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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.3 Santiago dic. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000300001 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 24 N°3, Diciembre de 2009 PAG. 213-232

Propiedades y aplicaciones de los cementos alcalinos

 

Ana Fernández-Jiménez*1, Ángel Palomo*

* Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) Madrid, ESPAÑA

Autor de correspondencia:


RESUMEN

En este trabajo se presentan algunas de las propiedades tecnológicas de los materiales cementantes elaborados por activación alcalina de aluminosilicatos. Más específicamente sobre las propiedades de morteros y hormigones elaborados con cenizas volantes activadas alcalinamente (sin cemento Portland). Así en función del tipo de activador alcalino empleado y tras un curado térmico previo, el material resultante presentará una interesante lista de propiedades y características que incluyen: elevadas resistencias mecánicas iniciales (a flexión y a compresión), baja retracción al secado, y una muy buena adherencia matriz-acero, así como una excelente resistencia al ataque ácido y un excelente comportamiento frente al fuego. Es por ello que estos nuevos cementos debido a sus magnificas características tecnológicas y durables, así como a la facilidad de adecuarlos a las instalaciones existentes en la industria de los prefabricados, pueden ser fácilmente utilizados en diversas aplicaciones como por ejemplo: elaboración de durmientes para el ferrocarril, bloques para edificación o pavimentación, etc.

Palabras Clave: Cementos alcalinos, resistencias mecánicas, durabilidad, aplicaciones


 

1. Introducción

Los materiales de construcción en base cemento Portland (OPC), principalmente los hormigones, son los materiales mas utilizados en el mundo. No obstante la industria del OPC, debido a su alto nivel de producción en términos globales, debe enfrentarse a ciertos problemas de gran trascendencia social: económico-energéticos (uso de combustibles fósiles cada vez más caros y escasos) y ecológicos (1 T. Cemento ≡;1.5 T Materias primas≡ 0.8 T. C02). Así se estima que entre el 6-7% de las emisiones totales de C02 a la atmosfera a escala mundial se deben a la industria cementera (Scrivener y Kirkpatrick 2007).

Por otro lado hay que tener presente que los hormigones elaborados en base cemento Portland presentan algunos problemas de durabilidad (Lea's 1998; Johansen et al., 1995) (ataque por sulfatos, corrosión de armaduras, reacción árido-álcali, baja resistencia al fuego, etc.) de difícil solución, lo cual hace que un 40-50% del presupuesto de la industria de la construcción este destinado a reparaciones. Todo ello hace que la búsqueda de materiales cementantes alternativos, que disminuyan las emisiones de C02 a la atmósfera y que además mejoren algunas de las prestaciones ante las cuales se ha visto que el cemento Portland presenta deficiencias, sea uno de los principales objetivos de la comunidad científica que lleva ya años trabajando en el desarrollo de materiales y tecnologías que permitan avanzar hacia un desarrollo de la industria de la construcción mas sostenible. Tal es el caso de los cementos alcalinos (Shi et al., 2006; Duxson et al., 2007).

La activación alcalina de materiales silicoaluminosos de configuración parcial o totalmente amorfa o vitrea (en estado de fina división) con disoluciones fuertemente alcalinas y tras un corto periodo de curado térmico suave (50-100°C), permite obtener un material con buenas propiedades cementantes (Duxson et al., 2007; Skvara et al., 2005; Fernández-Jiménez y Palomo 2005a). En este trabajo nos vamos a centrar en la activación alcalina de las ceniza volantes tipo F procedentes de las centrales termoeléctricas que utilizan carbón como combustible. Los más de 1000 millones de toneladas de ceniza que se producen en el mundo anualmente, son un buen argumento para discutir en torno a su competitividad como material base en la fabricación de una nueva generación de cementos alcalinos.

Son numerosos los trabajos que aportan datos en torno a la evolución mecánico-resistente de pastas y morteros de ceniza activada alcalinamente [Shi et al., 2006; Duxson et al., 2007; Skavara et al., 2005; Fernández-Jiménez y Palomo 2005a; Palomo et al., 1999). Sin embargo son muy pocos los trabajos que hacen referencia a la fabricación de hormigones exentos de cemento Portland en los que el material aglomerante es ceniza volante activada alcalinamente. Los primeros trabajos corresponden a A. Fernández-Jiménez and A. Palomo [2006a; 2007a) y Hardjito et al. (2002). Estos trabajos muestran como las propiedades de los hormigones de ceniza volante activadas alcalinamente, están influenciadas, al igual que las de los hormigones convencionales, por un conjunto de factores relacionados con la dosificación de la mezcla y con las condiciones de curado.

