PROPIEDADES DE LECHADAS DE CEMENTO FABRICADAS CON

VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 2002
729-737
PROPIEDADES DE LECHADAS DE CEMENTO FABRICADAS CON
CEMENTOS DE TIPO I Y MEZCLAS CON CENIZAS VOLANTES
(CV)Y HUMO DE SÍLICE (HS)
F. Amahjoura, J. Payáb, P. Pardoc, M.V. Borracherob
a
Instituto Técnico de la Construcción, S.A. – Valencia
Grupo de Investigación en Química de Materiales de Construcción (GIQUIMA).
Departamento de Ingeniería de la Construcción, Universidad Politécnica de Valencia
c
Departamento de Geología - Universidad de Valencia
b
RESUMEN
En el presente trabajo se investiga la influencia de la incorporación de adiciones como la
ceniza volante y humo de sílice sobre las características de las lechadas de cemento tales
como la fluidez, exudación, variación de volumen, y las resistencias mecánicas a compresión
Rc. También se estudia mediante Análisis Termogravimétrico (ATG) y por Difracción de
Rayos X (DRX), la relación entre la Rc y el desarrollo y la formación de los compuestos
hidratados. La incorporación de puzolanas a las lechadas en niveles de sustitución elevados
(30%), permite la reducción en el consumo de cemento, sin sacrificar las propiedades básicas
del producto final.
Palabras claves
Lechada, cemento, ceniza volante, humo de sílice, termogravimetría.
1. INTRODUCCION
Las lechadas de cemento se definen como:
a - Lechada corriente: Se trata de una mezcla homogénea de cemento Pórtland, agua y
aditivos.
b - Lechada especial: Se trata de otras lechadas constituidas por una mezcla homogénea
de cemento, y que poseen características diferentes a la lechada corriente [1].
Las normas UNE-EN 445 [1] y UNE-EN 447 [2], establecen en su contenido los
métodos de ensayo y las especificaciones para lechadas corrientes. Dichas normas indican las
propiedades y los requisitos que se deben cumplir:
a- En estado plástico: fluidez y exudación.
b- Durante el proceso del fraguado: variación de volumen.
c- Después del endurecimiento: la resistencia a compresión.
Son conocidas, hoy en día, las aportaciones de las adiciones activas puzolánicas como
las cenizas volantes (CV) y humo de sílice (HS) sobre el comportamiento de los morteros y
hormigones tanto en estado fresco (consistencia y trabajabilidad) como en estado endurecido
(resistencias mecánicas) [3]. Siguiendo esta línea del aprovechamiento de estas propiedades, y
con el fin de obtener mejores prestaciones, se ha estudiado la influencia de la adición de la
CV sobre el desarrollo de las fases de la lechada, y la contribución del HS en mezclas
ternarias cemento/CV/HS.
El HS se ha convertido durante las dos últimas décadas en uno de los subproductos
industriales que más ha repercutido en el desarrollo de morteros y hormigones de altas
prestaciones [4], debido a sus propiedades, que se resumen en los siguientes puntos:
a- Gran finura.
b- Esfericidad de sus partículas.
729
Amahjour, Payá, Pardo y Borrachero
c- Elevado carácter vítreo.
d- Alto contenido en SiO2.
e- Alta reactividad puzolánica.
Por otra parte, las CV se han empleado desde varias décadas[5] como adiciones, y sus
características más destacadas son:
a- Esfericidad de sus partículas.
b- Elevados contenidos en SiO2 y Al2O3 vítreos.
c- Actividad puzolánica a tiempos medios y largos.
En este trabajo, por una parte se ha estudiado los efectos de la adición de sólo CV, y por
otra, la adición de la mezcla CV/HS sobre el desarrollo del estado plástico, durante fraguado y
después del endurecimiento de las lechadas. Por otro lado, se ha estudiado la relación entre el
desarrollo de las resistencias a compresión (Rc) y el desarrollo de los productos de
hidratación mediante Análisis Termogravimétrico (ATG) y Difracción de Rayos X (DRX).
