Durabilidad en Hormigones producidos con puzolonas a partir de arcillas calcinadas

Texto completo

(1)1.

(2) I.

(3) “Las ciencias aplicadas no existen, sólo las aplicaciones de la ciencia...” Louis Pasteur. I.

(4) II.

(5) DEDICATORIA. Le dedico estas páginas a todas las personas que me brindaron su ayuda y apoyaron mi formación profesional, de manera muy especial a:  Mis abuelos Miriam y Mimo que han hecho un gran sacrificio para que yo triunfe en la vida, por darme tanto amor y dedicarme parte de sus vidas, sin ellos no hubiera sido posible ver este sueño hecho realidad.  A mi mamá Dania y a su esposo por apoyarme siempre y quererme tanto.  A mi hermana por ser única, darme tanto cariño y ver en mí un ejemplo.  A la memoria de mi padre que no pudo ver realizado este sueño.  A mi novio Juan Carlos por entregarse a mí incondicionalmente y amarme tanto.  A mi familia toda, por estar siempre a mi lado en los momentos de alegría y de tristeza.. II.

(6) II.

(7) AGRADECIMIENTOS. La realización de este trabajo ha sido posible gracias a la entrega y sacrificio de muchas personas que han estado presente en el momento preciso, es por eso que quisiera agradecer a:  Mi tutor, Ing. Rancés Castillo Lara por su profesionalidad, y por brindarme sus conocimientos con dedicación y entrega.  A mis abuelos, por dedicar parte de sus vidas a cuidar la mía y darme el aliento de estudiar.  A mi mamá y a su esposo Oria por ayudarme siempre a recorrer el camino de la forma más fácil y apoyarme incondicionalmente.  A mi hermanita Daniela que desde que nació me ha dado felicidad.  A mi novio Juan Carlos y su familia por quererme y brindarme su ayuda incondicional en parte de este tiempo.  A mis tíos Pipo y Marelis y a mi primo querido por darme cariño.  A mi familia por parte de padre en especial mi abuela Reina, mis tíos Raquel, Yanelys, René, y Leonides, por preocuparse por mí.  A todos mis compañeros de aula por compartir estos 5 años inolvidables, en especial a Elizabeth, Liuska, Smiht, Gretter, Celia, Wendy, Alliam, Julio, y Cepeda.  A todas las personas que de forma sincera se preocuparon por que mi vida aquí en la universidad fuera más placentera. MUCHAS GRACIAS. III.

(8) IV.

(9) RESUMEN. En el presente trabajo de diploma se estudia el empleo de adiciones minerales activas como materiales cementicios suplementarios al Cemento Pórtland Ordinario (CPO), usando para ello sustituciones de un 30% de su peso. Fueron utilizados suelos arcillosos de la localidad de Manicaragua y de Pontezuela, los cuales fueron activados térmicamente mediante calcinación por lecho fijo en un horno de laboratorio durante 1 hora a 900 y 800 ºC respectivamente. Además se empleó un metacaolín procedente de una planta de calcinación flash de arcilla, en Francia, con temperaturas de calcinación de 750 ºC y de 2 a 3 segundos como tiempo de residencia. El objetivo general de esta investigación es evaluar a escala de laboratorio la durabilidad en microhormigones, con 30% de sustitución de CPO por arcillas calcinadas procedentes de Manicaragua, Pontezuela y de una planta de calcinación flash de arcilla, en Francia, a partir de estudiar el comportamiento de propiedades físicas como porosidad y capilaridad, usando para ello el ensayo de absorción de agua. Para ello se llevó a cabo una revisión y análisis bibliográfico de la literatura nacional e internacional más actualizada, que se expone en el estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. Además, se usaron técnicas avanzadas para caracterizar las materias primas empleadas, y se elaboraron las muestras bajo los parámetros establecidos en las normas cubanas. Los resultados mostraron como el uso de las arcillas calcinadas en sustitución del. CPO. mejora. la. durabilidad. de. mezclas. de. microhormigón,. independientemente de su lugar de origen y proceso de activación térmica. Esto pudo ser debido básicamente a una densificación de la estructura interna de las mezclas con adiciones, a partir de la formación de productos de hidratación, lo cual condujo a valores inferiores de porosidad capilar y por tanto a una disminución de su capacidad de absorber agua.. IV.

(10) IV.

(11) TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO………………………………………………………………….................. I. DEDICATORIA……………………………………………………………………………….. II. AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………………... III. RESUMEN…………………………………………………………………………………... IV. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………….. 1. CAPÍTULO 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad……………………………………………... 11. 1.1. Puzolanas. Antecedentes históricos………………………………………….. 11. 1.1.1. Definición, clasificación y aplicaciones de las puzolanas………………... 12. 1.1.2. Tipos de puzolanas………………………………………………………....... 14. 1.1.3. Origen y descripción del proceso de reacción puzolánica……………….. 19. 1.1.4. Puzolanas como adiciones al cemento Portland para la producción de hormigones. Influencia en su estructura interna. Importancia de su utilización…………………………………………………………………….. 1.1.5. 21. Arcillas calcinadas como adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones……………………………………………………………………... 24. 1.1.6. Efecto de las arcillas calcinadas en los hormigones………........................ 26. 1.1.6.1. Efecto en las Propiedades mecánicas……………………………………….. 26. 1.1.6.2. Efecto en la durabilidad………………………………………………………... 28. 1.1.7. Aplicaciones en Cuba…………………………………………………….......... 29. 1.2. Durabilidad del hormigón .Definición………………………………………... 30. 1.2.1. Factores que afectan la durabilidad del hormigón……………………......... 31.

(12) 1.2.2. Mecanismos de transporte. …………………………………………………... 1.2.3. Aportes del uso de las puzolanas como adiciones en la durabilidad del. 38. hormigón……………………………………………………………………….. 40. 1.2.4. Métodos de ensayos o evaluación…………………………………………... 40. 1.2.5. Absorción de agua por capilaridad y sorptividad. Características e importancia………………………………………………………………………... Conclusiones parciales…………………………………………………………………….. 44 45. CAPÍTULO 2. Características de los materiales y descripción de los procesos de producción de las adiciones……………………………………………………………….. 46. 2.1. Diseño de experimento……………………………………………………………. 46. 2.1.1. Declaración de las variables……………………………………………………... 46. 2.1.1.2. Declaración de las variables independientes…………………………............ 46. 2.1.1.3. Declaración de las variables dependientes…………………………………... 47. 2.1.2. Parámetros de estado…………………………………………………………... 47. 2.2. Materiales utilizados…………………………………………………………….. 47. 2.3. Técnicas de caracterización realizadas a las materias primas…………….. 50. 2.4. Proceso de fabricación de las arcillas calcinadas……………………………. 51. 2.4.1. Proceso de fabricación de las arcillas calcinadas a escala de. laboratorio. (T-120), (AS- 900) y (P- 800)………………………………… 2.4.2. Proceso de fabricación de la arcilla calcinada a escala industrial (AR)………………………………………………………………………………….. 51. 56. 2.5. Áridos .Caracterización…………………………………………………….……. 57. 2.6. Cemento Pórtland. Caracterización……………………………………………. 60. 2.7. Filler………………………………………………………………………………. 61. 2.8. Adiciones minerales activas…………………………………………………... 62.

