Evaluación de la carbonatación en especímenes elaborados con cementos de bajo carbono LC3

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(1)Universidad Central de Las Villas Facultad de Construcciones Ingeniería Civil. Trabajo de Diploma. Título: Evaluación de la carbonatación en especímenes elaborados con cementos de bajo carbono LC3.. Autor: Rolando Montano Zaldívar Tutores: Dr. Ing. Yosvany Díaz Cárdenas. MSc. Lic. Ernesto Díaz Caballero. Consultante: Dr. Cs. Ing. Fernando Martirena Hernández.. Sana Clara : 2017.

(2) Pensamiento. Pensamiento. El caballo se alista para el día de la batalla; Mas Jehová es el que da la victoria. Proverbios 21:31.. I.

(3) Dedicatoria. Dedicatoria. II.

(4) Resumen. Agradecimientos. III.

(5) Resumen. Resumen La durabilidad es un parámetro de gran importancia a tener en cuenta en los hormigones armados, esta se ve afectada por agentes medioambientales como el CO 2, por lo que el presente trabajo evalúa el comportamiento de la carbonatación en los especímenes de hormigón hidráulico fabricados con cemento de bajo contenido de carbono (LC 3) con respecto al cemento Portland, ubicados en tres sitios de exposición (Punta Matamoros, Sede Universitaria y el CIDC en La Habana) con condiciones ambientales diferente, mediante la realización del ensayo de fenolftaleína según la NC-355: 2004. Para comprender este fenómeno se tiene en cuenta otros parámetros como: el tipo y contenido de cemento, la estructura de poros del material y el tiempo de curado. De esta forma se concluye que entre los hormigones elaborados con cemento LC 3 y P-35 de una resistencia característica de 25Mpa, los primeros presentan el mejor comportamiento en zonas de mareas, alcanzando valores máximos de 2.9 mm; esto se debe a que los producidos con cemento portland tiene una mayor cantidad de compuestos solubles que lixivian con el agua de mar y afecta la estructura de poros del mismo, quitándole compuestos que le proporcionan la alcalinidad al material. Por otro lado, al evaluar la carbonatación en sitios donde la humedad relativa varía entre un 50 y 70% los elementos estructurales producidos con el cemento ternario presentan un comportamiento más desfavorable, debido al por ciento de sustitución de clínquer con la consiguiente reducción de la alcalinidad, alcanzando valores máximos de 11 mm. Palabras claves: hormigón armado, carbonatación, cemento, estructura de poros, humedad relativa, tiempo de curado y lixiviar.. IV.

(6) Abstract. Abstract The durability is a parameter of great importance to be taken into account in reinforced concrete, this is affected by environmental agents such as CO2, so the present work evaluates the carbonation behavior in hydraulic concrete specimens made with cement Low carbon content (LC3) with respect to Portland cement, located at three exposure sites (Punta Matamoros, University Headquarters and CIDC in Havana) with different environmental conditions, by performing the phenolphthalein test according to NC-355: 2004. To understand this phenomenon, other parameters are taken into account such as: the type and content of cement, the pore structure of the material and the curing time. In this way, it can be concluded that concrete made with LC3 and P-35 cement with a characteristic strength of 25Mpa, the former have a better behavior in tidal areas, reaching maximum values of 2.9 mm; This is because those produced with portland cement have a greater amount of soluble compounds that leach with sea water and affect the pore structure of the same, removing compounds that provide alkalinity to the material. On the other hand, when evaluating the carbonation in places where the relative humidity varies between 50 and 70%, the structural elements produced with the ternary cement present a more unfavorable behavior, due to the percentage of substitution of clinker with the consequent reduction of the alkalinity, Reaching maximum values of 11 mm. Keywords: reinforced concrete, carbonation, cement, pore structure, relative humidity, curing time and leaching.. V.

(7) Índice. Índice Pensamiento .................................................................................................................................I Dedicatoria ................................................................................................................................... II Agradecimientos ......................................................................................................................... III Resumen.................................................................................................................................... IV Abstract ....................................................................................................................................... V Índice.......................................................................................................................................... VI Introducción ................................................................................................................................ 1 Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos .............................. 6 1.1-Hormigón Hidráulico ......................................................................................................... 6 1.1.1-Generalidades. .......................................................................................................... 6 1.1.2-Constituyentes del hormigón. ................................................................................... 7 1.2-Cemento Portland ............................................................................................................ 9 1.2.1- Generalidades. ......................................................................................................... 9 1.2.2-Composición mineral del cemento.......................................................................... 10 1.2.3-Hidratación del cemento Portland........................................................................... 11 1.3-Materiales cementicios suplementarios (MCS) ............................................................. 13 1.3.1 Roll de los MCS en hormigón. ................................................................................ 13 1.3.2-Cementos ternarios: clínquer- arcillas calcinadas y calizas................................... 14 1.3.3- Cemento de bajo carbono LC 3 ............................................................................... 15 1.4-Durabilidad del hormigón ............................................................................................... 16 1.4.1-Factores que afectan la durabilidad de los hormigones......................................... 16 1.4.2-Influencia del ambiente marino en la durabilidad de los hormigones. ................... 18 1.4.4-Durabilidad de los hormigones elaborados con cementos ternarios en climas tropicales marinos............................................................................................................. 20 VI.

(8) Índice. 1.5-Carbonatación en el hormigón ....................................................................................... 21 1.5.1-Mecanismos desencadenantes. Carbonatación en ambientes natural y en cámaras de ensayo acelerada a nivel de laboratorio. ..................................................... 21 1.5.2- Factores de los que depende la carbonatación. Factor de formación, porosidad y humedad. .......................................................................................................................... 23 1.5.3-Carbonatación de hormigones con cementos de Bajo Carbono. .......................... 25 1.5.4-Ensayos de carbonatación. Análisis de los resultados. ......................................... 26 1.5.5-Ensayos de fenolftaleína como indicador de la carbonatación. ............................. 26 1.5.6-Métodos de predicción de la carbonatación. .......................................................... 27 1.6-Concluciones parciales .................................................................................................. 28 Capítulo 2: Descripción del fenómeno de la carbonatación y la influencia de la porosidad en especímenes de hormigón elaborados con LC 3 ...................................................................... 29 2-Materiales y Métodos ........................................................................................................ 29 2.1-Especímenes de Hormigón fabricados en Villa Clara ................................................... 29 2.1.1- Características de los materiales........................................................................... 29 2.1.1.1- Cemento. ............................................................................................................. 29 2.1.1.2- Áridos. ................................................................................................................. 30 2.1.1.3- Granulometría de los áridos................................................................................ 32 2.1.1.4- Aditivos. ............................................................................................................... 33 2.1.1.5- Agua de amasado. .............................................................................................. 34 2.1.2- Dosificación de las muestras de hormigón utilizadas en la fabricación de los especímenes..................................................................................................................... 34 .2.1.2.1-Elaboracion de los especímenes. ....................................................................... 36 2.2- Especímenes de hormigón fabricados en el CIDC La Habana.................................... 36 2.2.1- Características de los materiales ........................................................................... 36 2.2.1.1- Cemento. ............................................................................................................. 36 VII.

