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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.25 n.3 Santiago  2010

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732010000300001 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 25 N°3, Diciembre de 2010 www.ing.puc.cl/ric PAG. 329- 352

Activación de arcillas de bajo grado a altas temperaturas

 

 

Rancés Castillo*¹ , Rodrigo Fernández**, Mathieu Antoni*, Karen Scrivener*, Adrián Alujas*, José F. Martirena**

 

*Universidad Central de Las Villas, Santa Clara. CUBA

** Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL). SUIZA

Dirección para Correspondencia


RESUMEN

Se presenta una propuesta de producción de puzolanas artificiales a partir de activar arcillas de baja pureza, como alternativa de producción de Metacaolín. Se trabajó básicamente con tierra rica en minerales arcillosos, principalmente caolín. Este material fue sedimentado y luego calcinado a 900 grados Celsius. Igual proceso se realizó al material original sin sedimentar. Producto de la calcinación disminuyó considerablemente la superficie específica, y por ende la actividad puzolánica, que fue evaluada monitoreando el consumo de HC en pastas a varias edades, y la resistencia a compresión en morteros. El material calcinado, aparentemente inerte, fue molido hasta una alta finura. Se introdujo una serie experimental con ceniza de paja de caña, como referencia de puzolana anteriormente estudiada. Las arcillas calcinadas molidas incrementaron cuantiosamente su actividad puzolánica, caracterizado por un mayor consumo de HC en pastas, y una mayor resistencia a compresión en morteros. Aparentemente este cambio se debe al efecto del molido sobre la reactividad de los suelos arcillosos calcinados. Los mejores resultados se obtuvieron para las muestras sedimentadas antes de calcinar. La resistencia a compresión de morteros, sustituyendo un 30% del peso de cemento por dicho material, es similar al control (100% cemento) a 7 días, y mayor a 28 y 60 días. Aunque dicha sustitución no disminuye la porosidad total, se disminuye la sorptividad, principalmente en muestras producidas con material sedimentado calcinado y molido. Posiblemente este fenómeno ocurra por un proceso de refinación de poros capilares inducido por la precipitación de productos de la reacción puzolánica.

Palabras Clave: Puzolanas, arcillas calcinadas, microestructura, porosidad, sorptividad


1. Introducción

1.1 Contexto del trabajo

En la actualidad, por razones económicas y medioambientales, la industria cementera busca optimizar el uso de materiales de sustitución del clínker de cemento por otros materiales cementicios suplementarios. Tal es el caso de las puzolanas, las cuales constituyen una vía de lograr reducciones en el consumo de cemento, ya sea como adiciones en el proceso de producción de cemento como en la sustitución de este en la fabricación de hormigones. En ambos casos, es bien conocido que las puzolanas modifican las propiedades físicas y mecánicas del hormigón, al cual aportan beneficios en las diferentes prestaciones que ingenieros, constructores o investigadores diseñen para su uso.

Las puzolanas pueden clasificarse, en dependencia de su origen, en naturales o artificiales. Las puzolanas naturales son las rocas existentes en la naturaleza que no precisan para su empleo nada más que la molienda, siendo característico de ellas que en su composición química predomine la sílice, el aluminio y el hierro. Las mismas no están distribuidas uniformemente en el planeta, pero hay varias zonas donde estos materiales son abundantes, en especial en el llamado "cinturón de fuego" (Martirena, 2003). Por otro lado, las puzolanas artificiales son subproductos de procesos altos consumidores de energía, ya sea por las altas temperaturas requeridas en la calcinación o combustión de materias primas, así como por el alto costo tecnológico asociado al mismo. Sus producciones principales se centran en países desarrollados, donde materiales como la ceniza volante (fly ash), el humo de sílice (silica fume), las escorias de fundición (blast furnace slag) y arcillas calcinadas (metakaolin) se muestran como las de mayor aceptación para la producción de cementos mezclados.

La reacción puzolánica se caracteriza por el consumo de hidróxido de calcio (CH) por parte de la sílice o alúmina reactiva presente en las puzolanas, para formar los hidrosilicatos de calcio (C-S-H). El contenido del gel de estos productos de reacción es generalmente incrementado, propiciando una menor porosidad capilar y por ende superior resistencia y durabilidad (Taylor, 1990; Feldman, 1984; Agarwal, 2006).

El uso de las puzolanas es limitado. Factores como su disponibilidad no universal y la relativamente poca reactividad de algunas, como es el caso del fly ash (Thomas et al., 1999), unido a los aspectos técnico-económicos mencionados, atentan contra un uso más proliferado de las puzolanas en la actualidad, fenómeno este más acentuado en países no desarrollados.

1.2 Puzolanas a partir de arcillas calcinadas

Actualmente, uno de los materiales cementicios suplementarios más estudiados y usados los constituyen las arcillas calcinadas en forma de metakaolin. Estos materiales, obtenidos a partir del tratamiento térmico de depósitos naturales de mineral caolín, muestran excelentes propiedades puzolánicas debido fundamentalmente a su composición química, estructura amorfa, y alta superficie específica. Durante este tratamiento térmico, factores como la temperatura y tiempo de calcinación, así como la forma y tamaño de las partículas, influyen en la reactividad del metakaolín (MK) (Bich et al., 2009; Goncalves et al., 2009; Samet et al., 2007).

