ES2924642T3 - Composición de ligante hidráulico con contracción muy baja - Google Patents

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Abstract

1. Una composición aglomerante hidráulica para producir un concreto de muy baja retracción, que comprende cemento Portland ordinario, opcionalmente un material cementoso suplementario y un agente de expansión, caracterizada porque el agente de expansión es óxido de calcio, en donde - el óxido de calcio tiene una distribución de tamaño de partícula caracterizada por un residuo de al menos 6% en peso en un tamiz de malla de 45 μm, y/o - el óxido de calcio tiene una reactividad que se caracteriza por una conductividad de < 11 mS/cm cuando se disuelve en agua, y/o - el calcio el óxido de calcio tiene una reactividad que se caracteriza por un aumento de temperatura promedio de < 0,5°C/min durante los primeros 15 minutos después de la adición del óxido de calcio al agua, y/o - el óxido de calcio tiene una reactividad que se caracteriza por un aumento de temperatura de < 10°C durante los primeros 5 minutos después de la adición del óxido de calcio al agua. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Composición de ligante hidráulico con contracción muy baja
La invención se refiere a una composición de ligante hidráulico para producir un hormigón de contracción muy baja, que comprende cemento Portland ordinario, opcionalmente un material cementoso suplementario, y un agente de expansión.
El hormigón es un material de construcción muy ampliamente utilizado con alta resistencia y buena durabilidad. Además de agregados y agua, contiene también cemento Portland como ligante hidráulico, que produce fases de formación de resistencia solidificándose y curándose en contacto con el agua. El hormigón a base de clínker de cemento Portland es así uno de los ligantes más importantes en el mundo.
Cuando las fórmulas de cemento Portland se mezclan con agua, inmediatamente comienzan las reacciones de hidratación que generan calor y provocan una formación de matriz de cemento. Una vez fraguado, el hormigón experimenta contracción que genera a su vez esfuerzo mecánico en la estructura. Si este esfuerzo es mayor que la resistencia a la tracción del hormigón, se desarrollan grietas.
Desde su colocación inicial y en toda su vida útil, el hormigón pasa por una serie de mecanismos que provocarán contracción. Los mecanismos de contracción en el hormigón pueden clasificarse como sigue: contracción plástica, contracción por secado, contracción autógena y contracción por carbonatación.
La contracción plástica tiene lugar en las horas que siguen a la colocación del hormigón y mientras el hormigón está todavía en su etapa plástica. Son posibles causas de dicha contracción agua exudada excesiva, aire inestable y un excesivo secado de la superficie.
Una vez endurecido, la contracción por secado puede tener lugar debido a la evaporación del agua. En esta situación, tras la evaporación del agua libre restante en capilares y poros y dependiendo de la distribución y estructura del tamaño del poro, los capilares y poros se colapsan debido a la alta presión capilar. Esto induce a su vez una contracción del volumen de hormigón, especialmente cuando hay una elevada proporción de poros de menos de 50 nm de diámetro.
Puede producirse la contracción autógena en un sistema conservador, es decir, cuando no se permite ningún movimiento de humedad hacia o desde la pasta y cuando, por tanto, no ha ocurrido ninguna pérdida de agua. En la práctica, esto puede ocurrir en estructuras de hormigón cuando la relación de agua cemento es baja.
El dióxido de carbono presente en la atmósfera reacciona en presencia de agua con hidróxido de calcio para formar carbonato de calcio. Dicha reacción de hidróxido de calcio en cementos hidratados es químicamente posible incluso con la baja presión del dióxido de carbono en la atmósfera normal. La carbonatación penetra muy lentamente más allá de la superficie expuesta de hormigón y la tasa de penetración de dióxido de carbono depende también del contenido de humedad del hormigón y la humedad relativa del medio ambiente. La carbonatación viene acompañada de un incremento de peso del hormigón y de cambio volumétrico.
De todos los tipos de mecanismos de contracción y en los entornos más comunes, la contracción plástica y por secado tienen el efecto más intenso en los cambios volumétricos del hormigón. Estos cambios provocan niveles aumentados de esfuerzo mecánico interno que dan como resultado la formación de grietas de hormigón que reducen la resistencia y la durabilidad de la estructura de hormigón. Es necesario tomar precauciones especiales en los lugares de trabajo y, en suelos y losetas de hormigón, deben realizarse juntas a intervalos regulares.