Los morteros y hormigones elaborados con ceniza volante activada alcalinamente permiten desarrollar muy elevadas resistencias mecánicas a cortas edades (1 día), resistencias que siguen progresando de forma más lenta con el paso del tiempo. También presentan otras interesantes propiedades físico-mecánicas como la baja retracción al secado, la excelente adherencia matriz-acero (pull-out test), etc. (Hardjito et al., 2002; Fernández-Jiménez et al., 2006a; Palomo et al., 2007a). Otro aspecto importante a destacar en estos materiales es su durabilidad, por ello en este trabajo también se muestran algunos de los resultados obtenidos en torno a su comportamiento frente al ataque químico de medios agresivos (agua de mar, ataque por sulfatos, ataque ácido HCI), así como frente a elevadas temperaturas, Fernández-Jiménez et al., 2007b; Allahverdi y Skvara 2005; Bakharev 2005; Fernández-Jiménez et al., 2008).

En definitiva el objetivo que se pretende con este trabajo es poner de manifiesto el potencial de estos materiales tanto desde el punto de vista de sus propiedades tecnológicas, como de su comportamiento durable, para que en un futuro próximo puedan ser utilizados en diferentes aplicaciones dentro de la industria de la construcción y especialmente en la industria de los prefabricados.

2. Materiales

En el presente trabajo se utilizo una ceniza volante española tipo F (según la clasificación ASTM C618-03) y un cemento comercial (CEM I 52.5 R). La composición química de los materiales así como su superficie específica se muestra en la Tabla 1. Puede observarse que mientras que el cemento Portland esta formado básicamente por óxidos de calcio y silicio, la ceniza volante esta formada por óxidos de aluminio y silicio.

En la activación alcalina de las cenizas volantes se utilizaron dos disoluciones: N = NaOH 8M y W= mezcla del 15% de silicato sódico + 85% NaOH 12.5M (modulo SiO2/Na2O=0.16). Para preparar las disoluciones se empleo: NaOH (lentejas con una pureza de 98%, PANREAC) y silicato sódico a granel (8.2% Na20, 27% Si02 y 64.8% H20, d=1.38 g/cc).

Tabla 1. Composición química en (%) y superficie específica del cemento Portland y de la ceniza volante

3. Resultados y discusión

3.1 Propiedades tecnológicas

Como propiedades tecnológicas se determinaron las resistencias mecánicas a flexión y compresión, así como la adherencia al acero através del ensayo "pull-out" en hormigones de ceniza volante activados alcalinamente (sin OPC). Mientras que los valores de retracción al secado de determinaron en mortero. En esta investigación también se elaboraron hormigones y morteros en base cemento Portland como sistema de referencia. A continuación se presentan los resultados obtenidos.

3.1.1 Resistencia mecánica

En la Tabla 2 aparece tanto la nomenclatura de los hormigones ensayados como la dosificación y las condiciones de curado empleadas en su elaboración. Los valores de resistencia a compresión se determinaron en probetas cúbicas de 15x15x15 cm y los de flexotración en probetas prismáticas de 15x10x70cm. En todos los casos el hormigón se compacto empleando una aguja de vibración (15-20 segundos). En la Figura 1 se presentan los valores de resistencia tanto a flexión como a compresión y su evolución en función del tiempo.

Los resultados presentados en la Figura 1 muestran como este tipo de hormigones desarrolla unas elevadas resistencias a compresión a edades iniciales; así a un día se obtienen valores del orden de 45 MPa. Muy superiores a los obtenidos para un hormigón convencional en base OPC. Estos valores de resistencia mecánica son similares a los obtenidos para hormigones de OPC de altas resistencias. Otro hecho a destacar es que las resistencias siguen aumentando en el tiempo aunque de forma más gradual. También conviene destacar como en el caso de las cenizas volantes al emplear la disolución activadora W (con sílice soluble procedente del silicato sódico utilizado) se obtiene una clara mejora el desarrollo de resistencias mecánicas aunque hay que mencionar que en estos casos se observo que disminuía la trabajabilidad de las pastas.