(9) Índice. 2.2.1.2- Áridos. ................................................................................................................. 36 2.2.1.3- Granulometría de los áridos utilizados. .............................................................. 37 2.2.1.5- Agua de amasado. .............................................................................................. 38 2.2.2- Dosificación de las muestras de hormigón para fabricar los especímenes.......... 38 2.2.2.1- Elaboración y conservación de las probetas. ..................................................... 39 2.3-Diseño experimental....................................................................................................... 40 2.3.1- Extracción y conservación de los testigos de los especímenes ubicados en el Sitio de Exposición N0 1 Cayo Santa María. .................................................................... 41 2.3.2- Obtención de los testigos para los ensayos en el CIDC. ...................................... 43 2.4- Métodos y procedimientos del ensayo de carbonatación ........................................... 43 2.4.1- Preparación de las muestras para los ensayos..................................................... 43 2.4.2- Procedimientos y utensilios para la medición de la profundidad de carbonatación. .......................................................................................................................................... 44 2.4.3- Resultados de la medición de los testigos procedentes de las tres zonas de agresividad ambiental....................................................................................................... 45 2.4.3.1- Resultados de la medición de testigos procedentes de Sitio de Exposición N0 1 de Punta Matamoros. ....................................................................................................... 45 2.4.3.2- Resultados de la medición de testigos procedentes de Sede Universitaria en Cayo Santa María. ............................................................................................................ 46 2.4.3.3- Resultados de la medición de testigos procedentes del CIDC La Habana. ...... 47 2.5- Métodos y procedimientos del ensayo de Absorción de Agua por Capilaridad .......... 48 2.5.1- Preparación de la muestra para el ensayo. ........................................................... 48 2.5.2- Procedimientos y utensilios para la realización del ensayo. ................................. 50 2.5.3- Resultados de los ensayos procedentes de las dos zonas de agresividad ambiental. ......................................................................................................................... 51 2.5.3.1- Resultados de los ensayos procedentes de Sede Universitaria e Cayo Santa María. ................................................................................................................................ 51 VIII.

(10) Índice. 2.6. Conclusiones del capítulo .......................................................................................... 52. Capítulo 3: Análisis de la carbonatación en especímenes de hormigón fabricados con cemento de bajo carbono LC 3 .................................................................................................. 53 3.0 Introducción .................................................................................................................... 53 3.1 Análisis de la carbonatación en especímenes de hormigón de Punta Matamoros ...... 53 3.1.1- Influencia del tipo y contenido de cemento en la carbonatación. ......................... 54 3.1.2- Influencia del parámetro ambiental del sitio de exposición. .................................. 54 3.1.3- Influencia de la estructura de poros....................................................................... 55 3.1.4- Análisis de la variación de la profundidad de carbonatación en el período del 2015-2017. ........................................................................................................................ 56 3.2. Análisis de la carbonatación en especímenes de hormigón de la Sede Universitaria 57. 3.2.1- Influencia del tipo y contenido de cemento en la carbonatación. ......................... 58 3.2.2- Influencia del parámetro ambiental del sitio de exposición. .................................. 58 3.2.3- Influencia de la estructura de poro......................................................................... 59 3.3 Análisis de la carbonatación en especímenes de hormigón del CIDC La Habana ...... 60 3.2.1- Influencia del tipo y contenido de cemento en la carbonatación. ......................... 60 3.2.2- Influencia del parámetro ambiental del sitio de exposición. .................................. 61 3.2.3- Influencia de la estructura de poros del material................................................... 61 3.1.4- Influencia del tiempo de curado. ............................................................................ 62 3.1.5- Análisis de la variación de la profundidad de carbonatación en el período del 2015-2017. ........................................................................................................................ 62 3.3. Conclusiones del Capítulo ......................................................................................... 64. Conclusiones ............................................................................................................................ 65 Recomendaciones .................................................................................................................... 66 Referencias ............................................................................................................................... 67 IX.

(11) Índice. Anexos ...................................................................................................................................... 72. X.

(12) Introducción. Introducción La producción de hormigón hoy en día ronda las 4 toneladas/habitante cada año en el planeta que representa el 57 % de las producciones antropogénicas, de excluir los combustibles fósiles y los crecientes flujos de desechos generados por el hombre. Su ¨bajo¨ costo de producción y su versatilidad, no permite visualizar en un futuro, su natural remplazo por otro material. Según la NC 120:2014 “Hormigón Hidráulico, Especificaciones”, el hormigón es un material constituido por la mezcla de cemento, árido grueso, árido fino y agua, con o sin la incorporación de aditivos o adiciones, que desarrolla sus propiedades al hidratarse el cemento. El cemento es uno de los productos esenciales para la fabricación del hormigón. La contribución del hormigón y por lo tanto de dicho aglomerante a la construcción, hace que su producción sea reflejo de la actividad económica de un país. Las emisiones de CO 2 relativas al hormigón, corresponden fundamentalmente a las emisiones asociadas a la producción de cemento, su principal constituyente. La emisión de CO 2 ocurre a través de la descarbonatación de las materias primas utilizadas en el proceso de manufactura del cemento y el uso de combustibles fósiles como fuentes de energía directa e indirecta(Gartner, 2004, Habert, 2010). Según la NC120:2014 es un material mineral finamente molido, que después de ser mezclado con agua forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, después de endurecer, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. La composición química del cemento Portland es de 67% de CaO, 22% de SiO 2, 5% de Al2O3, 3% de Fe2O y 3% de otros compuestos. Normalmente contiene cuatro faces mayoritarias: la alita o silicato tricálcico, la belita o silicato dicálcico, el aluminato tricálcico y el ferroaluminato tetracálcico(Galan, 2011) las cuales le confieren al material sus deseadas propiedades. El clínquer del cemento Portland que es el principal componente de dicho aglomerante, se forma tras calcinar caliza y arcilla a una temperatura que está entre 1350 y 1450 °C (Betancourt, 2013) y algunos de los materiales que se emplean como uno de sus sustitutos y que reaccionan con hidróxido de calcio, son llamados comúnmente Materiales Cementicios Suplementarios (MCS).(Johansen et al., 2002) La cantidad de clínquer que puede ser sustituido por MCS, depende del tipo de este material que se emplee. Los MCS tradicionalmente utilizados son desechos de procesos industriales, como las cenizas volantes, la microsílice y las escorias de alto horno, además de puzolanas naturales como arcillas, tobas zeolitizadas y cenizas volcánicas. La disponibilidad de los desechos industriales está limitada por el desarrollo industrial de cada país y su futuro, condicionado a la eficiencia de los procesos que los generan, cuya tendencia apunta a la reducción de estos desechos.(Tironi, 2013) Las arcillas, por otro lado, son minerales que se encuentran ampliamente diseminados por toda la corteza terrestre y pueden ser activadas mediante procesos térmicos que requieren mucho menos energía que la demandada por el clínquer. Sin embargo, la mayoría de los estudios reportados en la literatura se refieren a la calcinación de arcillas caoliníticas puras, comercialmente llamadas metacaolín. El uso de metacaolín como MCS permite aumentar en gran medida los niveles de 1.

