Procesos de hidratación del cemento Portland
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PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO PORTLAND MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Amparo Moragues Terrades E.T.S I. Caminos, Canales y Puertos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN El cemento: Definición Es un conglomerante g hidráulico, es decir, un material inorgánico finamente dividido que, amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece en virtud de reacciones y procesos de hidratación y que, que una vez endurecido, endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua Calentamiento hasta fusión parcial Arcilla y caliza (SiO2 , CaO, Al2O3 ) Adiciones Cemento Portland Clínker Portland Regulador de fraguado Yeso (CaSO4·2H2O) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN El cemento: Composición Nomenclatura C=CaO A=Al2O3 F=Fe2O3 S=SiO2 H=H2O N=Na2O K=K2O Clinkerización (proceso cocción) (proceso cocción) 9 Alita, que es una disolución sólida del 3CaO.SiO2 (C3S); está en una proporción aproximada del 50-60% 9 Belita, (C2S), S) en una proporción ó del 20-25% 20 2 % 9 C3A, en proporción 5-10% 9 Fase Ferrítica: la más conocida C4AF PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Microestructura de materiales base cemento Cristales de Alita Cristales de Belita PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Microestructura de materiales base cemento Matriz de C3A y ferrita C4AF Belita Alita PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN El cemento: Cinética de la hidratación Velocidad de reacción de las fases con el agua Velocidad de reacción de las fases con el agua C3A > C3S (Alita) > C4AF Fase Ferrítica > C2S Belita Factores afectan a la Reactividad de Cementos 9 temperatura máxima de cocción 9 velocidad de enfriamiento 9 empleo de fundentes y de mineralizadores 9 atmósfera de horno que debe ser ligeramente oxidante para evitar la formación de compuestos reducidos e inestables PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Reacciones de hidratación. Mecanismos Proceso de disolución-precipitación disolución precipitación Compuestos más solubles Fase acuosa iónica Compoortamieento disolución Coloides o compuestos hidratados cristalinos precipitación 9 Silicatos Cálcicos Sili Cál i 9 Hidratación de la Alita 9 Hidratación de la belita 9 Hidratación del C3A y del C4AF PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Reacciones de hidratación. Mecanismos Silicatos cálcicos: alita y belita y C3S Alita +H C-S-H + (61%) CH (31%) (I) C2S +H Belita C-S-H + (82%) CH (II) (18%) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Reacciones de hidratación. Mecanismos Hidratación de la alita 9 Etapas Controla: • El fraguado normal • Desarrollo de resistencias de la Hidratación: I. Etapa de pre-inducción: C3 S + H 2 O 2 (disolución) 3Ca2+ + SiO223C (di l ió ) II. Etapa de inducción: 3Ca2+ + SiO22-(dis.) Ca(OH)2 + CSH III. Periodo de hidratación media: rápida precipitación de CSH junto con el Ca(OH)2 IV. Periodo de hidratación final: Se forma una estructura de CSH densa PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Reacciones de hidratación. Mecanismos Hidratación de C3A y del C4AF (fase ferrítica) 9 C3A es la más reactiva frente al agua 9 Define el fraguado del cemento 9 La hidratación de la fase ferrítica es similar a la del C3A, pero mucho más lenta; C3A C4AH19 + 27H C4AH19 + C2AH8 (I) (hidratos hexagonales) (metaestables) + C2AH8 2C3AH6 (II) (h. cúbico) (estables) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fraguado del cemento Portland El fraguado es el cambio de las características t í ti de d una pasta t de d cemento, con el aumento de la consistencia hasta adquirir las propiedades de un sólido Tiempo de fraguado Norma Europea (EN 196-3) ≥ 52.5 minutos ≥ 62.5 62 5 minutos Mecanismo de retraso en la hidratación de los aluminatos: formación de una capa protectora de etringita (C6As3H32) sobre los gránulos de cemento. C3A + 3CsH2 + 26H2O (yeso) C6As3H32 + 2C3A + 4H2O C6As3H32 (etringita)(AFt) 