Tabla 2. Nomenclatura, dosificación y condiciones de curado de los hormigones ensayados

En lo que respecta a los valores de resistencia a flexión (ver Figura 1 (b), solo se presentan los valores obtenidos para los hormigones alcalinos) puede observarse que, al igual que ocurre a compresión, estos hormigones desarrollan muy buenas resistencias a flexión desde edades iniciales, valores de resistencia que siguen aumentando en el tiempo de forma paulatina.

Figura 1. Resistencias mecánicas en hormigones, (a) a compresión probetas cúbicas (15x15x15 cm); (b) a flexión probetas prismáticas (15x10x70 cm)

3.1.2 Ensayo de adherencia (pull out)

Con el objetivo de estudiar la adherencia entre el hormigón y el acero se realizaron ensayos tipo Pull-out, de acuerdo con el ensayo normalizado por la RILEM/CEB/FIP, empleando los mismo hormigones anteriores (H-FA-N, H-FAW y H-CE-A, ver Tabla 2).

La adherencia es el fenómeno de transferencia de tensiones entre el acero y el hormigón. Esta es la que hace posible combinar el buen comportamiento del hormigón a compresión y la alta resistencia del acero a tracción en las estructuras de hormigón armado.

Cuando una barra embebida en una matriz de hormigón es sometida a una fuerza de tracción, la transferencia de tensiones desde el acero al hormigón se produce a través de unas fuerzas de compresión inclinadas que se originan en las corrugas, según su ángulo a. La componente radial de esta fuerza de compresión se equilibra con un anillo de tracciones que aparece en el hormigón rodeando a la barra. Ello origina fisuras longitudinales internas. Si no existe armadura confinante estas fisuras atraviesan el recubrimiento y se produce un fallo frágil en la superficie del hormigón, fallo por splitting. Sin embargo si la barra de acero tiene buenas condiciones de confinamiento, el fallo se originará por un desgarramiento de la barra respecto al hormigón que la rodea fallo por pull-out.

En este ensayo de "Pull-out" la longitud adherente de la barra se situó en el centro de una probeta prismática de 20x20x20 cm. La longitud adherente de la barra depende del diámetro de la misma y debe cumplir la ley de (I > 5<D). En el ensayo se utilizaron barras de 160mm diámetro por ello la zona de adherencia fue de 16cm. Para evitar la adherencia en las partes no deseadas de la barra de hierro se colocan unos manguitos de plástico en los extremos. Las barras de acero tipo B500-SD tenían una longitud total de 70 cm. El objetivo es medir el desplazamiento de la barra en el extremo opuesto al que se la aplica la carga, extremo pasivo, respecto a la superficie de la probeta de hormigón.

La carga se aplica sobre el extremo de mayor longitud (ver Figura 2) con un gato hidráulico de 156 KN de capacidad, a una velocidad de 72 N/seg. Hasta carga máxima. Durante el ensayo se registra el desplazamiento relativo de la barra respecto al hormigón en la cara opuesta de la aplicación de la carga, mediante tres captadores de desplazamiento (ver Figura 2(a)). La Probeta se apoya sobre una plancha de goma de 5 mm de espesor y a su vez sobre una plancha de acero de 10 mm.

Los resultados obtenidos para los distintos hormigones aparecen en la Tabla 3. La tensión de adherencia local en MPa se calcula como la carga aplicada en el ensayo dividida por la superficie adherente de la barra. Siendo Q la carga aplicada (N),Φ el diámetro nominal de la barra (mm) y lb la longitud adherente (mm).

En la Figura 3 se representan los diagramas del valor medio de la tensión de adherencia localτ (N/mm2), en función del deslizamiento del extremo superior de la barra, δ(mm), para las probetas ensayadas. Estas figuras muestran el desplazamiento relativo entre la barra embebida y el hormigón que la rodea al aplicar una fuerza creciente en el extremo. El último punto de la curva es el punto de "rotura" de la adherencia a partir del cual se produce el deslizamiento.

Figura 2. (a) Equipo de pull-out test; (b) Hormigón H-FA-W rompe la matriz; (c) Hormigón H-FA-N, rompe la barra de acero de 16mm de diámetro.

Tabla 3. Resultados obtenidos del ensayo tipo Pull-Out (RILEM/CEB/FIP moldes de 20x20x20 cm) Table 3. Results achieved from the Pull-Out test (RILEM/CEB/FIP 20x20x20 cm moulds)

Según se aprecia en las gráficas en lo que respecta a las barras de 16 mm de diámetro, en los hormigones de ceniza volante activada alcalinamente (H-FA-N y H-FA-W) el fallo se produce por rotura de la matriz y en el hormigón de OPC (H-CE-A) por deslizamiento.