(13) Conclusiones parciales…………………………………………………………………….. 66. CAPÍTULO 3. Descripción de los ensayos y análisis de los resultados……………... 67. 3.1. Metodología propuesta………………………………………………………….. 67. 3.2. Aplicación de la metodología propuesta…………………………………….. 67. 3.2.1. Diseño de las mezclas…………………………………………………………. 67. 3.2.2. Preparación de las mezclas……………………………………………………. 69. 3.2.3. Procedimientos…………………………………………………………………... 70. 3.3. Descripción de los ensayos…………………………………………………….. 71. 3.4. Análisis de los resultados……………………………………………………….. 75. Conclusiones parciales……………………………………………………………………... 82. CONCLUSIONES……………………………………........................................................ 83. .. RECOMENDACIONES………………………………………………………………………. 84. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………………….. 85. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………….. 88. ANEXOS……………………………………………………………………………………….. 90.

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(15) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. INTRODUCCIÓN Fundamentos conceptuales de la investigación. Con el comienzo del siglo XXI entramos en una era de desarrollo sostenible, donde el Medio Ambiente ha pasado a jugar un papel fundamental debido a su progresivo deterioro así como se le ha prestado también suma atención a los costos sociales que trae consigo la tecnología . El creciente aumento de la infraestructura, debido a la rápida urbanización que existe actualmente en el mundo, constituye el principal desafío de la industria del hormigón actualmente. Es por ello que se hace necesaria la búsqueda de soluciones para mejorar la durabilidad del hormigón de manera efectiva con respecto a la disminución de los costos y el aumento de la calidad. El Cemento Pórtland es uno de los materiales más empleados a nivel mundial actualmente, además de que se le conoce como uno de los principales contribuidores del desarrollo de la humanidad. La producción de cemento ha resultado ser también de forma inevitable uno de los principales responsables de la degradación del Medio Ambiente. Esta repercute de manera negativa en la atmósfera y demanda grandes cantidades de energía, en la combustión de las materias primas en el horno, así como la molienda para reducir hasta polvo el clínker. Este proceso de producción se basa en la explotación intensa de recursos no renovables como materias primas y combustible, en el cual se emiten significativos volúmenes de gases de efecto invernadero. Es la causante de aproximadamente el 5% de las emisiones de dióxido de carbono (CO 2) a la atmósfera. Todo lo anterior trae como consecuencia que la industria del cemento sea una de las más contaminantes. Según Fernando Martirena (2003), la industria del cemento, junto con la siderurgia, la química, la refinación de petróleo y la producción de papel, está. 1.

(16) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. entre los cinco sub-sectores industriales mayores consumidores de energía a escala mundial, que son a su vez responsables del consumo del 50% de energía primaria, y del 53% de las emisiones de dióxido de carbono asociadas. En específico se reporta que la industria del cemento, a escala mundial, tiene el 2% del consumo global de energía, y el 5% del consumo global de energía industrial. (27) El mayor impacto global de la producción de cemento es el ocasionado por las emisiones de gases de efecto de invernadero, en específico el Dióxido de Carbono (CO2). Las emisiones absolutas de la industria cementera se han multiplicado varias veces en los últimos 100 años. Según varios especialistas esta industria contribuye con un 5% al total de emisiones globales de CO2, y con el incremento de la producción de cemento en años venideros, estas emisiones deberán crecer.. (27). El inmenso interés por reducir las emisiones de CO 2 en el proceso de fabricación del cemento, en especial en los últimos 30 años, ha causado que en países europeos por ejemplo, se hable de la reducción de las emisiones relacionadas con el empleo de energía en un 28%, y las globales en un 16% para el año 2012. (33) Estas drásticas reducciones de las emisiones se basan principalmente en: 1. El incremento de la eficiencia energética del proceso productivo, principalmente en la fase de combustión de materias primas. 2. Utilización de combustibles de más bajo contenido de carbono, así como el uso de extensores que permitan disminuir el porcentaje de clínker en el cemento. La marcada evolución de la tecnología de producción de cemento ha permitido incrementar la eficiencia del proceso productivo, de forma tal que el consumo de energía por kilogramos de material producido es cada vez más bajo.. 2.

(17) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. En el caso específico de nuestro país se emite, además, azufre y metales pesados, por la combustión del crudo cubano que tiene alto contenido de estos elementos. Existen seis plantas productoras de este material ubicadas en Mariel, Artemisa, Cienfuegos, Siguaney, Nuevitas y Santiago de Cuba con una producción total anual de aproximadamente 3 millones de toneladas .La mayoría de las plantas productoras han cambiado de un proceso húmedo a seco en búsqueda de la eficiencia energética y la disminución de emisiones de CO 2 .De estas, sólo dos llevan una política ambiental eficiente por ser empresas mixtas que cuentan con la tecnología y los recursos para evitar la contaminación, por lo que se hace necesario reducir la cantidad de cemento para la fabricación de hormigones. Según reportes actuales, la producción de cemento con petróleo crudo cubano arroja índices de consumo de 149.2 kilogramos de crudo por tonelada de clínker producido. El consumo eléctrico está en el orden de 124.8 kW por tonelada de cemento o clínker producido. En ambos casos los valores están ligeramente por encima de los promedios mundiales de consumo, lo que aparentemente se debe al envejecimiento de la tecnología, que es básicamente de los años 1970s, aunque muchas plantas han sido parcialmente renovadas, en especial para ser adaptadas para consumir crudo cubano. (35) En estas condiciones, una de las alternativas existentes es lograr hormigones con menos aglomerante de clínker de cemento Pórtland, que superen o mantengan las propiedades de los actuales, es decir, fomentar la producción de hormigones con por cientos de sustitución de Cemento Pórtland Ordinario por adiciones puzolánicas y el acertado empleo de aditivos químicos. Logrando con ello una mejora considerable en el perfil ambiental de los hormigones, ya que de esta forma se podrá lograr una significativa reducción del consumo de cemento Pórtland en la producción. La sustitución de Cemento Pórtland Ordinario por adiciones puzolánicas al hormigón trae consigo una mayor durabilidad. Proporcionando al hormigón un aumento en la impermeabilidad, en la resistencia al ataque de sulfatos, así 3.