(13) Introducción remplazo de clínquer, pero este tipo de recurso mineral es altamente demandado por la industria del papel y la cerámica, lo cual se refleja en su elevado precio. (Sabir et al., 2001) Con la arcilla calcinada se permite sustituir una gran parte del clínquer logrando casi duplicar la cantidad de cemento producido a partir de la misma cantidad de caliza, dando origen al llamado Cementos de Bajo Carbono (LC3). La proporción más comunes de este aglomerante son de 50% de cemento Portland, 30% de arcilla calcinada y 20% de caliza(CIDEM, 2015). De acuerdo con estudios realizados por (Puentes, 2015) este nuevo cemento permite reducir entre un 20-30% de las emisiones de CO 2 en comparación con el cemento tradicional; una gran reducción si se considera que el cemento es responsable del 5-8% de las emisiones producidas por la actividad humana. Es un cemento de bajo carbono y de bajo costo que alcanza propiedades similares o incluso superiores al cemento Portland(CIDEM, 2015). Un aspecto a tener en cuenta para el hormigón y en especial producido con cemento de bajo carbono LC3 es la durabilidad, donde la norma cubana (NC 250:2005) “Requisitos de durabilidad para el diseño y construcción de edificaciones y obras civiles de hormigón estructural”, la define como la capacidad del hormigón para soportar durante la vida útil para la que ha sido diseñado, las condiciones físicas y químicas a las que va a estar expuesto. La durabilidad de los hormigones depende de diferentes factores entre los que se encuentran: la relación agua/cem ento (a/c), el proceso de curado al cual se someta el material, tipo de cemento y agregados utilizados; además de: las acciones de iones cloruros, la porosidad y la carbonatación (Tang et al., 2015), esta última como centro de nuestra investigación. La durabilidad del hormigón armado se consigue por la acción protectora que ejerce el recubrimiento sobre las barras de acero de refuerzo. Esta barrera es la que dificulta la penetración de los agentes agresivos al interior del material y constituye una trinchera química que impide que el CO2 reaccione con los hidróxidos de calcio, sodio y potasio; a dicha reacción, se le denomina carbonatación. (Castañeda, 2014) Debido en la mayoría de los casos la reacción del CO 2 con los componentes alcalinos de la fase acuosa del hormigón, crea un “frente carbonatado” que al llegar al acero lo despasiva ocasionando la corrosión generalizada de dicha armadura. La ruptura y destrucción de la película protectora de óxidos implica la pérdida de la pasividad y el incremento en la velocidad de corrosión(NC2502005). La carbonatación es la segunda causa de corrosión en estructuras de concreto reforzado, y en ambientes tropicales no marinos puede ser el principal mecanismo. Investigaciones como (Castañeda, 2014) confirman que la relación a/c es uno de los factores que inciden directamente en el proceso de carbonatación. En este sentido, se sabe que el aumento en la relación a/c incrementa la profundidad de carbonatación. Partiendo de lo antes planteado la presente investigación se propones analizar el fenómeno de la carbonatación en tres zonas de agresividad ambiental (muy alta, alta y baja) y ver el comportamiento de este, ante otros parámetros como la microestructura con el objetivo de establecer comparaciones entre los ejemplares de estas tres zonas y con otras pruebas realizadas años anteriores con muestras de igual procedencia y sometidas a las mismas condiciones de fabricación. 2.

(14) Introducción. Como problema científico para esta investigación se plantea la siguiente pregunta: ¿En qué medida varía la profundidad de carbonatación en hormigones elaborados con LC3 en el periodo 2015-2017? Campo de acción Durabilidad del hormigón hidráulico Objeto de estudio Profundidad de carbonatación y porosidad del hormigón hidráulico bajo la influencia de tres regímenes de agresividad y humedad, de lotes de hormigón fabricados con el cemento de bajo carbono LC3 y un cemento Portland. Objetivo general Evaluar la profundidad de carbonatación de hormigones elaborado con cemento LC3 ubicados en los Sitios de Exposición: Punta Matamoros, Sede Universitaria Cayo Santa María y Sala de Carbonatación en la Habana, en el año 2017. Objetivos específicos  Fundamentar el comportamiento de la carbonatación en especímenes de hormigón producidos con LC 3 y cemento Portland Ordinario sometidos a diferentes regímenes de exposición.  Evaluar el fenómeno de la carbonatación teniendo en cuenta la estructura de poros y el contenido alcalino en los especímenes ensayados.  Analizar la variación de los valores de profundidad de carbonatación durante el periodo 2015-2017. Se formula como hipótesis que: El empleo del cemento de bajo carbono LC 3 producido en Cuba para la fabricación de hormigón estructural presentará una menor profundidad de carbonatación con respecto a especímenes fabricados con cemento Portland P-35. Para dar cumplimiento a los objetivos específicos se plantean las siguientes tareas de investigación:  Sistematización de los principales mecanismos y factores que influyen en la porosidad, su repercusión en la durabilidad de hormigones hidráulicos y los métodos de medición existentes.  Extracción de testigos que se van a analizar, en las diferentes zonas de exposición.  Preparación de las muestras para realizar los ensayos de absorción de agua por capilaridad y carbonatación descritos en las NC 345: 2011 y NC 355: 2004 respectivamente.. 3.

(15) Introducción  Descripción de los materiales y métodos de los ensayos de absorción de agua por capilaridad y la profundidad de carbonatación.  Calcular la porosidad efectiva descrita por la NC 345: 2011¨Determinación de la absorción de agua por capilaridad¨ y la profundidad de carbonatación mediante la NC 355: 2004  Análisis de la variación de los valores de profundidad de carbonatación durante el periodo 2013-2017. La novedad científica se establece en la continuidad de los estudios de la carbonatación en hormigones fabricados con LC 3. La actualidad está dada por la evaluación de la porosidad y la carbonatación de hormigones fabricado con cemento de bajo carbono LC 3 y cemento Portland, regido por la propuesta de las NC 345: 2011 y NC 355: 2004 respectivamente, como una alternativa viable al desarrollo de la construcción para nuestro país. Aportes de la investigación  En el orden práctico presenta el comportamiento de la porosidad y carbonatación en hormigones fabricados con LC 3 en diferentes regímenes de humedad.  En la rama de la ciencia y la técnica profundiza en el comportamiento del comportamiento de la porosidad y de la carbonatación en hormigones fabricados con un cemento de bajo carbono LC3 y brinda por tanto una noción del efecto de este fenómeno en su durabilidad en diferentes condiciones ambientales.  En el aspecto medio-ambiental repercute en las emisiones de CO 2 y del consumo de energía fósil, al sustituir parte del clínquer del cemento Portland en el cemento de bajo carbono LC3, lográndose una reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Justificación de la investigación Este trabajo responde a intereses del Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM) de la Facultad de Construcciones de la Universidad “Marta Abreu” de las Villas, en materia de fabricación del aglomerante LC 3 como sustituto parcial del cemento Portland en distintos entornos medioambientales. Esta investigación da continuidad a trabajos anteriores de evaluación del comportamiento de la durabilidad de hormigones fabricados con el cemento LC 3, al evaluar los efectos sinérgicos de la carbonatación y porosidad ante diferentes agresividades en un país tropical como lo es Cuba. Estructura del Trabajo de Diploma Resumen Introducción Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. Capítulo 2: Descripción del fenómeno de la carbonatación y la influencia de la porosidad en especímenes elaborados con LC3. 4.

(16) Introducción Capítulo 3: Análisis de la carbonatación en especímenes de hormigón fabricados con cemento de bajo carbono LC 3. Conclusiones Recomendaciones Referencias. 5.

