Morteros de cemento con nano-adiciones de sílice, hierro y alúmina
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(3) Lo que haces es lo que eliges tú. Lo que eres es lo que te elige a ti.. III.
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(5) Agradecimentos En primer lugar me gustarı́a agradecer al Dr. Jaime Gálvez la confianza depositada en mı́ para realizar este Trabajo Fin de Máster, ası́ como su interés y entrega mostrada en todo momento. También quisiera mostrar mi gratitud hacia la Dra. Amparo Moragues por sus ideas siempre provechosas. Por supuesto, este trabajo no hubiera sido posible sin la colaboración de todo el equipo del laboratorio de ingenierı́a de la construcción y el laboratorio de quı́mica, a todos ellos, muchas gracias. En segundo lugar me gustarı́a mencionar a los compañeros del máster Daniel Heras y Santiago Rojo, siempre dispuestos a ayudar. Por último, quisiera mostrar mi enorme agradecimiento a mis padres, los cuales me han brindado la oportunidad de realizar este máster y a Tamara, por estar tan cerca desde tan lejos.. V.
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(7) Resumen A lo largo de los últimos años, la ingenierı́a de la construcción ha seguido una tendencia creciente en lo que se refiere a la exigencia de altas prestaciones en los materiales empleados en obra, siendo el hormigón el material por excelencia. Es bien conocido que la capacidad de mejora de las prestaciones de los materiales está estrechamente ligada al desarrollo tecnológico existente en ese tiempo. En la actualidad, de entre todos los avances tecnológicos, cabe destacar la nanotecnologı́a, ciencia que trabaja con elementos de tamaño 10−9 y que en los últimos años está siendo el motor de las investigaciones en el campo de la construcción. De entre todas las nano-adiciones existentes cabe destacar la nano-sı́lice, estudiada por numerosos investigadores y que goza de un gran número de artı́culos cientı́ficos. En cambio, existen otras nano-adiciones que no han tenido tanta aceptación o se encuentran en un segundo plano, como son la nano-hierro y la nano-alúmina. Es por tanto objeto de este Trabajo Fin de Máster: estudiar el efecto de la incorporación en diferentes proporciones de nano-adiciones de sı́lice, hierro y alúmina a un mortero de cemento convencional, mediante una campaña experimental realizada en el seno del Departamento de Ingenierı́a de la Construcción de la ETSICCP de la Universidad Politécnica de Madrid.. VII.
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(9) Índice general 1. PRESENTACIÓN Y OBJETIVOS. 1. 2. ESTADO DEL ARTE 2.1. Los hormigones con nano-adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. La nanotecnologı́a en la industria de la construcción . . . . . . . 2.1.2. Fabricación y puesta en obra de hormigones con nano-adiciones 2.1.2.1. Dosificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2.2. Puesta en obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Campo de aplicación de los hormigones con nano-adiciones . . . 2.1.4. Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Materiales para la fabricación de hormigones . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. El cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1. Componentes principales del cemento . . . . . . . . . . 2.2.1.2. Componentes secundarios del cemento . . . . . . . . . 2.2.1.3. La hidratación del cemento . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.4. Clasificación del cemento . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.5. Clasificación del cemento Portland . . . . . . . . . . . 2.2.2. Los áridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1. El árido fino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2. El árido grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. El agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.1. La relación agua/cemento . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. El filler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5. Las adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.1. El humo de sı́lice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.2. Las cenizas volantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5.3. Las escorias de alto horno . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6. Las nano-adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.1. La nano-sı́lice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.2. La nano-hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6.3. La nano-alúmina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7. Las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.1. Fibras de poliolefina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.2. Fibras de acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7.3. Fibras de vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8. Los aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8.1. Los superplastificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8.2. Los modificadores de viscosidad . . . . . . . . . . . . . IX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3 3 4 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 13 13 14 15 15 15 15 16 16 17 17 18 19 19 21 24 25 26 27 27 28 29 29.
(10) ÍNDICE GENERAL. 3. CAMPAÑA EXPERIMENTAL DE LABORATORIO 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Materiales y dosificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Arena normalizada CEN . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Nano-sı́lice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.5. Nano-hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6. Nano-alúmina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.7. Superplastificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Fabricación y preparación del mortero . . . . . . . . . . 3.3.1. Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Amasadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2.1. Amasado del mortero . . . . . . . . . . 3.3.3. Molde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1. Ensayo de resistencia a flexo-tracción . . . . . . . 3.4.1.1. Descripción del procedimiento del ensayo 3.4.2. Ensayo de resistencia a compresión simple . . . . 3.4.2.1. Descripción del procedimiento del ensayo 3.4.3. Porosimetrı́a por intrusión de mercurio (PIM) . . 3.4.3.1. Descripción del procedimiento del ensayo 3.4.4. Análisis térmico diferencia (ATD) . . . . . . . . . 3.4.4.1. Descripción del procedimiento del ensayo 3.4.5. Resistividad eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.5.1. Descripción del procedimiento del ensayo 3.4.6. Resumen-esquema de ensayos realizados . . . . . 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA CAMPAÑA 4.1. Resistencia a compresión . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Resistencia a flexo-tracción . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Resistividad eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Porosimetrı́a por intrusión de mercurio (PIM) . . . . 4.5. Análisis térmico diferencial (ATD) . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. EXPERIMENTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31 31 31 32 32 32 32 33 33 33 34 34 34 35 36 37 38 38 39 39 39 41 43 46 47 48 49 51. . . . . .. 53 53 56 58 59 62. 5. CONCLUSIONES. 69. 6. DESARROLLOS FUTUROS. 73. ACRÓNIMOS. 75. BIBLIOGRAFÍA 77 6.1. Artı́culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.2. Normativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.3. Otras referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79. X. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(11) Índice de tablas 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8.. Dosificación en tanto por cien del peso de cemento de las nano-adiciones. Distribución granulométrica de la arena de referencia CEN. . . . . . . . . Caracterı́sticas de la nano-sı́lice empleada, Levasil 200/40 %. . . . . . . . Caracterı́sticas de la nano-alúmina empleada [Vicar ]. . . . . . . . . . . . Velocidades de la pala mezcladora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensayos realizados para la caracterización de los morteros . . . . . . . . . Rangos de temperaturas para la identificación de compuestos hidratados. Penetrabilidad del mortero/hormigón frente a cloruros. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. 31 32 32 33 35 38 46 50. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9.. Resistencia a compresión. . . . . . . . . . . . . . . Resultados del ensayo de resistividad eléctrica . . . Diámetro crı́tico y diámetro umbral de los morteros. Porosidad total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Distribución del tamaño de poros. . . . . . . . . . . Resultados cuantitativos del ensayo ATD. . . . . . Resultados porcentuales del ensayo ATD. . . . . . . Agua quı́micamente enlazada. . . . . . . . . . . . . Grado de hidratación de la pasta de cemento. . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 53 58 61 61 61 65 65 66 66. XI. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . ..
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(13) Índice de figuras 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9.. Imagen de MEB de unos cristales hexagonales de portlandita. [30] . . . . . . . . Imagen de MEB de una formación de etringita dentro de un poro. [30] . . . . . . Esquema del proceso de hidratación de un grano de cemento policristalino. [30] . Zona interfacial árido-pasta de cemento hidratado. . . . . . . . . . . . . . . . . . Humo de sı́lice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ceniza volante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Escorias de alto horno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nano-hierro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porosidad total presentada en diferentes morteros de cemento con distintas dosificaciones de nano-hierro. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Resistencia a compresión simple presentada en diferentes morteros de cemento con distintas dosificaciones de nano-hierro. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Fibras de poliolefina. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Fibras de acero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13. Fibras de vidrio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Recipiente y pala tipo de la amasadora. 1 recipiente. 2 pala. . . . . . . . . . . . 3.2. Ejemplo de molde tı́pico. 1: Indicación de la dirección de ensasado con movimientos de sierra. Dimensiones en mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Ejemplo de compactadora tı́pica. 1 martinete. 2 rodillo de la leva. 3 leva 4 Tope yunque. Dimensiones en mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Dispositivo de carga para la determinación de la resistencia a flexión. Dimensiones en mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Ensayo de flexo-tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Rotura a flexo-tracción de una probeta de mortero de cemento con nano-adiciones a 2 dı́as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Ensayo RCS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Rotura RCS de una probeta de mortero de cemento con nano-adiciones a 2 dı́as. 3.9. Esquema de los procedimientos realizados por penetrómetro de mercurio. [19] . . 3.10. Representación esquemática del ángulo de contacto con lı́quidos. . . . . . . . . . 3.11. Porosı́metro Micromeritics, modelo Autopore IV 9599. . . . . . . . . . . . . . . 3.12. Detalle del portamuestras con intrusión de mercurio. . . . . . . . . . . . . . . . 3.13. Intrusión/extrusión de mercurio en una muestra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.14. ATD SETARAM Labsys EVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.15. Esquema de funcionamiento del ensayo de resistividad. . . . . . . . . . . . . . . 3.16. Equipo GIATEC modelo RCON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.17. Resumen-esquema de ensayos realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10 11 11 12 17 18 19 22 22 24 26 27 28 35 36 37 38 39 40 40 41 42 43 44 45 45 48 49 49 51. 4.1. Resistencia a compresión simple del mortero de referencia. . . . . . . . . . . . . 54 4.2. Resistencia a compresión simple del mortero de dosificación NS[2]-NF[3]-NA[3]. . 54 XIII.
