Morteros de cemento con nano-adiciones de s lice,...

Morteros de cemento con nano-adiciones desılice, hierro y alumina

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRIDESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS,

CANALES Y PUERTOS

Departamento de Ingenierıa de la Construccion

Master en Ingenierıa de las Estructuras, Cimentaciones y Materiales

Trabajo Fin de Master

Junio 2015

Autor:

Juan Gabriel Bessini Munoz

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Tutor:

Jaime Carlos Galvez Ruiz

Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Lo que haces es lo que eliges tu.Lo que eres es lo que te elige a ti.

III

Agradecimentos

En primer lugar me gustarıa agradecer alDr. Jaime Galvez la confianza depositada enmı para realizar este Trabajo Fin de Master,ası como su interes y entrega mostrada entodo momento. Tambien quisiera mostrar migratitud hacia la Dra. Amparo Moragues porsus ideas siempre provechosas. Por supuesto,este trabajo no hubiera sido posible sin lacolaboracion de todo el equipo del laboratoriode ingenierıa de la construccion y el laboratoriode quımica, a todos ellos, muchas gracias.

En segundo lugar me gustarıa mencionara los companeros del master Daniel Heras ySantiago Rojo, siempre dispuestos a ayudar.

Por ultimo, quisiera mostrar mi enormeagradecimiento a mis padres, los cuales me hanbrindado la oportunidad de realizar este mastery a Tamara, por estar tan cerca desde tan lejos.

V

Resumen

A lo largo de los ultimos anos, la ingenierıade la construccion ha seguido una tendenciacreciente en lo que se refiere a la exigencia dealtas prestaciones en los materiales empleadosen obra, siendo el hormigon el material porexcelencia.

Es bien conocido que la capacidad de mejora delas prestaciones de los materiales esta estrecha-mente ligada al desarrollo tecnologico existenteen ese tiempo. En la actualidad, de entretodos los avances tecnologicos, cabe destacarla nanotecnologıa, ciencia que trabaja conelementos de tamano 10−9 y que en los ultimosanos esta siendo el motor de las investigacionesen el campo de la construccion.

De entre todas las nano-adiciones existen-tes cabe destacar la nano-sılice, estudiadapor numerosos investigadores y que goza deun gran numero de artıculos cientıficos. Encambio, existen otras nano-adiciones que nohan tenido tanta aceptacion o se encuentran enun segundo plano, como son la nano-hierro y lanano-alumina.

Es por tanto objeto de este Trabajo Fin deMaster: estudiar el efecto de la incorporacionen diferentes proporciones de nano-adicionesde sılice, hierro y alumina a un mortero decemento convencional, mediante una campanaexperimental realizada en el seno del Depar-tamento de Ingenierıa de la Construccion dela ETSICCP de la Universidad Politecnica deMadrid.

VII

Indice general

1. PRESENTACION Y OBJETIVOS 1

2. ESTADO DEL ARTE 32.1. Los hormigones con nano-adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1. La nanotecnologıa en la industria de la construccion . . . . . . . . . . . . 42.1.2. Fabricacion y puesta en obra de hormigones con nano-adiciones . . . . . 5

2.1.2.1. Dosificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2.2. Puesta en obra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.3. Campo de aplicacion de los hormigones con nano-adiciones . . . . . . . . 62.1.4. Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Materiales para la fabricacion de hormigones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.1. El cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1.1. Componentes principales del cemento . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.1.2. Componentes secundarios del cemento . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1.3. La hidratacion del cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1.4. Clasificacion del cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2.1.5. Clasificacion del cemento Portland . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.2. Los aridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2.1. El arido fino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2.2. El arido grueso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.3. El agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.3.1. La relacion agua/cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.4. El filler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.5. Las adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.5.1. El humo de sılice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.5.2. Las cenizas volantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.5.3. Las escorias de alto horno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.6. Las nano-adiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.6.1. La nano-sılice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.6.2. La nano-hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.6.3. La nano-alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.7. Las fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.7.1. Fibras de poliolefina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.7.2. Fibras de acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.7.3. Fibras de vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.8. Los aditivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2.8.1. Los superplastificantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.8.2. Los modificadores de viscosidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

IX

INDICE GENERAL

3. CAMPANA EXPERIMENTAL DE LABORATORIO 313.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2. Materiales y dosificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2.1. Arena normalizada CEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.2. Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.3. Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.4. Nano-sılice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.2.5. Nano-hierro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.6. Nano-alumina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.7. Superplastificante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3. Fabricacion y preparacion del mortero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3.1. Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.3.2. Amasadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.2.1. Amasado del mortero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3.3. Molde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3.4. Compactadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.4. Ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.1. Ensayo de resistencia a flexo-traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4.1.1. Descripcion del procedimiento del ensayo . . . . . . . . . . . . . 393.4.2. Ensayo de resistencia a compresion simple . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.4.2.1. Descripcion del procedimiento del ensayo . . . . . . . . . . . . . 393.4.3. Porosimetrıa por intrusion de mercurio (PIM) . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4.3.1. Descripcion del procedimiento del ensayo . . . . . . . . . . . . . 433.4.4. Analisis termico diferencia (ATD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4.4.1. Descripcion del procedimiento del ensayo . . . . . . . . . . . . . 473.4.5. Resistividad electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4.5.1. Descripcion del procedimiento del ensayo . . . . . . . . . . . . . 493.4.6. Resumen-esquema de ensayos realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4. ANALISIS DE RESULTADOS DE LA CAMPANA EXPERIMENTAL 534.1. Resistencia a compresion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2. Resistencia a flexo-traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.3. Resistividad electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.4. Porosimetrıa por intrusion de mercurio (PIM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.5. Analisis termico diferencial (ATD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5. CONCLUSIONES 69

6. DESARROLLOS FUTUROS 73

ACRONIMOS 75

BIBLIOGRAFIA 776.1. Artıculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2. Normativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.3. Otras referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

X Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Galvez Ruiz

Indice de tablas

3.1. Dosificacion en tanto por cien del peso de cemento de las nano-adiciones. . . . . 313.2. Distribucion granulometrica de la arena de referencia CEN. . . . . . . . . . . . . 323.3. Caracterısticas de la nano-sılice empleada, Levasil 200/40 %. . . . . . . . . . . . 323.4. Caracterısticas de la nano-alumina empleada [Vicar ]. . . . . . . . . . . . . . . . 333.5. Velocidades de la pala mezcladora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6. Ensayos realizados para la caracterizacion de los morteros . . . . . . . . . . . . . 383.7. Rangos de temperaturas para la identificacion de compuestos hidratados. . . . . 463.8. Penetrabilidad del mortero/hormigon frente a cloruros. . . . . . . . . . . . . . . 50

4.1. Resistencia a compresion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2. Resultados del ensayo de resistividad electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.3. Diametro crıtico y diametro umbral de los morteros. . . . . . . . . . . . . . . . . 614.4. Porosidad total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.5. Distribucion del tamano de poros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.6. Resultados cuantitativos del ensayo ATD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.7. Resultados porcentuales del ensayo ATD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.8. Agua quımicamente enlazada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.9. Grado de hidratacion de la pasta de cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

XI

Indice de figuras

2.1. Imagen de MEB de unos cristales hexagonales de portlandita. [30] . . . . . . . . 102.2. Imagen de MEB de una formacion de etringita dentro de un poro. [30] . . . . . . 112.3. Esquema del proceso de hidratacion de un grano de cemento policristalino. [30] . 112.4. Zona interfacial arido-pasta de cemento hidratado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5. Humo de sılice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6. Ceniza volante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.7. Escorias de alto horno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.8. Nano-hierro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.9. Porosidad total presentada en diferentes morteros de cemento con distintas do-

sificaciones de nano-hierro. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.10. Resistencia a compresion simple presentada en diferentes morteros de cemento

con distintas dosificaciones de nano-hierro. [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.11. Fibras de poliolefina. [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.12. Fibras de acero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.13. Fibras de vidrio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1. Recipiente y pala tipo de la amasadora. 1 recipiente. 2 pala. . . . . . . . . . . . 353.2. Ejemplo de molde tıpico. 1: Indicacion de la direccion de ensasado con movi-

mientos de sierra. Dimensiones en mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3. Ejemplo de compactadora tıpica. 1 martinete. 2 rodillo de la leva. 3 leva 4 Tope

yunque. Dimensiones en mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4. Dispositivo de carga para la determinacion de la resistencia a flexion. Dimensio-

nes en mm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.5. Ensayo de flexo-traccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.6. Rotura a flexo-traccion de una probeta de mortero de cemento con nano-adiciones

a 2 dıas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.7. Ensayo RCS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.8. Rotura RCS de una probeta de mortero de cemento con nano-adiciones a 2 dıas. 413.9. Esquema de los procedimientos realizados por penetrometro de mercurio. [19] . . 423.10. Representacion esquematica del angulo de contacto con lıquidos. . . . . . . . . . 433.11. Porosımetro Micromeritics, modelo Autopore IV 9599. . . . . . . . . . . . . . . 443.12. Detalle del portamuestras con intrusion de mercurio. . . . . . . . . . . . . . . . 453.13. Intrusion/extrusion de mercurio en una muestra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.14. ATD SETARAM Labsys EVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.15. Esquema de funcionamiento del ensayo de resistividad. . . . . . . . . . . . . . . 493.16. Equipo GIATEC modelo RCON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.17. Resumen-esquema de ensayos realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1. Resistencia a compresion simple del mortero de referencia. . . . . . . . . . . . . 544.2. Resistencia a compresion simple del mortero de dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3]. . 54

XIII

INDICE DE FIGURAS

4.3. Resistencia a compresion simple del mortero de dosificacion NS[2]-NF[1]-NA[5]. . 544.4. Comparativa de resultados de resistencia a compresion de los morteros ensayados. 554.5. Comparativa de resultados de resistencia a compresion de los morteros ensayados

(II). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.6. Resistencia a flexo-traccion del mortero de dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3]. . . . 564.7. Resistencia a flexo-traccion del mortero de dosificacion NS[2]-NF[1]-NA[5]. . . . 574.8. Comparativa de resultados de resistencia a flexo-traccion de los morteros con

nano-adiciones ensayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.9. Volumen acumulado de mercurio intruido vs diametro de poro. . . . . . . . . . . 594.10. Logaritmo diferencial del volumen de mercurio intruido vs diametro de poro. . . 604.11. Porosidad total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.12. Distribucion del tamano de poro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.13. Resultado del analisis ATD de la probeta DR (mortero de referencia). . . . . . . 624.14. Resultado del analisis ATD de la probeta NS[2]-NF[3]-NA[3]. . . . . . . . . . . . 624.15. Resultado del analisis ATD de la probeta NS[2]-NF[1]-NA[5]. . . . . . . . . . . . 634.16. Resultado ensayo ATD: Perdida total de masa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.17. Resultado ensayo ATD: Perdida de agua de gel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.18. Resultado ensayo ATD: Perdida de agua de portlandita. . . . . . . . . . . . . . 644.19. Resultado ensayo ATD: Perdida de masa por descarbonatacion. . . . . . . . . . 654.20. Grado de hidratacion de la pasta de cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.21. Relacion porcentual de perdidas de agua de gel [ATD]. . . . . . . . . . . . . . . 684.22. Relacion porcentual de perdidas de agua de portlandita [ATD]. . . . . . . . . . . 68

XIV Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Galvez Ruiz

Capıtulo 1

PRESENTACION Y OBJETIVOS

En la actualidad, la gran mayorıa de estructuras, tanto en edificacion como en obra civil estanhechas de hormigon armado o pretensado. Independientemente del tipo de hormigon empleado,existen dos caracterısticas basicas a cumplir: resistencia y durabilidad, dos cualidades que hansido desarrolladas en los ultimos anos, bien mediante el desarrollo de nuevos materiales, oincorporando elementos provenientes de otras industrias al proceso de fabricacion que hastaahora no se habıan tenido en cuenta y eran considerados deshechos industriales.

De entre todos los avances tecnologicos, cabe destacar el campo de la nanotecnologıa, cienciaque trabaja con nanomateriales, elementos de tamano 10−9 metros; estos materiales hoy en dıase encuentran en periodo de prueba y experimentacion en laboratorio.

Todo lo dicho anteriormente, conduce hacia la idea de desarrollar hormigones que permitanganar mayores prestaciones teniendo en cuenta que sus propiedades dependen en gran medidade las proporciones y calidad de los componentes presentes en la mezcla, siendo posible anadira la tecnologıa convencional del hormigon, los avances de la nanotecnologıa, que a dıa de hoyse presenta como firme candidata a abrir la puerta del futuro en este campo en lo que convienea resistencia y durabilidad.

En este trabajo se va a estudiar el efecto de la incorporacion de nano-adiciones de sılice,hierro y alumina a un mortero de cemento convencional. La nano-sılice es una adicion queya ha sido utilizada en numerosos estudios, en los que se han constatado las ventajas queaporta al conjunto, ya que debido a su actividad puzolanica favorece la ganancia de resistencias.En cambio, la nano-hierro es una adicion menos utilizada, no conociendose exactamente sucomportamiento a nivel microestructural, pero que debido a su naturaleza, puede tener unefecto filler en la pasta de cemento, beneficioso de cara a mejorar la durabilidad. Por otraparte, la nano-alumina es una adicion con mayor presencia que el nano-hierro, con propiedadespuzolanas, que favoreceran las reacciones de hidratacion y aumento de resistencias.

Con tal de poder conocer el comportamiento y los efectos de las nano-adiciones presentadas,se realizara un estudio teorico mediante la revision del estado del conocimiento existente yun estudio experimental mediante ensayos de resistencia y ensayos propios de caracterizaciondel comportamiento microestructural de los morteros. Mediante estos ensayos se estara encondiciones de evaluar el comportamiento mecanico resistente, la estructura de los compuestoshidratados del cemento y el comportamiento ante la penetracion de agentes externos, ası comola cantidad y distribucion de poros en la muestra.

1

CAPITULO 1. PRESENTACION Y OBJETIVOS

El lector puede distinguir en el presente trabajo 3 partes diferenciadas:

1. Estado del arte: En primer lugar se revisara el estado del conocimiento en lo referen-te a los hormigones y morteros con nano-adiciones de sılice, hierro y alumina, teniendoen cuenta las diferentes dificultades del problema, revisando los antecedentes historicosy resultados obtenidos por otros autores, aplicaciones, caracterısticas de los materiales,dosificaciones empleadas, etc.

2. Campana experimental de laboratorio: En segundo lugar se presenta la campanade laboratorio, donde se analizara el comportamiento de los morteros estudiados con lasdiversas dosificaciones empleadas, tanto en resistencia, conductividad y permeabilidad. Serealizara una breve presentacion de los ensayos realizados y la metodologıa empleada.

3. Analisis y conclusiones: En tercer lugar se realizara el analisis de resultados obtenidosen los ensayos realizados en la campana de laboratorio, estudiando las ventajas e incon-venientes que presentan las diferentes dosificaciones empleadas, tanto en resistencia comoen durabilidad.

4. Desarrollos futuros: Por ultimo, en base a los resultados obtenidos en la campana expe-rimental, se propondran algunas ideas y lıneas de investigacion de interes de cara a nuevasinvestigaciones.

2 Director de TFM: Dr. Jaime Carlos Galvez Ruiz

Capıtulo 2

ESTADO DEL ARTE

No se puede plantear desarrollo de ninguna clase, sea teorico o practico, sin mirar previa-mente el legado que han depositado los grandes cientıficos e ingenieros, tanto del pasado comocontemporaneos.

En este capıtulo se revisara el conocimiento de los hormigones con nano-adiciones de sılice,hierro y alumina, partiendo de los antecedentes historicos hasta el tiempo reciente, ası comolos aspectos basicos en cuanto a materiales y tecnologıa que rodea el campo del hormigon.

Como comentario adicional, es necesario recalcar que este trabajo esta referenciado dentrode un estudio experimental de morteros con nano-adiciones, pero los resultados que se obten-gan son extrapolables al comportamiento de hormigones1, ya que el uso de estas nanopartıculasva a estar directamente relacionado con el comportamiento de la masa cementıcia. Por tanto,prescindir de los elementos propios que diferencian un hormigon y un mortero (arido grueso) esmuy util en cuanto a coste y manipulacion de materiales en el laboratorio. Por todo ello, el esta-do del arte estara enmarcado dentro del conocimiento de los hormigones, tanto convencionalescomo de altas prestaciones y con o sin nano-adiciones.

2.1. Los hormigones con nano-adiciones

El hormigon se puede considerar como el material mas utilizado en la empresa de la construc-cion, el cual es sometido constantemente a revision debido a la necesidad creciente de construirestructuras mas durables y resistentes. Actualmente, es el campo de la nanotecnologıa en dondelas investigaciones se han incrementado y el cual ya ha proporcionado algunas soluciones connano-adiciones de sılice y alumina, y en menor medida con nano-adiciones de hierro.

Hablar de hormigones con nano-adiciones es sinonimo de hablar de hormigones de alta resis-tencia o altas prestaciones (hormigones arquitectonicos, hormigones ligeros, etc), ya que existenotros muchos factores ademas de la resistencia que deben tenerse en cuenta en construccionessingulares, por ejemplo la durabilidad.

1Con ciertas precauciones, sobretodo en lo relativo a la posible dispersion introducida por la presencia de arido grueso en elhormigon.