(18) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. como aumento de la resistencia mecánica a edades avanzadas .Esto propicia además un gran beneficio económico al reducir el consumo de CPO, logrando iguales resistencias mecánicas, ahorrando energía y produciendo menores emisiones de CO2 a la atmósfera. Esta producción de hormigones con adiciones puzolánicas forma parte también de una alternativa factible para reducir las consecuencias que la reacción álcalis-agregado causa en el mismo, como son agrietamiento y disminución de la resistencia, Esto trae consigo que las estructuras se vean afectadas en su seguridad y durabilidad. Tanto la industria del cemento, como la industria química de los aditivos se han desarrollado significativamente, introduciéndose nuevas técnicas cada vez más modernas en el estudio de la microestructura del hormigón .Este avance ha traído aparejado nuevas y mejores posibilidades al hormigón como material moderno. Estos cambios traen también consigo el estudio más profundo de materiales alternativos, y de soluciones inmediatas que contribuyan con la producción de materiales sustentables. Lo planteado anteriormente es de gran importancia debido a que favorece la reducción de los consumos de energía de la industria cementera y con ello beneficia la preservación de Medio Ambiente. Fundamentos Metodológicos del Trabajo. La fabricación de cemento Pórtland se hace extensiva a más de 150 países por ser uno de los materiales más usados actualmente a nivel mundial, y uno de los principales componentes que contribuyen al desarrollo de la infraestructura de un país. A pesar de los buenos resultados obtenidos en todos los trabajos de construcción con este material aglomerante y de su costo relativamente bajo, es uno de los causantes del deterioro ambiental del planeta. Su proceso de fabricación demanda una gran cantidad de energía y se emiten. en él. grandes volúmenes de gases de efecto invernadero, convirtiéndose esto en. 4.

(19) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. una amenaza a la sostenibilidad de la producción de cemento en los años venideros. Al respecto Martirena (2003) plantea que “…La industria del cemento necesita reducir las emisiones en más del 50%. Este reto implica, de forma inobjetable, un cambio de paradigmas en la producción y utilización del cemento Pórtland, que permita una adecuación a las exigencias ambientales actuales. Cualquier solución al problema pasa por la reducción del contenido de clínker puro en los materiales aglomerantes”. (27) Debido a las situaciones planteadas anteriormente se han tomado medidas encaminadas a disminuir el efecto negativo que trae consigo esta producción de cemento al medio ambiente como: 1. Reemplazar o mejorar la tecnología de cocción del clínker para de esta forma disminuir el consumo de energía primaria y perfeccionar el proceso de fabricación del cemento. 2. Empleo de adiciones puzolánicas que son añadidas en fábrica o en obra lo cual se convierte en una alternativa factible para eliminar desechos contaminantes que de no ser utilizados de esta forma irían a parar al aire libre. Es importante señalar que se hace necesaria la búsqueda de soluciones a nivel nacional ya que el costo de las adiciones minerales activas en el mercado internacional es muy alto. El trabajo que se presenta pretende dar respuesta práctica a lo planteado anteriormente por lo que nuestra Situación Problémica se concentra en: La necesidad de la preservación del medio ambiente afectado por la emisión de gases de efecto invernadero que está asociado a la producción de cemento, el alto precio en el mercado mundial de las adiciones puzolánicas y la necesidad de mantener o mejorar las características físico -mecánicas del hormigón (resistencia a la compresión y durabilidad).. 5.

(20) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. Surge entonces la siguiente interrogante como Problema Científico de la investigación: ¿Es posible obtener microhormigones a escala de laboratorio, sustituyendo un 30% del cemento portland ordinario por arcillas calcinadas provenientes de la región de Manicaragua, Pontezuela y Toulouse (Francia) y con diferentes proceso de activación, los cuales mantengan o mejoren su durabilidad, expresada en las propiedades físicas de porosidad y capilaridad, logrando así reducir el consumo del cemento en la mezcla y perfeccionar su perfil medioambiental? Como Hipótesis nos planteamos que: Si se sustituye un 30% por ciento de CPO por arcillas calcinadas provenientes de la región de Manicaragua, Pontezuela y Toulouse (Francia) y con diferentes proceso de activación, será posible la obtención de microhormigones a escala de laboratorio, manteniendo o mejorando su durabilidad expresadas en las propiedades físicas de porosidad y capilaridad, con una reducción de los consumos de cemento, logrando así disminución en los costos y aumento de sus beneficios medioambientales. Objetivos del Trabajo. Objetivo General: Evaluar a escala de laboratorio la durabilidad en microhormigones, expresadas en las propiedades físicas de porosidad y capilaridad, fabricados con un 30% de sustitución del cemento Portland ordinario por arcillas calcinadas provenientes de la región de Manicaragua, Pontezuela y Toulouse (Francia) y con diferentes proceso de activación. Objetivos Específicos: Fundamentar teóricamente, el estado del arte de las puzolanas como adiciones minerales activas, así como el comportamiento del hormigón con adiciones y aditivos químicos y la influencia de los mismos en su durabilidad. 6.

(21) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. Evaluar la durabilidad, a partir de ensayos de absorción de agua por capilaridad, de microhormigones fabricados con un 30% por ciento de sustitución de CPO por un suelo arcilloso activado térmicamente en lecho fijo de la zona de Manicaragua. Evaluar la durabilidad, a partir de ensayos de absorción de agua por capilaridad, de microhormigones fabricados con un 30% por ciento de sustitución de CPO por arcillas sedimentadas y activadas térmicamente en lecho fijo de la zona de Manicaragua. Evaluar la durabilidad, a partir de ensayos de absorción de agua por capilaridad, de microhormigones fabricados con un 30% por ciento de sustitución de CPO por Carbonato de Calcio como material casi inerte, para demostrar la importancia de la reactividad de las arcillas calcinadas en las características físicas del material. Evaluar la durabilidad, a partir de ensayos de absorción de agua por capilaridad, de microhormigones fabricados con un 30% por ciento de sustitución de CPO por un suelo kaolinítico activado térmicamente en lecho fijo de la región de Pontezuela. Evaluar la durabilidad, a partir de ensayos de absorción de agua por capilaridad de microhormigones fabricados con por un 30% ciento de sustitución de CPO por una arcilla activada térmicamente por calcinación rápida a escala industrial de la región de Toulouse (Francia). Evaluar la durabilidad, a partir de ensayos de absorción de agua por capilaridad de una muestra patrón de microhormigón fabricado con 100% de CPO. Determinación de los valores de sorptividad para cada muestra.. Para dar cumplimiento a los objetivos trazados se definieron las siguientes Tareas de Investigación. 1. Búsqueda bibliográfica sobre las puzolanas como adiciones minerales activas, el comportamiento de la mezcla de hormigón con adiciones y su 7.