(17) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos 1.1-Hormigón Hidráulico 1.1.1-Generalidades. El hormigón es un material versátil, durable, económico y sostenible, llegando a constituir el material de construcción de mayor empleo en el mundo en la era actual, alrededor de cuatro toneladas de hormigón se producen a nivel global por persona cada año. (Mehta and Monteiro, 2011) La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, propiedad que se logra gracias a la unión del árido en una matriz del cemento Portland, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), por este motivo es habitual usarlo asociado al acero, recibiendo el nombre de hormigón armado, o concreto pre-reforzado en algunos lugares; comportándose el conjunto muy favorablemente ante las diversas solicitaciones. Varios son los tipos de hormigones dependiendo de sus compuestos fundamentales, como son (NC 120: 2014): Hormigón ordinario: También se suele referir a él denominándolo simplemente hormigón. Es el material obtenido al mezclar cemento portland, agua y áridos de varios tamaños. Hormigón armado: Es el hormigón que en su interior tiene armaduras de acero, debidamente calculadas y situadas. Este hormigón es apto para resistir esfuerzos de compresión y tracción. Los esfuerzos de tracción los resisten las armaduras de acero. Es el hormigón más habitual. Hormigón pretensado: Es el hormigón que tiene en su interior una armadura de acero especial sometida a tracción. Puede ser pre-tensado si la armadura se ha tensado antes de colocar el hormigón fresco o post-tensado si la armadura se tensa cuando el hormigón ha adquirido su resistencia Hormigón ciclópeo: Es el hormigón que tiene embebidos en su interior grandes piedras de dimensión no inferior a 30 cm. Hormigón aireado o celular: Se obtiene incorporando a la mezcla aire u otros gases derivados de reacciones químicas, resultando un hormigón baja densidad. 6.

(18) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. Hormigón de alta densidad: Fabricados con áridos de densidades superiores a los habituales (normalmente barita, magnetita, hematita) El hormigón pesado se utiliza para blindar estructuras y proteger frente a la radiación. Con el fin de disminuir los efectos dañinos la industria cementera mundial está buscando vías experimentales que permitan desarrollar cementos que precisen menor energía en su formación, degraden menos los entornos y emitan menos gases contaminantes a la atmósfera. Ejemplo de esto son los estudios realizados por (Trezza and Scian, 2009) que buscan disminuir el impacto de estas emisiones y darles uso a diferentes residuos industriales con el objetivo de reducir costos de producción y/o estabilizar sustancias tóxicas y metales pesados.. 1.1.2-Constituyentes del hormigón. Según la NC 120:2014 el hormigón es un material constituido por la mezcla de cemento, árido grueso, árido fino y agua, con o sin la incorporación de aditivos o adiciones, que desarrolla sus propiedades al hidratarse el cemento. Este es un material que en pocas horas fragua y endurece conformando una consistencia pétrea. Como podemos notar en la Norma Cubana sus materias primas no son muy exóticas ni difíciles de encontrar en la naturaleza sino, de relativa facilidad de adquisición por el hombre, pero no por estas razones se debe descuidar las proporciones requeridas para lograr el tan deseado material. Es importante tener en cuenta las características de la mezcla y las propiedades que se procuran alcanzar; dentro de las cuales se obtienen la resistencia a la compresión, de ahí la importancia que tienen dichos compuestos:  Cemento: Material mineral finamente molido, que después de ser mezclado con agua forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que, después de endurecer, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua. (NC 120: 2014). Según NC 120: 2014, se clasifica el cemento en tres grados de calidad de acuerdo a su resistencia a compresión a los 28 días expresada en MPa: a) Portland 35: P - 35 b) Portland 45: P - 45 c) Portland 55: P - 55 7.

(19) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. La selección del tipo de cemento depende de los objetivos que se pretenden, las condiciones de curado, las dimensiones del elemento (calor de hidratación) y las condiciones ambientales las que se exponen.  Áridos: Los áridos o agregados son materiales minerales procedentes de rocas desintegradas en estado natural o precisa de trituración mediante procesos industriales (NC 351:2005). Se pueden encontrar en diversos lugares y en distintas formas siendo estos dos factores de gran importancia pues de ellos dependen la docilidad del hormigón fresco, la resistencia del hormigón endurecido, la durabilidad de la estructura y la economía de las mezclas. (Pérez Guerra, 2015) Debido que los áridos constituyen el 70% del volumen de hormigón estos forman el esqueleto de la estructura y resisten la acción de las cargas aplicadas, la abrasión y reduce los cambios de volumen resultante del proceso de fraguado y endurecimiento de la pasta de cemento. (Becker, 2003)  Agua: No por simple o relativamente fácil de adquirir deja de ser el agua un material importante en la elaboración del concreto sino, que juega un papel muy importante en este proceso. Este preciado líquido es el responsable de dos procesos en la mezcla; uno es la hidratación del cemento, haciendo posible la formación de muchos compuestos y faces en el hormigón y otra, la laborabilidad de la mezcla siendo determinante para definir su fluidez.(Mehta and Monteiro, 2011) Dos deterioros que puede ocasionar el agua al hormigón son: la utilización de H2O no potable, en la elaboración de los mismos y excesivas cantidades de líquido en el amasado, permitiendo la inclusión directa del ion cloruro o sulfatos desde muy temprana edad y proporcionando un ambiente demasiado húmedo que afecta a la armadura de refuerzo respectivamente.  Aditivos: Las normas cubanas se refieren a los aditivos como un material añadido al hormigón durante el proceso de mezclado en pequeñas cantidades en relación con la masa de cemento. 8.

(20) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. (menor del 5 %), para modificar las propiedades del hormigón fresco o endurecido (NC 1202014). Según el comité 212 de la American Concrete Institute (ACI) los clasifica según los tipos de materiales constituyentes o a los efectos característicos en su uso (Civiles): a. Aditivos acelerantes. b. Aditivos reductores de agua y que controlan el fraguado. c. Aditivos incorporadores de aire. d. Aditivos extractores de aire. e. Aditivos formadores de gas. f. Aditivos productores de expansión o expansivos. g. Aditivos impermeables y reductores de permeabilidad. h. Aditivos pegantes (también llamados epóxicos). Es importante resaltar que los aditivos químicos compuestos de cloruro de calcio u otros cloruros no se podrán utilizar en hormigones reforzados con acero, aluminio o metal galvanizados ya que los afectan directamente.  Adiciones: Estos constituyentes, a menudo calificados como secundarios, pueden ser la caliza o la sílice, o reactivos, como las puzolanas naturales, las cenizas volantes, las escorias de horno alto, etc. Según la bibliografía muchos son los beneficios tecnológicos del uso de estas adiciones en el hormigón donde se incluyen el incremento de la impermeabilidad y debido a ello de la durabilidad química, disminución del calor de hidratación y de la expansión térmica, mejor laborabilidad, reducción de los costes de producción, alcanzándose al mismo tiempo un incremento de la resistencia final, lo que en algunos casos puede justificar incluso un elevado costo.(Rocha, 2009). 1.2-Cemento Portland 1.2.1- Generalidades. Mediante una secuencia de procesos térmicos y químicos en los altos hornos que alcanzan temperaturas de 1450 °C ocurre la descomposición de materias primas como la caliza, 9.