3

CAPITULO 2. ESTADO DEL ARTE

En realidad, tanto los hormigones de altas prestaciones o los hormigones convencionalesson muy parecidos a los hormigones con nano-adiciones. Las nano-adiciones de nano-sılice,nano-alumina y nano-hierro por su parte, cambian muy poco las condiciones del hormigonconvencional, pero si mejoran otras caracterısticas como las ya mencionadas:

Permeabilidad.

Resistencia a la compresion.

Resistencia a la traccion.

Por un lado, dado el pequeno tamano de estos nano-elementos, se podrıa ser capaz demacizar la estructura de la matriz del hormigon y dependiendo de la naturaleza de los mismos,se podrıa controlar el desarrollo de los procesos que sufre la matriz cementıcia y zonas deinterfase, definiendo de forma mas precisa las caracterısticas tanto a corto como a largo plazodel hormigon, y por tanto controlando la evolucion del mismo durante toda la vida util.

Debe recordarse que la principal caracterıstica del hormigon convencional es su resistenciaa los esfuerzos de compresion, y por contra, presenta deficiencias de comportamiento frente aotro tipo de esfuerzos como la traccion, flexion, etc.2

2.1.1. La nanotecnologıa en la industria de la construccion

Desde hace cientos de anos hasta el dıa de hoy se ha empleado en la construccion tradicional:piedra, madera, acero y hormigon; materiales que cumplen adecuadamente su funcion pero quebajo ciertas circunstancias presentan algunos inconvenientes. Por ejemplo la madera requiere degrandes inversiones en mantenimiento, el acero presenta problemas de corrosion, etc. Por tantoes necesario renovar la tecnologıa disponible y por ello la nanotecnologıa se ha implantado enel area de la construccion como vıa para la mejora de los materiales y tecnicas de construccion.

Por nanotecnologıa se entiende el estudio, diseno, creacion y aplicacion de materiales a escalananometrica (10−9) a traves del control de la materia, reordenando los atomos y la estructuramolecular. Por tanto la nanotecnologıa reportara materiales mas ligeros, resistentes, con menorimpacto medioambiental e incluso autoadaptables e inteligentes.

La nanotecnologıa no solo interviene dentro del campo del hormigon, ademas esta presenteen la industria quımica de las pinturas y barnices, en la industria del reciclaje, en la industriade los adhesivos, en la industria del vidrio, entre otros.

En la actualidad ya existen nanomateriales o nanopartıculas de TiO2 de especial relevanciapara la industria de la construccion. Su aplicacion a los vidrios, ventanas y azulejos permitelimpiar, disolver y eliminar los gases toxicos que contaminan el aire, al ser expuestos a rayossolares y a la lluvia. Cuando los rayos UV entran en contacto con el dioxido de titanio seproduce una reaccion catalıtica que destruye las partıculas contaminantes. [11]

2Este es el motivo por el cual es habitual asociar el material hormigon a otros como las armaduras de acero, asociacion querecibe el nombre de hormigon armado en el caso de armaduras pasivas y hormigon pretensado en el caso de armaduras activas.


2.1. LOS HORMIGONES CON NANO-ADICIONES

En el caso que ocupa este trabajo, la incorporacion de nanopartıculas en los materiales basecemento es una practica cuyo interes ha ido en aumento en la ultima decada. Algunas de lasnano-adiciones que se emplean en el area de la ingenierıa civil son: oxidos de sılice, titanio,alumina y hierro. La naturaleza del tipo de adicion a elegir depende de las propiedades que sequieran mejorar o conferir al material.

2.1.2. Fabricacion y puesta en obra de hormigones con nano-adiciones

Como se ha expuesto en lıneas anteriores, un hormigon con nano-adiciones no dista enexceso de un hormigon convencional, por tanto la fabricacion y puesta en obra del mismo novendra condicionada por la presencia de nano-adiciones.

En el caso de hormigones de alta resistencia es necesario tener en cuenta las siguientesconsideraciones [29]:

La fase de amasado debera prolongarse en el tiempo respecto a un hormigon convencional.

La fase de transporte se realizara con un camion hormigonera siendo aconsejable no llenartoda la cuba y teniendo en cuenta el tiempo de actuacion del superfluidificante.

2.1.2.1. Dosificacion

Dentro del campo de los hormigones convencionales, una dosificacion adecuada vendra con-dicionada por los siguientes factores [21]:

Factores resistentes.

Factores asociados a la fabricacion y puesta en obra.

Factores de ambiente.

Dentro del campo de los materiales, algunos factores a tener en cuenta en el proceso dedosificacion son:

Tipo de cemento.

Tipo de arido.

Tamano maximo del arido.

Composicion granulometrica del arido.

Relacion agua/cemento.

Requerimiento de aditivos.

Autor: Juan Gabriel Bessini Munoz 5


En el caso de hormigones de alta resistencia habra que tener las precauciones habituales dedicha tipologıa [29]:

Cementos de resistencia elevada (42.5-52.5) con una dosificacion alta, del orden de 400-500kg/m3.

Aridos de calidad, preferentemente gruesos, machacados, limpios y proximos a la formacubica.

Aridos con un tamano maximo inferior a 15 mm, siendo habitual 12 mm.

Aditivos del tipo superfluidificante, con relaciones a/c inferior a 0.4 y consistencia fluidao lıquida. La dosificacion es de 3 a 5 veces la empleada en hormigones convencionales.

En el caso de hormigones de altas prestaciones, adicionar humo de sılice, en proporcioneshasta del 15 %.

En cuanto a la dosificacion de las nano-adiciones, se realizara en las proporciones recomen-dadas y estudiadas en laboratorio, teniendo en cuenta el modo de presentacion, si este es lıquidohabra que tener dicha agua en cuenta en la cantidad total de la mezcla. Se anadiran como side un aditivo comun se tratase.

2.1.2.2. Puesta en obra

En cuanto proceso de puesta en obra, los medios seran los empleados habitualmente enun hormigon convencional para los procesos de colocacion de armaduras, encofrados, compac-tacion, bombeo (en su caso), curado, desencofrado, etc. Todos estos procesos sı que estarancondicionados por las caracterısticas generales de las obras (edificios altos, tuneles, etc.) y deltipo de hormigon empleado (convencional, autocompactante, etc.), independientemente de lapresencia de nano-adiciones en la mezcla.

2.1.3. Campo de aplicacion de los hormigones con nano-adiciones

Los campos de aplicacion del hormigon convencional y del hormigon con nano-adiciones nodifieren desde un punto de vista general, pudiendose encontrar entre otras, las aplicacionestipo muros, carreteras, presas, edificios, diques, prefabricados, etc. Evidentemente el empleode nano-adiciones conlleva unas mejoras de caracter resistente y de durabilidad en la practicatotalidad de los casos, mejorando la calidad de los elementos empleados en las aplicacionesantes mencionadas, pudiendose optimizar notablemente el diseno de dichos elementos.

2.1.4. Normativa

La normativa vigente en cuanto a hormigones con nano-adiciones es la misma que en el casode hormigones convencionales. En el ambito espanol esta vigente la Instruccion Espanola deHormigon Estructural (EHE-08) [34], aprobada por el Real Decreto 1247/2008 de 18 de julio.En el ambito Europeo se trabaja con el Eurocodigo 1 y el Eurocodigo 2.


2.2. MATERIALES PARA LA FABRICACION DE HORMIGONES

2.2. Materiales para la fabricacion de hormigones

2.2.1. El cemento

El cemento es un conglomerante hidraulico, un material inorganico finalmente molido queamasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y pro-cesos de hidratacion y que, una vez endurecido conserva su resistencia y estabilidad inclusoencontrandose bajo el agua.

El cemento es el material que permite la union de los aridos en la masa de hormigon y seemplea para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con agua y aridos, obteniendosecon el conjunto de ellos elementos constructivos prefabricados o construidos in situ.

El cemento mas usado en la construccion es el cemento Portland, formado por la moliendaconjunta del producto resultante de la coccion de una mezcla caliza y arcilla que recibe elnombre clınker y de un material empleado como regular de fraguado que generalmente es yesodihidratado.

Dentro de los diferentes componentes del cemento, podemos mencionar dos grupos de com-ponentes. Se presentan a continuacion.

2.2.1.1. Componentes principales del cemento

El clınker es el principal componente del cemento Portland y presenta los siguientes com-puestos basicos:

Silicato tricalcico (C3S): Tambien conocido como Alita, es el principal responsable delas resistencia del cemento, y particularmente de las resistencias iniciales. Entre sus pro-piedades se puede mencionar que desarrolla su resistencia en perıodo aproximado de unasemana y el calor de hidratacion desarrollado es alto, alcanzado los 502 kJ/Kg. [15]

Silicato bicalcico (C2S): Tambien conocido como Belita. La ganancia de resistencia seacomete en el tiempo, siendo muy pequena en los primeros dıas de vida del hormigon yaumentando progresivamente hasta alcanzar las mismas otorgadas por el silicato tricalcico.El calor de hidratacion producido es mas bajo que en el caso anterior, del orden de 250kJ/Kg. [15]

Aluminato tricalcico (C3A): Es un componente que actua como catalizador, contribuyena las resistencias iniciales en presencia de los silicatos antes mencionados. Su hidratacionen contacto con el agua es muy rapida y desarrolla un elevado calor de hidratacion, 866kJ/Kg. Para retrasar su actividad se anade un regulador de fraguado que habitualmente esyeso. Los cementos con alto contenido de (C3A) dan lugar a pastas, morteros y hormigonesmuy sensibles al ataque por sulfatos y otros agentes agresivos. [15]

Ferrito aluminato tetracalcico (C4AF): Tambien conocido como Celita. Es un compo-nente que influye poco en la resistencia del mortero. Actua como fundente en el horno ya el se debe el color gris verdoso del cemento. En cementos blancos su contenido debe sermenor del 0.5 %. Presenta un calor de hidratacion del orden de 418 kJ/kg. [15]



De los componentes mencionados anteriormente, los silicatos son los componentes principalesdel cemento, sumando un porcentaje del total de alrededor del 80 % de los compuestos, siendoa su vez los responsables de la resistencia del cemento Portland; mientras que el (C3A) suelevariar entre el 2 y el 14 % y el contenido de (C4AF) normalmente es del 10 %. [15]

2.2.1.2. Componentes secundarios del cemento

Como componentes secundarios del cemento Portland, se puede mencionar [15]:

Oxido de cal (CaO): Defecto de fabricacion. Muy expansiva.

Oxido de magnesio (MgO): Procede de las calizas con (MgCO3). Muy expansivo.

Trioxido de azufre (SO3): Proviene de la materia prima y del combustible. Perjudicialdebido a la expansividad.

Alcalis (K2O) y (Na2O): Peligroso debido a las reacciones arido-alcali.

2.2.1.3. La hidratacion del cemento

El endurecimiento y fraguado del hormigon son el resultado de procesos quımicos y fısicosentre el cemento Portland y el agua. Dicho proceso recibe el nombre de hidratacion del cemento.

Las reacciones quımicas de hidratacion de los compuestos del cemento condicionan en granmedida las microestructuras que se desarrollaran posteriormente. Desde un punto de vistaquımico, las reacciones de hidratacion son un complejo proceso de disolucion-precipitacion enel que se disuelven los componentes mas solubles del cemento anhidro, formando una fase acuosaionica a partir de la cual y, en funcion del grado de saturacion de dichos iones, precipitaran loshidratos correspondientes en forma de coloides o hidratos cristalinos. [30]

Para poder entender los procesos quımicos que determinan el fraguado del cemento, es nece-sario estudiar la hidratacion de cada uno de los minerales del clınker de forma independiente.Esto supone que la hidratacion de cada compuesto es un proceso independiente de los otrosprocesos que tienen lugar durante la hidratacion del cemento. Esta premisa es una suposiciony no siempre es valida, ya que las reacciones entre los compuestos de hidratacion pueden te-ner consecuencias importantes pero, al menos con respecto a la hidratacion de los silicatos, lasuposicion es notablemente representativa.

La hidratacion separada de cada componente del cemento Portland ocurre de la siguienteforma [3][15]:

Silicato tricalcico: Reacciona rapidamente con el agua produciendose C3S2H3 (tobermo-rita) y Ca(OH)2 (portlandita), en forma simplificada CH, segun las reacciones:

2C3S + 6H2O = C3S2H3 + 3CH (2.1)

Silicato bicalcico: Reacciona mas lentamente a diferencia del silicato tricalcico, produ-ciendo la misma cantidad de tobermorita pero menos cantidad de portlandita:

2C2S + 4H2O = C3S2H3 + CH (2.2)



Aluminato tricalcico: La hidratacion es muy rapida debido al gran poder de disolucionque este presenta, produciendo un endurecimiento muy rapido de la pasta. Para disminuirla velocidad de fraguado presente en esta reaccion, se anade un retardador de fraguado quegeneralmente es yeso dihidratado (3CSH2) y formando a su vez etriginta (C3A · 3CSH31).La reaccion de este componente puede escribirse como:

C3A+ 6H2O = C3AH6

3CSH2 + C3A+ 25H2O = C3A · 3CSH31

(2.3)

Ferrito aluminato tetracalcico (C4AF): Reacciona con el agua dando aluminatos decalcio hidratados cristalizados y ferrito de calcio hidratado amorfo, ası como hidroxido dehierro.

Como se ha mostrado anteriormente, los compuestos generados mayoritariamente durante elproceso de hidratacion son el gel C-S-H (tobermorita) y la portlandita. Ademas de estos compo-nentes mayoritarios aparecen otra serie de compuestos, como la etringita, monosulfoaluminatoshidratados y otros compuestos hidratados.

La tobermorita es el componente mayoritario de la pasta de cemento hidratado, constitu-yendo un 50-60 % del volumen total de la pasta de cemento hidratado. La nomenclatura C-S-Hrepresenta a un compuesto de estequiometrıa no definida, pudiendo presentar relaciones Ca/Sique varıan de 1.7 a 2.0 y contenidos de agua estructural muy diferentes. El gel de C-S-H es un si-licato amorfo que puede sufrir sustituciones isomorficas, admitiendo en su estructura cantidadesconsiderables de otros iones fundamentalmente Fe y Al. [30]

Existen diferentes modelos y teorıas que tratan de explicar la estructura del gel C-S-H.Los modelos basicos sobre su estructura -el de Brunauer [7] y el de Feldman-Sereda [14]-lo describen como un gel pobremente cristalizado que forma ensamblados laminares unidosmediante fuerzas de Van der Walls, con poros de diametros inferiores a 0.4 nm rellenos deagua. Mas recientemente se ha desarrollado un modelo que describe las caracterısticas del gelen la escala 1-100 nm. [18][32]. Este modelo propone la existencia de dos tipos de gel C-S-Hdiferenciados, definidos como de alta y baja densidad. La existencia de estos dos tipos de gelC-S-H, ha sido justificada recientemente mediante datos de modulos elasticos de gel C-S-H,obtenidos a traves de nano-identacion3.

Junto con la matriz de gel C-S-H, otras fases que aparecen de modo habitual en la pasta decemento hidratado son la portlandita, los sulfoaluminatos calcicos y el cemento sin hidratar.Estos cuatro componentes de la pasta no son independientes entre sı, dado que se encuentraninterrelacionados por los diversos equilibrios de solubilidad que tienen lugar entre la matriz decemento hidratado y la fase acuosa de los poros.

1. Portlandita: Tambien llamado hidroxido calcico, constituye en el 20-25 % del volumende la pasta de cemento hidratado. Al contrario que el gel C-S-H, tiene un estequiometrıadefinida y es un compuesto cristalino que tiende a formar grandes cristales de simetrıahexagonal o prismatica, en funcion del espacio disponible para su formacion, temperatura eimpurezas del sistema. Presenta una estructura en capas. Habitualmente aparece formandonodulos heterogeneamente repartidos en la pasta de cemento. En comparacion con el gelC-S-H apenas contribuye a crear resistencia, debido a que su caracter enlazante es mınimo,por el mayor tamano de sus cristales.

3La nano-indentacion es un ensayo de dureza llevado a cabo a la escala de longitudes nanometricas.



Ademas es la responsable del pH fuertemente alcalino que tiene el hormigon (aproxi-madamente 12.5). Es importante procurar que los hidroxidos no reaccionen en grandescantidades con el dioxido de carbono, ya que debido a esta reaccion se produce carbonatocalcico, el cual disminuye el pH del hormigon y produce problemas de corrosion en las ar-maduras. Otro efecto producido por esta reaccion es el cerramiento de poros de hormigon,produciendo ası un menor ataque por agentes agresivos a la matriz por la produccion decarbonato calcico. [30][3]

Figura 2.1: Imagen de MEB de unos cristales hexagonales de portlandita. [30]

2. Sulfoaluminatos calcicos: Estos compuestos constituyen un 15-20 % del volumen dela pasta de cemento hidratado y, aunque contribuyen en muy pequena proporcion a lasresistencias del producto final, juegan un papel muy importante en la durabilidad enmedios sulfatados. A edades cortas del proceso de hidratacion, se forma principalmente laetringita (fase AFt), que a partir de las 24 horas de hidratacion comienza a desaparecerdando lugar al monosulfoaluminato (fase AFm). [30]

3. Cemento sin hidratar: De modo teorico, cuando la relacion a/c es mayor a 0.39 y paraun tiempo muy grande, podrıa darse la hidratacion completa y no existirıa cemento sinhidratar en la pasta de cemento hidratada. En la realidad, debido a la cinetica de los pro-cesos de hidratacion, de las caracterısticas de los productos hidratados y las distribucionesde tamano de grano del cemento, es casi imposible un grado de hidratacion proximo al100 %. Aproximadamente se conoce que en un tiempo cercano a 42 dıas de hidratacion,la mayor parte de las fases que componen el cemento han reaccionado en un porcentajemenor al 50 %. En los cementos, habitualmente se encuentran granos policristalinos quecontienen diferentes fases que componen el cemento. Al entrar en contacto con el agua dancomienzo los procesos de hidratacion.

