Empaquetamiento granular de partículas finas en sistemas cementíceos multicomponentes

• Autores: María Guillermina Marchetti
• Directores de la Tesis: Viviana Fátima Rahhal (dir. tes.), Edgardo F. Irassar (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNCPBA) ( Argentina ) en 2019
• Idioma: español
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: www.ridaa.unicen.edu.ar
• Resumen
  • español

    El hormigón es el material de construcción más importante usado en todo el mundo, debido a sus propiedades mecánicas y durables y a su relativo bajo costo. Sin embargo, presenta un impacto ambiental significativo con respecto a las emisiones de dióxido de carbono (CO2) que pueden alcanzar hasta el 7-8% de la liberación global de CO2, generadas principalmente por la producción de cemento portland. Entre las estrategias para reducir esta emisiones se encuentran el uso de materiales cementíceos suplementarios (MCS) como reemplazo parcial del cemento. El diseño de una mezcla de hormigón es fundamentalmente un problema de empaquetamiento volumétrico. Todos los métodos existentes de dosificación incorporan de alguna manera una medida indirecta del empaquetamiento de partículas al aproximar las proporciones de los agregados a una curva de distribución ideal. Sin embargo, las proporciones ideales para el hormigón dependen no sólo de la curva de distribución de tamaños de los agregados sino también de las características de empaquetamiento de los componentes finos como el cemento, y los MCS. Un buen diseño de empaquetamiento de un sistema granular permite aumentar la eficiencia de los materiales cementíceos; y la combinación apropiada de los MCS de diferentes tamaños de partículas, podría aumentar la densidad de empaquetamiento y reducir la demanda de agua. Este concepto de empaquetamiento también se convierte en una oportunidad para que las arcillas calcinadas, disponibles localmente, junto con el filler calcáreo integren un sistema tricomponente cementíceo con propiedades especiales. Para evaluar el efecto neto debido a la incorporación de MCS, en la década de los 90 los investigadores Funk y Dinger, desarrollaron el concepto inter-particle spacing (IPS), que representa la distancia entre partículas dentro de una mezcla. Recientemente, investigadores de la Universidad de Hong Kong han presentado este concepto aplicado a materiales cementíceos, en términos de un único parámetro: el waterfilm thickness (WFT), que tiene el significado físico de ser el espesor promedio de la película de agua que recubre las partículas sólidas y que representa la mitad del IPS. Para las mediciones experimentales del empaquetamiento de un sistema de materiales cementíceos existen diversos métodos, que se clasifican ampliamente en directos o indirectos. Las experiencias desarrolladas con estos métodos han demostrado que los mismos no son adecuados para medir la densidad de empaquetamiento de materiales cementíceos. Teniendo en cuenta esto, Wong y Kwan han desarrollado un nuevo método que combina características de los métodos directos e indirectos llamado Método de empaquetamiento húmedo y el mismo es el que se utilizó en la presente tesis para realizar las pruebas experimentales. Por otra parte, para predecir y optimizar el empaquetamiento de un sistema de partículas se han desarrollado diversos modelos. Los mismos predicen la densidad de empaquetamiento de una mezcla en función de la distribución de tamaño de las mismas y de la densidad de empaquetamiento de cada fracción monogranular que integran la mezcla. El modelo seleccionado para predecir la densidad de empaquetamiento de las mezclas analizadas fue el Modelo de empaquetamiento compresible (MEC) desarrollado por de Larrard. Con el objetivo de mejorar el comportamiento reológico y mecánico, y en consecuencia,las emisiones de CO2 debido a la reducción de la proporción de clincker, se estudió el empaquetamiento de pastas binarias, ternarias y de morteros. Para seleccionar los materiales para alcanzar los objetivos, primero se caracterizaron distintos cementos portland, cementos mezcla y MCS a los cuales se les midió la densidad de empaquetamiento. Luego con los mismos se conformaron los diversos sistemas a los cuales se les midió y calculó la densidad de empaquetamientos y el WFT y se evaluó la influencia del empaquetamiento en las propiedades reológicas y mecánicas. Los resultados mostraron que el modelo de predicción seleccionado tuvo una buena correlación con los valores experimentales en todos los casos. La densidad de empaquetamiento de mezclas binarias con filler calcáreo se incrementó con el aumento de porcentaje de reemplazo hasta un nivel de 60%. En tanto que las mezclas con metacaolín incrementaron su densidad de empaquetamiento con el aumento del reemplazo hasta un nivel de 20%. Los valores de WFT para las mezclas con filler calcáreo superaron a los del cemento en tanto que los WFT de las mezclas con metacaolín solo superaron a los del cemento hasta que el incremento proporcional de la superficie específica comenzó a ser mayor que el incremento proporcional de la cantidad de exceso de agua. La fluidez de las pastas de cemento mejoró notablemente con la incorporación de filler calcáreo y de metacaolín, cuando se utilizó la máxima dosis de aditivo súper plastificante, debido a que se garantizó la completa dispersión de los materiales cementíceos. La incorporación de filler calcáreo y de metacaolín mostró un adelanto en los tiempos de fraguado y un adelanto en la ocurrencia de los puntos singulares de la curva calorimétrica. Los sistemas ternarios con filler calcáreo y metacaolín optimizaron el comportamiento del cemento portland en todos los casos. Las pastas binarias con incorporación de metaillitas, disponibles localmente, se realizaron como base previa al estudio de morteros. Los resultados mostraron que en las pastas la densidad de empaquetamiento del cemento portland disminuyó cuando se incorporaron estas metaillitas, ya que las mismas presentan un distribución granulométrica similar a la del cemento con lo cual el efecto de llenado no resultó eficiente. La disminución de la densidad de empaquetamiento sumada al incremento de la superficie específica hizo que los valores de WFT y en consecuencia la fluidez también disminuyan con la incorporación de metaillitas. Contrariamente a estos resultados, los morteros con metaillitas presentaron un incremento en la densidad de empaquetamiento respecto al mortero de cemento portland, indicando que la distribución granulométrica de cemento más metaillitas llena de manera eficiente los vacíos entre las partículas de arena. Los valores de WFT y de fluidez de los morteros también presentaron una mejora al incorporarse las metaillitas.