(14) ÍNDICE DE FIGURAS. 4.3. Resistencia a compresión simple del mortero de dosificación NS[2]-NF[1]-NA[5]. . 4.4. Comparativa de resultados de resistencia a compresión de los morteros ensayados. 4.5. Comparativa de resultados de resistencia a compresión de los morteros ensayados (II). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Resistencia a flexo-tracción del mortero de dosificación NS[2]-NF[3]-NA[3]. . . . 4.7. Resistencia a flexo-tracción del mortero de dosificación NS[2]-NF[1]-NA[5]. . . . 4.8. Comparativa de resultados de resistencia a flexo-tracción de los morteros con nano-adiciones ensayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Volumen acumulado de mercurio intruido vs diámetro de poro. . . . . . . . . . . 4.10. Logaritmo diferencial del volumen de mercurio intruido vs diámetro de poro. . . 4.11. Porosidad total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.12. Distribución del tamaño de poro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.13. Resultado del análisis ATD de la probeta DR (mortero de referencia). . . . . . . 4.14. Resultado del análisis ATD de la probeta NS[2]-NF[3]-NA[3]. . . . . . . . . . . . 4.15. Resultado del análisis ATD de la probeta NS[2]-NF[1]-NA[5]. . . . . . . . . . . . 4.16. Resultado ensayo ATD: Pérdida total de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.17. Resultado ensayo ATD: Pérdida de agua de gel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18. Resultado ensayo ATD: Pérdida de agua de portlandita. . . . . . . . . . . . . . 4.19. Resultado ensayo ATD: Pérdida de masa por descarbonatación. . . . . . . . . . 4.20. Grado de hidratación de la pasta de cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.21. Relación porcentual de pérdidas de agua de gel [ATD]. . . . . . . . . . . . . . . 4.22. Relación porcentual de pérdidas de agua de portlandita [ATD]. . . . . . . . . . .. XIV. 54 55 56 56 57 57 59 60 60 61 62 62 63 63 64 64 65 67 68 68. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(15) Capı́tulo 1. PRESENTACIÓN Y OBJETIVOS En la actualidad, la gran mayorı́a de estructuras, tanto en edificación como en obra civil están hechas de hormigón armado o pretensado. Independientemente del tipo de hormigón empleado, existen dos caracterı́sticas básicas a cumplir: resistencia y durabilidad, dos cualidades que han sido desarrolladas en los últimos años, bien mediante el desarrollo de nuevos materiales, o incorporando elementos provenientes de otras industrias al proceso de fabricación que hasta ahora no se habı́an tenido en cuenta y eran considerados deshechos industriales. De entre todos los avances tecnológicos, cabe destacar el campo de la nanotecnologı́a, ciencia que trabaja con nanomateriales, elementos de tamaño 10−9 metros; estos materiales hoy en dı́a se encuentran en periodo de prueba y experimentación en laboratorio. Todo lo dicho anteriormente, conduce hacia la idea de desarrollar hormigones que permitan ganar mayores prestaciones teniendo en cuenta que sus propiedades dependen en gran medida de las proporciones y calidad de los componentes presentes en la mezcla, siendo posible añadir a la tecnologı́a convencional del hormigón, los avances de la nanotecnologı́a, que a dı́a de hoy se presenta como firme candidata a abrir la puerta del futuro en este campo en lo que conviene a resistencia y durabilidad. En este trabajo se va a estudiar el efecto de la incorporación de nano-adiciones de sı́lice, hierro y alúmina a un mortero de cemento convencional. La nano-sı́lice es una adición que ya ha sido utilizada en numerosos estudios, en los que se han constatado las ventajas que aporta al conjunto, ya que debido a su actividad puzolánica favorece la ganancia de resistencias. En cambio, la nano-hierro es una adición menos utilizada, no conociéndose exactamente su comportamiento a nivel microestructural, pero que debido a su naturaleza, puede tener un efecto filler en la pasta de cemento, beneficioso de cara a mejorar la durabilidad. Por otra parte, la nano-alúmina es una adición con mayor presencia que el nano-hierro, con propiedades puzolanas, que favorecerán las reacciones de hidratación y aumento de resistencias. Con tal de poder conocer el comportamiento y los efectos de las nano-adiciones presentadas, se realizará un estudio teórico mediante la revisión del estado del conocimiento existente y un estudio experimental mediante ensayos de resistencia y ensayos propios de caracterización del comportamiento microestructural de los morteros. Mediante estos ensayos se estará en condiciones de evaluar el comportamiento mecánico resistente, la estructura de los compuestos hidratados del cemento y el comportamiento ante la penetración de agentes externos, ası́ como la cantidad y distribución de poros en la muestra.. 1.
(16) CAPÍTULO 1. PRESENTACIÓN Y OBJETIVOS. El lector puede distinguir en el presente trabajo 3 partes diferenciadas: 1. Estado del arte: En primer lugar se revisará el estado del conocimiento en lo referente a los hormigones y morteros con nano-adiciones de sı́lice, hierro y alúmina, teniendo en cuenta las diferentes dificultades del problema, revisando los antecedentes históricos y resultados obtenidos por otros autores, aplicaciones, caracterı́sticas de los materiales, dosificaciones empleadas, etc. 2. Campaña experimental de laboratorio: En segundo lugar se presenta la campaña de laboratorio, donde se analizará el comportamiento de los morteros estudiados con las diversas dosificaciones empleadas, tanto en resistencia, conductividad y permeabilidad. Se realizará una breve presentación de los ensayos realizados y la metodologı́a empleada. 3. Análisis y conclusiones: En tercer lugar se realizará el análisis de resultados obtenidos en los ensayos realizados en la campaña de laboratorio, estudiando las ventajas e inconvenientes que presentan las diferentes dosificaciones empleadas, tanto en resistencia como en durabilidad. 4. Desarrollos futuros: Por último, en base a los resultados obtenidos en la campaña experimental, se propondrán algunas ideas y lı́neas de investigación de interés de cara a nuevas investigaciones.. 2. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(17) Capı́tulo 2. ESTADO DEL ARTE No se puede plantear desarrollo de ninguna clase, sea teórico o práctico, sin mirar previamente el legado que han depositado los grandes cientı́ficos e ingenieros, tanto del pasado como contemporáneos. En este capı́tulo se revisará el conocimiento de los hormigones con nano-adiciones de sı́lice, hierro y alúmina, partiendo de los antecedentes históricos hasta el tiempo reciente, ası́ como los aspectos básicos en cuanto a materiales y tecnologı́a que rodea el campo del hormigón. Como comentario adicional, es necesario recalcar que este trabajo está referenciado dentro de un estudio experimental de morteros con nano-adiciones, pero los resultados que se obtengan son extrapolables al comportamiento de hormigones1 , ya que el uso de estas nanopartı́culas va a estar directamente relacionado con el comportamiento de la masa cementı́cia. Por tanto, prescindir de los elementos propios que diferencian un hormigón y un mortero (árido grueso) es muy útil en cuanto a coste y manipulación de materiales en el laboratorio. Por todo ello, el estado del arte estará enmarcado dentro del conocimiento de los hormigones, tanto convencionales como de altas prestaciones y con o sin nano-adiciones.. 2.1.. Los hormigones con nano-adiciones. El hormigón se puede considerar como el material más utilizado en la empresa de la construcción, el cual es sometido constantemente a revisión debido a la necesidad creciente de construir estructuras más durables y resistentes. Actualmente, es el campo de la nanotecnologı́a en donde las investigaciones se han incrementado y el cual ya ha proporcionado algunas soluciones con nano-adiciones de sı́lice y alúmina, y en menor medida con nano-adiciones de hierro. Hablar de hormigones con nano-adiciones es sinónimo de hablar de hormigones de alta resistencia o altas prestaciones (hormigones arquitectónicos, hormigones ligeros, etc), ya que existen otros muchos factores además de la resistencia que deben tenerse en cuenta en construcciones singulares, por ejemplo la durabilidad.. 1 Con ciertas precauciones, sobretodo en lo relativo a la posible dispersión introducida por la presencia de árido grueso en el hormigón.. 3.