Se conoce el uso de agentes de expansión y adyuvantes químicos de reducción de contracción. Se utilizan agentes de expansión para generar expansión desde el momento en que el hormigón se fragua inicialmente y durante los primeros pocos días del proceso de curado. Estos agentes son en su mayoría polvos de óxido de calcio o de magnesio. Esta expansión inicial puede compensar entonces más o menos la futura contracción del hormigón endurecido. El uso de esta clase de productos puede inducir la expansión excesiva durante los primeros días después de que se haya fraguado el hormigón, y las estructuras de hormigón pueden someterse a altos niveles de fuerzas mecánicas internas. Si el hormigón endurecido no tiene espacio para expandirse, la estructura de hormigón puede experimentar daños irreversibles. Este es especialmente el caso de las losetas y suelos de hormigón.
Se utilizan comúnmente adyuvantes de reducción de contracción química para mitigar la contracción por secado del hormigón. En la mayoría de los casos son una mezcla líquida de agentes tensoactivos y glicoles. Su mecanismo de acción depende de la reducción de la tensión de superficie y las fuerzas capilares tras la exploración de agua libre en los poros de menos de 50 nm de diámetro. Estos adyuvantes químicos no hacen que el hormigón se expanda ni impiden que se contraiga: reducen la extensión de la contracción.
En la práctica, el control de los cambios volumétricos del hormigón requiere un ajuste de la dosificación del agente de expansión y del adyuvante de reducción de contracción. Además, la mayoría de los agentes de expansión reaccionan rápidamente tras la adición de agua y las reacciones que provocan que el hormigón se expanda realmente empiezan antes de que el hormigón se fragüe. Debido a la plasticidad del hormigón durante esta fase, estas reacciones de expansión no tienen un impacto significativo en los cambios de volumen final del hormigón endurecido. En esta situación, el agente de expansión puede sobredosificarse, y debido a que estas reacciones de expansión son exotérmicas, el hormigón puede generar calor excesivo en su etapa temprana. Esto puede conducir a diversos problemas adicionales, tales como pérdida de retención de consistencia o, en el peor de los casos, agrietamiento térmico del hormigón.
El documento EP 1627864 A1 divulga una composición de argamasa fluida que comprende cemento, arena, grava y una premezcla de neopentilglicol como agente de reducción de contracción, óxido de calcio como agente de expansión, sílice ventilada, anhidrido sintético y un agente fluidificante. El hormigón muestra una contracción muy baja después del endurecimiento.
El documento FR 2912130 A1 divulga una composición de ligante. En este caso, la hidratación parcial permite retrasar y ralentizar la reacción de la cal con agua. Con respecto a la exposición del documento FR 2912130 A1 y su referencia cruzada al documento FR 2841895 A1, la cal de reactividad controlada es un 10% de cal viva hidratada, lo que significa que consiste en 90% de CaO y 10% de Ca(OH)2 y está así parcialmente hidratada. En comparación con la cal viva, este 10% de cal viva hidratada permite retardar y ralentizar la reacción de la cal con agua.
El documento US 3649317 A divulga una composición de ligante que comprende cemento Portland y cal viva de reactividad retardada. El retardo en la reactividad se obtiene tras revestir la cal viva con resina Vinsol.
El documento US 4205994 A divulga una composición pulverulenta que es útil como un aditivo de expansión para composiciones de cemento hidratable. La composición pulverulenta consiste esencialmente en partículas que tienen un tamaño de 5-60 pm y que comprenden un núcleo de óxido de calcio y un revestimiento protector alrededor de dicho núcleo de carbonato de calcio.
En el documento WO 2014/080368 A1 y US 2008/087199 A1, se divulga la combinación de un agente de compensación de contracción de glicol con cal.