Los hormigones de ceniza volante activada alcalinamente presentan algunas diferencias de comportamiento en función del activador utilizado. Así en los hormigones activados con la disolución W, la matriz rompe (Figura 2.b) a una tensión máxima de ≡ 12 MPa. Mientras que las probetas de hormigón con la disolución N alcanzan valores de 17MPa.

En este ultimo caso hay que resaltar que de las tres probetas ensayadas en la tercera se rompió la barra de acero sin que la matriz se fisurara (Figura 2.c). Ello nos da idea de la excelente adherencia Matriz / acero que presentan estos sistemas. De cualquier forma en ambos casos, tanto con la disolución N como la W, se supera con creces el valor mínimo de 9.70N/mm exigido por la Instrucción Española del Hormigón Estructural (EHE) para cumplir el ensayo de BEAM-TEST

Figura 3. Curvas de adherencia local / deslizamiento para barras de 16mm de diámetro (a) OPC hormigones; (b) hormigones de ceniza volante activada (sin OPC) con las disoluciones N y W

3.1.3 Retracción por secado

Para determinar los valores de retracción al secado se prepararon probetas de mortero siguiendo las especificaciones de la norma ASTM C 806-87 (moldes prismáticos de 2.5x2.5x23 cm) con la dosificación y condiciones de curado que se muestran en la Tabla 4. Después del curado inicial las probetas fueron desmoldadas y guardadas en el laboratorio a 21 °C y≈ 30-50% de humedad relativa. Las medidas de retracción se realizaron a 1, 3, 7, 14, 28 días, etc., los resultados obtenidos se muestran en la Figura 4.

Tabla 4. Nomenclatura, dosificación y condiciones de curado de los morteros ensayados

En la Figura 4 se observa claramente que los morteros elaborados con ceniza volante (sin OPC) muestran unos valores de retracción por secado muy bajos, claramente inferiores a los de los morteros elaborados con cemento Portland. Los morteros de cemento, sobre todo los curados a temperatura ambiente, experimentan una mayor retracción por secado llegando a alcanzar valores de aproximadamente 0.09% a 70días. Esta se debe principalmente a perdidas de agua libre por secado. Mientras que los morteros de ceniza activada alcalinamente (tanto con la disolución activadora N como con la W), en ambos casos a 90 días los valores de retracción son inferiores a 0.025%. Estos resultados indican que los morteros y hormigones de ceniza activados alcalinamente presentan una gran estabilidad dimensional.

Figura 4. Retracción al secado en morteros de cemento Portland y de ceniza volante activada alcalinamente

3.2 Durabilidad frente al ataque químico

La durabilidad de los materiales esta íntimamente relacionada con la composición mineralógica y microestructural de los mismos. En los hormigones, morteros y pastas en base OPC los principales problemas de durabilidad están relacionados en la mayoría de los casos, de un modo u otro, con la presencia de calcio. Sin embargo en los cementos basados en la activación alcalina de ceniza volante el principal producto de reacción que se forma es un gel de aluminosilicato hidratado (gel N-A-S-H sin calcio), con estructura tridimensional, considerado como un gel prezeolitico (Palomo et al. 2004a; Fernández-Jiménez et al. 2006b) claramente diferente al gel C-S-H formado en una pasta de OPC. Por lo tanto, no cabe duda que el comportamiento durable del OPC y de los cementos alcalinos ha de ser por fuerza diferente.

3.2.1 Resistencia al ataque químico de disoluciones agresivas: Agua de Mar y sulfato sódico (4.4% Na2S04)

Para determinar comportamiento de estos materiales frente al ataque por sulfatos y agua de mar, se elaboraron morteros con las mismas condiciones indicadas en la Tabla 4 para las composiciones M-FA-N y M-FA-W. Con estos morteros se realizaron probetas prismáticas de de 4x4x16cm. En este caso, los prismas después de ser desmoldados se sumergieron completamente en los medios agresivos correspondientes [L= condiciones de laboratorio (sistema de referencia); M= Agua de Mar (ASTM D 1141-90); S= disolución de sulfato sódico (4.4% Na2S04)]. Los materiales fueron extraídos del medio agresivo a las siguientes edades de ensayo (7, 28, 56, 90,180, 270 y 365 días) y ensayados mecánicamente a flexión y compresión (ver Figura 5) de acuerdo con la norma española UNE-80-101-88).

