lunes, 24 de agosto de 2009

Altas resistencias del hormigón autocompactante

El HAC presenta unas resistencias iniciales y finales muy importantes gracias a la compacidad que proporciona el filler en especial si es muy fino y es calizo, así como la optimización de todos los componentes del mismo. Esta compacidad no sólo mejora las características resistentes sino que influye positivamente en la durabilidad del hormigón.
Una de las reacciones poco estudiada y que se debe considerar en su contribución al aumento de resistencias mecánicas es la de epitaxia, que se forma cuando en su reacción de hidratación, el cemento cristaliza sobre dicho filler con el consiguiente aumento de las resistencias mecánicas. Este hecho contribuye a explicar porqué el cambio de filler silíceo a filler calizo de igual granulometría en ensayos realizados sobre un mortero nos provocaba un aumento de resistencias a flexión del 15%.
El objetivo de este trabajo es remarcar todos los efectos que contribuyen al aumento de resistencias mecánicas en el hormigón autocompactante; la influencia del filler, cenizas volantes y el metacaolín, las reacciones de epitaxia y como la presencia de aditivos puede influir en el mecanismo de la reacción de cristalización para el diseño de los componentes del hormigón y optimización de las resistencias mecánicas en función de la aplicación, así como mejora de la durabilidad del hormigón.
1. INTRODUCCIÓN
A finales de los años noventa se comenzó a oír hablar en España de una nueva tecnología que se estaba desarrollando en el mundo del hormigón que se denominaba SCC ( Self Compacting Concrete).
Esta tecnología procedía de Japón, donde el profesor Okamura de la Universidad de Tokio y debido a los requerimientos específicos de dicho país (zona de gran influencia sísmica, espacio limitado para poder construir sobre todo en sus grandes ciudades, edificaciones a gran altura, etc.) y ante la necesidad de poder colocar hormigones, en los que la seguridad, rapidez de colocación y ausencia de vibrado fueran prioritarios, desarrolló un hormigón de una gran fluidez, gran cohesión y que no fuese necesario vibrar.
Esta tecnología se empezó a desarrollar a finales de los años noventa en algunos países de Europa (Holanda, Dinamarca, Suecia, Alemania, etc.), sobre todo en el mundo del hormigón prefabricado.
Los primeros pasos de esta tecnología se dieron en España a principios del siglo XXI, con la reticencia al principio del mundo del hormigón (prescriptores, contratistas, fabricantes, etc.) puesto que era un hormigón desconocido, que no estaba normalizado, que no tenía métodos de ensayos definidos y que parecía que su coste de producción era muy elevado.
En los últimos años, podemos decir que el HAC es una realidad en España, sobre todo en el mundo del prefabricado. La reticencia inicial por los diferentes sectores del mundo del hormigón, se han ido diluyendo. Los métodos de ensayo ya están normalizados en la UNE 83361 y en la próxima revisión de la Instrucción EHE estarán incluidos los HAC, por lo que podemos decir que el hormigón autocompacto es ya una realidad en España.

Figura 1. Fácil colocación del Hormigón Autocompactante

Para fabricar HAC, desde el primer momento se tuvo claro que era fundamental que dicho hormigón tuviera una cantidad de finos mucho más alta que la de cualquier hormigón convencional y que se debían utilizar aditivos de última generación a base de éteres policarboxílicos.
Para conseguir la cantidad de finos necesaria se empezaron a utilizar grandes cantidades de cemento (lo que encarecía considerablemente el hormigón), humo de sílice, cenizas volantes o arenas calizas con gran cantidad de finos. Los resultados obtenidos fueron bastante desiguales sobre todo cuando se pretendía fabricar HAC de una manera industrializada.
Se constata que después de algunos años de experiencia hay dos materiales que resultan imprescindibles en la fabricación de HAC de una manera industrial, dichos materiales son el filler calizo y los aditivos de última generación a base de policarboxilatos con los que se consiguen unas altísimas resistencias y una gran durabilidad en el hormigón.
2. LOS FINOS PARA EL HORMIGÓN AUTOCOMPACTO
Para que un hormigón fluya adecuadamente como autocompacto, la cantidad adecuada de finos menos de 100 micras debe ser de unos 550-600 Kg/m3. Esa cantidad tan alta produce una elevada compacidad, dicha compacidad nos producirá altas resistencias a todas las edades.
Los finos necesarios para fabricar hormigones autocompactos, podrían ser de diferentes naturalezas (arenas calizas, cemento, cenizas volantes, filler calizo, metacaolín, humo de sílice, etc.)
De los diferentes materiales posibles el filler calizo, sería en una relación coste/efectividad el más adecuado para la fabricación industrial de los hormigones autocompactantes. Dicho filler nos demanda agua y si no dispusiéramos de potentes superfluidificantes estos hormigones tendrían resistencias muy bajas al ser muy altas las relaciones A/C. Por esa razón, su aparición coincide con la aparición de los policarboxilatos.
La enorme fluidez que nos producen los nuevos aditivos garantizan que todas las partículas del cemento se hidraten desde el primer momento, produciendo elevadas resistencias iniciales desde el principio.
Tenemos, pues, un hormigón de alta compacidad, muy fluido, lo que nos asegura la total hidratación desde un principio de los granos de cemento y con una relación A/C sensiblemente baja.
Pero aun hay más factores que justifican las rápidas y elevadas resistencias que podremos obtener con el empleo del filler calizo. El empleo de filler calizo nos ayuda de tres formas:

Reacciona con los aluminatos produciendo cristales de carboaluminato, que contribuyen al fraguado.
El filler calizo no es carbonato cálcico puro al 100%. Contiene impurezas, permitidas hasta un límite del 5%. Estas impurezas son generalmente carbonatos magnésicos, sódicos y potásicos, aparte de SiO2. Los alcalinos son solubles y al ser sales que proceden de ácido débil y base fuerte tienen una hidrólisis alcalina (de los cuatro fillers comerciales analizados, todos presentan pH elevado). Ello produce una elevación de la alcalinidad del medio y ayuda a la solubilización de los aluminatos, lo que nos aumentarán las resistencias iniciales.
Cuanto más fino sea el filler y mayor la superficie específica presente, mejor se disolverán los carbonatos alcalinos.
Otro fenómeno que produce la elevación considerable de las resistencias cuando empleamos filler calizo es la epitaxia.
La epitaxia es la cristalización de un mineral sobre otro que tiene estructura análoga. El primero actúa como núcleo de cristalización. Un ejemplo conocido es la cristalización de cristales de hielo sobre núcleos de yoduro potásico para la obtención de lluvia artificial.
El hidróxido cálcico (que se forma en la hidrólisis del óxido cálcico que contiene el cemento y también en la hidratación de los silicatos anhidros que producen silicatos hidratados e hidróxido cálcico) cristaliza sobre el carbonato cálcico que tiene una red análoga produciendo una continuidad cristalográfica entre árido y cemento , con lo que entre carboaluminatos, carbonatos alcalinos y epitaxia se justifica que en ensayos realizados, un mortero con filler calizo tenía una resistencia a flexotracción de un 15% más que uno realizado con filler silicio en similares condiciones.
En realidad, se origina una capa de Portlandita perpendicular a la interfase, sobre el árido. Pero también hay gel fibroso de silicato hidratado, también perpendicular a la superficie y que se deposita en segundo lugar. A estas dos capas se les denomina Doble Capa. A continuación se van depositando más capas de hidróxido cálcico, paralelas ,y otras largas, tubulares y perpendiculares que van extendiéndose hacia la pasta. En el caso de árido calizo esta cal cristaliza como lo hace la caliza , produciendo una epitaxia que es una unión cristalográfica que aumenta las resistencias.
Estudios citados en la bibliografía del presente artículo, demuestran que con la utilización de filler calizo, se aumenta el grado de hidratación de la pasta de cemento y se modifica la relación C/S de los compuestos CSH. Cuando se utiliza una elevada cantidad de material calcáreo, el hidróxido cálcico cristaliza en cristales largos que se concentran en algunas zonas formando un puente entre los granos de material calcáreo logrando una estructura compacta.
Tambien el empleo de humo de sílice y del metacaolín nos produce una magnífica ayuda para la obtención de HAC de mayores resistencias. Su pequeño tamaño (si el cemento 52,5 tiene un promedio de finura de unas 20 micras, el metacaolín lo tiene de 1,5 y el humo de sílice de 0,1). Se han formulado HAC para la construcción de 8.000 m2 de paneles de fachada en el Fórum de Barcelona con unas magníficas resistencias ya que el metacaolín , que se produce en el proceso de calentamiento de la caolinita 2SiO2.Al2O3.2H2O a unos 7500 C, reacciona con la Portlandita produciendo los correspondientes silicatos hidratados.
