Durabilidad de hormigones elaborados con cementos compuestos con arcillas calcinadas

• Autores: Cordoba, Gisela Paola
• Año de publicación: 2021
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Irassar, Edgardo Fabián; Cabrera, Oscar Alfredo
• Materia: Hormigón; Arcillas; Cemento; Materiales de construcción; Ingeniería civil; Agrimensura; Impacto ambiental
• Institución: Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires

El hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo, pero las grandes emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente durante la producción del cemento,afectan su sustentabilidad. Las arcillas calcinadas aparecen como un buen material cementíceo suplementario (SCM) alternativo para reemplazar a los tradicionales (escoria granulada de alto horno, ceniza volante, etc.) que son escasos en ciertas regiones del mundo, como en Argentina. Las arcillas calcinadas presentan reactividad puzolánica moderada a buena luego de un tratamiento térmico adecuado y la reducción del tamaño de partículas. La amplia disponibilidad de arcillas y el bajo costo relativo de producción de estos “nuevos” SCM los hace atractivos para utilizarlos como reemplazo parcial del cemento portland. Sin embargo, es importante asegurar que su utilización no afecte negativamente las propiedades del estado fresco y endurecido del hormigón. Las propiedades mecánicas y durables de hormigones con metacaolín (MK) han sido ampliamente estudiadas, especialmente en hormigones con filler calcáreo (LC3). Sin embargo, es necesario ampliar el conocimiento de la incorporación de arcillas cuyo mineral principal son filosilicatos del tipo 2:1 (illitas, esmectitas, etc.) y arcillas caoliníticas de bajo grado de pureza. El objetivo de esta tesis es profundizar el conocimiento de los efectos del reemplazo de arcillas illíticas calcinadas y su comparación con una arcilla caolinítica calcinada de bajo grado sobre la hidratación del cemento, las propiedades mecánicas y de transporte de agua y los parámetros durables (ataque por sulfatos, penetración de cloruros y carbonatación natural) de morteros y hormigones. Los resultados obtenidos muestran que cuando se reemplaza parcialmente un cemento portland normal (CPN) por arcillas illíticas o caolinítica calcinadas, la reacción puzolánica reduce la disponibilidad el hidróxido de calcio (CH) producido durante la hidratación del cemento, y promueve la formación de fases AFm. Además, modifican el empaquetamiento de las pastas de cemento, pudiendo aumentar la demanda de agua. Una mayor superficie específica de la arcilla calcinada contribuye a un aumento de la demanda de agua. La reacción puzolánica de las arcillas calcinadas modifica la cinética de la hidratación por consumo del CH, genera C-S-H y contribuye a la ganancia de resistencia de morteros y hormigones.Esto hace que, a partir de los 7d ías, compense el efecto de dilución en la viresistencia a la compresión de morteros y hormigones, superando la reducción causada por el efecto de dilución. Las arcillas illíticas calcinadas desarrollan su actividad puzolánica luego de los 14 días, contribuyendo a la resistencia en mayor medida entre los 28 y 90 días, mientras que la arcilla caolinítica calcinada lo hace entre los 7 y 28 días, mostrando su contribución desde los 7 días. Además, la reacción puzolánica refina la estructura de poros y aumenta la tortuosidad, reduciendo el transporte de agua y de agentes agresivos en el interior del hormigón. La incorporación de la arcilla illítica roja calcinada redujo el volumen de grandes poros capilares en la pasta de cemento, la penetración de agua y la capacidad y velocidad de absorción capilar del hormigón a los 90 días de curado. Por su parte, la incorporación de arcilla caolinítica calcinada redujo el volumen de grandes poros capilares de la pasta cemento