Morteros más resistentes a los sulfatos
El deterioro del concreto por agentes químicos agresivos es un proceso complejo. Las reacciones entre estos agentes y los constituyentes del concreto no están claramente entendidas y hace falta una buena correlación entre los estudios realizados en el laboratorio y el comportamiento de la estructura en servicio.1
Los suelos que contienen sulfatos y el agua de mar son los dos ambientes principales donde el concreto se puede degradar debido al ataque de sulfatos, si no se toman las medidas apropiadas.
Los investigadores han encontrado que los altos niveles de C3A en el cemento dan lugar a expansiones deletéreas por la etringita que se forma en la pasta hidratada de cemento.2 Los cementos de moderado a bajo contenido de C3A (por ejemplo el ASTM C 150 Tipo II y V) son efectivos para minimizar estas expansiones. El uso de ciertas puzolanas o escorias granuladas de alto horno como sustitución en el cemento también ha sido eficaz para mitigar el efecto de los sulfatos.3
El uso de los materiales suplementarios como son las puzolanas naturales, la ceniza volante, las escorias, etc. ha mejorado la durabilidad del concreto. Sin embargo, en México es muy común el uso de las puzolanas naturales para producir el cemento portland-puzolana.
Debido a las características geológicas del suelo, existen en nuestro país diversos bancos de puzolanas naturales, de acuerdo con un estudio4 en el que se muestran diferentes puzolanas naturales mexicanas y sus características, entre las que se cuentan la actividad puzolánica y las resistencias que genera después del endurecimiento. Los minerales representativos que se mencionan para estas puzolanas son la oligoclasa y el cuarzo principalmente, además del vidrio en forma de pumicita y los líticos volcánicos, sobre todo los de composición ácida.
Los posibles beneficios tecnológicos que aportan las puzolanas naturales en el concreto incluyen la reducción de la permeabilidad, la resistencia al ataque de sulfatos, la mejora de la resistencia al fisuramiento térmico y el incremento de la resistencia a edades tardías.5
Una forma de mejorar la resistencia al ataque de sulfatos es emplear cemento portland-puzolana. En esta investigación se examina cuáles son los parámetros que tienen influencia en la resistencia a los sulfatos. Se consideran el tipo de puzolana, las características químicas de las puzolanas y la cantidad presente en el cemento.
Puesto que las puzolanas naturales están ampliamente disponibles en México, la explicación de las propiedades puzolánicas y cementantes de los aditivos minerales cuando son utilizados como sustitutos en el cemento portland da lugar a la posibilidad de un considerable beneficio económico.
Alcance de la investigación
El objetivo de este estudio es presentar los resultados de un programa experimental dirigido a determinar la actividad puzolánica y el análisis químico de 15 puzolanas naturales. Las pruebas de comportamiento se realizaron de acuerdo con el Método de Prueba Estándar para el Cambio de Longitud de Barras de Mortero Expuestas al Ataque por Sulfatos ASTM C 1012,6 en 13 cementos portland-puzolana y en tres cementos portland ASTM C tipo I, II y V. El proporcionamiento del mortero se mantuvo constante, una parte de cemento y 2.75 partes de arena estándar, y las barras se almacenaron en una solución de sulfato de sodio al 5 por ciento. Se estudió la capacidad de resistencia al ataque de sulfatos en morteros que empleaban cementos portland y cementos portland-puzolana. Esto incluye la composición, reactividad y cantidad de puzolana utilizada junto con clincker portland, y la cantidad de aluminato tricálcico en el cemento.
Métodos experimentales
Materiales
"Cementos.Los cementos investigados incluyen tres cementos portland (ASTM tipos I, II y V) y 13 cementos portland-puzolana. Estos cementos tienen diferente composición de clinker portland, material puzolánico y cantidad de puzolana. Las propiedades físicas y el análisis químico se muestran en los cuadros 1, 2A y 2B.
>Arena estándar. Para elaborar los morteros se empleó arena estándar graduada que cumple con ASTM C 778.
