Análisis de la influencia del tipo de cemento en función de la resistencia mecánica del hormigón en presencia de ácidos y sulfatos

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ING. ROQUE FLORENTÍN – ING. RODRIGO QUINTANA – INGENIERÍA CIVIL, FACULTAD DE INGENIERÍA. UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN.

RESUMEN.

FLORENTIN CACERES, R.I. y RODRIGO QUINTANA, R.Q. Análisis de la influencia del tipo de cemento en función de la resistencia mecánica del hormigón en presencia de ácidos y sulfatos. 2017. Presentación para obtención de título de Ingeniero Civil, FIUNA, San Lorenzo.

El presente Trabajo Final de Grado consiste en analizar el tipo de cemento óptimo a ser empleado para elaboración de estructuras de hormigón que estarán en exposición al medio agresivo, considerando agentes muy comunes y perjudiciales para las estructuras. Pretendiendo cuantificar los efectos del ataque mediante la resistencia a compresión simple, absorción capilar y la pérdida de masa de los especímenes.

Como resultado del análisis se verifica que el contenido moderado de Clinker es el factor fundamental en el cemento para que un hormigón expuesto adquiera mayor durabilidad.

Introducción.

Las estructuras de hormigón pueden estar sujetas a múltiples agentes potencialmente dañinos que causan deterioros tempranos y en consecuencia una reducción considerable en su durabilidad.

Las causas de daños y deterioros en el hormigón son numerosas y de varios orígenes, tanto químicos como físicos, incluyendo causas como errores de diseño, mala ejecución durante la construcción y efectos del envejecimiento.

Desde un punto de vista químico, el hormigón es alcalino por naturaleza. Por lo tanto, es particularmente vulnerable al ataque por sustancias agresivas del entorno o que esté expuesto en su vida útil.

El ataque simultáneo de los ácidos y sulfatos en los hormigones está muy asociado a su utilización en ambientes industriales, a través de la formación de ambientes extremadamente agresivos, en dos estados: líquido y gaseoso. Los tipos de soluciones acuosas más comunes en procesos industriales son: el ácido sulfúrico (H2SO4), el ácido fórmico (HCOOH), el sulfato de sodio (Na2SO4) y el sulfato de amonio (NH4)2SO4 (Busnello, dos Santos Rodrigues, 2004).

Desde el punto de vista de los sulfatos están siempre presentes en el cemento y forman la etringita durante las primeras etapas. Esto es debido principalmente al yeso (sulfato cálcico) añadido en la planta de cemento, que reacciona con los aluminatos del cemento (reguladores de fraguado), durante las primeras horas después del amasado con el agua para la producción de hormigón (Mehta, Monteiro, 2006).

Comúnmente, estas soluciones escurren sobre pisos industriales, y drenadas a través de las aguas pluviales, fluyendo por la superficie de las obras de arte de hormigón. Como agravante se podría sumar la influencia del tráfico intenso de vehículos, camiones pesados en los procesos industriales.

Los ácidos orgánicos (que son originados en los silos de productos agrícolas o en industrias manufactureras o procesadoras de alimentos en general) pueden provocar daños superficiales. Esto puede representar una preocupación particularmente importante en el caso de las losas de piso, aun cuando la integridad estructural no resulte afectada.

1.1. Objetivos.

Estudio del comportamiento de los tipos de cemento en presencia de agentes agresivos (ácidos y sulfatos) en el hormigón.

Análisis del comportamiento físico del hormigón en función del tipo de cemento frente a agentes agresivos.

Evaluación del ataque de los agentes agresivos en  la porosidad del hormigón.

Estudio  del comportamiento mecánico del hormigón en función del tipo de cemento en presencia de ácidos y sulfatos más frecuentes presentes en el medio.

Determinación del tipo de cemento en plaza óptimo frente al ataque de ácidos y sulfatos en hormigón.

Establecer diferencias entre un hormigón sometido al ataque de agentes agresivos con un hormigón en condiciones ambientales normales.

  1. Ensayos realizados.

2.1. Diseño del ensayo.

Los agentes elegidos fueron: el ácido sulfúrico (inorgánico), el ácido fórmico (orgánico), el sulfato de amonio.

Para el ácido sulfúrico se propusieron las concentraciones de pH = 0, pH = 2 y pH = 4, para el ácido fórmico los pH = 2, pH = 3 y pH =4 como el ácido formico es un ácido débil no fue posible llegar al pH = 0, en su reemplazo se utilizó el pH = 2 para el caso más desfavorable.