(18) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. En realidad, tanto los hormigones de altas prestaciones o los hormigones convencionales son muy parecidos a los hormigones con nano-adiciones. Las nano-adiciones de nano-sı́lice, nano-alúmina y nano-hierro por su parte, cambian muy poco las condiciones del hormigón convencional, pero si mejoran otras caracterı́sticas como las ya mencionadas: Permeabilidad. Resistencia a la compresión. Resistencia a la tracción. Por un lado, dado el pequeño tamaño de estos nano-elementos, se podrı́a ser capaz de macizar la estructura de la matriz del hormigón y dependiendo de la naturaleza de los mismos, se podrı́a controlar el desarrollo de los procesos que sufre la matriz cementı́cia y zonas de interfase, definiendo de forma más precisa las caracterı́sticas tanto a corto como a largo plazo del hormigón, y por tanto controlando la evolución del mismo durante toda la vida útil. Debe recordarse que la principal caracterı́stica del hormigón convencional es su resistencia a los esfuerzos de compresión, y por contra, presenta deficiencias de comportamiento frente a otro tipo de esfuerzos como la tracción, flexión, etc.2 2.1.1.. La nanotecnologı́a en la industria de la construcción. Desde hace cientos de años hasta el dı́a de hoy se ha empleado en la construcción tradicional: piedra, madera, acero y hormigón; materiales que cumplen adecuadamente su función pero que bajo ciertas circunstancias presentan algunos inconvenientes. Por ejemplo la madera requiere de grandes inversiones en mantenimiento, el acero presenta problemas de corrosión, etc. Por tanto es necesario renovar la tecnologı́a disponible y por ello la nanotecnologı́a se ha implantado en el área de la construcción como vı́a para la mejora de los materiales y técnicas de construcción. Por nanotecnologı́a se entiende el estudio, diseño, creación y aplicación de materiales a escala nanométrica (10−9 ) a través del control de la materia, reordenando los átomos y la estructura molecular. Por tanto la nanotecnologı́a reportará materiales más ligeros, resistentes, con menor impacto medioambiental e incluso autoadaptables e inteligentes. La nanotecnologı́a no sólo interviene dentro del campo del hormigón, además está presente en la industria quı́mica de las pinturas y barnices, en la industria del reciclaje, en la industria de los adhesivos, en la industria del vidrio, entre otros. En la actualidad ya existen nanomateriales o nanopartı́culas de TiO2 de especial relevancia para la industria de la construcción. Su aplicación a los vidrios, ventanas y azulejos permite limpiar, disolver y eliminar los gases tóxicos que contaminan el aire, al ser expuestos a rayos solares y a la lluvia. Cuando los rayos UV entran en contacto con el dióxido de titanio se produce una reacción catalı́tica que destruye las partı́culas contaminantes. [11]. 2 Este es el motivo por el cual es habitual asociar el material hormigón a otros como las armaduras de acero, asociación que recibe el nombre de hormigón armado en el caso de armaduras pasivas y hormigón pretensado en el caso de armaduras activas.. 4. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(19) 2.1. LOS HORMIGONES CON NANO-ADICIONES. En el caso que ocupa este trabajo, la incorporación de nanopartı́culas en los materiales base cemento es una práctica cuyo interés ha ido en aumento en la última década. Algunas de las nano-adiciones que se emplean en el área de la ingenierı́a civil son: óxidos de sı́lice, titanio, alúmina y hierro. La naturaleza del tipo de adición a elegir depende de las propiedades que se quieran mejorar o conferir al material. 2.1.2.. Fabricación y puesta en obra de hormigones con nano-adiciones. Como se ha expuesto en lı́neas anteriores, un hormigón con nano-adiciones no dista en exceso de un hormigón convencional, por tanto la fabricación y puesta en obra del mismo no vendrá condicionada por la presencia de nano-adiciones. En el caso de hormigones de alta resistencia es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones [29]: La fase de amasado deberá prolongarse en el tiempo respecto a un hormigón convencional. La fase de transporte se realizará con un camión hormigonera siendo aconsejable no llenar toda la cuba y teniendo en cuenta el tiempo de actuación del superfluidificante. 2.1.2.1.. Dosificación. Dentro del campo de los hormigones convencionales, una dosificación adecuada vendrá condicionada por los siguientes factores [21]: Factores resistentes. Factores asociados a la fabricación y puesta en obra. Factores de ambiente. Dentro del campo de los materiales, algunos factores a tener en cuenta en el proceso de dosificación son: Tipo de cemento. Tipo de árido. Tamaño máximo del árido. Composición granulométrica del árido. Relación agua/cemento. Requerimiento de aditivos.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 5.
(20) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. En el caso de hormigones de alta resistencia habrá que tener las precauciones habituales de dicha tipologı́a [29]: Cementos de resistencia elevada (42.5-52.5) con una dosificación alta, del orden de 400-500 kg/m3 . Áridos de calidad, preferentemente gruesos, machacados, limpios y próximos a la forma cúbica. Áridos con un tamaño máximo inferior a 15 mm, siendo habitual 12 mm. Aditivos del tipo superfluidificante, con relaciones a/c inferior a 0.4 y consistencia fluida o lı́quida. La dosificación es de 3 a 5 veces la empleada en hormigones convencionales. En el caso de hormigones de altas prestaciones, adicionar humo de sı́lice, en proporciones hasta del 15 %. En cuanto a la dosificación de las nano-adiciones, se realizará en las proporciones recomendadas y estudiadas en laboratorio, teniendo en cuenta el modo de presentación, si este es lı́quido habrá que tener dicha agua en cuenta en la cantidad total de la mezcla. Se añadirán como si de un aditivo común se tratase. 2.1.2.2.. Puesta en obra. En cuanto proceso de puesta en obra, los medios serán los empleados habitualmente en un hormigón convencional para los procesos de colocación de armaduras, encofrados, compactación, bombeo (en su caso), curado, desencofrado, etc. Todos estos procesos sı́ que estarán condicionados por las caracterı́sticas generales de las obras (edificios altos, túneles, etc.) y del tipo de hormigón empleado (convencional, autocompactante, etc.), independientemente de la presencia de nano-adiciones en la mezcla. 2.1.3.. Campo de aplicación de los hormigones con nano-adiciones. Los campos de aplicación del hormigón convencional y del hormigón con nano-adiciones no difieren desde un punto de vista general, pudiéndose encontrar entre otras, las aplicaciones tipo muros, carreteras, presas, edificios, diques, prefabricados, etc. Evidentemente el empleo de nano-adiciones conlleva unas mejoras de carácter resistente y de durabilidad en la práctica totalidad de los casos, mejorando la calidad de los elementos empleados en las aplicaciones antes mencionadas, pudiéndose optimizar notablemente el diseño de dichos elementos. 2.1.4.. Normativa. La normativa vigente en cuanto a hormigones con nano-adiciones es la misma que en el caso de hormigones convencionales. En el ámbito español está vigente la Instrucción Española de Hormigón Estructural (EHE-08) [34], aprobada por el Real Decreto 1247/2008 de 18 de julio. En el ámbito Europeo se trabaja con el Eurocódigo 1 y el Eurocódigo 2.. 6. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(21) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. 2.2. 2.2.1.. Materiales para la fabricación de hormigones El cemento. El cemento es un conglomerante hidráulico, un material inorgánico finalmente molido que amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad incluso encontrándose bajo el agua. El cemento es el material que permite la unión de los áridos en la masa de hormigón y se emplea para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con agua y áridos, obteniéndose con el conjunto de ellos elementos constructivos prefabricados o construidos in situ. El cemento más usado en la construcción es el cemento Portland, formado por la molienda conjunta del producto resultante de la cocción de una mezcla caliza y arcilla que recibe el nombre clı́nker y de un material empleado como regular de fraguado que generalmente es yeso dihidratado. Dentro de los diferentes componentes del cemento, podemos mencionar dos grupos de componentes. Se presentan a continuación.. 2.2.1.1.. Componentes principales del cemento. El clı́nker es el principal componente del cemento Portland y presenta los siguientes compuestos básicos: Silicato tricálcico (C3 S): También conocido como Alita, es el principal responsable de las resistencia del cemento, y particularmente de las resistencias iniciales. Entre sus propiedades se puede mencionar que desarrolla su resistencia en perı́odo aproximado de una semana y el calor de hidratación desarrollado es alto, alcanzado los 502 kJ/Kg. [15] Silicato bicálcico (C2 S): También conocido como Belita. La ganancia de resistencia se acomete en el tiempo, siendo muy pequeña en los primeros dı́as de vida del hormigón y aumentando progresivamente hasta alcanzar las mismas otorgadas por el silicato tricálcico. El calor de hidratación producido es mas bajo que en el caso anterior, del orden de 250 kJ/Kg. [15] Aluminato tricálcico (C3 A): Es un componente que actúa como catalizador, contribuyen a las resistencias iniciales en presencia de los silicatos antes mencionados. Su hidratación en contacto con el agua es muy rápida y desarrolla un elevado calor de hidratación, 866 kJ/Kg. Para retrasar su actividad se añade un regulador de fraguado que habitualmente es yeso. Los cementos con alto contenido de (C3 A) dan lugar a pastas, morteros y hormigones muy sensibles al ataque por sulfatos y otros agentes agresivos. [15] Ferrito aluminato tetracálcico (C4 AF): También conocido como Celita. Es un componente que influye poco en la resistencia del mortero. Actúa como fundente en el horno y a él se debe el color gris verdoso del cemento. En cementos blancos su contenido debe ser menor del 0.5 %. Presenta un calor de hidratación del orden de 418 kJ/kg. [15] Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 7.