El documento US 3884710 A divulga un clínker de cemento Portland específico que se obtiene tras la sinterización de materiales de partida arcillosos y calcáreos de una manera controlada a fin de proporcionar un clínker que esté libre de silicato dicálcico, sea rico en silicato tricálciclo y comprenda CaO “libre”. El CaO libre da como resultado una expansión controlada.
Según la divulgación del documento JP 2010 155741 A, la reactividad de un grano de óxido de calcio de tamaño de grano bimodal se modera mediante la aplicación de un revestimiento de hidróxido de calcio. Por tanto, es una finalidad de esta invención minimizar los cambios volumétricos en el hormigón a lo largo de toda su vida útil y, por tanto, reducir fuertemente la incidencia de la formación de grietas. Además, es un objetivo de esta invención resolver los problemas anteriormente mencionados conectados con el uso de agentes de expansión altamente reactivos.
Para resolver estos y otros objetivos, la invención está caracterizada por que está prevista una composición de ligante hidráulico para producir un hormigón de contracción muy baja, que comprende cemento Portland ordinario, opcionalmente un material cementoso suplementario y un agente de expansión, en el que el agente de expansión es óxido de calcio, en el que el óxido de calcio tiene una distribución del tamaño de partícula caracterizada por un residuo de por lo menos el 6% en peso en un tamiz de malla de 45 pm, y por lo menos uno de entre lo siguiente:
- el óxido de calcio tiene una reactividad que está caracterizada por una conductividad de <11 mS/cm cuando se disuelve en agua,
- el óxido de calcio tiene una reactividad que está caracterizada por un aumento de la temperatura media de < 0,5 °C/m durante los primeros 15 minutos tras la adición del óxido de calcio en agua,
- el óxido de calcio tiene una reactividad que está caracterizada por un aumento de la temperatura de <10 °C durante los primeros 5 minutos tras la adición del óxido de calcio en agua.
El agente de expansión puede ser óxido de calcio que presenta una baja y/o retardada reactividad, de tal manera que el hormigón no se expanda en más del 0,05% en volumen, preferentemente no más del 0,03% en volumen durante los primeros 10 días, preferentemente durante los primeros 7 días, después de haberse colado. Utilizando un óxido de calcio que presenta una baja y/o retardada reactividad como el agente de expansión en combinación con un agente de reducción de contracción, se puede tomar la ventaja del efecto conocido de que la expansión inicial inducida por el agente de expansión pueda compensar la futura contracción del hormigón endurecido, pero al mismo tiempo puedan minimizarse los inconvenientes provocados por la expansión excesiva y rápida del agente de expansión, concretamente la incidencia de altos niveles de fuerzas mecánicas internas y de calor. En particular, el uso de un óxido de calcio que presenta una baja reactividad y/o retardada da como resultado que el calor y la expansión se desarrollen gradualmente en vez de abruptamente. El óxido de calcio puede considerarse que tiene una baja y/o retardada reactividad, si el hormigón no se expande en más del 0,05% en volumen, preferentemente no más del 0,03% en volumen, durante los primeros 10 días, preferentemente durante los primeros 7 días después de haberse colado.
La tasa de reacción reducida del óxido de calcio utilizado en la invención puede lograrse generalmente seleccionando óxido de calcio que presenta un tamaño de cristalito incrementado, un incremento del tamaño del poro y un incremento de la superficie específica. El tamaño de poro y la superficie específica pueden verse influenciados por la temperatura de calcinación y el tiempo de calcinación.
En particular, la reactividad del óxido de calcio que debe utilizarse en la invención puede caracterizarse por una distribución específica del tamaño de partícula, una tasa de disolución especifica y/o un calor específico de hidratación.
Según la invención, el óxido de calcio presenta una distribución del tamaño de partícula caracterizada por un residuo de por lo menos el 6% en peso en un tamiz de malla de 45 |jm.
Con respecto a la tasa de disolución del óxido de calcio, esta puede determinarse midiendo la conductividad de una solución acuosa de óxido de calcio. Según la invención, el óxido de calcio puede presentar una reactividad que se caracteriza por una conductividad de <11 mS/cm cuando se disuelve en agua. A fin de determinar si un óxido de calcio específico cumple dichos criterios, se define el siguiente procedimiento de ensayo:
- se llena un matraz de vidrio con 45 mL de agua a una temperatura de 20°C,
- se utiliza un agitador a una velocidad de agitación de 450 rpm,
- se mide inicialmente la conductividad,
- se añade rápidamente 1,5 g de óxido de calcio con una cuchara pequeña,
- se mide la conductividad en función del tiempo hasta que se estabiliza.
