Adiciones y aditivos, Apuntes de Ingeniería Civil

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Prof. Ing. Ricardo D. Cabrera J.

ADITIVOS QUIMICOS Y

ADITIVOS QUIMICOS Y

ADICIONES MINERALES

ADICIONES MINERALES

PARA EL HORMIGÓN

PARA EL HORMIGÓN

ADICIONES MINERALES

Importancia

Las adiciones minerales son materiales silicosos finamente

divididos, normalmente adicionados al hormigón en cantidades

relativamente grandes, que varían entre 5 a 70% por masa de

material cementicio total.

Las puzolanas naturales en estado bruto o después de una activación

térmica aun son usados en algunos países. Debido a aspectos

económicos y ambientales, muchos subproductos industriales se

han vuelto fuente primaria de adiciones minerales para el hormigón.

Clasificación

Algunas adiciones minerales son puzolánicas (ceniza volante con

baja cantidad de calcio), algunas cementantes (escoria granulada de

alto horno) y otras son tanto cementantes como puzolánicas (ceniza

volante con alta cantidad de calcio).

Para una descripción detallada de las principales adiciones podemos

dividir en 2 grupos:

a)Materiales naturales: son los procesados con la única finalidad

de producir una puzolana. Su procesamiento incluyen trituración,

molienda, separación por tamaño y en algunos casos, la activación

térmica.

b)Materiales de subproductos: son subproductos industriales que

pueden o no ser procesados (secado y pulverización) antes de ser

usados como adición mineral.

Materiales puzolánicos naturales

La mayoría de las puzolanas naturales son derivadas de rocas y

minerales volcánicos. Durante la erupción volcánica explosiva, el

enfriamiento rápido del magma, que es compuesto principalmente

de aluminosilicatos, resulta en la formación de vidrio o fases vítreas

con una estructura desordenada. Los aluminosilicatos con estructura

desordenada no son estables cuando son expuestos a soluciones

alcalinas y frecuentemente adquiere una textura porosa con alta

superficie específica, lo cual eleva su reactividad.

En la naturaleza, la alteración progresiva de los aluminosilicatos en

vidrios volcánicos es la responsable por la formación de minerales

arcillosos que no son puzolánicos, a menos que la estructura

cristalina de los aluminosilicatos hidratados en la arcilla sean

convertidas en amorfas o desordenadas por tratamiento térmico (ej.

metacaolín).

Arcillas calcinadas. Los vidrios y tufos volcánicos no

necesitan tratamiento térmico para elevar su propiedades

puzolánicas. Las arcillas no presentan una reactividad

considerable con cal a menos que las estructuras

cristalinas de los minerales arcillosos sean destruidas por

tratamiento térmico. Arcillas que contienen grandes

cantidades de cuarzo y feldespato no producen una buena

puzolana.

Tierras diatomáceas. Son caracterizados por materiales de

origen orgánico. La diatomita es una silica amorfa

hidratada compuesta de camadas de esqueletos de las

paredes celulares de algas acuáticas microscópicas. Son

extremadamente reactivas con la cal, pero demanda

mucha agua, debida a su estructura porosa.

Materiales de subproductos

Ceniza Volante (fly ash). Durante la combustión del carbón

pulverizado en las usinas termoeléctricas modernas, cuando el

carbón pasa a través de la zona de alta temperatura del horno, la

materia volátil y el carbón son quemados, pero la mayor parte de las

impurezas como arcillas, cuarzo y feldespato, se funden en la alta

temperatura. La materia fundida es transportada rápidamente para

las zonas de baja temperatura, donde se solidifica en forma de

partículas esféricas de vidrio. La mayor parte de las partículas finas

son arrastradas por la corriente del gas hacia las chimeneas y es

removida del gas por medio de filtros electroestáticos.

Las cenizas volantes se dividen de acuerdo a composición

mineralógica y sus propiedades en: alta cantidad de calcio (15 a

40% de CaO) y baja cantidad de calcio (menos de 10% de CaO). La

que tiene alta cantidad de calcio es mas reactiva.

Escoria de alto horno. En la producción del hierro fundido, cuando

la escoria líquida es enfriada rápidamente por agua o una

combinación de aire-agua, la mayor parte del calcio, magnesio,

sílice y alúmina permanece en estado no cristalino o vítreo. El

producto enfriado con agua es llamado escoria granulada debido a

que sus partículas tienen el tamaño de la arena. Si se enfría con aire

y agua, el producto queda en forma de pelotas y es llamado escoria

pelotizada. Normalmente, el producto enfriado en agua contiene

mas vidrio. Cuando ambos son molidos a una finura de 400 a 500

m2/kg, estos desarrollan propiedades cementantes satisfactorias.

