 |
Propiedades del concreto que contiene ceniza volante ultrafina |
 |
||
|
La adición de ceniza volante al concreto asegura muchos beneficios. Puede resaltar las propiedades del concreto fresco a través de una demanda reducida de agua para un revenimiento dado, una mejor bombeabilidad, una cohesión mejorada, una segregación reducida y un menor sangrado. También reduce la temperatura pico durante el curado, lo que ayuda a disminuir el agrietamiento térmico. En el concreto endurecido, la incorporación de la ceniza volante puede mejorar la durabilidad [tal como resistencia a la reacción álcali-sílice (RAS), al ataque de sulfatos, al ingreso de cloruros y a la corrosión], reduce la permeabilidad y contribuye a la ganancia de resistencia a largo plazo del concreto. Otros beneficios debidos a la utilización de ceniza volante son la reducción de los costos del concreto, el empleo provechoso de un material destinado al relleno de tierra y la reducción de la energía y la emisión de CO2, asociadas con la producción del cemento.7, 8 Durante mucho tiempo se ha reconocido que la actividad de la ceniza volante mejora de manera importante si el tamaño efectivo de la partícula es menor. En este artículo se informa sobre las propiedades químicas y físicas de una marca particular de ceniza volante ultrafina (CVUF) registrada como Micron3. El concreto que contenía esta CVUF se preparó con contenidos de cemento que variaban en un amplio rango (360-480 kg/m3). Se midieron las propiedades del concreto fresco (demanda de agua, tiempo de fraguado, etc.) y endurecido (resistencias a la compresión y rápida permeabilidad a los cloruros). Se midió la resistencia a la penetración de cloruros usando una prueba de difusión volumétrica y también se realizaron pruebas aceleradas de barra de mortero para estudiar la RAS (ASTM C 1260) y la resistencia a los sulfatos (ASTM C 1012). Se hicieron comparaciones de comportamiento entre los concretos y morteros hechos con humo de sílice (HS) y CVUF. Materiales Los materiales usados para la producción de especímenes de concreto incluyeron cemento portland tipos I y III de ASTM, arena de río, piedra triturada con un tamaño máximo de 19 mm, un agente inclusor de aire (AIA) a base de aceite subproducto en la producción de pulpa química de madera según ASTM C 260, un reductor de agua tipo A según ASTM, a base de lignina, un reductor de agua de alto rango a base de neftaleno-sulfonato (40% de sólidos), humo de sílice densificado y ceniza volante ultrafina. Se prudujeron especímenes de mortero para las pruebas de resistencia a RAS y a sulfatos, usando un cemento del tipo I con alto contenido de álcalis (1% de Na2O2) y de C3A (11%) respectivamente. Se usó una piedra caliza triturada con sílice (Spratt) para las pruebas de RAS. Ceniza volante ultrafina (CVUF) La CVUF se fabrica por un sistema de separación patentado que incluye una clasificación selectiva por medio de aire. El producto comercial fabricado bajo la marca registrada Micron3 tiene típicamente un diámetro medio de partícula que va de 2.6 a 3.4 micrones con más de 90% del material que tiene un diámetro de partícula menor de 7 micrones. Esto es significativamente más fino que la ceniza volante típica, como se demuestra en la figura. 1. En el cuadro 1 se proporcionan análisis químicos y físicos de la CVUF. El alto contenido de sílice y la suma de los óxidos (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) es igual a lo que se esperaría para una ceniza volante clase F según la designación de ASTM C 618. Las propiedades de comportamiento (cuadro 1) indican que el material es una puzolana muy reactiva a 7 y 28 días. La capacidad reductora de agua del material es significativa. El rango del tamaño de las partículas y la forma esférica de éstas se combinan para contribuir a sus características realzadas de trabajabilidad. Las partículas esféricas ruedan fácilmente una sobre otra, reduciendo la fricción interna