Hormigón de bajo impacto ambiental elaborado con materiales activados alcalinamente para su uso en firmes compactados con rodillo

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE EDIFICACIÓN PROYECTO FIN DE GRADO HORMIGÓN DE BAJO IMPACTO AMBIENTAL ELABORADO CON MATERIALES ACTIVADOS ALCALINAMENTE PARA SU USO EN FIRMES COMPACTADOS CON RODILLO. AUTORA: PAULA IBORRA BOSCH DIRECTORES: LUIS MIGUEL ORDOÑEZ BELLOC LUIS VICENTE GARCIA BALLESTER JOSÉ RAMÓN ALBIOL IBÁÑEZ VALENCIA, JUNIO 2011 Los resultados que se exponen en el presente trabajo son fruto de los trabajos de investigación realizados en el marco del Proyecto CLEAM, subvencionado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) dentro del programa CENIT. Dichos resultados son, pues, propiedad exclusiva de las empresas que promueven/promovieron dicho proyecto y que constituyen la Agrupación de Interés Económico CLEAM-CENIT, A.I.E. DIRECTORES ACADÉMICOS; - Luis Vicente García Ballester Profesor titular en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería en Edificación, en la Universidad Politécnica de Valencia Departamento de Construcciones Arquitectónicas - José Ramón Albiol Ibáñez Profesor titular en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería en Edificación, en la Universidad Politécnica de Valencia Departamento de Construcciones Arquitectónicas TUTOR DE LA EMPRESA; - Luis Miguel Ordoñez Belloc Coordinador de la División de Cementos, Morteros y Hormigones. Unidad Técnica de Investigación de Materiales Empresa: AIDICO, Instituto Tecnológico de la Construcción. Para mis abuelos, en especial a Paco. ÍNDICE Índice II ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2 1.1. Aspectos generales del hormigón. 2 1.2. Aplicación del hormigón en firmes y carreteras. 3 1.3. Exigencias al hormigón compactado con rodillo. 5 1.4. Sostenibilidad del hormigón. 14 1.5. Hormigones sostenibles con materiales hidráulicos activados alcalinamente. 15 1.5.1. Desarrollo histórico y hormigones obtenidos por activación alcalina. 15 1.5.2. Aspectos químicos. 15 1.5.3. Aplicaciones y especificaciones. 19 1.5.4. Ventajas e inconvenientes de este material. 19 1.5.5. Normativa y especificaciones para cementos y hormigones activados alcalinamente y sus productos. 20 2. OBJETIVOS DEL PFC 23 3. MATERIAS PRIMAS 25 3.1. Activadores alcalinos. 25 3.1.1. Hidróxido sódico. 26 3.1.2. Carbonato sódico. 26 3.1.3. Silicato sódico. 27 3.2. Escorias de alto horno. 27 3.2.1. Composición química de las escorias de alto horno. 28 Índice III 3.2.2. Clasificación de las escorias de alto horno 29. 3.2.3. Influencia de las escorias de alto horno sobre las propiedades del hormigón. 31 3.3. Cenizas volantes 31 3.3.1. Composición química de las CV. 32 3.3.2. Clasificación de las CV. 33 3.3.3. Influencia de las CV sobre las propiedades del hormigón. 34 3.4. Filler calizo 34 3.4.1. Influencia del filler calizo sobre las propiedades del hormigón. 34 3.5. Áridos 35 3.6. Agua 37 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 39 4.1. Diseño del hormigón compactado con rodillo. 39 4.1.1. Dosificación de los áridos. 40 4.1.2. Preparación del activador. 40 4.1.3. Tecnología del mezclado. 40 4.1.4. Condición de curado de las probetas. 41 4.1.5. Ensayo de consistencia. 41 4.1.6. Compactación de las probetas. 42 4.1.7. Ensayo Resistencia a compresión. 43 4.1.8. Ensayo Vibro-compresión. 45 4.1.9. Ensayo CBR (California Bearing Ratio). 45 Índice IV 4.1.10. Retracción del hormigón en estado fresco y Endurecido 45 4.2. Características del hormigón compactado aplicadas en losetas, mediante la compactación con rodillo. 46 4.2.1. Ensayo flexo-tracción 46 4.2.2. Obtención de testigos 48 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 51 5.1. Dosificación 51 5.2. Compactación “Apisonado proctor modificado” 53 5.3. Resistencia a compresión 54 5.4. Resistencia a flexo-tracción 54 5.5. Resistencias testigos 57 5.6. Ensayo CBR 59 5.7. Evolución de la retracción 60 6. CONCLUSIONES 63 7. BIBLIOGRAFÍA 65 1. INTRODUCCIÓN Introducción 8 de manera tal que no ceda al ser compactado y provoque una compactación deficiente de las capas inferiores del hormigón, que son las que tienen la misión resistente mayor. Sobre la base aprobada se realizará, antes del volcado del hormigón, un riego con agua, utilizando camión regador, especialmente si la base está constituida por material drenante. La distribución del hormigón puede realizarse desde la forma más elemental que consiste en el empleo de motoniveladora hasta la más avanzada con terminadora. La distribución se realiza por carriles, de acuerdo con el ancho que permite al equipo, siempre se tratará de terminar en una línea para todos los carriles a objeto de formar una sola junta transversal de construcción. Se trabajará con un espesor inicial, de manera que una vez compactado el material, se logre el espesor exigido. En esta etapa es conveniente disponer de un equipo para riego con agua por pulverización, por si se produjera el secamiento de la superficie. o Compactación; el HCR se compacta en una sola capa, para lo cual se emplean los mismos equipos que se utilizan en la compactación del concreto asfáltico. Ellos son:  rodillo liso vibrante, convenientemente con carga estática igual o mayor a 30 kg/cm de generatriz, con tracción en el rodillo vibrante. Es el que provee la compactación al HCR, que permitirá una pronta capacidad portante al tránsito, junto a una excelente resistencia mecánica a la tracción en la fase del endurecimiento.  