La temperatura de calcinación de las arcillas influye en las propiedades puzolánicas del material resultante. La mayor reactividad se alcanza cuando el proceso de calcinación provoca la deshidroxilación, dejando como resultado una estructura de arcilla colapsada y desordenada. La temperatura óptima de activación parece depender de la pureza del material y sus minerales acompañantes. Algunos autores han revisado ampliamente este parámetro en estudios anteriores, resumiendo que la temperatura de activación óptima para el caso del caolín se encuentra en el rango de 630-800 °C (Fernandez, 2009; Sabir et al., 2001).

El MK es reconocido por su aporte en las mejoras del hormigón cuando se usa como sustituyente parcial del cemento Pórtland. Estudios han demostrado que las resistencias en morteros y hormigones a edades tempranas se incrementan, debido al efecto de relleno (filler) y a una acelerada hidratación del cemento, lo cual resulta en un refinamiento de la estructura de poros (Agarwal, 2006; Lawrence et al., 2005). Además, se ha demostrado su aporte en reducir los efectos de la reacción álcali-sílice, ya que reacciona en presencia de agua con el hidróxido de calcio presente en la solución del poro para así formar fases cementicias de hidrosilicatos de calcio.

El inconveniente del uso del MK se centra en la necesidad de disponer de arcillas puras en mineral caolín como materia prima para su producción, además de los altos costos de energía que exige su proceso de producción durante la calcinación. Formas viables de disminuir estas desventajas serían el empleo de arcillas de más bajo grado de pureza, unido a un eficiente proceso energético de producción durante su calcinación.

Experiencias anteriores a este trabajo contribuyen a hacer más viable el proceso de calcinación de estas arcillas. Tal es el caso del bloque sólido combustible, el cual garantizaba el proceso de calcinación a temperaturas que oscilaban los 900 °C (Martirena, 1999).

Teniendo en cuenta este antecedente se fabricó un horno experimental para acometer la quema de esta combinación densificada de biomasa y arcilla, con vista a recolectar los residuos de dicho proceso y evaluar sus potencialidades como puzolana. Luego de un estudio detallado de la ceniza producida a partir de la quema del bloque sólido combustible, se detectó que la misma poseía deficiente actividad puzolánica. Las condiciones descontroladas de quema provocaron la presencia de altos contenidos de material sin quemar y de residuos de carbón en la ceniza recolectada, comprometiendo seriamente la reactividad de la misma. Esto condujo a la decisión de procesar y estudiar por separado el material arcilloso.

En un trabajo anterior se empleó con otros objetivos esta misma arcilla, es decir, de igual procedencia, proceso de sedimentación y tratamiento térmico (Fernandez, 2009). Este demostró como a medida que se incrementaba la temperatura de calcinación, de 600 ° C hasta alcanzar los 1000 ° C, aparecía una considerable disminución de la superficie específica (de aproximadamente 40 m2/g a menos de 5 m2/g), debido básicamente a la aglomeración de las partículas y por el fenómeno de sinterización de la fase líquida. Producto a ello, la reactividad de esta arcilla era significativamente afectada. En el presente estudio las arcillas usadas son molidas después de la calcinación a 900 ° C, con vistas a revertir dicho fenómeno.

Este trabajo plantea una propuesta concreta: la utilización de materiales locales, en este caso un suelo arcilloso con mineral caolinita de bajo grado de pureza, como fuente natural para la producción de puzolanas muy reactivas a partir de un tratamiento térmico por calcinación. Este suelo arcilloso es abundante en Cuba (Delgado, 2003), lo cual garantiza la disponibilidad de materia prima para posibles producciones de esta puzolana.

El consumo energético asociado al proceso de calcinación de estas arcillas, con vista a la obtención de una puzolana muy reactiva, puede desarrollarse de forma eficiente al utilizar como combustible alternativo una biomasa procedente de procesos agroindustriales. Es por ello que el bloque sólido combustible permite acometer un proceso de calcinación más económicamente viable y menos dependiente de una fuente de energía externa (Martirena et al., 2007). Un factor fundamental es el empleo de tecnologías apropiadas que permitan un eficiente proceso de quema de este combustible alternativo, por ejemplo el horno vertical continuo para la producción de ladrillos cerámicos, ya que de esta forma se garantiza reducir considerablemente el contenido de carbón en la ceniza resultante, lo cual favorece las propiedades puzolánicas del material calcinado.

Este documento presenta un programa de trabajo para el estudio y compresión de la puzolana producida, con vista a su aplicación como sustituyente del cemento Pórtland ordinario (CPO). El mismo abarcó desde el proceso de sedimentación, calcinación y molienda de la arcilla hasta su incorporación y estudio en pastas y morteros.

Las pastas fueron elaboradas para estudiar el efecto de las adiciones empleadas, tanto en su estado fresco como en los cambios microestructurales en su estado endurecido. Por su parte, los morteros fueron fabricados para evaluar la influencia de estos materiales en su resistencia a la compresión y durabilidad.

