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