rodillo neumático, a emplearse con una carga de 3000 kg por rueda y presión de inflado mayor o igual a 8 kg/cm2. Es el que provee el “amasado y terminación superficial” que el rodillo liso vibratorio no puede lograr. Se comienza con el rodillo estático y luego se trabaja vibrando con el número de pasadas (trayecto de ida y vuelta del rodillo) suficientes para lograr la densidad especificada. Ésta debe ser igual o mayor al 97% de la densidad máxima obtenida para la mezcla. No hay un número fijo de pasadas de rodillo liso ni del rodillo neumático; debe realizarse una experiencia previa a la obra, en un tramo elegido expresamente donde se verifique el número de pasadas necesarias, que puede variar entre 10 a 20; pero como queda indicado, todo depende de las características de la base, del material y del equipo disponible, del espesor y del clima. Introducción 9 Finalmente se pasa el rodillo neumático (10 a 12 pasadas) cuya misión es mejorar la terminación de la losa borrando las pequeñas deficiencias que pueden quedar luego del paso del rodillo liso y borrar o corregir las fisuras superficiales. También para esta etapa es necesario disponer de un equipo para regar agua por aspersión por si fuera necesario, de manera de poder mantener la humedad óptima, asegurando que la superficie permanezca húmeda, pero sin formar charcos. Esto debe realizarse especialmente en días de verano y ventosos. La compactación de los bordes es un punto importante. En el caso de los bordes laterales, de ser posible, se utilizan unos cordones (caso de los pavimentos urbanos), pues resultará tanto mejor la compactación. Pero, en el caso de que no tenga cordones, lo que hay que hacer es extender previamente el material de la banquina y ejecutar una primera pasada. Ya con el material de la banquina, y antes de la compactación, se efectúa una primera pasada con el rodillo a caballo de la banquina y el hormigón seco, y una segunda pasada también similar sobre el hormigón seco. Luego se prosigue la compactación normalmente, pero siempre disponiendo una contención lateral al borde para evitar la descompactación del mismo. Si se trabaja por carriles hay que dejar sin compactar una tira longitudinal central de aproximadamente 40 cm de ancho que actúa de contención, luego al compactar el segundo carril se compactará esta tira. Para la contención lateral se trabaja en igual forma realizándose la compactación de la tira junto con el material de banquinas. o Curado Se realiza inmediatamente después de terminada la compactación, con el objetivo de evitar las pérdidas de humedad y lograr que el conglomerante pueda desarrollar las reacciones que conducen al fraguado (hidratación del cemento). Se aconseja emplear emulsión asfáltica aniónica distribuida con camión regador sin transitar por el HCR. Si se va a liberar al tránsito, lo que puede hacerse no bien rompa la emulsión, es un riego con arena, 8 en un espesor de 2 - 6 mm aproximadamente, en una proporción del orden de unos 4 a 7 litros/m2, para evitar que el asfalto sea levantado por las ruedas de los vehículos. En el caso de que el HCR no vaya a librarse inmediatamente al tránsito, se han desarrollado algunos productos de curado especial en base a polímeros que, al mismo tiempo que impiden la evaporación del agua, se ha comprobado que reaccionan con la capa superficial (algunos mm) del material puesto en obra, dando así una superficie más resistente. Introducción 10 o Juntas Si el pavimento de HCR va a ser cubierto con una capa asfáltica no se marcará ningún tipo de junta, salvo la transversal de construcción de fin de jornada o alguna exigida por paralizaciones del equipo distribuidor por tiempo superior al período de trabajabilidad. La junta transversal de construcción se cortará de manera tal que sus paredes queden perfectamente verticales, a una profundidad de 1/5 del espesor. Una práctica usual en Francia, para lograr este propósito es la siguiente: como se trata de una junta de final del día, lo que hacen primero es extender una cuña de hormigón seco para facilitar la salida de los equipos de compactación. Después con una motoniveladora cortan un poco de este hormigón seco y rellenan el espacio adyacente con grava. Estas motoniveladoras dejan los bordes verticales, compactan y al día siguiente, antes de iniciar los trabajos, retiran esta grava sin tratar y la cuña de hormigón seco. Si el pavimento de HCR no va a ser cubierto, podrá disponerse al corte de juntas transversales de contracción, entre 12 m y 15 m de separación, por los sistemas tradicionales, o permitir que se produzcan libremente sin corte previo. Si se trabaja por carriles, para evitar la formación de juntas longitudinales en la unión de dos carriles contiguos, se dejará sin compactar, en el primer carril, un cordón longitudinal central con un ancho del orden de los 40 cm, el cual se compactará al ejecutar el segundo carril. - Sección de ensayo; Antes de iniciarse los trabajos se debe construir una sección de ensayo, con ancho y espesor igual al de la calzada a pavimentar, y una superficie equivalente al menos a medio día de trabajo. En ella se probará el equipo y se determinará el plan de compactación, de forma tal que se consigan los siguientes grados de compactación: o Densidad media de la capa, mayor o igual que el noventa y siete por ciento (97%) de la Densidad máxima obtenida en Laboratorio. o Densidad media en el fondo de la capa, mayor o igual que el noventa y cinco por ciento (95%) de la Densidad máxima obtenido en Laboratorio. o Valores de medidas individuales de densidad media y densidad en el fondo superiores al noventa y cinco por ciento (95%) y noventa y tres por ciento (93%) respectivamente. Esta sección de ensayo servirá igualmente para determinar el espesor con que será distribuido el material, de manera de lograr una vez compactada correctamente, el espesor exigido para la estructura definitiva. Introducción 11 Se tomarán muestras de HCR y se analizarán para determinar su conformidad con las condiciones especificadas sobre humedad, porcentaje de cemento, resistencia a tracción por compresión diametral y demás requisitos exigidos. Si los resultados no son satisfactorios se procederá a la realización de sucesivos tramos de ensayo, introduciendo las oportunas variaciones en planta, en equipos y métodos de trabajo hasta obtener la calidad exigida. - Controles de calidad; La finalidad de estos controles es verificar la buena ejecución de la obra, detectando realizaciones defectuosas. Se los clasifica en dos categorías: Controles en planta y controles en obra. o Controles en planta Además del correcto calibrado de la planta, sea ésta por pesada o por volumen, y de los controles específicos para cada material acoplado, es importante el control de granulometría de la mezcla. Para ello se tomará material mezclado seco, antes del ingreso del agua, y se determinará su granulometría