3C4AsH12 (monosulfoaluminato)(AFm) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Influencia de componentes minoritarios Compuestos alcalinos y sulfatados 9 Los iones alcalinos Na+ y K+ derivan de las materias primas empleadas en la fabricación del clinker siendo la cantidad total expresada d como Na N 2O equivalente i l t entre t 0.3-1.5% 0 3 1 5% 9 Los sulfatos generalmente provienen del combustible que se emplea l para ell funcionamiento f i i d l horno del h 9 La fuente de la mayoría de los sulfatos es el yeso 9 El principal objetivo del yeso es retardar el rápido fraguado que origina la alta reactividad del C3 A hacia el agua 9 El sulfato lf t cálcico ál i puede d estar: t • • yeso (CaS04.2H20), hemihidrato (CaS04 1/2H20) ó como anhidrita (CaS04): presencia no deseable. Gran G solubilidad podrían originar falsos f ffraguados por precipitación de yeso a primeras edades PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Propiedades del hormigón MICROESTRUCTURA Matriz de cemento hidratada • Fase sólida • Red R d porosa • Fase acuosa Áridos • Zona interfase árido-pasta p hidratada de cemento PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Compuestos hidratados de la pasta de cemento Portland 9 Silicato cálcico hidratado (gel CSH) 9Aluminato cálcico hidratado 9 Trisulfato de calcio hidratado o ettringita (AFt) 9 Cloroaluminatos de calcio hidratado o sal de Friedel (AFm)s 9 Trisulfoferrito de calcio hidratado o etringita férrica 9 Hidróxido de magnesio o brucita (MH) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas FASES SÓLIDAS GEL CSH HIDRATACIÓN CÓ ALITA (C3S) BELITA (C2S) RESPONSABLE PROPIEDADES MECÁNICAS DE RESISTENCIA 60% del volumen de la pasta PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas Gel de sílice (CSH) Forma acicular PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas Gel de sílice (CSH) En forma de tubos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas Gel de sílice (CSH) Ceniza volantes en hormigón PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas FASES SÓLIDAS PORTLANDITA HIDRATACIÓN ALITA (C3S) Cristales de forma hexagonal o prismática con p estructura en capas BELITA (C2S) RESERVA ALCALINA DEL HORMIGÓN (sin resistencia) PROTECCIÓN ARMADURAS METÁLICAS 25% del volumen de la pasta PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas Portlandita PLACAS DE PORTLANDITA PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas FASES SÓLIDAS ETRINGITA HIDRATACIÓN C3A y YESO AFt (24 horas) da lugar a AFm PAPEL IMPORTANTE EN LA DURABILIDAD EN MEDIOS SULFATADOS 15% del volumen de la p pasta PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fases hidratadas Etringita AGUJAS DE ETRINGITA EN PORO PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Propiedades del hormigón MICROESTRUCTURA Matriz de cemento hidratada Áridos • Fase sólida • Red R d porosa • Fase acuosa • Zona interfase árido-pasta p hidratada de cemento PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura de los áridos Áridos 9Peso 9 Módulo de elasticidad 9 Estabilidad dimensional del hormigón Características físicas: 9 Volumen 9 Textura 9 Forma 9 Tamaño 9 Distribución partículas 9 Poros 9Composición PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Zona de transición árido-pasta 9 Contenido significativamente alto de porosidad capilar (gran parte id d il ( interconcectada) 9 Mayor permeabilidad 9 Bajo contenido de granos de cemento sin hidratar 9 Alto contenido en portlandita, con p , orientación preferentemente paralela a la superficie de los agregados 9 Elevado contenido en etringita Elevado contenido en etringita Menor resistencia y g rigidez PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Zona de transición árido-pasta ZONA DEBIL MECÁNICAMENTE EN LA INTERFASE CON LA PASTA PAPEL IMPORTANTE EN LA REACCIÓN ÁRIDO-ÁLCALI Porosiad de esta zona mayor y q que en la pasta p por p la mayor y cantidad de agua acumulada ⇒ causa de su menor resistencia PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Propiedades del hormigón MICROESTRUCTURA Matriz de cemento