De forma habitual se produce la difusion de los iones desde los granos de cemento anhidroy la precipitacion de los compuestos hidratados tiene lugar en la superficie de estos, comose puede observar en la figura 2.3.



Figura 2.2: Imagen de MEB de una formacion de etringita dentro de un poro. [30]

Figura 2.3: Esquema del proceso de hidratacion de un grano de cemento policristalino. [30]



Se puede constatar como se deja finalmente un corazon de cemento anhidro rodeado deproductos hidratados. La fase final se corresponde con los 14 dıas de hidratacion. Eneste punto se ralentizan las velocidades de hidratacion dada la densidad de los productoshidratados, que disminuyen la difusion. [30]

La interaccion arido-pastaUn fenomeno que hay que tener muy en cuenta en este trabajo es la interaccion arido-pasta delos hormigones, desde un primer momento se ha dado por supuesto que la correlacion entre elefecto de las nano-adiciones en un mortero de cemento y el que se producirıa en un hormigoncon la misma pasta de cemento,es directa, pero en la realidad no es del todo cierto. En estaslıneas se pretende explicar cual es la distorsion que genera la presencia de los aridos en la masade hormigon.

La presencia de los aridos produce un incremento en la heterogeneidad del conjunto, ya quegenera una distorsion en la distribucion de los granos de cemento, con respecto a lo que serıa lasituacion en una pasta de cemento pura. Uno de los primeros trabajos que presenta la distorsioncreada en la superficie de los agregados es debido a Escadeillas y Maso [13], en el que indicanque esta es causada por el efecto pared que generan los aridos, por el cual en las cercanıasde los agregados se da una deficiencia en la distribucion de los granos de cemento anhidro.Este hecho provoca que se de un aumento de la relacion a/c y de la porosidad en la superficiede los agregados, con lo que se disminuye notablemente la resistencia. Ademas, durante lacompactacion de estos materiales, se genera una acumulacion de agua en los agregados.

Los dos fenomenos anteriormente citados-deficiencia de cemento y aumento de la relacion a/c enlas inmediaciones de los aridos- condicionan que se puedan dar unas reacciones de hidratacion enalgun modo diferentes a lo que tendrıan lugar en la globalidad de la matriz. De este modo, estazona puede presentar un contenido deficitario de granos de cemento sin hidratar y un elevadocontenido de cristales de portlandita y etringita. En la figura 2.4 se presenta un diagramaesquematico de las caracterısticas generales de la zona interfacial de transicion. [30]

Figura 2.4: Zona interfacial arido-pasta de cemento hidratado.



2.2.1.4. Clasificacion del cemento

Los cementos contemplados en la instruccion espanola RC-08 [35] son los siguientes:

Comunes.

Especiales de muy bajo calor de hidratacion.

Albanilerıa.

Albanilerıa blanco.

Usos especiales.

Resistentes a sulfatos.

Resistentes al agua de mar.

De aluminato de calcio.

los cementos se pueden clasificar en funcion de sus componentes (tipos) o en funcion desu resistencia (clase). El numero que identifica a la clase corresponde a la resistencia mınimaaportada a compresion a los 28 dıas, expresada en MPa, exceptuando los cementos con consi-deracion especial en los que dicha resistencia es referida a los 90 dıas. Los porcentajes en masade los distintos tipos de cemento excluyen el regular de fraguado y los eventuales aditivos,no confundiendo dichos componentes con las adiciones. Ambas tipologıas de componentes sepresentaran en las siguientes secciones.

2.2.1.5. Clasificacion del cemento Portland

Esta tipologıa de cemento es la mas utilizada en la industria de la construccion. Su designa-cion es mediante las siglas CEM y una codificacion en numeros romanos que hacen referenciaal tipo de cemento Portland empleado. Ademas, en la nomenclatura se presenta la resistenciamınima a compresion a los 28 dıas (32.5-42.5-52.5) y una letra R, si es se adquieren resis-tencias iniciales altas o N refiriendose a resistencias iniciales normales. Esta designacion es lacontemplada en la instruccion RC-08. [3][35]

Ademas del cemento Portland en su estado mas basico (CEM I), existen cementos Portlandcon adiciones incluidas en su composicion, los cuales poseen un comportamiento intermedio en-tre los CEM I y los cementos con escorias de alto horno o cementos puzolanicos. Estos cementostienen las mismas clases resistentes que los cementos tipo, se designan con las siglas CEM II,siguiendose de una letra (A o B) que indica el subtipo y otra letra (la correspondiente a la adi-cion presente) que identifica el componente principal como adicion al cemento; seguidamentese indica el valor de la resistencia mınima a los 28 dıas y las letras R o N como en el caso delos cementos tipo I.



La clasificacion de los cementos Portland atendiendo a lo contemplado en la instruccionespanola RC-08 [35] es la siguiente:

I: Cemento Portland. Cemento sin adiciones en su composicion.

II: Cemento Portland con adiciones. Para hormigones expuestos a ataques moderados porsulfatos, como en suelos y aguas subterraneas que tienen bajo contenido de sulfatos.

IIA: Cemento Portland con adiciones e inclusor de aire. Utilizados en hormigones enexposicion a la humedad durante ciclos hielo-deshielo.

III: Cemento Portland con escorias de alto horno. Para hormigones donde se requierenaltas resistencias a edades tempranas.

IIIA: Cemento Portland con escorias de alto horno e inclusor de aire. Utilizados en hor-migones que esten expuestos a la humedad durante los ciclos hielo-deshielo.

IV: Cemento puzolanico. Para hormigones donde se requiere un calor de hidratacion bajo.

V: Cemento compuesto. Cemento con alta resistencia a la accion de los sulfatos. Usogeneral y construccion con una presencia alta de sulfatos.

2.2.2. Los aridos

Los aridos son materiales granulares inertes formados por fragmentos de roca o arenas utili-zados en la construccion (edificacion e infraestructura) y en numerosas aplicaciones industriales.Coloquialmente son conocidos como arena, grava, gravilla, etc.

Las propiedades de los aridos es decisiva para la resistencia a compresion y modulo deelasticidad de los hormigones de alta resistencia. En los hormigones convencionales el aridoposee mayor resistencia y rigidez que la pasta de cemento, siendo caracterısticos los fallospor fracturas de la pasta de cemento en la zona de interfase pasta-arido. Por el contrario,en los hormigones de alta resistencia la union entre el arido y la pasta de cemento debe serlo suficientemente resistente para poder permitir una importante transferencia de tensiones atraves de la interfase pasta-arido. A su vez la resistencia de la pasta de cemento es muy alta yen muchas ocasiones algunas veces por encima del valor de la resistencia de los propios aridos.[3][15][29]

En funcion de la aplicacion a la que estan destinados, los aridos deben reunir caracterısticasdiferentes, asociadas a su naturaleza petrografica o al proceso empleado para su produccion,entre las que cabe destacar [39]:

Propiedades geometricas: Tamano, forma de las partıculas, caras de fractura, calidadde los finos, etc.

Propiedades mecanicas y fısicas: Resistencia al desgaste, resistencia la fragmentacion,resistencia al pulimento, densidad, porosidad, contenido en agua, etc.

Propiedades termicas y de alteracion: Resistencia a los ciclos de hielo y deshielo, etc.

Propiedades quımicas: Contenido en azufre, cloruros, materia organica, contaminantesligeros, reactividad potencial, etc.



Estas propiedades son evaluadas gracias a un conjunto de mas de 50 normas de ensayo y deespecificaciones comunes a todos los paıses de la Union Europea. Los aridos para las apli-caciones como el hormigon o las carreteras estan regidos por reglamentos tecnicos oficialesconocidos como EHE (Instruccion para hormigon estructural) y el PG-3 (carreteras).

2.2.2.1. El arido fino

La EHE-08 en su Artıculo no 28 [34] define la arena o arido fino como la fraccion de aridoque 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 arido. Las arenas rodadas tienen unasuperficie que favorece la trabajabilidad del hormigon, por contra las arenas machadas poseenformas que aumentan considerablemente el rozamiento interno de la mezcla, necesitan masagua o un aditivo superplastificantes para lograr los mismos resultados que los obtenidos conlas arenas rodadas de rıo.

En el caso de los hormigones con nano-adiciones de sılice y alumina donde la trabajabilidadse reduce debido a estos componentes, se aconseja el empleo de arena rodada.

2.2.2.2. El arido grueso

Por el contrario, la EHE-08 en su Artıculo no 28 [34] define la grava o el arido grueso comola fraccion de arido que queda retenido por un tamiz de 4 mm de luz de malla (tamiz 4 UNEEN 933-2:96), siendo el tamano maximo permitido el resultante de las dimensiones siguientes:

0.8 veces la distancia horizontal libre entre vainas o armaduras que no formen grupo, oentre un borde de la pieza y una vaina o armadura que forme un angulo mayor que 45o

con la direccion de hormigonado.

1.25 veces la distancia entre un borde de la pieza y una vaina o armadura que forme unangulo no mayor que 45o con la direccion de hormigonado.

0.25 veces la dimension mınima 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 ningun compuesto en cantidad suficiente que pueda serperjudicial o pueda afectar las propiedades del hormigon, o a las armaduras frente a la corrosion.

2.2.3.1. La relacion agua/cemento

Tambien denominada comunmente como a/c, constituye un parametro importante de lacomposicion de la mezcla del hormigon debido a que tiene influencia sobre la resistencia, tra-bajabilidad, durabilidad y retraccion del hormigon. [3]



Este termino indica la relacion que existe entre el peso del agua y el peso del cemento dela mezcla de hormigon. Una relacion baja sera mucho mas favorable, pues al poseer menosagua, posee un numero de poros y vasos capilares inferior, y la capacidad de penetracion delos agentes agresivos es inferior. Evidentemente existe un lımite inferior que vendra dado porcondiciones de trabajabilidad y homogeneidad del conjunto, salvaguardando la posibilidad deluso de aditivos superplastificantes.

2.2.4. El filler

El empleo del filler mineral en el hormigon esta estrechamente ligado al hormigon auto-compactante4 (HAC), con el objetivo de proporcionar cohesion y trabajabilidad a la mezcla.Esta tipologıa (autocompactantes) es similar a la de un hormigon convencional en cuanto aconstituyentes y de ahı el motivo de incluirla en este trabajo, ya que puede admitir la adicionde nano-elementos en su composicion.

Como consecuencia directa de la utilizacion de un filler, se evita la segregacion de los aridosgruesos y el proceso de exudacion del agua. La finura, granulometrıa y naturaleza del los fillerinfluye en el comportamiento del hormigon, resultando en una demanda mas o menos exigentede agua y/o aditivos superplastificantes. [19]

Entre los distintos filler destacan el uso de filler calizo, filler dolomıtico y puzolana natural,siendo el mas comun el primero de los mencionados. La puzolana natural a diferencia de losotros dos contribuye al desarrollo de resistencia a largo plazo, reaccionando con la portlanditaformada durante el proceso de hidratacion del cemento. [19]

En el Anejo 17 de la instruccion EHE-08 [34], en su Artıculo 28, se recomienda que lacantidad maxima de finos menores de 0.063 mm sea de 250 kg/m3. Cuando se use un cementoque tenga como adicion complementaria la caliza, esta adicion hay que tenerla en cuenta en elcomputo total de la cantidad de finos. [19]

2.2.5. Las adiciones

La EHE-08 [34] define como adiciones aquellos materiales inorganicos, puzolanicos o conhidraulicidad latente que, finamente divididos, pueden ser anadidos al hormigon con el fin demejorar alguna de sus propiedades o conferirle caracterısticas especiales.

En esta seccion se describira las caracterısticas particulares que presentan las diferentesadiciones que se emplean convencionalmente en los cementos, ası como las nano-adiciones,productos menos habituales pero de gran gran interes tecnologico en los nuevos desarrollosdentro del campo del hormigon.

4La EHE-08 define al hormigon autocompactante como “aquel hormigon que, como consecuencia de una dosificacion estudiaday del empleo de aditivos superplastificantes especıficos, se compacta por la accion de su propio peso, sin necesidad de energıade vibracion ni de cualquier otro metodo de compactacion, no presentando segregacion, bloqueo de arido grueso, sangrado, niexudacion de la lechada. El hormigon autocompactante anade a las propiedades del hormigon convencional, en cualquiera delas clases resistentes, la propiedad de autocompactabilidad, descrita anteriormente.” Estas caracterısticas descritas se logran conuna relacion agua/cemento baja, un alto contenido en finos, un reducido contenido en arido grueso y la inclusion de aditivossuperplastificantes.



La EHE-08 solo contempla el uso de cenizas volantes y humo de sılice, en cantidades nosuperiores al 35 % y 10 % respectivamente, respecto al peso del cemento, pudiendose usar soloen cementos tipo I. Sin embargo, existen otras adiciones no contempladas en la instruccioncomo las que se presentan a continuacion.

2.2.5.1. El humo de sılice

El humo de sılice es un subproducto obtenido en los hornos electricos de silicio y ferrosilicioque se recoge en forma de humo mediante un filtro electroestatico al reducir en dicho hornocuarzo y carbon. Se obtienen partıculas pequenas en forma de esferas de diametro muy pequenoformadas principalmente por sılice muy reactiva, proporcionando al hormigon altas resistenciasy gran durabilidad. [21][15]

Figura 2.5: Humo de sılice.

El humo de sılice puede ser utilizado en la elaboracion del hormigon tanto directamente enforma de adicion a la mezcla o bien formando parte del mismo cemento, como en el caso dealgunos cemento tipo II. Ademas debido a sus caracterısticas intrınsecas, al igual que el empleode la nano-sılice, sera necesario la utilizacion de superplastificantes en la mezcla.

El uso de esta adicion puede mejorar la reologıa y estabilidad de la mezcla cuando esta enbajas cantidades, aproximadamente entre un 4 y un 10 % del contenido de cemento. El humode sılice hace que se incrementen las resistencias a compresion, el modulo de deformacion y laresistencia a flexo-traccion, obteniendose tambien hormigones de alta durabilidad. La activi-dad puzolanica del humo de sılice es efectiva en los primeros dıas de edad, aproximadamenteal segundo dıa, y su actividad es tanto mayor, cuanto mayor es la edad hasta los 28 dıasaproximadamente. A los 90 dıas practicamente se paraliza la actividad puzolanica. [21]

2.2.5.2. Las cenizas volantes

Las cenizas volantes son cenizas finamente divididas producidas por la combustion del carbonen las centrales termoelectricas, que por el proceso de enfriamiento que sigan forman partıculasvıtreas esfericas, cuyo tamano oscila entre (1-100)µ m teniendo una superficie especıfica entre(250-600) m2/kg segun el metodo de Blaine. La forma esferica contribuye a la fluidez delhormigon reaccionando ademas con portlandita formada durante la hidratacion del cemento,contribuyendo al desarrollo de resistencias a largo plazo. [21][15]



Figura 2.6: Ceniza volante.

Las cenizas volantes precisan de la portlandita, mas concretamente del anion OH−, paradisolverse y poder tener ası propiedades cementantes. Por tanto, el proceso de hidratacion de laceniza volante acarrea una disminucion del contenido de portlandita. Pero, ademas del menorcontenido de portlandita frente a un cemento Portland puro, las cenizas volantes influyen en elgrado de reaccion de las fases del clınker y en la composicion de los productos de hidratacion.Ası mismo, de forma similar a lo que sucede con la adicion de escoria de alto horno, la adicionde ceniza volante produce un refinamiento de la porosidad y una disminucion del tamano deporo, por la precipitacion de los productos de hidratacion. [30]

La EHE-08, en su Artıculo 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 fabricacion del acero. Seforman como un lıquido y al enfriarse rapidamente dan lugar a un material con propiedadescementantes, al ser en su mayorıa vidrio. La escoria no esta contemplada en la EHE-08. [15]

Al contrario que los materiales puzolanicos, que precisan de portlandita para su hidratacion,las escorias tienen capacidad cementante en presencia de agua, aunque con una velocidad muylenta como para que tenga aplicaciones practicas. A modo simplificado, se podrıa decir queen los cementos con escoria de alto horno tienen lugar dos procesos de hidratacion: el debidoal clınker de cemento Portland y el debido a la escoria vıtrea. Ambos procesos van unidos,dado que la hidratacion del clınker se incrementa en presencia de la escoria, y esta precisa delentorno alcalino, que destruye su estructura vıtrea y activa su hidratacion, y de la portlandita,generados ambos en la hidratacion del cemento portland. [30]



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 master. Como ya se hacomentado anteriormente, se tratan de elementos a escala nanometrica, enmarcados dentro delos materiales de ultima generacion y que se estudian dentro del campo de la nanotecnologıa,en este caso, dentro del campo tecnologico del hormigon.