El análisis de la durabilidad se realizó mediante la técnica de absorción de agua por capilaridad. El efecto de la calidad del hormigón, en lugares cercanos a superficies expuestas, está estrechamente asociado con el grado y tipo de agentes agresivos que pueden penetrar dentro del mismo. Aquellas propiedades que controlan el transporte de estos materiales dentro de la masa de hormigón o hacia el refuerzo, tales como la permeabilidad y la sorptividad, son de particular importancia. El grado con que un hormigón absorbe agua en contacto con su superficie está vinculado a varios aspectos de durabilidad. Los dos parámetros básicos asociados a la absorción son la porosidad efectiva (masa de agua que se requiere para saturar el material) y la sorptividad (grado de penetración) (Khelam, 1988; Hanzic and Ilic, 2003; Muhammed Basheer, 2001).

2. Materiales y métodos experimentales

2.1 Materias primas

Los ensayos realizados se desarrollaron en el Laboratorio de Materiales de Construcción (LMC), EPFL, Suiza, en colaboración con en el Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales (CIDEM), UCLV, Cuba. Para la preparación de las pastas y los morteros se empleó el cemento Normo 3, de fabricación suiza, con 32 MPa de resistencia a la compresión a los 28 días, el cual se clasifica como tipo I según la norma americana ASTM C150-02. Un resumen de su composición química y algunas características físicas está presente en la Tabla #1.

Se estudiaron básicamente dos tipos de arcillas calcinadas: suelo arcilloso, designado como TI 20 y arcilla sedimentada, producto de la sedimentación de dicho suelo, designada como AS-900. Ambos materiales fueron calcinados a 900 °C durante 1 hora, bajo condiciones controladas de temperatura en un horno de laboratorio, y molidos durante 120 minutos en un molino de bolas con capacidad de 600 litros.

El material usado para producir ambas arcillas calcinadas fue un suelo arcilloso de la región central del país, usado tradicionalmente para la producción de productos cerámicos, básicamente ladrillos y bloques cerámicos. Este suelo se caracteriza por ser una mezcla de minerales de arcilla, básicamente caolinita y montmorillonita, todos ellos con muy bajo grado de pureza (Fernandez et al., 2008).

Otra adición utilizada fue ceniza de paja de caña (SC), con el objetivo de realizar un análisis comparativo con una puzolana anteriormente estudiada (Martirena et al., 2006), la cual fue molida en las mismas condiciones que las arcillas calcinadas. Además, para poder comparar sólo el aporte de las adiciones minerales activas en las diferentes mezclas, se empleó un filler calcáreo (F) como referencia. Este fue molido durante 60 minutos, hasta alcanzar una finura similar al resto de las adiciones. Las propiedades físicas y químicas de todas las adiciones usadas en el presente estudio aparecen también mostradas en la Tabla # 1.

Tabla 1. Composición química y propiedades físicas de los cementos y adiciones utilizadas

En la Figura 1 se comparan las curvas granulométricas de todas las adiciones y el cemento usado en este estudio, obtenidas por granulómetría laser. Puede verse como el cemento Pórtland Normo 3 (CP-N3) posee con 28.21 µm el tamaño medio de partícula más grueso. Mediante los respectivos tratamientos a las adiciones, fue posible obtener y utilizar materiales más finos que el cemento Pórtland empleado, logrando como tamaño promedio de partícula: SC 5.49 µm, T120 3.83 µm, AS-900 7.47 µm y F 13.01 µm.

El hecho de que la arcilla sedimentada, después de calcinada y molida (AS-900), muestre mayor promedio de partícula respecto al material calcinado y molido sin sedimentación previa (TI20) se debe a que en este último existen pequeñas partículas de impureza de cuarzo, provenientes del suelo originario, que actúan como agentes de molienda en este proceso, ya que son más duro que el resto de los materiales presentes. Por otro lado, al eliminar por sedimentación estas partículas de cuarzo, el material obtenido aumentó su fracción arcillosa, y con ello la alta plasticidad asociada a estos materiales. Esto pudo influir en una mayor aglomeración entre los granos de arcilla durante la molienda, provocando que apareciera en el material AS-900 un pequeño grupo de partículas con tamaños superiores a 100 µm.

Figura 1. Distribución de tamaño de partícula de las materias primas

 

2.2 Método experimental

De forma general, el presente estudio se dividió en las siguientes fases experimentales:

Fase 1: Proceso de sedimentación y calcinación del suelo arcilloso y la arcilla sedimentada.

El proceso de sedimentación se realizó debido a la necesidad de estudiar una arcilla purificada proveniente de un suelo arcilloso. Para ser eficientes en este proceso, y con vistas a obtener los menores tamaños de grano posible, fue necesario deflocular las partículas de arcilla. Para ello se utilizó el silicato de sodio como agente defloculante, debido a sus características dispersantes expuestas por productores, a una concentración de 0.02%. Para la calcinación, los materiales fueron colocados en crisoles cerámicos dentro de la mufla de laboratorio. La temperatura fue elevada hasta los 900 °C a un ritmo de 300 °C/h, y luego de alcanzarla se mantuvo constante durante 1 hora.

Fase 2. Activación a través de molienda de las arcillas calcinadas, ceniza de paja de caña y filler calcáreo.

