La microestructura de la pastas y el concreto es altamente compleja, pero es posible estudiarla, aunque aún no está desarrollada en cuanto a investigación se refiere en su totalidad, lo que se puede obtener de ella ha servido y sirve para comprender y correlacionar las propiedades macroestructurales del concreto, como resistencia, durabilidad, contracción y fisuramiento, entre otras con la microestructura del material.
Las definiciones y conceptos siguientes fueron tomados del capítulo 2 del libro “Concrete: Microstructure, properties and materials” de Mehta y Monteiro (Mehta and Monteiro 2006). El término microestructura es usado para la porción microscópicamente magnificada de una macroestructura. La aplicación de las técnicas de microscopía de transmisión y de barrido electrónico ha hecho posible resolver la microestructura de materiales a una fracción de 1 m.
El concreto tiene una microestructura altamente heterogénea y compleja; macroestructuralmente consta de dos fases, la fase correspondiente al material aglomerante (pasta, mortero) y la fase del agregado grueso. La fase del agregado es predominantemente responsable por la unidad de peso, módulo elástico y la estabilidad dimensional del concreto. Estas propiedades del concreto dependen grandemente de la densidad y la resistencia del agregado, las cuáles a su vez están determinadas por las características tanto físicas como químicas del agregado. Por otra parte la composición química y mineralógica en las fases sólidas del agregado es usualmente menos importante que las características físicas, tales como, volumen, tamaño y distribución de poros.
Además la porosidad, la forma y la textura del agregado grueso también afectan las propiedades del concreto.
Las pastas de cemento Portland hidratadas, presentan en su microestructura también una alta complejidad que ha sido motivo de estudio para mejorar las características del cemento portland y conocer la microestructura; así como identificar y cuantificar las fases presente y como modifican las propiedades de las pastas hidratadas (Escalante-García y Sharp 1998; Escalante-García y Sharp 1999; Scrivener, Füllmann et al. 2004; Svinning, Hoskuldsson et al. 2008). Las adiciones minerales en la fabricación de cementos compuestos; así como el uso de las mismas en la fabricación del concreto hace aun más compleja la microestructura de las pastas, y por lo tanto también son motivo de estudio y caracterización (Talero 1996, Escalante, Mendoza et al. 1999; Papadakis 1999; Dweck, Buchler et al. 2000;Papadakis 2000; Escalante- García y Sharp 2001; Iribarne, et al 2001; Escalante-García 2003; Vedalakshmi, Sundara Raj et al. 2003; Escalante-García y Sharp 2004; Fraire-Luna, Escalante-García et al. 2006; Gonen y Yazicioglu 2007; Skibsted y Hall 2008; Kadri y Duval 2009; Rahal y Talero 2009).
Las fases presentes en la microestructura de las pastas MCH y el concreto y de mayor importancia, debido al poder que tienen de modificar las propiedades de todo el material, sean benéficas o perjudiciales se presentan a continuación y fueron objeto de investigación en este trabajo.
Silicatos de Calcio Hidratado (CSH)
Los CSH forman el 50 al 60% del volumen de sólidos en una completamente hidratada pasta de cemento, y es por lo tanto, la fase más importante ya que determina las propiedades de la pasta. El hecho es que la composición del CSH no está aun bien definida. La morfología del CSH también varía en la formas desde una fibra pobremente cristalina hasta una red reticular. La estructura exacta del CSH no es conocida, muchos modelos han tratado de explicar las propiedades de este material (Mehta y Monteiro 2006). Pellenq et al. (Pellenq, Lequeux et al. 2008) sobre la base de la simulación molecular estudió estrategias para que los CSH pudiesen cambiar las propiedades de los materiales cementantes, cambiando su esquema nivel molecular.
Hidroxido de calcio (CH)
Representa un 20 a un 25% del volumen de sólidos presentes en la pasta hidratada, al contrario del CSH el CH tiene una estequiometria definida Ca(OH)2 y su morfología es un prisma hexagonal muy distintivo aunque es
afectada sobre todo por cuestiones de espacio disponible.
Sulfoaluminatos de calcio hidratados
Ocupan alrededor de un 15 a un 20% del volumen total de sólidos en las pastas hidratadas y juegan un rol menor en la relación microestructura propiedades de las pastas hidratadas. Durante las primeras etapas de hidratación los sulfoaluminatos están presentes en forma trisulfato hidratado, comúnmente llamado etringita (ܥܣܵഥܪଷ ଷଶ), el cual tiene forma de agujas; en pastas de cemento portland la etringita eventualmente se transforma en
monosulfatos hidratados (ܥସܣܵ̅ܪଵ଼), y su presencia en el concreto lo hace susceptible al ataque de sulfatos (Mehta y Monteiro 2006).
Granos de cemento sin hidratar
Dependiendo de la distribución de tamaño de la partícula del cemento sin hidratar y el grado de hidratación, se encuentran dentro de la microestructura partículas de cemento sin hidratar como una fase más de las pastas y del concreto mismo. Con el progreso de la hidratación las partículas más pequeñas se disuelven primero y desaparecen del sistema, entonces las partículas más grandes se reducen (Mehta y Monteiro 2006).
Dentro de la microestructura también se encuentran diferentes tipos de huecos en la pasta, tales como los espacios que existen entre las capas de CSH, los poros capilares y los huecos de aire originados por el aire atrapado en la mezcla. Lo anterior representa la necesidad de conocer la porosidad de la mezcla en estudio, ya sea pasta de MCH o Concreto.
Zona de Transición Interfacial (ZTI)
En la microesructura del concreto existe una zona, la cual es responsable de limitar las propiedades de resistencia del concreto, debido a que crea un camino interconectado entre los agregados y la pasta y otros agregados por lo tanto también disminuye su durabilidad, ver figura. Esta zona es llamada zona de transición interfacial (ZTI) y se presenta entre las pasta y los agregados, gruesos y finos, esta zona la consideran para su estudio a una distancia de aproximadamente 30 m (Diamond and Huang 2001).
Fig. 1-1 Esquematización de la microestructura del concreto: a) Convencional, b) Reciclado