(21) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. reaccionando con otros materiales de cantera tales como la arcilla, el mineral de hierro, y la arena; la fusión parcial de estos componentes da origen a la formación de nódulos duros, redondeados denominados clínquer. (Betancourt, 2013) Después del enfriamiento, el clínquer se muele junto con, aproximadamente 5 % de yeso (sulfato de calcio deshidratado) hasta una finura tipo harina en grandes molinos de bola de forma tubular, obteniendo el producto final, el cemento Portland (Johansen et al., 2002) El proceso de producción del cemento Portland comprende cuatro etapas fundamentales (Betancourt, 2013): 1. Extracción, preparación y molienda de las materias primas. 2. Dosificación y homogeneizado de la mezcla cruda. 3. Cocción (obtención del clínquer). 4. Molienda del clínquer (obtención del cemento). 1.2.2-Composición mineral del cemento. Las características de cada una de las fases componentes del cemento Portland, son de gran importancia ya que las proporciones en de tales minerales se encuentren en el aglomerante determinan sus características técnicas. La siguiente tabla tomada de (Bertolini et al., 2004) resume los principales compuestos o fases del cemento que resultan del proceso de hidratación por porciento de masa. Tabla1-1: Composición del cemento Portland por porciento de masa(Bertolini,2004).. Silicato Tricálcico. 3CaO.SiO 2. C3S. 45-60%. Silicato Dicálcico. 2CaO.SiO 2. C2S. 5-30%. Aluminato Tricálcico. 3CaO·Al2O 3. C3A. 6-15%. Ferro Aluminato Tetra Cálcico 4Ca·Al2O 3 · Fe2O3. C4AF. 6-8%. Yeso. CS. 3-5%. CaSO4·2H2O. La alita (silicato tricálcico) 3CaO.SiO 2 (o bien C3S*); Ca3SiO5, es el mineral más importante del clínquer y determina la rapidez del fraguado/endurecimiento, la resistencia mecánica y otras propiedades del cemento Portland; su cantidad en el clínquer es de 45–60%. 10.

(22) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. La belita- (silicato dicálcico), 2CaO.SiO 2 (C2S); Ca2SiO4, es el segundo mineral silíceo por su importancia y contenido (20–30%) que compone el clínquer. Endurece con lentitud, pero alcanza elevada resistencia mecánica después de un fraguado prolongado del cemento Portland. El aluminato tricálcico (C3A); 3CaO.Al2O3; Ca3Al2O3 viene representado en el clínquer en una cantidad de 4–12%, se hidrata y fragua con rapidez, pero tiene pequeña resistencia mecánica. Conduce a la corrosión sulfática del hormigón, por eso en el cemento Portland inatacable por los sulfatos el contenido de C 3A se limita al 5%. El ferrito aluminato tetra cálcico (C4AF); 4CaO.Al2O3.Fe2O3; Ca2(Al, Fe) O5 constituye en el clínquer una cantidad de 10–20%.. Partiendo de la velocidad de hidratación, el mineral. ocupa una posición intermedia entre la alita y la belita, por eso no ejerce una influencia determinante sobre la velocidad del fraguado y del desprendimiento de calor del cemento Portland(Betancourt, 2014). 1.2.3-Hidratación del cemento Portland. Durante la hidratación el hormigón adquiere las propiedades que lo caracterizan. Aspectos como la cantidad de calor y la velocidad de reacción pueden determinar la utilidad o no de un hormigón, de ahí la importancia de su estudio. La reacción inicial debe ser lo suficientemente lenta para habilitar el hormigón y ser derramado en el lugar.(Scrivener and Nonat, 2011) Las reacciones del cemento con el agua son complejas, al punto que no existen fórmulas químicas exactas y las fórmulas estequiométricas deben considerarse como aproximadas. El análisis de la hidratación de cada uno de los compuestos principales de las fases del cemento permite describir la hidratación del mismo (Lin and Gouda, 2009). Al mezclar el cemento con el agua la primera reacción que aparece es la reacción del aluminato tricálcico (C 3A), este con el agua forman casi instantáneamente hidratos de aluminatos tricálcico (C 4H13 y C2AH8). Las siguientes ecuaciones son tomadas de (Betancourt, 2014) 3Ca.Al2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 (C3A). (agua). (cal). 4CaO.Al2O3.13H2O (Hidroaluminato de calcio) Ecuación 1-1. 11.

(23) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. A menos que la reacción rápida de hidratación C 3A sea retardada de alguna manera, el cemento Portland será inservible para la construcción; esto está generalmente consumado por la adición de yeso. Por consiguiente, para los propósitos prácticos no son las reacciones de hidratación de C3A sola sino la hidratación de C 3A en presencia de yeso. (Mehta and Monteiro, 2011) 3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O (C3A). (Yeso). (agua). 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (Ettringita) Ecuación 1-2. Los cristales de ettringita son los que condicionan la resistencia en los primeros momentos de amasarse el cemento con el agua. Dicho mineral al formarse provoca un aumento de volumen con respecto al de las sustancias reaccionantes (aluminato tricálcico y yeso), pero debido a que ello ocurre en una masa en estado fresco no provoca fisuración, sino más bien cierta compactación y rellenado de los poros de la pasta de cemento que favorece la compacidad y resistencia del conjunto. La ettringita reacciona posteriormente con el resto del aluminato tricálcico que queda después de consumir la proporción de yeso agregado, formándose entonces el monosulfato cálcico: 2(3CaO.Al2O3) + 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O+22H (C3A). (Ettringita). 3(3CaO.Al2O3.CaSO4. 18H2O) (Monosulfato cálcico) Ecuación 1-3. El endurecimiento que ocurre posteriormente, se debe fundamentalmente a la formación de hidrosilicatos de calcio como consecuencia de la hidratación de la alita y la belita, según se expone en las siguientes reacciones: 2(3CaO.SiO 2) + 6H2O (alita). (agua). 3CaO.2SiO 2.3H2O + 3Ca (OH)2 (tobermorita). (portlandita) Ecuación 1-4. 2(2CaO.SiO 2) + 4H2O (belita) (agua). 3CaO.2SiO 2.3H2O + Ca (OH)2 (tobermorita) (portlandita) Ecuación 1-5. 12.

(24) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. La tobermorita constituye la fase más importante de los productos de hidratación del cemento Portland, y es precisamente el mineral que aporta las buenas propiedades mecánicas y químicas que posee el cemento. Como se aprecia anteriormente uno de los productos de la reacción de la belita y la alita es la cal y se debe tener especial cuidado ya que es este compuesto el principal responsable de algunos tipos de corrosión ya que es un compuesto química y mecánicamente débil. (Betancourt, 2014) La fase ferrita (C4AF) reacciona de manera similar al C 3A, pero más lentamente, con la formación de hidratos donde el Fe3+ se encuentra sustituyendo parcialmente al Al3+ en la estructura. Las ecuaciones de reacción planteadas han sido idealizadas, su tendencia a modificar su constitución en dependencia de la solución de poros, impiden asignarles una estequiometría fija. Es importante resaltar también el carácter exotérmico de estas reacciones y, por tanto, la directa relación que existe entre la hidratación del CP y el calor de hidratación (Aluja, 2010).. 1.3-Materiales cementicios suplementarios (MCS) 1.3.1 Roll de los MCS en hormigón. La tendencia en los aglomerantes será hacia la disminución del contenido de clínquer a partir del empleo de materiales cementicios suplementarios y el aumento en el uso de combustibles alternativos en su fabricación. Esto permitirá, además, la elaboración de hormigones con mayor durabilidad y no simplemente más resistentes. Por lo tanto, se prevé un futuro escenario donde los materiales puzolánicos comenzarán a ser explotados con más intensidad y donde las grandes compañías cementeras empezarán a tomar control del mercado de las puzolanas naturales y artificiales (Vizcaino, 2014). Dentro de los principales materiales puzolánicos que se usan en sustitución del cemento son: arcillas activadas, cenizas de paja de arroz, puzolanas naturales, escorias de alto horno y cenizas volantes. (Aluja, 2010, Sabir et al., 2001) Muchos han sido las investigaciones en nuestro país enfocadas en el desarrollar un nuevo material que de una forma u otra pueda sustituir un alto por ciento de clínquer, ejemplo de ellos son los estudios realizado en nuestra universidad desde(Betancourt, 1997) con el estudio de las propiedades puzolánicas de las cenizas de bagazo y paja de caña, hasta el paso de un nuevo cemento de base clínquer-arcilla calcinada-caliza (LC3). 13.