entre partículas. La forma esférica minimiza también el área de superficie de la partícula, dando como resultado una baja demanda de agua. Detalles experimentales Proporciones de la mezcla El programa experimental se dividió en dos partes. La primera se enfocó en la medición de las propiedades básicas del concreto fresco (revenimiento, tiempo de fraguado, etc.) y endurecido [resistencia a la compresión y rápida permeabilidad a los cloruros (RPC)], y fue realizada por Boral Material Technologies en San Antonio. La segunda se centró en las pruebas de durabilidad, tales como difusión de cloruros, RAS y pruebas de resistencia a los sulfatos, y fue llevada a cabo en la Universidad de Toronto. Las proporciones de la mezcla de concreto usadas en la primera parte del programa experimental se muestran en el cuadro 2. Se prepararon 14 mezclas de concreto. Las mezclas del 1-10 contienen cemento tipo I y se designan como representantes de mezclas típicas para tableros de puente. Las mezclas del 11-14 contienen cemento tipo III y son más representativas de las mezclas del tipo para trabes de puentes. El contenido de cementantes de las mezclas 1-6, 7-10 y 11-14 es aproximadamente de 360, 420, y 480 kg/m3 respectivamente. Por lo tanto, las mezclas 1-6, 7-10 y 11-14 se referirán como las series 360, 420 y 480 respectivamente. Las mezclas 1, 7 y 11 son los controles de cemento portland. Las mezclas 2, 8, 12 tienen HS en una sustitución de 8% (por peso), y tienen similares contenidos de agua que los controles de cemento portland correspondientes. Las otras ocho mezclas contienen CVUF en varios niveles y están diseñadas para utilizar las propiedades reductoras de agua de este material. La relación a/c de las mezclas 1-6, 7-10 y 11-14 variaban aproximadamente entre 0.39-0.32, 0.35-0.28 y 0.34-0.27 respectivamente. La cantidad de agua se ajustó para dar un revenimiento de 175-250 mm. El contenido de agua se mantuvo entre 4.5-6.5 % para las mezclas 1-10. Las mezclas 11-14 no tenían aire incluido. Las mediciones experimentales en el concreto fueron de revenimiento, contenido de aire, peso unitario, temperatura, tiempo de fraguado, resistencia a la compresión y RPC a varias edades (promedio de dos valores). La resistencia a la compresión se midió en cilindros que tenían 101.6 mm de diámetro y 203.2 mm de alto. La RPC se midió en cilindros de tamaño similar en los que se cortó una sección de 50.8 mm de espesor de la parte media del cilindro. Las mezclas para la prueba de difusión de cloruro fueron coladas con un contenido cemenante total de 4,000 kg/m3 y una relación a/c de 0.40. El reductor de agua de alto rango (RAAR) se agregó para proporcionar un revenimiento de 150 ± 25 mm. Los concretos fueron coladas sin aditivo mineral (mezcla de control), tres niveles de CVUF (8, 12 y 16 %) y dos niveles de humo de sílice (8 y 12 %). Mezclado y curado El concreto fue preparado de acuerdo con el ASTM C 192. El RAAR se agregó después de que el concreto había logrado un estado plástico con un revenimiento de 15 mm. Inmediatamente después de la preparación, los especímenes RPC y para resistencia a la compresión fueron colocados en un cuarto con una humedad a 100%. Los especímenes fueron desmoldados a un día y se curaron en húmedo hasta la edad de la prueba. Pruebas La prueba de resistencia a la compresión se llevó a cabo de acuerdo con el ASTM C 39 y se realizaron pruebas rápidas de permeabilidad a cloruros usando los procedimientos del ASTM C 1202. La resistencia a los sulfatos de la CVUF mezclada con cemento con alto contenido de C3A (C3A = 11%) se valoró usando el ASTM C 1012. Se evaluó la eficacia de la CVUF para controlar la RAS usando una versión modificada del ASTM C 1260 (la "prueba acelerada de barra de mortero") con una piedra caliza silicosa reactiva (Spratt). La única modificación a los procedimientos en el ASTM C 1260 fue que la CVUF se usó como un reemplazo parcial del cemento con alto contenido de