Para el agente sulfato de amonio se consideró el valor de 600 ppm, que corresponde a un 50% por encima del valor 400 ppm que es una concentración límite de la  ERSSAN

Una vez fijo los agentes a los cuales se someterán los especímenes, se analizó el tipo de cemento a ser ensayado. El cemento portland (CPIV-32) fue elegido por su moderado contenido de Clinker y por sus propiedades resistentes, caracterizado por un fraguado lento y luego a mayores edades mejora su resistencia. El cemento portland con filler calizo (CPII F-40) es un cemento con un alto contenido de Clinker que a primeras edades adquiere resistencias altas, entonces. Por estas diferencias mencionadas, fueron seleccionados ambos cementos.

Se fabricaron 144 probetas de hormigón normalizadas de dimensiones 10x20cm de diámetro y altura respectivamente.

Para cada tipo de cemento CPII F40 y CPIV 32, se realizaron hormigones de  FCK 180 kg/cm2 y 350 kg/cm2.

RESULTADOS DE ENSAYOS

Se utilizaron recipientes de plásticos de 20 litros de capacidad, donde el volumen útil del líquido de agua es 10 litros, entonces, las dosis para las concentraciones fueron:

Ácido Sulfúrico: Para un pH=0 se utilizaron 268ml (5 moles), pH=2  2,80ml (0.05 moles) y para una concentración de pH=4  0,02ml (0.0005 moles) correspondiendo a este ácido concentrado al 95%.

Ácido Fórmico: En estado concentrado se encuentra al 85%, lo cual implico que la concentración más desfavorable pH = 2, partiendo de eso, se dosifico de la forma: pH =2  257ml (5.66 moles), pH =3  2,9ml (0.066 moles), pH =4  0,07ml (0.0016 moles).

Sulfato de Amonio: Se dosifico en partes por millón, entonces, para 600 ppm (0.0455 moles) se tiene 6 gr y  para 400ppm (0.0303 moles), con 4 gr.

Resistencia a compresión simple

A partir del día 30 se controlaron las concentraciones de cada solución ya las mismas tienden a variar, se realizaron refuerzos de concentración cada 48 horas en promedio, según lecturas previas con “pH-metro”, con el objetivo de expresar valores representativos de la resistencia a compresión en función a la edad de probetas que correspondan a pH constante. Dejando así dos parámetros varíales (resistencia, edad) y uno constante (pH), para identificar si hay diferencias significativas en la resistencia para las diferentes soluciones.

A medida que se realizaron los refuerzos correspondientes para cada solución, se aprecian de forma visual el estado superficial de cada espécimen, donde para los 56 días de observa deterioro superficial severo.

Figura 3.1. Espécimen H180 CPII F40. Atacado por ácidos. Fuente: Elaboración propia.

En la imagen se observa una disociación de la pasta, aumentando considerablemente el tamaño de los poros y quedando expuesto el agregado. Por simple inspección visual se puede notar diferencias entre uno y otro hormigón, el hormigón con Fck = 350 kg/cm2 sufre menor daño y que el de Fck = 180 kg/cm2. El hormigón más compacto es el que presento un menor deterioro.

3.2. Especímenes Fck = 180 kg/cm2. Ácido Sulfúrico.

Los especímenes con cemento CPII-F40 tuvieron una disminución de resistencia en el orden del 25% y de cemento CPIV 32 un 15%. Este resultado corresponde al ataque más desfavorable (curado con pH = 0). Expuestos a otras concentraciones (pH = 2 y pH = 4) están en el orden de 3 a 5% lo cual no es significativo para el análisis.

Figura 3.3. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPII F40. Fuente: Elaboración propia.

Figura 3.4. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPIV 32. Fuente: Elaboración propia

Especímenes Fck = 180 kg/cm2. Acido Fórmico

Para una concentración más desfavorable (pH= 2), la disminución de resistencia está en el orden del 28% para los especímenes con cemento CPII F40 y del 20% para el correspondientes al cemento CPIV 32. Para las concentraciones siguientes (pH= 3, pH= 4) el resultado de disminución tiene el valor de 3% aproximadamente, lo cual no es considerable.


Figura 3.5. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPII F40. Fuente: Elaboración propia

Figura 3.6. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPIV 32. Fuente: Elaboración propia

Especímenes Fck = 180 Kg/cm2 y Fck = 350 Kg/cm2. Sulfato de Amonio.

Se observó una pequeña disminución de la resistencia que corresponde a los especímenes con cemento CPII F40 de Fck=180 Kg/cm2, en el orden del 3% , luego en las condiciones restantes no se registra una variación significativa, pero esta taza de variación depende del tiempo expuesto, es decir, se verían afectados en un periodo mayor a 56 días.

Especímenes Fck=350 kg/cm2. Ácido Sulfúrico.

