Concreto Y Aditivos

NUEVOS CONCEPTOS EN CEMENTOS Y ADITIVOS Ing. Manuel Gonzáles de la Cotera S.

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

1 . Introducción En el siglo que se inicia. será posible disponer de nuevos materiales a base de cemento. con altas cualidades mecánicas y de performance frente acciones agresivas, por la conformación de pastas cementosas de nuevo tipo, en las cuales . el rol esencial del cemento se conjuga con el aporte, de los aditivos químicos que permiten la reducción del mezcla y adiciones minerales, que densifican las pastas e incrementan su resistencia y plasticidad En la década de los 70 se efectuaron numerosos investigaciones para la aplicación de aditivos y adiciones en el concreto, con el propósito de obtener un nuevo comportamiento cualitativo. El logro más importante fueron los concretos de alta performance HPC (High Performance Concrete), con resistencias de 60 a 100 Mpa generando nuevas perspectivas en la construcción e edificios elevados. A diferencia de los concretos convencionales los HPC, presentan uno reducción en el tamaño y volumen del agregado gruesa, pero se distinguen básicamente por la pasta. con alto contenido de cemento reducida relación agua / cemento (de 0.32 a 0,35) y la inclusión de material ultra fino, de características puzolánicas que lo densifican. El concreto surge en el siglo XIX con la revolución industrial que dio origen e las primeras macrociudades, con puentes y otras construcciones que requerían tomar esfuerzos de tracción y flexión no compatibles con la albañilería en piedra. paralelamente la revolución industrial transformo los hornos de clinker con mejor control y mayores temperaturas y la producción económica de y barros de e... para concreto armado. Sin embargo, pese a su evolución tecnológica el concreto estaba sujeto a las siguientes restricciones: -

la pasta de cemento, constituía el eslabón más débil del concreto y le daba su valor resistente. La rotura se producía en la zona de transición entre la pasta y el agregado, por su mayor porosidad y la orientación de los productos de hidratación La pasta de cemento, en si mismo no se empleaba como material constructivo, requiriendo su aglomeración con agregados, debido a sus deformaciones y costo, factores que eran atenuados por los agregados.

En la actualidad se produce una revolución en el interior del concreto: Las pastas cementosas de nuevo tipo, por la densificación de la zona de transición con los agregados y relaciones epitáxicas, modificaron el comportamiento resistente del concreto, haciendo del agregado su punto más débil. Por otra parte, las pastas con la inclusión de polímeros y fibras cortas, que regulan sus deformaciones, alcanzan nuevas posibilidades, como su empleo en la fabricación de productos industriales, de mayor valor agregado. 2. El rol de cemento Portland En el siglo que se inicia el cemento Pontland continuará siendo el elemento básico de la construcción. constituyendo Pastas que con el aporte de adiciones minerales y aditivos químicos, otorgarán nuevas propiedades y aplicaciones al concreto. La línea general de desarrollo del concreto como material de construcción. lo ubica en la actualidad como hegemónico, en especial en los países en desarrollo. se basa en las siguientes: -

Se produce con materiales de bajo costo, disponibles en todas las regiones, Presenta óptima economía energética, con ventaja sobre materiales alternativos. Es un material ecológico, no contaminante, que contribuye a la protección ambiental. Es versátil y se adapta a todo tipo de formas y requerimientos. Presente alta resistencia al fuego, favorable en la edificación y al agua, único en estructuras hidráulicas. 1

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

El desarrollo del cemento se evidencia si consideramos que la producción mundial en miles de TM fue, en 1950 de 133.000 TM con un consumo per capita de 55 Kg.; en 1975 alcanzó los 719.000 de TM con un per capita de 180 kg. Y en l año 2000 1,645.000 de TMy per capita de 269 Kg. Las pastas de cemento de nuevo tipo con la adición de aditivos altamente reductores del contenido de agua y la inclusión de adiciones minerales muy finas, de carácter puzolánico, se densifican y mejoran la zona de transición, entre la pasta y el agregado, de manera que la rutura se produce por la falla del agregado grueso. Las edificaciones elevadas de 200 a 300 metros, antiguamente patrimonio del acero, se construyen con concretos con resistencias de 60 a 100 Mpa. Las pastas de cemento de nuevo tipo, admiten incluir diversos materiales como las fibras cortas y los polímeros solubles, mediante procesos productivos que incluyen el moldeo por compresión o extracción, el tratamiento de calor y otros procedimientos. Estos materiales son denominados como “Chemically Bonded Ceramics” (CBC), teniendo en cuenta la naturaleza química de las uniones, el carácter inorgánico y no metálico de los materiales y los procesos de manufactura. (1) En general los materiales CBC han sido agrupados en dos categorías: los Macro Defec Free MDF y los Densified with Small Particles, DSP. El primero de ellos juega un rol importantes, los polímeros solubles en agua, que otorgan especiales características reológicas a las pastas. De otro lado, las pastas densificadas DSP corresponden a los conceptos de alta performance, de elevada resistencia a la compresión y durabilidad, en base a superplastificantes y acciones minerales en especial la microsilice. Los materiales conocidos como Reactive Powder Concrete, RPC, constituye el último desarrollo de los HPC con una amplia gama de aplicaciones y con resistencias que varían entre los 200 y los 800 Mpa según las características del proceso de producción (2)

