Adiciones Minerales - Ana Torre
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USO DE ADICIONES MINERALES PARA MEJORAR
LA DURABILIDAD DEL CONCRETO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
Ing. Ana Torre C.
Trujillo, 28 de Junio del 2007Universidad Nacional de Trujillo
CONTENIDO
• Introducción
• Durabilidad del Concreto
• Situación actual
• Adiciones minerales
• Investigaciones realizadas
Durante el siglo XX, se ha registrado un gran crecimiento de la industria del cemento Pórtland, ya que el concreto ha llegado a ser el material dominante en la construcción.
Durabilidad del Concreto
La aptitud de una estructura de desempeñar su función prevista (mantener la resistencia requerida y su funcionalidad o “serviciabilidad“) durante la vida útil especificada o tradicionalmente esperable, en sus condiciones específicas de exposición ambiental.
En los años treinta, generalmente se creía que las estructuras de concreto típicamente diseñadas para una vida útil de 40 a 50 años, realmente durarían más tiempo con poco ó ningún mantenimiento.
Hasta los años setenta, cualquier caso de deterioro prematuro se trato como una excepción causada por una espeficacion inadecuada, o por el uso de materiales impropios.
Situación actual :
• Se han registrado numerosos casos, en todo el mundo, de estructuras que alcanzaron el fin de su vida útil mucho antes de lo esperado o proyectado.
Fuente: Ing. R. Torrent – Holcim Group
Situación actual :
• El mantenimiento ó reparación de esas estructuras ha alcanzado tal magnitud que ha atraído la atención de las autoridades y de los medios, afectando la imagen del concreto armado como material durable.
Situación actual :
• Por otro lado, hay muchas más estructuras que muestran un desempeño satisfactorio después de 50, 60 o incluso 100 años de servicio en ambientes agresivos.
Problemas principales de Durabilidad :
• Corrosión de las armaduras de acero.• Daño por congelación en climas fríos.• Acciones físico-químicas en ambientes
agresivos.
P.K. Mehta (1991)
Fases típicas de los problemas de Durabilidad :
Fuente: Ing. R. Torrent – Holcim Group
Concepto de Vida Útil :
Fuente: Ing. R. Torrent – Holcim Group
Corrosión inducida por cloruros :
• La capa pasiva de oxido es destruida por acción de los cloruros.
• Fuentes de cloruro.
Condiciones necesarias :
Proceso de Corrosión :
Proceso de Corrosión :
Prueba de Fenoltaleina
Posibilidades Presentes y Futuras :
• Concretos de Alto Desempeño• Concretos Autocompactantes• Sistemas de Protección Catódica• Aditivos inhibidores de corrosión• Materiales puzolanicos y adiciones
minerales
ADITIVOS QUIMICOS Y ADICIONES MINERALES
• Un aditivo es definido por la norma ASTM C-125 como “un material que no siendo agua, agregados, cemento hidráulico, o fibra de refuerzo” reacciona químicamente con el agua para modificar las propiedades de los concretos o morteros; y se agrega por razones de economía de producción.
ADITIVOS QUIMICOS Y ADICIONES MINERALES
• A diferencia de los aditivos, que permiten obtener las propiedades deseadas, las “adiciones” son productos de origen mineral no metálicos, finamente divididas.
ADICIONES MINERALES
• La incorporación de las adiciones minerales a la mezcla tiene por finalidad reaccionar químicamente con el hidróxido de calcio resultante de la hidratación del cemento, para formar tobermorita adicional, disminuyendo o eliminando los poros capilares e incrementando las resistencias mecánicas de la pasta y la durabilidad del concreto.
Hidratación del Cemento Pórtland
Ca + + H2O C-S-H + Ca(OH)2
SiAlFe
Componentes del
Cemento Pórtland
AguaSilicato de calcio
hidratado
Hidróxido
de calcio
Reacción puzolanica de las adiciones minerales
Ca + + ceniza + H2O C-S-H SiAlFe
SiAlFe
Ca(OH)2 + Ca +
Componentes del
Cemento Pórtland
Hidróxido
de calcio
subproducto
no durable
Componentes de la adición
mineral
Silicato de calcio
Hidratado componente no durable
ADICIONES MINERALES
• El empleo de adiciones minerales en los aglomerantes hidráulicos es de antigua data. Los romanos las utilizaron perennizando sus estructuras en base a morteros de cal y puzolana.
