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Química
Rosa Elba Rodríguez Camacho e
Ingenieros Daniel
Dámazo Juárez y Roberto Uribe Afif
Resumen:
Investigadores
de Cemex realizaron este estudio con el objeto de determinar la
resistencia a la acción de los sulfatos que presentan diferentes cementos
portland-puzolana y cementos portland tipo I, II y V, así como su
comportamiento en el concreto. Examinaron cómo influyen en la
resistencia a los sulfatos la actividad puzolánica, la composición química
y la cantidad
de las puzolanas naturales empleadas
en el cemento.
Una
variedad de reacciones químicas en el concreto pueden causar expansión
en ciertas condiciones. Una de las más notables es la que involucra a los
sulfatos (por ejemplo, de calcio, magnesio, sodio, potasio) que forman
productos expansivos como es esencialmente la etringita en la matriz de
concreto. La expansión volumétrica importante que provoca este compuesto
en el concreto ha sido muy discutida debido a que, cuando las expansiones
son excesivas y no controladas, tiene lugar el fisuramiento y
eventualmente la destrucción de la estructura.
Esta
expansión volumétrica puede generarse por la presencia excesiva de
sulfato de calcio en el cemento o de cantidades excesivas de sulfatos
disueltos provenientes de fuentes externas, como son el suelo o el agua,
que sean capaces de penetrar en la estructura de concreto endurecido.
Varios
investigadores han intentado explicar los mecanismos de expansión debidos
a la formación de etringita. Algunos mencionan que es vía las reacciones
topoquímicas y el crecimiento orientado de los cristales de etringita.
Mehta
y otros consideran que la causa principal de la expansión por sulfatos en
el concreto se debe al proceso de hinchamiento, el cual involucra absorción
de agua.
Basados
en experiencias experimentales disponibles, mencionan que mientras la
etringita, en ciertas condiciones, puede expandirse al tomar agua del
medio, el hinchamiento de la misma puede ser sólo uno, pero no el único,
mecanismo de expansión por sulfatos.
Existen
otras hipótesis acerca de la expansión por sulfatos tal como la debida a
la formación de yeso. En condiciones adecuadas como son altos grados de
saturación con respecto a iones de calcio y sulfatos, la formación de
yeso da lugar a la expansión. Mehta dice que esta reacción se debe a
reacciones de intercambio iónico capaces de causar expansión.
El
ataque por sulfato de magnesio es generalmente un ataque más severo que
el causado por los sulfatos alcalinos. En este caso, en presencia de hidróxido
de calcio se producen dos nuevos sólidos (yeso e hidróxido de magnesio)
que generan esfuerzos, contribuyendo a una expansión del material. Por un
lado, la formación de yeso produce etringita, y por el otro, precipita el
hidróxido de magnesio disminuyendo el pH de la fase líquida, lo cual
facilita la descomposición de la fase C-S-H y provoca una pérdida de la
capacidad de enlace del material.
El uso de materiales
suplementarios tales como las puzolanas naturales, ceniza volante,
escorias granuladas de alto horno, etc., mejoran la durabilidad del
concreto. En México, es muy común el uso de las puzolanas naturales para
producir el cemento portland-puzolana.
Debido
a las características geológicas de México, existen diferentes bancos
de puzolanas naturales. Los minerales representativos que se han
identificado para varios bancos de puzolanas naturales mexicanas son la
oligo-clasa y el cuarzo principalmente, además de vidrio en forma de
pumicita y líticos volcánicos, especialmente de composición ácida.
Una
forma de mejorar la resistencia al ataque de los sulfatos es considerar el
uso del cemento portland-puzolana. En esta investigación se examinan cuáles
son los parámetros que tienen influencia en la resistencia a los
sulfatos. Incluye el tipo de puzolana y sus características químicas, la
cantidad presente en el cemento y la relación a / c en el concreto.
Objetivo
El
objetivo de este estudio es determinar el comportamiento de resistencia al
ataque de sulfatos de diferentes cementos portland-puzolana y cementos
portland tipo I, II y V 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, así como su comportamiento en el concreto.
Dependiendo
de las características de actividad puzolánica, la composición química
y el contenido en el cemento de las puzolanas naturales empleadas, es
importante determinar cuál es su influencia para mejorar la resistencia
al ataque de sulfatos tanto en morteros como en el concreto.