(22) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. De los componentes mencionados anteriormente, los silicatos son los componentes principales del cemento, sumando un porcentaje del total de alrededor del 80 % de los compuestos, siendo a su vez los responsables de la resistencia del cemento Portland; mientras que el (C3 A) suele variar entre el 2 y el 14 % y el contenido de (C4 AF) normalmente es del 10 %. [15] 2.2.1.2.. Componentes secundarios del cemento. Como componentes secundarios del cemento Portland, se puede mencionar [15]: Óxido de cal (CaO): Defecto de fabricación. Muy expansiva. Óxido de magnesio (MgO): Procede de las calizas con (MgCO3 ). Muy expansivo. Trióxido de azufre (SO3 ): Proviene de la materia prima y del combustible. Perjudicial debido a la expansividad. Álcalis (K2 O) y (Na2 O): Peligroso debido a las reacciones árido-álcali. 2.2.1.3.. La hidratación del cemento. El endurecimiento y fraguado del hormigón son el resultado de procesos quı́micos y fı́sicos entre el cemento Portland y el agua. Dicho proceso recibe el nombre de hidratación del cemento. Las reacciones quı́micas de hidratación de los compuestos del cemento condicionan en gran medida las microestructuras que se desarrollarán posteriormente. Desde un punto de vista quı́mico, las reacciones de hidratación son un complejo proceso de disolución-precipitación en el que se disuelven los componentes más solubles del cemento anhidro, formando una fase acuosa iónica a partir de la cual y, en función del grado de saturación de dichos iones, precipitarán los hidratos correspondientes en forma de coloides o hidratos cristalinos. [30] Para poder entender los procesos quı́micos que determinan el fraguado del cemento, es necesario estudiar la hidratación de cada uno de los minerales del clı́nker de forma independiente. Esto supone que la hidratación de cada compuesto es un proceso independiente de los otros procesos que tienen lugar durante la hidratación del cemento. Esta premisa es una suposición y no siempre es válida, ya que las reacciones entre los compuestos de hidratación pueden tener consecuencias importantes pero, al menos con respecto a la hidratación de los silicatos, la suposición es notablemente representativa. La hidratación separada de cada componente del cemento Portland ocurre de la siguiente forma [3][15]: Silicato tricálcico: Reacciona rápidamente con el agua produciéndose C3 S2 H3 (tobermorita) y Ca(OH)2 (portlandita), en forma simplificada CH, según las reacciones: 2C3 S + 6H2 O = C3 S2 H3 + 3CH. (2.1). Silicato bicálcico: Reacciona más lentamente a diferencia del silicato tricálcico, produciendo la misma cantidad de tobermorita pero menos cantidad de portlandita: 2C2 S + 4H2 O = C3 S2 H3 + CH 8. (2.2). Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(23) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. Aluminato tricálcico: La hidratación es muy rápida debido al gran poder de disolución que este presenta, produciendo un endurecimiento muy rápido de la pasta. Para disminuir la velocidad de fraguado presente en esta reacción, se añade un retardador de fraguado que generalmente es yeso dihidratado (3CSH̄2 ) y formando a su vez etriginta (C3 A · 3CS̄H31 ). La reacción de este componente puede escribirse como: C3 A + 6H2 O = C3 AH6 3C S̄H2 + C3 A + 25H2 O = C3 A · 3C S̄H31. (2.3). Ferrito aluminato tetracálcico (C4 AF): Reacciona con el agua dando aluminatos de calcio hidratados cristalizados y ferrito de calcio hidratado amorfo, ası́ como hidróxido de hierro. Como se ha mostrado anteriormente, los compuestos generados mayoritariamente durante el proceso de hidratación son el gel C-S-H (tobermorita) y la portlandita. Además de estos componentes mayoritarios aparecen otra serie de compuestos, como la etringita, monosulfoaluminatos hidratados y otros compuestos hidratados. La tobermorita es el componente mayoritario de la pasta de cemento hidratado, constituyendo un 50-60 % del volumen total de la pasta de cemento hidratado. La nomenclatura C-S-H representa a un compuesto de estequiometrı́a no definida, pudiendo presentar relaciones Ca/Si que varı́an de 1.7 a 2.0 y contenidos de agua estructural muy diferentes. El gel de C-S-H es un silicato amorfo que puede sufrir sustituciones isomórficas, admitiendo en su estructura cantidades considerables de otros iones fundamentalmente Fe y Al. [30] Existen diferentes modelos y teorı́as que tratan de explicar la estructura del gel C-S-H. Los modelos básicos sobre su estructura -el de Brunauer [7] y el de Feldman-Sereda [14]lo describen como un gel pobremente cristalizado que forma ensamblados laminares unidos mediante fuerzas de Van der Walls, con poros de diámetros inferiores a 0.4 nm rellenos de agua. Más recientemente se ha desarrollado un modelo que describe las caracterı́sticas del gel en la escala 1-100 nm. [18][32]. Este modelo propone la existencia de dos tipos de gel C-S-H diferenciados, definidos como de alta y baja densidad. La existencia de estos dos tipos de gel C-S-H, ha sido justificada recientemente mediante datos de módulos elásticos de gel C-S-H, obtenidos a través de nano-identación3 . Junto con la matriz de gel C-S-H, otras fases que aparecen de modo habitual en la pasta de cemento hidratado son la portlandita, los sulfoaluminatos cálcicos y el cemento sin hidratar. Estos cuatro componentes de la pasta no son independientes entre sı́, dado que se encuentran interrelacionados por los diversos equilibrios de solubilidad que tienen lugar entre la matriz de cemento hidratado y la fase acuosa de los poros. 1. Portlandita: También llamado hidróxido cálcico, constituye en el 20-25 % del volumen de la pasta de cemento hidratado. Al contrario que el gel C-S-H, tiene un estequiometrı́a definida y es un compuesto cristalino que tiende a formar grandes cristales de simetrı́a hexagonal o prismática, en función del espacio disponible para su formación, temperatura e impurezas del sistema. Presenta una estructura en capas. Habitualmente aparece formando nódulos heterogéneamente repartidos en la pasta de cemento. En comparación con el gel C-S-H apenas contribuye a crear resistencia, debido a que su carácter enlazante es mı́nimo, por el mayor tamaño de sus cristales. 3 La. nano-indentación es un ensayo de dureza llevado a cabo a la escala de longitudes nanométricas.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 9.