ADICIONES MINERALES
• En la década del cincuenta tuvieron importante desarrollo, en Europa incorporándose al cemento Pórtland, incrementándose rápidamente la capacidad instalada frente a los requerimientos de la reconstrucción de la post-guerra.
Bajo calor de hidrataciòn
Concretos de altas resistencias
Alta resistencia al ataque quimico (agua
de mar, cloruros, sulfatos etc.)
Control de la reactividadAlcali-silice
Mejora el bombeo
EFECTOS DE LAS ADICIONES MINERALES EN EL CONCRETO
Performance de las
Adiciones Minerales
Bajas resistencias iniciales
Mejora las propiedades al estado
fresco
Estructura densa, baja permeabilidad
Fuente: Stefan Dietz - Holcim
Clasificación de las Adiciones Minerales
Diagrama ternario:
ADICIONES MINERALES
CLASIFICACIÓN:
1 Puzolanas
Naturales:
- Cenizas volcánicas
- Tufos o tobas volcánicas (zeolitas)
- Tierras de diatomeas (diatomitas)
Artificiales:
- Cenizas volantes
- Arcillas activadas térmicamente
- Microsílice (silica fume)
- Cenizas de cáscara de arroz
2 Escoria de Alto Horno
3 Filler
Material silíceo o sílico-aluminoso, que por si mismo puede tener poca o ninguna actividad hidráulica pero que, finamente dividido y en presencia de agua, reacciona químicamente con el hidróxido de calcio para formar compuestos que poseen propiedades hidráulicas.
PUZOLANA
• Puzolanas Naturales• Cenizas volcánicas• Tufos o tobas volcánicas (zeolitas)• Tierras de diatomeas (diatomitas)
PUZOLANAS NATURALES :
• Cenizas volantes (fly ash):Subproducto de centrales termoeléctricas que utilizan carbón pulverizado como combustible.Polvo fino constituido esencialmente de partículas esféricas.
• La Norma ASTM C 618 define dos clases de cenizas volantes:Clase F: Producidas por la calcinación de carbón antracítico o
bituminoso. Cenizas que poseen propiedades puzolánicas.Clase C: Producidas por la calcinación de carbón sub-bituminoso
lignito. Esta clase de cenizas, además de tener propiedades puzolánicas, también tienen propiedades cementicias.
Puzolanas Artificiales :
• Arcillas activadas térmicamente:Las arcillas naturales no presentan actividad puzolánica a menos que su estructura cristalina sea destruida mediante un tratamiento térmico a temperaturas del orden de 600 a 900 °C.
• Microsílice (silica fume):Subproducto de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón en hornos de arco eléctrico para la producción de silicio o aleaciones de ferrosilicio. El material que es extremadamente fino es colectado por filtración de los gases de escape del horno, en filtros de mangas.
ADICIONES MINERALES
Requisitos Físicos – ASTM C-618
Requisitos Clase de Adición Mineral N F C
Fineza:Cantidad retenida en el tamizado vía húmeda en la malla de 45 m (N° 325), máx., %A
Indice de actividad resistente:B
Con cemento portland, a 7 días, mín., %Con cemento portland, a 28 días, mín., %
Demanda de agua, máx., % del control
Estabilidad:D
Expansión, contracción en autoclave, máx,%
Requisitos de uniformidad:Densidad, máxima variación del promedio,%Porcentaje retenido en 45 m (N° 325), variación máx., puntos de % del promedio
34 34 34
75 75 7575 75 75
115 105 105
0,8 0,8 0,8
5 5 5 5 5 5
Requisitos Químicos, ASTM C-618
Clase de N
Adición F
Mineral C
Composición Química
Dióxido de silicio + óxido de aluminio + óxido de fierro, mín, %Trióxido de azufre (SO3), máx., %Contenido de humedad, máx., %Pérdida por calcinación, máx., %
70,0
4,0
3,0
10,0
70,0
5,0
3,0
6,0A
50,0
5,0
3,0
6,0
A Se puede emplear puzolana de Clase F con contenidos de hasta 12 % de pérdida por calcinación si cuenta con registros de performance o resultados de ensayos de laboratorio aceptables.