Una vez obtenido el material calcinado, era necesario realizar un proceso de activación con vista a revertir los problemas encontrados en su reactividad puzolánica. Como estas deficiencias aparecieron producto de una considerable disminución de su superficie específica, debido básicamente a la aglomeración de las partículas y por el fenómeno de sinterización de la fase líquida, se decidió acometer un proceso de molienda.

Por otro lado, estos materiales serían evaluados al reemplazar un 30% del cemento Pórtland ordinario en la fabricación de pastas, morteros y hormigones. Al utilizar un tamaño promedio de partícula inferior en dicha sustitución, además de garantizar una mayor compacidad en la matriz, también se influirá en la demanda de agua y por tanto en las propiedades Teológicas de los sistemas mencionados, principalmente en su fluidez.

Para evaluar el efecto de la finura en la fluidez de los diferentes sistemas cementicios, se realizó el ensayo del cono de Marsh en pastas de cemento - adición, según lo establecido en la norma cubana NC 461:2006 "Determinación de la fluidez de lechadas de cemento Pórtland empleando el embudo Marsh", la cual toma como base la norma americana ASTM C 939-97: "Standard test method for flow of grout for preplaced - aggregate concrete (flow cone method)". El estudio se realizó para el suelo arcilloso y calcinado sin sedimentar, pues era el material más fino de las adiciones empleadas, tal y como luego se demostró. Para ello se fabricaron pastas con una relación constante agua - aglomerante de 0.4 y con 30% de sustitución para los sistemas mezclados. Básicamente se evaluaron 60 minutos y 120 minutos como tiempos de molienda, para los cuales se determinó el por ciento mínimo de aditivo químico necesario para alcanzar una fluidez deseada (30 - 40 segundos) igual a la pasta control de cemento sin adición mineral.

Para cada por ciento de aditivo, determinados según el peso total de aglomerante (cemento + adición), se realizaron cuatro réplicas del ensayo. Se empleó el MAPEFLUID N-200 como aditivo líquido superplastificante reductor de agua. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1.1 y son graficados en la Figura 1.1

Fase 3: Estudio en pastas de la reactividad de los diferentes materiales.

Todas las pastas fueron fabricadas utilizando el cemento Normo 3 como aglomerante principal. En todas ellas, excepto para la mezcla de Pórtland puro, se utilizaron niveles de sustitución del cemento de 30% en peso. La relación agua/aglomerante de 0.4% se mantuvo constante en todos los casos.

La reactividad en pastas de las arcillas calcinadas, así como del resto de las adiciones, fue estudiada mediante la evolución del consumo de hidróxido de calcio (CH) en el tiempo. El seguimiento del pico de Pórtlandita en las pastas de cemento por difracción de rayos X (Figura 2), su cuantificación por termogravimetría (Figura 3), y la cantidad de agua químicamente combinada (Figura 4) permitió detectar la actividad puzolánica en las mismas a 1, 7 y 28 días de edad.

El efecto del molido en la reactividad de las arcillas calcinadas fue también evaluado por termogravimetría. Para ello se emplearon dos series experimentales, designadas como TO para el suelo arcilloso y AS-0 para la arcilla sedimentada, ambos materiales calcinados y sin moler. Los resultados se muestran en la Figura 5.

Con el fin de estudiar el efecto de las adiciones minerales en la porosidad del material, se evaluaron todas las pastas a 7 y 28 días en el porosímetro por intrusión de mercurio. Los resultados de este experimento son expresados en la Figura 6, dónde se relacionan los valores acumulados de la porosidad en función del tamaño de poro.

Fase 4: Aplicación y estudio en morteros.

Se fabricaron probetas de 40x40x160 mm de mortero según los procedimientos de la norma EN 1015-2:1998/A1:2006, usando como aglomerante principal cemento Pórtland Normo 3. Se mantuvo un 30% de sustitución del cemento por las adiciones, usando siempre una relación agua aglomerante de 0.5. El ensayo posterior a flexión y compresión a 1, 7, 28 y 60 días se realizaron según los requerimientos de la norma EN 1015-11:1999/A1:2006. Arena normalizada (SIA 162) fue usada para todas las muestras de mortero.

Al siguiente día se desmoldan y se colocan para su conservación a 30 °C hasta la fecha de ensayo. En la Figura 7 se muestran los promedios de seis valores de resistencia a la compresión para cada muestra de mortero a diferentes edades de ensayo.

A todas las muestras de mortero se le determinó el grado de hidratación a los 7 días, con el fin de correlacionar los valores de resistencia a la compresión con la reactividad mostrada por las puzolanas a esta edad. El grado de hidratación, expresado en por ciento, se refiere a la comparación volumétrica de cemento anhidro, a determinada edad de la muestra, con respecto a la formulación original (Scrivener, 2004). Para ello las muestras de mortero fueron preparadas en secciones pulidas para ser analizadas en el microscopio electrónico de barrido. Mediante el análisis de imágenes tomadas por el microscopio, aplicando un software especializado, pudieron identificarse y cuantificarse las fases hidratadas, anhidras, los poros y los áridos. La Figura 10 muestra los resultados obtenidos de este análisis.