(24) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Además es la responsable del pH fuertemente alcalino que tiene el hormigón (aproximadamente 12.5). Es importante procurar que los hidróxidos no reaccionen en grandes cantidades con el dióxido de carbono, ya que debido a esta reacción se produce carbonato cálcico, el cual disminuye el pH del hormigón y produce problemas de corrosión en las armaduras. Otro efecto producido por esta reacción es el cerramiento de poros de hormigón, produciendo ası́ un menor ataque por agentes agresivos a la matriz por la producción de carbonato cálcico. [30][3]. Figura 2.1: Imagen de MEB de unos cristales hexagonales de portlandita. [30]. 2. Sulfoaluminatos cálcicos: Estos compuestos constituyen un 15-20 % del volumen de la pasta de cemento hidratado y, aunque contribuyen en muy pequeña proporción a las resistencias del producto final, juegan un papel muy importante en la durabilidad en medios sulfatados. A edades cortas del proceso de hidratación, se forma principalmente la etringita (fase AFt), que a partir de las 24 horas de hidratación comienza a desaparecer dando lugar al monosulfoaluminato (fase AFm). [30] 3. Cemento sin hidratar: De modo teórico, cuando la relación a/c es mayor a 0.39 y para un tiempo muy grande, podrı́a darse la hidratación completa y no existirı́a cemento sin hidratar en la pasta de cemento hidratada. En la realidad, debido a la cinética de los procesos de hidratación, de las caracterı́sticas de los productos hidratados y las distribuciones de tamaño de grano del cemento, es casi imposible un grado de hidratación próximo al 100 %. Aproximadamente se conoce que en un tiempo cercano a 42 dı́as de hidratación, la mayor parte de las fases que componen el cemento han reaccionado en un porcentaje menor al 50 %. En los cementos, habitualmente se encuentran granos policristalinos que contienen diferentes fases que componen el cemento. Al entrar en contacto con el agua dan comienzo los procesos de hidratación. De forma habitual se produce la difusión de los iones desde los granos de cemento anhidro y la precipitación de los compuestos hidratados tiene lugar en la superficie de estos, como se puede observar en la figura 2.3.. 10. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(25) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. Figura 2.2: Imagen de MEB de una formación de etringita dentro de un poro. [30]. Figura 2.3: Esquema del proceso de hidratación de un grano de cemento policristalino. [30]. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 11.
(26) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Se puede constatar como se deja finalmente un corazón de cemento anhidro rodeado de productos hidratados. La fase final se corresponde con los 14 dı́as de hidratación. En este punto se ralentizan las velocidades de hidratación dada la densidad de los productos hidratados, que disminuyen la difusión. [30] La interacción árido-pasta Un fenómeno que hay que tener muy en cuenta en este trabajo es la interacción árido-pasta de los hormigones, desde un primer momento se ha dado por supuesto que la correlación entre el efecto de las nano-adiciones en un mortero de cemento y el que se producirı́a en un hormigón con la misma pasta de cemento,és directa, pero en la realidad no es del todo cierto. En estas lı́neas se pretende explicar cual es la distorsión que genera la presencia de los áridos en la masa de hormigón. La presencia de los áridos produce un incremento en la heterogeneidad del conjunto, ya que genera una distorsión en la distribución de los granos de cemento, con respecto a lo que serı́a la situación en una pasta de cemento pura. Uno de los primeros trabajos que presenta la distorsión creada en la superficie de los agregados es debido a Escadeillas y Maso [13], en el que indican que ésta es causada por el efecto pared que generan los áridos, por el cual en las cercanı́as de los agregados se da una deficiencia en la distribución de los granos de cemento anhidro. Este hecho provoca que se de un aumento de la relación a/c y de la porosidad en la superficie de los agregados, con lo que se disminuye notablemente la resistencia. Además, durante la compactación de estos materiales, se genera una acumulación de agua en los agregados. Los dos fenómenos anteriormente citados-deficiencia de cemento y aumento de la relación a/c en las inmediaciones de los áridos- condicionan que se puedan dar unas reacciones de hidratación en algún modo diferentes a lo que tendrı́an lugar en la globalidad de la matriz. De este modo, esta zona puede presentar un contenido deficitario de granos de cemento sin hidratar y un elevado contenido de cristales de portlandita y etringita. En la figura 2.4 se presenta un diagrama esquemático de las caracterı́sticas generales de la zona interfacial de transición. [30]. Figura 2.4: Zona interfacial árido-pasta de cemento hidratado.. 12. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(27) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES 2.2.1.4.. Clasificación del cemento. Los cementos contemplados en la instrucción española RC-08 [35] son los siguientes: Comunes. Especiales de muy bajo calor de hidratación. Albañilerı́a. Albañilerı́a blanco. Usos especiales. Resistentes a sulfatos. Resistentes al agua de mar. De aluminato de calcio. los cementos se pueden clasificar en función de sus componentes (tipos) o en función de su resistencia (clase). El número que identifica a la clase corresponde a la resistencia mı́nima aportada a compresión a los 28 dı́as, expresada en MPa, exceptuando los cementos con consideración especial en los que dicha resistencia es referida a los 90 dı́as. Los porcentajes en masa de los distintos tipos de cemento excluyen el regular de fraguado y los eventuales aditivos, no confundiendo dichos componentes con las adiciones. Ambas tipologı́as de componentes se presentarán en las siguientes secciones. 2.2.1.5.. Clasificación del cemento Portland. Esta tipologı́a de cemento es la más utilizada en la industria de la construcción. Su designación es mediante las siglas CEM y una codificación en números romanos que hacen referencia al tipo de cemento Portland empleado. Además, en la nomenclatura se presenta la resistencia mı́nima a compresión a los 28 dı́as (32.5-42.5-52.5) y una letra R, si es se adquieren resistencias iniciales altas o N refiriéndose a resistencias iniciales normales. Esta designación es la contemplada en la instrucción RC-08. [3][35] Además del cemento Portland en su estado más básico (CEM I), existen cementos Portland con adiciones incluidas en su composición, los cuales poseen un comportamiento intermedio entre los CEM I y los cementos con escorias de alto horno o cementos puzolánicos. Estos cementos tienen las mismas clases resistentes que los cementos tipo, se designan con las siglas CEM II, siguiéndose de una letra (A o B ) que indica el subtipo y otra letra (la correspondiente a la adición presente) que identifica el componente principal como adición al cemento; seguidamente se indica el valor de la resistencia mı́nima a los 28 dı́as y las letras R o N como en el caso de los cementos tipo I.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 13.