2. EXPERIMENTAL
La ceniza volante (CV) empleada procede de la central termoeléctrica de carbón de
Andorra-Teruel. El humo de sílice (HS) fue suministrado por Sika S.A. Los cementos
Portland utilizados fueron del tipo CEM I/42.5R y CEM I/52.5R
El amasado de la lechada y la rotura a compresión de las probetas, se han llevado acabo en
una amasadora que cumple los requisitos de la norma UNE-EN 196-1:1996 [6], si bien en su
caso se alteraron las cantidades de cemento, agua y puzolana de acuerdo con los objetivos de
los ensayos. La determinación de la fluidez - Método del cono (Cono de Marsh)-, ensayo de
exudación, y la variación de volumen – Método del cilindro-, se realizaron según las
instrucciones de la norma UNE-EN 445:1996 [1].
Los análisis térmicos se llevaron a cabo en una termobalanza Mettler-Toledo TGA850.
Se utilizaron para las experiencias crisoles de aluminio de 100µL con tapa con un
microagujero sellados, para crear una atmósfera autogenerada. Se llevó a cabo en atmósfera
de nitrógeno seco de 75mL/min y con una velocidad de calentamiento de 10°C/min en el
intervalo de temperaturas entre 35-600°C.
En cuanto a las medidas de DRX, se han realizado con un difractómetro sobre muestras
en polvo.
Tanto para el estudio por ATG como en DRX, las pastas a cada edad de curado, se
molieron en acetona usando un mortero de ágata, y se secaron a 60ºC durante una hora, y se
pasaron por un tamiz de 50µm.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Ensayos físicos
La incorporación de las CV en mezclas con el cemento Portland, aumenta la
trabajabilidad y consistencia de los morteros y hormigones [7-8]. Por otro lado, el humo de
sílice tiene un efecto opuesto al de las CV [4,9], haciendo que su incorporación incremente la
demanda de agua. De este modo, se ha estudiado la influencia de la incorporación de sólo CV
sobre las características físicas de la lechada de cemento, y la mezcla de CV/HS sobre las
mismas. Así, se prepararon dos series distintas de lechada con relaciones agua/sólido (a/s) de
0.50 y 0.44 respectivamente, tal como figura en la tabla 1.
En la tabla 2 se muestran los valores de fluidez, exudación y variación de volumen de
las lechadas (retracción) donde podemos destacar lo siguiente:
- Ensayo de fluidez: la incorporación de la CV a la lechada, sustituyendo parte del
cemento, aumenta de modo espectacular la fluidez, para ambos tipos de cementos, y
ambas relaciones a/s, obteniendo valores superiores para las lechadas con CEM I/42.5R
730
VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos
-
que con CEM I/52.5R, hecho que se atribuye a la mayor superficie específica del cemento
CEM I/52.5R Por otro lado, la incorporación mixta de CV/HS aumenta también la fluidez
notablemente, aunque no tanto como en las lechadas que tienen sólo adición de CV. Se
observa además que el efecto demandante de agua por parte del HS es más acusado en
lechadas de cemento CEM I/52.5R, de mayor superficie específica. Sin embargo, en todos
los casos se observa que la fluidez de las lechadas con CV/HS es superior a las lechadas
control con sólo cemento, lo que refleja un efecto compensador suficiente por parte de la
CV.
Ensayo de exudación y variación de volumen: la incorporación de la CV hace aumentar
notablemente estos dos parámetros para cualquier tipo de cemento y cualquier relación
a/s, obteniendo en este caso valores superiores para las lechadas con CEM I/42.5R que
con CEM I/52.5R. La presencia de partículas esféricas de CV reduce la demanda de agua
provocando una situación de exceso de fase líquida que da lugar a una exudación
importante, y también a reducciones en el volumen por retracción de la pasta. Este efecto
se reduce de forma significativa con la disminución de la relación a/s. El efecto de la
mayor exudación de las lechadas con CV, se corrige reduciendo la relación a/s, de modo
que es posible obtener lechadas con valores inferiores de exudación y variación de
volumen que la lechada control con a/s=0.5 al sustituir parte del cemento por CV, lo que
favorecerá el desarrollo de resistencias mecánicas. De nuevo la incorporación mixta de
CV/HS reduce la exudación y la variación de volumen, respecto a las lechadas con sólo
CV, mostrando de nuevo el efecto demandante de agua del HS.
Lechada
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
L10
L11
L12
Tabla 1.- Proporciones de los contenidos de las lechadas.
