Contribución al análisis y estudio del comportamiento reológico de pastas frescas de cementos portland con adiciones minerales activas, tipo puzolana, y no activas, tipo fíller

  1. PEDRAJAS NIETO MÁRQUEZ, CÉSAR
Dirigida por:
  1. Rafael Talero Morales Director/a
  2. Viviana Fátima Rahhal Director/a

Universidad de defensa: Universidad de Castilla-La Mancha

Fecha de defensa: 08 de febrero de 2016

Tribunal:
  1. José Luis Valverde Palomino Presidente/a
  2. Juan Monjó Carrió Secretario/a
  3. Carlos Picó Marín Vocal

Tipo: Tesis

Resumen

Mediante esta investigación objeto de Tesis Doctoral, se ha contribuido al análisis y estudio del comportamiento reológico de pastas frescas de cementos Portland con y sin adiciones minerales activas, tipo puzolanas naturales y artificiales, y adiciones minerales cristalinas o no–activas o mal llamadas inertes, tipo filler silíceo y calizo, residiendo la novedad de la misma:  en primer lugar, en la composición mineralógica potencial y química especialmente, de los cementos Portland, y  en segundo lugar, en el carácter químico y en la forma y tamaño medio de partícula, de la adición mineral activa tipo puzolana que acompaña a cada cemento Portland en cada una de sus pastas pasta frescas, e independientemente, por tanto, de que su origen sea natural o artificial. Puesto que en realidad, la actividad puzolánica generada y desarrollada por ella a edades tan tempranas, en el supuesto de que sea muy activa, es la que le provoca al cemento Portland con el que se haya mezclado, la estimulación de su hidratación por vía directa y no-directa, pero sobre todo, por vía indirecta. Por el contrario, si ésta no es tan activa, le estimula su hidratación a estas edades tan tempranas por las dos primeras vías nada más, pero jugando siempre por dicho motivo y en cualquier caso la puzolana, un papel determinante en la fluidez de su pasta de cemento en estado fresco, y por extensión, en la de sus productos derivados, hormigones, micro-hormigones, gunitas y morteros. Por este motivo, esta investigación, objeto de Tesis Doctoral, se encuentra tan relacionada con el comportamiento de las pastas de cementos y de sus productos derivados mencionados en estado fresco, tanto comunes como de alta resistencia y/o auto-compactantes, cuya importancia, últimamente ha cobrado un inusitado interés por los innumerables problemas que generan algunas puzolanas, de falta de fluidez, trabajabilidad y capacidad de bombeo y/o proyección en su caso, vertido, colocación, puesta en obra y vibrado en el caso de que todos ellos sean convencionales, y si no lo son porque son auto-compactantes, con mucha más razón todavía si cabe. En este sentido, la reducción progresiva del tamaño máximo del árido grueso de los hormigones convencionales para hacerlos auto-compactantes por mor del aumento de la cuantía de las armaduras de acero de las estructuras para hacerlas así más durables frente a al cabonatación negativa, según Talero, ha provocado que estos nuevos hormigones auto-compactantes sean sistemas cada vez más complejos por el considerable menor tamaño de las partículas que lo conforman, y por la multitud de fases sólidas y líquidas que los constituyen, motivo por el cual las interacciones químico-físicas que se generan pueden llegar a traducirse en efectos considerables diversos no deseados sobre la propiedad macroscópica fundamental del material en estado fresco como es su adecuada fluidez para ser auto-compactantes, la cual es determinante para que puedan serlo sin mayor dificultad, lo que nos está resultando nada fácil. En la actualidad, la comunidad científica especialista en esta materia, se encuentra investigando en torno a la problemática anteriormente expuesta, si bien, la mayoría de los investigadores se limitan a determinar: • si son eminentemente técnicos, factores físicos, tales como por ejemplo: disminuir el tamaño máximo del árido grueso sin dejar de tener por ello una perfecta distribución granulométrica, reemplazar el árido grueso convencional por filler, disminuir el tamaño medio de partícula del cemento Portland que se vaya a utilizar incorporándole para ello y dentro de lo reglamentado, adiciones minerales tipo puzolana, y/o adiciones minerales tipo filler, conseguir la relación agua/cemento deseada mediante aditivos super-fludificantes o sólo fludificantes convencionales, etc, y • si son eminentemente científicos, las condiciones de medida: tipo de reómetro utilizado para realizar los ensayos, ciclo reológico aplicado, procedimiento experimental, condiciones de humedad, temperatura y presión, etc, no habiendo tenido para nada en consideración ninguno de ellos, los factores eminentemente químicos que caracterizan a los cementos Portland, ni a las puzolanas naturales ni artificiales, en este caso, y tanto si son muy activas como si no lo son tanto, ni a los filler silíceos y calizos especialmente, etc., que han utilizado o que piensan utilizar, habiendo sido, por tanto, dicha falta de consideración la que ha motivado la realización por este doctorando, de esta investigación objeto de Tesis