(22) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. influencia en las propiedades físico –mecánicas, especialmente en aquellas asociadas a la durabilidad. 2. Caracterizar los materiales utilizados en la producción de las mezclas de hormigón. Breve descripción del proceso de producción de las adiciones. 3. Realización y descripción de los ensayos de capilaridad y porosidad en los microhormigones a escala de laboratorio. 4. Determinación de los valores de sorptividad de las distintas mezclas. 5. Evaluación de las arcillas calcinadas como sustituyente del CPO mediante el análisis de los resultados obtenidos de los ensayos de capilaridad y porosidad en las mezclas de microhormigón fabricadas y a partir de los mismos valorar el comportamiento de la durabilidad. Estructura del Trabajo de Diploma. -Resumen: Brinda una síntesis de la investigación realizada. -Índice: Contiene la ubicación de cada de cada capítulo. -Introducción: Se detallan los elementos del diseño investigativo. -Desarrollo: Incluye el contenido de cada capítulo. -Capítulo I: Estado del arte de las puzolanas como adiciones minerales activas en el hormigón y su durabilidad -Capítulo II: Caracteriza los materiales a utilizar y describe los procesos de producción de las adiciones realizados. -Capítulo III: Se ofrecen los ensayos de durabilidad realizados, así como el análisis de los resultados obtenidos. -Conclusiones. -Referencias Bibliográficas. -Bibliografía. 8.

(23) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. -Anexos. La novedad o aporte científico relevante de la investigación se manifiesta en: Aporte científico. Conocer la influencia y comportamiento de las arcillas calcinadas en la durabilidad del hormigón. Aporte económico. Reducción de los consumos de cemento con la sustitución de un por ciento de arcillas calcinadas. Aporte medioambiental. Disminución del efecto de los gases de invernadero asociado a la. alta. producción de cemento. Justificación de la investigación. El presente trabajo forma parte de una serie de investigaciones que en este momento está realizando el Ing. Rancés Castillo Lara en su tesis de doctorado que a su vez tiene como propósito continuar estudios emprendidos por un grupo de investigadores del CIDEM de la Facultad de Construcciones en la UCLV. Estos estudios tienen como propósito continuar investigando sobre las posibilidades del empleo de las puzolanas como adiciones minerales activas en hormigones, en específico con respecto al aumento de la. durabilidad y la. reducción de cemento en la mezcla, lo que conlleva a una disminución de los costos. Además de evaluar. las arcillas calcinadas de la localidad de. Manicaragua como puzolanas capaces de sustituir por cientos de CPO con propiedades físico- mecánicas iguales o mayores a las especificadas en la obtención de microhormigones a escala de laboratorio, como referencias para la fabricación de hormigones industriales y sus aplicaciones futuras.. Para la realización del trabajo se ha seguido la Metodología de la Investigación que se muestra a continuación: 9.

(24) Durabilidad en hormigones producidos con puzolanas a partir de arcillas calcinadas. Diagrama de la Metododología de la Investigación. Definición del Problema de estudio.. Recopilación Bibliográfica. Formación de base teórica general.. Planteamiento de Hipótesis.. Definición de objetivos.. Definición de las tareas científicas. científicas. Estudio bibliográfico estado del arte de temática.. y la. Diseño y Desarrollo de las investigaciones. investigaciones Análisis de los resultados.. Conclusiones y Recomendaciones.. 10.

(25) Introducción:.

(26) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. CAPÍTULO 1.. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas. para la obtención de hormigones y su durabilidad. 1.1 Puzolanas. Antecedentes históricos. El nombre de este material lo recibe por la población de Puzzuoli, cerca de Nápoles, en Italia donde los Romanos utilizaron las tobas procedentes del volcán Vesubio en combinación con cal para obtener productos aglomerantes para la construcción. El término puzolana fue reservado originalmente para materiales de origen piroclástico y estructura vítrea producido por erupciones volcánicas después el termino fue extendiéndose a todos aquellos materiales que por sus propiedades similares a las puzolanas de origen natural pudieran tener usos sustitutivos. Desde los tiempos de Grecia y Roma y hasta mediados del siglo XVIII se empleaba la cal como único conglomerante, estos morteros que no eran hidráulicos fueron la base de la construcción hasta 1756, fecha que representa el descubrimiento y empleo del primer conglomerante hidráulico. Los Romanos fueron capaces de construir complejas y atrevidas estructuras usando el aglomerante cal-puzolana. Algunas de estas construcciones, tales como el acueducto de Pont du Gard, cerca de Nimes en Francia y el Panteón en Roma, aún perduran más o menos intactas después de dos mil años. Otro material que los romanos utilizaron como puzolanas fueron los residuos cerámicos triturados finamente. Estas puzolanas también tienen una larga tradición de uso en la India, donde la tecnología desarrollada recibe el nombre de Surkhi. Existe también la tradición de usar arcilla cocida y triturada como puzolanas en otros países como Egipto en el cual se llama Homra y en Indonesia que se le llama Semenmerah.. 11.

(27) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. Actualmente las puzolanas se emplean como un término más general para designar todos los materiales que muestran reactividad con cal, sean capaces de fraguar, endurecer y desarrollar resistencia en presencia de humedad. En Cuba desde principios de los años 1980-90 comenzó la utilización de puzolanas como extensores del clínker de cemento Pórtland. En el país existe un gran potencial de puzolanas naturales con numerosos yacimientos de rocas zeolitizadas y de vidrio volcánico diseminado por prácticamente todo el territorio nacional, las cuales generalmente muestran una elevada actividad puzolánica. Estas fueron utilizadas como adiciones en fábrica para producir otras variedades de cemento Pórtland, conocidas como PP-350, PP-250 y CA-160. (13,17).. 1.1.1 Definición, clasificación y aplicaciones de las puzolanas. Según la norma ASTM C 618-03 las puzolanas son materiales silíceos o aluminio-silíceos compuestos principalmente por sílice amorfa, que por si solas poseen poco o ningún valor cementante o propiedades hidráulicas, pero que finamente dividido y en presencia de humedad reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio o cal a temperatura ambiente y forman un compuesto que posee propiedades aglomerantes.. (5). El sistema de clasificación de la ASTM para las puzolanas está en función de su composición química y se distinguen dos grupos: a) Puzolanas tipos N y F, de bajo contenido de CaO. Las puzolanas del tipo N son naturales crudas o calcinadas, tal como las diatomitas; tobas y cenizas volcánicas, calcinadas o sin calcinar; y varios materiales que requieren de calcinación para inducir propiedades satisfactorias, como algunas arcillas .Las del tipo F son ceniza volante producida por la calcinación de carbón antracítico o bituminoso. b) Puzolanas tipo C, de alto contenido de CaO. Ceniza volante producida por la calcinación de carbón sub–bituminoso o lignito. Esta clase de ceniza además de tener propiedades puzolánicas, también tiene propiedades cementicias.. (5). 12.

