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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.5 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000500006 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°5-2004, págs.: 37-40

METALURGIA Y MATERIALES

Evolución de la Porosidad de Pastas de Cemento Portland por la Incorporación de una Puzolana Natural

Evolution of Porosity in Portland Cement Pastes by addition of Natural Pozzolan

J.L. Fernández, E.L. González, S.A. Brown y O.R. Batic

Univ. Nacional del Comahue, Fac. de Ingeniería, Lab. de Hormigones, Buenos Aires Nº1400,
Neuquén-Argentina (e-mail: jlfernan@neunet.com.ar)


Resumen

Se ha determinado la evolución que se produce en la porosidad de las pastas elaboradas con cemento Portland para uso general (CPN IRAM 50000), al incorporarle una puzolana natural de la región, en distintas proporciones y en función del tiempo de curado. El ensayo de porosidad se realiza según Norma API-RP-40, basada en la ley de Boyle, por la cual se determina el volumen de los vacíos de las pastas. Este se determina por diferencia entre el volumen total del gas a una presión P1 de 6.9.105 Pa y el volumen calibrado de una celda donde se encuentra la muestra a presión atmosférica P0. Posteriormente, se ingresa en la curva de calibración del porosímetro y se obtienen los volúmenes de sólido de las mezclas. Como conclusión se demuestra que la porosidad de las pastas disminuye con el aumento de la cantidad de cemento reemplazado y del tiempo de curado.


Abstract

A determination was made of the evolution of porosity in Portland cement pastes for general usage (CPN IRAM 50000) by incorporating different proportions of natural pozzolan from the region, and as a function of curing time. The API-RP-40 norm based on Boyle´s law was used to measure the porosity, determining the paste effective void volume. This is done by calculating the difference between the total gas space at a pressure P1 of 6,9 .105 Pa and the calibrated volume of the cell at atmospheric pressure P0. Then the paste volume was obtained by porosimeter calibration curves. In conclusion, this study demonstrates that the porosity of pastes decreases as a function of the amount of cement replaced and time of cure.

Keywords: Portland cement, porosity, pozzolan addition, hydration, void volume


 

INTRODUCCIÓN

La microestructura de un material afecta directamente a varias propiedades del mismo, produciéndole cambios, de diversas índoles. Según Powers (1958), un medio poroso se compone de una fase sólida y  de un espacio de huecos, ó espacio poroso.

En un hormigón endurecido, la fase sólida está constituida por los agregados, los hidratos y los granos de clincker sin hidratar. Mientras que la fase porosa contiene poros rellenos de aire ó agua, que presentan una forma geométrica muy compleja. Las mezclas cementicias al hidratarse en el tiempo, producen cambios en la micro estructura, que afectan  a las propiedades  físicas y químicas.

Entre las técnicas mas utilizadas para medir la porosidad  de un material, se pueden citar: las técnicas de observación directa, por ejemplo la microscopía óptica y electrónica; y técnicas indirectas, en las cuales se determina la distribución y el tamaño de poros a partir de de una variable, como pueden ser, las medidas de ondas acústicas, el análisis de imagen acoplado a un microscopio electrónico, porosimetría de mercurio y adsorción de gases. Según acotan Diamond y Leemam (1995) y Diamond (1999), es en la técnica del análisis de imagen acoplada a un microscopio electrónico, donde se puede llegar a determinar la distribución de las partículas de aire esféricas, de la forma más precisa.

Con respecto a la porosimetría por inclusión de mercurio, Cook y Hover (1999) afirman que esta técnica arroja resultados rápidos y reproducibles y cubre casi todo el rango posible de tamaños de poros, presenta dificultades cuando los mismos muestran formas irregulares ya que los volúmenes determinados no son totalmente representativos. Corroborando esta afirmación, Feldman (1985) y posteriormente  Suryavanshi et al. (1995), acotan que las distribuciones y el tamaño de poros obtenidos por esta técnica son solamente útiles para realizar medidas comparativas, en un mismo material. Siguiendo con este contexto, la porosimetría de mercurio (MIP) actualmente se encuentra en discusión.