Los especímenes con cemento CPII-F40 tuvieron una disminución de resistencia en el orden del 3% y de cemento CPIV 32 un 2%. Este resultado corresponde al ataque más desfavorable (curado con pH=0). Expuestos a otras concentraciones (pH =2 y pH =4) no registran disminución significativa para la edad de 56 días.

Figura. 3.11. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPII F40. Fuente: Elaboración propia.

Especímenes Fck 350 kg/cm2  Acido Fórmico

Los especímenes con cemento CPII F40 tuvieron una disminución de resistencia en el orden del 15% y de cemento CPIV 32 un 10%. Este resultado corresponde al ataque más desfavorable (curado con PH=0)

Expuestos a otras concentraciones (PH=2 y PH=4) en el orden del 3% no registran disminución significativa para la edad de 56 días.

Fig. 3.13. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPII F40. Fuente: Elaboración propia.

Figura. 3.14. Evolución de resistencia (ordenada), edad en días (abscisa). Cemento portland CPIV 32. Fuente: Elaboración propia.

Barra de mortero normalizado. NBR 13583.

Se utilizó la relación A/C 0,47 para una dosificación en kg. Se lleva a cabo según la IRAM 637.

Luego de 24 horas de la realización del mortero se procede al desmolde y se seca, para luego registrar el peso en gramos que serviría de parámetro comparativo.

Las dimensiones características son: Longitud: 287 mm, ancho: 25,4 mm, altura: 25,4 mm

Luego de pesar las barras se procede a colocar cuidadosamente en recipientes de plástico de 4 litros de capacidad. En cada recipiente se colocaron 4 barras, 2 para cada tipo de cemento CPII-F40 y CPIV-32 respectivamente. Se tienen 4 recipientes, para condiciones normales, y para el agregado concentraciones de ácido sulfúrico pH=0, ácido fórmico pH=2 y Sulfato de amonio a 600 ppm. La inmersión se hizo desde el primer día de desmolde, y al día 16 fue retirado de los recipientes, secándolos y luego para registrar la medida final de la masa final. Se expresa en las imágenes el estado de las mismas para 16 días de exposición.
Figura 3.15. Barras con Cemento portland CPII F40. Expuestas a ácidos con 16 días de edad. Fuente: Elaboración propia.

Las barras de mortero expuestas a 16 días de curado al ataque con concentraciones de los ácidos presentaron una mayor efecto de disociación de la pasta producto de la expansión, presenta un ataque severo, para los morteros realizados con cemento CPII F40, en cambio para los morteros correspondientes al cemento compuesto por cemento CPIV también se visualiza una disociación pero es menos severo. Estos valores representan a una concentración de pH=0 (Sulfúrico), pH=2 (Fórmico).

La condición de exposición al agente agresivo sulfato de amonio no presento un aspecto de ataque severo, solo cambio de color y aumento del tamaño de las coqueras presentes en la capa superficial, lo cual no hay diferencia apreciable para los dos tipos de cemento CPII-F40 y CPIV-32.

En cuanto a la variación de masa, se comparó el peso en gramos inicialmente luego del desmoldeo con el peso final a los 16 días. Para el ácido sulfúrico se aprecia valores de hasta 25% de disminución y 13% para las barras de mortero con cementos CPII-F40 y CPIV-32 respectivamente.

El ácido fórmico arrojo valores del 20% y 9% para las barras de morteros compuestos por cementos CPII-F40 y CPIV-32 respectivamente.

Ensayo de capilaridad. NC1:2004

Se basa en la cinética de absorción capilar a través de tres coeficientes, resistencia a la penetración de agua, coeficiente de absorción de agua y porosidad efectiva.

De las probetas fabricadas, se seleccionaron las correspondientes a ser ensayadas en esta etapa. Se realizaron cortes a las probetas de 30 mm de espesor medido indistintamente desde la cara superior o inferior.

Estos discos se meten en una estufa, durante 48 horas a temperatura constante de 50 °C  hasta que el peso de una lectura constante, posteriormente se procede al enfriamiento.  Se cubre el área lateral del espécimen con parafina. Luego los especímenes se colocan sobre un lecho de arena fina de 10 mm de espesor en un recipiente estanco con el pelo de agua a 5mm por encima del lecho de arena.

Figura 3.16. Preparación de especímenes. Fuente: Elaboración propia.

Se consiguieron 16 especímenes, de los cuales se dividieron en cuatro grupos de cuatro unidades para cada tipo de agente, de los cuatro, dos son de un tipo de cemento CPII F40 y otros dos para los especímenes con CPIV 32, también se realizó este ensayo para las condiciones de curado normal que sirven como un parámetro inicial de comparación con los resultados finales.

Los resultados se reflejan en la siguiente tabla:

Tabla 3.1: Resultados de ensayo de absorción. Resistencia a la penetración del Agua (m), Coeficiente de absorción capilar (k), Porosidad efectiva (xe).