para compararla con la mezcla granulométrica tipo, realizando las correcciones que corresponden si fuera necesario. El porcentaje de humedad de la mezcla debe también controlarse en planta, retirando material del camión cargado para su transporte a obra. La periodicidad de estos dos controles depende del ritmo de avance de la obra, pero en condiciones normales la granulometría debe verificarse tres veces al día, por la mañana, al mediodía y por la tarde. En el caso del porcentaje de humedad, dada la alta sensibilidad del HCR a las variaciones del agua, es conveniente un control estricto. Puede realizarse, por ejemplo, cada hora de trabajo; este intervalo de tiempo variará según la normalidad que se verifique en los valores obtenidos, también debe atenderse a las condiciones climáticas en que se está desenvolviendo la obra. Debe tenerse en cuenta que del mismo camión que se retiró material para analizar, se volverá a retirar una vez que éste llegue a la obra, para determinar un nuevo porcentaje de humedad que permitirá valorar las pérdidas que pudieran ocurrir durante el trayecto de la planta a la obra. Introducción 12 Se moldearán probetas con material extraído en planta, para luego de curadas, ensayarlas a rotura a tracción por compresión diametral (con edades de 7 y 28 días), lo que permitirá verificar la calidad estructural de la mezcla. Queda sobreentendido que todas estas operaciones de control deben realizarse empleando la misma metodología que fue usada en la etapa inicial de evaluación y diseño. o Controles en obra Como se expresara anteriormente, se hará con material del mismo camión de donde se extrajo para igual control en planta. El control de compactación se realizará, siempre que sea posible, utilizando registradores gráficos continuos instalados en los equipos de compactación, que permitan controlar la velocidad de avance, la frecuencia de vibración, el tiempo de trabajo y la distancia recorrida. El control de la densificación y del porcentaje de humedad durante la compactación con rodillo se realiza por intermedio de núcleos densímetros, los que permiten medir densidad húmeda y seca del material y el porcentaje de humedad, control que se puede realizar a distintas profundidades dentro del espesor de la capa. El control de densidad de efectuará como mínimo cada 100 metros cuadrados sobre el material compactado en el día, verificando que se cumplan las exigencias indicadas para la sección de ensayo. En el caso del control de la humedad, se efectuarán todos los días un mínimo de cinco determinaciones en correspondencia con las efectuadas en el control de producción. Se acostumbra controlar también la densidad por el método de la arena, para efectuar las comparaciones de valores obtenidos. A título indicativo se puede decir que con un descenso del 5% en la densidad, la resistencia desciende en un 25%, y con un descenso del 3%, es decir, si se está en un 97% de densidad, el descenso de resistencia es del 15%, con lo cual también hay que controlar cuidadosamente la compactación obtenida en obra, sobre todo en el caso de carreteras importantes. El control de espesores debe realizarse cada diez metros de longitud, sobre el material sin compactar o con una previa precompactación parcial, mediante un clavo provisto de escala o tope indicador. Se deberá tener en cuenta la disminución que sufrirá la capa debido a la compactación, que fue determinada en la sección de ensayo. Este Introducción 13 control se realiza desde la máquina distribuidora, a medida que ésta avanza, de manera que cualquier error pueda corregirse inmediatamente. Posteriormente se extraerán testigos con máquina caladora, de 15 cm de diámetro, aproximadamente cada 50 m, en forma alternada para cada carril. Este espesor no debe ser en ningún punto inferior en más de 15 mm al fijado. Los orificios producidos en la losa de HCR por la extracción de testigos serán rellenados con hormigón de igual calidad que el utilizado para la losa, el que será correctamente compactado y enrasado. Además, con estas probetas se deben realizar ensayos a tracción por compresión diametral, para determinar las resistencias a flexión (edad: 28, 60, 90 días), las cuales deben resultar iguales o mayores que las especificaciones para las edades de ensayo. La resistencia a tracción por compresión diametral a 28 días no debe ser inferior a 2,8 Mpa para rutas de tránsito medio, y a 3,3 Mpa para rutas de tránsito pesado. El control de curado consiste en controlar que la superficie de HCR se encuentra saturada de humedad antes del riego con el producto de curado, a los efectos de que éste no penetre en el hormigón terminado. El control de regularidad superficial varía según la terminación que se le dé al HCR. Si la capa de rodamiento consiste en un tratamiento superficial tipo doble, la superficie terminada de HCR no deberá presentar diferencias de más de 5 mm respecto a una regla de 3 m apoyada sobre la superficie en cualquier dirección, y si consiste en una capa de concreto asfáltico en caliente, la superficie terminada de HCR no deberá presentar diferencias de más de 10 mm determinadas en la misma forma. Las zonas en que no se cumplan las tolerancias antedichas, o que retengan agua sobre su superficie deberán corregirse de acuerdo con lo siguiente: o El perfilado y recompactación de la zona alterada sólo podrá hacerse si se está dentro del tiempo de trabajabilidad del material. o o Si se hubiera excedido dicho plazo, se reconstruirá totalmente la zona afectada. Se exceptúa el caso en que el incumplimiento de las anteriores tolerancias sea debido únicamente a la existencia de puntos altos, los cuales entonces podrán ser eliminados empleando equipos con elementos abrasivos o Si la rasante de HCR queda por debajo de la teórica en más de las tolerancias admitidas, se reconstruirá la zona afectada, o se incrementará el espesor de la capa inmediatamente superior. Introducción 14 1.4. Sostenibilidad del hormigón. Desarrollo Sostenible es aquel que satisface las necesidades actuales sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades [5]. La Construcción Sostenible puede entenderse como el desarrollo de la Construcción tradicional pero