hidratada • Fase sólida • Red R d porosa • Fase acuosa Áridos • Zona interfase árido-pasta p hidratada de cemento PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fase acuosa Prensa de Longuet K+ Na+ OHCa2+ Al (OH)42 SO42- pH de la fase acuosa 12-13 REGULA TODOS LOS PROCESOS QUÍMICOS Y ELECTROQUÍMICOS DE DETERIORO PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Fase acuosa Composición de fase acuosa de cementos a distintas temperaturas PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Propiedades del hormigón MICROESTRUCTURA Matriz de cemento hidratada • Fase sólida • Red R d porosa • Fase acuosa Áridos • Zona interfase árido-pasta p hidratada de cemento PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Formación física de laminas de silicatos cálcicos hidratados. PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Representación volumétrica de la pasta de cemento antes y después p de la hidratación PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Representación volumétrica de la pasta de cemento antes y después p de la hidratación PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Variación del tamaño de p V poro en función del grado de hidratación PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Variación del tamaño de p V poro en función del grado de hidratación PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Variación del tamaño de p V poro en función del grado de hidratación PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Variación de la p V porosidad en función del tiempo de curado 28 días PORO OSIDAD 365 días PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Variación de la p V porosidad en función de la relación agua/cemento 0.9 PORO OSIDAD 0.3 PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura p porosa de materiales base cemento Agua reacciones de hidratación (a/c = 0.39) Parte inherente a la estructura del CSH Reología que permita trabajabilidad Red porosa Microestructura porosa Porosidad: volumen total de la muestra ocupado por poros Superficie específica interna de los poros: área o superficie accesible por unidad de volumen o masa de una sustancia dada. S Segregación ió d de poros en ffunción ió d de sus ttamaños: ñ delimitación d li it ió del volumen total de poros en rangos de poros de tamaños definidos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura p porosa de p pasta de cemento Clasificación de tamaño de poro IUPAC Nombre Microporos Mesoporos Macroporos P.Metha, 1986 Tamaño < 2nm 2-50 nm > 50 nm Nombre Tamaño Espacio interpartícular 1-3 nm entre t láminas lá i de CSH S. Mindess, 2002 Nombre Tamaño EFECTO Microporos “intercapa” >0.5nm RETRACCIÓN Y FLUENCIA Microporos 0.5-2.5 nm RETRACCIÓN Y FLUENCIA Capilares pequeños (gel) 2.5-10 nm RETRACCIÓN 10-50 nm RESISTENCIA, PERMEABILIDA DY CONTRACCIÓN 50-10 µm Poros capilares (a/c baja) j ) 10-50 nm Capilares medianos Poros capilares 3-50 µm Capilares grandes Aire atrapado 50 µm-1 mm Aire atrapado 0.1-1 mm RESISTENCIA Y PERMEABILIDA D RESISTENCIA PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura p porosa del hormigón g IMPORTANTES PARA LA Î DURABILIDAD Î PERMEABILIDAD Î RESISTENCIAS MECÁNICAS PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura p porosa de p pasta de cemento Clasificación de tamaño de poro Poros de gell Poros capilares il microporos mesoporos • Se forman por la hidratación del cemento • Espacio entre las fibras de gel CSH (poros interlaminares) • Constituyen el 28% de la pasta hidratada p • Exceso de agua durante el amasado • Relación a/c por encima de 0.44 • Influencia en las propiedades de los materiales (permeabilidad,, durabilidad,, (p resistencia mecánica PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura p porosa de p pasta de cemento Clasificación de tamaño de poro Macroporos • Provienen de las burbujas p durante de aire atrapadas amasado • Forma esférica • Tamaño superior a 50 nm • Amasado y deficiente compactación (3-50 (3 50 µm) • Aditivos, mejorar prestaciones del material p (50 µm-1 mm) Granos de Hadleyy • Se denominan hollow-shell