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ago. 1 de 2018
Aditivos, adiciones y fibras
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Resumen:

Alrededor del mundo, dependiendo del país, región y la época, se pueden encontrar diferentes nombres cuando se trata de hacer referencia a los materiales cementantes suplementarios, entre ellos: adiciones minerales, llenantes o fillers, materiales sustitutos del cemento, materiales de reemplazo de cemento, materiales puzolánicos, puzolanas o simplemente materiales cementantes. La Tabla 1 provee una aproximación a las relaciones que hay en la terminología más utilizada para hacer referencia a estos materiales.

 

Materiales Cementantes Suplementarios y sus efectos en el concreto

Según la ASTM, los materiales cementantes suplementarios (MCS) son materiales inorgánicos que contribuyen en las propiedades de una mezcla cementicia a través de la actividad hidráulica, puzolánica o ambas. 

Por su parte, el estándar británico (BS EN 206, 2000) define las adiciones como “materiales finamente divididos utilizados en concreto con el fin de mejorar ciertas propiedades o alcanzar propiedades especiales”. 

En general, se denomina material cementante, aquel capaz por sí solo o en combinación con otros materiales, de formar productos de hidratación como hidratos de silicato de calcio (C-S-H), hidratos de aluminosilicatos (A-S-H) o también hidratos de aluminosilicatos de calcio (C-A-S-H).  

Dentro de esta clasificación podemos encontrar materiales como el cemento, las cenizas volantes o “Fly Ash” (FA), las puzolanas naturales o artificiales, el humo de sílice o “Silica Fume” (SF) y la escoria granulada de alto horno o “Ground Granulated Blast Furnace Slag” (GGBFS) (Ver Figura 1. Diagrama de materiales cementantes C-A-S, Lothenbach et. al., (Black, 2016). 

El uso del término suplementario, hace referencia a la función de suplementar o complementar que poseen estos materiales en relación al cemento ya que pueden potenciar las propiedades del mismo o en determinados casos, suplir algunas deficiencias de este para cumplir con las especificaciones de algún proyecto.

Materiales Cementantes Suplementarios y sus efectos en el concreto

Se conoce como material hidráulico, aquel que presenta una alta tasa de disolución al entrar en contacto con el agua, generando silicato de calcio hidratado (CSH) y portlandita o hidróxido de calcio; un ejemplo de este tipo de material es el cemento Pórtland o simplemente cemento. 

Por otro lado, se encuentran los materiales puzolánicos, que son aquellos que presentan una baja tasa de disolución en relación con un material hidráulico y que en algunos casos requieren de un activador que facilite el inicio de la reacción. El activador en el caso de las puzolanas puede ser el hidróxido de calcio (CaOH2), el cual es uno de los subproductos de la reacción del cemento con el agua. 

En la Figura 2 (Materiales hidráulicos, latentes hidráulicos y puzolánicos (adaptada de RILEM, 2016)), se presenta una clasificación de los materiales cementantes según Snellings (2016), basada en la velocidad de disolución del calcio respecto a la suma de la alúmina y el silicato.

Materiales Cementantes Suplementarios y sus efectos en el concreto

A continuación, se hace una breve descripción de cuatro MCS y de algunos de sus efectos en los concretos, facilitando su entendimiento y la toma de decisiones sobre su uso en concretos masivos u otros tipos de concretos con requerimientos especiales de resistencia y/o durabilidad.

Ceniza Volante o “Fly Ash”

Es también conocida como ceniza de combustible o PFA (proveniente de Pulverised Fuel Ash) en el Reino Unido. Es un subproducto de la combustión del carbón pulverizado en plantas de energía térmica. Las partículas de ceniza son formadas a partir de la solidificación de material fundido que se encuentra suspendido en la descarga de gases provenientes de la combustión del carbón. 

Estas partículas son enfriadas rápidamente evitando la cristalización de fases minerales y obteniendo partículas esféricas con tamaños entre 1 y 80 micras con un área específica que oscila entre 250 y 600 m2/kg. Es común encontrar que la ceniza consiste en esferas huecas conocidas como cenosferas por lo que su densidad relativa es menor que la del cemento Pórtland y puede variar entre 1,9 y 2,9.

