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IBEROMET XI
X CONAMET/SAM 2 al 5 de Noviembre de 2010, Via del Mar,
CHILE
PROPIEDADES DE CEMENTOS SUPERSULFATADOS EN FUNCION DE LA
FORMULACION DE ESCORIA, SULFATO DE CALCIO Y CEMENTO PORTLAND
M.E. Bazalda-Medelln, J.I. Escalante-Garca y A.
Fernndez-Fuentes
Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del IPN, Unidad
Saltillo, MEXICO
E-mail (autor de contacto): [email protected]
RESUMEN
Se realiz una investigacin sobre pastas de cementos
supersulfatados, elaborados a base de escoria de alto
horno activada mediante sulfato de calcio anhidro y un medio
alcalino. El objetivo fue estudiar el desarrollo de
propiedades mecnicas en funcin de la composicin de los cementos,
la cual se vari en el rango de (80-90%)
escoria de alto horno, (0-15%) fluoryeso y (0-5%) cemento
prtland. Se evalu el desarrollo de la resistencia a
la compresin en probetas cbicas de 2.5cm curadas en seco a 20C
hasta por 90 das.
La resistencia mecnica obtenida para los cementos basados en
escoria de alto horno y fluoryeso fue ms
favorable que la registrada por los cementos de escoria y
cemento prtland; se alcanzaron valores mayores a
los 40 MPa a 28 das y hasta 60 MPa a 90 das. En las
formulaciones que incluyeron las tres materias primas,
tambin se obtuvieron resultados favorables de resistencia
mecnica. La caracterizacin mediante difraccin de
rayos X de los cementos hidratados indic la presencia de las
fases etringita, calcita, silicato de calcio
hidratado y yeso despus de 1, 14, 28 y 90 das de curado. Los
resultados de microscopa electrnica de barrido
indicaron microestructuras relativamente densas y poco porosas
para todos los cementos estudiados; para
cementos a 90 das se observ una matriz compacta y homognea
compuesta principalmente por granos de
escoria de alto horno anhidros, otros parcialmente hidratados
rodeados de anillos de reaccin y otros
totalmente reaccionados. As mismo, se observ la presencia de
silicato de calcio hidratado y de la fase
etringita, tal como lo evidenci la tcnica de difraccin de rayos
X. Los cementos supersulfatados fabricados en
este trabajo resultan ventajosos econmica y ecolgicamente debido
a la incorporacin de desechos de menor
costo.
Tpico 4: Materiales Cermicos
Palabras clave: C-S-H, Etringita
1. INTRODUCCIN
Muchas industrias a nivel mundial generan subproductos y
desechos cuya acumulacin representa problemas de
manejo y gran contaminacin; entre estos, existen muchos desechos
inorgnicos que pueden ser utilizados como
reemplazo parcial o total del cemento prtland. Entre alguno de
estos desechos se encuentra la escoria de alto
horno, la cual se genera como subproducto de la fabricacin del
arrabio en la industria del acero. En la
actualidad, anualmente en el mundo se generan ms de 50 x 106
toneladas de escoria de alto horno.
Debido a esto actualmente en diversos centros de investigacin en
el mundo se realizan trabajos sobre materiales
cementosos a base de desechos industriales, el objetivo es
formular cementos de varios tipos que sean de bajo
impacto ambiental. Entre los cementos ms promisorios se
encuentran los cementos supersulfatados, los cuales
son ligantes hidrulicos compuestos tradicionalmente de 80-85% de
escoria de alto horno, 10-15% de sulfato de
calcio y de 5-10% de cemento prtland[1]. Este tipo de cementos
pueden considerarse de bajas emisiones de
CO2 y ambientalmente beneficiosos por: (a) uso de altos
porcentajes de desechos industriales y materias cuyo
procesamiento no emite CO2 y requiere de bajas temperaturas de
procesamiento y (b) por la baja demanda de
cemento prtland requerida. En comparacin con el cemento prtland,
las propiedades de los cementos
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supersulfatados son interesantes, con excelente resistencia a
los sulfatos y buena durabilidad qumica; las
aplicaciones pueden ser muchas exceptuando en concreto reforzado
con acero.