y la penetración de agua en el hormigón desde los 28 días, y la capacidad y velocidad de absorción capilar del hormigón desde los 2 días, respecto al hormigón de cemento portland. Esta diferencia se debe principalmente a la diferente reactividad de las arcillas calcinadas.Los resultados del ataque por sulfatos en morteros muestran que la incorporación de arcillas calcinadas permite elaborar cementos resistentes a los sulfatos, siempre que no aumente la demanda de agua. El aumento de la resistencia al ataque por sulfatos se atribuye al efecto combinado de la disminución de la porosidad y la reducción del contenido de CH disponible para formar yeso y/o ettringita, lo que induce a la expansión y fisuración de los morteros. Además, a mayor nivel de reemplazo de cemento por arcillas calcinadas se obtienen menores expansiones. Los resultados muestran que la incorporación de arcillas calcinadas no aumenta el coeficiente de difusión de cloruros en hormigones curados 28 días, mientras que, con respecto al hormigón de cemento portland, la incorporación de arcilla illítica roja calcinada reduce el coeficiente de migración de cloruros a los 90 días y la arcilla caolinítica calcinada lo hace desde los 28 días. La reducción del coeficiente de migración de cloruros de los hormigones con arcillas calcinadas se atribuye al refinamiento de la estructura de poros y a la fijación de los iones Cl-en las fases AFm y C-S-H. Por otro lado, los hormigones con arcillas calcinadas presentaron una resistencia a la carbonatación más baja que el hormigón de cemento portland, aunque un curado de 28 días aumenta dicha resistencia, alcanzando valores similares a los del hormigón de viicemento portland. Por lo tanto, de acuerdo con la resistencia a la carbonatación de los hormigones,se clasifican de media a elevada. De análisis de ciclo de vida se obtiene que el reemplazo del 25 % de cemento portland por arcillas calcinadas permite reducir alrededor del 17% del CO2 equivalente por m3 de hormigón respecto de un hormigón de cemento portland. Además, en una columna de hormigón armado sometida a compresión simple, se requiere que el hormigón con arcilla calcinada presente una resistencia a la compresión similar a la del hormigón de cemento portland para reducir el CO2 equivalente, debido a que, de lo contrario, el aumento del volumen de materiales necesario para mantener la capacidad portante contrarresta el beneficio obtenido por la sustitución del cemento portland. Por lo expresado anteriormente, puede concluirse que las arcillas calcinadas son una buena alternativa para ser utilizadas como SCM y permiten aumentar la sustentabilidad del hormigón si se garantiza una correcta trabajabilidad sin aumento de la relación a/mc y un curado adecuado. Las modificaciones que introducen en el estado fresco y endurecido de pastas, morteros y hormigones está relacionada con su composición química y tratamiento térmico. La arcilla illítica roja calcinada no reduce la trabajabilidad del hormigón y requiere un curado prolongado (90 días) para igualar la resistencia mecánica de uno de cemento portland, reducir el transporte de agua y aumentar la resistencia al ingreso de agentes agresivos. Por otro lado, la arcilla caolinítica de bajo grado requiere utilizar una elevada dosis de aditivo superplastificante para obtener una trabajabilidad adecuada, y presenta una rápida pérdida de trabajabilidad en el hormigón. Sin embargo, aumenta la resistencia a la compresión, reduce el transporte de agua y aumenta a resistencia al ingreso de iones agresivos en la masa del hormigón desde los 28 días
Fil: Córdoba, Gisela Paola. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.
Fil: Irassar, Fabián Edgardo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.
Fil: Cabrera, Oscar Alfredo. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina.
