CAPITULO 8. HORMIGONES DE LIGA MAGNESIA-FOSFATO
8.2 Caracterización textural
8.2.1 Porosidad y densidad
En la Tabla 8.2 se presentan los valores de porosidad aparente y peso específico aparente (por el método de inmersión en agua) y volumen acumulado de poros (por porosimetría de intrusión de mercurio) de los materiales estudiados, luego de ser sometidos 2 hs a 1350 ºC.
Tabla 8.2: Porosidad aparente, peso específico aparente y volumen acumulado de poros de los hormigones C-P-F, C-P-Al y C-P-Am (con liga magnesia-fosfato)
y del colable C-Pc-H (con liga cerámica) calcinados a 1350 ºC.
C-P-F C-P-Al C-P-Am C-Pc-H
Porosidad aparente (%) 29,4 29,4 29,7 32,4
Peso específico aparente (g cm-3) 1,74 1,77 1,69 1,81
Volumen acumulado de poros
entre 1800 y 50000 nm (mm3 g-1) 42,2 82,1 132,3 167,0 Volumen acumulado de poros
entre 3,6 y 6500 nm (mm3 g-1) 52,2 81,9 97,8 189,1
Las porosidades aparentes de los hormigones estudiados fueron similares a las de varios materiales cordieríticos comerciales preparados por métodos convencionales (E.F.Aglietti et al., 1998). El menor valor de la porosidad de los hormigones fosfáticos (29%) con respecto al colable C-Pc-H (32%) fue causado por la fase vítrea que cierra parcialmente los poros. El peso específico aparente de estos materiales fue alrededor de 1,7 g/cm3, lo que les otorga características de livianos. Las densidades calculadas
directamente a partir de la masa y dimensiones de las probetas calcinadas a 1350 ºC también dieron valores muy cercanos a 1,7 g cm-3. Los volúmenes acumulados de poros de la tabla muestran menores valores para el hormigón C-P-F, luego siguen el C-P-Al y el C-P-Am y por último, el colable C-Pc-H. Esta tendencia no fue reflejada en los valores de porosidad aparente.
El método de porosimetría por intrusión de mercurio ha sido exitosamente utilizado en el estudio de la porosidad y estructura de poros de materiales cementíceos, tales como pastas de cemento hidratadas y morteros. Este ensayo también puede ser aplicado a hormigones pero debe tenerse en cuenta que los resultados son afectados por el método de muestreo, el acondicionamiento de la muestra, la masa y dimensiones de la muestra usada, la velocidad de aplicación de la presión, la forma de los poros asumida, los valores de ángulo de contacto y tensión superficial del mercurio asumidos, etc. Al analizar los resultados del estudio de porosimetría por intrusión de mercurio de los hormigones también es necesario considerar la variabilidad que se produce entre una muestra y otra a causa de su heterogeneidad intrínseca. La forma de la muestra también es importante (polvo, espécimen moldeado, un solo trozo, varios trozos de mortero extraídos del hormigón madre o varios trozos incluyendo los áridos). Puesto que el tamaño de la muestra es restringido por las dimensiones de la celda de carga del equipo, numerosas muestras deben ser ensayadas para lograr confiabilidad (Md.A.I.Laskar et al., 1997). En este estudio se emplearon dos porosímetros de intrusión de mercurio para cubrir el rango de radios de poro entre 3,6 nm y 50000 nm (meso y macroporos). La IUPAC clasifica los poros según su tamaño en: a) microporos a los menores de 2 nm,
b) mesoporos entre 2 y 50 nm y c) macroporos a los mayores de 50 nm. Para cada porosímetro, un solo ensayo (empleando un trozo de hormigón de alrededor de 0,5 g) fue realizado para cada tipo de material estudiado. De este modo, sólo pueden mencionarse tendencias orientativas y relaciones cualitativas en la distribución de poros y su volumen, es decir, comparar las formas de las curvas de distribución sin demasiada consideración del volumen ocupado.
Las Figuras 8.9 a) y b) muestran la distribución de tamaño de poros abiertos entre 1800-50000 nm y entre 3,6-6500 nm, respectivamente, para los materiales estudiados, previamente calcinados a 1350 ºC. Las figuras tienen una zona de solapamiento entre 1800 nm y 6500 nm, la cual fue registrada por los dos equipos.
Para el hormigón C-P-F, a pesar de no haberse registrado el inicio de la curva para presiones muy bajas, se pudo observar la presencia de poros grandes, de radio superior a 20000 nm (Figura a). La constancia de la curva entre 1800 nm y 20000 nm reveló prácticamente la ausencia de poros comprendidos entre estos tamaños. La cantidad de poros de radio inferior a 1800 nm aumentó moderadamente hasta alcanzar la presión externa máxima de penetración del mercurio permitida por el equipo, correspondiente a un radio de poro de 3,6 nm (Figura b). Este hormigón es el material que presentó menor volumen acumulado de poros (Tabla 8.2) probablemente debido a lamayor proporción de fase vítrea que cerró parcialmente los poros.
El hormigón C-P-Al tenía muchos macroporos de radios comprendidos entre 20000 nm y 40000 nm y algunos pocos entre 1800 nm y 20000 nm (Figura a). El hormigón C-P-Al tenía prácticamente la misma cantidad de poros con radios entre 25 nm y 1000 nm que el hormigón C-P-F, pero el C-P-Al tenía una cantidad considerablemente mayor de mesoporos con radios comprendidos entre 3,6 nm y 25 nm (Figura b).