(28) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. Por otra parte, la norma cubana NC-120:2004 hace referencia a las puzolanas como parte de un término más general: adiciones, definiendo éstas últimas como: “Materiales inorgánicos finamente molidos incorporados al hormigón con el objetivo de mejorar ciertas propiedades o de alcanzar propiedades especiales”. Existen 2 tipos de adiciones según la clasificación de dicha norma: Adiciones del tipo I (Aproximadamente inertes) Adiciones del tipo II (Puzolánicas o hidráulicamente latentes) En las de tipo I están los fillers calizos o silíceos, cuya función principal es suplir la carencia de los finos aportados por los áridos, lo que puede proporcionar mayor laborabilidad, compacidad y retención de agua en la mezcla. Además, pueden reducir la demanda de cemento en la mezcla sin afectar sus propiedades ni las prestaciones del hormigón endurecido.. (6). En las de tipo II están las puzolanas naturales y las artificiales. Éstas reaccionan con la cal resultante del proceso de hidratación del cemento en presencia de agua y forman silicatos cálcicos hidratados, dando lugar a hormigones más densos y compactos, con mayor durabilidad y resistencia mecánica. (6) Las puzolanas tienen diferentes usos y aplicaciones como: -Aplicaciones en la construcción. Se utiliza como adiciones minerales activas en el cemento Pórtland para reducir el consumo de estos en las mezclas de hormigón. Fabricación de Hormigones de baja densidad (como ya se ha señalado en el caso del Panteón de Roma). Mejoramiento de propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido: aumento en la impermeabilidad, mejoras en la resistencia al ataque de 13.

(29) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. sulfatos, así como aumento de la resistencia mecánica a edades avanzadas. -Otras Aplicaciones de las puzolanas. Filtro natural de líquidos por su elevada porosidad. Sustrato inerte y aireante para cultivos hidropónicos. Drenaje natural en campos de fútbol e instalaciones deportivas. Absorbente (en el caso del agua del 20 al 30 % del peso de árido seco) y preparación de tierras volcánicas olorosas. Aislante Térmico (0,21 Kcal / Hm2 C). Arqueología. Protector de restos arqueológicos de baja densidad para conservación de restos (por construcción sobre ellos o con carácter temporal). Jardinería. En numerosas rotondas, jardines. Sustituto eficaz del césped en zona con carencia de agua de riego. Abrasivo. Usado como ingrediente en algunos detergentes abrasivos. 1.1.2 Tipos de puzolanas. Existen dos tipos de puzolanas: las naturales y las artificiales. Puzolanas Naturales: Para fines de la construcción, las puzolanas naturales son consideradas en general como materiales de naturaleza silícea, algunos tipos son las cenizas volcánicas, tobas volcánicas o zeolitas, y diatomitas. Las puzolanas naturales son las puzolanas de la que primero se tiene referencia de uso. Además de ser rocas naturales que no precisan nada más que la molienda para poder ser empleadas como material puzolánico. Su formación se produce en zonas volcánicas del planeta, donde la proyección violenta de magma en la atmósfera trae consigo la formación de material vítreo. 14.

(30) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. Cuando la salida al exterior de magma se produce en una forma menos violenta da como resultado una ceniza volcánica de similar composición química, pero mucho menos reactiva con cal. Una de sus características es que predominen en ellas en su composición química el silíceo, el aluminio y el hierro. (27) Las puzolanas naturales se presentan en forma de rocas piroclásticas, materiales de origen mixto alterado y rocas clásticas: • Rocas volcánicas o piroclásticas, Las rocas piroclásticas se dividen en rocas coherentes, alteradas durante su proceso y materiales incoherentes que se mantienen inalterados, estos últimos están bien representados en las puzolanas italianas, en algunas zonas de Grecia, en la parte sur de Kyushu en Japón, en la costa oeste de Estados Unidos y en las áreas cercanas Bombay, en la India. En las rocas volcánicas o piroclásticas el constituyente amorfo es vidrio producido por enfriamiento brusco de la lava .Las rocas coherentes son depósitos volcánicos que han sufrido transformaciones, entre ellas la “zeolitización” y la “litificación”. Estas rocas se encuentran en Alemania y Tenerife, Islas Canarias. (27) • Los materiales alterados de origen mixto se caracterizan por su alto índice de sílice. Éstos se han formado en un proceso de deposición en agua de materiales de variado origen, donde los óxidos solubles son lavados, dando lugar a una roca clara, porosa y ligera.. (27). • Rocas clásticas; Estas incluyen las tierras de diatomeas y suelos arcillosos, son rocas o suelos con ópalo como constituyente silíceo, ya sea por la precipitación de la sílice de una solución o de los residuos de organismos (tierras de diatomeas). Las Diatomeas son residuos de origen orgánico con alto contenido de sílice, que puede llegar a un 94%.Estos residuos se mezclan con arcillas y al ser calcinadas sufren un aumento considerable de su reactividad. Son formados por silicatos amorfos hidratados, derivados de los esqueletos de microorganismos acuáticos. 15.

(31) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. Las puzolanas naturales no están distribuidas uniformemente en el planeta. En el llamado “cinturón de fuego” es una de las zonas donde estos materiales son más abundantes, su extracción y procesamiento resultan muy costosos y muchas veces resulta técnicamente difícil. Debido a la abundancia de este material natural existente en el mundo, resulta excelente su empleo en países donde no hay otras alternativas de materiales para la construcción.. (27). Según Lesday Martínez en su tesis doctoral (2003) las puzolanas naturales más abundantes en Cuba son las tobas zeolíticas.Se han encontrado veintiséis zonas con perspectivas de explotación en Cuba, las cuales representan reservas que se estiman en cerca de mil millones de toneladas. El contenido de zeolita en las tobas es muy variable, llegando a más del 90% en algunos yacimientos. (25) Puzolanas Artificiales: Son sub-productos industriales y materiales tratados térmicamente, y existen varios tipos, las cenizas volantes (fly ash), arcillas activadas o calcinadas térmicamente, escorias de fundición, microsílice, y las cenizas de residuos agrícolas. • Cenizas volantes (Fly Ash): Son un subproducto de los hornos que emplean carbón mineral finamente molido como combustible para la generación de energía eléctrica y constituyen en sí las partículas no combustibles removidas de las chimeneas de los gases, de bajo contenido de calcio y es un mineral que presenta una cantidad relativamente alta de alúmina y sílice amorfa .La reactividad de las cenizas volantes, depende de la presencia de una fase vítrea en su composición, lo cual a su vez depende básicamente de la temperatura y tiempo de residencia del material en la cámara de combustión, así como del régimen de enfriamiento de la ceniza. De todas las puzolanas, las cenizas volantes resultan ser desde el punto de vista técnico y económico la mejor opción, ya que no requieren de grandes complicaciones tecnológicas. Aunque su reactividad no es de las más altas, se reconoce que como adición mineral tienen las mejores propiedades debido 16.