con una responsabilidad considerable con el Medio Ambiente por todas las partes y participantes. Este hecho implica un interés creciente en todas las etapas de la construcción, considerando las diferentes alternativas en el proceso, en favor de la minimización del agotamiento de los recursos, previniendo la degradación ambiental o los prejuicios, y proporcionando un ambiente saludable, tanto en el interior de los edificios como en su entorno. El proceso de fabricación de los materiales de construcción, así como de los productos de los cuales muchos están formados, ocasiona un impacto ambiental. Este impacto tiene su origen en la extracción de los recursos naturales necesarios para su elaboración, incluyendo el proceso de fabricación y el consumo de energía, que deriva en emisiones tóxicas a la atmósfera. No obstante la industria de la construcción, debido a su alto nivel de producción en términos globales, debe enfrentarse a ciertos problemas de gran trascendencia social: económico-energéticos (uso de combustibles fósiles cada vez más caros y escasos) y ecológicos (1 T. Cemento ≈ 1.5 T Materias primas ≈ 0.8 T. CO2). Así, se estima que entre el 6-7% de las emisiones totales de CO2 a la atmosfera a escala mundial se deben a la industria cementera. Por otro lado, hay que tener presente que los hormigones elaborados hasta el momento, en base cemento Portland presentan algunos problemas de durabilidad (ataque por sulfatos, corrosión de armaduras, reacción árido-álcali, baja resistencia al fuego, etc.) de difícil solución, lo cual hace que un 40-50% del presupuesto de la industria de la construcción este destinado a reparaciones. Todo ello hace que la búsqueda de materiales cementantes alternativos, que disminuyan las emisiones de CO2 a la atmósfera y que además mejoren algunas de las prestaciones ante las cuales se ha visto que el cemento Portland presenta deficiencias, sea este uno de los principales objetivos de la comunidad científica que lleva ya años trabajando en el desarrollo de materiales y tecnologías que permitan avanzar hacia un desarrollo de la industria de la construcción más sostenible. Tal es el caso de los hormigones sostenibles. Introducción 15 Para obtener un hormigón sostenible, no solamente hay que conseguir la sustitución parcial del cemento por materiales activos, sino que también se debería trabajar en el empleo de áridos reciclados, o en el caso de llevar armaduras, se debería investigar en que su proceso de fabricación no fuera tan contaminante. Cierto es si decimos que hasta el momento no se ha logrado conseguir un hormigón totalmente sostenible, es decir, no contaminante. Pero sí se ha conseguido reducir la cantidad de cemento sustituyéndola por adiciones como escorias de alto horno, cenizas volantes o filler calizo obteniendo de este modo un hormigón con correctas características físico-mecánicas y con menor porcentaje materiales con mayor impacto ambiental. 1.5. Hormigones sostenibles con materiales hidráulicos activados alcalinamente. 1.5.1. Desarrollo histórico de los cementos y hormigones obtenidos por activación alcalina. El primer uso de disoluciones alcalinas para la obtención de materiales cementantes que se conoce data de 1930, por el investigador alemán Kuhl, el cual estudió el endurecimiento de cenizas molidas con hidróxido potásico. Posteriormente, A. O. Purdon (1940) [6] midió la reactividad de escorias utilizando hidróxido sódico y potásico e hizo el primer estudio sobre cementos sin clinker a partir de escorias y disoluciones alcalinas (mezclas de hidróxidos y sales alcalinas). En 1957, V. D. Glukhovsky [7] descubrió la posibilidad de obtener materiales cementantes a partir de aluminosilicatos con bajo o ningún contenido en calcio y disoluciones alcalinas. Dicho autor, hizo una importante distinción entre dos tipos de materiales: M2O-Al2O3-SiO2H2O y M2O-MO-Al2O3-SiO2-H2O, basados en la misma tecnología pero con distinta química. En 1981, J. Davidovits [8] produjo materiales cementantes a partir de la activación alcalina de caolín calcinado, caliza y dolomía, obteniendo materiales del primer tipo descrito por Glukhovsky. En 1994, Krivenko [9] comprobó que en medios acuosos suficientemente alcalinos, sales alcalinas, silicatos y aluminosilicatos (de origen natural o artificial) y en ausencia de Calcio, reaccionaban para dar lugar a un material resistente al agua y de naturaleza similar a las zeolitas y micas. 1.5.2. Aspectos químicos A pesar de existir un gran parecido a nivel composicional con los cementos tradicionales, existen diferencias notables a nivel estructural. Los productos de reacción de los cementos Pórtland son silicatos cálcicos hidratados (también Introducción 16 denominados gel CSH) y Portlandita Ca(OH)2, mientras que los cementos obtenidos por activación alcalina, se caracterizan por tener una estructura tridimensional polimérica de tetraedros de Al3+ y Si4+, mayoritariamente amorfa, y en cuyos huecos se sitúan cationes monovalentes (Na+ o K+ principalmente) cuya misión es la de neutralizar la carga negativa asociada a los tetraedros de Al3+. Existen dos tipos en función de la ausencia o presencia (en bajas concentraciones) de Calcio: a) M2O-Al2O3-SiO2-H2O Dicho sistema se caracteriza por su ausencia de Calcio y comúnmente se les conoce por el nombre de Cemento de suelo (V.D. Glukhovsky [7]), geopolímeros (J. Davidovist [8]), geocementos (Krivenko [9]). Se obtienen a partir de la mezcla de aluminosilicatos (sin Calcio) (arcillas, generalmente caolín o metacaolín, o cenizas volantes sin calcio) y disoluciones alcalinas. b) M2O-MO-Al2O3-SiO2-H2O Sistemas que incorporan Calcio en bajas concentraciones en la red tridimensional y suelen denominarse cementos activados alcalinamente y suelen obtenerse a partir de mezclas de aluminosilicatos (con Calcio) (como escorias o cenizas volantes) y disoluciones alcalinas. En ocasiones, si el contenido en Calcio es muy elevado se pueden formar mezclas de estructuras (características de estos sistemas y de los geles CSH). En cuanto a la reacción química que se produce, podría esquematizarse de la siguiente forma [3]: Figura 1. Reacción de activación alcalina de aluminosilicatos Dicha reacción