Curva Esfuerzo Deformación 3. Los Nuevos Protagonistas: Adiciones y Aditivos Las adiciones son materias minerales que se incorporan al cemento, generalmente en molienda conjunta, como ciertas rocas naturales o no(puzolanas, escorias granulada de alto horno, caliza, micrisilice) que actúan, o bien mejorando las propiedades hidráulicas del cemento y otras cualidades por una adecuada granulometría(incremento de la trabajabilidad y retención de agua, disminución de la porosidad y capacidad, reducción de la fisuración). (3) Luego de la segunda guerra mundial, Europa debió de reconstruir muchas ciudades y obras de infraestructura, incrementando la producción del cemento de manera muy importante, la que generalizó el uso de adiciones puzolánicas y de escoria de alto horno. Posteriormente, en la década de 70´ a raíz de la crisis de energía se incremento la aplicación de adiciones minerales con las cenizas volantes y el líder calizo. En la actualidad todos los cementos normalizados introducen adiciones en niveles que varían entre el 5 y el 60% de las plantas de premezclado y el 50% del concreto que se despacha incluye cenizas volantes(fly ash).

2

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

La circunstancia descrita se debe a la conjunción de varios factores: - El desarrollo tecnológico ha llevado a hornos de gran magnitud para la fabricación de clinker de alta calidad. Las plantas cuentan con uno o dos hornos y producen cementos fe diferentes propiedades con dosificaciones de adiciones minerales. - Las adiciones permiten el ahorro de energía no renovable. - Las adiciones permiten la eliminación de materiales contaminantes, como sucede con las escorias. - Se reducen las emisiones de material particulado y gases. Puzolanas: Son sustancias naturales o industriales silíceas o silicoaluminosas, o una expansión de ambas. Aunque el horno de sílice tiene propiedades puzolánicas. Los materiales puzolánicos; no endurecen así mismos cuando se amasan con agua, pero finalmente molidos, reaccionan en presencia de agua, a la temperatura ambiente con el hidróxido de calcio o disuelto, y toman compuestos de silicato de calcio y aluminio de calcio, capaces de desarrollar resistencia. Las puzolanas constan esencialmente de SIO2 reactiva y AL2O3 el resto contiene Fe2O3 y otros óxidos. El movimiento de SIO2 reactivo no será menor del 25% en masa. Escoria; La escoria de alto horno se obtiene del tratamiento metalúrgico de los minerales de fierro y resulta de la ganga, de los constituyentes secundarios del mineral y de los residuos secundarios del carbón y adiciones calcáreas. Su actividad cementante potencial se desarrolla por el proceso de vitrificación o templado, por el enfriamiento rápido de la escoria fundida. Filler Calizo, Los filleres son materiales inorgánicos minerales seleccionados, que mediante adecuada preparación, considerando su distribución granulométrica, mejoran las propiedades físicas del cemento deben de tener una proporción de CaCo3 > 75% en masa y estar libres de contaminación de materia orgánica o arcilla. Microsilice, La microsilice es un sub-producto de la industria del ferrosilicio. Se presentan bajo la forma de microesferas de sílice amorfa, con 90% a 96% de SiC2 con el diámetro promedio del orden de 0.1 micrones y densidad de 2.0g/cm3 su acción en el concreto se debe a su alta actividad puzolánica y a la finura de sus partículas, que incrementan la compacidad de las pastas de cemento hidratadas. Los aditivos del concreto son productos capaces de disolverse en agua, que se adicionan durante el mezclado en porcentajes no mayores del 5% de la masa de cemento, con el propósito de producir una modificación en el comportamiento del concreto en su fresco y/o en condiciones de trabajo. Las primeras realizaciones de los HPC se efectuaron básicamente por contribución de los superplastificantes, que permiten la reducción definitiva del agua de mezcla, en relaciones a/c vecinas al 0.30, obteniéndose resistencias superiores a 60 Mpa. Los reductores de agua de primera generación, en base a lignosufatos, tenían un límite para su incorporación al concreto, pues en exceso producían importantes desarreglos, obtenidos únicamente reducciones de agua del orden del 8 ó 10%, Los superplastificantes denominados también reductores de alto rango, llevan a duplicar estos valores. Una nueva generación de aditivos químicos resuelve los problemas de compatibilidad con el cemento, que se presentaba en diminutas relaciones a/c y alto contenido de aditivos, que se manifiestan por la pérdida de sus efectos con el tiempo y performances irregulares. Como se sabe el exceso de agua de mezcla propia de los concretos tradicionales, por exigencia de la trabajabilidad, producen los vacíos capilares, que afectan la durabilidad y la resistencia del concreto. Además, el cemento presenta gran número de iones en disolución es su superficie, que por afinidad de electrostática tienen a formar flóculos que impiden la dispersión de las partículas y retienen agua en su interior. Esta agua retenida, no contribuye a la hidratación del cemento y afecta su resistencia.