Cemento
Adiciones (%)
Relación a/s
Tipo
%
CV
HS
CEM I/42.5R
100
0
0
0.50
CEM I/42.5R
70
30
0
0.50
CEM I/42.5R
70
25
5
0.50
CEM I/52.5R
100
0
0
0.50
CEM I/52.5R
70
30
0
0.50
CEM I/52.5R
70
25
5
0.50
CEM I/42.5R
100
0
0
0.44
CEM I/42.5R
70
30
0
0.44
CEM I/42.5R
70
25
5
0.44
CEM I/52.5R
100
0
0
0.44
CEM I/52.5R
70
30
0
0.44
CEM I/52.5R
70
25
5
0.44
3.2. Resistencias mecánicas
Para los ensayos de las resistencias mecánicas, se prepararon probetas prismáticas de
4x4x16 cm, con las dosificaciones que figuran en la tabla 1 para la relación a/s=0.44. Los
resultados obtenidos vienen resumidos en la tabla 3.
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Amahjour, Payá, Pardo y Borrachero
Tabla 2.- Resultados de los ensayos de fluidez, exudación y variación de volumen
Variación de Volumen
Lechada
Fluidez (s)
Exudación (%)
(%)
30
2.27
2.33
L1
17
3.45
3.57
L2
24
2.44
3.05
L3
L4
90
1.18
1.19
L5
25
1.25
1.25
L6
28
1.65
1.68
L7
70
0.99
1.00
L8
21
1.84
1.88
L9
50
1.09
1.10
L10
90
0.25
0.30
L11
30
0.51
1.03
L12
40
0.60
0.61
Tabla 3.- Resultados de las resistencias a compresión, Rc (N/mm2),
de las lechadas con a/s=0.44
Lechada
3
Edad de curado (días)
7
28
L7
30.41
44.74
59.10
L8
19.33
30.67
46.28
L9
20.89
38.22
51.16
L10
47.54
51.39
66.20
L11
32.27
42.96
47.46
L12
34.23
47.16
57.89
Se puede observar las Rc de las lechadas se incrementan con el tiempo de curado
cualquiera que sea la composición, lo que es indicativo de que la reacción de hidratación del
cemento y probablemente, las reacciones puzolánicas de fijación de cal, siguen su curso,
dando lugar a materiales con un contenido en hidratos conglomerantes que se incrementa con
el tiempo. Por otra parte, se observa que para cualquier tipo de cemento, las Rc de lechadas
con mezcla de CV/HS son superiores a las obtenidas para las que contienen sólo CV. Este
hecho confirma, por lo tanto, que en este tipo de mezclas, y debido a la mayor reactividad del
HS (generalmente su reactividad se centra en el período hasta 28 días de curado) las
resistencias mecánicas alcanzadas vienen influenciadas por la distinta reactividad de las
puzolanas. Sin embargo, las Rc de las lechadas con adiciones, tanto de la mezcla CV/HS,
como de sólo CV, son inferiores al control; probablemente, debido al elevado porcentaje de
sustitución de cemento por puzolanas, la contribución de éstas al desarrollo de las propiedades
mecánicas no equivale al cemento reemplazado. A raíz de este hecho, podemos deducir que la
influencia positiva de las adiciones sobre las Rc de las lechadas es inferior a la observada en
morteros y hormigones, donde se obtienen Rc superiores en muestras con estas adiciones
activas que las obtenidas para el control de solo cemento[10].
732
VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos
3.3. Análisis termogravimétrico
De las mismas probetas utilizadas para los ensayos de las Rc, se escogieron muestras
para su respectivo estudio por medio del análisis temogravimétrico (ATG). En la figura 1 se
muestran, a modo de ejemplo, las curvas derivadas termogravimétricas (DTG) de lechadas
con solo cemento I/52.5R (control), y con sustitución del 30% de dicho cemento por la
mezcla HS/CV y sólo CV, curadas a 3 días, en el intervalo entre 35-300°C. En la pasta
control, se observan dos picos en la zona entre 100-180°C, correspondientes a las
deshidrataciones de los silicatos cálcicos hidratados (SCH) y etringita (AfT). Sin embargo, en
las pastas con sustitución, la presencia de un alto porcentaje de CV, que como se sabe,
contiene una mayor proporción de aluminio, además de estos dos picos en la zona 100-180°C,
se observa un pequeño pico alrededor de 200°C, que correspondería a la deshidratación de
aluminatos y silicoaluminatos cálcicos hidratados (ACH y SACH), y que no se detectan en la
lechada control. Se observa que, además, la proporción de hidratos es mayor para la lechada
control, lo que está de acuerdo con un mayor contenido en cemento y reflejando el escaso
nivel de reactividad puzolánica a esta edad de HS y CV.