En el presente trabajo se realizó un ensayo de absorción de agua por capilaridad con el fin de determinar la sorptividad de los diferentes morteros fabricados, para así evaluar el efecto del uso de las puzolanas sobre la durabilidad del material. Para ello se tomaron testigos de 15 cm de altura por 5 cm de diámetro, de un cubo de 15x15x15 cm. fabricado con las mismas dosificaciones usadas en las mezclas de mortero, a diferentes edades y para cada tipo de adición a estudiar. Estos fueron cortados en 3 partes de similar altura, conformando así las muestras a ensayar. Estas muestras se colocaron, perfectamente secas, en un recipiente con una película de agua de aproximadamente 3 mm y se midió en el tiempo la penetración del líquido por medio de la diferencia de peso. Fueron evaluadas las mezclas a 3, 7 y 28 días. El promedio de 3 mediciones por edad para cada tipo de mortero se representa en los resultados mostrados en las Figuras 11 y 12. La sorptividad fue obtenida, para cada muestra y edad de ensayo, según la expresión:

, siendo en la misma:

i: volumen de agua absorbido por unidad de seccióntransversal (mm) ó (mm3/mm2)

S: sorptividad (mm/ h)

t: tiempo (h)

Otro factor muy importante en la durabilidad del material fabricado es la porosidad capilar.

La misma fue determinada relacionando porcentualmente la masa completamente seca de las muestras analizadas con sus valores de peso saturado sin humedad superficial. Las muestras fueron sometidas a una saturación extrema colocándolas en un recipiente con agua al vacío durante 24 horas. Los resultados se expresan en la Figura 13.

3. Resultados y discusión

3.1 Análisis de los resultados en pastas

El ensayo del cono de Marsh permitió evaluar el efecto de la finura en la fluidez de las pastas de cemento - adición, cuyo comportamiento puede ser correlacionado con los posibles cambios en la reología de morteros y hormigones fabricados con estos materiales. El procedimiento básico de este ensayo consiste en medir el tiempo que se toma en llenar 1 litro de pasta, la cual debe fluir de forma continua desde el cono. Los resultados aparecen recogidos en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1 Resultados del ensayo del cono de Marsh

La Figura 1.1 muestra una gráfica con el comportamiento de los valores de resultados de dicho ensayo. En esta puede verse como, al moler el suelo arcilloso calcinado durante 60 minutos, se alcanzan valores de fluidez similares a la pasta control de cemento puro cuando se añade el aditivo superplastificante en una cantidad del 0.8% del peso de aglomerante total. Por otro lado, similares valores de fluidez muestra el suelo arcilloso calcinado y molido durante 120 minutos al emplear el aditivo químico en 0.6% del peso total de aglomerante.

Como el requisito de selección fue fijado en la mínima cantidad de aditivo necesario para alcanzar la fluidez deseada, se tomó como tiempo de molienda para las arcillas calcinadas el de 120 minutos.

Figura 1.1. Comportamiento de la fluidez en pastas de cement-adición

Mediante la técnica de rayos X se pudo monitorear en el tiempo el proceso de reacción puzolánica, evidenciado por la intensidad del pico de Pórtlandita (18° y 34°) en cada pasta (Figura 2). Todos los sistemas estudiados mostraron un pico más intenso a los 7 días, asociado al aumento de hidróxido de calcio en la matriz cementante producto de la hidratación del cemento Pórtland en los primeros días. Luego, a los 28 días, se detectaron niveles inferiores de intensidad en este pico, debido al característico consumo de Pórtlandita de la reacción puzolánica. En el sistema cemento - arcilla calcinada (AS-900) el debilitamiento de los picos de HC entre 7 y 28 días es sensiblemente más brusco que en el resto de sistemas, lo cual indica que desarrolló una importante actividad puzolánica.

Los resultados de termogravimetría (TG) en la Figura 3 muestran como el contenido de hidróxido de calcio es inferior para todos los sistemas puzolánicos respecto a la referencia (consumo de HC), siendo más acentuado en el caso de la arcilla calcinada (AS-900), lo cual demuestra que este material aparenta ser el más reactivo de los estudiados.

Figura 2. Evolución de hidróxido de calcio en pastas de cemento por XRD

Figura 3. Contenido de HC en pastas de cemento por TG

Figura 4. Agua químicamente combinada

En la Figura 4 se muestran los resultados de la cantidad de agua químicamente combinada, para los diferentes sistemas en el tiempo. Este estudio fue posible realizarlo monitoreando la formación de los productos de hidratación, mediante el método de análisis térmico diferencial (ATD), aplicado a la técnica de termo-gravimetría (TG) (Ramachandran, 2001). Como era de esperar, en el sistema de Pórtland puro (CP N3) aparecen los valores más altos, debido a que éste presenta inicialmente mayor cantidad de cemento respecto al resto. Es por ello que servirá como referencia el sistema con filler (F), ya que posee igual cantidad de cemento que los sistemas puzolánicos. Por eso, los valores superiores a los del filler pueden interpretarse como el agua consumida sólo por la reacción puzolánica. Puede verse cómo, para edades muy tempranas (1d), los sistemas con ceniza de paja de caña (SC) y suelo arcilloso calcinado (T120) presentan valores superiores al filler, índice este de actividad puzolánica. No obstante, el hecho de que ambas adiciones son las de menor tamaño de grano pudo influir en una mayor formación de hidratos a esta temprana edad.