ppores. • Se forman en espacios ocupados anteriormente por granos de cemento • Tamaño 1-20 µm • Parcial o totalmente huecos • Productos de hidratación con corteza externa formada en la superficie de los granos. PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Estructura p porosa del hormigón g PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Determinación de la estructura porosa p Estructura porosa Determina el comportamiento p durable Influye en las resistencias mecánicas •Microscopía óptica •Escaner por microscopia electrónica g •Análisis ppor imágenes INDIRECTOSS DIRECTTOS METODOS •Intrusión de mercurio • Adsorción de gas • Resonancia R i magnética éti nuclear • Small angle scatter PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de intrusión de mercurio El ingreso de un líquido “que no moja” en un sólido poroso fue descripto por E. E W. W Washburn en 1921 Aplicada por primera vez por Edel’man FUNDAMENTO en 1961 Mojado de los sólidos por parte de los líquidos Líquido no mojante de sólidos Por presión penetrará en los poros de un sólido poroso PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de intrusión de mercurio MERCURIO 9 Liquido no mojante ió superficial fi i l alta: l 0.485 0 48 N/m / 9 Tensión 9 Angulo de contacto elevado varia 112142 142º 9 Angulo de avance 130º de retroceso 100º 9 Angulo g 9 Líquido a temperatura ambiente Ventajas j Inconveniente 9Elevada toxicidad 9 Manejo con extremo cuidado PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de intrusión de mercurio F1 = - π d γ cos θ F2 = P π d2 / 4 F1 = F2 d = - 4 γ cos θ / P (Ec. de Washburn) γ tensión ió superficial fi i l θ ángulo de contacto PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de intrusión de mercurio d = - 4 γ cos θ / P A cada presión le corresponde un diámetro A cada presión le corresponde un volumen A=4V/D A cada ppresión le corresponde p una longitud g de pporo L = Ap/π.d PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de intrusión de mercurio Propiedades físicas del material Porosidad total Volumen total de poros (Vp) con respecto al volumen total del material (Vm) Distribución e interconexión de poros Pt = Vp / Vm Diámetro crítico Diámetro umbral Hormigón fresco: 20-25% 20 25% Hormigón endurecido: 10-15% Límite mínimo porosidad total: 10% PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de intrusión de mercurio Propiedades físicas del material Diám metro críttico Tamaño de poro interconectado que más se repite de forma continua Corresponde a la pendiente máxima de la curva de porosidad acumulada D Diámet tro umbral Distribución e interconexión de poros Tamaño de poro más grande donde un volumen g de intrusión puede p ser detectado significativo Corresponde al primer aumento de intrusión considerable en la curva del logaritmo de la intrusión diferencial PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de Intrusión de Mercurio Diámetro crítico Diámetro umbral 0,1 0 0,09 24 Log Differen ntial Intrusion (m mL/g) . 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 1 10 100 1000 Pore size Diameter (nm) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de Intrusión de Mercurio 0,08 0,07 Logaritmo de e la intrusión difere encial • Volumen intruido acumulado vs. Diámetro de p poros • Volumen de intrusión incremental vs. Diámetro • Incrementos diferenciales de volumen de intrusión vs. vs Diámetro 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Diámetro de poros (nm) F 250 00 P1 F 250 15 P1 F 250 35 P1 F 250 50 P1 PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de Intrusión de Mercurio CEMI-SR- Natural enviroment Log Differenti al Intru usion (m L /g • Volumen intruido acumulado vs. Diámetro de p poros 28 days 3 Months 24 Months 36 Months • Volumen de intrusión incremental vs. Diámetro 0.15 • Incrementos diferenciales de volumen de intrusión vs. vs 0.1 Diámetro 0.05 0 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Pore Size Diameter (nm) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de Intrusión de Mercurio Pretratamiento de las muestras Elección