Diamond (2000), informa que hay evidencias que indican que las condiciones de trabajo de este ensayo, no son satisfactorias para determinar con suficiente precisión la porosidad de las pastas.

Como se sabe, la intrusión de mercurio a presión causa que no sea respetado el tamaño de los poros, ya que indiscriminadamente se colmatan tanto los poros grandes, como los pequeños.

En la actualidad el índice comparativo, para fijar la conectividad y el tamaño de poros tiende a utilizar una metodología basada en la inclusión de gases, por ejemplo helio, que es utilizado en el presente trabajo.

Blanco Varela (2001), sostiene que en las primeras edades, las porosidades de las pastas de cemento Pórtland con incorporación de puzolanas, son siempre más elevadas que las elaboradas solamente con cemento portland y que al avanzar el tiempo de curado estas tienden a disminuir, llegando a ser inferiores. El objetivo de este trabajo es demostrar estos conceptos.

Profundizando un poco más en el tema y, siguiendo los lineamientos dados por Batic et al. (2003), existe una vinculación, entre la distribución de poros y los mecanismos de transporte dentro del hormigón.

Como acota Malhotra (1987), estos mecanismos dependen fundamentalmente de la conectividad de los poros y de la distribución del tamaño de los mismos, e involucran tanto a la porosidad como a la permeabilidad.

 

MATERIAL Y MÉTODOS

La puzolana en estudio es una roca de color gris, con partículas angulosas y trasparentes, compuesta principalmente de vidrio volcánico (95 %), feldespato potásico y anfíboles.

La composición potencial de los principales componentes del CPN utilizado es: SC3 = 40 %; SC2 = 32 %; AC3 = 3,3%; FAC4 = 14,9 %. Para la realización de este trabajo, se preparan cuatro pastas, denominadas Nº 1, 2, 3 y 4; la primera elaborada con cemento Pórtland de uso general (CPN), tomada como testigo, y las restantes con puzolana natural, de “Piedra del Águila” en la provincia de Neuquén, en proporciones 15, 30 y 40 % en masa, en reemplazo de una parte del cemento.

La relación agua-cemento y agua-cemento más puzolana es de 0.50, el curado se efectúa en atmósfera húmeda hasta 180 días, realizando las mediciones correspondientes a los 7, 14, 28, 90 y 180 días.

Posteriormente se procede a la medición de la porosidad, según norma API RP-40 (1998), utilizando un porosímetro con gas de helio.

El gas contenido en la cámara de referencia, a una presión de 6,9.105 Pa (Pi), se expande hacia la cámara de medición, donde se encuentra la muestra a presión atmosférica (P0), por diferencia se determina la presión final (Pf). Posteriormente se ingresa en la curva de calibración del porosímetro, y se obtienen los volúmenes de sólido de las muestras. Las mediciones se realizan a temperatura constante, la que debe ser igual a la de la curva de calibración. Una vez medido el volumen aparente de las muestras, las porosidades se determinan de manera directa.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1 y en las Fig. 1 y 2. En la Fig.1 se observa a los 7, 14 y 28 días que la porosidad de las pastas de cemento Pórtland sin reemplazo es la menor alcanzada en función de ese tiempo de curado, este resultado se mantiene mientras la puzolana no empiece a reaccionar con el hidróxido de calcio, proveniente del cemento Pórtland. A partir de los 50 días, la situación comienza a revertirse, y es a partir de los 65 días donde la porosidad es menor en las que tienen mayor porcentaje de puzolana, diferencia que se va acentuando hasta los 180 días.

Fig. 1: Variación de la porosidad en porcentaje en función del tiempo de curado.