es característica del primer tipo (Geopolímeros) y describe un primer proceso de disolución de los aluminosilicatos en un medio alcalino y con un aporte extra de silicio (que puede ser proporcionado por un silicato). A continuación los monómeros de Si y Al condensan formando unidades discretas de (dímeros, trímeros) también denominados precursores geopoliméricos. Estos van creciendo en número y concentranción, y condensando entre ellos para finalmente dar lugar a estructuras cada vez más complejas a lo largo del espacio. Dicho proceso es tan rápido que no da Introducción 17 tiempo a estas estructuras a organizarse en forma cristalina, dando lugar a estructuras amorfas (partículas acomodadas en forma irregular). Si las condiciones fuesen propicias (en medios acuosos con exceso de álcali y suficiente tiempo) dichas estructuras evolucionarían hacia estructuras zeolíticas. Sin embargo, la estructura amorfa es la que confiere las propiedades mecánicas y de durabilidad características de este tipo de material cementante. A nivel calorimétrico se distinguen tres etapas que podemos denominar como se indica en la figura y que coinciden con lo descrito anteriormente. 1. Etapa de disolución. Fuertemente exotérmica. Debida a la disolución de los aluminosilicatos de partida. 2. Etapa de nucleación. Periodo de inducción, durante el cual no se intercambia calor. Durante la cual se están formando unidades discretas o precursores. 3. Etapa de policondensación. Exotérmica. Se produce la precipitación del material y se forman por condensación de los precursores formados en la etapa anterior, estructuras tridimensionales y amorfas. Figura 2. Proceso calorimétrico de la reacción de activación alcalina. El calor de reacción es dependiente de la concentración de álcali, relación agua/sólido y temperatura. El periodo de inducción y el calor total desprendido en la reacción aumenta con la concentración de activador alcalino y la relación agua/sólido. Por otro lado, el periodo de inducción se acorta al aumentar la temperatura. III. Etapa de policondensación II. Etapa de nucleación I. Etapa de Disolución I II III minutos horas día flujo del calor EXO 3. MATERIAS PRIMAS Materias primas 25 3. MATERIAS PRIMAS Para llevar a cabo este proyecto se ha utilizado, ceniza volante (CV), escorias de alto horno (GGBFS), filler calizo (FC), áridos convencionales de naturaleza caliza y silicia, agua potable y un activador alcalino. El tipo de material y la procedencia se adjunta en la Tabla 1. Tabla 1. Tipología y procedencia de materiales. Material Tipo Procedencia Escoria Granulada Molidad de Altos Hornos (GGBFS) Residuo industrial ORCEM (Holanda) Ceniza Volante Silicea (CV) Residuo industrial Central Térmica Andorra (Teruel) Filler calizo (FC) Adición inerte Omyacarb Clariana S.A. Grava rodada 11/22 Árido Calizo Gravera Castellana Grava rodada 8/12 Grava rodada 4/8 Arena 0/4 Triturada SOINVAL Arena 0/1 Árido Silíceo Áridos Cervera Carbonato sódico Activador alcalino Sigma Aldrich Silicato sódico Hidróxido sódico 3.1. Activadores alcalinos Como activadores alcalinos se puede utilizar cualquier álcali cáustico o sal alcalina. Glukhovsky [10] los clasificó en 6 grupos: - Álcalis cáusticos: MOH - Sales de ácidos débiles (no silicato): M2CO3, M2SO3, M3PO4, MF… - Silicatos: M2O.nSiO2 - Aluminatos: M2O.nAl2O3. - Aluminosilicatos: M2O.Al2O3. (2-6)SiO2 - Sales de ácidos fuertes (no silicatos): M2SO4 De todos ellos los más utilizados por su disponibilidad y por su coste son: NaOH, Na2CO3, Na2O.nSiO2 y Na2SO4. Algunos autores apuntan la utilización de los compuestos de Potasio en lugar de Sodio por tener mejor comportamiento frente al fuego, pero como no es el caso que nos ocupa debido al uso final de los hormigones que se van a desarrollar en este proyecto, nos centaremos en los compuestos de sodio por ser más económicos y encontrarse más disponibles en el mercado. Materias primas 26 En este proyecto se han utilizado como activadores el hidróxido sódico, el carbonato sódico y el silicato sódico. 3.1.1. Hidróxido Sódico Es uno de los reactivos químicos más utilizados en la industria química y se puede encontrar en el mercado en forma líquida, sólida, polvo, lentejas… Este compuesto tiene un punto de fusión de 318 ºC, con una solubilidad de aproximadamente el 53% a 20ºC. Su disolución libera una gran cantidad de calor (proceso exotérmico) por lo que se requieren ciertas precauciones si se prepara una disolución en grandes concentraciones (añadir la sosa sobre el agua (30-40 ºC), lentamente y en agitación continua). También aumenta su viscosidad con la concentración (1.72 cp al 10%, 4.5 cp al 20%) y disminuye ligeramente con la temperatura. Dicho compuesto se ha utilizado para acelerar la reacción de hidratación de los cementos, pero disminuye la resistencia a 7 y 14 días. 3.1.2. Carbonato sódico Consiste en un polvo blanco con un 58% de Na2O (comercial). Su obtención puede ser a partir de fuentes naturales (minerales con distinta proporción) o sintético (el proceso más extendido es el de Solvay). Se encuentra en diversas formas: anhidro e hidratado (con 1, 7 o 10 moléculas de agua). Su solubilidad depende de la temperatura. Se alcanza su solubilidad máxima (33%) a 35.4 ºC. El Na2CO3 anhidro desprende calor al disolverse (más calor cuanto mayor es la concentración), mientras que el hidratado absorbe calor. La densidad disminuye con la temperatura y con la concentración Este compuesto se utiliza como aditivo al cemento convencional. Si la dosificación es baja, actúa como acelerante, y si esta es alta, actúa como retardante. También actúa como activador alcalino de materiales cementantes. Materias primas 27 3.1.3. Silicato sódico Es el nombre genérico de una serie de compuestos con la fórmula Na2O.nSiO2. Dicho valor, n, puede ser variable y en los silicatos comerciales varía entre 1,6 y 3,85. Fuera de este intervalo la disolución no es estable. Dicho producto también se denomina “water glass” y se utiliza como pegamento, cemento, pinturas, detergentes, endurecedor de piedra artificial y natural…. Sin embargo, sus propiedades son muy sensibles a su composición y requieren unas condiciones de almacenamiento adecuadas. Si dichas condiciones no son apropiadas, su aplicación puede afectar considerablemente a las propiedades del producto final. El proceso de fabricación consiste en fundir arena y carbonato sódico a temperaturas 1350-1450 ºC y el vidrio se disuelve en un autoclave a 140-160 ºC bajo condiciones de presión controlada. Teóricamente SiO2 y Na2O se puede combinar en cualquier proporción, sin embargo las comerciales se encuentran entre 1,6 y 3,85. Una proporción superior tiene baja solubilidad y por debajo es muy inestable. El silicato sódico es ampliamente utilizado como un acelerador en hormigones convencionales. También es un efectivo activador alcalino de materiales cementantes. 