A continuacion se presentan las tres nano-adiciones que se van a emplear en este trabajo:

1. La nano-sılice.

2. La nano-hierro.

3. La nano-alumina.

2.2.6.1. La nano-sılice

La nano-sılice esta compuesta por partıculas solidas de SiO2,insolubles en agua y de tamanonanometrico (1-500 Nm), del orden de las mil veces mas pequenas que las del humo de sılice omicrosılice.

Gracias a sus propiedades la nano-sılice se ha convertido en el material de mayor reactividad,por lo cual, ha sido adicionada a materiales como los polımeros para incrementar su resistenciamecanica, flexibilidad y resistencia al envejecimiento. [33]

Debido a su tamano nanometrico (diametro entre 5 y 20 nm), la nano-sılice se comercializaen estado lıquido, evitando ası que los operarios desarrollen la enfermedad conocida comoSilicosis, la cual es producida por respirar o inhalar polvo de sılice. Dentro de la variedadde comercializacion, existen diversas composiciones quımicas, pero en todos los productos elcomponente mayoritario es el SiO2, con un porcentaje de presencia mayor al 99 %.



Para conseguir la manipulacion en estado lıquido, las partıculas se encuentran modificadasquımicamente, lo que les permite estan en solucion de forma estable, y a su vez presentarmejores propiedades que otras adiciones como el humo de sılice, siendo una alternativa realpara esta ultima adicion, utilizada en exclusiva durante decadas en el hormigon.

Diversos autores que han estudiado esta nano-adicion, afirman que la dosificacion optimarecomendada de la misma esta entre el 0.2 y el 2.1 % en peso del cemento, aunque su aplicacionusualmente es del orden del 1 al 6 %, no requiriendo tratamientos o precauciones especiales,debiendose tratar como un aditivo lıquido estandar. Con una dosificacion por encima de estosvalores disminuye la resistencia a compresion, flexion y aumenta la porosidad, ya se incrementatambien la demanda de agua y superplastificante, dificultando la trabajabilidad y se aumentael numero de fisuras. Se propone una relacion a/c optima de 0.55 para pastas con adicion denano-sılice. [1][16][33].

Ademas hay que tener en cuenta diversas consideraciones en la dosificacion y mezclado delhormigon. En cuanto al cemento, se debe utilizar un tipo CEM I, debido a que este no poseeadiciones en su composicion, por tanto se evitan reacciones entre las adiciones con la nano-sıliceque pueda afectar a la masa de hormigon.

Como se ha comentado anteriormente, la nano-sılice se comercializa en estado lıquido, porlo que habra que tener en cuenta esta base acuosa en el agua total de mezclado, cumpliendoası la relacion agua cemento establecida en la dosificacion y evitando una afeccion negativa ala resistencia final y durabilidad del hormigon por exceso de agua.

Debido al tamano tan pequeno de la nano-sılice esta tiene unos efectos muy remarcados en lamicroestructura del hormigon. Debido a su actividad puzolanica, al reaccionar con el hidroxidocalcico (portlandita), la nano-sılice es capaz de aportar mas cantidad de gel de C-S-H (silicatocalcico hidratado) [5], con lo que se puede establecer que a nivel microestructura se favoreceuna actividad puzolanica en el material proporcionando las siguientes ventajas:

Se consume hidroxido de calcio en lugar de generarlo, lo que es importante para la dura-bilidad de pastas hidratadas en ambientes acidos.

Se produce una reaccion lenta al contrario que la reaccion de la hidratacion del cemento,por lo que los productos formados en un tiempo posterior son capaces de rellenar losespacios capilares generados tras la hidratacion de los componentes del cemento y portanto disminuye la porosidad. [16][17].

Se incrementa la resistencia a compresion hasta un 20 % [5].

Se incrementa la resistencia a flexion hasta un 10 % debido al efecto filler que aportacohesion al conjunto.5 [5].

Dicho de una forma mas sencilla, la adicion de nano-sılice a la mezcla proporciona una mejorcohesion, una menor porosidad e incrementa la compacidad del conjunto. [21][16]

5Este efecto es aun mas notable en hormigones que en morteros ya que la presencia de aridos requiere de una pasta con mayorcapacidad de enlazar al conjunto.



Por su elevado poder de plastificacion y su capacidad de favorecer la evolucion de las resis-tencias, con mas hincapie a edades tempranas, el uso de esta adicion es ideal en los siguientescampos [21]:

Hormigones prefabricados, postesados, pretensados y armados.

Hormigones de altas prestaciones.

Hormigones ligeros de baja densidad.

Todas las aplicaciones del campo de la micro-sılice.

Ademas de las caracterısticas ya comentadas por las que el uso de la nano-sılice resultainteresante, existen otras propiedades reologicas y de acabado interesantes [21]:

Incremento del desarrollo de alta resistencia final. Hormigones con mas de 500 MPa conmenos de 350 kg de cemento por m3.

No produce retrasos en fraguado.

Evita la segregacion y la excesiva exudacion.

Mejora el acabado y la textura de la superficie del hormigon.

Evita la formacion de coqueras y nidos de grava.

Evita las eflorescencias.

Como conclusion, la adicion de nano-sılice provoca cambios muy importantes en la microes-tructura final de un hormigon, obteniendose una microestructura mucho mas densa, compactay resistente.

2.2.6.2. La nano-hierro

La nano-hierro son nanopartıculas de hierro con denominacion quımica Fe2O3. Dichas nano-partıculas poseen propiedades ferro-magneticas, con lo que, al estar sometidas a la accion de uncampo magnetico intenso, las partıculas pueden llegar a alinearse en este campo, agrupandosey formando un material de mayor tamano.

En el estudio de los materiales cementıcios, esta nanopartıcula puede mejorar las propiedadesdel hormigon, principalmente, porque este nano-material tiene la capacidad de rellenar los porosque dejan los cristales hidratados en la pasta de cemento (efecto filler) y ademas actua como unnucleo activador, donde posteriormente se formaran cristales hidratados alrededor del mismo.

Basicamente estas propiedades satisfactorias para el hormigon se deben al tamano de partıcu-la nanometrico y la elevada superficie esferica de las mismas, provocando con ambas caracterısti-cas, el cierre de poros que puedan dejar los cristales y por otro lado, la envuelta rapida de lasnanopartıculas con agua, tendiendo estas a ser nucleos de hidratacion.



Figura 2.8: Nano-hierro.

Figura 2.9: Porosidad total presentada en diferentes morteros de cemento con distintas dosificaciones denano-hierro. [2]



En la figura 2.9 se presentan los resultados obtenidos para diferentes dosificaciones de mor-tero de cemento con distintas proporciones de nano-hierro, donde se observa como la porosidaddisminuye conforme aumenta la presencia de esta nano-adicion. Es importante recalcar que losvalores mas interesantes se presentan para temperaturas proximas a 250oC, ya que para tem-peraturas mayores incrementa la formacion de productos hidratados que acaban precipitandoen los poros abiertos y por tanto la porosidad decrece.

Por el contrario, con temperaturas proximas a 600 oC se evapora una gran cantidad de aguaproveniente del gel C-S-H y del hidroxido de calcio, que acaba deshidratandose, con lo queaumenta la porosidad. [2]

Cabe destacar que el nano-hierro no posee propiedades puzolanicas al no estar presente ensu composicion quımica la sılice y el aluminio, por lo tanto no existirıa ninguna reaccion conlos compuestos hidratados de la pasta de cemento. El unico efecto que produce es de caracterfısico. [19]

Muchos estudios se han centrado en cuantificar el efecto de la adicion de nanopartıculas dehierro a morteros u hormigones, en ambos casos se ha concluido que esta adicion reduce lapermeabilidad e incrementa la resistencia a compresion, mejorando por tanto la durabilidad delproducto. [2]

Centrandose en el comportamiento de morteros de cemento con nano-adicion de hierro, Losautores Li et al [22] comprobo que la resistencia a compresion y flexion a 7 y 28 dıas es muchomayor que para un mortero convencional.

En cuanto a la resistividad, decrece ligeramente con el incremento del porcentaje de adicionaun cuando se les aplica cargas y aparecen grietas, lo cual indica que el nano-hierro no decrecesignificativamente la resistividad lo cual es beneficioso para la durabilidad del refuerzo delhormigon. [33]

Los autores Nazari et al, estudiaron la trabajabilidad y la puesta en obra de hormigonesmodificados con nano-adicion de hierro y se comprobo como existıa una reduccion de la tra-bajabilidad conforme aumentaba en proporcion la presencia de la nano-adicion. Ademas losautores la resistencia a flexion de los hormigones con dicha dosificacion y observaron unasmejoras del 13.64 %, 18.18 %, 13.64 % y 9.1 % con adiciones del 0.5 %, 1 %, 1.5 % y 2 % res-pectivamente, con lo que se puede concluir que no hay una relacion lineal entre la mejora deresistencia y la presencia en porcentaje de nano-hierro. [25][26]

A lo expuesto anteriormente, es inevitable pensar que esta adicion aporta muchas ventajas,pero es necesario tener en cuenta su comportamiento frente a la accion del fuego. Ya se hacomentado anteriormente la influencia de la temperatura frente la porosidad. A continuacionse presenta la relacion existente entre la temperatura y la resistencia a compresion.

En la figura 2.10 se observa como de la misma forma que en el grafico 2.9, la temperaturainfluye en la resistencia a compresion simple. De nuevo las temperaturas de 250oC y 600oC sonrelevantes, debido a los motivos presentados en lıneas superiores.



Figura 2.10: Resistencia a compresion simple presentada en diferentes morteros de cemento con distintasdosificaciones de nano-hierro. [2]

2.2.6.3. La nano-alumina

La nano-alumina (nAl) es un compuesta de tamano nanometrico (diametro aproximadode 15 nanometros) conformado en mas de un 99 % por Al2O3 y con una densidad inferior a0.12 gramos por centımetro cuadrado. La adicion de esta nano-partıcula, produce importantescambios en la microestructura final de la pasta de cemento del hormigon, ya que las reaccionesinternas que se van a producir, provocan que se obtenga una microestructura mucho masdensa, compacta y resistente, favoreciendo ası la resistencia y durabilidad del conjunto. Diversosautores afirman que la nano-alumina es la nano-adicion que presenta mayores mejoras de laspropiedades mecanicas en los hormigones de alta resistencia. [31]

Los efectos en la microestructura del hormigon son [8]:

Produce un efecto filler. Los espacios entre granos de cementos quedan rellenos por estanano-adicion y a su vez inmoviliza las partıculas de agua libre.

Favorece la formacion de cristales de portlandita y etringita de menor tamano. Se observaun descenso de los cristales mencionados y a la vez una mayor cantidad de geles C-S-H,de estequiometrıa variable, enlazando fuertemente al conjunto de los compuestos.

Produce un aumento de la rigidez entre planos debiles. Los geles de C-S-H que se formanenlazan zonas que anteriormente estaban debilmente unidas mediante puentes de cristalde portlandita o etringita con poros entre ellos. Ademas sirve como punto de deteccion deroturas.

Nucleo de cristalizacion del cemento hidratado.

Contribuye a las reacciones puzolanicas.



En cuanto a las consideraciones a tener en cuenta en la dosificacion y mezclado de estanano-adicion, respecto al cemento se deben tener las mismas precauciones que en el caso dela nano-sılice. En relacion a la cantidad de agua de la mezcla, la alta superficie especıfica dela nano-alumina (del orden de 155-177 metros cuadrados por gramo), sera necesario un mayoraporte de agua respecto a un hormigon tradicional sin dicha nano-adicion ya que la presencia deesta podrıa dificultar la trabajabilidad del producto. Evidentemente un aumento de la relacionagua cemento perjudica notablemente la resistencia y durabilidad del hormigon con lo que sedebe proponer el uso de un aditivo superplastificante para no mermar dichas caracterısticas.

Es posible encontrar la nano-alumina tanto en forma seca como en forma humeda. En laforma humeda, las nanopartıculas de aluminio vienen dispersas en agua. La concentracion dealumina 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 incluyenen su composicion fibras cortas, discretas y aleatoriamente distribuidas en su masa. No incluyehormigones con polımeros, fibras no contempladas en la instruccion, hormigones con fibrasorientadas intencionadamente y hormigones con dosificaciones en fibras superiores al 1.6 % envolumen.

Las fibras pueden tener una doble finalidad [23]:

Estructural: Pueden sustituir parcial o totalmente a la armadura. Requiere un analisisno lineal.

No estructural: Resistencia al fuego, control de fisuracion, impacto, abrasion, etc.

La EHE-08 contempla tres tipos de fibras:

Fibras de acero.

Fibras polimericas.

Fibras inorganicas.

A continuacion se presentan las tres tipologıas de fibras mas empleadas en el sector del hor-migon: las fibras de poliolefina, las fibras de acero y las fibras de vidrio.



2.2.7.1. Fibras de poliolefina

Las fibras de poliolefina es un material en forma de fibra (alargada) derivada del petroleo(olefinas) y que son adicionadas al hormigon con el fin de mejorar las siguientes caracterısticas[21]:

Resistencia a la fisuracion.

Resistencia al impacto.

Resistencia a flexo-traccion

Resistencia frente ataques quımicos.

Capacidad de la absorcion de energıa.

Resistencia a traccion, con resistencias residuales a flexo traccion, considerandose por tantocomo fibras estructurales.

Resistencia a la corrosion y oxidacion.

Adherencia mejorada fibra-hormigon.

Resistencia al fuego, reduciendo el fenomeno de spalling.

Distribucion homogenea y uniforme de las tensiones en la masa de hormigon, evitando laformacion de fisuras provocadas por la retraccion durante el fraguado.

Resistencia al impacto y a la abrasion.

Dispersion en la masa del hormigon.

Impermeabilidad.

Reduccion del riesgo de disgregacion de la masa.

Figura 2.11: Fibras de poliolefina. [15]

El uso de este tipo de fibras esta especialmente indicado en [21]:

Losas de hormigon.

Pavimentos de hormigon.

Elementos prefabricados.

Hormigon proyectado.



2.2.7.2. Fibras de acero

Las fibras de acero son filamentos de acero cortados y doblados en determinadas longitudesdependiendo el uso al que va a ser sometido, y cuyo fin es reforzar el hormigon.

Los diferentes usos en los que se utilizan son [21]:

Refuerzo de hormigon y mortero proyectado. El elevado numero de fibras por kg y sudistribucion uniforme mejora el comportamiento mecanico considerando esta mejora comohomogenea en el conjunto.

Refuerzo en estructuras de hormigon armado y/o pretensado.

Figura 2.12: Fibras de acero.

Las ventajas que conlleva el uso de este tipo de fibras adicionadas a la masa de hormigonson [21]:

Mejor adherencia de la fibra dentro de la masa de hormigon debido a su geometrıa.

Alta resistencia a traccion.

Alta absorcion de energıa por medio del alambre trefilado de bajo contenido de carbono.

Mejor distribucion de las fibras dentro de la masa de hormigon debido a su presentacion.

Aumento de la resistencia a fatiga, cortante e impacto en las estructuras.

2.2.7.3. Fibras de vidrio

La fibra de vidrio es un material que consta de numerosos filamentos y extremadamentefinos de vidrio. Este material se dispone aleatoriamente en morteros de cemento con el objetivode aumentar la ductilidad del material e impedir la fisuracion debido a la retraccion. [12]

Las fibras de vidrio presentan un modulo elastico muy superior al de la mayorıa de las fibrasorganicas, como las de polipropileno, pero menor que el del acero. Una de las propiedadesfundamentales de las fibras utilizadas para reforzar los cementos, morteros y hormigones es elmodulo elastico. [21]

Las ventajas mas notables que proporcionan las fibras de vidrio en la masa de hormigonconvencional son [21][12]:



Las fibras de vidrio suponen el refuerzo ideal del hormigon cuando este tienen muy poca oninguna resistencia, es decir, primeros dıas de vida del hormigon. A medida que el hormigonaumenta la resistencia en las primeras horas, disminuira la contribucion resistente de lasfibras, cuando estas han sido dosificadas en bajas cantidades.

Las fibras de vidrio implican a toda la masa del hormigon fuertes solicitaciones locales.

La presencia fısica de las fibras de vidrio inhibe el movimiento de la humedad en el hor-migon, obteniendo un material homogeneo y con una mayor resistencia media en general.

Las fibras de vidrio mejoran la resistencia a los danos, particularmente durante la mani-pulacion de componentes en edades tempranas.

La resistencia a traccion/flexion se mejora, consiguiendo eliminar los refuerzos de acero enalgunos elementos no estructurales.

Las fibras de vidrio disminuye el agrietamiento del hormigon por contracciones plasticas.

Figura 2.13: Fibras de vidrio.

2.2.8. Los aditivos

Los aditivos son productos quımicos que se emplean con el objetivo de mejorar las propieda-des del hormigon, tanto en estado fresco como en estado endurecido. Su uso mas convencionalesta directamente relacionado con conceptos como la relacion agua/cemento y la cohesion dela pasta, siendo necesarios en los hormigones autocompactantes y en ocasiones en hormigonesconvencionales con altas exigencias de los terminos ya mencionados.

Sin embargo, ademas existen otro tipo de aditivos en el mercado, son:

Reductores de agua, fluidificantes.