La composición de la ceniza depende del tipo de carbón utilizado. Si el carbón es lignito o sub-bituminoso, en general la ceniza tendrá altos contenidos de calcio en comparación con una ceniza proveniente de un carbón bituminoso (antracita).

Normalmente la sustitución es hasta del 30 o 35 por ciento del cemento aunque concretos con altos contenidos de ceniza, mayores al 50 por ciento, han sido utilizados satisfactoriamente.

Algunos efectos de la ceniza volante en el concreto, son:

  • Mejora la cohesividad.
  • Mejora la trabajabilidad.
  • Reduce la generación de calor y retarda el pico máximo.
  • Reduce la resistencia a edades tempranas.
  • Aumenta la resistencia a edades posteriores (curando adecuadamente).
  • Reduce la porosidad y permeabilidad si se cura apropiadamente.
  • Mejora la durabilidad.
Escoria granulada de alto horno o “Ground Granulated Blast Furnace Slag

La escoria es un subproducto que se obtiene del proceso productivo del hierro en alto horno. Como en el caso de las cenizas volantes, es esencial que la escoria sea enfriada rápidamente con el fin de formar una estructura vítrea desordenada y para ello se utilizan dos tipos de procedimiento: granulación o peletización. 

Posteriormente, es molida a una finura cercana a la del cemento y que en general, es superior a los 400 m2/kg (a mayor finura, mayor reactividad de la escoria). La forma de las partículas es angular (al igual que las de cemento) e irregular, pero la textura superficial tiende a ser de alguna manera, más suave que las del cemento, en tanto que su densidad relativa está entre 2,85 y 2,95.

Su composición química depende de las materias primas utilizadas y de las condiciones del horno, pero consiste esencialmente en una red desordenada de óxidos de calcio, silicio, aluminio y magnesio combinados con oxígeno.

La sustitución de cemento por escoria se realiza principalmente en el cemento donde se pueden encontrar reemplazos entre el 5 y el 60 por ciento en nuestro medio.

Algunos de los efectos en el concreto fabricado con cementos con escoria, son:

  • Mejora la trabajabilidad.
  • Pequeña reducción en la demanda de agua.
  • Tiende a incrementar los tiempos de fraguado final.
  • Reduce la velocidad de evolución de calor, así como su valor máximo.
  • Reduce la tasa de ganancia de resistencia.
  • Aumenta la resistencia a edades posteriores (curando adecuadamente).
  • Reduce porosidad capilar.
  • Reduce la permeabilidad.
  • Mejora la durabilidad.
Humo de Sílice o “Silica Fume

Humo de sílice o microsílice es un subproducto de la industria de producción de aleaciones de silicio o ferrosilicio a partir de la reducción de cuarzo de alta pureza con carbón, en un horno de arco eléctrico sumergido. 

Su densidad aparente cuando se produce, oscila entre 200 y 300 kg/m3 y comúnmente se le encuentra en forma de suspensión con una densidad aproximada de 1.400 kg/m3 que permite una mejor dispersión en la mezcla de concreto.

El humo de sílice consta de pequeñas microesferas cuyo diámetro está entre 20 y 250 nanómetros con un promedio cercano a los 150 nm. Debido a lo anterior, su área específica oscila entre 13.000 y 30.000 m2/kg. 

Como su nombre lo indica, este material está compuesto básicamente por sílice (generalmente más del 85 %) en estado amorfo y normalmente se realizan sustituciones entre el 5 y el 15 % del cemento.

Algunos efectos del humo de sílice en el concreto, son:

  • Mejora la cohesividad.
  • Reduce el sangrado.
  • Densifica la matriz al llenar los espacios vacíos entre las partículas.
  • Reducción considerable de los macroporos.
  • Modifica y mejora la interfaz pasta agregado.
  • Reducción de la generación de calor.
  • Reduce la trabajabilidad, incrementando la necesidad de superplastificantes.
  • Aumenta la resistencia (10 % de sustitución puede aumentar la resistencia entre 30 y 50 %)
  • Reduce porosidad capilar.
  • Reduce la permeabilidad.
  • Efectivo en el control de la reacción álcali-sílice.
  • Mejora la durabilidad.
Metacaolín

A diferencia de los materiales mencionados anteriormente, el metacaolín no es un subproducto de otra industria. Este material es manufacturado y proviene de la calcinación del caolín que a su vez proviene de la descomposición de feldespatos y minerales arcillosos. 