3.2 Escorias de alto horno. Definición EN 197-1: Las escoria granulada de alto horno (E) se obtiene por enfriamiento rápido de la escoria, residuo de la extracción del hierro, constituida al menos 2/3 de su masa por escoria vítrea y posee propiedades hidráulicas cuando se activa de manera adecuada. (CaO + MgO) / SiO2 ≥ 1 La escoria de alto horno [21] se produce cuando el mineral de hierro se reduce a coke alrededor de los 1350-1550 ºC en los altos hornos. El hierro fundido, es el producto principal de un alto horno y se forma a partir del mineral, mientras que los otros componentes forman una escoria líquida. En su trayecto hacia la parte inferior del horno, la escoria líquida forma una capa por encima del hierro fundido debido a que la escoria tiene una menor densidad. Después de haber sido separada del hierro fundido, la escoria líquida se enfría al aire o con agua y se prepara para su uso posterior. Normalmente, alrededor de 220 a 370 kilogramos de escorias de altos hornos son producidas por tonelada de arrabio. Materias primas 28 La escoria empleada en este proyecto, fue importado de Holanda, procedente de la empresa Orcem B.V. Figura 3. Obtención de la escoria de alto horno. 3.2.1. Composición química de las escorias de alto horno: Como se ha dicho, se generan durante el proceso de obtención del hierro y por ello su composición varía en función del tipo de mena utilizada y la operación del sistema de horno. Por tanto, no existe una composición fija y puede variar considerablemente según su procedencia. Puede ser representada en función del diagrama cuaternario CaO-MgO-Al2O3-SiO2. Está formada por silicoaluminatos ricos en CaO [22], son silicatos y aluminosilicatos de calcio y magnesio, algunos idénticos al C2S y otros similares a los del clínker portland, que poseen propiedades hidráulicas cuando se activan de manera adecuada. Aportan resistencia mecánica a largo plazo; y además dan compuestos hidratados menos vulnerables a los ataques químicos (SO42y Mg2+). La activación de las escorias puede realizarse de tres formas diferentes: activación sulfática, activación alcalina y activación cemento portland (la más habitual). En la tabla 2 y figura 4 se muestran respectivamente la composición química y mineralógica de la muestra original de escoria GGBFS. De acuerdo a los requerimientos establecidos en la norma EN 197, la suma de CaO, MgO y SiO2 (81.8%) es al menos dos tercios del total y la relación (CaO+MgO)/SiO2 es superior a 1 (1.9). Por otro lado, también se cumple el requerimiento de que el contenido de material vítreo es al menos dos tercios de la composición total, tal y como se muestra en el difractograma de la figura 4. Materias primas 29 Tabla 2. Composición química de la escoria GGBFS SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 MnO ZrO2 BaO SrO S2PC 34.7 13.1 0.5 39.3 7.8 0.3 0.5 0.7 0.4 0.1 0.1 0.1 1.2 >0 PC: Pérdida por calcinación Figura 4. Difractograma de la muestra GGBFS Figura 5. Imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido de las muestras de escoria GGBFS 3.2.2. Clasificación de las escorias de alto horno: - Escorias enfriadas. La escoria es producida mediante un enfriado parcial con agua y más tarde aireando el material. Este tipo tiene una mayor forma vidriada a la anterior, alrededor de un 50%. Se suele emplear en el cemento como materia prima. Materias primas 30 - Escorias enfriadas lentamente. Este tipo de enfriamiento produce escorias con un contenido en fase amorfa. Existen varios métodos de enfriamiento. El más ampliamente utilizado en la actualidad es el pelletizado y consiste en enfriar con agua y después arrojarlo dentro de un tambor que gira a 300rp. De esta forma se consigue reducir el consumo de agua por tonelada producida (a 1 m3), la energía de producción y disminuir el porcentaje de humedad. - Escorias enfriadas rápidamente. Dichas escorias tienen un porcentaje de fase cristalina muy importante (95%) y su composición mineralógica depende de su composición química. De todas las fases cristalinas posibles que pueden formarse, tan solo la β-CS2 tiene propiedades hidráulicas, por lo que dicho material no funciona bien como cemento hidráulico pero si como agregado, ya que tiene unas propiedades mecánicas parecidas al basalto. Normalmente, las más empleadas par su uso en hormigones son las escorias granuladas molidas de alto horno (GGBFS, de su denominación en inglés “ground granulated blasfurnace slag”), estas se obtienen de saciar la escoria líquida con gran cantidad de agua para producir granulados como la arena y molidas a polvo fino. En este proyecto se emplearán este último tipo de escorias. - Propiedades de la GGBFS. Los óxidos principales en las GGBFS [16] son la cal (CaO), silicatos (SiO2), alúmina (Al2O3), magnesia (MgO) y otros más en menores cantidades. Mientras que la composición de GGBFS puede variar de un alto horno a otro, la composición de un mismo horno se mantiene constante. Si lo comparamos con la composición típica del clinker, generalmente las GGBFS contienen menor cantidad de cal, y mayor de sílica, alúmina y magnesia que el clinker. La escoria es conocida por tener la propiedad de hidraulicidad latente, esta reacciona con el agua, pero solo a un ritmo tan lento que es normalmente mezclado con otras sustancias llamadas activadores, que pueden acelerar notablemente la reacción de la escoria. Algunos de los activadores se pueden tomar simplemente como catalizadores de la reacción de la escoria, ya que son altamente solubles y difícilmente pueden reaccionar