(25) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. 1.3.2-Cementos ternarios: clínquer- arcillas calcinadas y calizas. En el afán de encontrar nuevos materiales cementicios suplementarios (MCS) con los que se obtengan los mejores resultados y realizando pruebas y estudios experimentales se descubre los grandes beneficios de la caolinita [Al2Si2O5(OH)4] que es un mineral arcilloso con estructura muy simple y que dentro de este grupo, es la que requiere menor temperatura para la deshidroxilación, la cual se considera que ha sido completada a los 600 ºC, mientras que la mayor actividad puzolánica se obtiene entre 700 – 850 ºC (Fernández et al., 2011). Ello trae asociado un menor costo energético, además de conferirle a la caolinita la ventana térmica más amplia entre el comienzo del estado metaestable y la recristalización, lo que constituye una ventaja tecnológica (Vizcaino, 2014). A este proceso de deshidroxilación del mineral, caolinita, se le conoce comercialmente como metacaolín(MK) (Almenares et al., 2016) El MK es muy empleado en cementos binarios y al incorporar estos en las reacciones del cemento reaccionan con la portlandita liberada durante la hidratación de los silicatos de calcio. Este proceso antes descrito reduce el contenido de portlandita lo cual puede significar una mejora de las propiedades mecánicas y la durabilidad de los productos aglomerados, pero una desventaja al contenido alcalino en el material. Diversos autores como (Poon, 2001) han demostrado que niveles de remplazo de hasta un 20 % de MK provocan cambios en la estructura de poros en pastas, morteros y hormigones a través de la reducción del diámetro promedio de poros; (Sabir et al., 2001) señala que similar comportamiento puede ser observado con sustituciones de hasta el 30 %. El aporte del MK a la resistencia en ambientes con sulfatos en hormigones con adiciones del 20 % resultaron satisfactorias en la prevención de la reducción de la resistencia a la compresión de las muestras luego de ser sometidas a ensayos acelerados de inmersión completa y ciclos de inmersión-secado en solución de NaSO 4 al 10 % expresan los estudios de (Güneyisi et al., 2010) Los cementos ternarios sobre la base del sistema clínquer - arcilla calcinada -caliza tienen gran ventaja con respecto a los cementos mezclados tradicionales, que radica en la posibilidad de elevar el nivel de sustitución de clínquer sin comprometer las propiedades finales del cemento. Esto incide directamente en la reducción de los costos ambientales,. 14.

(26) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. asociados a las emisiones de CO 2, sin que ello implique mayores costos de producción ni grandes inversiones (Vizcaíno et al., 2015). No obstante, los estudios realizados por (Vizcaino, 2014) demuestran que las arcillas caoliníticas de bajo grado resultan un excelente potencial como MCS en la producción de cemento debido a su alta reactividad y mayor abundancia en comparación con las arcillas caoliníticas puras usadas en la fabricación de metacaolín y que la combinación clínquer – arcilla calcinada – caliza permite una reacción puzolánica más completa a partir de la sinergia producida entre los aluminatos y los carbonatos. A escala de laboratorio reducciones de hasta el 40 % del contenido de clínquer fueron logradas sin detrimento de las propiedades mecánicas. También se plantea que los cementos son más sensibles a la carbonatación en comparación con el cemento Portland debido fundamentalmente a su menor contenido de portlandita.. 1.3.3- Cemento de bajo carbono LC 3 El LC3 es un cemento ternario que consiste en la sustitución de parte del clínquer del cemento P-35 por materiales cementicios suplementarios, como arcilla y caliza, calcinada a temperaturas hasta 900 ºC (CIDEM, 2015) En trabajo conjunto de especialistas cubanos y de la Universidad Politécnica de Lausana, Suiza, se basa en la sustitución de hasta un 45 por ciento del clínquer utilizado en el proceso, por una mezcla del material puzolánico y piedra caliza, esta última sin quemar, lo cual evitará la emisión de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera. (Antoni et al., 2012). Este material tiene la tarea de hacer frente a la creciente demanda de los recursos y al mismo tiempo, reducir el impacto ambiental, utilizando la infraestructura existente disponible. La presencia de la arcilla calcinada influye de forma significativa en la estructura de poros en morteros, produciendo un importante refinamiento de los mismos, de aquí las transformaciones que ocurren en las propiedades de transporte de agua y en los niveles de difusión de iones agresivos hacia el interior del material. La proporción de poros de gel aumenta, mientras que los capilares disminuyen. Se considera que esta es la causa de la disminución de la permeabilidad en los hormigones y morteros fabricados con materiales cementicios suplementarios, que se reporta en algunos casos de hasta en tres órdenes de. 15.

(27) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. magnitud en relación a pastas idénticas fabricadas con cemento Portland con la misma relación agua/aglomerante (Dopico et al., 2008). Cuba jugó un papel pionero en el desarrollo de este cemento a través de ensayos industriales en los que se encontró que los cementos presentan mejores ventajas en comparación con los cementos disponibles en el mercado cubano a pesar de los bajos factores de clínquer. En Cuba, bajo la dirección del Prof. Fernando Martirena de la Universidad de Las Villas, más de 100 toneladas de los cementos se ha producido y utilizado en la producción de materiales de construcción y las viviendas sociales. (Smith; and Gillespie, 2010). 1.4-Durabilidad del hormigón 1.4.1-Factores que afectan la durabilidad de los hormigones. El hormigón presenta características favorables en estado endurecido que le permiten ser un material de uso masivo en las construcciones civiles. La más importante de todas las propiedades de este material es la durabilidad, por lo que es importante que se preste atención a la colocación, compactación y curado, que unido a la elección del recubrimiento y la disposición de la armadura adecuada, nos permite asegurar esta importante propiedad. La durabilidad del hormigón no es más que la capacidad que tiene el material de resistir las acciones de curado, ataques químicos, abrasión o cualquier otro proceso de deterioro para seguir cumpliendo con: su función original, su calidad y servicio.(Mehta and Monteiro, 2011) La corrosión de refuerzo es uno de los problemas de durabilidad principales de las estructuras de concretos, esta es inducida por dos factores principales: la carbonatación del frente de concreto y la penetración de cloruros proporcionados de atmósfera marina o de los químicos en contacto con el hormigón. La carbonatación generalmente apunta en la corrosión uniforme de la barra de acero mientras, los cloruros inducen la corrosión localizada principalmente. Ambos tipos de corrosión son de naturaleza electroquímica.(Andrade et al., 2003) Mientras la capacidad productiva de un miembro estructural depende del comportamiento íntegro del elemento, su durabilidad contra las acciones agresivas medioambientales confía básicamente en la actuación proteccionista de una capa de la superficie relativamente delgada de hormigón, 'el recubrimiento'. De hecho, esta capa debe proteger las barras 16.