de la parte de la probeta a ensayar y corte Tamaño de la muestra PENETRÓMETRO Muestra entorno a 2.5 2 5-33 g Precalentamiento a 40º C hasta peso constante ± 0.1% 0 1% en masa Desgasificado g en desecador con bomba vacio de 40 kPa durante 30 minutos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de Intrusión de Mercurio Toma de valores de masa de la muestra y del penetrómetro intrusión de mercurio a baja y posteriormente alta presión PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Porosimetría de Intrusión de Mercurio Limitaciones a la técnica S. Diamond publicó en Cement and Concrete Research 30, pp. 1517-1525, 2000 . Mercury porosimetry an inappropriate method for the measurement of pore size distribution in cementt based b d materials t i l 9 Los datos respecto al ángulo de contacto y la tensión superficial 9 Tratamiento de la muestra 9 Validez V lid dde lla ecuación ió 9 Cuellos de botella PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN MECANISMOS DE TRANSPORTE S O Y ATAQUE QU QUIMICO AL HORMIGÓN Amparo Moragues Terrades E.T.S I. Caminos, Canales y Puertos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Caracterización microestructural Penetración del agua: PERMEABILIDAD POROSIDAD Porosidad total Distribución de tamaño de poro Estructura del poro Grado de conectividad entre poros MECANISMOS CEMENTO Succión capilar Convección Difusión Migración Composición química y mineralógica del cemento Grado de hidratación Interfaz pasta-árido PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Permeabilidad a un gas Poros conectados ⎛ K ⎞ dP π (P1 − P2 )r 4 r 2 2 (P1 − P2 ) Q= = πr = −⎜⎜ ⎟⎟ A 8μL 8μ L ⎝ μ ⎠ dz Ec. Hagen-Poiseuille Ec. Darcy Q caudal de un fluido µ vicosidad A área de la sección r radio del poro dz espesor de la sección dP gradiente di de d presión ió PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Factores que influyen en la permeabilidad PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Permeabilidad al agua PERMEABILIDAD ⎛ k ⎞ dP Q Q = −⎜⎜ ⎟⎟ V= A ⎝ μ ⎠ dz kw = kPe μ dh dP = Pe dz coeficiente de permeabilidad Q caudal de un fluido V velocidad l id d de d flujo fl j aparente t A área de la sección Pe peso específico agua -11 10 ⎛ kPe ⎞ dh V = −⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ μ ⎠ dz [longitud/tiempo] µ viscosidad d espesor de dz d la l sección ió dP gradiente de presión hidráulico – 10-12 m/s PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Permeabilidad al agua Valores de profundidad de penetración de agua a presión máxima y media Clase de exposición ambiental Especificaciones para las profundidades máxima á i IIIc, Qc, Qb (solo en Z + Z 2 + Z3 Zm = 1 ≤ 30 mm el caso de el caso de 3 elementos Z 3 ≤ 40 mm pretensados) III IIIb IV Q E H IIIa, IIIb, IV, Qa, E, H, Z1 + Z2 + Z3 Z = ≤ 50mm m F, Qb (en el caso de 3 elementos en masa Z3 ≤ 65mm o armados) Especificaciones para las profundidades medias di T1 + T2 + T3 ≤ 20 mm 3 T3 ≤ 27 mm Tm = T1 + T2 + T3 ≤ 30 mm 3 T3 ≤ 40 mm Tm = Siendo Z1, Z2 y Z3 las profundidades máximas de penetración y T1, T2 y T3 las profundidades medias de penetración PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Factores que influyen en la permeabilidad: a/c Relación a/c C d prolongado Curado l d Formación de geles PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Factores que influyen en la permeabilidad: a/c PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Proceso de degradación: ataque físico DESGASTE SUPERFICIAL ABRASIÓN Pavimentos Tráfico peatonal Tráfico rodado CALIDAD DEL HORMIGÓN FISURACIÓN EROSION-CAVITACIÓN EROSION CAVITACIÓN Fluidos con partículas sólidas en suspensión CAMBIOS DE VOLUMEN Retracción-expansión Gradientes de humedad y temperatura (calor de hidratación) Sales en los poros Cargas CALIDAD DE LOS AGREGADOS Retracción plástica (losas, pavimentos) Asentamiento plástico (vigas, columnas) Hormigón fresco (1-4 h ) Cas de la pasta as C de los agregados Adherencia entre fases TEMPERATURAS EXTREMAS Hielo-deshielo Fuego FENÓMENO REVERSIBLE Retracción (calefacción, humedad, etc) Hormigón