(32) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. básicamente a la finura de sus partículas y su forma redondeada. En un hormigón normal se adiciona en una proporción que sobrepasa el 50% del peso del cemento, mientras que para hormigones de alta resistencia el nivel de sustitución debe ser limitado a 15%-25%.(4,25, 27) • Arcillas activadas o calcinadas artificialmente: Estas puzolanas se conocen desde tiempos remotos, son los residuos de la quema de ladrillos de arcilla molidos finamente o de otros tipos de arcillas las cuales se mezclan con cal y se producen morteros resistentes al agua. Estos materiales en estado natural tiene muy baja reactividad, la estructura cristalina de estos es alterada o destruida cuando se someten a un tratamiento térmico a temperaturas entre 700-9000 C resultando una puzolana muy reactiva. En el proceso de calcinación de las arcillas se extraen las moléculas de agua absorbidas y las combinadas químicamente, formándose una estructura cuasiamorfa que es la que reacciona con la cal y es la que se conoce como la fuente de la actividad puzolánica. (21). .Es de suma importancia que la temperatura a. que se va a someter la arcilla sea la adecuada ya que si la misma se somete a temperaturas superiores se produce una re-cristalización que deriva un material altamente cristalino y por consiguiente poco reactivo. (27) • Escorias de fundición: Principalmente los residuos de procesos siderúrgicos en los altos hornos. Subproductos no metálicos producidos cuando el mineral de hierro es reducido a hierro dulce. La escoria líquida es enfriada rápidamente para formar gránulos, que son molidos hasta una finura similar a la del cemento Pórtland. Las escorias molidas de alto horno tienen por si misma propiedades cementantes pero estas son mejoradas cuando se utilizan con cemento Pórtland. (4) • Humo de Sílice o Microsílice (Sílica Fume): Material puzolánico de alta reactividad, subproducto de la producción de metal silíceo o ferrosilíceo. Se recolecta de la chimenea de gases de los hornos de arco eléctrico. El humo de sílice es un polvo extremadamente fino, con partículas alrededor de 100 veces 17.

(33) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. más pequeñas que un grano promedio de cemento. Para su uso resulta un material excelente como sustituto parcial de cemento Pórtland, que proporciona notables ventajas tanto técnicas como económicas.. (4,25). • Cenizas de residuos agrícolas: Es la combustión de residuos agrícolas como la ceniza de cáscara de arroz, las de bagazo de caña y la paja de la caña de azúcar. La combustión de la cáscara de arroz proporciona cenizas con un elevado contenido de sílice (más del 90%), que bajo determinadas condiciones puede ser utilizada como producto puzolánico de buena calidad. En la combustión se pueden producir transformaciones estructurales en la sílice que traen como consecuencia la formación de un material amorfo con alta reactividad y relativamente baja dureza lo que facilita la molienda de las cenizas obtenidas, además de determinaren gran medida la actividad puzolánica, por eso se debe tener especial cuidado con temperaturas preferentemente por debajo de los 7000 C. Las cenizas procedentes del bagazo de caña pueden obtenerse como residuos de la combustión en los quemadores de los generadores de vapor en los centrales azucareros, en particular la extraída de los “ceniceros”. Cuando el bagazo de caña es quemado en condiciones especiales, las cenizas se enriquecen en sílice, y finalmente adquieren una composición química similar a la de las restantes puzolanas Se ha utilizado cenizas de bagazo en morteros y hormigones, aunque se destaca un elevado contenido de impurezas de carbón. De forma similar la paja de la caña de azúcar es capaz de fijar en sus estructuras la sílice del suelo, de forma amorfa. Puede convertirse en cenizas mediante la combustión controlada en incineradores diseñados a tal efecto o por la combustión incontrolada al aire libre en grandes pilas. De. manera. general. cuando. estos. materiales. son. quemados. convenientemente, se obtiene un residuo mineral rico en sílice y alúmina, cuya estructura depende de las condiciones de combustión.. (4, 15, 25,27). 18.

(34) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. 1.1.3 Origen y descripción del proceso de reacción puzolánica. Según investigaciones sobre las reacciones puzolánicas se ha demostrado que las mismas transcurren de acuerdo con las leyes cinéticas de las reacciones heterogéneas en estado sólido, con presencia de fenómenos difusivos y marcada influencia en ella de factores de tipo interno de las puzolanas como la composición química y mineralógica ,morfología interna ,contenido de base vítrea y finura y de tipo externo entre los que se encuentran la temperatura ,la humedad ,la presencia de aditivos y la calidad de la cal; lo cual se aprecia tanto para las reacciones sólido-solución como en pastas de cal-puzolana y en cementos a base de portland con adiciones de puzolanas. (1) Las puzolanas reaccionan con la cal y en presencia de agua dan lugar a productos sólidos, estables y prácticamente insolubles, generalmente silicatos y aluminosilicatos hidratados similares a los que se obtienen como resultado de la hidratación del cemento Pórtland. La actividad puzolánica se manifiesta por la reacción entre los componentes ácidos de los materiales puzolánicos como sílice y alúmina y los básicos como cal, y magnesia. Las puzolanas poseen déficit de este último compuesto, no son capaces de reaccionar por sí solas y requieren la presencia de un activador externo. (25) Lesday Martínez en su tesis de doctorado (2003) expresó que la estructura de las sustancias que integran un material puede ser cristalina o amorfa. Estas estructuras cristalinas son más estables, ya que la orientación de las partículas y su colocación espacial siguen un riguroso orden del retículo básico. Lo contrario sucede con la estructura amorfa, de alto potencial energético y es considerada como un equilibrio congelado el que se rompe por la influencia que ejerza algún activador externo en el sistema. Otra situación. (25). diferente presentan las zeolitas y las arcillas térmicamente. activadas las cuales son capaces de fijar la cal sin tener estructura amorfa .En estos casos se trata de estructuras complejas, con grandes espacios 19.

(35) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. interplanares vacíos, una gran cantidad de defectos cristalinos y una gran superficie específica interna, debido a la intrincada red de canalículos que poseen .(25) La finura y la temperatura son factores que pueden modificar la reacción puzolánica en forma directa. A mayor superficie específica, mayor será la velocidad de reacción cal puzolana y este efecto también se favorece con el incremento de la temperatura. Las condiciones de curado también influyen en el desarrollo de la reacción cal puzolana, favoreciéndose en presencia de agua más que cuando el curado ocurre al aire. La reacción puzolánica es lenta, al contrario de la reacción de hidratación del cemento que es rápida, por tanto la velocidad de liberación del calor y el desarrollo de resistencias serán procesos más lentos, es también una reacción que consume hidróxido de calcio en ves de generarlo lo que es importante para la durabilidad de las pastas hidratadas en ambientes ácidos y además al producirse dicha reacción en un tiempo posterior los productos de la misma rellenan de forma muy eficiente los espacios capilares que quedan después de la hidratación de los componentes del cemento.. (1). Principales productos de la reacción puzolánica. Hidrosilicato de calcio de la forma CHS (Tobermorita). Hidroaluminatos de calcio de la forma C4AHx (variando x de 9 a 13). Gehlenita hidratada C2ASH8. Carboaluminato de calcio C3A.3CaCO3.12H. Ettringita C3A.3CaSO4.32H. Aluminato de calcio monosulfato C3A.CaSO4.12H. Es importante destacar que la aparición de tales productos de reacción puzolánica. depende. de. constituyentes. químicos. de. la. puzolana,. la. 20.

