Evaluación de las propiedades de permeabilidad al aire y durabilidad de concretos adicionados con caliza y arcillas calcinadas

Abstract

En esta investigación se evaluaron las propiedades de permeabilidad al aire y al agua, la resistencia a la penetración de cloruros, impedancia eléctrica, porosidad, densidad, resistencia a la compresión y módulo de elasticidad de cinco mezclas de concreto adicionadas con arcilla calcinada y caliza en diferentes proporciones (M01) a (M05) y una mezcla de referencia sin ninguna adición (MR). Todas las mezclas fueron diseñadas por el Ingeniero Luis Felipe Salazar (Salazar Mayorga, 2023), integrante del grupo de investigación y análisis dirigido por el Ingeniero Juan Manuel Lizarazo Marriaga, como base para la realización de una serie de investigaciones sobre los cementos adicionados con arcilla calcinada y caliza. Todas las mezclas tienen la misma relación agua /cementante igual a 0.50 y la arcilla calcinada utilizada es de baja gradación, con un contenido de caolinita igual al 40%. El cemento utilizado como referencia es de marca Alión de altas resistencias tempranas (ART) por ser un cemento con un mínimo de adiciones y muy cercano a lo que se considera un cemento pórtland. Las probetas fueron curadas y ensayadas a edades superiores a 90 días en el laboratorio de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. El ensayo de Salt Ponding Test - SPT; se realizó según las normas NT-443 para el acondicionamiento de probetas y NT-492 para evaluación de la profundidad de penetración. Las probetas permanecieron sumergidas en solución salina durante 148 días adicionales a los 90 días de curado. Al analizar los resultados correspondientes a las propiedades mecánicas, se encontró que la resistencia a la compresión en las mezclas adicionadas hasta con un 45% de arcilla calcinada más caliza (M01 a M04) es similar a la de la mezcla de referencia (MR). Para un porcentaje de sustitución del cemento del 50% (M05) la resistencia a la compresión disminuyó en un 17%. El módulo de elasticidad en las mezclas adicionadas M01 a M04 tiene un valor similar al de la mezcla de referencia MR. Para la mezcla M05 con un 50% de sustitución del cemento, el valor del módulo de elasticidad disminuyó un 15% respecto al de la mezcla de referencia MR. La densidad de todas las mezclas es muy similar y no se encontró variación apreciable. La porosidad de las mezclas adicionadas fue menor que la de la mezcla de referencia a excepción de la mezcla M01 que presentó un valor ligeramente mayor. En cuanto a las propiedades relacionadas a la durabilidad se evaluaron la permeabilidad al aire y al agua, la resistencia a difusión y migración de cloruros y la impedancia eléctrica. La totalidad de las mezclas presentaron baja permeabilidad al aire. Se evidenció que la adición de arcillas calcinadas y caliza, tal como se esperaba, efectivamente disminuye la permeabilidad al aire debido a un refinamiento en la estructura de poros del concreto. El contenido óptimo de adiciones corresponde a la mezcla M02 con un 20% de arcilla calcinada y 10% de caliza. La permeabilidad al agua de todas las mezclas se evaluó como baja. No se pudo establecer una relación cuantitativa confiable entre las mezclas debido a deficiencias en la calidad de la pintura epóxica utilizada que distorsionó los resultados al permitir que el flujo de agua no fuera unidireccional. No hay relación cuantitativa alguna entre la permeabilidad al aire y al agua debido esencialmente a la naturaleza y comportamiento de los fluidos. La resistencia a la penetración de cloruros en todas las muestras adicionadas fue menor que la de la mezcla de referencia. De acuerdo con el ensayo Nordtest Build- 492 (NT Build-492) el porcentaje óptimo de sustitución de cemento es del 60% correspondiente a la mezcla M03. El ensayo de estancamiento de sal SPT dio como resultado un contenido óptimo de adiciones igual al 45% del contenido de Clinker, correspondiente a la mezcla M02, pero con muy poca diferencia con las muestras más adicionadas M03, M04 y M05. El ensayo de impedancia eléctrica dio como resultado que todas las muestras adicionadas tienen una mayor impedancia que la mezcla de referencia. Esto se debe al incremento de la alcalinidad de la solución de poros por causa de la arcilla calcinada. El comportamiento de las mezclas es consistente con lo encontrado en los ensayos de migración y difusión de cloruros Como conclusión de la investigación se encontró que los concretos adicionados con arcillas calcinadas y caliza mejoran las propiedades mecánicas y de durabilidad con porcentajes de sustitución del cemento desde un 40% hasta un 60% (factor Clinker 60% a 40%). El alto nivel de sustitución debe verse con mucho cuidado puesto que al reducir el porcentaje de cemento pórtland también se reduce la disponibilidad de material carbonatable y la durabilidad se ve comprometida por temas de corrosión. (Texto tomado de la fuente)