Métodos
experimentales
Materiales
Cementos
Los
cementos investigados incluyen tres cementos portland (ASTM tipos I, II y
V) y ocho cementos portland-puzolana. Estos cementos tienen diferente
composición de clinker portland, material puzolánico y cantidad de
puzolana.
Arena
estándar
Para
elaborar los morteros se empleó arena estándar graduada que cumple con
ASTM C 778.
Puzolanas
naturales
Las
puzolanas naturales se obtuvieron de 10 diferentes bancos localizados en
la república mexicana. La actividad puzolánica con cal y con cemento
portland se determinó de acuerdo con ASTM C 311. La identificación de
cada material puzolánico se realizó a través de un estudio petrográfico
y mediante difracción de rayos X.
Pruebas de comportamiento de acuerdo con
el método ASTM C 1012
El
método ASTM C 1012 cubre la determinación del cambio de longitud de
barras de mortero almacenadas en una solución de sulfato de sodio a 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 x 285 mm. Para los cementos puzolánicos,
el contenido de agua se ajustó hasta obtener una fluidez en el mortero de
5 por ciento de la obtenida para el cemento portland testigo. Los especímenes
se curaron hasta obtener un valor de 20 MPa de resistencia a la compresión
en cubos de mortero.
Pruebas
en
concreto
Concreto
Se
manejaron dos consumos de cemento (350
y 450 kg/m3) para cada
uno de los diseños de mezcla. Los especímenes se curaron durante 30 días,
excepto aquellos a los que se les determinó su resistencia a la compresión
a 7 y 28 días. Posteriormente, se sumergieron en una solución a 5 por
ciento de sulfato de sodio y se realizó un estudio visual, además de
tomas fotográficas durante un periodo de 27 meses.
Cemento
Para
las pruebas de ataque de sulfatos en especímenes de concreto, se
utilizaron los siguientes cementos: portland tipo I y tipo V y el cemento
portland-puzolana CPZ-A
Resultados
y discusión
Puzolanas
naturales
Las
puzolanas naturales mexicanas son materiales de origen piroclástico como
resultado de erupciones volcánicas explosivas, donde los fragmentos
producto de la erupción son transportados por aire para ser finalmente
depositados en la superficie del suelo o el agua. Una vez depositados como
materiales incoherentes pueden ser sometidos a procesos diagenéticos que
los llevan a transformarse en una roca compacta identificada como toba.
Las
tobas (materiales compactos) mexicanas empleadas como puzolana, tienen
como primera característica común una alteración importante en sus
constituyentes (piroclastos y matriz) en donde un proceso destacable es la
zeolitización, que indica y revalida la gran capacidad que tienen los
materiales volcánicos para producir esta transformación diagenética.
Los materiales zeolíticos identificados (DRX) son la clinoptilolita,
heulandita y gmelinita. Es claro que existe la asociación importante
entre la alteración de la matriz vítrea de estas tobas con la presencia
de un par de especies mineralógicas de origen diagenético de tipo zeolítico,
evidencia que ha sido demostrada en pruebas de laboratorio por Sersale.
Por
medio del análisis por Difracción de Rayos X se identificaron los
siguientes constituyentes en las puzolanas naturales: feldes-patos,
cuarzo, minerales arcillosos del tipo clorita-montmorillonita y zeolitas
tales como clinoptilolita, heulandita y gmelinita.
La
evaluación de la actividad puzolánica es esencial para evaluar el
material como una puzolana. De acuerdo con ASTM C 618, para utilizarse
como aditivo mineral en el cemento portland las puzolanas naturales 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 estudiadas, contienen
entre 76.5 y 86.2 por ciento. Este requerimiento químico es arbitrario
para el propósito de tener una relación directa con las propiedades
puzolánicas del material.
Por
otro lado, es importante verificar el contenido (SiO2
+ Al2O3)
para calificar el carácter ácido del material puzolánico, lo cual
subraya el hecho de que las fases vitreo-activas generalmente son más
ricas en contenido de sílice y de alúmina. Las puzolanas naturales
mexicanas muestran un fuerte carácter ácido, con un contenido de SiO2
+ Al2O3
entre 75 y 83.8 por ciento.
Los
principales requerimientos físicos en morteros curados en 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. En este caso, la mayoría de las puzolanas naturales
mexicanas mostraron actividad puzolánica con cal que varió entre 4.72 y
6.58 MPa.
En
el caso de las puzolanas B, D, E y F, la actividad puzolánica con cal se
encuentra entre 4.72 y 5.4 MPa; sin embargo, exceden 75 por ciento en 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 (suelo, agua), resultando una expansión
por la formación de etringita. La formación de yeso, otro producto
expansivo, también tiene lugar debido a la reacción con el Ca(OH)2
y los sulfatos. Se llevó a cabo un programa experimental sobre la
resistencia al ataque de sulfatos de 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
a 5 por ciento de sulfato de sodio, cubriendo un periodo de 78 semanas.