Aceleradores de fraguado.

Aceleradores de endurecimiento.

Hidrofugos.

Colorantes.

Generadores de expansion.

Generadores de espuma.



2.2.8.1. Los superplastificantes

Los superplastificantes son aditivos reductores de agua de alta actividad, es decir, permitenreducir la relacion agua/cemento de la mezcla sin que ello afecte a la trabajabilidad. Estosaditivos son de obligado uso en la fabricacion de hormigones autocompactantes. En el pasadomas reciente se trabajaba con sus sucesores, los plastificantes, pero estos han quedado en desusodebido a que presentan un rendimiento inferior. En este trabajo tambien se estudiara su usodebido a la adicion de nano-sılice, que como se ha comentado anteriormente, su alta superficieespecıfica reduce la trabajabilidad de la mezcla.

Los superplastificantes de nueva generacion se basan en policarboxilatos, permitiendo unaadecuada fluidez y trabajabilidad. Los policarboxilatos se basan en copolımeros de acido acrılicoy grupos de eter de acido acrılico, los cuales crean una capa de absorcion de gran volumenalrededor de las partıculas de cemento, debido a su largas cadenas laterales, que impiden lafloculacion y facilitan la alta fluidez de la pasta de cemento. [19]

El contenido de los superplastificantes en las mezclas de hormigon esta limitado a un 5 %del peso del cemento segun la EHE-08. [34]

A modo de resumen, las ventajas que aportan los superplastificantes a los hormigones (enestado fresco) son [21]:

Facilidad de bombeo.

Facilidad de rellenar encofrados muy armados.

Desarrollo rapido de las resistencias en ausencia de segregacion.

Alta compacidad.

Pasta cementante mas densa y homogenea.

y en estado endurecido:

Fisuracion reducida.

Porosidad reducida.

Impermeabilidad mayor.

Adherencia en la interfase pasta-arido y pasta-armadura mejorada.

Superficie y de ruptura mas lisa, menos descarnamiento de los aridos.

2.2.8.2. Los modificadores de viscosidad

Los modificadores de la viscosidad tienen como objetivo evitar la segregacion y la exudaciondel agua modificando la cohesion de la mezcla. Es un aditivo empleado principalmente enlos hormigones autocompactantes. En ocasiones su presencia viene supeditada a una cantidadsuficiente de finos en la mezcla, no siendo necesarios en este caso.

El uso de agentes modificadores de viscosidad permite al hormigon ser menos sensible alos cambios en la dosificacion del agua, en la finura de la arena empleada y en la dosis desuperplastificante. [27]


Capıtulo 3

CAMPANA EXPERIMENTAL DELABORATORIO

3.1. Introduccion

En este capıtulo se presenta el trabajo realizado en la campana de laboratorio. El lectorpodra encontrar los materiales y dosificaciones empleadas, los procesos de fabricacion de losdiferentes morteros estudiados y una descripcion de los ensayos realizados en esta investigacion.

3.2. Materiales y dosificaciones

La investigacion esta centrada en el estudio de tres morteros de cemento. El primero deellos sera un mortero de cemento convencional CEM 52.5 R5 (DR) sin nano-adiciones, siendoeste el mortero de referencia de la investigacion. Los dos morteros restantes (NS[2]-NF[3]-NA[3] y NS[2]-NF[1]-NA[5]) seran el resultado de una mezcla de mortero convencional condiferentes proporciones de nano-sılice, nano-hierro y nano-alumina. En la tabla 3.1 se presentanlas diferentes dosificaciones1 de nano-adiciones empleadas en los morteros objeto de estudio(NS[2]-NF[3]-NA[3] y NS[2]-NF[1]-NA[5]).

NS[2]-NF[3]-NA[3] NS[2]-NF[1]-NA[5]Nano-sılice 2 2Nano-hierro 3 1Nano-alumina 3 5

Tabla 3.1: Dosificacion en tanto por cien del peso de cemento de las nano-adiciones.

1En tanto por cien [ %] del peso de cemento.

31

CAPITULO 3. CAMPANA EXPERIMENTAL DE LABORATORIO

3.2.1. Arena normalizada CEN

La arena empleada en la dosificacion de los morteros de cemento debe ser una arena norma-lizada CEN [38] que debe cumplir con la distribucion granulometrica indicada en la tabla 3.2,determinada mediante analisis por tamizado de una muestra de arena representativa del totalde masa, no inferior a 1345 g. El tamizado debe continuar hasta que la totalidad de la muestraque pasa por cada tamiz sea inferior a 0.5 g/min.

Dimensiones malla cuadrada [mm] 2.00 1.60 1.00 0.50 0.16 0.08Residuo acumulado sobre tamices [ %] 0 7 ± 5 33 ± 5 67 ± 5 87 ± 5 99 ± 1

Tabla 3.2: Distribucion granulometrica de la arena de referencia CEN.

El contenido de humedad debe ser inferior a 0.2 %, determinado como la perdida de masade una muestra representativa de arena despues de secarse entre 105oC y 110oC hasta masaconstante, y expresada como porcentaje en masa sobre muestra seca.

La arena normalizada CEN utilizada se sirve en bolsas estandarizadas con un contenido de(1350 ± 5) g; con lo que es de sencilla aplicacion a la dosificacion del mortero.

3.2.2. Cemento

El cemento utilizado es un CEM-I de 52.5 R5, con una dosificacion en peso de 450 g.

En lo que se refiere al cemento, este debe exponerse al aire ambiental el menor tiempo posible.El cemento debe conservarse en recipientes completamente llenos y hermeticos, fabricados conmaterial que no reaccione con el cemento.

3.2.3. Agua

Se debe utilizar agua potable. En esta investigacion se utilizara el agua proveniente de ladistribucion del Canal de Isabel II.

La relacion agua cemento empleada es a/c=0.5.

3.2.4. Nano-sılice

La nano-sılice empleada es de la casa Obermeier, registrada comercialmente como Levasil200/40 %. Las caracterısticas principales del producto se muestran en la tabla 3.3.

Riqueza [ %] 40.54Densidad [g/cm2] 1295

pH 20oC 10.3

Area superficial [m2/g] 205Viscosidad [mPa.s] 9.21

Tabla 3.3: Caracterısticas de la nano-sılice empleada, Levasil 200/40 %.


3.2. MATERIALES Y DOSIFICACIONES

3.2.5. Nano-hierro

El nano-hierro empleado es de la casa TECNAN. En su etiquetado indica un tamano departıcula comprendido entre los 10 y 20 nanometros.

3.2.6. Nano-alumina

La nano-alumina empleada es distribuida comercialmente por la casa Vicar. S.A. Es pre-sentada en forma de polvo tipo alumina sub-micronica, y las caracterısticas principales delproducto son se muestran en la tabla 3.4.

Area superficial [m2/g] 7 − 8SiO2 [ %] 0.05Al2O3 [ %] 99.7Fe2O3 [ %] 0.03Cao [ %] 0.03MgO [ %] 0.08Na2O [ %] 0.09D10 % [µm] 0.26D50 % [µm] 0.36D90 % [µm] 0.55

Tabla 3.4: Caracterısticas de la nano-alumina empleada [Vicar ].

3.2.7. Superplastificante

Debido a la presencia de nano-sılice en la dosificacion y el requerimiento de agua que exigeeste componente para trabajar la mezcla de forma fluida, ha sido necesario utilizar un super-plastificante con una aportacion total de 1 gramo a la mezcla.

El superplastificante utilizado es de la casa SIKA, distribuido con el nombre comercial SIKAViscocrete 5720.



3.3. Fabricacion y preparacion del mortero

El proceso de fabricacion en el laboratorio se llevara a cabo segun lo expuesto en la normativaUNE-EN 191-1 [38].

3.3.1. Laboratorio

En cuanto al laboratorio donde se efectue la preparacion de las probetas hay que cuidar lossiguientes aspectos:

El laboratorio debe mantener una temperatura de (20±2)oC y una humedad relativa nomenor del 50 %.

La camara humeda o el gran armario para la conservacion de las probetas en el molde,debe mantenerse a una temperatura (20±1)oC y una humedad relativa no menor del 90 %.

Los recipientes de conservacion para el curado de las probetas en agua, y las gradillassobre las que se colocan, deben ser de un material que no reaccione con el cemento. Latemperatura del agua debe mantenerse a (20±1)oC.

La temperatura y la humedad relativa del aire en el laboratorio y la temperatura del aguaen los recipientes de conservacion deben anotarse al menos una vez al dıa durante las horasde trabajo. La temperatura y la humedad relativa de la camara humeda o del armario, sedeben registrar al menos cada 4 horas.

Los materiales y los aparatos empleados en la fabricacion de las probetas deben estar a latemperatura de (20±2)oC.

3.3.2. Amasadora

En lo que respecta a la amasadora, esta debe constar de las siguientes partes:

Un recipiente de acero inoxidable de una capacidad aproximada de 5 litros, con la formatıpica y dimensiones de la figura 3.1 y equipado de manera que pueda ser fijado firmementeal bastidor de la amasadora durante el amasado y que la altura del recipiente con relaciona la pala y, por consiguiente, la separacion entre la pala y recipiente, pueda ajustarse ymantenerse con precision.

Una pala inoxidable, de forma tıpica, medidas y tolerancias como las indicadas en lafigura 3.1, accionada por un motor electrico de velocidades controladas, con movimientosde rotacion sobre su propio eje, y con un movimiento planetario alrededor del eje delrecipiente. Los dos sentidos de rotacion deben ser opuestos, y la relacion entre las dosvelocidades no debe ser un numero entero.


3.3. FABRICACION Y PREPARACION DEL MORTERO

Figura 3.1: Recipiente y pala tipo de la amasadora. 1 recipiente. 2 pala.

La amasadora debe trabajar a las velocidades dadas en la tabla 3.5 cuando se amase elmortero.

Rotacion [1/min] Movimiento planetario [1/min]Velocidad lenta 140 ± 5 62 ± 5Velocidad rapida 285 ± 10 125 ± 10

Tabla 3.5: Velocidades de la pala mezcladora.

3.3.2.1. Amasado del mortero

Conforme la dosificacion indicada en lıneas anteriores, cada amasada para tres probetas debeestar compuesta de (450 ± 2) gramos de cemento, (1350 ± 5) gramos de arena y (225 ± 1)gramos de agua.

El procedimiento de amasado ha sido el siguiente:

1. Se vierte el agua y el cemento dentro del recipiente, teniendo cuidado para evitar perdidasde agua o de cemento. Previamente el cemento ha sido mezclado en un recipiente cerradocon la nano-adicion de hierro y alumina. La nano-sılice es adicionada a la mezcla junto alagua.

2. Inmediatamente despues de entrar en contacto el agua y el cemento, se pone en marchala amasadora a velocidad lenta, iniciandose los tiempos de amasado. Adicionalmente seregistra el tiempo, al minuto mas cercano, como tiempo cero. Despues de 30 segundos deamasado, se anade regularmente la arena durante los 30 segundos siguientes. Se pone laamasadora a la velocidad rapida y se continua el amasado durante otros 30 segundos.

3. Se para la amasadora durante 90 segundos. En los primeros 30 segundos, se retira por mediode una espatula de goma o de plastico todo el mortero adherido a las paredes laterales y al



fondo del recipiente y se coloca en el centro de la amasadora. En este momento se anadeel superplastificante, en una dosificacion de entre 1 y 2 gramos.

4. Se continua el amasado a velocidad rapida durante 60 segundos.

3.3.3. Molde

El molde debe disponer de tres compartimentos horizontales, de forma que se puedan pre-parar simultaneamente tres probetas prismaticas de 40 mm x 40 mm de seccion transversal y160 mm de longitud. El molde de ser de acero, con un espesor de pared aproximado de 10 mm.La dureza superficial de Vickers de todas las caras interiores de ser, al menos, HV 200. En lafigura 3.8 se presenta un ejemplo tıpico de molde. Al montar un molde limpio, listo para el uso,

Figura 3.2: Ejemplo de molde tıpico. 1: Indicacion de la direccion de ensasado con movimientos de sierra.Dimensiones en mm.

se debe utilizar un producto de sellado adecuado para impregnar las juntas exteriores. Se debeaplicar una capa fina de aceite de desmoldeado a las caras internas del molde.

Para facilitar el llenado del molde, se debe utilizar una tolva metalica, bien ajustada, deparedes verticales de 20 mm a 40 mm de altura. Mediante la vista en planta, las paredes de latolva no deben sobrepasar las interiores del molde en mas de 1 mm. Las paredes exteriores dela tolva deben estar provistas de medios de fijacion para asegurar una posicion correcta sobreel molde.

En esta investigacion se utilizaran 4 moldes, correspondientes a los analisis de resistenciamecanica con un tiempo de curado de 2, 7, 28 y 60 dıas. De este ultimo molde, se extraerantaladros para el analisis en el laboratorio de quımica con un tiempo de curado de 28 dıas.


3.3. FABRICACION Y PREPARACION DEL MORTERO

3.3.4. Compactadora

La compactadora es un equipo que se compone esencialmente de una mesa rectangularunida rıgidamente por dos brazos ligeros a un eje de rotacion, que dista 800 mm del centrode la mesa. La mesa debe estar provista, en el centro de su cara inferior, de un martinete desuperficie redondeada. Debajo del martinete debe existir un pequeno yunque, cuya cara superiorsea plana. En posicion de reposo, la perpendicular comun que pasa por el punto de contactodel martinete y el yunque, debe ser vertical. Cuando el martinete reposa sobre el yunque, lacara superior de la mesa debe estar en posicion horizontal, de forma que el nivel de cualquierade las cuatro esquinas no se desvıe del nivel medio en mas de 1.0 mm. La mesa debe tener lacara superior superior mecanizada y las medidas deben ser iguales o mayores que las de la placabase del molde. Debe facilitarse un sistema de fijacion que proporcione al molde una sujecionfirme a la mesa.

El molde debe colocarse sobre la mesa con la longitud mayor de los compartimentos paralelaa la direccion de los brazos, y por tanto, perpendicular al eje de rotacion de la leva. Se debenprever marcas adecuadas para facilitar la colocacion del molde, de tal manera que el centro delcompartimento central este en la vertical del punto de impacto.

Figura 3.3: Ejemplo de compactadora tıpica. 1 martinete. 2 rodillo de la leva. 3 leva 4 Tope yunque.Dimensiones en mm.



3.4. Ensayos

En esta seccion se describen los diferentes ensayos llevados a cabo en la campana experi-mental para la caracterizacion de los morteros en estado endurecido. La siguiente tabla recogeel tipo de ensayo realizado y la normativa seguida para su realizacion.

Ensayo NormativaResistencia a flexo-traccion UNE-EN 196-1Resistencia a compresion UNE-EN 196-1

Porosimetrıa por intrusion de mercurio (PIM) ASTM D4404-84Analisis termico diferencia (ATD) ASTM E1131

Resistividad electrica UNE 83988-1

Tabla 3.6: Ensayos realizados para la caracterizacion de los morteros

3.4.1. Ensayo de resistencia a flexo-traccion

Para este ensayo se sigue lo expuesto en la norma UNE-EN 196-1. En este ensayo, las probetasprismaticas de 40x40x160 se rompen a flexion mediante la aplicacion de una carga utilizandoun dispositivo de flexion que dispone de dos rodillos de acero distantes una separacion de 100mm y un tercer rodillo equidistante de los otros dos, conforme se observa en la figura 3.4.

Figura 3.4: Dispositivo de carga para la determinacion de la resistencia a flexion. Dimensiones en mm.

Los tres planos verticales que pasan por los ejes de los tres rodillos, deben ser paralelos ypermanecer paralelos durante el ensayo, equidistantes y perpendiculares a la direccion de laprobeta. Uno de los rodillos de apoyo y el de la carga, deben poder oscilar ligeramente parapermitir una distribucion uniforme de la carga sobre el ancho de la probeta, sin someterla aesfuerzos de torsion.

La maquina de ensayo debe ser capaz de aplicar hasta cargas de 10 KN, con una precision de1,0 % de la carga registrada en las 4/5 partes superiores del rango utilizado, y con una velocidadde carga de (50±10) N/s.

El ensayo se realizara sobre tres probetas para cada tiempo de evaluacion (2, 7, 28 y 60 dıas),siendo un total de 12 ensayos por dosificacion (dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3], dosificacionNS[2]-NF[1]-NA[5] y dosificacion de referencia).


3.4. ENSAYOS

Figura 3.5: Ensayo de flexo-traccion.

3.4.1.1. Descripcion del procedimiento del ensayo

Una vez que la probeta ha sido correctamente colocada en la prensa hidraulica se procedea incrementar poco a poco la carga hasta poder determinar el punto de rotura, en la quenormalmente la probeta rompe en dos mitades. En la figura 3.6 se observa la rotura de unaprobeta con nano-adiciones y con un tiempo de curado de 2 dıas.

3.4.2. Ensayo de resistencia a compresion simple

El ensayo de resistencia a compresion simple (RCS) consiste en determinar la maxima resis-tencia a compresion que presenta el material frente a una carga aplicada axialmente y para untiempo de vida determinado.

El ensayo RCS se efectua siguiendo lo expuesto en la norma UNE-EN 196-1. Normalmenteeste ensayo se aplica sobre probetas con 7 y 28 dıas de curado, pero en el caso de este proyectose anadiran dos ensayos mas, a 2 y 60 dıas.