Fuente: Elaboración propia.

En un hormigón con Fck=180 kg/cm2 se observa mayor absorción correspondiente a los especímenes con cemento CPII-F40 en comparación a un cemento CPIV-32, con cada valor referenciado a la absorción capilar expuesto a curado normal.

Con cemento CPII-F40 entre los ácidos sulfúrico y fórmico no se aprecian variaciones muy apreciables, si bien, el ácido sulfúrico tiene una mayor velocidad de ataque que el fórmico, esta diferencia es pequeña.

El sulfato de amonio presenta menor ataque que los ácidos, pero en comparación a las condiciones normales se observa un leve aumento en la velocidad de ataque.

En un hormigón Fck=350 kg/cm2 se observa una mayor absorción correspondiente a los especímenes con cemento CPII-F40 en comparación a un cemento CPIV-32, cada valor referenciado a la absorción capilar expuesto al curado normal.

En cuanto a los agentes, se ve una mayor propagación de ataque del ácido sulfúrico frente al fórmico, el sulfato de amonio tuvo una velocidad de ataque menor que los ácidos, el cemento  CPII F40 es más susceptible al ataque de agentes agresivos por sus componentes de constitución principal que conforman el Clinker.

CONCLUSIÓN

En el proceso de hidratación del cemento, un mayor contenido de Aluminato tricálcico, produce una mayor proporción de  trisulfoaluminato de calcio (etringita), producto de la reacción del aluminato de calcio con el agua y el yeso.

En la etapa de fraguado, los iones libres pertenecientes al yeso, siguen reaccionando con el aluminato de forma retardada hasta que el yeso se consume por completo, dando como resultado la formación de monosulfatos

Uno de los elementos principales de mantener la alcalinidad es el ión OH- del hidróxido de calcio. Cuando se da un ataque de ácidos, se produce un cambio de estado en el hormigón, de alcalino a ácido, disolviéndose la mayor parte del hidróxido de calcio, aumentando su porosidad y dejando expuesto al hormigón al ataque de otros agentes agresivos como el CO2 con cal libre presente formando así la carbonatación.

Cuando hay un ataque por sulfatos, los iones sulfato se transportan por difusión capilar, y reaccionan con el aluminato tricalcico, formando así más etringita

De los resultados, para los dos tipos de cemento estudiados, CPII F40 y CPIV 32 se concluye que el cemento de mayor rendimiento frente al ataque de agentes agresivos es el cemento con adición de puzolana. El contenido de Clinker para el CPIV 32, tiene valores que rondan entre 50 y 85% del contenido total de cemento, en cambio el CPII F40 tiene valores entre el 80 y 94% del cemento. Entonces, el cemento con menor cantidad de Clinker (CPIV 32), es el más apto para la elaboración de estructuras que estén sujetas ataques de agentes agresivos.

Entre las principales reacciones que ocurren en la pasta hidratada, sobre la formación del silicato de calcio hidratado, con el cemento portland normal y el cemento portland-Puzolánico se tiene:

Para el cemento Portland normal, reaccionan los silicatos con el agua, formando así por un lado, los silicatos de calcio hidratados e hidróxidos de calcio. Sin embargo en el cemento portland puzolánico la porción de hidróxido de calcio formada anteriormente se combina con la puzolana (que es una sílice activa) y el agua. Se forman silicatos de calcio hidratados, lo cual con el correr del tiempo desarrolla resistencia. La cantidad de hidróxido de calcio disponible para reaccionar con los agentes agresivos disminuye.

En presencia de agentes agresivos se debe tener un hormigón más compacto, ya que el mismo posee menos porosidad. El Hormigón recomendable para utilizar en presencia de estos agentes son los de alta resistencia elaborados con cemento portland puzolánico (CPIV 32).

RECOMENDACIÓN

Adoptar hormigones durables para garantizar la conservación de su calidad y serviciabilidad originales al estar expuesto a su ambiente agresivo teniendo en cuenta los cementos portland adecuados.

Utilizar barreras protectoras (membranas u otros sistemas para reducir la penetración de agentes) especiales según el tipo de estructuras.

Seleccionar cuidadosamente las fuentes de extracción de los agregados, si el agregado está contaminado con agentes agresivos estos pueden reaccionar con los componentes del cemento.

Adecuado curado del hormigón como medida preventiva importante para reducir el ingreso de humedad.

El hormigón no se debe exponer a agentes agresivos antes de los 28 días de edad, este tiempo permite que se deposite hidróxido de calcio en la superficie.

Realizar estudios respecto a otros agentes agresivos, como coluros y agentes orgánicos tanto de forma independiente como combinada.

 

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