Influencia de aditivos aceleradores en la reactividad de cementos modelo con adición de vidrios de aluminosilicato

Zusammenfassung

La sustitución parcial del cemento por adiciones minerales es actualmente una de las estrategias más eficaces para reducir la huella de carbono del cemento y hormigón. Sin embargo, en los últimos 15 años, el nivel de sustitución del clínker por adiciones minerales se ha estancado en el 20 - 25 %. Una de las principales limitaciones existentes para alcanzar mayores niveles de substitución es la lenta reactividad de las adiciones minerales, lo que puede comprometer las resistencias mecánicas iniciales de hormigones preparados con cementos con bajos contenidos en clínker. Es conocido que, el uso de aditivos aceleradores incrementa la reactividad inicial del cemento Pórtland, aunque todavía existe un conocimiento insuficiente en torno a sus mecanismos de actuación y cómo afectan a la evolución de los productos de reacción y microestructura, sobre todo en el caso de cementos que contienen adiciones minerales. Asimismo, es necesario identificar activadores más efectivos de la reactividad de dichas adiciones minerales, lo que permitirá incrementar los niveles de sustitución de clínker y disminuir el impacto medioambiental del cemento y hormigón. Para ello, es esencial desarrollar nuevas metodologías que permitan monitorizar el impacto de los aditivos aceleradores sobre las distintas fases que componen los cementos con adiciones minerales. Por lo tanto, el objetivo general de la presente Tesis es determinar la influencia de aditivos aceleradores sobre la cinética de reacción, mineralogía y microestructura de los diferentes componentes de cementos con adiciones minerales, con el fin de esclarecer sus principales mecanismos de actuación e identificar aditivos aceleradores efectivos. Estas investigaciones se han realizado sobre fases sintéticas modelo de cemento Pórtland y adiciones minerales para obtener composiciones más controladas y menos complejas que la de los sistemas reales, y así adquirir un mayor conocimiento de los procesos y mecanismos involucrados. En concreto, se sintetizaron las siguientes fases: (a) C3S, (b) cemento modelo basado en 85% en peso de C3S, 15% en peso de C3A mezclado con 5,5% de sulfato cálcico hemihidrato y (c) dos vidrios de aluminosilicato con una composición química similar a la escoria de alto horno y las cenizas volantes ricas en calcio. Para alcanzar este objetivo general, primero se ha profundizado en el conocimiento de la influencia de aditivos aceleradores de diferente composición química (Na2S2O3, NaSCN, DEIPA y TIPA) sobre la reactividad, mineralogía y microestructura de las pastas de C3S y cemento modelo. Dichos estudios han concluido que las sales alcalinas, Na2S2O3 y NaSCN, actúan principalmente incrementando la reactividad de la fase C3S y no afectan significativamente a la fase C3A, pero mientras ambos aditivos incrementan la reactividad de las pastas de C3S durante 7 días de hidratación, solo aumentan la reactividad de las pastas de cemento modelo durante las primeras 20 h. Dichas sales alcalinas modifican la morfología del C-S-H. La adición de Na2S2O3 induce la formación de agujas de C-S-H convergentes y más gruesas en comparación con las correspondientes pastas sin aditivar, mientras que se forma una mayor cantidad de agujas de C-S-H más finas en presencia de NaSCN. Con respecto a la influencia de las alcanolaminas terciarias estudiadas, DEIPA retrasa la reactividad inicial del C3S pero no afecta a la reactividad del C3A. Además, DEIPA disminuye la cantidad de portlandita formada en las pastas de C3S e induce la formación de un C-S-H con una menor cantidad de agua y una mayor relación Ca/Si que las pastas de C3S sin aditivar. Por otro lado, la incorporación de TIPA a las pastas de C3S y cemento modelo no afecta a su reactividad. Finalmente, los estudios de BSEM-EDX han concluido que todos los aditivos estudiados, promueven un mayor entremezclado de portlandita y C-S-H, y de AFm y C-S-H, en las pastas de C3S y de cemento modelo, respectivamente. Posteriormente, se ha investigado el efecto de aditivos aceleradores sobre la disolución de las adiciones minerales basadas en aluminosilicatos, así como sobre la naturaleza de los productos de reacción. Los ensayos de disolución han demostrado que el efecto de los aditivos aceleradores sobre la disolución del vidrio depende del pH de la disolución alcalina y de la estructura del vidrio. En concreto, a pH = 13, los aditivos aceleradores estudiados inhiben la disolución del vidrio sintético con composición similar a las escorias vítrea de alto horno, mientras que aumentan la disolución del vidrio de composición similar a las cenizas volantes ricas en Ca. Na2S2O3 ha sido identificado como el acelerador más eficaz de la reactividad del vidrio con una composición similar a escorias de alto horno en NaOH 1 M (pH = 13,8). En todas las pastas de dicho vidrio mezcladas con NaOH 1 M, C-(N)-A-S-H es el principal producto de reacción, pero mientras que la presencia de Na2S2O3 induce la formación de S(II)-AFm, en las pastas sin aditivar se forman monocarboaluminato y strätlingita. La mayor cantidad de AFm formada en presencia de Na2S2O3 aumentaría la insaturación de la fase acuosa con respecto a los aluminatos e induciría la mayor disolución del vidrio. Finalmente, se han investigado los mecanismos de actuación del Na2S2O3 en mezclas de 50% en peso C3S y 50% en peso vidrio de aluminosilicato, al ser el aditivo que induce los mayores incrementos de la reactividad de las fases que la componen. Para ello, se ha aplicado una nueva metodología para monitorizar mediante 29Si y 27Al RMN MAS, de forma simultánea e "in-situ", la reactividad del C3S y del vidrio en las pastas binarias. Dicho estudio se realizó sobre pastas en las que las fases están marcadas isotópicamente en 29Si de forma selectiva. Los resultados han concluido que C3S es la fase que principalmente reacciona durante las primeras 24 h y la incorporación del 3% en peso de Na2S2O3 incrementa un 36 % el grado de reacción del C3S, con respecto a las mismas pastas sin aditivar. Por el contrario, el vidrio principalmente reacciona a partir de 24 h y la adición del 3% en peso de Na2S2O3 incrementa un 90 % y 21 % la reactividad del vidrio después de 1 y 120 días de hidratación. Así mismo, los resultados han concluido que este aditivo inhibe la formación de C-A-S-H, procedente de la reacción del vidrio, y promueve la precipitación de S(II)-AFm. La precipitación de la fase S(II)-AFm disminuiría la concentración de Al en la fase acuosa e induciría una mayor disolución del vidrio. Adicionalmente, la disminución de aluminatos en la fase acuosa, disminuiría la pasivación que éstos ejercen sobre la disolución del C3S, con el consecuente efecto positivo sobre su reactividad.