problemas de cemento

HidrataciónReacciones Expansivas

Cemento puzolanico

Problemas del Cemento Portland

Ravelo Jove Juan Miguel

Escuela Profesional de Ing. QuimicaUNSA

Presentaciones de No Metalicos, 2012

Ravelo Jove Juan Miguel Problemas del Cemento Portland

Cemento puzolanico

Contenido

1 HidrataciónComponentes Basicos del CementoHidratación perse

2 Reacciones ExpansivasIntroducciónReacciones álcali-silice ASRReacción Alcali-Carbonato ACRAtaque Sulfático

3 Cemento puzolanico

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Cemento puzolanicoComponentes Basicos del CementoHidratación perse

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Componentes Basicos del Cemento

Silicato tricálcico (C3S) (Resistencia Temprana hasta los 28dias)Silicato dicálcico (C2S) (Resistencia Final)Aluminato tricálcico (C3A) (tiempo de fragüe y vulnerabilidada los sulfatos)Ferroaluminato tetracálcico (FAC4)(coloración del cemento ycierta vulnerabilidad a los sulfatos)

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Hidratación de una particula

Figure: Progreso de la Hidratación

CnS + H2O → gelSCH + (OH)2Ca (1)

SCH es el responsable de la resistencia y la durabilidad.(OH)2Ca es poco resistente y vulnerable a ataques(sulfatos).(OH)2Ca proporciona un medio alcalino de pH = 12.5,protege de la corrosión del oxigeno y cloruros en el agua demar.

Relación a/c

La resistencia de la pasta depende del grado de interrelaciónentre los productos de hidratación de las distintas partículasde cemento.a/c bajo, la interrelación es mucho más estrechay,consecuentemente, es de esperar que la resistencia seasuperior.a/c alto, las particulas se encuentran más alejadas entre si.a/c alto implica alta porosidad, permeabilidad y espacio parala formación de grandes cristales de (OH)2Ca lo cual facilitael ingreso por difusión de ciertas sustancias.

Relación a/c

Relación a/cagua/cemento

Figure: Composición de la pasta de cemento, en estado fresco yendurecido para diferentes relaciones a/c

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IntroducciónReacciones álcali-silice ASRReacción Alcali-Carbonato ACRAtaque Sulfático

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Introducción

Uno de los principales procesos de degradación del hormigón sonlas reacciones con los áridos que pueden provocar expansiones. Lasreacciones que se producen se clasifican en tres categorías según eltipo de árido:

Reacciones álcali – sílice (ASR)Reacciones álcali – carbonato (ACR)Ataque sulfático

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Introducción

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Reacciones álcali-silice

La reacción álcali-sílice se produce cuando la disoluciónalcalina de los poros del hormigón y los minerales silíceos dealgunos áridos reaccionan para formar un gel, que al embeberagua, aumenta de volumen.La expansión viene causada por la presión osmótica. Los gelesde silicato alcalino pueden ejercer grandes presiones deimbibición durante el proceso expansivo, mayores que laresistencia a tracción del hormigón.las reacciones que se producen son principalmente dos, y lohacen simultáneamente:

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Reacciones álcali-siliceReacciones Simultaneas

Reaccion 1Reacción ácido-base, neutralización de los grupos silanol (Si-OH)por la solución alcalina con sosa cáustica NaOH = Na+ OH-:

Si − OH + OH− → Si − O− + H2O (2)

En primer lugar el grupo silanol reacciona con el OH-, y da comoproducto Si-O-, que al reaccionar con el Na +, produce un gel desilicato.

Si − O− + Na+ → gel de silicato(Si − ONa) (3)

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Reacciones álcali-siliceReacciones Simultaneas

Reaccion 2Ataque de los puentes de siloxeno(Si6O3H6) por la soluciónalcalina, lo que provoca una desintegración de la estructura y elpaso de la sílice en solución al estado de iones positivos (H2SiO4).

Si − O − Si + 2OH− → Si − O− +− O − Si + H2O (4)

Para que la reacción además produzca fisuración y expansión serequiere que las cantidades tanto de sílice reactiva como de álcalisdisponibles, sean significativas y que el agua provenga de unafuente externa.