(28) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. La clasificación de los cementos Portland atendiendo a lo contemplado en la instrucción española RC-08 [35] es la siguiente: I: Cemento Portland. Cemento sin adiciones en su composición. II: Cemento Portland con adiciones. Para hormigones expuestos a ataques moderados por sulfatos, como en suelos y aguas subterráneas que tienen bajo contenido de sulfatos. IIA: Cemento Portland con adiciones e inclusor de aire. Utilizados en hormigones en exposición a la humedad durante ciclos hielo-deshielo. III: Cemento Portland con escorias de alto horno. Para hormigones donde se requieren altas resistencias a edades tempranas. IIIA: Cemento Portland con escorias de alto horno e inclusor de aire. Utilizados en hormigones que estén expuestos a la humedad durante los ciclos hielo-deshielo. IV: Cemento puzolánico. Para hormigones donde se requiere un calor de hidratación bajo. V: Cemento compuesto. Cemento con alta resistencia a la acción de los sulfatos. Uso general y construcción con una presencia alta de sulfatos. 2.2.2.. Los áridos. Los áridos son materiales granulares inertes formados por fragmentos de roca o arenas utilizados en la construcción (edificación e infraestructura) y en numerosas aplicaciones industriales. Coloquialmente son conocidos como arena, grava, gravilla, etc. Las propiedades de los áridos es decisiva para la resistencia a compresión y módulo de elasticidad de los hormigones de alta resistencia. En los hormigones convencionales el árido posee mayor resistencia y rigidez que la pasta de cemento, siendo caracterı́sticos los fallos por fracturas de la pasta de cemento en la zona de interfase pasta-árido. Por el contrario, en los hormigones de alta resistencia la unión entre el árido y la pasta de cemento debe ser lo suficientemente resistente para poder permitir una importante transferencia de tensiones a través de la interfase pasta-árido. A su vez la resistencia de la pasta de cemento es muy alta y en muchas ocasiones algunas veces por encima del valor de la resistencia de los propios áridos. [3][15][29] En función de la aplicación a la que están destinados, los áridos deben reunir caracterı́sticas diferentes, asociadas a su naturaleza petrográfica o al proceso empleado para su producción, entre las que cabe destacar [39]: Propiedades geométricas: Tamaño, forma de las partı́culas, caras de fractura, calidad de los finos, etc. Propiedades mecánicas y fı́sicas: Resistencia al desgaste, resistencia la fragmentación, resistencia al pulimento, densidad, porosidad, contenido en agua, etc. Propiedades térmicas y de alteración: Resistencia a los ciclos de hielo y deshielo, etc. Propiedades quı́micas: Contenido en azufre, cloruros, materia orgánica, contaminantes ligeros, reactividad potencial, etc. 14. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(29) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. Estas propiedades son evaluadas gracias a un conjunto de más de 50 normas de ensayo y de especificaciones comunes a todos los paı́ses de la Unión Europea. Los áridos para las aplicaciones como el hormigón o las carreteras están regidos por reglamentos técnicos oficiales conocidos como EHE (Instrucción para hormigón estructural) y el PG-3 (carreteras). 2.2.2.1.. El árido fino. La EHE-08 en su Artı́culo no 28 [34] define la arena o árido fino como la fracción de árido que pasa por un tamiz de 4 mm de luz de malla (tamiz 4 UNE EN 933-2:96). Cabe destacar la importancia de la naturaleza del árido. Las arenas rodadas tienen una superficie que favorece la trabajabilidad del hormigón, por contra las arenas machadas poseen formas que aumentan considerablemente el rozamiento interno de la mezcla, necesitan más agua o un aditivo superplastificantes para lograr los mismos resultados que los obtenidos con las arenas rodadas de rı́o. En el caso de los hormigones con nano-adiciones de sı́lice y alúmina donde la trabajabilidad se reduce debido a estos componentes, se aconseja el empleo de arena rodada. 2.2.2.2.. El árido grueso. Por el contrario, la EHE-08 en su Artı́culo no 28 [34] define la grava o el árido grueso como la fracción de árido que queda retenido por un tamiz de 4 mm de luz de malla (tamiz 4 UNE EN 933-2:96), siendo el tamaño máximo permitido el resultante de las dimensiones siguientes: 0.8 veces la distancia horizontal libre entre vainas o armaduras que no formen grupo, o entre un borde de la pieza y una vaina o armadura que forme un ángulo mayor que 45o con la dirección de hormigonado. 1.25 veces la distancia entre un borde de la pieza y una vaina o armadura que forme un ángulo no mayor que 45o con la dirección de hormigonado. 0.25 veces la dimensión mı́nima de la pieza, en casos generales. 2.2.3.. El agua. Se puede utilizar cualquier tipo de agua que cumpla con las especificaciones de la EHE-08 [34]. En general el agua no debe tener ningún compuesto en cantidad suficiente que pueda ser perjudicial o pueda afectar las propiedades del hormigón, o a las armaduras frente a la corrosión. 2.2.3.1.. La relación agua/cemento. También denominada comúnmente como a/c, constituye un parámetro importante de la composición de la mezcla del hormigón debido a que tiene influencia sobre la resistencia, trabajabilidad, durabilidad y retracción del hormigón. [3]. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 15.
(30) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Este término indica la relación que existe entre el peso del agua y el peso del cemento de la mezcla de hormigón. Una relación baja será mucho más favorable, pues al poseer menos agua, posee un número de poros y vasos capilares inferior, y la capacidad de penetración de los agentes agresivos es inferior. Evidentemente existe un lı́mite inferior que vendrá dado por condiciones de trabajabilidad y homogeneidad del conjunto, salvaguardando la posibilidad del uso de aditivos superplastificantes. 2.2.4.. El filler. El empleo del filler mineral en el hormigón está estrechamente ligado al hormigón autocompactante4 (HAC), con el objetivo de proporcionar cohesión y trabajabilidad a la mezcla. Esta tipologı́a (autocompactantes) es similar a la de un hormigón convencional en cuanto a constituyentes y de ahı́ el motivo de incluirla en este trabajo, ya que puede admitir la adición de nano-elementos en su composición. Como consecuencia directa de la utilización de un filler, se evita la segregación de los áridos gruesos y el proceso de exudación del agua. La finura, granulometrı́a y naturaleza del los filler influye en el comportamiento del hormigón, resultando en una demanda mas o menos exigente de agua y/o aditivos superplastificantes. [19] Entre los distintos filler destacan el uso de filler calizo, filler dolomı́tico y puzolana natural, siendo el más común el primero de los mencionados. La puzolana natural a diferencia de los otros dos contribuye al desarrollo de resistencia a largo plazo, reaccionando con la portlandita formada durante el proceso de hidratación del cemento. [19] En el Anejo 17 de la instrucción EHE-08 [34], en su Artı́culo 28, se recomienda que la cantidad máxima de finos menores de 0.063 mm sea de 250 kg/m3 . Cuando se use un cemento que tenga como adición complementaria la caliza, esta adición hay que tenerla en cuenta en el cómputo total de la cantidad de finos. [19] 2.2.5.. Las adiciones. La EHE-08 [34] define como adiciones aquellos materiales inorgánicos, puzolánicos o con hidraulicidad latente que, finamente divididos, pueden ser añadidos al hormigón con el fin de mejorar alguna de sus propiedades o conferirle caracterı́sticas especiales. En esta sección se describirá las caracterı́sticas particulares que presentan las diferentes adiciones que se emplean convencionalmente en los cementos, ası́ como las nano-adiciones, productos menos habituales pero de gran gran interés tecnológico en los nuevos desarrollos dentro del campo del hormigón.. 4 La EHE-08 define al hormigón autocompactante como “aquel hormigón que, como consecuencia de una dosificación estudiada y del empleo de aditivos superplastificantes especı́ficos, se compacta por la acción de su propio peso, sin necesidad de energı́a de vibración ni de cualquier otro método de compactación, no presentando segregación, bloqueo de árido grueso, sangrado, ni exudación de la lechada. El hormigón autocompactante añade a las propiedades del hormigón convencional, en cualquiera de las clases resistentes, la propiedad de autocompactabilidad, descrita anteriormente.” Estas caracterı́sticas descritas se logran con una relación agua/cemento baja, un alto contenido en finos, un reducido contenido en árido grueso y la inclusión de aditivos superplastificantes.. 16. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(31) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. La EHE-08 sólo contempla el uso de cenizas volantes y humo de sı́lice, en cantidades no superiores al 35 % y 10 % respectivamente, respecto al peso del cemento, pudiéndose usar solo en cementos tipo I. Sin embargo, existen otras adiciones no contempladas en la instrucción como las que se presentan a continuación.. 2.2.5.1.. El humo de sı́lice. El humo de sı́lice es un subproducto obtenido en los hornos eléctricos de silicio y ferrosilicio que se recoge en forma de humo mediante un filtro electroestático al reducir en dicho horno cuarzo y carbón. Se obtienen partı́culas pequeñas en forma de esferas de diámetro muy pequeño formadas principalmente por sı́lice muy reactiva, proporcionando al hormigón altas resistencias y gran durabilidad. [21][15]. Figura 2.5: Humo de sı́lice.. El humo de sı́lice puede ser utilizado en la elaboración del hormigón tanto directamente en forma de adición a la mezcla o bien formando parte del mismo cemento, como en el caso de algunos cemento tipo II. Además debido a sus caracterı́sticas intrı́nsecas, al igual que el empleo de la nano-sı́lice, será necesario la utilización de superplastificantes en la mezcla. El uso de esta adición puede mejorar la reologı́a y estabilidad de la mezcla cuando está en bajas cantidades, aproximadamente entre un 4 y un 10 % del contenido de cemento. El humo de sı́lice hace que se incrementen las resistencias a compresión, el módulo de deformación y la resistencia a flexo-tracción, obteniéndose también hormigones de alta durabilidad. La actividad puzolánica del humo de sı́lice es efectiva en los primeros dı́as de edad, aproximadamente al segundo dı́a, y su actividad es tanto mayor, cuanto mayor es la edad hasta los 28 dı́as aproximadamente. A los 90 dı́as prácticamente se paraliza la actividad puzolánica. [21]. 2.2.5.2.. Las cenizas volantes. Las cenizas volantes son cenizas finamente divididas producidas por la combustión del carbón en las centrales termoeléctricas, que por el proceso de enfriamiento que sigan forman partı́culas vı́treas esféricas, cuyo tamaño oscila entre (1-100)µ m teniendo una superficie especı́fica entre (250-600) m2 /kg según el método de Blaine. La forma esférica contribuye a la fluidez del hormigón reaccionando además con portlandita formada durante la hidratación del cemento, contribuyendo al desarrollo de resistencias a largo plazo. [21][15] Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 17.