El tratamiento térmico al cual es sometido el caolín dependerá de la composición mineralógica del mismo y se pueden encontrar temperaturas de calcinación que oscilan entre 600 y 1.000°C y tiempos de permanencia en el horno que varían entre 2 y 6 h, o en algunos casos entre 12 y 24 h (Rashad, 2013).

La densidad relativa del metacaolín está próxima a los 2,5, mientras que la forma de las partículas es irregular y generalmente plana con tamaños entre 0,2 y 15 micras, por lo que su superficie específica está cercana a los 12.000 m2/kg. El metacaolín está compuesto principalmente de aluminosilicatos y normalmente se realizan sustituciones entre el 10 y el 20 % del cemento.

Algunos efectos del metacaolín en el concreto, son:

  • Aumenta la demanda de agua.
  • Mejora la trabajabilidad.
  • Mejora la cohesividad.
  • Reduce el sangrado.
  • Aumenta las resistencias tempranas y posteriores.
  • Mejora la interfaz pasta agregado.
  • Reduce la permeabilidad.
  • Mejora la durabilidad.

Conocer estos efectos facilita la toma de decisiones sobre su uso en concretos masivos  o concretos con requerimientos especiales de resistencia y/o durabilidad.

Referencias:

  • ACI 207.2005 Guide to Mass Concrete. ACI Commettee 207 Report, ACI 207.1R-05. American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
  • ACI 301.2010 Specifications for Structural Concrete. ACI Commettee 301 Report, ACI 301M-10. American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
  • Black, L. 2016. Low clinker cement as a sustainable construction material. En: Khatib, J.M. ed. Sustainability of Construction Materials. Reino Unido: Woodhead Publishing, pp. 415-457.
  • BS EN206-1, 2000. Concrete – Part 1: Specification, performance, production and conformity, British Standards Institution, Londres.
  • Demone, P. 2010. Part 3 Concrete. En Demone, P. y Illton, J. Eds. Construction Materials Their Nature and Behaviour. Abingdon: Spon Press, pp.83-208.
  • Lewis, R., Sear, L., Wainwright, P. y Ryle, R. 2003. Cementitious additions. En: Newman, J. y Choo, B.S. eds. Advanced Concrete Technology. Vol 1. Burlington, MA.: Elsevier, pp.3/1-3/66.
  • Neville, A. M. 2011. Properties of concrete. 5th ed. Essex: Pearson Education Limited.
  • Ramezanianpour, A.A. 2014. Cement Replacement Materials. Springer, Berlin, Heidelberg.
  • Rashad, A. 2013. Metakaolin as cementitious material: History, scours, production and composition – A comprehensive overview. Construction and Building Materials. 41, pp.303-318.
  • RILEM Association. 2016. Ruben Snellings, Gustavo Colonnetti Medalist 2016. [Online]. [Acceso el 23 noviembre 2017]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=OSwma4cuz5E.
  • Snellings, R. 2016. Assessing, Understanding and Unlocking Supplementary Cementitious Materials. RILEM Technical Letter, 1, pp.50-55.

 

"Se denomina material cementante, aquel capaz por sí solo o en combinación con otros materiales, de formar productos de hidratación como hidratos de silicato de calcio (C-S-H), hidratos de aluminosilicatos (A-S-H) o también hidratos de aluminosilicatos de calcio (C-A-S-H)".  

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Conclusión

El uso del término suplementario, hace referencia a la función de suplementar o complementar que poseen estos materiales en relación al cemento ya que pueden potenciar las propiedades del mismo o en determinados casos, suplir algunas deficiencias de este para cumplir con las especificaciones de algún proyecto.

 

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