Doctoral, la cual ha sido la primera de todas que se centra en la hipótesis de trabajo de la influencia del comportamiento de las pastas frescas de cemento en estado fresco, y por consiguiente, de sus morteros y hormigones preparados, en la composición mineralógica potencial y química especialmente de los cementos Portland, en primer lugar, y, en segundo lugar, en el carácter químico, morfología, tamaño medio de partícula y cantidad reglamentada de la adición mineral activa tipo puzolana y/o no-activa tipo fíller, con la que se mezcle el cemento Portland Por todo ello y para demostrar esta influencia que ejercen las adiciones minerales activas, tipo puzolanas naturales y artificiales, y no activas, tipo filler, silíceo y calizo, se han utilizado en esta investigación:  DOS cementos Portland industriales: uno, de elevada resistencia al ataque de los iones sulfato, y otro, de baja o nula resistencia a dicho ataque químico agresivo. Se escogieron sólo dos, por ser suficientes y necesarios para tratar de alcanzar los objetivos de esta investigación, pero de modo y manera tal que, su correspondiente contenido de C3A estuviera comprendido dentro del entorno de variabilidad del 0 % al 15 %, en el que suelen estar comprendidos todos los cementos Portland.  NUEVE adiciones minerales puzolánicas, de muy distinto carácter químico, comprendidos todos ellos entre el eminentemente silícico propio de las diatomeas y el humo de sílice, y el alumínico de los matacaolines. En definitiva, se seleccionaron las mismas adiciones puzolánicas naturales y artificiales que las seleccionadas y utilizadas con el fundamento y justificación debidos, por Talero (1986), en primer lugar, por Mejía (1997), en segundo lugar, y por Rahhal (2002) en tercer lugar.  DOS adiciones minerales cristalinas, molidas a la finura de molido del cemento Portland, una silícea, de origen arena normalizada tipo ASTM C 778, y otra calcárea, roca caliza que se utiliza habitualmente en la fabricación de hormigones y morteros de cemento. Las adiciones minerales puzolánicas naturales y artificiales se comportan, en realidad, como ácidos de Lewis al tener como componentes mayoritarios SiO2 y Al2O3 y además parte de ellos, mayor o menor, en forma reactiva, SiO2r– y Al2O3r–, los cuales son los “factores hidráulicos” de la puzolana, por lo que en función de sus respectivos contenidos, su acidez será variable de una puzolana a otra, y por consiguiente, su carácter químico será distinto. En cambio y por su parte, los fillers, aunque se comportan también como ácidos, el fíller silíceo, y como bases, el fíller calizo de Lewis, su acción en el comienzo de la hidratación del cemento Portland con el que se mezclen es tan solo de tipo físico a estas edades tan tempranas de sus pastas en estado fresco, siendo además y en cualquier caso su acidez (en comparación con la de cualquier puzolana natural o artificiales no muy activa), y basicidad referidas, extremadamente pequeñas, y su magnitud función de sus propiedades físicas, morfología, tamaño medio y textura íntima, compacta o granuda, de sus partículas. Así y con todas estas premisas, se analizó y estudió la influencia de las adiciones minerales activas, tipo puzolana, y no activas, tipo filler, en la viscosidad de su correspondiente pasta fresca mezclada con cemento Portland, durante el dicho período de «latencia» de la hidratación del cemento que la constituía. Punto éste en el que se asegura la minimización de los efectos derivados de la hidratación continua de las pastas y que es propio y particular de cada cemento Portland con y sin adiciones minerales activas, tipo puzolanas naturales y artificiales en esta investigación, y cristalinas tipo filler o no activas o mal llamadas “inertes”. Mediante la selección de este punto como comienzo o inicio de los ensayos de reología, no se pudo asegurar que todas las pastas frescas tuvieran el mismo grado de hidratación en el momento de depositarlas en el reómetro para realizarles dicho ensayo, aunque no obstante, lo que sí se consiguió fue partir de un estado cinético común para todas ellas, en el que las diferencias propias en la hidratación de las pastas frescas debida a la acción de las adiciones minerales puzolánicas o cristalinas presentes fueran mucho más identificables. En este sentido, el ciclo reológico propuesto y adoptado fue aquel que por medio de las etapas de aceleración-desaceleración diseñadas, se consiguió maximizar el ciclo de histéresis propio del comportamiento tixotrópico de las pastas frescas de cemento y los tipos de respuesta de las pastas frescas de cementos Portland de muy diferente composición mineralógica potencial y química especialmente. Dicho esquema fue diseñado empleando para ello el método Doherty-Hurd, que está basado en la destrucción <> reconstrucción de la estructura interna del material, para lo que se aplicaron distintos valores de velocidad de cizalla entre un máximo y un mínimo establecidos, asumiendo que en el primero, su estructura interna está próxima a la destrucción, mientras que en el segundo, no se recupera totalmente. Asimismo, en