Se realizara el ensayo sobre las dos partes rotas de las probetas provenientes del ensayo deflexo-traccion, para cada tiempo de evaluacion (2, 7, 28 y 60 dıas), con un total de 24 ensayospor dosificacion (dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3], dosificacion NS[2]-NF[1]-NA[5] y dosificacionde referencia).


El primer paso para la realizacion del ensayo es preparar las probetas, vigilando que notengan ningun tipo de dano, desconchado o fisuras, ya que se han utilizado previamente enel ensayo de flexo-traccion, y por tanto habra que disponerlas en la maquina de ensayo deforma que las caras que van a sufrir directamente la carga axial sean totalmente planas, comose observa en la figura 3.7. La maquina de ensayo empleada es una prensa hidraulica marcaIBERTEST, con capacidad maxima de transferencia de 1500 KN, con una precision del 1 % dela carga registrada y una velocidad de aumento de carga de (2400 ± 200) N/s.



Figura 3.6: Rotura a flexo-traccion de una probeta de mortero de cemento con nano-adiciones a 2 dıas.

Figura 3.7: Ensayo RCS.


3.4. ENSAYOS

Debe estar provista de un dispositivo indicador, construido de forma que el valor indicadoen el momento de la rotura de la probeta permanezca indicado despues que la maquina sedescargue.

Esto se consigue mediante un indicador maximo en el manometro o con una memoria en undispositivo digital.

En las maquinas de ensayo el eje vertical del piston debe coincidir con el eje vertical de lamaquina, y durante la puesta en carga, la direccion del movimiento del piston debe ser paralelaal eje vertical de la maquina. Ademas, la resultante de las fuerzas debe pasar por el centro dela probeta. La superficie del plato inferior de la maquina debe ser perpendicular al eje de lamaquina y permanecer perpendicular durante la puesta en carga.

Una vez que el ensayo comienza y se transmite la carga, se procedera a incrementar losescalones de carga hasta la rotura de la probeta. Se presenta en la figura 3.8 una rotura en elensayo RCS de una probeta con un tiempo de curado de 2 dıas.

Figura 3.8: Rotura RCS de una probeta de mortero de cemento con nano-adiciones a 2 dıas.

3.4.3. Porosimetrıa por intrusion de mercurio (PIM)

El termino porosimetrıa se utiliza a menudo para incluir las mediciones de tamano de poro,volumen distribucion, densidad y otras caracterısticas relacionadas con la porosidad de unmaterial.

La porosidad es especialmente importante en la comprension de la formacion, estructura yuso potencial de muchas sustancias. La porosidad de un material afecta sus propiedades fısicas yposteriormente, su comportamiento en su entorno circundante. La adsorcion y permeabilidad,la resistencia, la densidad, y otros factores influenciados por la porosidad de una sustanciadeterminan la forma y manera en la que esta podrıa ser utilizada adecuadamente.

El ensayo de porosimetrıa por intrusion de mercurio forma parte del conjunto de ensayosde caracterizacion micro-estructural del hormigon, empleandose desde principios de los anos60. Mediante el mismo, se consigue conocer la distribucion en volumen y tamano de los porosexistentes en el material, abarcando un rango desde los 5 nm hasta los 100 µm.



Esta tecnica permite evaluar materiales porosos como el hormigon y poder estimar la capa-cidad a penetracion que pueden presentar. [40]

La tecnica se basa en el principio fısico de mojado de los solidos por parte de los lıquidos,de tal manera que, un liquido que no moje a un solido poroso, solo podra penetrar en los porosdel mismo cuando se le aplique una presion. Dado que el mercurio posee una tension superficialalta debido a que su angulo de contacto con la mayorıa de los materiales es mayor de 90o,se considera un lıquido sin capacidad de mojar, por lo que al tener un material sumergido enmercurio a una presion atmosferica, este no lo penetrarıa y solo lo harıa al someterlo a unaumento de presion, penetrando primeramente en poros de mayor tamano a bajas presiones yal aumentar la presion penetrarıa en poros cada vez de tamano mas pequeno.

La relacion entre la presion ejercida y el tamano de poros, viene dada por la ecuacion deWashburn (1921). Suponiendo que la geometrıa del poro es cilındrica:

ρ =−4 ∗ γ ∗ cos[θ]

D(3.1)

donde ρ es la presion necesaria para que el mercurio penetre en un poro de diametro D(N/nm2), γ es la tension superficial del mercurio (485 N/mm), θ es el angulo de contacto entreel mercurio y la superficie del poro2 y D el diametro del poro (nm).

Figura 3.9: Esquema de los procedimientos realizados por penetrometro de mercurio. [19]

En la figura 3.10 se presenta un grafico donde se representa de forma esquematica el angulode contacto θ con los lıquidos.

Del ensayo se obtiene los valores de porosidad total, el diametro de poro crıtico3, el diametroumbral4 y la distribucion de los poros por diametros.

2Aproximadamente 130o.3El diametro crıtico de la muestra es el diametro de poro que mas se repite de forma continuada.4El diametro umbral corresponde al tamano de poro mas grande en el que es apreciable graficamente el primer aumento de

intrusion de mercurio durante el ensayo.


3.4. ENSAYOS

Figura 3.10: Representacion esquematica del angulo de contacto con lıquidos.

La porosidad total de poros se obtiene mdiante la siguiente expresion:

Pt =VpVm∗ 100 (3.2)

siendo Pt la porosidad en %, Vp el volumen de poros (mm3) y Vm el volumen de la muestra(mm3).

En esta tecnica solo se consideran los poros abiertos, es decir, aquellos que son accesibles almercurio intruido. Ademas el modelo asumen que los poros son de geometrıa cilındrica, con loque se determina un tamano aparente de un poro ideal cilındrico equivalente, con lo que esteultimo resultado serıa una medida caracterıstica y no real de la estructura porosa. El diametropromedio de poro se obtiene mediante la siguiente expresion matematica [19]:

θ =4 ∗ VA

(3.3)

siendo θ el diametro de poro promedio (mm), V el volumen de poros (mm3) y A la superficiede la muestra (mm3).

Algunos autores estiman que los resultados de esta tecnica se pueden ver afectados por dife-rentes parametros, como la presion aplicada y el tamano de la muestra entre otros, considerandopor tanto erroneos los valores obtenidos. Sin embargo, la mayorıa coincide en que esta tecnica esmuy util para realizar estudios comparativos, ya que en algunos casos los resultados obtenidospueden estar mas o menos desplazados en valores absolutos, por lo que el resultado siempre escorrecto en terminos relativos. [10]


El procedimiento del ensayo es el descrito por la norma ASTM D4404-84, que aunque esutilizada para el estudio de la porosidad en rocas, su metodologıa es valida y aplicable ahormigones y morteros de cemento. El equipo utilizado es un porosımetro Micromeritics, modeloAutopore IV 9599, que alcanza una presion maxima de 33.000 psi, y cubre el rango de tamanode poros entre 5 nm y 180 µm.

Para la preparacion de la muestra, mediante una corona circular, se obtienen de la zonacentral de las probetas unas muestras cilındricas de 10 mm de diametro.



Figura 3.11: Porosımetro Micromeritics, modelo Autopore IV 9599.

Los cilindros extraıdos se introducen en un desecador conectado a una bomba de vacıo,garantizando una presion de vacıo entre 1 y 5 kPa, manteniendo dichos cilindros durante 30minutos.

Posteriormente las muestras se sumergen en isopropanol al 95 % de concentracion, con lafinalidad de detener los procesos de hidratacion en el mortero, donde permanecen durante 24horas.

A continuacion las muestras se introducen en estufa a 40 grados centıgrados durante untiempo mınimo de 24 horas, con tal de obtener un peso estable de la muestra.

Tras el paso anterior, las muestras cilındricas se recortan en los extremos mediante metodosmanuales, con el objetivo de evaluar una zona central donde se espera una menor distorsion. Enel caso de morteros este paso es menos importante, pero para hormigones es muy importantetener en cuenta la posible dispersion introducida por el arido grueso.

Una vez obtenida la porcion de la muestra se coloca en un portamuestras de 5 (cm3) debulbo y 0.366 (cm3) de tallo. Se pesa el conjunto muestra y portamuestras en una balanza deprecision y se introduce el conjunto en la camara de baja presion del equipo de porosimetrıa.

Una vez realizada la intrusion a baja presion, el conjunto se pesa nuevamente para determinarla cantidad de mercurio que ha penetrado, mediante diferencia de masas.

Por ultimo, se coloca el conjunto en la camara de alta presion del porosımetro y se procedea realizar la intrusion de mercurio.

Hoy en dıa la mayorıa de los porosımetros son de alta calidad y consiguen extraer buenaparte del mercurio introducido en la muestra. No obstante una porcion de este queda sin poderser extraido y por tanto la muestra queda contaminada, no permitiendo su utilizacion en otrosensayos. En la figura 3.13 se muestra un grafico de intrusion/extrusion de mercurio en unamuestra.


3.4. ENSAYOS

Figura 3.12: Detalle del portamuestras con intrusion de mercurio.

Figura 3.13: Intrusion/extrusion de mercurio en una muestra.



3.4.4. Analisis termico diferencia (ATD)

El analisis termico diferencial es un ensayo para la caracterizacion microestructural delmortero de cemento, basado en el estudio de los productos hidratados del mortero. Este ensayopermite caracterizar algunas propiedades del material cementıcio como la eliminacion de agua,la descomposicion de materiales, las reacciones quımicas o cambios de fase en su estructura,mediante variaciones controladas de temperatura.

El ensayo consiste en la medicion continua del peso de la muestra y/o de la variacion delcalor generado, en funcion del cambio de la temperatura por medio de un programa controladode calentamiento y utilizando como referencia una muestra de material inerte.

El objetivo del ensayo es dar a conocer la evolucion en el tiempo que tienen los componentesdel mortero conforme se incrementa la temperatura, identificando los compuestos anhidros ehidratados del cemento, obteniendo el grado de hidratacion de la pasta, a partir del aguacombinada y la portlandita.

Cabe recordar que el agua se encuentra en la pasta de cemento en multiples formas:

Combinada quımicamente en las fases solidas hidratadas de la pasta de cemento.

Adsorbida en la superficie del solido.

Distribuida en los capilares.

Este tipo de analisis permite identificar y cuantificar todas las fases en las que se presenta elagua y algunos componentes de la pasta de cemento como la portlandita, el carbonato calcicoy las fases sulfoalumınicas.

Para identificar los productos hidratados se establecen unos rangos de temperatura. Porejemplo, entre 100oC y 200oC se producen las deshidrataciones de los compuestos: silicatoscalcicos hidratados, monosulfatos calcicos hidratados y trisulfatos calcicos hidratados. En elrango comprendido entre 200oC y 400oC se identifica a los aluminatos calcicos hidratados.Entre 410oC y 500oC se identifica la portlandita. El ultimo rango es el comprendido entre500oC y 900oC donde se produce la descarbonatacion. A continuacion se presenta una tablaresumen.

Compuesto Rango (oC)Silicatos calcicos hidratados (CxSyHz) 120-180

Monosultato calcico hidratado (Afm) 120-150Trisulfato calcico hidratado (Aft) 170-190

Aluminatos cubicos hidratados (CxAyHz) 250-300Hidroxido calcico (Ca(OH)2) 420-500

Carbonatos (CaCO3) 550-700

Tabla 3.7: Rangos de temperaturas para la identificacion de compuestos hidratados.

Dentro de las diferentes fases de perdida de agua, hay que tener en cuenta diversas conside-raciones:

Las perdidas de agua ocurren en un rango de temperaturas entre 100oC y 420oC, dondela mayorıa de los compuestos hidratados pierden esta componente.


3.4. ENSAYOS

La perdida de agua dependera de la temperatura a la que esta sometida la muestra. Enprimer lugar, las perdidas son de las debidas a la humedad ambiental, es decir, agua libre,ocurriendo en un rango entre los 40oC y 100oC. Alrededor de los 120oC se pierde agua in-terlaminar. En el rango comprendido entre los 150oC y 350oC se produce la deshidrataciondel agua adherida a la estructura.

Dentro del analisis, para determinar la cantidad de portlandita presente, se considera laperdida de peso registrada en un rango de temperatura entre los 420oC y 500oC. Dicha partede la portlandita recibe el nombre de portlandita libre. La reaccion que se produce en esterango es:

Ca(OH)2 → CaO +H2O (3.4)

Teniendo en cuenta que la perdida de peso por mol de agua es de 18 gramos, debido al fenomenode la deshidroxilacion. Ademas, existe la posibilidad de que parte de la portlandita se hayacarbonatado, es decir, que haya reaccionado con el dioxido de carbono. La reacccion que tienelugar es:

Ca(OH)2 + CO2 → CaO +H2O (3.5)

Por tanto para conocer la cantidad de agua perdida de portlandita debido al proceso de car-bonatacion es necesario realizar el siguiente calculo, en base al dioxido de carbono desprendidoen el proceso de descarbonatacion:

Agua perdida Portlandita =Agua perdida CO2

44∗ 18 (3.6)

La descarbonatacion suele producirse en el rango de temperatura comprendido entre los 550oCy los 900oC. La reaccion que se produce es:

CaCO3 → CaO + CO2 (3.7)


En este ensayo se emplea la muestra en forma polverizada, con un tamano de partıculainferior a 0.5 mm. Para la obtencion de la muestra se extrae un cilindro de 10 mm de diametro,de la misma forma que en el ensayo de porosimetrıa, de una probeta curada durante 28 dıas. Lamuestra se coloca en estufa durante 48 horas a 40 grados centıgrados para su secado. Una vezterminado el proceso de secado en el horno, se machaca la muestra en un mortero automaticode acero y se muele en un molino de agata. Finalmente se pasa el producto por un tamiz de0.5 mm.

La masa resultante molida, con un peso aproximado de 300 gramos, se introduce en unabolsa de cierre hermetico y se homogeneiza lo maximo posible. El siguiente paso consiste endividir la muestra en 8 parches y tomar una porcion de cada parte hasta completar dos muestrasde 2 gramos, que se colocan en estufa a 40o durante 7 dıas para estabilizar la masa.

Una vez preparada la muestra, se introduce en el equipo ATD del laboratorio de la ETSICPPde Madrid, se trata de un analizador termico simultaneo marca SETARAM, modelo LabsysEVO, con una balanza de precision de 0.1 µm.

En el ensayo se emplea una muestra de 55 mg, una rampa de calentamiento dinamico quevarıa entre 40oC y 1100oC, y una velocidad de calentamiento de 10oC/min. Como material dereferencia se emplean crisoles de alumina, previamente calcinada a 1.200oC, con una atmosferade ensayo de nitrogeno.



Figura 3.14: ATD SETARAM Labsys EVO.

Para calcular el contenido de gel, portlandita y el grado de hidratacion se puede utilizar lametodologıa propuesta por Bhatty (1986), con la siguiente formulacion:

AQE =(Ldh+ Ldx) + 0.41 ∗ Ldc

GdH =AQEm

0.24∗ 100

(3.8)

siendo los siguientes acronimos:

AQE: agua quımicamente enlazada.

GdH: grado de hidratacion.

Ldh: deshidratacion del gel o perdida de masa entre 110oC y 420oC (mg).

Ldx: deshidroxilacion de la portlandita o perdida de masa entre 420oC y 500oC (mg).

Ldc: descarbornatacion o perdida de masa entre 500oC y 1100oC (mg).

m: masa total de la muestra sometida al ensayo (mg).

3.4.5. Resistividad electrica

La resistividad es una propiedad volumetrica del material e indica su resistencia al paso de lascargas electricas. Esta propiedad permite conocer indirectamente la conectividad y tamano delos poros de los morteros de cemento ensayados. Ademas este tipo de ensayo es de naturaleza nodestructiva, por lo que las probetas son reutilizables para otros procedimientos de laboratorio.[4]

La Ley de Ohm dice:

R =V

I= ρ

l

A(3.9)

donde R es la resistencia electrica que se mide aplicando un voltaje V e I es la medida delpaso de corriente. Esta relacion es igual a la resistividad por el factor geometrico l/A, es decir,la distancia entre electrodos dividido el area transversal del paso de corriente.


3.4. ENSAYOS

Figura 3.15: Esquema de funcionamiento del ensayo de resistividad.

Cuanto mayor es la resistividad menor es la porosidad del mortero y mayor su resistenciamecanica, al tener mas fase solida por volumen. Ademas, si el mortero no esta saturado deagua, la resistividad crece, por lo que es un indicador de su grado de saturacion. Por tanto, laresistividad es un indicador de la calidad del mortero al indicar su porosidad, y es un indicadorde su grado de saturacion y puede servir para el control del grado de curado.


Este ensayo se realiza siguiendo lo establecido en la norma UNE 83988-1 (2008).

Tras un proceso de curado de 28 dıas de las probetas y asegurando un estado de saturacion,se procede a limpiar el agua superficial de las mismas.

El equipo empleado es de la casa GIATEC, concretamente el modelo RCON, que mideresistencias electricas con frecuencias entre 1 Hz y 30 KHz.

Figura 3.16: Equipo GIATEC modelo RCON.