Este trabajo presenta los resultados de una investigacin de
cementos supersulfatados de escoria de alto horno
activados con fluoryeso y cemento prtland, donde se fabricaron
cementos binarios y ternarios. El objetivo
principal fue estudiar el comportamiento de la combinacin de
dichos materiales as como otros parmetros
como propiedades mecnicas, mecanismos de reaccin y productos
formados.
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1. Materiales
Los materiales empleados fueron: escoria de alto horno (EAH),
fluoryeso (Fy) y cemento prtland (CP), la
Tabla 1 presenta la composicin qumica obtenida por fluorescencia
de rayos X. Los materiales se usaron tal y
como se recibieron y solo la escoria se someti a molienda para
incrementar su rea superficial.
Tabla 1. Composicin qumica de materia prima utilizada (% en
peso).
2.2. Preparacin de muestras
Se investigaron pastas vaciadas en moldes en forma de barras de
2.5 x 2.5 x 16 cm. Se formularon
composiciones con EAH como cementante principal (80-90%), en
combinacin con fluoryeso y cemento
prtland (0-15%). Se utiliz una relacin de agua/cementante de
0.4. Se prepararon lotes de 6kg de mezclas de
polvos de los componentes cementantes y aditivos, estos se
homogenizaron en una mezcladora de paletas con
movimiento planetario, despus se agreg el agua, el tiempo de
mezclado fue de 4 minutos[2]. Los moldes
fueron colocados en una cmara isotrmica a 20C por 24h para su
fraguado. Posteriormente, las barras se
desmoldaron y cortadas cubos de 2.5 cm por lado, las probetas se
colocaron en recipientes de plstico en seco y
se mantuvieron a 20C para curado caracterizacin posterior.
2.3. Caracterizacin de muestras
Resistencia a la compresin
Despus de cada periodo de curado de 1, 3, 7, 14, 28 y 90 das se
ensayaron 4 cubos. Se utiliz mquina
hidrulica automatizada (Controls modelo 50-C7024) con una
velocidad de carga constante de 350 N/s y con una
celda 250kN. Los fragmentos de las muestras evaluadas se secaron
en una estufa al vaco a 40C por 48h, esto
con la finalidad de detener las reacciones de hidratacin
eliminando el agua sin reaccionar en la muestra.
Difraccin de rayos X
Se caracterizaron muestras curadas a 1, 14, 28 y 90 das, las
cuales fueron previamente molidas en un molino
planetario para obtener un tamao de partcula menor a 100 m,
estas muestras fueron analizadas en un
difractmetro (XPear 3040 phillips).
Microscopia electrnica de barrido Se caracterizaron muestras
curadas por 90 das. Se analizaron superficies de fractura
previamente pulidas
utilizando el modo de imgenes por electrones retrodispersados
(XL 30 ESEM, Phillips).
xidos EAH (%) Fy (%) CP (%)
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
Fe2O3
SO3
K2O
33.11
38.77
10.73
8.9
0.6
3.5
0.9
0.1
40.76
-----
-----
-----
58.17
-----
12.8
63.35
2.99
1.02
2.17
3.67
0.79
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3. RESULTADOS Y DISCUSIN
A continuacin se presentan los resultados obtenidos con las
mejores propiedades mecnicas. Estos se presentan
agrupados para las diferentes tcnicas de caracterizacin.
3.1. Resistencia a la compresin
Los resultados de resistencia a la compresin se presentan en la
Figura 1 en la cual se observan datos obtenidos de los cementos
compuestos por 90 y 85% de EAH en combinacin con 10 y 15% de Fy y
de CP. Se observ
que los mejores valores obtenidos fueron para los cementos
activados con Fy. El cemento con 90% EAH y 10%
Fy alcanz 42 y 61 MPa a 28 y 90 das, respectivamente; mientras
el cemento con 85% EAH y 15% Fy tuvo un
comportamiento similar alcanzando 57 MPa a los 90 das de curado.