El calor liberado durante las reacciones exotérmicas es otro indicador de la adecuación de una fuente de óxido de calcio para la invención. Con respecto al calor de hidratación, se considera que un óxido de calcio es adecuado para uso en la invención, si presenta una reactividad que se caracteriza por un aumento medio de temperatura de < 0,5°C/min durante los primeros 15 minutos después de la adición del óxido de calcio al agua.
Alternativamente, el óxido de calcio según la invención presenta una reactividad que se caracteriza por un aumento de temperatura de < 10°C durante los primeros 5 minutos después de la adición del óxido de calcio al agua. Para evaluar el calor de hidratación del agente de expansión, se define el siguiente procedimiento:
- se llena un matraz de vidrio con 200 mL de agua a una temperatura de 20°C,
- se utiliza un agitador a una velocidad de agitación de 450 rpm,
- se mide inicialmente la temperatura,
- se añaden rápidamente 20 g de óxido de calcio con una cuchara pequeña,
- se registra la temperatura en función del tiempo hasta que comienza a disminuir.
El uso de un óxido de calcio que presenta una baja y/o retardada reactividad con agentes de reducción de contracción convencionales como se menciona anteriormente permite la producción de una composición de hormigón que no presenta sustancialmente ningún cambio de volumen después de 365 días cuando se compara con el volumen inicial. En particular, el cambio de volumen del hormigón puede estar entre el 0,01 y el -0,01% en volumen después de 365 días tras haber sido colado, medido de acuerdo con ASTM C878. Con dichos cambios volumétricos pequeños, se anula la incidencia de grietas de hormigón.
Según la invención, el ligante hidráulico comprende cemento Portland ordinario y, opcionalmente, material cementoso suplementario, tal como escoria de alto horno granulada, cenizas volantes, puzolanas o mezclas de estas.
Cuando se usa en un hormigón, el ligante hidráulico de la invención puede estar presente en una composición de hormigón, en una mezcla con agua, junto con arena, agregados y un adyuvante de reducción de la contracción.
Se pueden utilizar los adyuvantes de reducción de contracción comúnmente utilizados. Preferentemente, el adyuvante de reducción de contracción puede ser un adyuvante orgánico, en particular sobre la base de polipropilenglicol, polietilenglicol y/o un derivado de éter de glicol, preferentemente en una mezcla líquida con agentes tensoactivos.
El agente de expansión de baja reactividad, principalmente óxido de calcio, puede integrarse en el proceso de fabricación del cemento y es un componente del cemento, y el agente de reducción de contracción se añade durante el proceso de fabricación del cemento o la fabricación del hormigón.
Con el fin de mejorar la trabajabilidad de la masa de hormigón, la mezcla puede comprender un agente de reducción de agua, en particular un éter de policarboxilato sobre la base de un adyuvante plastificante a base de polinaftaleno sulfonato, pudiendo el agente de reducción de agua preferentemente estar presente en una cantidad de 20-60 mL/100 kg de ligante hidráulico. Por tanto, los adyuvantes plastificantes se denominan algunas veces agentes de dispersión o agentes de flujo y se despliegan a fin de mejorar la trabajabilidad con respecto a la fluidez. Dichos adyuvantes son moléculas orgánicas de cadena larga, que se agrupan alrededor de las partículas de cemento y, por tanto, provocan repulsión electrostática entre las partículas o estabilización estérica de las partículas, incrementando así la fluidez del material de construcción.
La dosificación óptima del agente de expansión y del adyuvante de reducción de contracción puede determinarse por el experto en la materia con vistas a minimizar el cambio volumétrico total del hormigón. Las cantidades del agente de expansión y el adyuvante de reducción de contracción pueden ser seleccionadas de modo que el cambio de volumen del hormigón esté entre el 0,01 y el -0,01% en volumen después de 365 días tras haber sido colado.