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Equilibrio

Se establece el equilibrio bien porque la reacción se ha completado,bien porque se da el equilibrio físico:

Caso 1: la expansión cesa cuando ya no hay agua disponibleCaso 2: la expansión se estabiliza cuando se reduce toda lasílice disponibleCaso 3: la concentración de metal alcalino o la de iónhidroxilo se reduce a un nivel umbral

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Equilibrio

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Equilibrio

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Equilibrio

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Equilibrio

Figure: EquilibrioRavelo Jove Juan Miguel Problemas del Cemento Portland

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Expansión del gel

Como la expansión causada por la ASR se debe a lastensiones inducidas por el crecimiento del gel al absorber elfluido intersticial, ésta dependerá del volumen deconcentración del gel, de su velocidad de crecimiento y de suspropiedades físicas.Si la velocidad de crecimiento es lenta, las fuerzas internas sedisipan por la migración del gel a través del hormigón,mientras que si la velocidad es relativamente rápida, lasfuerzas internas pueden llegar a un nivel en el que puedenocasionar fisuras y la expansión del hormigón.

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Expansión del gel

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Expansión del gel

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Expansión del gelNiveles

Nivel 1: el gel crece induciendo tensiones internas, pero no se danmicrofisuras.Nivel 2: las tensiones inducidas son lo suficientemente grandespara causar microfisuras en la proximidad de las partículasreactivas, sólo ocurre una expansión insignificanteNivel 3: el gel migra hacia algunas microfisuras y hay un lentofortalecimiento de la fuerzas internasNivel 4: las fuerzas internas inducidas alrededor del gel que llenalas microfisuras son lo suficientemente grandes para causarmicrofisuras extensivas y se pueden producir grandes expansiones

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Figure: Modelos posibles de inducirse fisuras

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Reacción Alcali-Carbonato ACRLa reacción álcali - carbonato se da en hormigones que tienenrocas carbonatadas como áridos. Hay dos clases de reaccionesálcali-carbonato:

En la primera, las rocas carbonatadas reaccionan con losálcalis presentes en los poros del hormigón produciendoexpansiones y fisuraciones nocivas,En la segunda, las zonas periféricas de las partículas de áridoen contacto con la pasta de cemento, se modifican,desarrollándose bordes sobresalientes entre la partícula y lapasta alterada que la rodea. (No nocivo)

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Desdolomitación

Es la reacción del carbonato cálcico y magnésico con una soluciónalcalina dando como producto la brucita y la regeneración dehidróxido alcalino según las siguientes reacciones:

Reacciones

CaMg(CO3)2 + 2NaOH → Mg(OH)2 + CaCO3 + Na2CO3 (5)

CaMg(CO3)2+2NaOH+5H2O → CaNa2(CO3)25H2O+Mg(OH)2(6)

Regeneración del ión álcali (por ejemplo, NaOH):

Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2NaOH + CaCO3 (7)

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Desdolomitación

Al formarse Mg (OH) 2, que es un producto relativamenteinsoluble, se produce un debilitamiento de la unión pastacemento y una zona porosa alrededor del árido con lo que elagua puede penetrar fácilmente.La regeneración del ión álcali en solución hace que ladesdolomitización sea un proceso continuo que puede afectara grandes cantidades de árido.Se proponen una reacción de desdolomitización en la que nointervienen los cationes alcalinos.

CaMg(CO3)2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 (8)

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Desdolomitación

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Desdolomitación

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Factores que afectan a la ReacciónAlcalinidad

El aumento de la alcalinidad provoca un aumento en lavelocidad de la reacción.A temperatura ambiente, se produce una ligera disminuciónde la velocidad de la reacción con el aumento de la alcalinidadmientras que a 75oC , la cinética de la reacción aumenta amedida que lo hace la alcalinidad.

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Factores que afectan a la ReacciónAlcalinidad

El aumento de la alcalinidad provoca un aumento en lavelocidad de la reacción.A temperatura ambiente, se produce una ligera disminuciónde la velocidad de la reacción con el aumento de la alcalinidadmientras que a 75oC , la cinética de la reacción aumenta amedida que lo hace la alcalinidad.

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Factores que afectan a la ReacciónTamaño del Árido

Rodeadas de una interfase porosa y flexible, las partículas máspequeñas contribuyen menos a la expansión del hormigón quelos áridos más grandes.Si la porosidad de la interfase se reduce, se produce el efectocontrario.La fisuración y expansión se dan únicamente en las calizasdolomíticas arcillosas.El mayor potencial expansivo de los áridos se produce cuandola relación calcita - dolomita es de 1:1.

