Cemento Puzolanico

Los cementos puzolánicos

aumentan la resistencia del

concreto al ataque de sulfatos

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

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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

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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.

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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

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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

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