Particularmente, el agente de expansión puede estar presente en una cantidad comprendida entre el 2 y el 6% en peso, preferentemente entre el 3 y el 5% en peso del ligante hidráulico.
En particular, una dosificación reducida del agente de expansión en los rangos indicados anteriormente puede ser suficiente debido a su reactividad reducida/retardada. Los agentes de expansión comienzan a reaccionar tan pronto como estén en contacto con agua. Debido a la plasticidad del hormigón antes de que se fragüe realmente, todas las reacciones de expansión que tienen lugar antes de que el hormigón esté duro, no sirven para el propósito de la invención. El CaO que presenta una reactividad inferior/retardada desarrolla una expansión reducida en etapas tempranas y una expansión adecuada en etapas posteriores.
El adyuvante de reducción de contracción puede estar presente en una cantidad comprendida entre el 1 y el 2% en peso del ligante hidráulico.
Además, la relación agua/ligante puede seleccionarse para que sea de 0,15-0,50, preferentemente 0,25-0,45.
El ligante hidráulico puede estar presente en una cantidad de 280-700 g, preferentemente 300-600 kg por metro cúbico de hormigón. La invención se describirá ahora con referencia a los siguientes ejemplos de formas de realización.
Ejemplo 1
Se mezcló hormigón en cuatro diseños de mezcla diferentes. A fin de determinar qué tipo de óxido de calcio es adecuado para uso en los diseños de mezcla, se han realizado los siguientes ensayos.
Se examinaron dos tipos diferentes de óxido de calcio con respecto a su tasa de disolución. Con esta finalidad, se evaluó la conductividad de dos dispersiones de óxido de calcio diluido. Se continuó el siguiente procedimiento de ensayo:
- se llena un matraz de vidrio con 45 mL de agua a una temperatura de 20°C,
- se utilizó un agitador a una velocidad de agitación de 450 rpm,
- se midió inicialmente la conductividad,
- se añadió rápidamente 1,5 g de óxido de calcio con una cuchara pequeña,
- se midió la conductividad en función del tiempo hasta que se estabiliza.
Los resultados de los ensayos se muestran en la figura 1. Como puede deducirse de la figura 1, los valores de conductividad en ambos casos están siempre por debajo de 11 mS/cm, lo que hace que ambas fuentes sean adecuadas para el uso de la invención.
En otro ensayo, se examinaron óxidos de calcio de otras cuatro fuentes con respecto a su calor de hidratación. Se utilizó el siguiente procedimiento de ensayo:
- se llena un matraz de vidrio con 200 mL de agua a una temperatura de 20°C,
- se utilizó un agitador a una velocidad de agitación de 450 rpm,
- se midió inicialmente la conductividad,
- se añadió rápidamente 1,5 g de óxido de calcio con una cuchara pequeña,
- se midió la conductividad en función del tiempo hasta que se estabiliza.
Como se muestra en la figura 2, las fuentes de óxido de calcio presentan dos comportamientos distintos. En la primera serie, el calor de hidratación es alto y provoca un incremento de temperatura de la dispersión de más de 15°C en menos de 5 minutos. El producto Tradical SR de Rheinkalk presenta un calor inferior de hidratación, caracterizado por un incremento máximo de temperatura de 12°C y el aumento medio de temperatura es menor que 0,5°C por minuto entre 1 y 15 minutos. Esta última fuente de óxido de calcio es un agente de expansión preferido dentro del alcance de la invención.
Seguidamente, se mezcló el hormigón en cuatro diseños de mezcla diferentes según la Tabla 1.
Tabla 1:
Figure imgf000006_0001
En la Tabla 1, la expresión “w/B” significa relación agua/ligante, “SRA” significa adyuvante de reducción de contracción, “GR-20” significa 20 mm de grava natural y “Cal-40” significa 40 mm de grava de caliza molida. Las cantidades dadas en la columna “Ligante” representan la cantidad total de ligante hidráulico, incluyendo cemento Portland y escoria de alto horno granulada. El contenido de escoria del ligante está indicado en la columna “Escoria”.