Sílice activa (Microsílice o Silica fume). Es un subproducto

resultante de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón en

hornos eléctricos durante la producción de silicio o la aleación de

ferrosilicio. Esta reducción se produce a 2000°C y produce vapores

de SiO, q se oxidan y condensan en la zona de baja temperatura del

horno, en partículas esféricas minúsculas, consistiendo en sílice no

cristalina. Cuando las aleaciones de ferrosilicio contienen menos de

50% de sílice, el subproducto es inadecuado para uso como material

puzolánico. La sílice activa contiene entre 85 y 95% de sílice no

cristalina, lo cual indica su alta reactividad.

Aplicaciones

Mejoría de la trabajabilidad. Se sabe que, cuando las mezclas de

hormigón fresco tienden a exsudar y segregar, la incorporación de

partículas finamente divididas normalmente mejora la trabajabilidad

por la reducción del tamaño y volumen de vacios. Cuanto mas fina

es la adición, menor es la cantidad necesaria para elevar la cohesión

y la trabajabilidad de la mezcla de hormigón fresco.

La utilización de cenizas volantes o escoria permiten la reducción

de la cantidad de agua necesaria para una determinada consistencia.

El uso de sílice activa y ceniza de cascara de arroz aumenta la

demanda de agua debido a su alta superficie específica.

Se puede observar que la mayoría de las adiciones minerales

tienden a mejorar la cohesión y trabajabilidad, pero muchas no

poseen la capacidad de reducir la cantidad de agua de la mezcla.

Durabilidad a la fisuración térmica. El uso de adiciones

minerales comunes (puzolanas, ceniza volante o escoria) ofrece la

posibilidad de reducir el aumento de la temperatura casi en

proporción directa a la cantidad de cemento sustituido por la

adición, porque, bajo condiciones normales, esas adiciones no

reaccionan en grado significativo durante muchos días.

Durabilidad al ataque químico. La reacción puzolánica

envolviendo adiciones minerales causa el refinamiento de los poros,

lo cual reduce la permeabilidad del hormigón y va acompañada de

la reducción de hidróxido de calcio, aumentando por tanto, la

resistencia del hormigón a ataque de aguas ácidas, aguas sulfatadas

y agua marina.

Producción de hormigón de alto desempeño. Los hormigones de

alto desempeño se caracterizan por: alta consistencia sin

segregación, permeabilidad baja, alta resistencia a la fisuración,

alta resistencia final, moderada resistencia inicial, utilización de

adiciones minerales y relación costo-eficiencia.

Sustancias químicas tensoactivas

Los tensoactivos, también conocidos como surfactantes, son los

normalmente utilizados para la incorporación de aire o reducción de

agua en las mezclas de hormigón.

Un aditivo tensoactivo es compuesto esencialmente de moléculas

orgánicas de cadena larga, con una extremidad hidrofilica (que atrae

al agua) y otra hidrofóbica (que repele al agua).

La mayoría de los aditivos aniónicos son usados tanto como una

cadena apolar como una cadena conteniendo algunos grupos

polares. Los que usan cadena apolar sirven para incorporadores de

aire y los demás, sirven como reductores de agua

Capa

superficial de

un

tensoactivo

sobre una

superficie de

agua

Mecanismo de acción

Surfactantes incorporadores de aire. La estructura típica

de un surfactante incorporador de aire, consiste en una

cadena hidrocarbónica apolar con un grupo polar aniónico

en la extremidad. El mecanismo es el siguiente:

En la interfase aire-agua los grupos polares están

orientados en la dirección de la fase acuosa, reduciendo la

tensión superficial, promoviendo la formación de bolas y

neutralizando la tendencia de las bolas a colapsar. En la

interfase solido-agua, donde existen fuerzas direccionadas

en la superficie del cemento, los grupos polares se unen al

solido manteniendo los grupos apolares orientados para la

fase acuosa, volviendo la superficie del cemento

hidrofóbica y así el aire puede desplazar al agua,

permaneciendo unido a las partículas solidas en forma de

bolas.

Surfactantes reductores de agua. La estructura típica de

un surfactante reductor de agua, consiste en un grupo polar

aniónico unido a una cadena hidrocarbónica que es polar o

hidrofilica (esto es, diversos grupos OH están presentes en

la cadena). Cuando una pequeña cantidad de agua es

adicionada al cemento, sin la presencia de un surfactantes,

no se obtiene un sistema bien disperso porque,

primeramente, el agua posee alta tensión superficial

(debido a la presencia de uniones de hidrógeno en la

estructura molecular) y, segundo, las partículas de cemento

tienden a agruparse o formar floculos. Cuando de cadena

hidrofílica es adicionado al sistema cemento-agua, la

cadena polar es adsorbida a lo largo de las partículas de

cemento. El surfactante direcciona su extremidad polar, en

vez de su extremidad apolar, hacia el agua, reduciendo, así,

la tensión superficial del agua y volviendo las partículas de

cemento hidrofílicas.

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Partículas floculadas

Partículas con surfactante

reductor de agua