Los morteros elaborados con cemento portland tipo I presentan un
incremento elevado en la expansión después de la octava semana, obteniéndose
una expansión mayor a uno por ciento en la semana 15. Posteriormente, las
barras de mortero se curvearon totalmente con presencia de grietas y
posterior degradación del espécimen. A diferencia de las barras de
mortero con cemento tipo II y tipo V, donde se obtuvieron expansiones de
0.052 y 0.027 por ciento respectivamente a seis meses, y de 0.35 y 0.082
por ciento respectivamente a un año. Es importante hacer notar que estos
cementos cumplen su característica de moderada y alta resistencia a los
sulfatos, si se comparan sus expansiones a seis meses y un año con lo que
especifica la norma ASTM C 1157. Sin embargo, de acuerdo con lo que
sugiere Mehta, un cemento portland tipo V con menos de 5 por ciento de C3A
es suficiente para resistir a los sulfatos en condiciones moderadas de
ataque, es decir, cuando únicamente se consideran las reacciones de
formación de etringita, pero cuando las concentraciones de sulfatos son
mayores a los 1,500 mg/L (usualmente se las asocia a la presencia de
magnesio y cationes alcalinos), el cemento portland tipo V no puede ser
efectivo contra las reacciones de tipo de intercambio iónico que
involucran la formación de yeso expansivo, especialmemnte si el contenido
de C3S del cemento es alto. En
estas condiciones, la experiencia muestra que los cementos que forman poco
o nada Ca(OH)2 tienen un mejor
comportamiento.
Los
morteros a base de cemento portland-puzolana (CPZ-H, CPZ-I, CPZ-A, CPZ-C)
mostraron las menores expansiones y, por tanto, mayor resistencia al
ataque de sulfatos a 26, 52 y 78 semanas, seguidos por el cemento
denominado CPZ-J, en comparación con las expansiones generadas por el
cemento portland tipo V.
Los
cementos portland-puzolana CPZ-H y CPZ-I contienen clinker con un C3A
menor de 3 por ciento y un contenido de puzolana de 19 y 14 por ciento
respectivamente; en el caso de los cementos CPZ-A y CPZ-C y CPZ-J,
contienen clinker con un contenido de C3A
entre 10.2 y 12 por ciento y los contenidos de puzolana varían entre 22 y
30 por ciento. Es importante destacar que, aun variando los contenidos de
C3A en los cementos, las
puzolanas desempeñan un papel importante puesto que en todos los casos
presentan una alta actividad puzo-lánica con cal mayor de 5.64 MPa.
Por
ejemplo, el cemento portland tipo II de referencia presentó una expansión
mayor que la de los cementos portland-puzolana CPZ-B, CPZ-G a las 52
semanas; además, las barras de mortero muestran pequeñas fisuras. Estos
cementos puzolánicos, a pesar de tener buena resistencia al ataque de
sulfatos, tienen una tendencia a incrementar la expansión, notándose
inclusive este comportamiento hasta las 78 semanas. Los materiales puzolánicos
PZ-B y PZ-G tienen como característica común un mayor contenido de alúmina
(>16%), a diferencia de las mencionadas en el párrafo anterior, cuyos
contenidos de alúmina son menores a 14.7 por ciento.
En
el cemento denominado CP-DE se observa que la expansión va progresando de
tal manera que, al compararlo con los otros cementos, presenta a las 52
semanas una expansión hasta tres veces mayor que la obtenida por el
cemento CPZ-A. Es notable la presencia de un alto contenido de alúmina en
las puzolanas empleadas en el cemento CP-DE; además, el contenido de
puzolana en el mismo es de 10 por ciento, y el C3A del clinker, de 10.9 por ciento.
En
este caso, los cementos portland-puzolana que contienen puzolanas con baja
actividad puzolánica con cal son más ricos en alúmina y, en algunos
casos, contienen menos cantidad de puzolanas.