Los resultados de la Figura 5 muestran que como norma general no hay un deterioro significativo de los materiales, aunque si que se observan algunas fluctuaciones en los valores de resistencia mecánica sobre todo a edades iniciales. Los morteros elaborados con la disolución W presentan mejores valores de resistencia que los activados con la disolución N. No obstante en ambos casos las resistencias mecánicas a compresión aumentan en función del tiempo independientemente del medio en el cual han estado sumergidos.

Figura 5. Resistencias mecánicas a compresión en morteros de ceniza volante activada alcalinamente (a) M-FA-N; (b) M-FA-W

La observación visual de los morteros sumergidos en los distintos medios agresivos después de un año no presenta señales superficiales de deterioro. Sin embargo un estudio microestructural mas detallado mostró la existencia de algunas alteraciones.

En la Figura 6 se muestra la morfología que presentan las muestras M-FA-W después de un año, sumergidas en las disoluciones M y S. Las fotografías muestran el aspecto típico de las pastas y morteros de ceniza volante activados (Fernández-Jiménez et al., 2005b; Palomo et al., 2004b; Duxson et al., 2005) alcalinamente donde como producto mayoritario de reacción se forma un gel de silicoaluminato sódico, gel N-A-S-H, responsable de las propiedades cementantes del material (ver Figura 6, Punto 1). Este tipo de microestructura solo se ve interrumpida por la presencia de partículas de ceniza que todavía no han reaccionado (ver Figura 6, Punto 2) o por la presencia de huellas que deja la ceniza al reaccionar.

En el caso concreto de la exposición al agua de mar se observa la presencia de un gel más rico en silicio y que también contiene iones Magnesio (Figura 6(a) Punto 3). Mientras que en los morteros sumergidos en la disolución de sulfato sódico se detecta la formación de sulfato sódico (ver Figura 6(b), Punto 4). No obstante en ambos casos, estos productos de degradación de detectan solo de forma puntual y aparecen bien en el interior de cenizas que no han reaccionado o en los huecos dejados por estas al reaccionar.

Figura 6. Micrografias SEM del mortero M-FA-W después de 365 días sumergido en las disoluciones de (a) M= agua de Mar; (b) S = sulfato sódico; P1= matriz cementante gel N-A-S-H;P2= ceniza sin reaccionar; P3= gel con Mg; P4= posible sulfato sódico

3.2.2 Resistencia al ataque ácido (HCI 0.1 N)

Para determinar el comportamiento de estos materiales frente al ataque en medio ácido (disolución de HCI 0.1 N, pH= 1.5) se realizó un ensayo dinámico basado en el método de lixiviación ANS 16.1 (relación volumen de disolución acida / superficie de la probeta =10) (Conner 1990). El ensayo se realizó en probetas cúbicas de mortero (3x3x3cm) preparadas en las mismas condiciones que las indicadas en la Tabla 3 (morteros M-FA-N, M-FA-W y M-CE-A (sistema de referencia)). En este caso la disolución acida se renovó a las edades de 1,2, 3, 7,28, 56, y 90 días para garantizar siempre un medio lo suficientemente ácido. A las edades de ensayo 7, 28, 56 y 90 días se determinaron las variaciones de peso y las resistencias mecánicas. En la Figura 7 se presentan los resultados obtenidos de resistencia mecánica a compresión. Estos resultados muestran que si bien todos los morteros estudiados presentan una caída de los valores de resistencia estas son menores en los morteros de ceniza que en los OPC. En los morteros de ceniza volante activada alcalinamente, tanto con la disolución N como W, a los 90 días de exposición las resistencias mecánicas a compresión han disminuido aproximadamente un 23-25%, mientras que en los morteros M-CE-A este valor es casi el doble, un 47%.

Un examen visual de las probetas expuestas a las disoluciones acidas muestra que las probetas M-FA-N y M-FA-W presentan buen aspecto físico a los 90 días. Sin embargo las probetas de M-CE-A muestran un severo deterioro después de 56 días de inmersión, se observa un claro cambio de color así como una perdida de masa en los bordes (ver Figura 8). Así las perdidas de peso a 90 días son del orden de 2.5, 4.2 y 9.8% para los morteros M-FA-N, M-FA-W y M-CE-A respectivamente.