álcalis en algunas de las mezclas. Las pruebas de difusión volumétrica de cloruro se iniciaron a los 28 días. Después de un curado durante 28 días en el cuarto de niebla, a 23 °C, se cortaron especímenes de prueba de 10 mm de diámetro x 50 mm de espesor (de los paneles de concreto); las superficies curvas y una cara plana fueron selladas con resina epóxica y después los especímenes fueron saturados al vacío. Después de la saturación, los especímenes se sumergieron en una solución de cloruro (165 g de NaCl por litro) en un contenedor sellado a temperatura de laboratorio (nominalmente 23 °C). Después de varios períodos de inmersión, los especímenes fueron retirados de la solución de sal y se muestrearon por medio de esmerilado de perfil de precisión. Esta técnica, similar a la usada por otros autores,9 involucra esmerilar capas sucesivas de la superficie expuesta del espécimen en incrementos de 1 mm de profundidad hasta una profundidad de 10 mm o mayor. Las muestras de polvo resultante fueron luego recogidas y se sometieron a un análisis de cloruro total, usando una digestión de ácido nítrico y la subsiguiente tritración contra una solución de nitrato de plata. Los datos obtenidos de la prueba son un perfil de la concentración de cloruro frente a la profundidad de la superficie expuesta. Se ha demostrado que la penetración de cloruros en el concreto saturado sigue la segunda ley de Fick. El perfil establecido de concentración de cloruro puede ser ajustado a una solución de la condición límite estándar a la segunda ley de Fick, usando : (Entra fórmula) (1) en donde Cs = concentración de cloruro en la superficie: Cx = concentración de cloruro a la distancia x; x = profundidad desde la superficie; Da = coeficiente de difusión aparente. Los valores desconocidos de Cs y Da se encuentran ajustando la ecuación 1 a los datos experimentales. Resultados y discusiones Propiedades del concreto fresco Las propiedades del concreto fresco se dan en el cuadro 3. Su temperatura varía de 18 °C a 23 °C; el peso unitario, de 2,250 a 2,323 kg/m3 para mezclas 1-10 y de 2318 a 2379 kg/m3 para las mezclas 11-14, y el revenimiento, de 180 a 255 mm. Los tiempos de fraguado inicial para niveles cementantes dados diferían poco entre las mezclas. Sin embargo, a dosificaciones más altas del RAAR, el concreto que contenía CVUF se retardaba ligeramente (40-120 minutos). El RAAR y el requisito de agua La figura 2 resume los requisitos de dosificación del RAAR y de agua de la serie 360. Para una trabajabilidad dada, la CVUF claramente reduce la demanda de agua sobre el cemento portland de control, mientras que el HS incrementa la demanda de agua. Para la serie 360 (mezclas 1-6) a revenimientos de 180-210 mm, las mezclas de CVUF necesitaron únicamente 50-63% de la dosis del RAAR y 10% menos de agua de mezclado en comparación con la mezcla de concreto con HS. Cuando la mezcla de concreto con CVUF tenía 16% menos de agua, todavía necesitaba únicamente 78% de la dosis del RAAR que (¿ como?) la mezcla de concreto HS. Para la serie 420 (mezclas 7-10) a revenimientos de 210-250 mm, las mezclas CVUF necesitaban únicamente 56 y 83% de la dosis del RAAR y tenían 15 y 23% menos de agua en comparación con la mezcla de concreto con HS. Para la serie 480 (mezclas 11-14) a revenimienos de 190-255 mm, las mezclas de CVUF necesitaron únicamente 56% y 72% de la dosis del RAAR y tuvieron 10 y 16% menos agua respectivamente, en comparación con la mezcla de concreto con HS. Desarrollo de resistencia a la compresión Las resistencias a la compresión de todas las mezclas de concreto se dan en el cuadro 4. Tanto las mezclas de concreto con CVUF como con HS desarrollan resistencias más altas que los controles de cemento portland. A partir de los resultados de la serie 360, para resistencias a la compresión a todas las edades comparables con la mezcla de concreto con HS (mezcla 2), la mezcla de concreto con CVUF debe tener un contenido de