>Puzolanas naturales. Las puzolanas naturales fueron obtenidas en 15 diferentes bancos localizados en la república mexicana. Sus propiedades se muestran en los cuadros 3A y 3B. La actividad puzolánica con cal y con cemento portland se determinaron de acuerdo con ASTM C 3117 y se ilustran en las figuras 1 y 2.
Pruebas de comportamiento de acuerdo con el método ASTM C 1012
El método ASTM C 10126 cubre la determinación del cambio de longitud de barras de mortero almacenadas en una solución de sulfato de sodio al 5 por ciento. El proporcionamiento de las mezclas de mortero fue de una parte de cemento y 2.75 partes de arena y una relación agua / cemento de 0,485; se utilizaron moldes para barras de 25 x 25,285 mm. Para los cementos puzolánicos, el contenido de agua se ajustó hasta lograr en el mortero una fluidez de 5 por ciento de la obtenida para los cementos portland. Los especímenes se curaron hasta alcanzar un valor de 20 MPa de resistencia a la compresión en cubos de mortero. Los resultados de las expansiones en las barras de mortero durante 78 semanas se muestran en los cuadros 4 y 5.
Resultados y discusión
Puzolanas naturales
La evaluación de la actividad puzolánica es esencial para evaluar al material como una puzolana. De acuerdo con ASTM C 618, las puzolanas naturales que vayan a utilizarse como aditivo mineral en el cemento portland deben cumplir con ciertos requerimientos físicos y químicos. Por ejemplo, los aditivos minerales clase N deben cumplir con un mínimo de 70 por ciento en la suma de SiO2 + Al2O3 + Fe2O3; en el caso de las puzolanas naturales, contienen entre 55,8 y 88,5 por ciento. Este requerimiento químico es arbitrario para el propósito de tener una relación directa con las propiedades del material. La importancia del contenido (SiO2 + Al2O3) es subrayado por el hecho de que las fases vítreas activas generalmente son más ricas en contenido de sílice y alúmina. Las puzolanas naturales mexicanas muestran un fuerte carácter ácido teniendo un contenido de SiO2 + Al2O3 entre 52,3 y 85,6 por ciento. Sin embargo, no todas mostraron actividad puzolánica (figuras 1 y 2).
Los principales requerimientos físicos en morteros curados en las condiciones especificadas son la actividad puzolánica con cal y con cemento portland. La resistencia a la compresión mínima a 7 días es de 5,4 MPa para mezclas cal-puzolana o un mínimo de 75 por ciento de resistencia a la compresión a 7 y 28 días (comparadas con un testigo) en mezclas cemento portland-puzolana.8 En este caso, la mayoría de las puzolanas naturales mexicanas mostraron actividad puzolánica con cal que varió entre 4,72 MPa y 8,56 MPa. Dos puzolanas naturales no mostraron actividad puzolánica con cal, la resistencia a la compresión fue de 0,38 y 0,52 MPa (figura 1). Además, la actividad puzolánica con cemento portland en estas mezclas de cemento portland-puzolana a 28 días tampoco cumplió con el requisito mínimo de 75por ciento (figura2). En el caso de las puzolanas B, D y F, la actividad puzolánica con cal se encuentra entre 4.72 y 5.1 MPa, excediendo 75 por ciento de la actividad puzolánica con cemento portland.
Resultados de pruebas de comportamiento
de acuerdo con el
método ASTM C 1012
La causa primaria del ataque de los sulfatos en los morteros o en el concreto es la reacción entre el C3A presente en el cemento portland y los iones sulfatos (SO4 2-) provenientes del medio ambiente, la cual da por resultado una expansión por la formación de etringita. Se llevó a cabo un programa experimental sobre la resistencia al ataque de sulfatos desarrollada por los cementos portland-puzolana y morteros de referencia elaborados con cementos portland ASTM C tipo I, II y V. Los resultados de las pruebas en barras de mortero expuestas en una solución al 5 por ciento de sulfato de sodio durante un periodo de 78 semanas se muestran en los cuadros 4 y 5. Los morteros a base de cemento portland-puzolana ( CPZ-H, CPZ-I, CPZ-A, CPZ-C) mostraron las menores expansiones y, por lo tanto, la mayor resistencia al ataque de sulfatos a 26, 52 y 78 semanas (figuras 5 y 7), seguidos por los cementos CPZ-J y CPZ-K, y el cemento de referencia el mortero de cemento portland tipo V.<
Estos cementos portland-puzolana contienen puzolanas con una alta actividad puzolánica con cal, mayor a 5.64 Mpa, clinker portland tipo V (CPZ-H y CPZ-I) y clinker portland tipo I con un contenido de C3A entre 10.2 a 12 por ciento.