Fig. 7. resistencia mecánicas de morteros de AAFA y OPC sumergidos en la disolución de HCI 0.1 N Figure

Figura 8. Aspecto físico de las probetas de mortero sumergidas 90 días en una disolución de CIH 0.1 M (a) morteros M-FA-W; (b) Mortero M-CE-A (sistema de referencia)

En la Figura 9 se presentan unas micrografías de la ceniza activada con la disolución W con y sin inmersión en la disolución acida. Se observa como a 90 días en ambos casos se obtiene una matriz compacta formada por el gel N-A-S-H. En ambas matrices se detecta la presencia de fases cristalinas minoritarias de naturaleza zeolitica (tipo herchelita). No obstante si bien la matriz sometida al ataque ácido es más porosa, la diferencia más reseñable no es la microestuctura sino la composición química tanto del gel como de las zeolitas. En las muestras que han estado sumergidas en la disolución de HCI el contenido de Aluminio en el gel y en las zeolitas ha disminuido, se ha producido una dealuminacion (ver Figura 9, Punto 3 y 4). Resultados similares fueron obtenidos cuando el activador utilizado fue la disolución N.

Figura 9. Micrografías y análisis por EDX del material M-FA-W a 90 días (a) sin HCI (b) sumergida en HCI (ensayo dinámico). P1= gel N-A-S-H; P2=Zeotila tipo herchelita; P3= Gel N-A-S-H con bajo contenido en Al; P4= Zeolita con bajo Al

3.3 Comportamiento frente a elevadas temperaturas

Los ensayos a elevadas temperaturas se realizaron en pastas de ceniza volante activadas alcalinamente utilizándose de nuevo el cemento como sistema de referencia. Las dosificaciones empleadas así como las condiciones de curado aparecen en la Tabla 5. Con estas pastas se realizaron probetas prismáticas de 1x1x6 cm. Dichas probetas una vez desmoldadas se guardaron en la cámara de curado hasta los 28 días edad a la cual se les realizo el ensayo de resistencia a elevadas temperaturas.

Tabla 5. Nomenclatura, dosificación y condiciones de curado de las pastas

El ensayo de resistencia a elevadas temperaturas consiste en introducir durante una hora las probetas en un horno a las temperaturas de 200, 400, 600, 800 y 1000 °C. Transcurrido este tiempo se sacó la muestra del horno y se dejó enfriar bruscamente a temperatura ambiente. A continuación, se procedió a evaluar a temperatura ambiente la resistencia mecánica residual mediante ensayos de flexión y de compresión. Estos ensayos se realizaron en una prensa Ibertest, a una velocidad de carga de 2.4KN/S de acuerdo con la norma EN 196-1.

En la Figura 10 se presentan los valores de resistencia residual a temperatura ambiente obtenidos para los materiales ensayados a distintas temperaturas (desde 200 °C hasta 1000 °C) ensayos post-tratamiento térmico. Estos resultados muestran que el cemento Pórtland presenta una caída constante de sus valores de resistencia tanto a flexión como a compresión. Así a flexión esta caída llega a ser del 33% a 400 °C. A partir de 600 °C este cemento (P-CE-A) presenta valores de resistencia a flexión prácticamente despreciables. Por otro lado, en el cemento obtenido a partir de cenizas volantes (P-FA-N y P-FA-W) la resistencia a flexión se mantiene constante tras el tratamiento térmico hasta los 400 °C, a temperaturas superiores la resistencia a flexión residual cae a la tercera parte de la inicial. No obstante, este valor en igualdad de condiciones de ensayo es muy superior al obtenido para el cemento convencional (P-CE-A).

En lo que respecta a los valores de resistencia a compresión, esta es prácticamente nula para el cemento Portland a partir de los 600-800°C donde además se registran explosiones en el horno. Sin embargo para los materiales en base ceniza la resistencia a compresión residual se mantiene prácticamente constante (de hecho se registra un ligero aumento entre 800 y 1000 °C), independientemente de la temperatura a la que se realice el tratamiento térmico.

Figura 10. Valores de resistencia residual (a) flexión y (b) compresión. Ensayos tras una hora de exposición a diferentes temperaturas

La Figura 11 muestra el aspecto físico de las probetas inmediatamente después de haber sufrido los correspondientes tratamientos térmicos. Mientras que las probetas de cemento a 600°C aparecen fisuradas y a los 1000°C completamente destruidas. En las elaboradas con ceniza no se observa la presencia de grietas aunque si que se observa una deformación plástica del material a partir de los 600°C. Esta deformación aumenta con la temperatura de exposición, es mas intensa para los materiales P-FA-N y se considera que puede ser la principal causa de las perdidas de resistencia a flexión.