El hormigón C-P-Am presentó mayor proporción de macroporos que C-P-Al y C-P-F, con radios de poros mayores a 20000 nm. La distribución de poros indicó la presencia de una considerable cantidad de poros de todos los tamaños entre 3,6 nm y 20000 nm de radio.
Los poros del colable C-Pc-H fueron de radio inferior a 30000 nm. La cantidad de poros grandes entre 10000 nm y 30000 nm fue pequeña y considerablemente menor que la de los hormigones fosfáticos. Se observó también una gran cantidad de poros entre 1000 nm y 10000 nm (Figura a) y ausencia de los mismos entre 25 nm y 1000 nm de radio (Figura b). El notable aumento en el volumen de mercurio introducido en radios de poro inferiores a 25 nm indicó una importante cantidad de mesoporos.
Entonces podría concluirse que los hormigones con liga magnesia-fosfato tenían prácticamente la misma estructura de poros, es decir, macroporos mayores a 20000 nm (muchos de ellos cerrados por la fase vítrea) y una distribución similar entre 3,6 y 2000 nm. Las diferencias aparentes en el volumen de mercurio introducido pueden haberse producido durante el moldeo o por pequeñas fisuras de la muestra ensayada. En cambio, el colable C-Pc-H tenía una estructura de poros más abierta, comprendida principalmente por macroporos entre 1000 y 10000 nm y gran proporción de poros pequeños e interconectados entre 3,6 y 25 nm. Las fotografías de la siguiente sección ponen en evidencia estas características.
Fig.8.9: Curvas volumen de poro versus radio de poro para los hormigones C-P-F, C-P-Al y C-P-Am y el colable C-Pc-H: a) entre1800 y 50000 nm
y b) entre 3,6 y 6500 nm. 1 10 100 1000 10000 0 50 100 150 2000.001 0.01 0.1 1 10
b)
Radio de poro (µm) Vo lu me n d e po ro ( m m 3 g -1 ) Radio de poro (nm) C-P-F C-P-Al C-P-Am C-Pc-H 1000 10000 100000 0 50 100 150 200 1 10 100a)
Radio de poro (µm) V ol um en de po ro (m m 3 g -1 ) Radio de poro (nm) C-P-F C-P-Al C-P-Am C-Pc-H8.2.2 Morfología
La morfología de los materiales estudiados fue observada sobre la superficie de fractura de las probetas sometidas al ensayo de flexión estable (previamente calcinadas a 1350 ºC y entalladas). La Figura 8.10 compara el aspecto general de dichos materiales.
C-P-F C-P-Al C-P-Am C-Pc-H Figura 8.10: Vista de las superficies de fractura de los hormigones de liga
magnesia-fosfato y del colable convencional.
Para este nivel de observación la principal diferencia fue la coloración. Los hormigones de liga magnesia-fosfato C-P-F, C-P-Al y C-P-Am presentaron tonos ocres mientras el colable C-Pc-H mostró tonalidades blanquecinas. Ya que el árido empleado era el mismo, la diferencia de color se debió al tipo de precursor empleado. Recuérdese que el precursor P de los hormigones de liga magnesia-fosfato estaba constituido por alúmina, magnesia y microsílice mientras que el precursor Pc del castable de referencia estaba constituido por alúmina, arcilla y talco. Además, en las muestras con fosfato, éste reacciona con el poco hierro de los áridos (1,52% Fe2O3, ver Tabla 3.2) durante el
fraguado y posterior calcinación, extendiendo el color rojizo a toda la masa cuando dichos compuestos descomponen.
Las fotografías de la Figura 8.11 muestran con más detalle la superficie de fractura de cada uno de los materiales estudiados.
a)
C-P-F
b)
c)
C-P-Am
d)
C-Pc-H
Figura 8.11: Superficies de fractura de: a) Hormigón C-P-F, b) Hormigón C-P-Al, c) Hormigón C-P-Am y d) Colable C-Pc-H.
En la parte inferior de las probetas se observa la entalla realizada. Como puede apreciarse, los áridos de cordierita-mullita (de color amarillo-anaranjado en las fotografías) se encuentran embebidos en una matriz que presenta un aspecto más vitrificado para los hormigones de liga magnesia-fosfato. Numerosas fisuras y poros de gran tamaño son observados para los diferentes materiales.
Las microfotografías de las Figuras 8.12, 8.13, 8.14 y 8.15, obtenidas en un microscopio óptico con 40 aumentos, muestran la microestructura de los hormigones de liga magnesia-fosfato y del colable convencional.
Las microfotografías de los hormigones C-P-F, C-P-Al y C-P-Am (Figuras 8.12, 8.13 y 8.14) muestran una microestructura muy porosa, con una matriz altamente vitrificada. La intensidad de la reacción ácido-base entre la magnesia y los fosfatos en solución produce un desarrollo de calor muy rápido, con formación de vapores que al desprenderse originan una estructura porosa abierta. Luego, con la calcinación, los fosfatos forman una fase líquida que cierra parte de los poros. En cambio, la microtextura más cerrada del colable C-Pc-H (Figura 8.15) probablemente es debida a la lenta eliminación del agua a través de la pasta, originando una gran cantidad de poros de pequeño tamaño e interconectados entre sí. Además, la proporción de fase vítrea generada durante la calcinación seguramente es inferior a la de los hormigones fosfáticos.