Las probetas no se ponen en contacto directo con el equipo electrico, sino que se utilizanunas almohadillas en pares de 3 unidades que se disponen en cada polo del equipo. Dichasalmohadillas previamente han sido limpiadas y se les ha aplicado 15 gramos de gel por cadacara a cada una, extendiendolo con la mano por toda la superficie.

Las medidas se realizan doblemente por cada probeta y sobre las dos caras transversalesde los extremos. Una vez que se hace pasar la corriente alterna y se registran los valores de laresistencia electrica obtenidos directamente desde la pantalla, se calcula la resistividad electricasegun la formula propuesta por la Ley de Ohm, mostrada anteriormente y aplicando el factorde forma de la probeta.

Por otra parte la norma ASTM C1202 establece que hay una relacion entre la carga, enCoulomb, que pasa por una muestra durante un determinado tiempo y la penetrabilidad quetiene esta frente cloruros. El fabricante GIATEC propone una relacion entre estos valores me-diante una tabla de clasificacion, en kΩcm. A continuacion se presenta dicha tabla.

Penetrabilidad de cloruros Carga que pasa (Coulomb) Resistividad electrica (kΩcm)ASTM C1202 UNE 83988-1

Alta 4000 ≤ 5Moderada 2000 a 4000 5 a 10

Baja 1000 a 2000 10 a 20Muy baja 100 a 1000 20 a 200

Despreciable ≤ 100 ≥ 200

Tabla 3.8: Penetrabilidad del mortero/hormigon frente a cloruros.


3.4. ENSAYOS

3.4.6. Resumen-esquema de ensayos realizados

Figura 3.17: Resumen-esquema de ensayos realizados


Capıtulo 4

ANALISIS DE RESULTADOS DE LACAMPANA EXPERIMENTAL

En este capıtulo se presentaran los resultados obtenidos en los diferentes ensayos de lacampana experimental, ası como un analisis comparativo entre los mismos. En primer lugar seanalizaran los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia y posteriormente los obtenidosen la campana realizada en el laboratorio de quımica, donde se han realizado los ensayos deresistividad, porosimetrıa por intrusion de mercurio (PIM) y analisis termico diferencial (ATD).Todos los ensayos han sido realizados con el mortero en estado endurecido.

4.1. Resistencia a compresion

En esta seccion se presentan los resultados obtenidos en el ensayo de resistencia a compresion.En primer lugar se presentan las tres graficas (figuras 4.1, 4.2, y 4.3) correspondientes a laresistencia a compresion obtenida en cada semi-probeta de los morteros ensayados y a diferentestiempos de curado.

Mediante interpolacion de los puntos se han obtenido curvas logarıtmicas que relacionan laresistencia con la edad del mortero.1

En la figura 4.4 se presentan las tres curvas de resistencia-edad del mortero con la finalidadde facilitar el analisis comparativo de resultados. Ası tambien se presenta la tabla 4.1 y figura4.5 donde se recoge de forma cuantitativa la resistencia media a compresion obtenida en cadamortero y edad de evaluacion (UNE-EN 12390-3 (2009)).

dıas DR [Mpa] NS[2]-NF[3]-NA[3] [Mpa] NS[2]-NF[1]-NA[5] [Mpa]2 22,0 22,3 23,07 36,7 34,0 38,8

28 42,8 38,8 45,760 - 41,0 52,0

Tabla 4.1: Resistencia a compresion.

1En cada figura se puede observar como el residuo estadıstico generado en la interpolacion es muy bueno.

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CAPITULO 4. ANALISIS DE RESULTADOS DE LA CAMPANA EXPERIMENTAL

Figura 4.1: Resistencia a compresion simple del mortero de referencia.

Figura 4.2: Resistencia a compresion simple del mortero de dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3].

Figura 4.3: Resistencia a compresion simple del mortero de dosificacion NS[2]-NF[1]-NA[5].


4.1. RESISTENCIA A COMPRESION

De los resultados se puede observar que el mortero NS[2]-NF[1]-NA[5] ofrece mejor resistenciaque el mortero de referencia y el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3], pese a que la diferencia con elprimero es muy pequena. Por otra parte, es importante mencionar como los tres morteros handado resistencias inferiores a los 52.5 MPa, resistencia mınima que al menos tendrıa que habercumplido el mortero de referencia.

Comparando los morteros con nano-adiciones se observa como el mortero NS[2]-NF[1]-NA[5]presenta un mayor incremento de resistencia en el tiempo que el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3].Esta tendencia es posible que sea debida a que en el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3], con mayorcantidad de hierro, se este obstaculizando la formacion de geles C-S-H debido a una precipitacionmayor del compuesto hidroxido de hierro.

Si se compara el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3] con el mortero de referencia se observa comoel primero presenta mayor resistencia a los 2 dıas, pero en la siguiente evaluacion a los 7 dıas,la tendencia cambia, siendo el mortero de referencia el que incrementa dicha resistencia deforma mucho mas rapida que el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3]. La causa de este efecto puedeser exactamente la mismo que el comentado en el parrafo anterior: la obstaculizacion de laspartıculas de nano-hierro.

Como comentario adicional, es necesario mencionar que en la campana experimental se tu-vieron problemas de compactacion, ya que se observaron mezclas excesivamente secas, tantoen el proceso de amasado como en el momento de romper las probetas en el ensayo a com-presion simple. Esta apreciacion puede justificar las bajas resistencias obtenidas y las altasporosidades registradas en los ensayos de caracterizacion microestructural. Ademas, los gradosde hidratacion obtenidos estan dentro del rango esperado, por lo que como se corroborara alo largo del capıtulo, el principal problema registrado en la campana experimental ha sido decompactabilidad, provocado principalmente por una exigencia elevada en la relacion a/c y unmetodo de compactacion propuesto por la UNE insuficiente para el caso de dosificaciones connano-adiciones.

Figura 4.4: Comparativa de resultados de resistencia a compresion de los morteros ensayados.



Figura 4.5: Comparativa de resultados de resistencia a compresion de los morteros ensayados (II).

4.2. Resistencia a flexo-traccion

A continuacion se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de flexo-traccion. Dela misma forma que en el caso de los ensayos a resistencia a compresion, en primer lugar serepresentan los resultados obtenidos para cada mortero (figuras 4.6 y 4.7).

Se puede observar un comportamiento proporcional al registrado en el ensayo de compresion,no aportando una informacion adicional especial, sin mas que la mencionada en la seccionanterior.

Figura 4.6: Resistencia a flexo-traccion del mortero de dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3].


4.2. RESISTENCIA A FLEXO-TRACCION

Figura 4.7: Resistencia a flexo-traccion del mortero de dosificacion NS[2]-NF[1]-NA[5].

Figura 4.8: Comparativa de resultados de resistencia a flexo-traccion de los morteros con nano-adicionesensayos.



4.3. Resistividad electrica

Los resultados del ensayo de resistividad electrica, bajo los criterios de la norma UNE 83988-1 (2008), se recogen en la tabla 4.2, ası como la clasificacion establecida por la norma ASTMC1202 respecto al riesgo de penetrabilidad de cloruros, mediante la relacion existente entre laresistividad electrica y la carga atravesada expresada en Coulomb.

Mortero Resistividad Electrica Resistividad Electrica Penetrabilidad de ClorurosΩ m kΩ cm ASTM C1202

DR 33.11 3.31 AltaNS[2]-NF[3]-NA[3] 39.6 3.96 AltaNS[2]-NF[1]-NA[5] 34.22 3.42 Alta

Tabla 4.2: Resultados del ensayo de resistividad electrica

Se observa como las nano-adiciones han mejorado ligeramente el valor de la resistividadrespecto al mortero de referencia, aun ası, quedan todos los morteros clasificados como morteroscon alto riesgo de penetrabilidad de cloruros segun la ASTM C 1202.

En primer lugar el mortero que mas resistividad ha presentado es el de dosificacion NS[2]-NF[3]-NA[3]. Este incremento de resistividad se puede asociar a la formacion de gran cantidadde productos de hidratacion que rellenan el espacio poroso, y como se presentara en lıneasposteriores, precisamente es este mortero el que mayor grado de hidratacion presenta. Ademas,es plausible la contribucion del efecto filler de las partıculas de nano-hierro a este resultado.

Es importante destacar que la resistividad proporciona una idea de la porosidad conectada,que no esta directamente relacionada con la porosidad total de la muestra, sino mas bien conla estructura porosa del material. Por tanto no debe preocupar que los valores de resistividadobtenidos no se correlacionen con los resultados obtenidos de porosidad total y resistencia, yaque son resultados que pueden ser estudiados de forma independiente. En esta lınea, cabe des-tacar que el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3] presenta un porcentaje inferior de macroporos respectoa los otros morteros estudiados, resultado coherente con los valores de resistividad presentados.


4.4. POROSIMETRIA POR INTRUSION DE MERCURIO (PIM)

4.4. Porosimetrıa por intrusion de mercurio (PIM)

En esta seccion se presentan los resultados obtenidos del ensayo de porosimetrıa por intrusionde mercurio de los tres morteros estudiados. Los resultados presentados son los correspondientesa la distribucion porosa, el volumen acumulado de mercurio intruido (figura 4.9), y el logaritmodiferencial del volumen intruido vs diametro de poro (figura 4.10).

Las curvas del ensayo de porosimetrıa por intrusion de mercurio ofrecen informacion sobre lacantidad de mesoporos y macroporos presentes en las muestras. Atendiendo a las clasificacionesde Mindess y Mehta, se pueden dividir los mesoporos en capilares pequenos y grandes. Dichadistribucion se recoge en el grafico 4.12 y en la tabla 4.5.

Figura 4.9: Volumen acumulado de mercurio intruido vs diametro de poro.

La figura 4.10 ademas de la distribucion de tamano de poros, ofrece a primera vista uncriterio sobre la relacion a/c. Si la curva se desplaza hacia la derecha, la relacion a/c es baja oinsuficiente.

Se puede observar como en el caso de los morteros con nano-adiciones, dichas curvas estandesplazadas hacia la derecha respecto a la curva del mortero de referencia. Esta observacion escoherente con los valores de porosidad y resistencia obtenidos.

La figura 4.11 y tabla 4.4 recoge el porcentaje de porosidad total obtenido en el ensayo. Seobservan valores de porosidades elevados alrededor del 16-18 %, valores que encasillarıan a losmorteros como de mala calidad. Se recuerda que un mortero de calidad media-aceptable tieneuna porosidad de entre 10-14 %. Hoy en dıa se han llegado a conseguir morteros de alta calidadcon un 7 % de porosidad.

A su vez estos valores son coherentes con los registrados en el analisis de resistencia, ya elmortero NS[2]-NF[3]-NA[3] presenta menor resistencia y mayor porosidad, al contrario que elmortero NS[2]-NF[1]-NA[5]. Comparando las porosidades de los morteros con nano-adicionescon el mortero de referencia, se observa como este ultimo presenta el valor mas pequeno. Elautor cree que esto puede ser debido a alguna de las siguientes causas:



Figura 4.10: Logaritmo diferencial del volumen de mercurio intruido vs diametro de poro.

1. La relacion a/c es baja para los morteros con nano-adiciones.

2. El procedimiento de amasado establecido en la UNE es insuficiente en terminos de energıapara el caso de morteros con nano-adiciones.

Figura 4.11: Porosidad total.

Los valores de diametro crıtico y umbral aparecen reflejados en la tabla 4.3. El diametrocrıtico ha sido obtenido de la grafica del logaritmo de intrusion diferencial de mercurio, comoaquel que mas presencia tiene. La campana de Gauss muestra un maximo que se correspondecon dicho diametro.

El diametro umbral es el tamano de poro a partir del cual se aprecia un incremento consi-derable en el volumen de poro y se corresponde con el primer aumento apreciable en la curvade volumen de intrusion acumulado. En este trabajo se ha considerado como diametro umbralaquel que se corresponde a un incremento en el volumen de poro intruido de mas del 3 %.

Se observa como el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3] presenta un diametro crıtico inferior al mor-tero NS[2]-NF[1]-NA[5], lo que conlleva un refinamiento general de la estructura.


4.4. POROSIMETRIA POR INTRUSION DE MERCURIO (PIM)

Figura 4.12: Distribucion del tamano de poro.

Mortero Diametro umbral [µm] Diametro crıtico [µm]DR 0.43 0.077

NS[2]-NF[3]-NA[3] 1.05 0.120NS[2]-NF[1]-NA[5] 1.31 0.183

Tabla 4.3: Diametro crıtico y diametro umbral de los morteros.

Mortero Porosidad total [ %]DR 11.15

NS[2]-NF[3]-NA[3] 18.41NS[2]-NF[1]-NA[5] 15.96

Tabla 4.4: Porosidad total.

[nm] DR [ %] NS[2]-NF[3]-NA[3] [ %] NS[2]-NF[1]-NA[5] [ %]φ > 10.000 0.98 1.14 1.32

50 < φ < 10.000 65.31 60.34 65.8510 < φ < 50 25.95 26.54 24.025 < φ < 10 7.74 11.98 8.81

Tabla 4.5: Distribucion del tamano de poros.



4.5. Analisis termico diferencial (ATD)

En esta seccion se presentan los resultados obtenidos en el analisis termico diferencial (ATD).

En primer lugar se presentan las tres figuras (figura 4.13, 4.14 y 4.15) obtenidas directamentedel ensayo ATD.

Figura 4.13: Resultado del analisis ATD de la probeta DR (mortero de referencia).

Figura 4.14: Resultado del analisis ATD de la probeta NS[2]-NF[3]-NA[3].


4.5. ANALISIS TERMICO DIFERENCIAL (ATD)

Figura 4.15: Resultado del analisis ATD de la probeta NS[2]-NF[1]-NA[5].

En la figura 4.16 se presentan los diagramas termogravimetricos (TG) de los tres morterosanalizados (DR, NS[2]-NF[3]-NA[3] y NS[2]-NF[1]-NA[5]), en los que se muestra el porcentajede perdida total de masa de cada uno de ellos. El TG pone de manifiesto un comportamientosimilar entre los dos morteros con nano-adiciones, mostrando una relacion entre perdida depeso y aumento temperatura casi constante, pero con mayor relevancia en el primer intervalo,entre 105oC y 420oC, debido a las perdidas de agua de gel. A nivel general, se puede concluirque las perdidas de masa en los morteros son mınimas principalmente debido a la naturalezasilıcea de los aridos, tal y como se analizara en las siguientes lıneas.

En el intervalo comprendido entre 45oC y 105oC la perdida de agua es la debida al aguade mojado y en el intervalo entre 105oC y 140oC se registran las perdidas debidas a diversosfactores, entre ellos se puede destacar la diferente superficie especifica de las adiciones, la dis-tribucion de la estructura porosa y la diferente perdida de peso que experimenta cada adicional ser calcinada en estado anhidro.

Figura 4.16: Resultado ensayo ATD: Perdida total de masa.



Las perdidas de agua de gel (deshidratacion) se producen en el intervalo de temperaturascomprendido entre los 140oC y 420 oC aproximadamente.2 La figura 4.17 muestra la curva deperdidas de masa debido a esta fase de la mezcla. Se puede observar como se registran mayoresperdidas en el mortero de referencia, siguiendole el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3], siendo coherenteeste resultado con el obtenido del analisis de la porosidad, ya que como se mostro en la seccionanterior, el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3] es mas poroso que el mortero NS[2]-NF[1]-NA[5].

Figura 4.17: Resultado ensayo ATD: Perdida de agua de gel.

Las perdidas de agua de portlandita (deshidroxilacion) se producen en el intervalo de tem-peraturas comprendido entre los 420oC y 500oC aproximadamente. La figura 4.18 muestra lacurva de perdidas de agua de portlandita. De la misma forma que en la figura 4.17 se mantie-ne la tendencia mostrada en los poros de gel, registrandose de nuevo mayores perdidas en elmortero de referencia. En este intervalo el mortero de referencia pierde un mayor porcentajede masa en proporcion con los morteros con nano-adiciones conforme aumenta la temperatura.Como en el grafico anterior, el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3] presenta mayores perdidas de masaque el mortero NS[2]-NF[1]-NA[5].

Figura 4.18: Resultado ensayo ATD: Perdida de agua de portlandita.

2Seleccionar la temperatura 140oC puede suponer descontar una valiosa informacion que puede afectar al computo final del gelC-S-H, pero en el rango entre 105oC y 140oC no existen anomalıas significativas, por lo que se seguira el criterio establecido porBhatty.



Las perdidas por descarbonatacion se producen en el intervalo de temperaturas comprendidoentre los 500oC y 1100oC aproximadamente. La figura 4.19 presenta la curva en dicho intervalo.Siguiendo la tendencia de los intervalos analizados anteriormente, se producen mayores perdidasen el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3], aunque la diferencia de perdidas entre ambas probetas esmınima. Es importante recalcar como el mortero de referencia cambia la tendencia de su curvarespecto a los morteros con nano-adiciones ya que en una primera fase presenta mayores perdidasque ellos, y a partir de los 700oC, son los morteros con nano-adiciones los que presentan mayoresperdidas de masa.

Generalmente es en este intervalo donde se producen mayores perdidas de masa cuando seanalizan hormigones, debido a la naturaleza caliza de los aridos. En el caso que ocupa estainvestigacion, los aridos son de naturaleza silıcea y de ahı el porcentaje reducido de perdidaobtenido.