Pruebas
de ataque de sulfato en especímenes de concreto
Mediante
el estudio realizado a los especímenes de concreto expuesto a una solución
de sulfato de sodio a 5 por ciento durante 27 meses, se observó lo
siguiente:
Los
especímenes elaborados con cemento tipo I y un consumo de 350 kg/m3
sufrieron a los 10 meses un deterioro inicial en su parte superior,
provocando su degradación. No obstante a esta edad, el concreto con un
consumo de 450 kg/m3, aún se
encuentra en buenas condiciones.
Los
especímenes de concreto elaborados con cemento tipo V y consumos de
cemento de 350 y 450 kg / m3 expuestos a la solución de sulfato de sodio durante 10 meses,
no presentan deterioro alguno y se notan en buenas condiciones.
En
el caso del concreto en el que se empleó el cemento portland-puzolana CPZ-A
a los 10 meses de exposición en la solución de sulfato de sodio a 5 por
ciento, los especímenes no presentan ningún deterioro y están en buenas
condiciones.
A
los 27 meses de inmersión en la solución de sulfatos se observaron
grandes diferencias en las características de los especímenes de
concreto:
a)
En el concreto con
cemento tipo V y consumos de 350 kg/m3 empieza
a notarse un deterioro en los bordes del espécimen cilíndrico. Y en
menor grado, cuando se utilizó un consumo de 450 kg/m3.
b)
Al emplear el cemento
tipo I y consumos de 350 kg/m3,
se detectó una destrucción total de los especí-menes de concreto y se
observó un deterioro de tipo severo en el caso del concreto con consumos
de 450 kg/m3.
c)
Los especímenes cilíndricos
de concreto que emplearon cemento portland puzolana CPZ-A y ambos consumos
de cemento no presentan ningún deterioro, y es notable el buen estado en
que se encuentran.
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 y V, con respecto a los cementos portland tipo II y V.
Esto se debe particularmente a que las puzolanas empleadas muestran una
alta actividad puzolánica e incrementan la resistencia al ataque de
sulfatos cuando se añaden como aditivo mineral. Específicamente:
A)
Cemento
l
Los cementos portland-puzolana que contienen clinker con bajo (< 3%) o
alto (> 10%) contenido de C3A
y puzolanas con alta actividad puzolánica tienen una mejor resistencia a
los sulfatos que la que presenta un cemento portland tipo V, aun después
de 52 semanas de exposición en la solución de sulfato de sodio a 5 por
ciento.
l
Los cementos puzolánicos con mejor resistencia a los sulfatos son
aquellos que contienen puzolanas con bajo contenido de alúmina (entre
11.6 y 14.7%) y una alta actividad puzolánica, mayor de 5.4 MPa, que
aquellos que contienen puzolanas con contenidos de alúmina mayor de 16
por ciento.
l
Los cementos puzolánicos que contienen clinker de bajo contenido de C3A
y una puzolana con alta actividad puzolánica son más efectivos para
incrementar la resistencia al ataque de sulfatos, reduciéndose
notablemente la expansión, aun si contienen 14 por ciento de puzolana.
l
Los cementos puzolánicos con clinker de alto contenido de C3A
(> 10%) y con puzolanas con actividad puzolánica menor de 5.4 MPa
tienen una moderada resistencia a los sulfatos.
B) Concreto
l
La resistencia al ataque de sulfatos se incrementa en gran medida al
emplear en el concreto un cemento puzolánico que contenga una puzolana
natural con alta actividad puzolánica, como es el caso de la PZ-A.
l
Es importante considerar que, al disminuir la relación agua/cemento, es
posible reducir el deterioro por ataque de sulfatos al concreto.
l
Se piensa que el incremento en la resistencia al ataque de sulfatos en el
concreto y en los morteros por el uso de cementos puzolánicos se debe
principalmente a las siguientes razones:
a)Disminución
en el contenido de C3A en el
cemento por dilución del contenido de clinker en el cemento puzolánico.
b)Disminución
de hidróxido de calcio, producto de las reacciones de hidratación de las
fases silicatos, al reaccionar con la puzolana presente, disminuyendo por
lo tanto el contenido de cal y, por ende, la formación de yeso como
resultado de reacciones de intercambio iónico en la matriz del concreto o
del mortero con la solución de sulfatos.
El
empleo de cementos puzolánicos con puzolanas de buena calidad disminuye
la permeabilidad del concreto y, por lo tanto, el ingreso o la penetración
de los iones de sulfato.
Este
artículo reproduce la ponencia presentada por sus autores en el Primer
Congreso Interamericano del Cemento y del Concreto. Los autores son
investigadores del Centro de Tecnología del Concreto, Cemex.
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