Figura 11. Aspecto físico de las probetas de pasta después del tratamiento térmico, una hora a diferentes temperaturas para los materiales (a) P-CE-A; (b) P-FA-N y (c) P-FA-W

Estudios adicionales realizados (Fernández-Jiménez et al., 2008; Krivenko y Kovalchuk 2007) han mostrado que la caída de resistencias a flexión observada en los cementos obtenidos por activación alcalina de cenizas volantes (P-FA-N y P-FA-W) para temperaturas superiores a 600°C (valor a partir del cual las propiedades mecánicas del cemento Portland comercial se degradan rápidamente) se debe principalmente a que en torno a 600°C estos materiales presentan un punto de sinterización parcial, que afecta a su estabilidad dimensional. Sin embargo una vez que el material se ha enfriado la solidificación del fundido hace que se forme una matriz mas compacta y por tanto que aumenten las resistencias mecánicas a compresión a la vez que se detecta la formación de fases nuevas en el material cementante (Fernández-Jiménez et al., 2008; Gourley y Johnson 2005).

3.4 Aplicaciones

Teniendo en cuenta las buenas propiedades mecánicas así como su extraordinaria adherencia matriz-acero su estabilidad dimensional y su resistencia al fuego los morteros y hormigones en base ceniza volante activada alcalinamente pueden ser utilizados en la industria de lo prefabricados para la fabricación de diferentes tipos de elementos (elementos tan sofisticados como las traviesas monobloque para el ferrocarril que están sujetas a unos valores de prestaciones muy exigentes, como otros tipos de elementos menos exigentes desde el punto de vista tecnológico como postes de la luz, bloques para edificación ó pavimentación.

La idea, por lo tanto, de utilizar hormigones elaborados con cenizas volantes activadas alcalinamante, como componente conglomerante, para producir elementos prefabricados de uso en la construcción deriva de los siguientes hechos constatados:

i) Muchos de los elementos prefabricados de hormigón son piezas de tamaño "manejable", pero de una extraordinaria complejidad tecnológica. Su diseño y producción solo pueden abordarse con materiales que garanticen el desarrollo de propiedades resistentes, durables, de adherencia con las armaduras, de estabilidad de volumen, etc. Los hormigones de cenizas volantes activadas cumplen todas estas exigencias.

ii) Los procesos convencionales de producción en prefabricación exigen en la mayoría de las ocasiones un curado término acelerado del hormigón. La activación alcalina de las cenizas volantes se optimiza en condiciones de curado térmico similares. Los procesos de producción, consecuentemente, no se ven modificados sustancialmente por el hecho de cambiar una materia prima (cemento Pórtland) por otras (cenizas volantes y activadores alcalinos).

iii) En el caso de los elementos pretensados, la operación del pretensado de la armadura metálica se realiza antes de verter el hormigón en el molde. Teniendo en cuenta que estos hormigones de ceniza activada alcalinamente pueden desarrollar unas elevadas resistencias iniciales (en las primeras 12-20 horas) así como presentan una muy buena adherencia a la armadura, se podría disminuir el tiempo necesario para llevar a cabo el desmoldado de las piezas. Ello podría dar lugar a un aumento significativo de la producción de estos elementos en las factorías.

iv) Los problemas que plantea el proceso térmico de curado acelerado del hormigón tradicional respecto a la calidad y a la durabilidad de los productos acabados no tienen hoy día una fácil solución ya que las medidas recomendadas en los códigos de buena práctica (limitar la temperatura de curado a 60°C, seleccionar áridos que mantengan su condición de inertes a elevadas temperaturas, etc.) son generalmente insuficientes, y casi siempre incompatibles o de difícil conciliación con las necesidades de un sistema de producción masiva de elementos. La utilización de cenizas activadas podría cambiar radicalmente el escenario actual. En este terreno de la durabilidad se puede prever un buen comportamiento del hormigón alcalino de cenizas activadas dada la similitud químico-mineralógica existente entre el nuevo material y algunas zeolitas naturales, materiales extraordinariamente estables.

Finalmente no se debe dejar de aludir a los aspectos económicos y ecológicos que entran en juego. No hay que olvidar que el material que se está proponiendo como sustituto del cemento Pórtland en la elaboración de hormigones es un subproducto industrial ampliamente extendido por los 5 continentes que en gran parte se acumula en grandes extensiones de terreno por la imposibilidad de consumirlo.