%°C-1
30%CV
-0.005
5%HS/25%CV
control
-0.025
-0.045
0
50
100
150
200
250
300
Temp (°C)
Figura 1. Curvas DTG de pastas curadas a 3 días, control, y
con sustituciones del 30% de cemento I-52.5 por HS/CV o por CV.
En la figura 2 se muestran las curvas DTG de la evolución con el tiempo de las pastas
con sustitución de un 30% de cemento I-52.5 por una mezcla del 5%HS/25%CV. Como
habíamos comentado antes, la formación de más productos de hidratación tipo SCH, SACH y
ACH se observa en la zona 100-250°C, donde aparecen picos atribuidos a la deshidratación
de SCH, AfT y SACH/ACH. En la zona entre 520-580°C, se observa un pico debido al
proceso de deshidroxilación de la cal (CH), liberada en la hidratación del cemento.
Claramente en la figura 2 podemos ver como, con el tiempo de curado, aumenta la cantidad
de productos de hidratación, principalmente de aluminatos y silicoaluminoatos cálcicos
hidratados.
Para evaluar el porcentaje de cal fijada debemos concentranos en el pico que aparece en
la zona 520-580°C, que se debe al proceso de deshidroxilación de la cal, según la reacción:
Ca (OH ) 2 → CaO + H 2 O
(1)
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°C-1
3 días
0
7 días
-0.01
28 días
-0.02
-0.03
CH
ACH
-0.04
SCH
-0.05
AfT
-0.06
0
100
200
300
400
500
600
Temp (°C)
Figura 2. Evolución con el tiempo de curado de pastas con sustitución
de cemento I-52.5 por mezcla del 5%HS/25%CV.
Como dicho porcentaje de cal fijada de las pastas está afectado por la proporción de
cemento presente, debemos considerar esta reducción en la evaluación de la cal fijada por
parte de la adición. Por ello, el porcentaje de cal fijada se calcula según la siguiente ecuación:
%Cal fijada =
[(CH ) c * C % ] − (CH ) i
[(CH ) c * C % ]
* 100
(2)
donde (CH)c es la cal presente en la pasta control, (CH)i es la cantidad de cal del mortero con
adición, y C% es la proporción de cemento presente en la pasta sustituida (en nuestro caso 0.7)
Algunos de los resultados se grafican en la figura 3. Se observa que el porcentaje de cal fijada
calculado es en casi todos los casos negativo. Esto indica que a estas edades, la presencia de
adiciones en las pastas provoca una aceleración en la reacción de hidratación del cemento.
Dicho proceso predomina sobre la reacción puzolánica de las adiciones (HS y CV), por lo que
el efecto de reducción de cal en la pasta no se observa a nivel de cómputo global. Solamente
en la pasta que contiene HS/CV a 28 días parece que comienza a predominar dicha reacción
puzolánica, ya que el porcentaje de cal fijada es positivo.
A la vista de los resultados anteriores se puede afirmar que para estas lechadas, con
elevadas dosificaciones de adiciones y con curados hasta los 28 días, no es posible
correlacionar los valores de resistencias mecánicas y la cal fijada. Sin embargo, se refleja
claramente que esa aceleración en la velocidad de hidratación del cemento debido a la
presencia de partículas de puzolana se refleja en valores de resistencia mecánicas mayores de
los esperados debido al contenido en cemento y a la relación agua/cemento (que en nuestro
caso es del orden de 0.7). Por otra parte, aunque no se pueda observar un efecto neto
puzolánico, se observa que existe una contribución especial del HS, contribución
probablemente de naturaleza puzolánica, que hace que las resistencias de las lechadas con esta
puzolana presenten valores mayores de Rc.
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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos
Tiempo curado (días)
0
-20
% cal fijada
-40
-60
-80
-100
-120
5%HS/30%CV/cem42,5
30%CV/cem42,5
5%HS/30%CV/Cem52,5
30%CV/cem 52,5
-140
Figura 3. Porcentaje de cal fijada en pastas con sustitución del 30%
de cemento por mezcla 5%HS/25%CV ó 30% CV
3.4. Difracción de Rayos X
En cuanto a la DRX, nos hemos concentrado en este trabajo en la evaluación de
algunos picos correspondientes a los cristales de hidróxido cálcico (Portlandita) más
importantes, que según Puertas et al [11]constituyen entre el 20-25 % del volumen de sólidos
en la pasta hidratada del cemento.
