado por los iones cloruros, según parámetros que establece la ASTM 1202, se define penetrabilidad moderada para todas las mezclas.

De los resultados de la Figura 2.5, se aprecia disminución de la resistencia a la penetración de los iones cloruros, con el incremento del nivel de sustitución de CPO por ACZ. Sin embargo, al comparar los valores medios de carga pasada, entre los niveles ß-20 y ß-40, y de estos con la mezcla control, no existen diferencias significativas en la respuesta de las mezclas ante la penetración de los iones cloruros, lo cual podría estar dado por los cambios en la conectividad de la red de poros capilares en la matriz de hormigón, como consecuencia de las reacciones de hidratación, aportadas por la adición mineral, siendo este efecto ligeramente superior en el 20% de sustitución.

La mezcla correspondiente al 60% de sustitución, muestra los mayores valores de permeabilidad al paso de los iones cloruros. En esta mezcla, es de suponer la presencia de mayores cantidades de adiciones sin reaccionar, que estarían incidiendo con su alto poder de absorción en la disminución de la resistencia al paso de la corriente a través de la muestra.

Los resultados anteriores permiten afirmar, que al trabajar las mezclas dentro del volumen de pasta seleccionado como constante, hasta el 37% ß-40) de sustitución en volumen de CPO por ACZ, el comportamiento ante la penetración de los iones cloruro, resulta similar al ofrecido por la mezcla control, y por encima de este valor de sustitución, la corrosión del acero de refuerzo podría aparecer mas temprano que para el resto de las mezclas evaluadas.

2.2.4.2 Profundidad de Carbonatación

Teniendo en cuenta que la carbonatación es un proceso lento en el tiempo, fue evaluada la acción del CO2 atmosférico en las muestras a la edad de 2 años. Los resultados obtenidos del ensayo de medición de la penetración de CO2, a través del cambio de coloración de la superficie de las muestras por rociado con fenolftaleina, se muestran en la Tabla 2.8 y Figura 2.6

Tabla 2.8 Penetración CO2 atmosférico

La mezcla Control, comparada con los resultados ofrecidos por las mezclas adicionadas, presenta los menores valores de penetración ante la acción del C02 atmosférico. La presencia de la adición mineral, influye en la formación del frente de carbonatación, al incrementarse con el aumento de los niveles de sustitución de CPO por ACZ. Sin embargo, al comparar los valores medios de penetración definidos entre los niveles ß-20 y ß-40, y de estos con la mezcla control, no se definen diferencias significativamente entre los valores alcanzados. La mayor penetración alcanzada en ß-60, podrían estar dada por la presencia de mayores cantidades de hidróxido de calcio en la adición, posible de reaccionar para formar el frente carbonatado.

Figura 2.6 Avance del frente carbonatación, a) Mezcla Control; b) ß-20; c) ß-40 y d) ß-60

Los resultados anteriores permiten afirmar, que al trabajar las mezclas dentro del volumen de pasta seleccionado como constante, hasta el 37% ß-40) de sustitución en volumen de CPO por ACZ, el comportamiento ante la penetración del CO2 atmosférico, resulta similar al ofrecido por la mezcla control, y por encima de este valor de sustitución, la despasivación del acero de refuerzo y con ello la corrosión, podría aparecer mas temprano que para el resto de las mezclas evaluadas.

Del análisis de los resultados en esta última etapa, la mezcla del 37% de sustitución en volumen de CPO por ACZ, no solo logra garantizar los requerimientos de resistencia a la compresión exigidos, si no también que lo hace con satisfactorios resultados ante la acción de los agentes agresivos.

3. Conclusiones

1.  Los resultados obtenidos, indican la influencia de la ACZ y del nivel de sustitución en volumen de CPO utilizado, en el comportamiento de la resistencia a la compresión y la durabilidad. Estos cambios se corresponden principalmente con la acción efectiva de la adición mineral en el aporte de productos hidratados, en el mejoramiento de la compacidad y en la disminución de la porosidad asociada a los capilares interconectados.

2.  Utilizar hasta un 37% de sustitución en volumen de CPO por ACZ, en combinación con MAPEFLUID N200, dentro un volumen de pasta constante, no solo logra satisfacer los requerimientos de resistencia a la compresión y trabajabilidad exigidos, si no también, satisfactorios resultados en la durabilidad, con reducciones notables en los consumos de cemento, sin afectar de forma significativa los requerimientos de la mezcla control.

3. Al evaluar diferentes mezclas de similares constituyentes y volumen de pasta, se precisa el intervalo exigido de la cantidad de cemento Portland necesario para obtener un hormigón dado, acorde a su aplicación y resistencia estructural, empleando una adición cal-zeolita, proveniente esta ultima de tobas zeolíticas, extraídas durante la producción industrial.

4. Referencias

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E-mail: dopico@uclv.edu.cu

Fecha de recepción: 22/ 05/ 2009 Fecha de aceptación: 30/ 06/ 2009

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