Ambas formulaciones cumplen con la
norma NMX-414-ONNCCE-2004[3], para pastas de cemento prtland
donde se requiere como un valor mnimo de 30 MPa a los 28 das de
curado; ambos cementos con 85 y 90 % EAH activados con Fy superaron
tal valor
desde los 14 das de curado. Se not una clara diferencia en
cuanto a los valores obtenidos de resistencia
mecnica de un cemento activado con Fy y un cemento activado con
CP, los resultados evidenciaron que la EAH
es ms susceptible a la activacin sulftica que a la del CP, esto
es debido a que con el CP se tiende a formar
ms rpidamente el gel de silicato de calcio hidratado (C-S-H) y
el Ca(OH)2 resultante interacciona con la EAH
quiz con una cintica relativamente lenta; sin embargo, con la
activacin con Fy se podra decir que
simultneamente ocurre la formacin del gel C-S-H y formacin
Etringita desde las etapas tempranas, ambos
favorables para el desarrollo de propiedades mecnicas desde
edades tempranas.
Figura 1. Resistencia a ala compresin de cementos con 90 y 85%
de EAH.
La Figura 2 muestra la comparacin de cementos supersulfatados
con 80 y 85% EAH activados con pequeas cantidades de Fy y CP. Se
observ nuevamente que el mejor comportamiento fue el del cemento
con mayor
cantidad de Fy como activante aunque las diferencias no fueron
muy marcadas. El cemento con mejor
comportamiento mecnico fue el de 80% de EAH, 15% Fy y 5% CP,
obteniendo 43 y 55 MPa a 28 y 90 das de
curado, respectivamente. Todas las formulaciones de la Figura 2
alcanzaron resistencias aceptables y cumplen con la norma
NMX-414-ONNCCE-2004. Tambin se apreci que durante los primeros das
de curado, el
cemento activado con mayor cantidad de CP registr una leve
ventaja en resistencia sobre los cementos con
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mayor cantidad de Fy; sin embargo con el paso del tiempo este
patrn se invirti, esto es indicador de que la
activacin por medio de sulfatos es de lento desarrollo de
productos de hidratacin.
Figura 2. Resistencia a la compresin de cementos con 85 y 80% de
EAH.
3.2. Difraccin de rayos X
La Figura 3 presenta los resultados del cemento compuesto con
80% EAH, 15% Fy y 5% CP, donde se observa la evolucin del patrn de
difraccin en funcin del tiempo de curado. Las fases principales
detectadas fueron
etringita (3CaOAl2O33CaSO432H2O), yeso, silicato de calcio
hidratado y akermanita. La etringita indic una
intensa participacin de la EAH en las reacciones de hidratacin
desde el primer da de curado, esta se form a
partir de las reacciones de hidratacin generadas en un ambiente
de iones de sulfato; se deduce que el
CaO SiO2 Al2O3 presentes en la composicin de la EAH reaccionan
con el CaSO4 del Fy formando la etringita.
Tambin se not mayor presencia de etringita que de yeso, lo cual
significa que la participacin del Fy se orienta
primordialmente hacia la formacin de Etringita, lo cual es
ventajoso desde el punto de vista mecnico y
comportamiento hidrulico. Por otra parte, se apreci la presencia
de la fase C-S-H desde los primeros das de
curado, lo cual es favorable para el desarrollo de resistencia a
la compresin. La presencia de la akermanita
indic que las fases cristalinas de la EAH no participan en las
reacciones de hidratacin.
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Figura 3. Difraccin de rayos X de para el cemento 80% de EAH,
15% de Fy y 5% de CP.