CVUF igual a 150% de la cantidad de HS usado, así como también un contenido de agua 10% menor (mezcla 5). Cuando el contenido de agua se redujo en 16% (mezcla 6), las resistencias de los concretos con CVUF fueron significativamente más altas que las resistencias de los concretos con HS. Nótese que estas reduccionees de agua pudieron alcanzarse con el uso de una dosificación menor del RAAR que la requerida para la mezcla con HS. Pueden hacerse observaciones similares a partir de los resultados de los concretos de las series 420 y 480. Prueba rápida de la permeabilidad a cloruros La prueba RPC (ASTM C 1202) da una identificación rápida de la resistencia del concreto a la penetración de los iones de cloruro. El cuadro 5 de ASTM C 1202 esboza la relación entre la carga que pasa y la penetrabilidad de los iones de cloruro. En general, la RPC para todas las mezclas disminuye con la edad (cuadro 6 y figura 3). A 60 días, los concretos con CVUF y HS variaban desde muy bajo a bajo, mientras que el control de cemento portland estaba en la categoría de moderado. Cuando se usó CVUF en una cantidad igual a 150 % de la dosificación de HS y con una reducción de agua de 10% o más, entonces la RPC del concreto con CVUF se igualó con la de los concretos con HS. Difusión volumétrica Los resultados de las pruebas de difusión volumétrica después de una inmersión de 40 y 90 días en una solución de NaCl se muestran en la figura. 4. Con una excepción, al ajustar la ecuación 1 con los perfiles de cloruro se obtuvo un coeficiente de correlación alto (es decir, r2 > 0.90). Los datos obtenidos del concreto con 10 % de CVUF probado después de una inmersión de 90 días no se ajustaron muy bien a la ecuación 1, y los resultados se han omitido en este análisis. Tanto la CVUF como el humo de sílice probaron ser muy efectivos en la reducción del coeficiente de difusión de cloruros en el concreto, y el efecto se incrementó al incrementarse los niveles de ambas puzolanas. Después de una inmersión de 40 días, los coeficientes calculados fueron, en todos los casos, menores que la mitad del valor medido para el espécimen de control. Los datos muestran que el concreto con 16% de CVUF rinde tanto como el concreto con, ya sea 8% o 12% de humo de sílice después de 40 días de inmersión. Por lo regular, los concretos con CVUF mostraron proporcionalmente mayores reducciones en difusibilidad con la edad, en comparación con aquellos que contenían humo de sílice o, especialmente, la mezcla de control. Después de 90 días de inmersión, las diferencias en los coeficientes de difusión entre las mezclas que contenían ya sea CVUF o humo de sílice fueron generalmente pequeñas. Es significativo, desde el punto de vista de la durabilidad, que el coeficiente de difusión a 90 días para la mezcla de control de cemento portland fuera entre 3 y 5 veces más grande que los coeficientes para las mezclas que contenían cualquiera de las dos puzolanas. Los coeficientes de difusión serán determinados para los mismos concretos después de períodos extendidos de inmersión (es decir, 1, 2, 5 y 10 años). Reacción álcali-sílice Los resultados de las pruebas modificadas del ASTM C 1260 se muestran en la figura 5. Esta figura presenta los datos de expansión después de una inmersión de 14 días en 1M de NaOH a 80 °C para las mezclas que contenían CVUF, una ceniza volante típica que satisface la especificación ASTM C 618 para la clase F y el humo de sílice. Generalmente se considera que una expansión por debajo de 0.10% a 14 días indica un rendimiento satisfactorio en esta prueba.10 A partir de la figura 5 puede verse que la CVUF se comporta de una manera similar al humo de sílice en esta prueba, y aproximadamente 12% de cualquier puzolana parece ser suficiente para suprimir la expansión a 14 días a menos de 0.10 %. Si se procesa la ceniza volante para lograr un producto más fino, evidentemente se hace más eficiente para controlar la RAS, como puede verse