Diferente es el comportamiento a esta edad de la arcilla sedimentada y calcinada (AS-900), la cual muestra un por ciento de agua químicamente combinada ligeramente inferior a la referencia de filler, lo que indica ninguna o muy poca actividad puzolánica. Esto puede ser atribuido a un mayor contenido de alúmina reactiva en dicha puzolana (Tabla #1), ya que se favorece la hidratación de esta fase sobre las del cemento. Esto pudo influir en los bajos contenidos de HC, lo cual indica que no siempre estos resultados deben ser atribuidos solamente al consumo por parte de la actividad puzolánica, sino también a una limitada formación de Pórtlandita proveniente de la hidratación del cemento Pórtland.

Este fenómeno ha sido referenciado anteriormente por Fernández en 2009 (Fernandez, 2009), el cual demostró, mediante ensayos de calorimetría, como existía cierto valor umbral de contenido de alúmina reactiva por encima del cual la reacción de la sílice del cemento es alterada.

Sin embargo a los 7 días aparece un salto en los valores mostrados por la AS-900, ya que se obtienen valores superiores al resto de los sistemas, exceptuando al Pórtland puro (CP N3), demostrando un importante proceso de reacción puzolánica en este período. A esta edad existe suficiente Pórtlandita proveniente de la hidratación de las fases del cemento, cuya reacción con la puzolana provoca formación extra de productos hidratados. Esta actividad puzolánica siguió incrementándose para los sistemas con arcillas calcinadas (AS-900 y T120) llegando incluso a sobrepasar a los 28 días los valores de agua químicamente combinada mostrado por el sistema de Pórtland puro (CP N3). El efecto de la finura del material (Tabla #1) en las pastas fabricadas con suelo arcilloso calcinado (T120) pudo influir en una ligeramente mayor formación de hidratos a los 28 días respecto al resto de los sistemas, a pesar de haber sido el sistema con adición mineral activa de menor consumo de Pórtlandita a esta edad (Figura 3).

Este ensayo de termogravimetría demostró el efecto que tiene el molido en la reactividad de las arcillas calcinadas. En la Figura 5 es evidente como los sistemas sin moler no reflejan actividad puzolánica considerable, pues ambos se encuentran con valores superiores de contenido de Pórtlandita respecto a la referencia. Sin embargo, cuando las arcillas calcinadas son molidas, el consumo de hidróxido de calcio en las pastas cementantes a los 28 días puede disminuir aproximadamente en un 65% respecto a su estado inicial (sin moler).

Figura 5. Efecto del molido en el consumo de CH

Igualmente fue estudiada la porosidad de estas pastas usando un porosímetro por intrusión de mercurio (PIM). Como puede apreciarse en la Figura 6, en todas las pastas existe entre los 7 y 28 días una reducción de la porosidad total, aspecto este bien conocido debido a la formación en el tiempo de productos de hidratación gracias a la reacción puzolánica (Feldman, 1984, Goncalves et al., 2009). Además de ello, es importante destacar cómo, sólo para los sistemas con adiciones minerales activas, aparece un refinamiento de la estructura de poro respecto a la referencia, siendo mayor este fenómeno en el caso de la arcilla calcinada (AS-900). Este fenómeno puede verse analizando el comportamiento de la estructura de poros en las pastas a 28 días. La Tabla #2 muestra un resumen de la estructura de poros de las pastas, clasificadas según la Unión Internacional de Química Pura Aplicada (Everett, 1972). Pude observarse como, con la sustitución de cemento Pórtland ordinario por adiciones minerales activas, ocurre un cambio en la microestructura, ya que se evidencia una reducción en la proporción de los macroporos y un incremento en la proporción de mesoporos. Esto resulta en el refinamiento observado a los 28 días según muestra la Figura 6, siendo de forma más significativa en la arcilla sedimentada y calcinada (AS-900).

Figura 6. Porosidad por Intrusión de Mercurio en pastas a 7 y 28 días

Tabla 2. Distribución de tamaños de poros, pasta 28 días

Ese fenómeno ha sido referenciado en la literatura anteriormente. Tal es el caso de los estudios realizados por R.F Feldman en 1984, los cuales mostraron que usando adiciones minerales en pastas de cemento se obtienen productos de hidratación con menor permeabilidad que en aquellas de Pórtland puro (Feldman, 1984). Resultados similares encontró J. P Goncalves en el 2009, los cuales demostraron que cuando se usa metakaolin, tanto industrial como de laboratorio, o ladrillos molidos, en sustitución del cemento Pórtland, pueden obtenerse mezclas con estructuras porosas más finas (Goncalves et al., 2009).

Como el instrumento se basa en la intrusión de mercurio, los primeros valores de porosidad que aparecen son aquellos que se refieren a los poros externos del material. Según este principio, se evidencia que la mezcla AS-900 a los 28 días muestra una porosidad externa menor que el resto de la puzolana, índice estrechamente vinculado con la reactividad de la misma y muy favorable ante la acción de agentes agresivos externos.