esta investigación se consideró necesario e imprescindible determinar también el equilibrio electroestático de todas y cada una de las pastas frescas de cemento programadas, preparadas, amasadas y estudiadas, midiéndoles para ello, además, el potencial Z, la alcalinidad, en forma de pH, [CaO] y [OH–] de la fase líquida de cada una de dichas pastas frescas, en el momento correspondiente al primer mínimo de su curva correspondiente de velocidad de liberación de calor de hidratación y con el mismo proceso de preparación, acondicionamiento y relación agua/cemento que en el ensayo de reometría rotacional. Por último y mediante las técnicas analíticas instrumentales de difracción de rayos X (DRX) y calorimetría de barrido diferencial (DSC), se identificaron todos los productos de hidratación generados en cada una de las pastas frescas anteriores, en el momento correspondiente también al primer mínimo de su curva correspondiente de velocidad de liberación de calor de hidratación, las cuales habían sido amasadas con el mismo proceso de preparación, acondicionamiento y relación agua/cemento que en el ensayo de reometría rotacional. Y en este medio, pasta fresca de cemento, y a estas edades tan tempranas, la base que encuentran dichos “factores hidráulicos” de la puzolana, es la portlandita, Ca(OH)2, presente en la fase líquida de su pasta fresca, fruto de la hidratación de las fases mineralógicas del CP con el que se haya mezclado, y fundamentalmente de la hidratación de su correspondientes contenidos de C3A(%) y de C3S(%). Y en estas circunstancias, la reacción química de los referidos “factores hidráulicos” de la puzolana con la portlandita conlleva su disminución de la fase líquida de su pasta fresca, por lo que su basicidad podrá disminuir considerablemente si es muy activa y a pesar de ser las edades tan tempranas, lo que se traduce inexorablemente en un cambio de su viscosidad. Además y merced a la acción puzolánica generada y desarrollada por cada puzolana seleccionada, ha quedado demostrado también, que la hidratación del cemento Portland con el que se haya mezclado se verá afectada, por el efecto estimulador que le provoca la puzolana y que será distinto dependiendo de su carácter químico, morfología, tamaño medio y textura íntima de cada una y de la composición mineralógica potencial del propio CP con el que se mezcló. Además, dicho efecto estimulador podrá ser no sólo por vía directa y no-directa, sino, sobre todo, por vía indirecta si su actividad puzolánica es muy elevada, temprana y rápida porque su carácter químico (más alumínico que silícico, según Talero y su cantidad de reemplazo ha sido la necesaria necesaria y suficiente para ello. Aunque no obstante y en cualquier caso, este medio –pasta parcialmente hidratada de CP con puzolana, en el que pueden llegar a confluir todos estos mecanismos más o menos simultáneos de estimulación de la hidratación de dicho CP– verá afectada también su viscosidad en su estado fresco, e incluso el período de tiempo en el que la pasta comienza a dejar de estar en estado fluido para pasar a estado endurecido, ya sea acortando, o alargando los correspondientes tiempos de fraguado de dicho CP. En cambio, en el caso concreto del inicio de la hidratación del cemento Portland con adiciones minerales cristalinas, se ha podido demostrar que la disminución a primeras edades, de la cantidad de portlandita, Ca(OH)2, presente en la fase líquida de su correspondientes pastas frescas, es por causa del efecto de dilución física debido a su reemplazo por CP, por lo que su basicidad disminuye, e incluso, significativamente, traduciéndose también por ello, en un cambio de su viscosidad. Asimismo, se ha demostrado que por la acción efectuada por cada fíller la hidratación del cemento Portland con el que se mezcle se verá afectada por el efecto estimulador por vía directa y no-directa provocado por la misma, el cual será mayor o menor dependiendo naturaleza, forma, tamaño, textura íntima (compacta o granuda) y porosidad y distribución granulométrica de sus partículas, así como también, de la composición mineralógica potencial, ergo, de la composición química especialmente del propio CP. Y por todo ello, este medio, pasta de cemento Portland con y sin las adiciones minerales seleccionadas, se ve afectado por varios mecanismos de acción simultáneos, lo que inexorablemente le afecta a su viscosidad en su estado fresco, e incluso, al período de tiempo en el que la pasta se encuentre en estado fluido, ya sea acortando o retrasando sus correspondientes tiempos de fraguado. Finalmente se ha logrado también, mediante la técnica de reometría rotacional utilizada, aplicada a pastas frescas de cemento Portland con porcentajes variables de una puzolana natural o artificial dada, determinarle y diferenciarle, con mayor o menor precisión y en un espacio de tiempo breve, el carácter químico a dicha puzolana, lo que permite deducir proporcionalmente y sin más, su más que probable comportamiento frente el ataque de un medio agresivo o no determinado del hormigón, mortero o pasta del que forme parte.