(28) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. reforzada contra la corrosión, sea inducida por carbonatación o debido al ingreso de cloruros y también es el más afectado por el ataque químico, escarcha, la abrasión, etc. Desgraciadamente, muy a menudo, la calidad de esa capa vital está bien debajo de la media calidad del hormigón en el elemento, debido a la colocación impropia, a no cumplir con la debida relación a/c, a la falta de compactación y un curando adecuadas.(Ebensperger and Torren, 2010) La calidad de los materiales empleados en el hormigón son un acercamiento rentable para mejorar la durabilidad en alguna magnitud (Tang et al., 2015), El ambiente químico natural del hormigón, normalmente permite la formación de una fina capa de óxido que recubre las barras, debido a la alta alcalinidad que existe en el hormigón protegiendo así el refuerzo de acero contra la corrosión. (Lopez et al., 2006). Aunque los deterioros de los materiales empiezan desde muy temprana edad no aparecen de inmediato en la estructura, ellos llegan progresivamente y hacer daños a la misma poniéndola en peligro. Las causas del deterioro del concreto se pueden clasificar en tres grupos: físicos, químicos y mecánicos; donde la corrosión del acero llega a ser uno de los principales. Para resolver este problema de la corrosión los investigadores han dirigido sus investigaciones hacia temas como: la permeabilidad, el ataque de cloruros, el ataque de los sulfatos y la carbonatación. (Tang et al., 2015) Permeabilidad El transporte de un fluido está controlado por la permeabilidad del hormigón cuando existe una diferencia de presión entre dos secciones adyacentes que provoca o induce un movimiento del fluido. Como norma general, cuanto menos poroso sea un hormigón, mayor resistencia tendrá y, si ha tenido un buen curado, será menos permeable. En condición necesaria que ambas caras del hormigón estén en contacto con el fluido para poder considerar que el mecanismo de transporte es la permeabilidad(Abdelkader, 2010). Ataque de los cloruros La corrosión inducida por cloruro se presenta en nuestro país en estructuras expuestas al medio marino. Los iones cloruro están presentes en el agua de mar, pero es posible que también los desplace el viento de la brisa marina a la zona costera y los deposite en estructuras de hormigón cercanas a la línea de costa.(Abdelkader, 2010, METHA, 1982). 17.

(29) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. La corrosión del refuerzo puede empezar cuando las concentraciones de los iones Clalcanzan la superficie del acero en concentraciones de 0.4% por peso de cemento en el hormigón. Los iones de cloruro migran dentro del hormigón por medio del líquido en los poros que no es más que los disueltos resultantes de la hidratación del cemento. El líquido del poro es de naturaleza electrólito debido a la presencia predominando del sodio, potasio, calcio, e iones del hidróxido.(Szweda and Zybura, 2013, Al-Saleh, 2015). La Carbonatación La carbonatación ante el hormigón, produce una disminución de la porosidad que hace a la pasta carbonatada mucho bien. Este efecto es, por consiguiente, una ventaja en el hormigón no-reforzado. Sin embargo, es una desventaja en el hormigón reforzado, ya que a medida que se adentra el frente carbonatado en el material puede alcanzar el acero y disminuye el pH en valores menores que el umbral necesario para mantener la pasivación del acero. (Andrade et al., 2003). Este tema se abordará de una manera más profunda en acápites posteriores.. 1.4.2-Influencia del ambiente marino en la durabilidad de los hormigones. Debido a los nuevos retos constructivos a los que se enfrentan los ingenieros y arquitectos del mundo muchos son los ejemplos en los que el hormigón se ve expuesto a ambientes marinos desde la simple pila de un puente hasta los complejos túneles sub-acuáticos. De ahí la vital importancia que tiene el estudio de la durabilidad de dichas estructuras y el comportamiento que tienen los mismos ante estos ambientes. La vida útil de estas estructuras está generalmente limitada ante la corrosión del refuerzo inducida por agentes como cloruros, sulfatos entre otros.(Damtoft et al., 2008) Según la forma de exposición del hormigón al ambiente marino se puede clasificar como: sumergidos, salpicados o ante la atmósfera marina. Según las investigaciones realizadas por(Tang et al., 2015) la zona de las mareas son las más agresivas desde el punto de vista químico y físico seguida de la zona de salpicaduras. El ingreso de los iones esta también muy dependiente de la permeabilidad al líquido y del coeficiente de difusión del material. El agua del mar contiene las concentraciones altas de cloruros y sulfatos. La corrosión de refuerzo de acero es principalmente causada por la penetración del cloruro en hormigón que lleva a la expansión de superficie de acero y concentración de tensión.. 18.

(30) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. El agua del mar también contiene otros iones que son potencialmente agresivo para el propio hormigón, como el magnesio, sulfato y carbonato. El sulfato en este tipo de agua puede llevar a la formación de yeso reaccionando con el hidróxido del calcio, o ettringita a través de la reacción con las fases del aluminato. La reacción con el sulfato puede potencialmente lleve al agrietamiento del hormigón. Sin embargo, este fenómeno parece ser limitado ante la sulfatación producida en este medio. (Ulla et al., 2016) La presencia del magnesio en el agua puede precipitar como el brucite en las reacciones del pH alto del hormigón, o también puede reaccionar con hidrosilicato de calcio hidratado formando el hidrosilicato del magnesio no-consolidando. El avance real del ataque del agua de mar varía y es retardado por el bloqueo de los poros de cemento mediante la acumulación de hidróxido de magnesio. Esta zona rica en magnesio cerca de la superficie es débil y puede levantarse fácilmente por la abrasión. (Chávez- Ulloa et al., 2010) Además de los efectos de los sulfatos, carbonatos e iones del magnesio, el agua del mar también afectará la composición del hormigón creando las condiciones necesarias para lixiviar. El agua del mar tiende a sacar fuera los hidróxidos e iones de calcio de la pasta de cemento hidratada, produciendo la disolución de Portlandita y la descalcificación del silicato de calcio (Ulla et al., 2016). Además de la acción química, la cristalización de las sales en los poros del concreto pueden destrozarlo debido a la presión ejercida por los cristales de la sal. En vista de la cristalización tiene lugar en el momento de la evaporación del agua; sin embargo, la solución salina asciende en el concreto por acción capilar, por lo que la permeabilidad es una vez más una característica muy importante.(Scrivener and Nonat, 2011) 1.4.3-Caracteristicas y niveles de agresividad en el Caribe, Cuba. El archipiélago cubano tiene un área de 110 922 km2 con aproximadamente 6000 km de costas(es.wikipedia.org). Esto implica que prácticamente la mayoría del territorio está bajo la influencia del aerosol marino, por lo que el contaminante natural más importante en las condiciones cubanas (con respecto a la corrosión) es la salinidad. Existen también otros contaminantes de importancia regional, como son los compuestos de azufre que vienen acompañando a los aerosoles de cloruro y las emisiones que producen por industrias (Betancourt, 2013).. 19.

(31) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. Resulta de mucho interés conocer el comportamiento de la salinidad ambiental en las diferentes regiones cubanas; debido a la gran influencia que tiene la salinidad en el proceso de corrosión atmosférica de los metales. De esta forma se puede pronosticar el posible comportamiento corrosivo de los materiales y decidir las medidas de protección anticorrosiva más adecuadas. En el Anexo 1 se presentan los niveles de agresividad a los que se enfrentan las obras constructivas en nuestro país que pueden llegar a afectar la armadura de refuerzo tomada de la NC 250:2005.. 1.4.4-Durabilidad de los hormigones elaborados con cementos ternarios en climas tropicales marinos. Muchos son los resultados obtenidos en favor de cemento de bajo carbono LC 3 y varias, han sido las investigaciones realizadas en nuestro país, específicamente en nuestro centro, con el objetivo de ver su comportamiento estructural y su desenvolvimiento ante las condiciones medioambientales (humedad relativa, altas temperaturas, la alta vulnerabilidad ante los ambientes marinos) que presenta una isla como la nuestra. Ejemplo de esto son: Los hormigones producidos con LC 3 presentan una reacción puzolánica más completa a partir de la sinergia producida entre los aluminatos y los carbonatos asociados a la alta finura y superficie específica de la caliza y la arcilla contribuye a la densificación de la matriz y la nucleación heterogénea de los silicatos de calcio hidratados. (Fernández et al., 2011) En (Pérez Guerra, 2015) y (Puentes, 2015) se demuestra que los hormigones producidos con cemento LC3 presentan una mayor resistencia a los ataques de agentes agresivos que las mezclas a base de cemento Portland. Los estudios realizados por (CASTILLO, 2010) nos muestran que las nuevas formulaciones de sistemas ternarios con arcillas calcinadas y caliza tienen gran potencial por el efecto sinérgico de estos dos componentes en términos de resistencia para proporciones de mezclas específicas, aportando con su empleo la mejora de propiedades físico-mecánicas en morteros. A su vez, representan un beneficio económico debido a los niveles de productividad alcanzados en cuanto a los porcientos de sustitución de clínquer. Investigaciones como (Pérez Guerra, 2015) demuestran que mediante la aplicación del método de Torrent a diferentes elementos producidos en la planta de prefabricado EPI de 20.