(32) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Figura 2.6: Ceniza volante.. Las cenizas volantes precisan de la portlandita, más concretamente del anión OH− , para disolverse y poder tener ası́ propiedades cementantes. Por tanto, el proceso de hidratación de la ceniza volante acarrea una disminución del contenido de portlandita. Pero, además del menor contenido de portlandita frente a un cemento Portland puro, las cenizas volantes influyen en el grado de reacción de las fases del clı́nker y en la composición de los productos de hidratación. Ası́ mismo, de forma similar a lo que sucede con la adición de escoria de alto horno, la adición de ceniza volante produce un refinamiento de la porosidad y una disminución del tamaño de poro, por la precipitación de los productos de hidratación. [30] La EHE-08, en su Artı́culo 30o , limita el contenido de ceniza volante en la mezcla al 35 % del peso del cemento en elementos no pretensados y al 20 % en hormigones pretensados. [34]. 2.2.5.3.. Las escorias de alto horno. Las escorias de alto horno son un subproducto industrial en la fabricación del acero. Se forman como un lı́quido y al enfriarse rápidamente dan lugar a un material con propiedades cementantes, al ser en su mayorı́a vidrio. La escoria no está contemplada en la EHE-08. [15] Al contrario que los materiales puzólanicos, que precisan de portlandita para su hidratación, las escorias tienen capacidad cementante en presencia de agua, aunque con una velocidad muy lenta como para que tenga aplicaciones prácticas. A modo simplificado, se podrı́a decir que en los cementos con escoria de alto horno tienen lugar dos procesos de hidratación: el debido al clı́nker de cemento Portland y el debido a la escoria vı́trea. Ambos procesos van unidos, dado que la hidratación del clı́nker se incrementa en presencia de la escoria, y esta precisa del entorno alcalino, que destruye su estructura vı́trea y activa su hidratación, y de la portlandita, generados ambos en la hidratación del cemento portland. [30]. 18. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(33) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. Figura 2.7: Escorias de alto horno.. 2.2.6.. Las nano-adiciones. Las nano-adiciones son el pilar fundamental de este trabajo de fin de máster. Como ya se ha comentado anteriormente, se tratan de elementos a escala nanométrica, enmarcados dentro de los materiales de última generación y que se estudian dentro del campo de la nanotecnologı́a, en este caso, dentro del campo tecnológico del hormigón. A continuación se presentan las tres nano-adiciones que se van a emplear en este trabajo: 1. La nano-sı́lice. 2. La nano-hierro. 3. La nano-alúmina. 2.2.6.1.. La nano-sı́lice. La nano-sı́lice está compuesta por partı́culas sólidas de SiO2 ,insolubles en agua y de tamaño nanométrico (1-500 Nm), del orden de las mil veces más pequeñas que las del humo de sı́lice o microsı́lice. Gracias a sus propiedades la nano-sı́lice se ha convertido en el material de mayor reactividad, por lo cual, ha sido adicionada a materiales como los polı́meros para incrementar su resistencia mecánica, flexibilidad y resistencia al envejecimiento. [33] Debido a su tamaño nanométrico (diámetro entre 5 y 20 nm), la nano-sı́lice se comercializa en estado lı́quido, evitando ası́ que los operarios desarrollen la enfermedad conocida como Silicosis, la cual es producida por respirar o inhalar polvo de sı́lice. Dentro de la variedad de comercialización, existen diversas composiciones quı́micas, pero en todos los productos el componente mayoritario es el SiO2 , con un porcentaje de presencia mayor al 99 %.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 19.
(34) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Para conseguir la manipulación en estado lı́quido, las partı́culas se encuentran modificadas quı́micamente, lo que les permite están en solución de forma estable, y a su vez presentar mejores propiedades que otras adiciones como el humo de sı́lice, siendo una alternativa real para esta última adición, utilizada en exclusiva durante décadas en el hormigón. Diversos autores que han estudiado esta nano-adición, afirman que la dosificación óptima recomendada de la misma está entre el 0.2 y el 2.1 % en peso del cemento, aunque su aplicación usualmente es del orden del 1 al 6 %, no requiriendo tratamientos o precauciones especiales, debiéndose tratar como un aditivo lı́quido estándar. Con una dosificación por encima de estos valores disminuye la resistencia a compresión, flexión y aumenta la porosidad, ya se incrementa también la demanda de agua y superplastificante, dificultando la trabajabilidad y se aumenta el número de fisuras. Se propone una relación a/c óptima de 0.55 para pastas con adición de nano-sı́lice. [1][16][33]. Además hay que tener en cuenta diversas consideraciones en la dosificación y mezclado del hormigón. En cuanto al cemento, se debe utilizar un tipo CEM I, debido a que este no posee adiciones en su composición, por tanto se evitan reacciones entre las adiciones con la nano-sı́lice que pueda afectar a la masa de hormigón. Como se ha comentado anteriormente, la nano-sı́lice se comercializa en estado lı́quido, por lo que habrá que tener en cuenta esta base acuosa en el agua total de mezclado, cumpliendo ası́ la relación agua cemento establecida en la dosificación y evitando una afección negativa a la resistencia final y durabilidad del hormigón por exceso de agua. Debido al tamaño tan pequeño de la nano-sı́lice esta tiene unos efectos muy remarcados en la microestructura del hormigón. Debido a su actividad puzolánica, al reaccionar con el hidróxido cálcico (portlandita), la nano-sı́lice es capaz de aportar más cantidad de gel de C-S-H (silicato cálcico hidratado) [5], con lo que se puede establecer que a nivel microestructura se favorece una actividad puzolánica en el material proporcionando las siguientes ventajas: Se consume hidróxido de calcio en lugar de generarlo, lo que es importante para la durabilidad de pastas hidratadas en ambientes ácidos. Se produce una reacción lenta al contrario que la reacción de la hidratación del cemento, por lo que los productos formados en un tiempo posterior son capaces de rellenar los espacios capilares generados tras la hidratación de los componentes del cemento y por tanto disminuye la porosidad. [16][17]. Se incrementa la resistencia a compresión hasta un 20 % [5]. Se incrementa la resistencia a flexión hasta un 10 % debido al efecto filler que aporta cohesión al conjunto.5 [5]. Dicho de una forma mas sencilla, la adición de nano-sı́lice a la mezcla proporciona una mejor cohesión, una menor porosidad e incrementa la compacidad del conjunto. [21][16]. 5 Este efecto es aún más notable en hormigones que en morteros ya que la presencia de áridos requiere de una pasta con mayor capacidad de enlazar al conjunto.. 20. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(35) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. Por su elevado poder de plastificación y su capacidad de favorecer la evolución de las resistencias, con más hincapié a edades tempranas, el uso de esta adición es ideal en los siguientes campos [21]: Hormigones prefabricados, postesados, pretensados y armados. Hormigones de altas prestaciones. Hormigones ligeros de baja densidad. Todas las aplicaciones del campo de la micro-sı́lice. Además de las caracterı́sticas ya comentadas por las que el uso de la nano-sı́lice resulta interesante, existen otras propiedades reológicas y de acabado interesantes [21]: Incremento del desarrollo de alta resistencia final. Hormigones con más de 500 MPa con menos de 350 kg de cemento por m3 . No produce retrasos en fraguado. Evita la segregación y la excesiva exudación. Mejora el acabado y la textura de la superficie del hormigón. Evita la formación de coqueras y nidos de grava. Evita las eflorescencias. Como conclusión, la adición de nano-sı́lice provoca cambios muy importantes en la microestructura final de un hormigón, obteniéndose una microestructura mucho más densa, compacta y resistente. 2.2.6.2.. La nano-hierro. La nano-hierro son nanopartı́culas de hierro con denominación quı́mica Fe2 O3 . Dichas nanopartı́culas poseen propiedades ferro-magnéticas, con lo que, al estar sometidas a la acción de un campo magnético intenso, las partı́culas pueden llegar a alinearse en este campo, agrupándose y formando un material de mayor tamaño. En el estudio de los materiales cementı́cios, esta nanopartı́cula puede mejorar las propiedades del hormigón, principalmente, porque este nano-material tiene la capacidad de rellenar los poros que dejan los cristales hidratados en la pasta de cemento (efecto filler ) y además actúa como un núcleo activador, donde posteriormente se formarán cristales hidratados alrededor del mismo. Básicamente estas propiedades satisfactorias para el hormigón se deben al tamaño de partı́cula nanométrico y la elevada superficie esférica de las mismas, provocando con ambas caracterı́sticas, el cierre de poros que puedan dejar los cristales y por otro lado, la envuelta rápida de las nanopartı́culas con agua, tendiendo estas a ser núcleos de hidratación.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 21.