Investigación del Uso de la Ceniza Volante, como adición mineral en
el Concreto
Morfologia de las cenizas volantes
CARACTERISTICAS FISICAS
CARACTERISTICAS FISICAS
Granulometría de la Ceniza Volante
Efecto “Ball bearing”
•Incrementa la trabajabilidad•Mejora el bombeo
Dartsch, LutzeBetonwerk + Fertigteil-Technik, 58 (1992)
Ceniza Volante
Cemento
CARACTERISTICAS FISICAS
BENEFICIOS DE LA ADICION DE
CENIZA VOLANTE EN EL CONCRETO
• Reducción de la exudación
Reducción Reducción de aguade agua
de de exudaciónexudación
Source: Berry & Malhotra “Critical Review”
Ex
ud
ac
ion
%E
xu
da
cio
n %
Tiempo, MinutosTiempo, Minutos
77
66
55
44
33
22
11
00
20 40 60 80 100 12020 40 60 80 100 120
ConvencionalConvencional
Fly AshFly Ash
• Mejora en la trabajabilidad
• Concreto con Ceniza Volante
• Concreto sin Ceniza Volante
• Efecto de la ceniza volante
en el bombeo
• Desarrollo de Resistencias a la compresión
• Concreto Patrón Vs.
Concreto 10% Fly Ash + Cemento Tipo I Sol
0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Edad / dias
Res
iste
ncia
kg
/cm
2
Concreto 10% Fly Ash + Cemento Tipo I Sol
Concreto, Cemento Tipo I Sol
• Desarrollo de Resistencias a la compresión
FUENTE : ACI 232
Expansion de mortero debido al ataque de sulfatos
Ref: Robert Torrent Holcim Group Suiza
• Incremento en la durabilidad del concreto
• Cemento• Ceniza Volante• Microsilica
ASTM C1012 – Expansión en barras de mortero por ataque de sulfatos2 ½ meses en solución de acido sulfurico pH 2.5
•Cemento
Foto Fly Ash - Stefan Dietz, HGRS-CPD - Holcim
• Se logra un mejor acabado superficial
• El empleo de adiciones requiere obligatoriamente que estas tengan actividad puzolanica, y que el concreto tenga hidróxido de calcio libre para reaccionar con la adición en presencia de agua y formar el silicato de calcio hidratado (tobermorita).
• Las resistencias en compresión sobre los 700 Kg./cm2 requieren el uso de una adición y de un superplastificante a fin de poder trabajar con relaciones agua/cemento del orden de 0.40 o menores.
CONCLUSIONES
• Los diferentes tipos de adiciones, aditivos, los cambios y combinaciones de ellos afectan las propiedades del concreto en general y de los de alta resistencia en particular, su empleo debe estar condicionado a las propiedades que se desea modificar.
• En todos los casos el ingeniero responsable, debe tener presentes las diferencias entre los aditivos (productos químicos que en contacto con el cemento dan lugar a reacciones que modifican una o mas de las propiedades del concreto) y las adiciones (productos de origen mineral muy finos que por tener actividad puzolanica reaccionan con el hidróxido de calcio).
CONCLUSIONES
• Investigaciones realizadas a nivel mundial demuestran que el empleo de adiciones minerales en el concreto, contribuyen en la durabilidad del concreto, mejorando su desempeño contra agentes agresivos físicos o químicos.
• La Durabilidad de las estructuras de concreto, es un tema que debe preocupar a toda la industria de la construcción :
CONCLUSIONES