3

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

La acción de los SP se presentan en tres etapas: a) Absorción por las partículas de cemento de los polímeros en la interfase sólido/líquido b) Carga de las superficies de los gránulos con fuerzas electrostáticas del mismo signo que consecuentemente, se repelen c) Aparición de tensiones superficiales que aumentan la distancia entre partículas. Los aditivos normalizados por ASTM C-494 y la NTP 334.088 son de los siguientes tipos: Acelerador Aditivo que acelera el fraguado y el desarrollo de la resistencia inicial del concreto Retardador Aditivo que retarda el fraguado del concreto Reductor de agua Aditivo que reduce la cantidad de agua de mezcla necesaria para producir concreto de una consistencia dada. Reductor de agua y acelerador Aditivo que reduce la cantidad de agua de mezcla necesaria para producir concreto de una consistencia dada, y que acelera el fraguado de la resistencia temprana. Reductor de agua y retardador Aditivo que reduce la cantidad de agua de mezcla necesaria dada y que retarda el fraguado del mismo. Reductor de agua, de alto rango Aditivo que reduce en 12% o más, la cantidad de agua de mezcla necesaria para producir concreto de consistencia dada. 4.

Density with Small Particules (DSP)

Las pastas formadas con cemento, adicionales minerales y microsilice con relación agua material cementoso del orden del 0,3, por la incorporación de aditivos químicos reductores de alto rango, constituyen el cemento esencial de los concretos de lata resistencia, con performance que varía entre los 300 y 12000 MPa. En los últimos 25 años el desarrollo de los concretos de alta resistencia y alta performance ha producido una muy variada y amplia literatura técnica, que en alguna medida no ha resaltado como un fenómeno independiente el rol que juega la pasta cementosa. En la pasta, el plastificante asegura la dispersión homogénea de las partículas sólidas y la reducción del requerimiento de agua. El rol de las partículas de microsilice es similar al del “filler”, rellenando inicialmente los espacios entre partículas de cemento y los vacíos capilares, resultando una pasta de gran compasidad y diminuta porosidad. Durante el período de hidratación la microsilice constituye núcleos para la formación de productos hidratados de cemento. Posteriormente actúan como una puzolana de gran actividad, dando nacimiento a silicatos cálcicos hidratados, de más fina porosidad que los construidos con pasta corrientes. La micrisilice incrementa la resistencia al reducir el riesgo de fisuración en la zona de transición. En efecto, al disminuir la exudación interna se evita la concentración de agua alrededor de los agregados, haciendo la pasta menos porosa. Además por su actividad puzolánica reacciona con el Ca(OH), y no se forman cristales superpuestos característicos de la zona de transición que son puntos preferentes de rotura. La microsilice al tener una alta actividad puzolánica, genera una distribución más uniforme de los productos hidratados al combinarse con el Co(OH)2, además actúan como filler, facilitando 4

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

la trabajabilidad de la pasta y esencialmente rellenando los vacíos capilares, lo que significa que garantiza el incremento de resistencia y durabilidad del concreto. Se ha demostrado que la microsilice produce un incremento de adherencia en los constituyentes del concreto, de manera que los agregados actúan como componentes activos ante las solicitaciones mecánicas, lo que hace posible llegar a tensiones de rotura superiores a los de la propia matriz de cemento, en iguales relaciones agua/cemento.