Concrete is the most extensively used building material in the world, however, high greenhouse gas emissions, especially during cement production, may affect its sustainability in years to come. Calcined clays look to be a good alternative supplementary cementitious material (SCM) to replace the traditional ones (granulated blast furnace slag, fly ash, etc.) that are scarce in certain regions of the world, such as Argentina. Calcined clays show moderate to good pozzolanic reactivity after adequate heat treatment and griding. The wide availability of clays and the relative low production cost of these "new" SCMs make them attractive for use as a partial replacement for portland cement. However, it is important to ensure that their use does not adversely affect the fresh and hardened properties of concrete.The mechanical and durable performance of concretes with metakaolin (MK) has been intensively studied, especially in concretes with limestone filler (LC3). However, it is requiredto have a betterthe understanding of the use of clays containing 2:1 phyllosilicates (illites, smectites, etc.) and low grade kaolinitic clays.The mechanical and durable performance of concretes with metakaolin (MK) has been intensively studied, especially in concretes with limestone filler (LC3). However, it is required to have a better knowledge of the incorporation of clays whose main mineral is 2:1 phyllosilicates (illites, smectites, etc.) and kaolinitic clays of low purityas main mineral. The objective of this thesis is to provide a deeper insight into the effects of the replacement of calcined illitic clays and their comparison with a low-grade calcined kaolinitic clay on cement hydration, mechanical and water transport properties, and durability parameters (sulfate attack, chloride penetration and natural carbonation) of mortars and concretes.The results obtained show that when anordinary portland cement (OPC) is partially replaced by calcined illitic or kaolinitic clays, the pozzolanic reaction reduces the availability of calcium hydroxide (CH) produced during cement hydration, and promotes the formation of AFm phases. In addition, they modify the packing of cement pastes, which may increase the water demand. A higher specific surface area of the calcined clay contributes to an increase in water demand.The pozzolanic reaction of calcined clays consumes part of the CH, generating C-S-H, and contributing to the strength gain of mortars and concretes. After 7days, the compressive strength of mortars and concretes exceeds the reduction caused by the dilution effect. Calcined illitic clays develop pozzolanic activity after 14 days, contributing to strength to a higher rate between 28 and 90 days, while calcined kaolinitic clay develops its pozzolanic activity between 7 and 28 days, showing its contribution from 7 days onwards.In addition, the pozzolanic reaction refines the pore structure and increases the tortuosity, reducing the water and aggressive agent transport into the concrete. The incorporation of calcined red illitic clay reduced the volume of largecapillary pores in the cement paste, water penetration and capillary absorption capacity and rate of concrete at 90 days of curing. While the incorporation of calcined kaolinitic clay reduced the volume of large capillary pores in the cement paste and water penetration in the concrete from 28 days, and the volume and rate of capillary sorption of the concrete from 2 days, compared to portland cement concrete. This difference is mainly due to the different reactivity of the calcined clays.The results of sulfate attack in mortars show that the incorporation of calcined clays makes it possible to produce sulfate-resistant cements, if water demand is not increased. The improvement in sulfate attack resistance is attributed to the combined effect of lower porosity and reduced CH availability that leads to gypsum and/or ettringite formation, which induces expansion and cracking of the mortars. Furthermore, the higher the level of cement replacement by calcined clays, the lower the expansion.The results show thatthe partial replacement of OPC for calcined clays does not increase the chloride diffusion coefficient in concretes cured 28 days, whereas, regarding portland cement concrete, the incorporation of calcined red illitic clay reduces the chloride migration coefficient at 90 days and calcined kaolinitic clay does so from 28 days. The reduction in the chloride migration coefficient of concretes with calcined clays is attributed to the further refinement of the pore structure and the fixation of Cl ions to the AFm and C S H phases.On the other hand, concretes with calcined clays exhibited a lower resistance to carbonation than portland cement concrete, although a 28-day curing period increases this resistance, reaching values similar to those of portland cement concrete. Therefore, according to the carbonation resistance of the concretes, they are classified as medium to high resistance to carbonation. Life cycle analysis shows that replacing 25% of portland cement with calcined clays allows a reduction of about 17% of embodied CO2per m3of concrete compared to portland cement concrete. Furthermore, in a reinforced concrete column under pure compressive stress, the calcined clay concrete must have a compressive strength similar to that of portland cement concretein order to reduce the CO2equivalent, otherwise the increase in the volume of materials needed to maintain the bearing capacity counteracts the benefit obtained by replacing the portland cement.Therefore, calcined clays are a good alternative to be used as SCM and allow to increase the sustainability of concrete if a correct workability is guaranteed without increasing the a/mc ratio and an adequate curing. The effects they introduce in the freshand hardened state of pastes, mortars and concretes are related to their chemical composition and thermal treatment. Calcined red illitic clay does not reduce the workability of concrete and requires extended curing (90 days) to achieve the same strength as portland cement concrete, reduce water transport and increase resistance to the ingress of aggressive agents. On the other hand, low-grade kaolinitic clay requires the use of a high dosage of superplasticizer to obtain suitable workability, and presentsfast loss of workability in concrete. However, it increases compressive strength, reduces water transport and increases resistance to the ingress of aggressive ions into the concrete mass from 28 days.