Figura 4.19: Resultado ensayo ATD: Perdida de masa por descarbonatacion.

Parametro DR NS[2]-NF[3]-NA[3] NS[2]-NF[1]-NA[5]Masa inicial total [mg] m 54.62 55.02 55.28Perdida de agua de gel [mg] Ldx 1.73 1.57 1.56Perdida de agua de portlandita (libre) [mg] Ldh1 0.6 0.5 0.52Perdida de agua de portlandita (carbonatada) [mg] Ldh2 0.42 0.77 0.69Perdida de agua de portlandita (equivalente) [mg] Ldh 1.02 1.27 1.21Perdida de masa por C02 [mg] Ldc 1.05 1.8 1.7

Tabla 4.6: Resultados cuantitativos del ensayo ATD.

Parametro DR NS[2]-NF[3]-NA[3] NS[2]-NF[1]-NA[5]Perdida de agua de gel [ %] Ldx 3.16 2.85 2.82Perdida de agua de portlandita (libre) [ %] Ldh1 1.09 0.9 0.94Perdida de agua de portlandita (carbonatada) [ %] Ldh2 0.76 1.33 1.24Perdida de agua de portlandita (equivalente) [ %] Ldh 1.85 2.23 2.18Perdida de masa por C02 [ %] Ldc 1.92 3.27 3.07Perdida de masa total [ %] 6.93 8.35 8.07

Tabla 4.7: Resultados porcentuales del ensayo ATD.



En la tabla 4.7 se presenta de forma cuantitativa las masas perdidas en cada uno de losintervalos en los que se ha dividido el analisis, ası como la masa de la muestra a una temperaturade 105oC, donde se ha perdido la masa correspondiente al agua de mojado. Mediante los valorespresentados en la tabla y la formulacion de Bhatty [6], se realizan los calculos necesarios paraobtener el valor del grado de hidratacion de cada uno de los morteros. Dichos calculos tienenen cuenta las siguientes consideraciones:

El porcentaje de cemento seco se calcula en base a la dosificacion del mortero empleada.El peso de cemento hidratado se considera 1.24 veces el peso de cemento seco. [6]

La masa de matriz teorica del cemento seco se calcula tomando la masa inicial de lamuestra ensayada y multiplicandola por el porcentaje de cemento seco existente. Dichoporcentaje se calcula mediante la siguiente expresion:

%Cemento seco =1.24 ∗ Cemento [kg] + Adiciones [kg]

1.24 ∗ Cemento [kg] + Adiciones [kg] + Arena [kg]∗ 100 (4.1)

El agua quımicamente enlazada (AQE) se calcula con la suma de las perdidas de agua degel, las perdidas de agua de portlandita equivalente y el 41 % de las perdidas debidas a ladescarbonatacion. En la tabla 4.8 se muestran los valores obtenidos. [6]

AQE = Ldx+ Ldh+ 0.41 ∗ Ldc (4.2)

DR NS[2]-NF[3]-NA[3] NS[2]-NF[1]-NA[5]Agua quımicamente enlazada [mg] 3.18 3.58 3.46

Tabla 4.8: Agua quımicamente enlazada.

El grado de hidratacion3 (GdH) se calcula con la siguiente expresion, siendo MTC lamatriz teorica de cemento. En la tabla 4.9 se muestran cuantitativamente los resultadosobtenidos para el grado de hidratacion de los dos morteros. En la figura 4.20 se muestranlos resultados de forma grafica. [6]

GdH =AQEMTC

0.24∗ 100 (4.3)

DR NS[2]-NF[3]-NA[3] NS[2]-NF[1]-NA[5]Agua quımicamente enlazada [mg] 3.18 3.58 3.46Matriz teorica de cemento seco [mg] 15.78 16.63 16.71Grado de hidratacion [ %] 83.96 89.69 86.27

Tabla 4.9: Grado de hidratacion de la pasta de cemento.

3En tanto por cien.



Figura 4.20: Grado de hidratacion de la pasta de cemento.

El grado de hidratacion obtenido en los tres morteros estudiados es muy similar siendoligeramente mayor en el mortero NS[2]-NF[3]-NA[3]. Pese a que las diferencias registradasson muy pequenas, el autor considera que este ligero aumento es consecuencia del efecto denucleacion que desarrollan las partıculas de nano-hierro, donde dichas partıculas potencian ymejoran los procesos de hidratacion. Validar esta hipotesis serıa posible mediante el ensayo demicroscopıa de electronica de barrido (MEB).

Con los resultados obtenidos en la tabla 4.9 se puede representar la relacion entre las perdidasde agua de gel y la matriz teorica de cemento seco (figura 4.21), ası como la relacion obtenidacon las perdidas de agua de portlandita equivalente (figura 4.22). Junto a esta representacion,se muestran las relaciones entre las perdidas de agua de gel y perdidas de agua de portlanditaequivalente y la masa total de la muestra.

Se puede observar como el porcentaje de perdidas de agua de gel son muy parecidas enlos morteros con nano-adiciones. De la misma forma, el porcentaje de perdidas de agua deportlandita son tambien muy similares. Teniendo en cuenta que la cantidad aportada de nano-sılice es la misma en los morteros con adiciones, es de esperar la misma cantidad de gel C-S-H yde portlandita disponible, ya que tanto la nano-alumina y la nano-hierro son productos inertes,sin capacidad de consumir portlandita. Las pequenas diferencias que se registran entre ambosmorteros, son por tanto consecuencia de la cantidad de agua disponible en la pasta, que dependea su vez de la diferente superficie especıfica de los nano-elementos presentes.



Figura 4.21: Relacion porcentual de perdidas de agua de gel [ATD].

Figura 4.22: Relacion porcentual de perdidas de agua de portlandita [ATD].


Capıtulo 5

CONCLUSIONES

El objetivo principal de este trabajo es analizar los efectos en el comportamiento de losmorteros de cemento (y hormigones indirectamente) de la adicion de nano-sılice, nano-hierro ynano-alumina.

Para caracterizar dichos comportamientos, se ha trabajado con tres morteros, un morterode cemento convencional utilizado como mortero de referencia y dos morteros con distintasdosificaciones de las nano-adiciones ya mencionadas. Se han realizado ensayos para la determi-nacion de la resistencia a compresion simple, resistencia a flexo-traccion, resistividad electricay ensayos de comportamiento microestructural, como la porosimetrıa por intrusion de mercurio(PIM) y el analisis termico diferencial (ATD).

En base a los resultados obtenidos en este trabajo fin de master y el conocimiento adquiridoen su desarrollo, se pueden enunciar las siguientes conclusiones.

1. La adicion de nano-elementos a un mortero de cemento convencional modifica su com-portamiento, tanto en estado fresco como en estado endurecido. En estado fresco se haobservado como un porcentaje alto (8 %) de nano-adiciones dificulta notablemente el pro-ceso de amasado, ya que la consistencia de la mezcla final por el procedimiento normalizadode la UNE es del tipo seca. Por tanto es necesario recurrir al empleo de superplastificanteso proporcionar mayor energıa de compactacion, conforme se desprende del ensayo PIM.Otra opcion es proponer un metodo de amasado alternativo al propuesto por la UNE,donde la energıa proporcionada a la mezcla sea mas elevada. Estas ideas se desprenden delos valores elevados de porosidad total obtenidos.

2. Las diferentes proporciones de nano-alumina y nano-hierro empleadas no han bloqueadola capacidad reactiva de la nano-sılice presente, ya que en ambos morteros se han obte-nido practicamente las mismas cantidades de gel C-S-H. A su vez, se comprueba como lapresencia de nano-sılice aumenta la resistencia mecanica de los morteros.

69

CAPITULO 5. CONCLUSIONES

3. Un aumento de resistencia mecanica no conlleva necesariamente un aumento de durabili-dad, o viceversa.

4. La adicion de nano-hierro tiene un efecto filler en la mezcla muy positivo y ademas, debidoa su naturaleza y composicion, se puede llegar a un tamano de partıcula nanometrico sindemasiado esfuerzo, cosa que en otros materiales serıa muy difıcil y costoso. Esta afirmacionha sido validada debido al resultado obtenido en el ensayo de resistividad electrica, yaque el mortero con mayor proporcion de nano-hierro ha presentado la resistividad maselevada, y al ensayo PIM que permite obtener la distribucion de tamanos de poro en lamuestra. De los dos resultados mencionados se concluye que una mayor presencia de laadicion de nano-hierro conlleva una reduccion de macroporos en la estructura porosa y unaporosidad conectada menor, caracterısticas relevantes si se pretende elevar la durabilidadde los morteros.

5. La porosidad total elevada es debida a problemas de compactacion en la mezcla.

6. El tamano crıtico de poro y umbral ha sido mas pequeno en el caso del mortero con mayorproporcion de nano-hierro, lo cual corrobora el efecto filler de esta nano-partıcula.

7. Los resultados obtenidos en base a la adicion de nano-hierro dan pie a verificar la hipotesisrealizada por Wu, donde explica como las partıculas de nano-hierro, pese a no tener capaci-dad puzolanica, actuan como nucleos activadores potenciando los procesos de hidrataciona su alrededor. Esta hipotesis ha sido validada por el analisis de los diferentes grados dehidratacion, ya que el mortero con mayor cantidad de nano-hierro ha presentado el valormas elevado.

8. Los resultados presentan una anomalıa en cuanto a la resistencia a compresion y grado dehidratacion. De este resultado se demuestra que un elevado grado de hidratacion no deberelacionarse directamente con una resistencia mecanica elevada. Por otra parte, en estetrabajo se ha comprobado como el aumento de resistencia mecanica no esta unilateralmenterelacionado con un mayor beneficio de cara a obtener materiales de alta durabilidad.Ademas se observa una relacion proporcional entre la porosidad total y la resistenciamecanica registrada.

9. El mortero con mayor proporcion de nano-hierro incrementa su resistencia a compresionde forma mucho mas lenta que el resto de morteros. Esto puede ser debido al efecto barreraque tiene el nano-hierro en la formacion del gel C-S-H cuando precipita el hidroxido dehierro.

Como resumen de las conclusiones presentadas se puede afirmar que la adicion de nano-hierrosupone una mejora significativa dentro del campo de la durabilidad, ya que aumenta la re-sistividad electrica y se obtienen materiales con una distribucion porosa mas pequena. Por elcontrario, en aspectos resistentes se requieren estudios mas rigurosos (p.e. el ensayo MEB) paraacotar su comportamiento microestructural.

En cuanto a la nano-alumina, sus propiedades puzolanicas favorecen la generacion de gelC-S-H y por tanto se obtienen morteros de resistencia mecanica mas elevada.


Para finalizar, el autor sugiere una orientacion en lo que refiere a las proporciones de nano-adiciones presentes en la dosificacion del mortero. De los diferentes resultados, se observanmayores diferencias entre los resultados relativos a los aspectos mecanicos-resistentes (mayorrelacion con la cantidad de alumina presente) que en los relativos a los de durabilidad (mayorrelacion con la cantidad de hierro presente), por lo que cabe pensar que a igualdad de otroscompuestos, reducir la presencia de la adicion de nano-hierro resultarıa en: morteros mas re-sistentes y de menor durabilidad, pero esta ultima, en proporcion, se penalizarıa mucho menosen un analisis global de las caracterısticas deseadas.


Capıtulo 6

DESARROLLOS FUTUROS

Una vez llegado a este punto, solo se esta en condicion de poder afirmar que es necesario unainvestigacion con mayor nivel de profusion dentro del problema que concierne a este TFM. Acontinuacion se van a mostrar unas ideas, que segun el autor de este trabajo, son interesantesde cara a futuras lıneas de investigacion.

1. Analizar los resultados mediante ensayos complementarios. Pese a que se ha aco-tado de forma general el comportamiento de los morteros estudiados, el uso de ensayoscomplementarios como la microscopıa electronica de barrido y el ensayo de resonanciamagnetica de silicio 29, pueden ofrecer informacion adicional de interes relevante. Porejemplo, con el primero de ellos se puede detectar el efecto de nucleacion de la nano-adicion de hierro. Con el segundo, se puede estudiar la forma de las cadenas laminaresde los compuestos implicados. Ademas, en futuras investigaciones serıa muy provechosoestudiar el efecto que tiene la sustitucion del cemento por la proporcion de masa de nano-adiciones empleada, ya que en este trabajo los nano-elementos han sido adicionados sinretirar el porcentaje de masa de cemento correspondiente.

2. Aumentar el numero de probetas en el analisis de la campana de laboratorio.Conocidas las limitaciones de este trabajo fin de master, el numero de probetas ensayadaspor cada dosificacion estudiada es muy inferior al que realmente deberıa ser para poderestar estadısticamente seguros de que se estan obteniendo resultados representativos delproblema objeto de estudio. En campanas futuras se recomienda aumentar el numero deprobetas.

3. Estudiar el efecto de las dosificaciones de nano-adiciones empleadas en hor-migones. Conforme se expuso en el capıtulo correspondiente al estado del arte, el aridogrueso induce una gran dispersion de resultados en el analisis de hormigones frente a losobtenidos en el caso de los morteros, pero ademas, cabe pensar que la presencia de estosfavorece el efecto positivo de las nano-adiciones ya que estas disponen de mayor superficiede asentamiento. Se propone realizar un estudio en hormigones utilizando la misma dosifi-cacion de nano-adiciones de los morteros estudiados en este trabajo, con lo que teniendo losresultados correspondientes a ambas tipologıas (morteros y hormigones) es posible realizarun analisis comparativo de resultados y acotar el fenomeno.

73

CAPITULO 6. DESARROLLOS FUTUROS

4. Realizar nuevas dosificaciones con otras proporciones de nano-adiciones. Elefecto de la nano-sılice en los morteros ha sido muy estudiado por diferentes autores,sin embargo los efectos de la nano-adicion de hierro y sus posibles combinaciones conotros nano-elementos, estan menos presentes en la literatura cientıfica. En este trabajose han empleados dos dosificaciones diferentes, no siendo conocedores plenamente de ladosificacion optima entre las tres nano-adiciones empleadas, por lo que se propone ennuevas campanas realizar un mayor numero de dosificaciones para tratar de conocer lasproporciones optimas de la mezcla.

5. Proponer nuevos metodos de amasado. En este trabajo se ha utilizado la norma UNEcomo referencia para los diferentes procedimientos de laboratorio, pero tras la observado enel procedimiento de amasado de la mezcla es facil pensar que la metodologıa propuesta no esrecomendable para el tratamiento de dosificaciones con nano-adiciones, ya que la presenciade estas requiere de un amasado con mayor energıa. De cara a futuras investigaciones puedeser muy interesante proponer modificaciones en el procedimiento de amasado y evaluar susefectos.


ACRONIMOS

AQE Agua Quımicamente Enlazada.ATD Analisis Termico Diferencial.DA Dosificacion A.CH Portlandita.CSH Gel de silicatos calcicos hidratados.DB Dosificacion B.DR Dosificacion de Referencia.ETSICCP Escuela Tecnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.GDH Grado de Hidratacion.HAC Hormigon Autocompactante.HAR Hormigon de Alta Resistencia.HC Hormigon convencional.MEB Microscopıa Electronica de Barrido.MTC Matriz Teorica de Cemento.NA Nano-alumina.NF Nano-hierro.NS Nano-sılice.OPC Cemento Portland Ordinario.PIM Penetracion por Intrusion de Mercurio.RCS Resistencia a Compresion Simple.TFM Trabajo Fin de Master.UPM Universidad Politecnica de Madrid.

75

Bibliografıa

6.1. Artıculos

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6.2. NORMATIVAS

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[32] Tennis, P.,“A model for two types of calcium silicate hydrate in the microestructure ofPortland cement pastes”. Cement and Concrete Research, 30, 855-863. 2000.

[33] Tobon, J., Restrepo, 0., Paya, J.,“Adicion de nanopartıculas al cemento Portland”. Uni-versidad Nacional de Colombia y Universidad Politecnica de Valencia. 2006.

6.2. Normativas

[34] EHE. “Instruccion de Hormigon Estructural”. Con comentarios de los miembros de laComision Permanente de Estructuras de Hormigon. GOBIERNO DE ESPANA. MINIS-TERIO DE FOMENTO. SECRETARIA GENERAL TECNICA.

[35] RC-08. “Instruccion para la recepcion de cementos”. GOBIERNO DE ESPANA. MINIS-

TERIO DE FOMENTO. SECRETARIA GENERAL TECNICA. Espana. 2008.

[36] UNE 83966:2008. “Durabilidad del hormigon. Metodos de ensayo. Acondicionamiento deprobetas de hormigon para los ensayos de permeabilidad a gases y capilaridad”. AsociacionEspanola de Normalizacion y Certificacion. AENOR.

[37] UNE 83988:2008. “Durabilidad del hormigon. Metodos de ensayo. Determinacion de laresistividad electrica. Parte 1: Metodo directo (metodo de referencia)”. Asociacion Espanolade Normalizacion y Certificacion. AENOR.

[38] UNE-EN 196-1:2005. “Ensayos de hormigon endurecido. Parte 1: Determinacion de resis-tencias mecanicas”. Asociacion Espanola de Normalizacion y Certificacion. AENOR.

6.3. Otras referencias

[39] “Los aridos y el cemento. El recorrido de los minerales”. Comunidad de Madrid. Espana.

[40] www.micromeritics.com (Autopore IV).


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