El HAC formulado con Humo de Sílice y pigmento negro, sin nada de filler, nos produjo altas resistencias en unos paneles de fachada texturizados de color gris. El pigmento tiene un tamaño análogo al del humo, una décima de micra, por lo que el hormigón fluía con mucha facilidad. Con estas adiciones de tanta superficie específica, es importante mantener baja la relación A/C para obtener las grandes resistencias deseadas.
Análogamente podremos fabricar HAC con cenizas volantes, que también nos darán una estupenda reología y un aumento de resistencias. El inconveniente es que como haya segregación suben a la superficie afeando la parte superior ya que se muestran como manchas negras irregulares.
Todo consumo de Ca(OH)2 por parte de adiciones que produzcan nuevos silicatos cálcicos , desplazará el equilibrio de la reacción a la derecha produciendo antes silicatos hidratados del Portland y proporcionando un aumento de resistencias.
Es el caso contrario a añadir un álcali al cemento, que nos solubiliza los aluminatos y acelera el fraguado, pero nos invierte la reacción desplazándola a la izquierda tendiendo a producir menos silicatos hidratados y rebajando las resistencias finales Como ya hemos dicho con anterioridad los aditivos son otra parte fundamental en la fabricación de hormigones autocompactos.
3. LOS ADITIVOS PARA LOS HORMIGONES AUTOCOMPACTANTES
Los últimos desarrollos que se han producido en aditivos de hormigón basados en polímeros de tipo vinílico y, más tarde de tipo carboxilato han permitido producir hormigones de altas prestaciones y, entre ellos el hormigón autocompactantes ya que se ha confirmado su superior comportamiento comparado con aditivos tradicionalmente mas utilizados.
En la tecnología del hormigón autocompactante, para conseguir una fluidez adecuada y evitar segregaciones, debe encontrarse un diseño de mezcla con una granulometría equilibrada y un aporte de finos adicional (< 100 micrómetros) y el uso de un aditivo superplastificante que proporcione una trabajabilidad larga al hormigón junto con una alta reducción de agua. Como no siempre los constituyentes del hormigón son los adecuados, a veces es importante la combinación con aditivos especiales llamados agentes de viscosidad. Estos productos no son nuevos en el mercado y son bien conocidos, basándose en tecnologías ya establecidas en la mayoría de los casos.
Los desarrollos de nuevos aditivos se centran ahora en el aumento de la producción y calidad del hormigón. Las nuevas generaciones de aditivos permitirán la utilización de productos con un equilibrio controlado entre la manejabilidad y las resistencias a primeras edades.
3.1. Policarboxilatos
Pertenecen a la última generación de superplastificantes. Químicamente se basan en copolímeros de ácido acrílico y grupos éter de ácido acrílico y poseen cadenas laterales a diferencia de los plastificantes tradicionales (macromolécula tipo peine). Se alcanza una reducción de agua de hasta el 40% combinado con una manejabilidad controlada y desarrollo de resistencias mecánicas tempranas. Estas características ofrecen nuevas aplicaciones.
Estas tecnologías se utilizan muchas veces en combinación. Los aditivos tradicionales se basan en un efecto de dispersión. La molécula de aditivo tiene una estructura de dipolo con grupos cargados negativamente. Estas moléculas se adsorben en las partículas de cemento y les dotan así de carga negativa, haciendo que las partículas de cemento se repelan entre sí. Al pasar el tiempo, progresa la hidratación del cemento y las moléculas de aditivo llegan a cubrirse por los productos de hidratación y entonces deja de haber un efecto de dispersión.