5. Macro-Defect Free (MDF) Las pastas MDF, constituyen una matriz densificada de alta resistencia a la tracción, formadas por un polímero soluble en el agua (hidroxipropilmetil), celulosa o acetato de polivinilo, hidrolizado, es usado para dispersar y lubricar los gránulos de cemento en suspensión, en el contexto de la pasta cemento. Durante el fraguado y endurecimiento el polímero se deshidrata mientras que el cemento se hidrata. En el material endurecido, el polímero queda unido sólidamente a los granos de cemento y la porosidad final es del orden del 1% en volumen. La microestructura de la pasta endurecida es similar a aquellas de alta resistencia. Se caracteriza por un gel denso y amorfo alrededor de los gránulos de cemento. Los cristales de Ca(OH)2 están constituidos por final láminas diseminadas en la matriz, a diferencia de los cristales enlongados superpuestos que se presentan en la pasta de cemento común La restricción del espacio para la formación de gruesos cristales impide la aparición de fisuras a lo largo de lo planos formados en la solución de continuidad de las placas superpuestas del Ca(OH)2. Las características de los cementos MDF son las siguientes: Resistencia a la flexión 150-200 MPa 5

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

Módulo de elasticidad Resistencia a la compresión Prueba charpy sin entalle Prueba charpy sin entalle (+15%vol. Fibra de Nylon) Densidad Porosidad Permeabilidad (oxígeno) Expansión térmica

50 GPa 300 MPa 3Kjm-2 120Kjm-2 2500Kgm-3 1% -10-16ms-1 9.7mm/km

Las pastas de MDF pueden ser moldeadas, extruidas o laminadas como las materias plásticas. Las propiedades mecánicas de las pasta MDF, permiten la fabricación de elementos de construcción como son: planchas, tuberías y conductos; prefabricados modulares. Así mismo, es posible su desarrollo en la fabricación de partes de maquinarias, y productos industriales También otras propiedades como las acústicas permitirán su empleo en la fabricación de parlantes de equipo estéreo. Su resistencia a la penetración por impacto, faculta la fabricación de chalecos protectores y el blindaje de vehículos, Además sus características criogénicas, facilitan múltiples aplicaciones.

6. High Volume Fiber-Reinforced Composites Este Nuevo material denominado en español pastas con Alto Volumen Fibras de Refuerzo ha sido desarrollado por el Center for Advanced Cement-Based Materials. USA. La pasta de cemento convencional se caracteriza por una baja resistencia a la tracción y la rotura frágil, situación que mejorase drásticamente con la adición de fibras. Inicialmente, se han adicionado en proporciones de 1 al 2% con el propósito de reducir la formación y fisuras y darle la propiedad de disipación de la energía. Límite debido a que en mayores proporciones incrementa la viscosidad dificultando el manejo y colocación de las pastas. Recientemente el CACBM ha desarrollado la técnica de moldeo para incorporar grandes volúmenes (de 2 a 8%) de fibra discontinuada en la matriz con base de cemento, por un método de producción en masa económica. La ventaja de introducir procedimientos de extracción es que los materiales se forman bajo altas fuerzas de compresión. Se ha demostrado que con el tipo adecuado de fibra y la tecnología de moldeo, se obtiene un comportamiento similar a aquellos obtenidos con las fibras continuadas, con solo 2% por volumen de fibras cortas. La tecnología de proceso no sólo es adecuada para formas planas sino también para formas estructurales. En el concreto convencional las fibras son un ingrediente adicional con un volumen vecino al 1%, pues en mayores proporciones incrementan la viscosidad dificultando el manejo y

6

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

colocación, en esa circunstancia reduce la formación de fisuras y contribuyen a la disipación de tipo industrial, que tiene como matriz la pasta de cemento o el mortero de cemento.

7. Reactive Powder Concrete, RPC El reactive Powder ha sido desarrollado en la Université de Sherbrooke, se inscribe dentro de los conocidos como densified with small particles DSP, adquiere resistencias a la compresión en valores de 200 a 800 MPa, de acuerdo al tratamiento que recibe. Las características esenciales son la ausencia de agregado grueso y agregado fino de no mas de 600 micrones. El material cementoso esta constituido por cemento, cuarzo pulverizado, microsilice y el aporte eventual de fibra de acero. El procedimiento de fabricación de tipo industrial requiere de la compresión de la matriz y de tratamiento térmico. Se han efectuado ensayos con concreto premezclado en prototipos constructivos. En laboratorio, ha superado pruebas de durabilidad con relación a ciclos de hielo y deshielo y de resistencia a la penetración de cloruros. Diversas experiencias hacen posible optimizar el comportamiento de tubos de acero rellenos con RPC, con resultados muy prometedores para la aplicación de estos materiales compuestos. Otro sistema compuesto es la aplicación del RPC, como relleno en columna H de acero ligero, que ofrece una opción económica y resistente.