endurecido FENÓMENO IRREVERSIBLE PÉRDIDA DE MASA AUMENTO POROSIDAD y PERMEABILIDAD DISMINUCIÓN RESISTENCIAS PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Formación fisica de laminas de silicatos cálcicos hidratados. Modelos del gel POROS DE POWERS 1968 MUNICH 1985 FELDMAN Y SEREDA (1968) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Proceso de degradación: ataque químico Proceso de degradación causado por agentes agresivos en el ambiente externo a la estructura que se transportan en solución hacia su interior y reaccionan con algún constituyente de la pasta de cemento Penetración del agua: PERMEABILIDAD POROSIDAD Porosidad total Distribución de tamaño de poro Estructura del poro Grado de conectividad entre poros MECANISMOS CEMENTO Succión capilar Convección Difusión Migración Composición química y mineralógica del cemento Grado de hidratación Interfaz pasta-árido PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Mecanismos de transporte Succión capilar Succión capilar Fuerza intermolecular líquido < fuerza de adhesión líquido líquidomaterial 2γ h= cosθ rg gρ γ tensión superficial p ρ densidad líquido r radio poro θ ángulo de contacto g aceleración gravedad Condiciones de secado: (solo poros pequeños llenos) • absorción capilar hacia esos poros Condiciones de saturación: • absorción b ió capilar il de d la l parte t húmeda hú d a la l seca PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Mecanismos de transporte Convección Proceso de transporte cuya fuerza impulsora del movimiento del agua está provocada por gradientes de temperatura Difusión Proceso de transporte de un constituyente cuya fuerza impulsora del transporte es el gradiente de concentración Dif i id d capacidad Difusividad: id d de d transporte t t por diferencia dif i dde concentraciones en la fase acuosa del hormigón PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Mecanismos de transporte Difusión Difusión estacionaria Difusión no estacionaria PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Mecanismos de transporte Mecanismos de transporte PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Mecanismos de transporte Migración Fuerza impulsora del transporte está provocada por una diferencia de potencial. Célula de difusión /migración estacionaria PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Proceso de degradación: ataque químico Mehta (1986) Intercambio iónico Ataque por lixiviación Compuestos solubles C l bl Ataque ácido Ataque sales de amonio Compuestos insolubles Ac. oxálico Formación de compuestos expansivos Incremento porosidad y permeabilidad bilid d Incremento de tensión i interna Sustitución Ca por Mg Pérdida é did alcalinidad Pérdida é did masa Aumento del proceso deterioro Pérdida resistencia y rigidez Fisuración Saltaduras Deformación f ió PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Proceso de degradación: ataque químico Mehta (1986) Intercambio iónico Ataque por lixiviación Compuestos solubles C l bl Ataque ácido Ataque sales de amonio Compuestos insolubles Ac. oxálico Formación de compuestos expansivos Incremento porosidad y permeabilidad bilid d Incremento de tensión i interna Sustitución Ca por Mg Pérdida é did alcalinidad Pérdida é did masa Aumento del proceso deterioro Pérdida resistencia y rigidez Fisuración Saltaduras Deformación f ió PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque químico. Tipos de ataque Ataque ácido EQUILIBRIO • Solución pporosa • Disolución compuestos hidratados Estabilidad de compuestos p pasta de cemento PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque químico. Tipos de ataque Ataque ácido: lixiviación de compuestos cálcicos A dde A Ataque Agua (H2O) Descomposición (hidrolizan) los Eflorescencias productos hidratados Efl i Sales de calcio cristalizadas en superficie (evaporación o carbonatación) Ataque de la matriz cementicia por disolución progresiva El agua, debilmente mineralizada, reacciona con los iones Ca2+ y destruye progresivamente el h hormigón i ó PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque químico. Tipos de ataque Ataque por intercambio iónico Aguas con productos orgánicos en descomposicición Aguas con contenidos en pirita (sulfuro de hierro) Aguas con sulfuros Aguas con contenido óxidos de azufre (SO3 )(lluvia ácida) A Aguas con contenido t id disuelto di lt de d CO2 Á id C Ácido + Compuestos cálcicos (base) Sal cálcica + Agua ál i (b ) S l ál i H2O ↔ H+ + OHCa(OH)2 + 2H+ ↔ Ca2+ + 2 H2O C-S-H C S H + 6H+ ↔ 3Ca2+ + 2(SiO2. nH2O) + 6 H2O PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque químico. Tipos de ataque Ataque por intercambio iónico Esquema de ataque ácido en la pasta de cemento Formación de sales solubles Reducción alcalinidad Pérdida resistencia pH =3 Eflorescencias Disolución pasta Desprendimiento de masa de hormigón PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque q q químico. Tipos p de ataque q Ataque por ácido carbónico Sales disueltas en Agua I A Aguas dduras A Aguas bl blandas d EQUILIBRIO Exceso de CO2 (agresivo) CO 2 + H 2 O ↔ CO3 H 2 ↔ H + + HCO3− CO2 + H 2 O + CO3 Ca ↔ +Ca(HCO3 ) 2 Uso de cemento con adiciones Ataque superficie LAVADO Aumento porosidad y permeabilidad PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque q q químico. Tipos p de ataque q Modelos de carbonatación Ataque por ácido carbónico 2-15mm/(año)1/2 PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque q q químico. Tipos p de ataque q Modelos de carbonatación Ataque por ácido carbónico PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque q ácido en desagües g USO DE CEMENTOS CON HUMO DE SÍLICE HUMO DE SÍLICE Aguas residuales Aguas residuales Bacterias Fermentación SH2 (sulfuro hidrógeno) + CH4 (metano) + CO2 O2 H2O Carbonatos Superficie + SO4Ca (sulfato cálcico) hormigón PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque ácido en desagües Carbonatos + SO4Ca (sulfato cálcico) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN pH H At Ataque áácido id E t bilid d d Estabilidad de llos di distintos ti t compuestos t PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque de soluciones conteniendo magnesio Cloruros, sulfatos Cl lf t y bicarbonatos bi b t se encuentran t en agua de d mar, industriales y subterráneas. El ataque depende del anión Poca concentración de Mg Mucha concentración de Mg Mg(OH) g( )2 Brucita Cierra poros Cierra poros SO4Mg M Formación compuestos p expansivos Cl2Mg Aumento porosidad y conectividad d d C (OH)2 + Cl2Mg Ca(OH) M ⇒ Mg(OH) M (OH)2 ↓ + Cl2Ca C Lixiviación PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos 9 Terrenos con yeso 9 Sulfatos alcalinos • Sulfato sódico • Sulfato potásico • Sulfato de magnesio 9 Sulfato de aluminio 9 Sulfato de amonio PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Solo ocurre cuando el agua transporta g p los iones SO42‐ en solución dentro del hormigón Mecanismos de ataque Mecanismos de ataque 9 Formación de ettringita g 9 Formación de yeso 9 Formación de thaumasita 9 Formación ió de d brucita, b i yeso y descomposición d i ió del gel de sílice C-S-H 9 Cristalización de sales PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Form mación d de ettrin ngita C3ACaSO4.18H2O + 2NaSO4 + 2Ca(OH) ( )2 + 12 H2O Portlandita Monosulfoaluminato (AFm) C3A.3(CaSO4).32H2O + 4NaOHEttringita expansiva (AFt) Fisuración progresiva Aumento porosidad Disminución resistencia Disminución resistencia PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Ettringita g p primaria Expansiónde ettringita y yeso Desintegración pasta de cemento Ettringita secundaria fuertemente comprimida en la interfase (x2000) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN C 3A Ataque por sulfatos Prevención del ataque Reducción permeabilidad Uso de adiciones activas Baja relación a/c Alto contenido en cemento Correcto compactado Curado prolongado Cenizas volantes de bajo calcio Escorias de alto horno Puzolanas naturales Humo de sílice R d ió C3A Reducción C Cementos con características adicionales SR PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Formación de yeso • Reacción intercambio iónico • Soluciones