  • English

    Concrete is the most important construction material used worldwide, due to its mecha-nical and durable properties and its relative low cost. However, it presents a significant enviromental impact with respect to carbon dioxide emissions (CO2) up to 7-8%of the glo-bal release of CO2, generated mainly by portland cement production. Among the strategies to reduce these emissions,are the use of supplementary cementitious materials (SCM) as apartial replacement of the cement. Concrete mixture proportioning is a volumetric-packing problem. All existing methods of mixture proportioning incorporate in some way an indirect measure of particle packing by approximating the aggregate proportions to an ideal gradation curve. However, the ideal proportions for concrete depend not only on the grading curve of aggregate but also on the packing characteristics of the fine components such as cement and SCM. A good packing design of a granular system allows to increase the efficiency of cementi-ceous materials. The appropriate combination of the SCM with different particle sizes could increase the packing density and reduce the water demand. This concept of packing also becomes an opportunity for locally calcined clays together with calcareous filler to integrate a ternary cement system with special properties.To evaluate the net effect due to the incorporation of SCM, Funk and Dinger developed the concept of ïnter-particle spacing"(IPS) that represents the distance between particles in a mixture. Recently, researchers at the University of Hong Kong have presented the same concept in the terms of a single parameter: the water film thickness (WFT), which has the physical meaning of be the average thickness of the water film that covers the solid particles,and it is equivalent to half of IPS. For experimental determinations of the packing density, there are several methods clas-sified as direct and indirect. Literature reports that these methods are not suitable for measuring the packing density of cementitious materials. To avoids short comings, Wong andKwan developed a new method that combines the characteristics of direct and indirect met-hods called Wet packing method. This method was selected to perform the packing density measurements of granular materials in this thesis. On the other hand, several mathematical models to predict and optimize the particleix packing, have been developed. They predict the packing density of mixture as function of the particle size distribution and the packing density of each monogranular class in the mixture.The model selected to predict the packing density in this thesis was the Compressible PackingModel (CPM) developed by de Larrard.With the aim of improving rheological and mechanical behavior and consequently the CO2 emissions by reduction of clincker factor, the packing density of binary, ternary cement pastes and mortars has been studied. First, different portland cements, blended cements and SCM were characterized and the packing density was measured. Then, the different cementitious systems were performed to calculate and measure the packing density and the WFT. In this systems, the influence of the packing density and WFT on rheological and mechanical properties were evaluated.The results showed that the model selected (CPM) had a good correlation with the expe-rimental values for all cases.The packing density of binary blended cements with limestone filler increased with there placement up to 60% and the blended cements with metakaolin increased their packing density with up to a replacement of 20%. The WFT values for the limestone filler mixtures exceeded those of the portland cement. On the other hand, the WFT of blended cements with metakaolin only exceeded those of the portland cement until the proportional increase of the surface area began to be greater than the proportional increase in the excess water.The flowability of cement pastes improved with the incorporation of limestone filler and metakaolin, when the maximum dose of superplasticizer was used. It is attribute to, the complete dispersion of the cementitious particles was reached. The incorporation of limestone filler and metakaolin showed an advance in the setting times and an advance in the occurrence of the singular points of the calorimetric curve.The ternary systems with limestone filler and metakaolin optimized the behavior of portland cement in all cases.The binary pastes with incorporation of illitic calcined clays (locally available) were madeas a base prior to the study of mortars. The results showed that the packing density of the portland cement decreased when these illitic calcined clays were incorporated, due to their similar particle size distribution to the portland cement, so the filling effect was not efficient. The decrease in the packing density and the increase in the surface area caused the WFT values and consequently the flowability also decrease with the incorporation of illitic calcinedclays. On Contrary, the mortars made with blended cements containing illitic calcined clays showed an increase in the packing density with respect to the portland cement mortar, indicating that the particle size distribution of portland cement plus illitic calcined clays fills efficiently the voids between the sand particles. The WFT and flowability of mortars were also improved when illitic calcined clays are incorporated.