Resumen de Comportamiento y compatibilidad de cementos y aditivos superplastificantes basados en policarboxilatos. Efectos de la naturaleza de los cementos y estructura de los aditivos
Hoy en día los aditivos superplastificantes son un componente esencial en la preparación de hormigones con características mejoradas, hasta el punto de que el desarrollo de los hormigones autocompactantes y de altas prestaciones no hubiera sido posible sin estos aditivos orgánicos. Los aditivos de última generación basados en éteres policarboxilatos (PCE) modifican tanto las propiedades del hormigón en estado fresco como endurecido, reduciendo el contenido de agua y/o de cemento, mejorando la fluidez de los sistemas, posibilitando la incorporación de mayor contenido de adiciones, y mejorando las propiedades resistentes y durables.
La importancia de los aditivos superplastificantes no se limita, por tanto, a las posibilidades de desarrollo de sistemas cementantes con prestaciones mejoradas, sino que debido a la posible reducción de agua y/o de cemento, a la reducción en la vibración en la puesta en obra, y a la posibilidad de incorporar materiales reciclados a los hormigones, que puede comportar también beneficios económicos y medioambientales.
Sin embargo, a pesar de las ventajas que la utilización de aditivos de tipo PCE inducen en los sistemas cementantes, en ocasiones se producen fenómenos de ¿incompatibilidad¿ entre el cemento y los aditivos que se manifiestan con efectos indeseables tales como, la pérdida de fluidez, retrasos en el fraguado, segregación de las pastas, etc.
En el presente trabajo de investigación, desarrollado dentro del marco de un proyecto del Plan Nacional BIA 2007-61380, se propuso como objetivo principal ¿Estudiar el comportamiento entre diferentes cementos normalizados (con distinta finura, contenido en aluminatos, adiciones minerales y composición mineralógica) y aditivos superplastificantes PCE con diferente estructura molecular¿ a través de los siguientes objetivos específicos: ¿ Estudiar la compatibilidad de aditivos PCE con diferentes estructuras moleculares y cementos normalizados, de diferente finura, contenido en aluminatos, adición mineral y composición mineralógica.
¿ Estudiar el efecto de estos aditivos PCE en la hidratación de los cementos, así como en la naturaleza y microestructura de los productos de reacción formados.
¿ Estudiar el efecto de aditivos PCE sobre la reducción de agua y sobre las propiedades mecánicas y durables de morteros de cemento.
En el presente Trabajo de Investigación se han utilizado ocho cementos normalizados con diferente naturaleza química y/o mineralógica (CEM I 42,5R, CEM I 52,5R, CEM I 52,5N/SR, BL I 52,5R, CEM II/AV 42,5R, CEM II/BL 32,5R, CEM III/B 32,5R y CAC), cuatro aditivos PCE con diferentes estructuras moleculares y tres adiciones minerales (ceniza volante, caliza y escoria vítrea de horno alto).
Los estudios de la adsorción de los aditivos sobre los diferentes cementos así como los ensayos reológicos realizados indican que la interaccion aditivos PCE,-cementos y consecuentemente su compatibilidad, depende fundamentalmente de las características estructurales de los aditivos y de la naturaleza de los cementos.
Las características estructurales de los aditivos PCE que principalmente afectan a sus propiedades dispersantes son el contenido en grupos carboxilatos (GC) responsables de la adsorción sobre las partículas de cemento y el de grupos éteres (GE) responsables de la repulsión estérica. De acuerdo a los resultados obtenidos en el presente trabajo, a dosificaciones iguales o inferiores a 0,4 mg polímero/g de cemento las diferencias estructurales de los aditivos utilizados no son determinantes en el descenso del esfuerzo umbral de cizalla inducido. Sin embargo, a dosificaciones superiores (1,2 mg polímero/g de cemento), dichas diferencias estructurales tienen una significativa influencia en sus propiedades fluidificantes, concluyéndose que la relación óptima GC/GE para los aditivos estudiados está comprendida entre 0,1-0,2.
Con respecto al efecto dispersante de los aditivos PCE sobre los cementos con diferentes características, se ha comprobado, en primer lugar, que cementos con similar composición química y mineralógica y diferente finura, la dosificación de aditivo necesaria para alcanzar una determinada fluidez es mayor, cuanto mayor es la finura del cemento. En cementos con diferente contenido en C3A y sulfatos solubles, se ha determinado que la dispersión inducida por los aditivos PCE disminuye al disminuir la relación molar sulfatos solubles/C3A. En cementos con adiciones minerales, se ha comprobado que los aditivos PCE no solo interaccionan con las partículas de cemento sino también con las adiciones minerales. Consecuentemente, las propiedades fluidificantes de los aditivos sobre los cementos con adición depende de la naturaleza de la adición mineral, obteniéndose los mayores descensos del esfuerzo umbral de cizalla en el caso de las pastas de cemento con escoria vítrea de horno alto (CEM III/B 32,5R).
Por último, en el CAC se ha demostrado la baja compatibilidad cemento-aditivos PCE.
Los estudios de potencial zeta han demostrado que los cementos de aluminato de calcio (CAC) poseen una carga superficial más positiva que el resto de los cementos estudiados.
Dicho mayor potencial zeta origina que todos los aditivos estudiados (independientemente de su relación GC/GE) se adsorban sobre las partículas de cemento con una diferente conformación presentando un mayor número de puntos de anclaje. Los estudios reológicos, han confirmado el elevado efecto fluidificante inicial de los aditivos PCE en este cemento. Sin embargo, las pastas de CAC aditivadas pierden rápidamente dicha la fluidez (alrededor de 15-20 minutos) lo que confirma la baja compatibilidad entre los aditivos PCE y las pastas de CAC.
Se ha comprobado que los aditivos basados en PCE producen retraso en los procesos de hidratación de los cementos, siendo dicho retraso mayor cuanto mayor es la dosificación del aditivo y el contenido en grupos carboxilatos; a excepción de las pastas de CAC, cuyo retraso en la hidratación es independiente del contenido de dichos grupos.
La presencia de aditivos PCE en las pastas de los cementos de tipo Portland no afecta a la naturaleza de los productos de reacción, ni a la estructura del gel C-S-H formado; pero sí a la morfología y tamaño de algunos productos de reacción (fundamentalmente etringita y portlandita). En las pastas y morteros de CAC, la presencia de aditivos tampoco modifica la naturaleza de los hidratos formados aunque se ha observado, a las 16 horas de hidratación, que la cantidad de hidratos formados en presencia de aditivos PCE es un 45% menor que en ausencia de los mismos.
La incorporación de los aditivos PCE reducen el contenido de agua necesaria para preparar morteros de cemento con igual consistencia. En el caso de los morteros de cementos basados en Portland, esta reducción induce una menor porosidad total de los morteros, aunque no un refinamiento de la estructura porosa, debido a la inclusión de poros de aire.
Estos cambios inducen un ligero incremento de las resistencias mecánicas y una mejora de la durabilidad frente a ciclos hielo-deshielo.
Por el contrario, en los morteros de CAC la reducción de agua por parte de los aditivos PCE no produce una disminución de su porosidad total aunque origina un incremento de las resistencias mecánicas debido a que no inducen un incremento de los poros de aire.
Finalmente, los estudios de durabilidad han demostrado que los morteros de CAC aditivados no presentan un mejor comportamiento frente a ciclos hielo-deshielo con respecto a los morteros sin aditivo.
