Comportamiento microestructural del mortero con nano sílice

La adición de nanosílice provoca cambios importantes en la microestructura final de la pasta de cemento hidratada. Las reacciones internas que se producen con la adición de nanosílice provocan una microestructura más densa, compacta y resistente. Esto es debido en gran medida a la reacción de carácter puzolánico, la cual se debe a la capacidad de la puzolana, en este caso nanosílice, de reaccionar con el hidróxido cálcico (activador), dando lugar a una nueva formación de compuestos estables, poco solubles en el agua y que poseen unas características cementantes, capaces de desarrollar resistencia por endurecimiento hidráulico [27]. Según H. L, H. Xiao, J. Yuan, J. Ou [1], los compuestos hidratados CSH son los principales responsables de las resistencias. Por el contrario, la portlandita debido a su tamaño excesivo de sus cristales apenas contribuye a la hora de aportar resistencias. En este sentido Qing et al [5], muestran como la nano sílice consume el CH (pico B en la figura 9) reduciendo el tamaño de los cristales y afectando a su forma con tan sólo un 3% de adición, como se aprecia al comparar las portlanditas grandes y hexagonales de la figura 10a con las pequeñas y amorfas de la figura 10b. Además, plantean que la nano sílice puede

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disminuir la orientación de los cristales de CH más efectivamente que la SF, todo ello a partir del cálculo de las relaciones entre las intensidades de los picos (001) y (101). [39].

Figura 9: Asimilación del hidróxido de calcio con NS y SF.

Fuente: Qing et al [5].

Figura 10: Microfotografía SEM del hidróxido de calcio a 28 días: (a) sin adición; (b) 3% de NS y (c) 3% de SF. Fuente: Qing et al [5].

Björnström et al (2004) [38], muestran que con la adición de la sílice coloidal se acelera la disolución de C3S (alita) y se incrementa la tasa de polimerización de C-S-H durante las

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primeras etapas de la hidratación (4–12 horas), lo que se traduce en un desarrollo más rápido de CH. Después de las 12 horas, el desarrollo de portlandita se equipara para el cemento con y sin adición. [39].

Por todo ello, se concluye que un descenso en los hidróxidos cálcicos (portlandita), sustituyéndolos por los compuestos hidratados CSH, derivan en una notable mejora microestructural [2].

Las principales ventajas de las reacciones puzolánicas producidas se detallan a continuación:

 Es una reacción lenta, al contrario que la reacción de hidratación del cemento. Por lo tanto la generación o liberación de calor y el desarrollo de las resistencias serán procesos más lentos y progresivos. 


 Es una reacción que consume hidróxido de calcio en vez de generarlo, lo que es importante para la durabilidad de las pastas hidratadas en ambientes ácidos. Por tanto se consigue mejorar la impermeabilidad y la resistencia mecánica. 


2.3.7.Morteros con adición conjunta de nano hierro y sílice. Experiencias previas.

En cuanto a la adición conjunta de nano hierro y nano sílice en un cemento buscando mejorar las propiedades mecánicas del mortero, Li et al [2] encontraron que la muestra con adición conjunta de ambas adiciones ("D" de la investigación) presentaba menor valor de resistencia que los morteros hechos con sólo NFe (muestra "B1"), pero que sí mejoraban la resistencia con respecto a los morteros adicionados únicamente con una cantidad análoga de nSi (muestra "C1").

En definitiva, el orden decreciente de resistencias a compresión fue: [NFe (13,5g/765cm3_)], [NFe(13,5g/765cm3_{) + NSi (9g/765cm}3_{)] y, finalmente [NSi (13,5g/765cm}3_)].

También llegaron a la conclusión de que para conseguir una mejora de resistencia a compresión (a 28 días) del 26% (con respecto a un mortero convencional de referencia) se necesitaban 13,5g/765cm3 _{de nano hierro, mientras que usando nano sílice eran necesarios} 45g/765cm3_.

Además, en el caso del NFe, a partir de 13,5g/765cm3 _{cuando se aumentaba el contenido de} éste bajaba la resistencia a compresión a 7 y 28 días mientras que en el nano sílice se aumentaban las resistencias al aumentar el contenido de adición. A continuación se muestra un resumen de los resultados obtenidos por los autores citados:

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Mixture

Nº W/b

Mix proportions (Kg/m3₎

Water

(ml) Cement (g) Sand (g) Nano SiO(g) 2 Nano Fe(g) 2O3 UNF (g) Silica fume (g)

A 0.5 225 450.0 1350 - - - - B1 0.5 225 436.5 1350 - 13.5 3.4 - B2 0.5 225 427.5 1350 - 22.5 6.5 - B3 0.5 225 405.0 1350 - 45.0 11.2 - C1 0.5 225 436.5 1350 13.5 - 6.8 - C2 0.5 225 427.5 1350 22.5 - 11.2 - C3 0.5 225 405.0 1350 45.0 - 22.5 - D 0.5 225 427.5 1350 9.0 13.5 7.9 - E1 0.5 225 427.5 1350 - 9.0 3.0 13.5 E2 0.5 225 405.0 1350 - 18.0 6.0 27.0 F 0.5 225 382.5 1350 - - 3.4 67.5

Tabla 12: Proporciones empleadas por Li et al [2]. Fuente: Elaboración propia a partir de Li et al [2].