En la misma figura se puede apreciar que en los sistemas con adiciones no se alcanzan valores de porosidad total menores que la referencia, a pesar del mencionado aporte de la reacción puzolánica. Esto puede ser explicado debido a que el volumen de sólidos de los productos de hidratación del CPO es mayor respecto al formado por la reacción puzolánica, que se incrementa además con la porosidad interna de las puzolanas utilizadas (Feldman, 1984, Goncalves et al., 2009). Es decir, como en la referencia se consume más agua en el proceso de hidratación, quedará más espacio para los productos de hidratación a formar, siendo estos volumétricamente mayor en esta mezcla de Pórtland puro. La porosidad total es mayor en los sistemas con adiciones minerales y sin embargo la resistencia a la compresión en morteros es mayor que la referencia. Aparentemente no sólo es el volumen, sino que también la distribución y morfología de los poros, ya sean macros o micros, internos o externos, tiene un rol importante en la definición de las resistencias mecánicas.

3.2 Análisis de los resultados en morteros

La reactividad mostrada por las puzolanas en las pastas, así como la porosidad asociada a estas, influyó en la resistencia a la compresión de los morteros fabricados. Los resultados del ensayo de resistencia a la compresión en morteros (Figura 7), muestran como el proceso de reacción puzolánica en edades tempranas (hasta los 7 días), a pesar de ser la etapa con mayor proporción de aumento de los valores de resistencia en las mezclas, no alcanzan los mostrados por el sistema de Pórtland puro.

A partir de los 28 días la resistencia a la compresión de los sistemas puzolánicos es superior a la referencia, en especial la arcilla calcinada (AS-900), que presenta en dicha edad un aumento de su resistencia de un 30% respecto al sistema Pórtland puro, lo que la convierte en la adición mineral más reactiva utilizada.

Figura 7. Resistencia a la compresión en morteros

El consumo de cal en pastas, obtenido por termogravimetría, fue relacionado con la resistencia a la compresión de cada mortero. Como las cantidades de cemento en las mezclas con adiciones son inferiores a la referencia, se comparó el incremento de resistencia de cada adición con el sistema cemento - filler, ya que tiene un 30% de sustitución al igual que el resto. En la Figura 8 aparece una tabla con los valores porcentuales de contenido de hidróxido de calcio y resistencia a la compresión de las mezclas con puzolanas respecto a la mezcla con filler, ambas con igual cantidad de cemento. Por ejemplo, el sistema con AS-900 posee a 1 día un contenido de Pórtlandita equivalente al 71% presente en el sistema con filler, siendo a esta edad su resistencia un 84% de la alcanzada por el mortero fabricado con filler. En esta figura puede observarse como todos los sistemas puzolánicos, a medida que avanza el tiempo (1, 7 y 28 días), se mueven los puntos hacia la izquierda como símbolo de consumo de Pórtlandita. Esto tiene una influencia directa con la resistencia a la compresión, por lo que el incremento de sus valores también se evidencia. Es importante destacar como la arcilla calcinada (AS-900) se manifiesta como la de mayor consumo de HC y a su vez la de mayores valores de resistencia.

El incremento de la resistencia mecánica se produce aparentemente debido a la activación de las puzolanas a través de la molienda. En la Figura 9 puede verse como los sistemas sin moler muestran valores de resistencia a la compresión en morteros muy inferiores a la referencia, excepto para la arcilla calcinada sin moler que logra valores similares al sistema Pórtland puro sólo a los 60 días. Esto demuestra como una arcilla calcinada, que inicialmente mostraba una pobre reactividad, puede convertirse en una puzolana muy reactiva a través de la molienda. El efecto dañino de poseer una baja superficie específica a causa del efecto de aglomeración de partículas y sinterización por elevadas temperaturas, puede ser revertido mediante el molido, lo que provoca un incremento de la superficie específica y por ende de la reactividad de dicho material.

Figura 8. Desarrollo de la reacción puzolánica

Figura 9. Efecto del molido en la resistencia a la compresión

Como puede apreciarse en la Figura 10, a partir de los 7 días, los morteros fabricados con adiciones presentan mayor grado de hidratación del CPO respecto a la referencia de Pórtland puro. Esto se debe a que se está sustituyendo el cemento por un material más fino, cuyas partículas permiten una mayor compacidad en la mezcla, realzando así el proceso de hidratación.

Además, de manera general, hay más agua a disposición por gramo de cemento, ya que aumenta la relación agua cemento debido a la sustitución. Para el caso de los morteros con arcilla calcinada (AS-900), el hecho de que el contenido de HC evaluado en pastas presenta el menor valor a esta misma edad, unido al efecto filler, pudo influenciar en que estos mostraran un mayor grado de hidratación respecto al resto.

Figura 10. Grado de Hidratación en morteros a 7 días según BSE-IA

Otro factor importante a tener en cuenta al usar adiciones minerales activas como sustituyentes del cemento Pórtland ordinario es evaluar su aporte en los cambios de la estructura de poros, que en última instancia son determinantes en la durabilidad del nuevo material. Esto pudo ser comprobado usando un ensayo de absorción de agua por capilaridad (Figura 11), llegando a medir la sorptividad del mismo (Figura 12).