con los óxidos en la escoria para formar productos sólidos. Materias primas 31 En cuanto a la normativa existente para determinar la actividad hidráulica de las escorias, existen dos normas ASTM (American Society for testing and material), la ASTM C 597 donde se determina su actividad en morteros de cemento Pórtland con sustitución parcial de escoria y se compara con morteros de cemento Pórtland, y la ASTM C 1073, donde se obtienen probetas de morteros de 100% de escoria según la norma ASTM C 109 pero sustituyendo el agua por una disolución del 20% de NaOH, lo que da lugar a una relación agua cemento igual a 0.45 en peso. El descubrimiento del potencial hidráulico de las escorias de alto horno molidas (GGBFS) se produjo en Alemania en 1862 por parte de Emil Lancen. Ya en 1865 se produjeron comercialmente escorias activadas alcalinamente con cal, y 1880 cuando se combinaron con cemento portland [23]. En 1945 comenzó a emplearse, en el mercado alemán, como conglomerante debido a una escasez de cemento portland y desapareció a principios de la década 70. Sin embargo, una nueva investigación muestra que este cemento supone una buena oportunidad para reducir las emisiones de CO2 y producir un conglomerante sostenible y ecológico con aplicaciones prácticas. Las escorias de alto horno tienen una composición química y una constitución mineralógica tales que les confieren una hidraulicidad latente, esto es, una capacidad de fraguar y endurecer por sí mismas, sobre todo cuando se someten a un proceso de activación que se puede producir por medio de dos tipos de agentes activadores: los álcalis y los sulfatos. Por tanto, aportan resistencia mecánica a largo plazo; además dan productos de hidratación menos vulnerables a los ataques del agua de mar: sulfatos y aguas magnésicas [24]. 3.2.3. Influencia de las escorias de alto horno sobre las propiedades del hormigón: - Disminuye el calor de hidratación - Aporta resistencia mecánica a largo plazo - No vulnerable frente a ataques químicos (SO42+, Mg2+) - Baja permeabilidad 3.3 La ceniza volante. Las cenizas volantes son los residuos sólidos que se recogen por precipitación electroestática o por captación mecánica de los polvos que acompañan a los gases de Materias primas 32 combustión de los quemadores de centrales termoeléctricas alimentadas por carbones pulverizados [25]. Es decir, es el material incombustible que queda después de la reacción de combustión tal y como se muestra en la siguiente reacción: Combustible + O2 = CO2 + H2O + calor + ceniza Se denomina ceniza volante a cualquier partícula recogida de los gases producidos en los hornos industriales alimentados por combustibles sólidos. Las propiedades de las CV dependen de la naturaleza del combustible, de la velocidad de enfriamiento de la ceniza, y del tamaño, tipo y temperatura del horno. La primera referencia sobre su uso se remonta a los años 30 en EEUU por una parte, y por otra, la primera aplicación a gran escala fue en el año 1948, cuando se usó en la construcción de la presa de Hungry Horse. Desde entonces, su uso fue creciendo de una manera espectacular, hasta llegar a ser la puzolana artificial más empleada en la construcción en las últimas dos décadas. El uso de cenizas volantes [26] como adición del hormigón está ampliamente extendido por dos razones: el ahorro económico que supone la reducción del cemento empleado y los cambios microestructurales motivados por la adición. Sobre este segundo punto existe consenso en considerar que las cenizas generan un hormigón más compacto y una reducción del tamaño medio del poro. En este proyecto, se da una salida a este producto residual cuyo volumen es importante y creciente (2008, 194.421 toneladas de escoria producida) y así facilitar un futuro aprovechamiento, además de reducir su impacto ambiental. El tipo de ceniza volante empleado es el tipo F son clasificadas de este modo por la norma UNE debido a su bajo contenido en calcio y su procedencia de la Central Térmica de Andorra, cuya composición química se presenta en la siguiente tabla. 3.3.1. Composición química de las cenizas volantes: La ceniza volante está formada mayoritariamente por SiO2, Al2O3, Fe2O3, aunque también contiene otros compuestos tales como CaO, MgO, MnO, TiO2… Su pérdida al fuego se produce debido a la descomposición de los carbonatos presentes, a la pérdida de agua combinada presente en el CaO hidratado y en las arcillas residuales, Materias primas 33 a la oxidación se sulfuros y a la combustión de carbón libre (inquemado). Asimismo, la presencia de éste último depende de los siguientes factores: - Velocidad y temperatura de combustión. - Granulometría del carbón (combustible) - Relación entre combustible y comburente - Tipo de carbón El contenido de las cenizas volantes oscila entre 0.5-12%, y es el responsable de absorber los aditivos, aumentar la demanda de agua y de dotar al hormigón de energía. En la tabla 3 se muestra la composición química de la muestra original de las cenizas volantes y en la Figura 6 la micrografía de las cenizas volantes. Tabla 3. Composición química de las Cenizas Volantes SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O 42.7 27.10 19.00 4.99 1.18 0.20 1.39 3.3.2. Clasificación de las cenizas volantes: Las cenizas volantes se pueden clasificar en dos tipos: - Las denominadas clase F, silicoaluminosas o puzolánicas tienen un contenido de óxido de calcio menor del 10%; además de que la suma de óxidos de sílice, de aluminio y de hierro es superior al 70%. • SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 > 70% • CaO < 10% Figura 6. Micrografía de cenizas volantes. Procedimiento experimental 40 4.1.1 Dosificación de los áridos. Los áridos (arenas y gravas) suponen alrededor del 60 al 90% del volumen del hormigón. La selección apropiada del tipo de áridos y su correcta distribución de tamaños afecta directamente a las propiedades del hormigón (trabajabilidad en estado fresco, resistencia mecánica, permeabilidad, durabilidad y coste total), por lo que se trata sin duda de una tarea esencial a la hora de diseñar u optimizar la mezcla de hormigón. Por consiguiente sea cual sea al método escogido, el primer paso para diseñar un hormigón compactado con rodillo, es dosificar de manera adecuada los áridos para obtener el esqueleto granular con el mínimo volumen de huecos, lo que garantiza resistencias más elevadas. 