3.3. Microscopia electrnica de barrido
La Figura 4 presenta 3 microestructuras de cementos curados a 90
das. La Figura 4A corresponde al cemento
compuesto de 85% EAH y 15% Fy, se observ matriz homognea y
relativamente densa, lo cual concuerda con
las propiedades mecnicas registradas a 90 das. La
microestructura se compone de granos de EAH que en su
mayora estn totalmente reaccionados, indicando la participacin
de la EAH en las reacciones en la formacin
de los productos de hidratacin; los granos de EAH sin reaccionar
se encuentran inmersos en una matriz de gel
C-S-H finamente intermezclado con Etringita a una escala que no
permite diferencias entre ambas fases. La
reaccin de la escoria con el medio sulftico se puede proponer de
acuerdo a:
4CaO SiO2 Al2O3 + 3CaSO4 + 33H2O CaOx SiO2 H2O + 6CaO Al2O3 3SO3
32H2O Ecuacin 1
La Figura 4B corresponde al cemento con 85%EAH y 15% CP. Se
observaron ms granos de EAH sin
reaccionar en comparacin con el cemento activado con Fy, tambin
se observaron granos de CP parcialmente
hidratados. En este cemento se pudo notar claramente la
presencia de la fase etringita (evidenciado por DRX),
principalmente cerca de los granos de CP, lo que indica que para
esta formulacin la Etringita se gener
notablemente por las reacciones de hidratacin del CP. Esto es
razonable ya que las fases de aluminato y
ferroaluminato de calcio (C3A y C4AF) del CP en presencia de una
fuente de CaSO4 forma Etringita de acuerdo a
las reacciones siguientes:
C3A + 3 CH2 + 26H C3A 3C 32H Ecuacin 2
C4AF + 6CH2 + 2CH + 50H 2C3(A,F) 3C 32H Ecuacin 3
La nomenclatura usada C=CaO S=SiO2 A=Al2O3 H=H2O =SO3
Se podra proponer que en ausencia de una fuente de CaSO4, en
este cemento, la EAH tendra que reaccionar con
el Ca(OH)2 generado de las reacciones del CP de acuerdo a las
reacciones siguientes:
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Hidratacin de alita C3S + (3+m-n)H CnSHm + (3-n) CH Ecuacin
4
Hidratacin de belita C2S + (2+m-n)H CnSHm + (2-n) CH Ecuacin
5
De acuerdo a los resultados de resistencia mecnica presentados
anteriormente, las reacciones con Ca(OH)2 son
ms lentas y en consecuencia lo es el desarrollo de propiedades
mecnicas. As, en la microestructura de este
cemento 85%EAH y 15% CP, los granos de EAH y CP sin reaccionar
se encuentran inmersos en una matriz
densa y de baja porosidad compuesta de C-S-H y Etringita.
En la Figura 4C se presenta la microestructura del cemento con
80% EAH, 15% Fy y 5% CP. Al igual que las
microestructuras anteriores se observ una matriz densa y
compacta, en concordancia con los valores de
resistencia obtenidos. Se observa una matriz compuesta de granos
de EAH anhidros y parcialmente hidratados y
rodeados de anillos de reaccin, a s mismo se encuentra la
presencia del gel C-S-H, indicando ser una de las
fases principales en los cementos compuestos de EAH. Para esta
formulacin de activacin mixta con Fy y CP
se puede esperar que las reacciones de hidratacin sean las
indicadas anteriormente, donde el CP compite con la
EAH por el CaSO4.
Figura 4. Microestructuras obtenidas por electrones
retrodispersados. Muestras curados por 90 das para cementos
base EAH.
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4. CONCLUSIONES
O Todos los cementos investigados presentaron valores de
resistencia mecnica muy favorables, superando los 30 MPa a los 28
das y hasta 60 MPa a los 90 das de curado.
O La EAH result mas susceptible al Fluoryeso que al cemento
prtland, lo que indica la posibilidad de poder disponer de cementos
sin cemento prtland.
O Estos cementos supersulfatados resultan ventajosos
econmicamente y ecolgicamente debido a la incorporacin de desechos
de menor costo.
REFERENCIAS
[1] I. Odler, Special Inorganic Cements E FN Spon. pp. 123-124.
[2] Norma ASTM C309-94 Standard practice for mechanical mixing of
hydraulic cement pastes and mortars of plastic consistency. [3]
NMX-C-414-ONNCCE - Industria de la construccin Determinacin de la
resistencia a la compresin de cementantes hidrulicos.