concentradas (> 1000 mg/l) • Cristalización en los poros y en la interfase pasta-agregado 2NaSO4 + 2Ca(OH) + 2Ca(OH)2 + H + H2O → O → CaSO4.2H 2H2O + 2Na O + 2Na+ + 2(OH) + 2(OH)‐ Portandita Yeso Descalcificación gel C-S-H Disminución de resistencia it i PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Esquema del E d l ataque por sulfato sódico sobre pasta de cemento Formación de ettringita F Formación ió de d yeso PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Formación de brucita, yeso y descomposición del gel C‐S‐H Ataque de sulfato de magnesio Concentración baja MgSO4 < 0.48% Formación ettringita Concentración media 0.48%< MgSO4 < 0.75% Concentración alta MgSO4 > 0.75% 0 75% Formación ettringita y yeso Descalcificación del gel C-S-H PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Proceso de ataque q Brucita a D bl Doble capa superf. Proceso de ataque q Brucita Yeso Incremento de la hidratación y disolución del Ca(OH)2 Mg2+ (OH)M 2+ Mg SO42‐ (OH)SO42‐ ((OH))Ca2+ b (OH)Ca2+ Ca(OH)2 + MgSO4 + H2O → Mg(OH)2 + CaSO4.2H2O a) Difusión OH hacia fuera y SO4-2 hacia dentro pasta. Brucita en superficie b)) Disociación CH y aceleración hidratación de silicatos de calcio ((Ca2+ y (OH)- ). Formación capa de yeso PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos Descalcificación CSH (OH)- c ((OH))- Difusión de iones OH desde el poro a la l solución l ió Mg2+ SO42‐ SO42‐ Ca2+ Ca2+ SO42‐ Ca2+ SO42‐ Disolución parcial de CH C‐S‐H + xMgSO4 + H2O → xMg(OH)2 + xCaSO4.2H2O + nSiO2.H2O c) Descalcificación del C-S-H y formación continua de capas de yeso d) Disociación parcial CH en zona interior y estabilidad de la p de la difusión como resultado del microestructura ppor supresión crecimiento de la doble capa PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Ataque por sulfatos RESULTADO DEL ATAQUE Degradación progresiva de la matriz de cemento Masa granular no cohesiva Cementos con elevado contenido en adiciones minerales activas susceptibles al ataque, debido a la falta de disponibilidad de portlandita Cementos compactos y ricos en CH Curados muy cuidadosos d d d PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN d Casos prácticos Perspectiva general de la situación Definición del problema Descripción i i del d l tipo i de muestras a analizar PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos: ensayos propuestos 1 Resistencia a compresión Resistencia a tracción 2 Permeabilidad 3 Tinción de áridos Análisis ICP-OES Análisis li i Químico i DRX PIM Perfiles de Cloruro PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos: resultados Ensayo de áridos potencialmente reactivos Ataque con HCl + Tinción con Rojo de Alizarina S Análisis de los áridos extraídos mediante ICP-OES PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos: resultados Difracción de rayos X Disolución de portlandita Variación de la cantidad de dolomita PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos: resultados Perfiles de cloruro Cálculo del coeficiente de difusión Perfiles de ClAjuste de la 2ª Ley de Fick ⎛ x C ( x, t ) = Cs − ( Cs − Ci ) ⋅ erf ⎜ ⎜ 4⋅ D ⋅t a ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos Hormigones en medio marino Compressive strength (MPa) Splitting tensile strength (MPa) Modulus of elasticity (GPa) Mixtures 7 days 28 days 28 days 28 days 45 49 5 36 PCS+10%SF 51 57 4.5 38 PCS+20%FA 36 47 4 31 BS 43 53 5 38 PCS PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos Hormigones en medio marino CV PCS 0,60 0,50 0,45 0,50 % Cloru uros 0,35 0 30 0,30 0,25 0,20 0,15 0,40 0,30 0,20 0,10 0,10 0,05 0,00 0,00 0 5 10 15 20 0 25 5 10 15 20 Profundidad (mm) Profundidad (mm) HS EAH 0,50 0,45 0,45 0,40 %C Cloruros 0,40 % Clo oruros % Cloruros 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,35 0,30 0,25 0 20 0,20 0,15 0,10 0,10 0,05 0,05 0,00 0,00 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 Profundidad (mm) P f did d (mm) Profundidad ( ) PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN Casos prácticos PROCESOS DE HIDRATACIÓN DEL CEMENTO Y MICROESTRUCTURA DEL HORMIGÓN