al comparar el rendimiento de la CVUF con una ceniza volante no procesada o de clase F no procesada. Generalmente se requiere algo así como entre 20 y 30% de la ceniza volante clase F para controlar la expansión a menos de 0.10% en esta prueba con el agregado Spratt.11 Resistencia a los sulfatos Los resultados de las pruebas de resistencia a sulfatos (ASTM C 1012) se muestran en la figura 6. El mortero de control se expandió rápidamente, y se había deteriorado al grado de no poderse hacer más mediciones después de un almacenamiento de sólo 18 semanas en una solución a 5% de Na2SO4. Es evidente que el uso de CVUF incrementa la resistencia del mortero al ataque de sulfatos. El reemplazo parcial de 8% de cemento con alto contenido de C3A con CVUF condujo a una expansión de menos de 0.5% a seis meses y sólo un poco menos de 0.10% a un año. Generalmente se considera que tal expansión representa un alto nivel de resistencia a los sulfatos (véase ASTM C 618). El uso de cantidades mayores de CVUF (es decir, 12 o 16%) reduce todavía más la expansión a menos de 0.05% a un año. Se considera que tal expansión representa una resistencia muy alta a los sulfatos (ASTM C 1240). Conclusiones 1. Se está fabricando comercialmente una ceniza volante ultrafina (marca registrada Micron3), con un diámetro de partícula en el rango de 2.6-3.4 micrones. El alto contenido de sílice y la suma de los óxidos (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) son similares a los que podrían esperarse para una ceniza volante de clase F de acuerdo con la designación ASTM C 618. La química, aunada a su extrema finura, conduce a una reactividad puzolánica muy alta tanto a edad temprana como a edades posteriores. Además, esta CVUF tiene un bajo valor de Pérdida-en-la-Ignición (PI) y, por lo tanto, tiene un ligero color de ante. 2. La CVUF puede producir resistencia del concreto y comportamiento rápido de permeabilidad a los cloruros comparable al producido con una puzolana altamente reactiva, tal como el humo de sílice. A fin de alcanzar los niveles de comportamiento del concreto con humo de sílice, generalmente la concentración de CVUF debe ser 50% mayor que un contenido dado de humo de sílice, y el agua total en el concreto debe reducirse en 10 por ciento. 3. A diferencia del HS, la CVUF despliega una fuerte tendencia a reducir la demanda de agua. El concreto con CVUF requiere unicamente 50-63% de la dosificación de RAAR con menos de 10% de agua en comparación con el concreto con HS a niveles cementantes dados. Cuando se usó 83% de la dosificación de RAAR, el concreto con CVUF tenía 23% menos de agua. 4. El uso de CVUF redujo significativamente la relación de difusión de cloruros en el concreto. El comportamiento a edades más tardías es en general comparable al del concreto con humo de sílice. 5. La CVUF es altamente efectiva para reducir la expansión debida a las reacciones álcali-sílice. Los niveles de reemplazo de aproximadamente 12% parecen proporcionar protección adecuada cuando se usan con cemento con alto contenido de álcali y un agregado altamente reactivo. 6.
El uso de 8% de CVUF combinado con un cemento con alto contenido de C3A
produce un mortero con alta resistencia al ataque de sulfatos. Los niveles
más altos de CVUF (es decir, 12 y 16%) reúnen los criterios de comportamiento
del ASTM C 1240 para resistencias muy altas a sulfatos. |
Aunque durante mucho tiempo se reconoció que la actividad benéfica de la ceniza volante en el concreto mejora con el incremento de su finura, los métodos para lograr ésta tenían un costo prohibitivo. Aquí se informa que recientemente se han podido manufacturar comercialmente grandes cantidades de ceniza volante ultrafina y se discuten las propiedades del concreto fresco y endurecido hecho con una puzolana de este tipo de marca registrada, cuyas propiedades químicas y físicas se comentan
|
|||
|
Instituto Mexicano
del Cemento y del Concreto, A.C. |
||||
|
|
||||