7

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

RESUMEN

Se ha producido una revolución al interior del concreto, por un nuevo tipo de pastas de cemento, que han posibilitado obtener elevadas resistencias a la compresión, que permite su aplicación en estructuras elevadas y alta performance en medios agresivos. El nuevo tipo de pastas hace posible utilizarla en construcción y elementos industriales, sin aglomerar agregados. Este alcance se debe a la inclusión de adiciones minerales muy finas, la superplastificantes y el aporte eventual de otros materiales, como pueden ser las fibras cortas.

8

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

BIBLIOGRAFÍA

(1)

ROY, D.M, Advance Cement Systems, Including CBC, DSP, MDF. 9th international Congress on the Chemistry of Cement, New- Delhi lndia, National Council for Cement and Building Materials 1992. Vol. Nº 1, p 357.

(2)

MARIKUNTE, S, SHAH S.P, Engineering of cement Composites Proceedings of tire International RILEM workshop en Technology Transfer of tire New Trends in Concrete Con Tech Barcelona 1994,

(3)

GONZALES DE LA COTERA, M Les Cementos y las Pastas Cementicias en los Concretos de Alta Performance. V Coloquio de Química ti Cemento, ASOCEM Lima, 1994.

(4)

GONZALES DE LA COTERA M. Adiciones Minerales al Cemento Portland VI Congreso de ingeniería Química. UNMS, 1992

(5)

GONZALES DE LA COTERA, M. Aditivos de un Concreto, Revista Técnica del Capítulo de Ingeniería Civil - CIR N' 25, 2001.

(6)

GONZALES DE LA COTERA, M, Actividad de un Aditivo Químico Superplastificante en Pastas de Cemento con Diferentes Porcentajes de Aluminato Tricálcico Vi Coloquio de Química de¡ Cemento. ASOCEM, Lima 1998,

(7)

REGOURD, M. Microstructure of high strength cement pasta systems. Very high strength cement bases materials, Materials Research Socciety Simposio Proceedings Vol. 42, 1984. p.3.

(8)

JUSTINES, H.; SELLEVOLD, E,; LUNDEVALL, G. High strength concrete binders Pan A: Reactivity and composition of cement pastes with and without condensed silica fume. Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete. ACI, 1992, p 873

(9)

KHAYAT, K,; AITICIN P Silica fume in concrete an overview SP 132. 46 Fly Ash Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete ACI, 1992. p 835.

10)

BENTUR, A, The role el tire interface in controlling the performance of high quality cement composites. Advanced in Cement Manufacture and Use Edit F Gartner, Proc Eng. Foundation Conference, Potosi; ---missouri, 1988, p, 227.

(11)

BIRCHALL, J.D. Cement in the context of new materials for en energyexpensive future. Technology in tire 1990s Developments in hydraulic cementsLondres. The Royal Society t London 1983 p.31

(12)

KENDALL, K BIRCHALL RCHALL 3 D porosity and its relationship to the strength og hidraulic cernent pastes. Very high strength cemen-based materials, Rescarch Society Ed Francis Young, J. l 985. p 143

(13)

ALFORD N,; BIRCHALL J. The properties potential applications of macrodefect- free cement. Very high strength cement-based Materials Research Society, Ed Young Francis J. 1985. p 265,

9

Nuevos Conceptos En Cementos Y Aditivos

(14)

ALDEA, C. MARIKUNTE, SH., SHAH, S P. Extruded Fiber Reinforced Cement Pressure Pipe ACBM. Advanced Cement Based Materials, Vol. 8 Nº 2 Set 1998,

(15)

BONNEAU, O, LACHEMI, M , DALLAIRE, E DUGAT, J., AITCIN IN, PIERRE CLAUDE. Mechanical Properties and Durability el Two industrial Reactive Powder Concretes ACI Materials Journal vol. 94, Nº 4 Jul-Ago 1997

(16)

SHAH, S.P Recent Trends in the Science and Technology of Concrete Proceedings of the International RILEM Workshop en Technology Transfer f in. New Trends in Concrete. Con Tech, 13.-1.- 1994.

(17)

COLLEPARDI, S COPPOLA, L., TROLI, COLLFPARDI, M, Mechanical 1 Properties el Modified Reactive Powder Concrete. SP 173-1, Proceedings Fifth CANMET/ACI International Conference, Roma. 1997.

(18)

DUTIL, Marc, “Steel Fights" Concrete with Technology, Training, and Research. Engineering New Record, McGraw-Hill Companies, New York, USA, febrero 1, 1999. p. 13,

10