Por ejemplo, el cemento portland ASTM C tipo II de referencia presentó una expansión mayor que la de los cementos portland-puzolana CPZ-B, CPZ-G, CPZ-L, CPZ-N (figuras 3, 4 y 7) a las 52 semanas; además, las barras de mortero muestran pequeñas fisuras.
En este caso, los cementos portland-puzolana que contienen puzolanas con baja actividad puzolánica con cal son más ricas en alúmina y, en algunos casos, contienen menos cantidad de puzolana en el cemento.<
Conclusiones
El principal hallazgo de este estudio es la sustancial resistencia a los sulfatos que presentan los cementos portland-puzolana tanto con clinker portland tipo I como tipo V, con respecto a los cementos portland tipo II y V. Este significado en particular se debe a que las puzolanas empleadas que muestran una alta actividad puzolánica incrementan la resistencia a los sulfatos cuando se añaden como aditivo mineral. Específicamente:
Los cementos portland-puzolana que contienen clinker portland tipo I, tipo V y puzolanas con una alta actividad puzolánica tienen una resistencia a los sulfatos mayor que la que presenta un cemento portland tipo V; aun después de 52 semanas estos cementos muestran una alta resistencia a los sulfatos.
Las puzolanas que tienen bajo contenido de alúmina (entre 11.6 y 14.7 por ciento) y alta actividad puzolánica tienen en los cementos puzolánicos mejor resistencia a los sulfatos que aquellas que contienen más de 16 por ciento de alúmina.<
>Los cementos puzolánicos con clinker portland tipo V son más efectivos para incrementar la resistencia al ataque de sulfatos, incluso con un contenido de puzolana de 14 por ciento.
Los cementos puzolánicos con clinker portland tipo I y puzolanas con actividad puzolánica menor a 5.4 MPa tienen una moderada resistencia a los sulfatos.
Referencias
1. Cohen, M.D. y B Mather, “Sulfate Attack on Concrete-Research Needs”, ACI Material Journal, vol. 88, núm. 1, enero-febrero de 1991, pp. 62-69.
>2. Lea, F.M., The Chemistry of Cement and Concrete, Chemical Publishing Company. Inc., Nueva York, 1970, pp 727.
3. Prusiski y Carrasquillo, Fifth CANMET/ACI International Conference Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, SP-153, vol 1, Milwaukee, Wisconsin, EUA, 1995, pp 43-65.
4. Uribe-Afif y R.E. Rodríguez-Camacho, “Mexican Natural Pozzolans and the Evaluation of the Specifications Related to Their Use”, Fifth CANMET/ACI International Conference Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, SP-153, vol 1, Milwaukee, Wisconsin, EUA, 1995, pp 531-548.
5. Ramachandran, V.S., Concrete Admixture Handbook. Properties, Science and Technology, Noyes Publications. p 304.
6. ASTM Standard C 1012-95. Test Method for Length Change of Hydraulic- Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution.
7. ASTM Standard C 311-93. Tests Methods for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete.
8. ASTM Standard C 618. Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete.
Rosa Elba Rodríguez Camacho es jefa del Laboratorio Químico del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Concreto de Cemex.
Resumen:
En este artículo se informa sobre un estudio experimental realizado para determinar la composición y actividad puzolánica de 15 puzolanas naturales y la capacidad para resistir el ataque de sulfatos de barras de morteros elaborados con cemento portland y con cemento portland-puzolana, a diferentes edades. Se concluyó que los cementos que contenían puzolanas naturales con alta actividad puzolánica o bajo contenido de alúmina tenían mejor resistencia a los sulfatos y que es importante considerar el contenido de puzolana en el cemento