In this research, the properties of permeability to air and water, resistance to chloride penetration, electrical impedance, porosity, density, compressive strength, and elasticity modulus of five concrete mixtures blended with different proportions of calcined clay and limestone were evaluated (M01) to (M05), and a reference mixture without any addition (MR). Engineer Luis Felipe Salazar designed all the mixtures (Salazar Mayorga, 2023), a member of the research and analysis group led by Engineer Juan Manuel Lizarazo Marriaga, as the basis for carrying out a series of investigations on cements blended with calcined clay and limestone. All the mixes have the same water/cement ratio equal to 0.50. The calcined clay used is a low-grade clay, with a kaolinite content equal to 40%. The cement used as a reference is Alión brand of high early resistance (ART) because it is a cement with a minimum of additions and close to what is considered a pórtland cement. The specimens were cured and tested at ages greater than 90 days in the Engineering laboratory of the National University of Colombia, Bogotá headquarters. The Salt Ponding Test - SPT test; It was carried out according to the standards NT-443 for the conditioning of test tubes and NT-492 for evaluation of the depth of penetration. The specimens remained submerged in saline solution for an additional 148 days after 90 days of curing. When analyzing the results corresponding to the mechanical properties, it was found that the compressive strength in the mixtures blended with up to 45% of calcined clay plus limestone (M01 to M04) is like that of the reference mixture (MR). For a 50% substitution of cement (M05), the compressive strength decreased by 17%. The modulus of elasticity in the added mixtures M01 to M04 has a value like that of the reference mixture MR. For the mix M05 with 50% substitution of the cement, the value of the modulus of elasticity decreased by 15% compared to that of the reference mix MR. The density of all the mixtures is similar and no appreciable variation was found. The porosity of the blended mixtures was lower than that of the reference mixture MR, except for the M01 mixture, which presented a slightly higher value. Regarding the properties related to durability, the permeability to air and water, the resistance to diffusion and migration of chlorides and the electrical impedance were evaluated. All the mixtures had low air permeability. It was evidenced that the addition of calcined clays and limestone, as expected, effectively decrease the air permeability due to a refinement in the pore structure of the concrete. The optimal content of additions corresponds to the mixture M02 with 20% of calcined clay and 10% of limestone. The water permeability of all blends was evaluated as low. A reliable quantitative relationship between the mixtures could not be established due to deficiencies in the quality of the epoxy paint used, which distorted the results by allowing the water flow to not be unidirectional. There is no quantitative relationship between air and water permeability due to the nature and behavior of fluids. The resistance to chloride penetration in all the blended mixtures was lower than that of the reference mixture. According to the Nordtest Build 492 (NT Build-492) test, the optimum cement substitution percentage is 60% (Clinker factor 40%) corresponding to the M03 mixture. The SPT test resulted in an optimal content of additions equal to 45% of the Clinker content, corresponding to the M02 mix, but with very little difference with the most added samples M03, M04 and M05. The electrical impedance test resulted in all the blended mixtures having a higher electrical impedance than the reference mixture. This is due to the increase in the alkalinity of the pore solution due to the calcined clay. The behavior of the mixtures is consistent with what was found in the chloride migration and diffusion tests. As a conclusion of the investigation, it is found that the concretes blended with calcined clays and limestone improve their mechanical and durability properties with substitution percentages of cement from 40% to 60% (Clinker factor 60% to 40%). This elevated level of substitution must be viewed with great care since reducing the percentage of pórtland cement also reduces the availability of carbonated material and then durability is compromised by corrosion issues.