Como reductor de agua, se utiliza el producto “Plastol 341” producido por la empresa The Euclid Chemical Company. El Plastol 341 es un adyuvante plastificante a base de policarboxilato.
Se utilizó SRA Floor suministrado por Euclid Chemicals como agente de reducción de contracción.
Cualquiera de los óxidos de calcio que se han identificado como adecuados en el ensayo de conductividad y/o el calor del ensayo de hidratación como se describió anteriormente puede utilizarse en el ejemplo.
Las composiciones de hormigón con los diseños de mezcla descritos en la Tabla 1 se utilizaron para producir bloques de ensayo que se curaron y se midieron varios parámetros como se indica en la Tabla 2.
Tabla 2:
Figure imgf000006_0002
Además, se midió el cambio volumétrico del hormigón curado, como se indica en la Tabla 3.
Tabla 3:
Figure imgf000007_0001
En la figura 3, están representados gráficos de los datos de cambio volumétrico. Como puede verse por la Tabla 3 y la figura 3, el cambio volumétrico final después de 126 días es del 0,01% en volumen o por debajo para los diseños de mezcla no. 1,2 y 3, en los que se han utilizado un agente de reducción de contracción y un óxido de calcio que presenta una baja reactividad. En el diseño de mezcla n° 4 no se utilizó en absoluto ningún agente de reducción de contracción. Esto evidencia los efectos sinérgicos del uso combinado del agente de reducción de contracción y el óxido de calcio que presenta una baja reactividad.
Ejemplo 2
En otro ejemplo, se mezcló hormigón de ultraprestaciones en dos diseños de mezcla diferentes según la Tabla 4. La mezcla #2 es un diseño de mezcla según la invención, mientras que la mezcla #1 es un diseño de mezcla convencional sin el uso de CaO y sin agente de reducción de contracción.
Tabla 4
Figure imgf000007_0002
En la Tabla 4, la expresión “W/B” significa relación agua/ligante y “SRA” significa adyuvante de reducción de contracción.
Como reductor de agua, se utilizó el producto Sika Viscocrete P5 producido por Sika.
Las fibras de acero son Dramix OL 13/0,20.
Se utilizó SRA Floor suministrado por Euclid Chemicals como agente de reducción de contracción. Puede utilizarse también cualquier otro agente de reducción de contracción convencional.
En este ejemplo, puede utilizarse cualquiera de los óxidos de calcio que se han identificado como adecuados en el ensayo de conductividad y/o el calor del ensayo de hidratación como se describe en el Ejemplo 1.
Las composiciones de hormigón con los diseños de mezcla descritos en la Tabla 4 se utilizaron para producir bloques de ensayo que se curaron y se midieron varios parámetros como se indica en la Tabla 5.
Tabla 5:
Figure imgf000007_0003
Como puede verse en los valores de contracción representados en la figura 4, el diseño de mezcla #2 según la invención presenta una considerable contracción inferior al diseño de mezcla #1.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. Composición de ligante hidráulico para producir un hormigón de contracción muy baja, que comprende cemento Portland ordinario, opcionalmente un material cementoso suplementario y un agente de expansión, caracterizada por que el agente de expansión es óxido de calcio, en la que
- el óxido de calcio presenta una distribución del tamaño de partícula caracterizada por un residuo de por lo menos el 6% en peso en un tamiz de malla de 45 pm y por lo menos uno de entre los siguientes:
- el óxido de calcio presenta una reactividad que está caracterizada por una conductividad de <11 mS/cm cuando se disuelve en agua, determinada tal como se define en la descripción,
- el óxido de calcio presenta una reactividad que está caracterizada por un incremento medio de temperatura de <0,5°C/min durante los primeros 15 minutos después de la adición del óxido de calcio al agua, determinado tal como se define en la descripción,
- el óxido de calcio presenta una reactividad caracterizada por un incremento de temperatura de <10°C durante los primeros 5 minutos después de la adición del óxido de calcio al agua, determinado tal como se define en la descripción.
2. Ligante hidráulico según la reivindicación 1, que comprende asimismo un adyuvante de reducción de contracción en forma de polvo.
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