 

Esto demuestra uno de los efectos del fenómeno de puzolanidad, es decir que frente a un curado adecuado, la reacción entre la sílice y el hidróxido de calcio se incrementa en el tiempo, dando como resultado, un refinamiento de los poros, que se manifiesta en una reducción de la porosidad. Esta fase acuosa intersticial representa el medio iónico necesario, para la trasformación progresiva de la mezcla inicial de cemento y agua. En un sistema hidratado el conocimiento de esta fase presenta un interés simultáneo para el estudio de la evolución interna del sistema y ante el comportamiento frente al medio exterior del hormigón.

 

Tabla 1: Variación en porcentaje de la porosidad entre los 7 y 180 días de curado.


CPN

%

7

días

180

días

Variación

%

100

36.3

33.1

8.8

85

37.9

31.2

17.7

70

39.5

28.6

27.6

60

40.7

27.2

33.2

 

En la Fig. 2 se puede observar como evolucionan las reacciones de hidratación y puzolánica, pues mientras que a los 7 días existe una diferencia de 4.4, 8.8  y 12.1 % para las pastas con 15, 30 y 40 % de reemplazo de puzolana respectivamente, a los 28 días estos resultados se reducen 1.5, 1.8, y 7.6 %. Esta diferencia se revierte a partir de los 90 días con -3.0, -3.92 y – 5.12 % respectivamente, y sigue decreciendo, hasta los 180 días de curado.

Fig. 2: Porosidad de las pastas hidratadas a diferentes edades de curado expresadas como porcentaje del de la pasta de CPN.

 

En la Tabla 1 se expresa la evolución final de la porosidad, en porcentaje entre los 7 y 180 días; en todos los casos la porosidad disminuye y se acentúa al aumentar el porcentaje de reemplazo de cemento por puzolana.

 

CONCLUSIONES

Como consecuencia del estudio se llega a las siguientes conclusiones:

1. Los resultados obtenidos se condicen con la hipótesis elaborada, que indica que en las primeras edades, las porosidades de las pastas de cemento Pórtland con incorporación de puzolanas, son siempre más elevadas que las elaboradas solamente con cemento Pórtland y que al avanzar el tiempo de curado estas tienden a disminuir, llegando a ser inferiores

2. El método API-RP-40 resulta adecuado, en este estudio, para las determinaciones de la porosidad de las pastas cementicias.

3. La reactividad de la puzolana usada, aunque un poco lenta, puede considerarse aceptable.

 

REFERENCIAS

Batic, O.R.; J.L. Fernández, S.A. Brown, “Estudio de las puzolanas naturales de la zona del Comahue para utilizar en el hormigón” - Trabajo de investigación - Universidad Nacional del Comahue, 79-82 (2003).        [ Links ]

Blanco Varela, M.T. “Propiedades Físico-químicas y Mecánicas de los Cementos con Adiciones” - XV Curso de Estudio Mayores de la Construcción, Seminario S1 del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, Madrid (2001).        [ Links ]

Cook, R.A., K.C. Hover, ”Mercury porosimetry of hardened cement pastes” Cement Concrete Research 29, 933 - 943 (1999).        [ Links ]

Feldman, R.F. y H. Chewy-Hg, “Porosity and surface properties”, Cememt Concrete Res. 15(5), 765-774 (1985).        [ Links ]

Diamond, S., M.E. Leemam, ”Pore size distributions in hardened cement paste by SEM image analysis”, Material Reseach Society, Symposyum Procedure, 370, 217-226 (1995).        [ Links ]

Diamond, S., ”Aspects of concrete porosity revisited”, Cement Concrete Research, 29, 1181 -1188 (1999).        [ Links ]

Diamond, S., “Mercury porosimetry, an inappropriate method for the measurement of pore distributions in cement - based materials” - Cement and Concrete Research 30, 1517- 1525 (2000).        [ Links ]

Malhotra, V.M. “Suplementary Cementing Materials for Concrete”. Canmet Publi. SP, 86-89 (1987).        [ Links ]

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Suryavanshi A.K., J.D. Scantlebury y S.B. Lyon, “Pore size distribution of OPC & SRPC mortars in presence of chorides”, Cement Concrete Research 25 (5), 980 - 998 (1995).        [ Links ]