(36) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Figura 2.8: Nano-hierro.. Figura 2.9: Porosidad total presentada en diferentes morteros de cemento con distintas dosificaciones de nano-hierro. [2]. 22. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(37) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. En la figura 2.9 se presentan los resultados obtenidos para diferentes dosificaciones de mortero de cemento con distintas proporciones de nano-hierro, donde se observa como la porosidad disminuye conforme aumenta la presencia de esta nano-adición. Es importante recalcar que los valores más interesantes se presentan para temperaturas próximas a 250o C, ya que para temperaturas mayores incrementa la formación de productos hidratados que acaban precipitando en los poros abiertos y por tanto la porosidad decrece. Por el contrario, con temperaturas próximas a 600 o C se evapora una gran cantidad de agua proveniente del gel C-S-H y del hidróxido de calcio, que acaba deshidratándose, con lo que aumenta la porosidad. [2] Cabe destacar que el nano-hierro no posee propiedades puzolánicas al no estar presente en su composición quı́mica la sı́lice y el aluminio, por lo tanto no existirı́a ninguna reacción con los compuestos hidratados de la pasta de cemento. El único efecto que produce es de carácter fı́sico. [19] Muchos estudios se han centrado en cuantificar el efecto de la adición de nanopartı́culas de hierro a morteros u hormigones, en ambos casos se ha concluido que esta adición reduce la permeabilidad e incrementa la resistencia a compresión, mejorando por tanto la durabilidad del producto. [2] Centrándose en el comportamiento de morteros de cemento con nano-adición de hierro, Los autores Li et al [22] comprobó que la resistencia a compresión y flexión a 7 y 28 dı́as es mucho mayor que para un mortero convencional. En cuanto a la resistividad, decrece ligeramente con el incremento del porcentaje de adición aún cuando se les aplica cargas y aparecen grietas, lo cual indica que el nano-hierro no decrece significativamente la resistividad lo cual es beneficioso para la durabilidad del refuerzo del hormigón. [33] Los autores Nazari et al, estudiaron la trabajabilidad y la puesta en obra de hormigones modificados con nano-adición de hierro y se comprobó como existı́a una reducción de la trabajabilidad conforme aumentaba en proporción la presencia de la nano-adición. Además los autores la resistencia a flexión de los hormigones con dicha dosificación y observaron unas mejoras del 13.64 %, 18.18 %, 13.64 % y 9.1 % con adiciones del 0.5 %, 1 %, 1.5 % y 2 % respectivamente, con lo que se puede concluir que no hay una relación lineal entre la mejora de resistencia y la presencia en porcentaje de nano-hierro. [25][26] A lo expuesto anteriormente, es inevitable pensar que esta adición aporta muchas ventajas, pero es necesario tener en cuenta su comportamiento frente a la acción del fuego. Ya se ha comentado anteriormente la influencia de la temperatura frente la porosidad. A continuación se presenta la relación existente entre la temperatura y la resistencia a compresión. En la figura 2.10 se observa como de la misma forma que en el gráfico 2.9, la temperatura influye en la resistencia a compresión simple. De nuevo las temperaturas de 250o C y 600o C son relevantes, debido a los motivos presentados en lı́neas superiores.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 23.
(38) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE. Figura 2.10: Resistencia a compresión simple presentada en diferentes morteros de cemento con distintas dosificaciones de nano-hierro. [2] 2.2.6.3.. La nano-alúmina. La nano-alúmina (nAl) es un compuesta de tamaño nanométrico (diámetro aproximado de 15 nanometros) conformado en más de un 99 % por Al2 O3 y con una densidad inferior a 0.12 gramos por centı́metro cuadrado. La adición de esta nano-partı́cula, produce importantes cambios en la microestructura final de la pasta de cemento del hormigón, ya que las reacciones internas que se van a producir, provocan que se obtenga una microestructura mucho más densa, compacta y resistente, favoreciendo ası́ la resistencia y durabilidad del conjunto. Diversos autores afirman que la nano-alúmina es la nano-adición que presenta mayores mejoras de las propiedades mecánicas en los hormigones de alta resistencia. [31] Los efectos en la microestructura del hormigón son [8]: Produce un efecto filler. Los espacios entre granos de cementos quedan rellenos por esta nano-adición y a su vez inmoviliza las partı́culas de agua libre. Favorece la formación de cristales de portlandita y etringita de menor tamaño. Se observa un descenso de los cristales mencionados y a la vez una mayor cantidad de geles C-S-H, de estequiometrı́a variable, enlazando fuertemente al conjunto de los compuestos. Produce un aumento de la rigidez entre planos débiles. Los geles de C-S-H que se forman enlazan zonas que anteriormente estaban débilmente unidas mediante puentes de cristal de portlandita o etringita con poros entre ellos. Además sirve como punto de detección de roturas. Núcleo de cristalización del cemento hidratado. Contribuye a las reacciones puzolánicas.. 24. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
(39) 2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE HORMIGONES. En cuanto a las consideraciones a tener en cuenta en la dosificación y mezclado de esta nano-adición, respecto al cemento se deben tener las mismas precauciones que en el caso de la nano-sı́lice. En relación a la cantidad de agua de la mezcla, la alta superficie especı́fica de la nano-alúmina (del orden de 155-177 metros cuadrados por gramo), será necesario un mayor aporte de agua respecto a un hormigón tradicional sin dicha nano-adición ya que la presencia de esta podrı́a dificultar la trabajabilidad del producto. Evidentemente un aumento de la relación agua cemento perjudica notablemente la resistencia y durabilidad del hormigón con lo que se debe proponer el uso de un aditivo superplastificante para no mermar dichas caracterı́sticas. Es posible encontrar la nano-alúmina tanto en forma seca como en forma húmeda. En la forma húmeda, las nanopartı́culas de aluminio vienen dispersas en agua. La concentración de alúmina tipo suele estar alrededor del 20 %, aunque puede variar comercialmente. [21] 2.2.7.. Las fibras. La EHE-08 [34] define los hormigones reforzados con fibras (HRF) como aquellos que incluyen en su composición fibras cortas, discretas y aleatoriamente distribuidas en su masa. No incluye hormigones con polı́meros, fibras no contempladas en la instrucción, hormigones con fibras orientadas intencionadamente y hormigones con dosificaciones en fibras superiores al 1.6 % en volumen. Las fibras pueden tener una doble finalidad [23]: Estructural: Pueden sustituir parcial o totalmente a la armadura. Requiere un análisis no lineal. No estructural: Resistencia al fuego, control de fisuración, impacto, abrasión, etc. La EHE-08 contempla tres tipos de fibras: Fibras de acero. Fibras poliméricas. Fibras inorgánicas. A continuación se presentan las tres tipologı́as de fibras más empleadas en el sector del hormigón: las fibras de poliolefina, las fibras de acero y las fibras de vidrio.. Autor: Juan Gabriel Bessini Muñoz. 25.
(40) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE 2.2.7.1.. Fibras de poliolefina. Las fibras de poliolefina es un material en forma de fibra (alargada) derivada del petróleo (olefinas) y que son adicionadas al hormigón con el fin de mejorar las siguientes caracterı́sticas [21]: Resistencia a la fisuración. Resistencia al impacto. Resistencia a flexo-tracción Resistencia frente ataques quı́micos. Capacidad de la absorción de energı́a. Resistencia a tracción, con resistencias residuales a flexo tracción, considerándose por tanto como fibras estructurales. Resistencia a la corrosión y oxidación. Adherencia mejorada fibra-hormigón. Resistencia al fuego, reduciendo el fenómeno de spalling. Distribución homogénea y uniforme de las tensiones en la masa de hormigón, evitando la formación de fisuras provocadas por la retracción durante el fraguado. Resistencia al impacto y a la abrasión. Dispersión en la masa del hormigón. Impermeabilidad. Reducción del riesgo de disgregación de la masa.. Figura 2.11: Fibras de poliolefina. [15]. El uso de este tipo de fibras esta especialmente indicado en [21]: Losas de hormigón. Pavimentos de hormigón. Elementos prefabricados. Hormigón proyectado. 26. Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Gálvez Ruiz.
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