Modelamiento de la retracción química a partir de la evolución microestructural de pastas de cemento a edad temprana

Abstract

Los cambios volumétricos que se presentan en materiales asociados al cemento pueden generar fisuras, que posteriormente se convierten en grietas y en puntos de posibles fallas para las estructuras que se construyen en este tipo de material. Dichas alteraciones volumétricas en el cemento se presentan desde el momento en que el agua entra en contacto con el material cementante y pueden continuar durante toda la vida útil de las estructuras en concreto. A partir de aquí surgen dos etapas importantes de análisis de estas alteraciones que se pueden presentar en materiales asociados al cemento: edad temprana y edad tardía. La edad temprana se asocia con las primeras 24 horas de hidratación del cemento, mientras que la tardía se refiere a tiempos mayores a un día de hidratación. La mayoría de estudios se enfocan, particularmente, en las retracciones o expansiones que se presentan en la edad tardía. Este trabajo se encarga de analizar los cambios de volumen que se presentan en diferentes tipos de cementos en edad temprana, es decir, durante el primer día de hidratación. En las primeras 24 horas se pueden presentar modificaciones en el volumen debido a fenómenos térmicos, a procesos de secado y a procesos propios del cemento que se conocen como deformaciones autógenas. Los deformaciones de tipo autógeno son de tipo contractivos y están asociados en primera instancia a la contracción debida a las reacciones químicas del material y posteriormente a fenómenos físicos, debidos a la generación de presión capilar. En este estudio se profundiza en el fenómeno de retracción química en pastas de cemento en edad temprana y se analiza el efecto que tienen la relación agua/cemento y la distribución del tamaño de partícula en la retracción química durante las primeras horas de hidratación del material. Con los cementos en estado de entrega se determinó la relación a/c para consistencia normal; esta fue una de las relaciones a/c utilizadas en los materiales y se seleccionaron dos relaciones adicionales: una por encima de este valor y una por debajo. Los cementos en estado de entrega se sometieron a un proceso de tamizado, haciéndolo pasar por mallas de 200, 325 y 400. Se seleccionó el material retenido en la malla 325 y el pasante por la malla 400. De esta forma para cada uno de los materiales, además de las tres relaciones a/c, se tuvieron tres distribuciones de tamaño de partícula: la condición en estado de entrega, la fina (pasante malla 400) y la gruesa (retenida 325). Como consecuencia del proceso de tamizado se obtuvieron cementos con composición mineralógica diferente. Para cada una de las condiciones anteriores, se realizaron ensayos para determinar la evolución mineralógica analizando en tiempos de una, 6, 12 y 24 horas de hidratación. Para esto se utilizaron técnicas como TGA, DRX con cuantificación utilizando el método de Rietveld y microcalorimetría, entre otras. Con estos resultados fue posible determinar el grado de hidratación de las pastas para estas horas de estudio. Al comparar los resultados de grado de hidratación y de retracción química, se observa que hay una correlación directa entre la hidratación del material y este fenómeno. Esto permitió construir un modelo con el que se puede predecir la retracción química a un día de hidratación para pastas de cemento. Con el modelo se hace evidente que la retracción química es función de la composición mineralógica del material y que el tamaño de partícula y la relación a/c no son factores determinantes en este fenómeno, en los intervalos de estos dos parámetros analizados en este trabajo. El modelo permite predecir la retracción química a un día y muestra lo dependiente que es la retracción química del contenido de alita y de calcita, en aquellos cementos que contienen este mineral como adición. A partir del uso del modelo obtenido en este trabajo, un constructor puede obtener el valor que se contraerá un cemento según su composición mineralógica en un día, y podrá tomar las medidas necesarias para reducir las fisuras que se pueden presentar en las primeras horas de hidratación.

Abstract: Volumetric changes that are present in cementitious materials can generate cracks. The growing of these cracks may produce failure of structures built of this material. Volume modifications in cement structures appear since water enter in contact with the material and can continue during the entire life time of the concrete. Therefore, two stages of volume changes analysis are of interest in cementitious materials: early age and late age. Early age is associated to the first 24 hours of cement hydration, while late age refers to hydration longer than one day. Most researches are focused on shrinkages or expansions present late age. This study analyses volume changes of different cements during the early age of hydration. During the first 24 hours, there can be expansions and shrinkages due to thermal phenomena, drying and autogenous deformations. Autogenous shrinkage is initially linked to chemical reactions and after some time, is associated to selfdessication. This research focuses on chemical shrinkage of cement pastes at early age. The effects of water to cement ratio and particle size distribution on chemical shrinkage are analyzed during the first day of material hydration. The w/c ratio for normal consistency was determined for the cements in their “as received” condition. Two other additional w/c ratios were selected: one greater and the other lower. The “as received” cements were sieved using 200, 325 and 400 sieves. The Material retained on 325 sieve (named ground) and the material passing through the 400 sieve (named fine) were selected to be studied. For each cement type three w/c and three granulometries were analyzed. Sieving process changed the mineralogical composition of cements. For each condition (w/c ratio and granulometry), tests were conducted to evaluate the mineralogical evolution analyzing times of 1, 6, 12 and 24 hours of hydration. Techniques as TGA, XRD, Rietveld quantification method, microcalorimetry among others were used. With the results of these tests, it was possible to determine the grade of hydration of cement pastes at the studied times. Comparing results of grade of hydration and chemical shrinkage, it is observed a direct correlation between hydration and chemical shrinkage. This may possible to construct a model, which can be used to predict chemical shrinkage at one day of hydration of cement pastes. The model shows that chemical shrinkage depends on mineralogical composition of the material. The w/c ratios and the different granulometries used do not have an effect on the phenomenon. The model also shows that chemical shrinkage for one day depends mainly on alite and calcite content, when this mineral additive is present. A builder can predict the amount of chemical shrinkage of cement during one day, according to its mineralogical composition, using the model obtained in this study. It makes possible to correct this phenomenon and avoid early cement cracking.