(36) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. disponibilidad de cal, la edad a la que se realiza el análisis de fases y las condiciones del ambiente donde se desarrolla la hidratación.. Una fórmula general de la reacción puzolánica puede ser escrita de la siguiente manera: 1.5CH + S + 2.8H → C1.5SH3.9 donde CH se refiere al hidróxido de calcio proveniente del proceso de hidratación del cemento portland (o en ocasiones añadido en la mezcla), S como la sílice presente en la puzolana y H el agua necesaria para el desarrollo de dicha reacción. Cuando una puzolana tiene cantidades apreciables de alúmina reactiva, tales como las puzolanas naturales o las arcillas calcinadas, esto no sólo tiende a favorecer la formación de fases de aluminato de calcio, sino que también a sustituir la sílice presente en la estructura del hidrosilicato de calcio (C-S-H), lo cual incrementa la relación Al/Ca del C-S-H. En este caso, la fase hidratada se refiere generalmente como C-A-S-H. (19) 1.1.4 Puzolanas como adiciones al cemento Portland para la producción de hormigones. Influencia en su estructura interna. Importancia de su utilización. El principal material cementante en el hormigón es el cemento Pórtland, el cual está constituido esencialmente por clínker y una pequeña proporción de yeso. Los cementos mezclados se logran con la incorporación de adiciones a dicho clínker, entre las que se encuentran las puzolanas. Obteniéndose de esta forma los cementos Pórtland puzolánicos (PP) y los cementos puzolánicos (PZ), de acuerdo con la proporción de material adicionado. Como se conoce, las principales fases presentes en el cemento Pórtland son la alita (C 3S), belitaß (ß-C2S), aluminatotricálcico (C3A), ferroaluminato tetracálcico (C4FA), y en menor proporción vidrio, periclasa, cal, álcalis, etc. 21.

(37) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. La hidratación de la alita y la belita sigue el siguiente proceso: 2(3CaO.SiO2) + 6(H2O) alita. 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca (OH)2. agua. tobermorita. 2(2CaO.SiO2) + 4(H2O) belitaß. portlandita. 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca (OH)2. agua. tobermorita. portlandita. Como resultado de ambas reacciones se puede observar la obtención de tobermorita, que es el compuesto más importante en cuanto a capacidad aglomerante se refiere, y portlandita, que es simplemente hidróxido de calcio. La particularidad de los cementos puzolánicos se establece precisamente en el aprovechamiento de esta cal surgida de tales reacciones de hidratación. La puzolana incorporada como adición al cemento puede entonces reaccionar con la cal que se ha formado, de manera similar a como ocurre en una mezcla simple de cal y puzolana. (25). . Estas reacciones proporcionan nuevos productos. de hidratación. Hoy en día la mayoría de las mezclas de hormigón contienen adiciones al cemento como un ingrediente dosificado separadamente del resto de los materiales. Las adiciones al cemento pueden ser utilizadas para el mejoramiento del desempeño del hormigón en su estado fresco y endurecido. La utilización de las puzolanas en el cemento Pórtland presenta un efecto en la disminución de la fisuración y del calor de hidratación. Esto se debe a que tiene un menor porcentaje de los compuestos responsables de la elevación de la temperatura durante el fraguado del cemento, lo que implica una menor formación de capilares y por ende una mayor densidad y compacidad. Además se requiere de una mayor utilización de agua para el curado de los elementos realizados con este tipo de mezclas.. (4). Por otro lado la utilización de estos materiales cementantes suplementarios reduce el consumo de cemento pórtland por unidad de volumen de hormigón. 22.

(38) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. El empleo de estos subproductos propicia grandes beneficios ya que de no ser utilizados para estos fines constructivos irían a parar al terreno como desecho. Resumiendo, podemos referirnos a los beneficios que aporta a la industria del cemento y el hormigón el empleo de adiciones minerales: Los beneficios funcionales se derivan del hecho de incorporar partículas muy finas en el hormigón, ayudando a mejorar la laborabilidad de la mezcla, e incluso a reducir la demanda de agua para una consistencia determinada. Adicionalmente, se mejoran la compacidad e impermeabilidad de la matriz del hormigón, lo que aumenta la resistencia y durabilidad ante el ataque de sustancias químicas agresivas. Finalmente, las adiciones minerales activas ayudan a disminuir el calor de hidratación del cemento, y disminuyen con esto las posibilidades de fisuración por efecto térmico. Desde el punto de vista económico, la sustitución de cemento Pórtland por adiciones minerales permite obtener grandes ahorros energéticos y materiales en la producción de cementos y hormigones, más aún cuando las adiciones sean subproductos o desechos de otras producciones industriales, como es el caso de las cenizas volantes y los residuos agrícolas. Al obtenerse hormigones más resistentes disminuyen las secciones transversales de los elementos, reduciendo así el consumo de este material en volumen. Desde el punto de vista ecológico, el empleo de adiciones minerales activas puede ser una de las vías más importantes para contribuir a la disminución de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) en la industria del cemento al disminuir el contenido de cemento en los hormigones. Adicionalmente permite el reciclado de desechos industriales y agrícolas que de otra forma tendrían que ser depositados en el Medio Ambiente sin un uso económico.. (30). 23.

(39) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. 1.1.5 Arcillas calcinadas como adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones. El término “arcilla” encierra en sí mismo un significado bastante ambiguo que requiere varias acepciones para su comprensión como tamaño de partícula, mineralogía, petrografía, propiedades físicas, etc. Las arcillas son fruto de los agentes de meteorización físico-químicos actuantes sobre la roca madre original y en procesos pedogenéticos de feldespatos y feldespatoides. Se les puede considerar como unas acumulaciones naturales, consolidadas o no, de tamaño de grano fino según los mineralogistas e investigadores del suelo inferior a 4 μm. Constituidas por variados minerales arcillosos como silicatos alumínicos hidratados, con iones principalmente de Magnesio, Hierro, Potasio y Sodio y otros minerales acompañantes como el cuarzo, los feldespatos, los carbonatos, etc. Otros componentes mineralógicos de la arcilla son la sílice, generalmente en forma coloidal, carbonato de calcio, compuestos de hierro y materia orgánica.. (26). Como se puede observar, en la definición del término arcilla intervienen tres aspectos fundamentales como son el tamaño de grano, la composición mineralógica y, por ejemplo, entre otras, una propiedad física fundamental, su plasticidad en contacto con el agua. De hecho, la definición más reciente del concepto “arcilla”. (32). , según la nomenclatura de los comités de la AIPEA y de. la Clay Minerals Society (CMS) es la siguiente: “Materia prima natural con una constitución de partida compuesta por minerales de tamaño fino, que se comporta plásticamente con el agua y que endurece al ser secada o calentada”. Fernando Martirena, en su tesis de doctorado en el 2003, expresó que los minerales arcillosos son formados por la variación progresiva de las rocas volcánicas, estas a su vez en estado natural presentan muy baja reactividad. La estructura cristalina puede ser alterada o destruida por medio de un. 24.