Figura 2. Estructura esquemática de polímero tipo PCE y mecanismo genérico de actuación

En el caso de la nueva generación de aditivos, ya con el tipo vinílico, pero especialmente con los carboxilatos, no sólo se produce un efecto de dispersión sino también un efecto estérico. Como estos aditivos se basan en moléculas complejas con un alto grado de flexibilidad, y comprenden diferentes grupos funcionales y con diferentes longitudes de cadena.
Las largas cadenas laterales crecen más allá de los productos de hidratación del cemento formados, proporcionando un mayor efecto de dispersión. Estas cadenas laterales son responsables del efecto estérico e interaccionan con el agua. Al transcurrir el tiempo, una segunda molécula se hace activa mediante el mismo efecto estérico, y así se logra una actividad más duradera en el tiempo. La principal ventaja de estos aditivos es su flexibilidad. Podemos modificar su estructura para cada caso concreto y obtener unas propiedades u otras en el hormigón, variando así el comportamiento en cuanto a plasticidad, tiempo de manejabilidad, retraso de fraguado, resistencias tempranas, etc. Todo ello modificando el tamaño de los grupos hidrofóbicos, la composición y el peso molecular de la cadena principal o de las cadenas laterales, la relación cadena principal/cadenas laterales.
Por este motivo, estas nuevas generaciones de aditivos son especialmente adecuadas para la elaboración de hormigón autocompactantes.
Según esto, los policarboxilatos que integran la última tecnología de Sika, así como los aditivos superplastificantes basados en ellos, pueden clasificarse en diferentes tipos:

Figura 3. Visión general de tipos de polímeros base de aditivos de Hormigón según su comportamiento Plasticidad/manejabilidad

Como aditivos complementarios para la confección de hormigón autocompacto, suelen utilizarse los llamados agentes de viscosidad. Estos productos se hacen necesarios cuando no se cuenta con los materiales más adecuados para obtener un hormigón de características adecuadas de fluidez y cohesión o cuando la mezcla de hormigón ha variado desde su diseño hasta su ejecución por diversos motivos y se producen segregaciones por exceso de agua.
En estos casos, adición de pequeñas cantidades de estos aditivos, dotan al hormigón de cohesión debido a sus propiedades como regulador de la cantidad de agua del sistema. Estos productos, como ya se ha citado, no responden a una nueva tecnología, sino que productos ya existentes para otros usos han encontrado aquí una nueva aplicación, aunque también han surgido nuevos desarrollos de sustancias específicas para esta función.
De forma general, pueden dividirse en los siguientes grupos:

Éteres de celulosa, micro/nano sílices y sílices coloidales, los llamados biopolímeros basados en gomas naturales, óxidos de polietileno y varias formulaciones algo más innovadoras, pero con este mecanismo de funcionamiento en el sistema de hormigón.
Algunos de ellos presentan un coste elevado y otras características desfavorables como alta viscosidad, altas dosificaciones, corta vida útil, etc. y se están realizando nuevos desarrollos actuales en el sentido de buscar otras alternativas.
4. CONCLUSIONES
Se pueden diseñar las propiedades de morteros u hormigones autocompactos mediante mezcla y elección optimizada de diferentes ligantes y aditivos específicos según la aplicación requerida.
Las distintas reacciones de hidratación del cemento según el tipo de filler presente en el hormigón tienen una influencia fundamental en el desarrollo de resistencias mecánicas. Así, el filler calizo, suma a los efectos derivados de su finura, su actuación como núcleo para el depósito de los productos de hidratación del cemento, influyendo en un aumento significativo de resistencias mecánicas.
Con el desarrollo de nuevos aditivos y adiciones de última generación, se abre un Nuevo mundo de posibilidades para el hormigón en el que los distintos factores que controlan la reacción de hidratación pueden modificarse según el caso.
Muchas de las particularidades de los materiales basados en hormigón, especialmente las relacionadas con la durabilidad de los materiales, tienen que ver con la estructura capilar del mismo. La minimización del volumen total de poros y su conectividad en la matriz de cemento puede conseguirse y diseñarse mediante el uso de aditivos de distintos tipos y por lo tanto su uso es esencial para asegurar la continua mejora de los materiales cementosos.
Esto permite la creación de nuevos hormigones en los que las diferentes propiedades se pueden diseñar de acuerdo a la aplicación requerida. Estos hormigones se realizan mediante utilización de nuevos polímeros especiales combinándose con otras tecnologías disponibles, como adiciones minerales y tecnologías tradicionales con gran durabilidad.
Como la demanda de hormigones de alta calidad seguirá al alza, la necesidad de nuevos tipos de aditivos seguirá creciendo y la investigación de nuevas tecnologías y el conocimiento de los mecanismos de actuación de las actuales deberá continuar.