En la Figura 12 se muestran algunas fotografías del proceso de fabricación de traviesas monobloque para el ferrocarril con la dosificación H-FA-W (ver Tabla 2) a escala industrial. La fabricación de las traviesas de ferrocarril se llevó a cabo sin necesidad de modificar de forma significativa el proceso habitual de fabricación en línea que se empleaba en la fábrica. La modificación mas relevante que se hizo fue el incremento de la Ta de curado de 50°C a 85°C-90°C, para ello se construyo un túnel por el cual se inyectaba vapor de agua a presión (ver Figura 12). El incremento de la Ta de curado en estos materiales no causa los problemas de durabilidad que aparecen en el cemento Portland cuando se cura a T° > a 60°C)

Las traviesas fabricadas fueron sometidas a los ensayos estáticos y dinámicos que exigen las normas. Los resultados obtenidos cumplían tanto los valores exigidos por la norma española como por la europea. El ensayo estático consiste en aplicar una carga estática sobre la sección a estudiar con el fin de determinar, la carga que produce la aparición de la primera fisura; carga que produce la fisura remanente de una anchura determinada (0.05 y 0.10 mm); carga de rotura. El ensayo dinámico consiste en aplicar una carga pulsatoria creciente, simulando cargas de impacto excepcionales y determinar como en el ensayo estático las cargas que producen las fisuras características. Los resultados obtenidos de ambos ensayos se muestran en la Tabla 6.

Figura 12. Fotos sobre el proceso de fabricación a escala industrial de traviesas monobloque para el ferrocarril con hormigones de ceniza volante activa alcalinamente (sin OPC)

Tabla 6. Resultados obtenidos de las traviesas monobloque para el ferrocarril elaboras con hormigones de ceniza volante activados alcalinamente sin cemento Portland

4. Conclusiones

Las principales conclusiones que pueden extraerse de este trabajo son:

En lo que respecta a sus propiedades tecnológicas los hormigones, morteros y pastas de ceniza volante activada alcalinamente presentan en general unas propiedades tecnológicas mejores que las de un hormigón de cemento Portland convencional, destacando el rápido desarrollo de resistencias mecánicas iniciales, muy bajas retracciones al secado, y un excelente comportamiento frente a la adherencia matriz / acero.

En lo que respecta a su comportamiento durable, las fases mineralógicas y microestructurales de pastas, morteros y hormigones de ceniza volante activada alcalinamente son diferentes a las de un OPC por ello los procesos de degradación son diferentes. Así presentan un comportamiento aceptable frente al ataque por sulfatos y agua de mar. En presencia de sulfatos como producto de degradación se forma un precipitación de sulfato sódico. En agua de mar se produce un intercambio iónico de Na por Mg lo cual modifica ligeramente la morfología del gel haciéndolo mas poroso. En medios fuertemente ácidos las pastas y morteros de ceniza volante activada alcalinamente sufren un proceso de dealuminacion. Ello implica una caída de resistencias y una perdida de masa. No obstante su comportamiento es mejor al observado en pastas y morteros de OPC en igualdad de condiciones.

En lo que respecta a su resistencia a elevadas temperaturas sus propiedades mecánicas se mantienen o mejoran entre 25 y 600°C, intervalo en el cual las propiedades mecánicas del cemento comercial se degradan rápidamente. No obstante, la aparición de fases vitreas a partir de 600°C da lugar a la aparición de fenómenos locales de plasticidad, que se terminan generalizando para temperaturas superiores. Esto causa una muy rápida degradación del material limitando su utilización sólo a aquellos casos en los que el material no necesite soportar cargas a temperaturas cercanas o superiores a los 600 °C.

Además de las buenas prestaciones tecnológicas de estos materiales es muy importante destacar la facilidad con la que este tipo de material se puede adecuar a las instalaciones existentes en la industria actual. Ello hace pensar que este nuevo hormigón pueda ser utilizado para fabricar además de traviesas cualquier otro tipo de elemento constructivo de la industria de los prefabricados. En definitiva estos resultados hacen pensar que en un futuro próximo este material pueda tener un importante desarrollo en la industria de la construcción.

 

 

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Contribución. Mejor artículo Conpat 2009

X Congreso Latinoamericano de patología de la Construcción y XII Congreso de Control de Calidad en la Construcción. Congreso Internacional de Patología, Control de Calidad y Rehabilitación de Estructuras y Construcción. 29 de Septiembre al 2 de Octubre de 2009. Valparaíso-Chile.

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