(40) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. tratamiento térmico a temperaturas entre 700- 900º Celsius, dando lugar a una puzolana muy reactiva. (27) El tiempo de calcinación influye en la reactividad de la puzolana. Parece indicar que largos tiempos de exposición a altas temperaturas, por encima de la deshidroxilación, facilitan la re-cristalización, y con ello la disminución de esta cualidad. La baja reactividad de la puzolana pude ser propiciada por la combinación de temperaturas muy altas y largos tiempos de calcinación. Las temperaturas óptimas de calcinación de manera general están entre 700º y 900º Celsius, y el tiempo de residencia debe ser menor de 2 horas.. (27). Estudios recientes han demostrado la influencia que existe entre la finura o superficie específica de las arcillas calcinadas en su reactividad. Tal es el caso de las investigaciones desarrolladas por Fernández (2009), las cuales demostraron como a medida que aumenta la temperatura de calcinación existe una caída en la superficie específica del material y por ende en la reactividad del mismo. (19) Por otro lado, estas adiciones se caracterizan por tener una alta reactividad y reducir las consecuencias de las reacciones álcalis-agregado las cuales pueden provocar la expansión del hormigón y su deterioro. Contienen sílice reactiva, la cual finalmente dividida, reacciona rápidamente con los álcalis de la solución del poro. (8). , disminuyendo el poder destructivo del gel en la matriz. cementante. Sin embargo, la efectividad está en función de la cantidad de fase amorfa y de las características micro-estructurales de la puzolana.. (20, 34). El Metacaolín (MK) se ha estado investigando como material puzolánico en las últimas décadas debido a su composición química, Al2Si2O7, y a su estructura cristalina amorfa .El metacaolín es un material cementante suplementario, dado que es un aluminosilicato activado térmicamente, que se produce al calcinar el caolín a temperaturas alrededor de 700 0 C y 900 0 C. Estos estudios demuestran que no solo es importante la temperatura sino también el tiempo de estadía, condiciones del horno, tamaño de partícula y pureza del caolín. Es 25.

(41) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. importante señalar que a temperaturas mayores de 950 0 C decae la actividad puzolánica del metacaolín. La actividad puzolánica del metacaolín se evidencia cuando se obtiene un material con una serie de ventajas con respecto al cemento pórtland ordinario sin adiciones tales como: 1. Incremento de las propiedades mecánicas especialmente a edades tempranas. 2. Aumento de la resistencia al ataque de los sulfatos. 3. Incremento de la resistencia a la reacción álcali –sílice. 4. Disminución de la permeabilidad y de la corrosión del acero de refuerzo. (14) Varios han sido los estudios o aplicaciones de las arcillas calcinadas como sustituyentes del Cemento Pórtland Ordinario. (19). . Diversos investigadores han. demostrados el efecto de este material en sistemas cementicios, los cuales han probado indistintamente diversos valores de sustitución. En su gran mayoría aparecen sustituciones hasta un 30% como valor máximo. 1.1.6 Efecto de las arcillas calcinadas en los hormigones. 1.1.6.1. Efecto en las Propiedades mecánicas.. Existe un conceso generalizado en que los principales aportes del metacaolín en las propiedades mecánicas de pastas, morteros y hormigones se concentran en un refinamiento de la estructura de poros, reducción de la retracción química y autógena y el favorecimiento del desarrollo de la resistencia a la compresión. Refinamiento de la estructura de poros. Varios autores han estudiado la influencia del metacaolín en la microestructura y en las propiedades de difusión de las pastas y hormigones de cementos mezclados. (12) 26.

(42) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. Dentro de sus resultados se muestra la reducción significante del tamaño promedio de poro cuando el cemento es sustituido por un 20% de MK. También fue encontrado que el MK es efectivo en la reducción del grado de difusión de los iones cloruro (Cl-) y sodio (Na+) en morteros, así como en reducir el grado de absorción de agua en estos. Algunos autores han estudiado la estructura del poro de pastas de cemento, conteniendo un 15% MK, usando la intrusión de mercurio. Fue encontrado que la proporción de poros de radios menores de 0.02 µm dentro de las pastas con MK aumentan satisfactoriamente. El grado de refinamiento del poro después de los 14 días de curado es muy rápido, ocurriendo una disminución del tamaño de los poros. Sin embargo, aunque el volumen del poro total disminuye con el aumento del tiempo de curado, fue encontrado que aumenta con el aumento del volumen del metacaolín. (12) La retracción química y la retracción autógena. Se han hecho estudios sobre la retracción química y la autógena así como la expansión de las pastas de cemento con adiciones de metacaolín en un rango de sustitución de 5 a 25 %.La retracción autógena aumenta con contenidos de metacaolín de hasta 10%. y. disminuye para mayores volúmenes de. metacaolín. La reducción de la retracción autógena, la retracción química y la expansión sustancial en el agua, para las pastas con altos contenidos de metacaolín, en relación con las de bajo contenido, se atribuye, a la formación de una mayor cantidad de productos de hidratación como gelenita (C2ASH8) y de cantidades reducidas de C4AH13. Resistencia a compresión. En estudios realizados sobre el desarrollo de la resistencia del hormigón que contienen metacaolín, se ha demostrado que, el uso adecuado de este facilita un. perfeccionamiento considerable en la resistencia a compresión,. principalmente en edades tempranas de curado. Los hormigones de cemento pórtland con adiciones de metacaolín han exhibido resistencias ligeramente 27.

(43) Capítulo 1. Estado del arte de la utilización de adiciones puzolánicas para la obtención de hormigones y su durabilidad. mayores que los hormigones de cemento pórtland con sílica fume,. con los. mismos niveles de remplazo de cemento por puzolanas. Existen tres factores elementales que influyen en el aumento de la resistencia de los hormigones con adiciones de metacaolín: 1. Efecto de relleno (filler), el cual es inmediato.. 2. Aceleración del proceso de hidratación del cemento portland, el cual ocurre dentro de las primeras 24 horas.. 3. La reacción puzolánica, la cual tiene su máximo efecto entre los 7 y 14 primeros días para todos los niveles de metacaolín entre 5% y 30%.. Estudios han demostrado la influencia de La temperatura de curado en el desarrollo de la resistencia de los hormigones que contienen hasta un 15% de metacaolín. Estos plantean como altas temperaturas (50ºC) de curado favorecen el aumento de la resistencia a la compresión. Un estudio reciente ha mostrado que el uso de la sílica fume, el fly ash y el metacaolín, tiene efecto en la retardación del tiempo de fraguado en hormigones de alta resistencia. De manera general cuando los niveles de remplazo de las puzolanas se incrementan va a ocurrir una mayor retardación del tiempo de fraguado. Sin embargo, para hormigones con metacaolín, los incrementos de los tiempos de fraguado se dieron solamente para valores de sustitución hasta 10%.(12) 1.1.6.2. Efecto en la durabilidad.. Como se ha mencionado, existe una fuerte evidencia que el metacaolín influye considerablemente en la estructura de poros de pastas y morteros, produciendo. un. importante. refinamiento. de. poros.. Esto. conlleva. a. modificaciones significantes en las propiedades de transporte de agua y en los niveles de difusión de iones agresivos hacia el interior del material.. 28.