Las curvas en la Figura 11 muestran lógicamente una disminución de la absorción de agua en el tiempo para todos los especímenes, lo que aparentemente se produce debido a una densificación de la microestructura por la formación de hidratos. Este fenómeno se acentúa en el caso de la arcilla sedimentada y calcinada (AS-900), ya que a los 28 días es quien muestra los menores valores de absorción de agua.

Tanto para el sistema de arcilla sedimentada y calcinada (AS-900) como para el de cemento (CP N3), puede observase un incremento en los valores de sorptividad de los 3 a los 7 días, mostrados en la Figura 12. Esto puede atribuirse al refinamiento de la porosidad, debido a la importante actividad química en este intervalo de tiempo. Al cerrarse el poro, la tensión capilar aumenta, logrando que penetre más rápido el agua (mayor sorptividad), pero en menor volumen (menor absorción).

En el caso de la AS-900, este refinamiento se evidencia también en el hecho de que pasó de ser la segunda en absorber más agua a los 3 días, superada sólo por el sistema de filler, a la segunda en menor absorción a los 7 días, muy similar a los mínimos valores mostrados por el sistema del suelo arcilloso calcinado (T120).

Nuevamente la arcilla calcinada (AS-900) se muestra como la adición mineral de mejor comportamiento, que en este caso logra los valores más bajo de sorptividad a los 28 días. Esto indica que, cuando se usa este tipo de puzolana en sustitución del cemento Pórtland, es posible disminuir el grado de penetración del agua dentro de la masa del hormigón, lo cual evita una acción más fuerte y directa de aquellos elementos agresivos que puedan afectar la durabilidad del material.

Figura 11. Absorción de agua en morteros, primeras 8 horas

Figura 12. Sorptividad en morteros

Figura 13. Porosidad capilar en morteros con adiciones

En esta Figura 13 puede observarse como el uso de arcilla calcinada como material cementicio sustituyente del cemento Pórtland, reduce la porosidad capilar del material en más de un 60% respecto a la referencia.

Existe una estrecha relación entre la porosidad capilar y la durabilidad de un material. En este estudio se han utilizado dos técnicas para determinar porosidad: PIM y saturación de agua. Los resultados para ambos casos se mostraron diferentes y por tanto contradictorios. Por un lado el PIM llega a tamaños de poros del orden de los nanómetros, cuando la absorción de agua sólo da una información sobre los poros capilares registrados en mieras. De ahí se puede concluir que la sustitución de cemento Pórtland por las adiciones puzolánicas reduce preferentemente la macro porosidad y en menor medida la micro, lo que indica de manera general un refinamiento de la porosidad capilar y por ende un mejoramiento de la permeabilidad del material.

Todos los resultados de los ensayos microestructurales realizados justifican el comportamiento favorable de las adiciones utilizadas en cuanto a la resistencia a la compresión de los morteros. Las técnicas de análisis microestructural sirvieron como herramienta de interpretación de las propiedades físico-mecánicas de las mezclas fabricadas, así como de sus características a escala macro.

4. Conclusiones

El presente estudió permitió alcanzar las siguientes conclusiones:

•  Las propiedades mecánicas de morteros, sustituyendo 30% del cemento por SC, T120 y AS-900 fueron:- similares a la referencia a los 7 días-  superiores a la referencia a partir de los 28 días.

• Todas las adiciones minerales activas desarrollaron un adecuado proceso de reacción puzolánica, destacándose significativamente la arcilla calcinada (AS-900).

•  El proceso de molido de las materias primas tiene una gran influencia en la reactividad de suelos arcillosos y arcillas sedimentadas. Gracias a esta molienda, además de incrementarse en dichos sistemas el consumo de hidróxido de calcio respecto a la referencia, existe un aumento de la compacidad de la mezcla al usar materiales más finos que el cemento Pórtland.

•  El uso de adiciones minerales activas provocan un refinamiento de la estructura de poros del material.

•  La distribución y morfología de poros parece influir directamente en la definición de las resistencias mecánicas.

•  Los morteros obtenidos de los sistemas arcillosos (T120 y AS-900) muestran una reducción de su sorptividad a los 28 días respecto a la referencia de Pórtland puro.

•  El uso de adiciones minerales activas reduce la porosidad capilar del material, destacándose la arcilla calcinada con una disminución de más del 60% respecto a la referencia.

•  Siempre y cuando estén finamente molidos, las arcillas calcinadas a 900 grados centígrados, provenientes de suelos arcillosos de bajo grado de pureza, pueden lograr una notable actividad puzolánica. Esto puede ampliar el campo de aplicaciones a la hora de acometer la producción de puzolanas reactivas.

• El proceso de activación térmica de las arcillas puede realizarse de forma eficiente mediante la quema del bloque sólido combustible. La tecnología del horno vertical continuo garantiza un adecuado proceso de combustión, lo cual minimiza los contenidos de carbón en el material calcinado.

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E-mail: rancesc@uclv.edu.cu

Fecha de recepción: 23/ 06/ 2010 Fecha de aceptación: 27/ 10/ 2010

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