Tabla 4.- Area de los picos (unidades arbitrarias) de la portlandita
en las lechadas con relación a/s=0.44
Pico d = 4.91 Å
Pico d = 2.61 Å
Lechada
3
Edad de curado (días)
7
28
3
Edad de curado (días)
7
28
L7
32.73
54.00
53.52
69.62
79.39
90.33
L8
37.17
27.20
38.74
51.80
55.14
51.19
L9
37.92
32.37
32.19
64.45
45.07
52.70
L10
51.71
57.54
62.73
75.67
88.86
88.57
L11
42.31
34.74
50.56
80.21
59.82
64.94
L12
37.97
52.24
41.01
67.75
71.61
58.34
Los resultados obtenidos vienen resumidos en la tabla 4 donde podemos destacar los
siguientes puntos:
- Para los morteros de control (L7 y L10), el área de los picos aumenta con el tiempo de
curado obteniendo valores máximos a los 28 días. El cemento CEM I/52.5R libera la
portlandita a mayor velocidad que el CEM I/42.5R.
- Para las lechadas con adiciones (L8, L9, L11 y L12), y debido a que la CV influye sobre
la hidratación de cemento se obtienen valores parecidos al control en especial a tiempos
de 3 días, mientras que a tiempos más largos los contenidos de portlandita se reducen por
el efecto dilución en general, y por el efecto puzolánico para las lechadas con HS.
735
Amahjour, Payá, Pardo y Borrachero
En la figura 4 se representan los datos de evaluación del pico de portlandita por DRX
y los encontrados por termogravimetría, para el cemento I-42.5R Se observa que existe una
correlación aceptable. Sin embargo no existe una buena correlación con los datos con
cemento I-52.5R, por lo que teniendo en cuenta que los datos de DRX tienen mayor carácter
cualitativo, se puede afirmar que son necesarios datos más precisos en DRX para poder
compararlos con los datos cuantitativos que ofrece el ATG.
Portlandita por ATG (%)
14
y = 0.2786x - 3.2262
R2 = 0.9126
12
10
8
6
4
2
20
30
40
50
60
Area picos portlandita (por DRX)
Figura 4. Relación entre los datos de evaluación de portlandita obtenidos por
termogravimetría (TGA) y difracción de rayos X (pico d=4.91 Å, DRX)
4. CONCLUSIONES
Del análisis de los resultados, se puede concluir que:
• La sustitución de cemento por CV o por mezcla CV/HS permite fabricar lechadas con
mayor fluidez, aunque la exudación y la variación de volumen se incrementan
sensiblemente.
• El efecto reductor de demanda de agua por parte de la CV permite obtener lechadas
con menores relaciones agua/conglomerante, y valores de fluidez altos, evitando los
fenómenos de exudación y retracción.
• Las resistencias mecánicas a compresión alcanzadas por las lechadas con puzolanas
son más elevadas de lo que cabría esperar por el contenido en cemento de las mismas
y por la elevada relación agua/cemento, demostrando el papel efectivo en el desarrollo
de microestructuras resistentes activadas por la presencia de puzolanas.
• Se ha demostrado, a través de los análisis temogravimétricos, que existe un efecto
muy importante en la aceleración de la hidratación del cemento cuando está presente
la CV, mientras que el efecto puzolánico del HS queda enmascarado por ese fenómeno
de aceleración.
• La incorporación de puzolanas a las lechadas en niveles de sustitución elevados
(30%), permite la reducción en el consumo de cemento, sin sacrificar las propiedades
básicas del producto final.
5. REFERENCIAS
1. Norma UNE-EN 445:1996. Lechadas para tendones de pretensado. Métodos de ensayo.
2. Norma UNE-EN 447:1996. Lechadas para tendones de pretensado. Especificaciones para
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3. F. Amahjour, J. Payá, J.M. Monzó, M.V. Borrachero. Materiales puzolánicos mixtos a
base de ceniza volante de central termoeléctrica de carbón (CV) y humo de sílice (HS):
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