Flexural strengths of specimens

Mixture Nº Flexural strength at the 7th day Flexural strength at the 28th day

Target (Mpa) Enhanced extent (%) Target (Mpa) Enhanced extent (%)

A 3.28 0.00 4.90 0.00 B1 - - 5.80 17.80 B2 4.30 30.00 6.00 23.00 C1 - - 5.80 19.20 C2 4.20 28.00 6.20 27.00 D - - 6 21.8

Tabla 13: Resistencias a flexotracción obtenidas por Li et al [2]. Fuente: Elaboración propia a partir de Li et al [2].

Compresive strengths of specimens

Mixture Nº Compresive strength at the 7th day Compresive strength at the 28th day

Target (Mpa) Enhanced extent (%) Target (Mpa) Enhanced extent (%)

A 17.6 0.0 28.9 0.0 B1 21.4 22.7 36.4 26.0 B2 20.6 16.7 33.1 14.5 B3 21.1 20.0 30.0 3.7 C1 18.6 5.7 32.9 13.8 C2 21.3 20.1 33.8 17.0 C3 21.3 20.1 36.4 26.0 D 22.4 27.0 35.4 22.0 E1 19.4 10.0 29.8 3.0 E2 23.2 32.0 34.3 18.6 F 18.9 7.4 31.8 10.0

Tabla 14: Resistencias a compresión obtenidas por Li et al [2]. Fuente: Elaboración propia a partir de Li et al [2].

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Las figuras 11-15 muestran la microestructura de las pastas de cemento con y sin nano SiO2 y Fe2O3. Se encontró que en la figura 11 (microestructura del cemento sin adiciones) el gel CSH existe en forma de “clusters” aislados, unidos a través de agujas hidratadas [2]. Al mismo tiempo, depósitos cristalinos de CaOH2 se encuentran distribuidos a lo largo de toda la pasta de cemento. Las figuras 12-14 muestran las microestructuras de las mezclas B1, C1 y D, las cuales presentan una resistencia superior. Se pueden apreciar diferencias con respecto a la microestructura de la pasta de cemento sin adiciones, tales como la mayor densidad y compacidad de los productos hidratados de estas últimas. No se presentan grandes cristales de portlandita. Pese a mostrar algunas diferencias en la microestructura las 3 presentan una estructura densa y compacta [2].

La microestructura de la muestra B3, mostrada en la figura 15, es diferente de las anteriores. No obstante, sí se parecía a la del mortero convencional (los diferentes productos hidratados coexisten en sus diferentes formas), de ahí su baja ganancia de resistencia tal y como se aprecia en la tabla 14 [2].

Figura 11 y 12: Izda.: SEM mezcla A. Drcha.: SEM mezcla D. Fuente: Li et al [2].

Figura 13, 14 y 15: Izda.: SEM mezcla B1. Centro: SEM mezcla C1. Drcha.: SEM mezcla B3. Fuente: Li et al [2].

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Los autores de este artículo explican las ganancias de resistencia generales como sigue [2]: Cuando una pequeña cantidad de nano partículas se encuentra uniformemente dispersa en la pasta de cemento, los productos hidratados del cemento se depositan en las nano partículas, debido a su alta energía superficial y crecen (mientras se hidratan) como conglomerados que contienen a la nano partícula como núcleo. Las nano partículas, situadas en la pasta de cemento como núcleos, favorecerán y acelerarán la hidratación del cemento debido a su alta actividad puzolánica (en el caso de la sílice) [2]. Como consecuencia de todo ello, si las nano partículas se encuentran bien distribuidas, la microestructura será compacta y resistente [2].

Al mismo tiempo, debido a la teoría del centroplasma de Wu, los áridos, arenas y otras partículas son considerados como esqueletos, siendo el gel CSH la sustancia transmisora. La fuerza de atracción entre centroplasma y sustancia transmisora tendría una importancia crucial en la resistencia del producto final [2]. En este contexto, las nano partículas actuarían como sub-centroplasmas, reforzando la zona de transición entre nano partícula y productos hidratados. Además, las nano partículas actuarían previniendo el crecimiento de cristales de portlandita y Afm, lo cual es favorable para la resistencia de la pasta. También hay que tener en cuenta el anteriormente comentado efecto filler, a través del cual, se rellenarían los poros incrementando la resistencia [2]. Como consecuencia de ello si las nano partículas no pueden ser dispersadas uniformemente en la pasta, se generarán huecos que pueden disminuir considerablemente la resistencia. Es por tanto vital realizar un correcto amasado. En el caso de la nano sílice y, según estos autores, este efecto es menor como ya se ha explicado previamente [2].

Se concluye por tanto el estudio expuesto demostrando la mejora prestacional que tienen estas nano adiciones y su posible aplicación a hormigones, que podría llegar a ser incluso más beneficiosa que en morteros, ya que el nano sílice desempeña un papel fundamental en la mejora de las resistencias de la zona de transición árido-pasta que como bien es sabido suele ser el eslabón más débil del mecanismo resistente en la mayoría de los mismos.

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