(32) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. Remedios, se pudo comprobar que los especímenes ensayados, donde se utilizó aglomerante ternario LC3 presentan un índice de permeabilidad menor, que los elementos prefabricados producidos con cemento portland. Adrián Licor concluye que los hormigones elaborados con LC 3 confieren un mejor comportamiento en zonas de intercambios de mareas con (HR=80%) que los elementos producidos con cemento Portland P-35 ya que los efectos de la lixiviación en estos últimos son más agresivos al poseer un mayor contenido de CaOH2, compuesto soluble que deja lugar en su disolución, altos índices de poros y permeabilidad, provocando en los periodos de secado una mayor difusión del CO 2 en el interior del hormigón y por ende la reacciones acidas con mayor profundidad.(Licor Cebey, 2016). 1.5-Carbonatación en el hormigón 1.5.1-Mecanismos desencadenantes. Carbonatación en ambientes natural y en cámaras de ensayo acelerada a nivel de laboratorio. El anhídrido carbónico (CO 2) es un componente del aire, mientras que existe en la atmósfera a una concentración de 0.03% dependiendo de las condiciones localizadas de la zona, las concentraciones pueden alcanzar valores de 1% (Backus and McPolin, 2016). ¨La carbonatación en el concreto es la pérdida de pH que ocurre cuando el dióxido de carbono atmosférico reacciona con la humedad dentro de los poros del material y convierte el hidróxido de calcio con alto pH a carbonato de calcio, que tiene un pH más neutral.” (Prada Campos, 2014) Según Rick Montani, en su artículo “La carbonatación enemiga olvidado del concreto”, nos expresa que tan importante es esa pérdida del pH en el hormigón, puesto que este es altamente alcalino, protege y resguarda el acero ante la corrosión, creando una capa de óxido sobre el acero (pasivación del acero) que permanece estable dentro del concreto, cuando la carbonatación se presenta, el pH altamente alcalino empieza a descender y esta capa se desestabiliza haciendo que esa misma película de óxido empiece a corroer el acero que antes protegía, aunque el proceso es lento, cuando es efecto o el avance ya es alto, es muy riesgoso para la estructura y costoso de reparar. La carbonatación, no se desencadena solo por acción del CO 2 ambiental, sino por otros factores como: la porosidad, la calidad y cantidad del cemento, el nivel de compactación, el 21.

(33) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. tipo y los tiempos de curado y la relación a/c; se tiene que tener una buena mezcla y colocación del concreto en la etapa constructiva, ya que, si se generan grietas en el fraguado y no se corrigen, pueden hacer que la carbonatación sea mucho más rápida y temprana. (Vidaud and Vidaud, 2012) Además del efecto de la corrosión del acero de refuerzo, la carbonatación puede dar lugar a aumentos en la resistencia a tracción y a compresión de la zona afectada, así como a tensiones y microfisuración (Moreno, 2004). Asimismo, dado que durante la reacción del CO 2 atmosférico se fija de forma irreversible, la carbonatación del hormigón es también muy importante desde el punto de vista químico. Las moléculas de CO 2 reaccionan con los iones Ca2+ presentes en la pasta de hormigón formando carbonato de calcio (CaCO 3). Esta reacción se puede producir tanto con los iones Ca 2+ de la portlandita como con el gel C-S-H (silicato cálcico hidratado) (Giner, 2006). (Chávez- Ulloa et al., 2010) plantea que este proceso químico consta de seis etapas y a continuación se muestran las reacciones simplificadas:. Ca(OH)2 + CO2. CaCO3 + H2O H2O Ecuación 1-6. C-S-H +CO2. CaCO3 + SiO2 .x H2O H2O Ecuación 1-7. Curiosamente otros de los aspectos que tienen mucha relación con el avance de la carbonatación es la resistencia a compresión del hormigón, obteniéndose menores profundidades para los mayores valores de resistencia (Pérez Guerra, 2015). Estudios realizados por (Galan, 2011) demuestran que cantidades similares de CO 2 absorbidos durante un proceso de carbonatación puede corresponder a diferentes valores de pH, en función de la humedad relativa, el tiempo y la concentración de CO 2 ambiental. Además, mientras mayor sea el potencial de absorción de CO 2 del hormigón, más lento avanzará el frente de cambio de pH. De ahí la importancia que tiene el estudio de estos factores para comprender el comportamiento del fenómeno como un todo.. 22.

(34) Capítulo 1: Fundamentos de la carbonatación en hormigones hidráulicos. Los procesos de carbonatación natural son generalmente muy lentos a causa del bajo contenido de CO 2 de la atmosfera, del orden de 0,04% en volumen, de forma que determinados hormigones muy densos los efectos de este fenómeno pueden no aparecer hasta pasados varios años desde su puesta en servicio. La lentitud de proceso ha llevado a algunos investigadores a realizar estudios acelerados utilizando porcentajes de CO2 mayores que el atmosférico para intentar predecir su comportamiento a largo plazo. (Moreno, 2004) El uso de ensayo acelerado mediante cámara de carbonatación es una herramienta importante que permite aproximar en periodos cortos las condiciones del avance de la neutralización del concreto originados por el CO 2 cuya medición en ensayos naturales abarcaría tiempos prolongados. (Chávez- Ulloa et al., 2010, Ramezanianpour et al., 2014). 1.5.2- Factores de los que depende la carbonatación. Factor de formación, porosidad y humedad. La carbonatación de un hormigón depende de dos parámetros a nivel microestructural fundamentalmente: la porosidad y la conectividad del sistema poroso. La porosidad es un término que describe el volumen de poros en el sistema y la conectividad caracteriza como estos poros se conectan a través del sistema tridimensional. A estas condiciones estrechamente ligadas se le conoce como Factor de Formación. (Spragg, 2013). Esta relación se muestra en la siguiente ecuación:. Փβ=1/F Ecuación 1-8. Donde Փ es la porosidad, β es la conectividad, y F es el Factor de la Formación. La porosidad y la humedad del hormigón son parámetros fundamentales en la carbonatación, puesto que la red de poros constituye el camino de avance y la humedad es medio por el cual el CO 2 llega al acero. A su vez, la porosidad está condicionada por el tipo y la cantidad de cemento, el nivel de compactación, el tiempo y el tipo de curado y la relación a/c (Ngala and Page, 1997). Un mal curado o una mala compactación del hormigón puede dar lugar a una elevada porosidad en el material, especialmente en la superficie del hormigón. En general, y dentro de los límites aceptables de hidratación, una baja relación a/c produce un hormigón menos permeable por la formación de poros pequeños no interconectados. 23.