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MecanismoGeneral

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Ataque SulfáticoConcentración de Sulfatos

Expansión del hormigón por cristalización de sales complejas, quetiene origen en dos reacciones químicas:

Reacción con el aluminato tricálcico hidratado para formaretringita que causa la expansión del hormigón. El hormigónfisura, provocando disgregación final del material al penetrarel agua fácilmente.La formación de yeso como resultado de las reacciones deintercambio de cationes también puede producir expansiones(aumento de volumen del 125%), aunque el deterioro delhormigón por formación de yeso se debe a un proceso quesupone una reducción de la resistencia y rigidez, seguido deexpansión y fisuración y la transformación del material en unamasa sin cohesión.

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Ataque SulfáticoFuente de iones Sulfato

Según el sulfato con que nos encontremos, se dará una u otrareacción:Sulfato cálcico: reacciona con el aluminato de de calcio hidratadoy se origina etringita:3(CaSO42H2O) + 3CaOAl2O36H2O + 19H2O →3CaOAl2O33CaSO431H2OSulfato de sodio reacciona con la portlandita dando yesosecundario:Ca(OH)2 + Na2SO410H2O → CaSO42H2O + 2NaOH + 8H2O

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También se produce la reacción con aluminato tricálcico hidratado,con formación de etringita:3(Na2SO410H2O) + 3CaOAl2O312H2O →3CaOAl2O33CaSO431H2O + 2Al(OH)3 + 6NaOH + 17H2OSulfato de magnesio: reacciona con la portlandita dandohidróxido de magnesio (que forma una capa protectora delhormigón) y yeso secundario, para formar a continuación etringita:Ca(OH)2 + MgSO4 + 2H2O → CaSO42H2O + Mg(OH)23(CaSO42H2O) + 3CaOAl2O36H2O + 19H2O →3CaOAl2O33CaSO431H2O

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En el ataque por sulfato de sodio, el hidróxido de sodio resultantegarantiza el mantenimiento de una alta alcalinidad en el material,lo que es esencial para la estabilidad de los compuestos de silicatohidratados. En cambio, el ataque del sulfato de magnesio esrelativamente insoluble y poco alcalino, reduciendo la estabilidadde los compuestos de silicato hidratados y permitiendo quecontinúe el ataque por la solución ácida:3MgSO4 + 3CaOSiO23H2O + 8H2O →3(CaSO42H2O) + 3Mg(OH)2 + 2SiO22H2O

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En este caso, se trata de una reacción del segundo tipo: se originaun deterioro en la cohesión de los productos de hidratación de lapasta del cemento. Asimismo, el agua que contiene eseminentemente agresiva dado que la solubilidad de esta sal es muyelevada.Sulfuro de Hierro Oxidación de los sulfuros:

Pirita y/o pirrotina + O2 + H2O → FeSO4 + H2SO4

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Ataque por SulfátosFeSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O → CaSO42H2O + Fe(OH)2H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO42H2O3(CaSO42H2O) + 3CaOAl2O36H2O + 19H2O →3CaOAl2O33CaSO431H2OLa expansión producida por la reacción de oxidación supone tansolo un 13% de la expansión total. Si el ataque sulfático se da enpresencia de carbonatos bajo condiciones de elevada humedad ytemperaturas de entre 0 y 10oC , y el contenido de Al2O3 de losaluminatos iniciales del cemento está entre 0,4 y 1,0%, puedeformarse CaSiO3CaCO3CaSO415H2O (thaumasita), conconsecuencias peores que la formación de etringita, porque ataca alsilicato cálcico hidratado, lo que puede desintegrar completamenteel hormigón endurecido.

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SiO2 + (OH)2Ca + H2O → gelSCH (10)

Donde el SiO2 lo aporta la puzolana y el (OH)2Ca es elsubproducto generado durante la hidratación primaria. Podráobservarse que durante la hidratación de las puzolanas no haygeneración de (OH)2Ca por lo cual es de esperar que los cementosu hormigones que poseen estas adiciones presenten mayorresistencia final y durabilidad que los elaborados con cementos“puros” ya que el (OH)2Ca tiene muy baja resistencia estructural.

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