4.1.2 Preparación del activador. Debido a que el hormigón que se va a emplear es un hormigón activado alcalinamente, es necesario preparar el activador previamente al proceso de amasado. Los compuestos empleados para la elaboración del activador han sido los siguientes: - Na2CO3 - Na2SiO3 - NaOH al 50% El proceso de obtención del activador es el siguiente: 1Se pesa en un recipiente la cantidad de Na2CO3 a añadir. 2Se añade al recipiente el agua necesaria para la disolución y se agita hasta homogeneización completa. 3Se cierra el recipiente herméticamente y se deja reposar durante un tiempo. 4Se añade en el recipiente el segundo compuesto, el Na2SiO3. Se agita hasta homogeneización completa. 5Se cierra el recipiente herméticamente y se deja reposar durante un tiempo. 6Se añade en el recipiente el tercer compuesto, el NaOH 50%. Se agita hasta homogeneización completa. 7Finalmente el activador se deja reposar hasta el día siguiente para que se estabilice su temperatura. 4.1.3. Tecnología del mezclado. El proceso de amasado del hormigón empleado en este trabajo fue el siguiente: 1Se vertieron las gravas y las arenas, junto con la adición empleada en la amasadora. 2Se homogeneízan los áridos durante 30 s en seco. Procedimiento experimental 41 3A los 30 s se añade el agua de premojado. 4Se deja amasando hasta los 2 min. 5A los 2 minutos se detuvo y se dejó en reposo durante 2 minutos más. 6Durante el periodo de reposo se mezcló el activador con la escoria en un recipiente aparte, agitándose en todo momento para una correcta homogeneización. 7Finalmente, a los 4 minutos se vertió la mezcla y se amasó hasta los siete minutos. Tabla 7. Proporción de componentes en el Hormigón compactado a rodillo diseñado mediante activación alcalina de residuos Material Con Ceniza Volante (%) HCR-CV Con Filler Calizo (%) HCR-FC Grava 52.0 51.0 Arena 25.0 24.5 Finos (Escoria Granulada Molida de altos Hornos + filler) 14.0 14.2 Activadores 2.9 2.8 Agua 5.5 6.3 4.1.4. Condición de curado de las probetas Una vez desmoldadas las probetas, éstas son marcadas con u código e introducidas en la cámara a temperatura (20ºC) y humedad (99%) constantes. Las probetas se envuelven con film transparente para que no se deterioren por la zona superficial. Así permanecerán en la cámara hasta el momento de su rotura. 4.1.5. Ensayo de consistencia. El ensayo de consistencia del hormigón se ha realizado de acuerdo a las pautas establecidas en la norma UNE 12350-2 2009 “Ensayo de hormigón Fresco, Parte 2: Ensayo de asentamiento”. a) Introducción de masa en tres fracciones. b) Picado de la masa (25 golpes) introducida. c) Retirada del cono. d) Medición de la consistencia. Figura 8.Procedimineto ensayo de consistencia Procedimiento experimental 42 Como los resultados que se deseaban conseguir eran de un cono entre 0-2 y del cono de abrahams no se obtuvieron valores fiables debido a la consistencia de la masa, se realizó una prueba adicional empleando la mesa de sacudidas de este modo el hormigón se asienta y se pueden apreciar valores diferentes. La mesa de sacudidas está formada por dos tablas de madera de un espesor aproximado de 4 cm unidas dos bisagras por uno de sus lados. En la parte opuesta unos ángulos a modo de tope, permiten que cuando se ejecute el ensayo sea siempre de igual manera. El ensayo consiste en realizar el cono de abrahams sobre la superficie de la mesa y una vez producida la retirada del cono, someter el hormigón al asentamiento mediante sacudidas con la mesa. El número de sacudidas debe ser siempre el mismo, normalmente se realiza con 10 y/o 15 golpes. 4.1.6. Compactación de las probetas. La compactación de las probetas de hormigón se ha realizado de acuerdo a las pautas establecidas en la norma NLT-108/98 “Apisonado proctor modificado”. El ensayo consiste en las siguientes fases: 1Pesar y registrar la masa del molde vacío sin collar. 2Determinar la capacidad volumétrica del molde. 3Colocar el molde con su collar sobre la placa base. 4Llenar el molde como se indica: - Colocar una capa de material de aproximadamente un quinto de la altura del molde más el collar. - Compactar la capa con 56 golpes. - Repetir la compactación en 5 capas dejando un exceso de material sobre el borde en la última capa. 5Retirar el collar y enrasar con la regla al nivel del borde del molde. (Véase figura 8b, 8c) 6Pesar el molde con el suelo compactado. Restar el peso del molde para obtener el peso del suelo compactado solo. 7Determinar la densidad húmeda del suelo compactado dividiendo el peso del suelo por el volumen del molde. Las herramientas empleadas en el Ensayo Proctor Modificado son las siguientes: - Moldes: son metálicos y de forma cilíndrica, pueden estar constituidos por una pieza completa o hendida por una generatriz, o por dos piezas semicilíndricas ajustables. Figura 9. Mesa de sacudidas Procedimiento experimental 43 - Collar: cada molde lleva un collar de aproximadamente 60 mm de altura, el cual tiene un rebaje de modo que ajusta firmemente al molde y alas para sujetarlo a la placa base. - Placa base: está constituida por una placa metálica en la que se asegura el molde y el collar, por medio de las alas que éstos tienen, a pernos con tuerca tipo mariposa solidarios a la placa. - Pisón metálico: es un cilindro metálico con una cara circular de 50 mm y con una masa de 4500 g. Está equipado con una guía tubular para controlar la altura de caída a 460 mm. La guía tiene cuatro peforaciones de 10 mm a 20 mm de cada extremo, separadas en 90º. - Balanzas: se usan para pesar las muestras de cada ensayo para calcular el contenido de humedad real. - Regla de acero: se usa para enrasar el suelo al nivel del molde, luego de compactado y extraído el collar. a) Equipo proctor b) Retirada del anillo superior. c) Enrasado de la probeta. Figura 10. Procedimiento compactación proctor. 4.1.7. Ensayo resistencia a compresión. El ensayo de resistencia a compresión se ha realizado de acuerdo a las pautas establecidas en la norma UNE EN 12390-3 2009: “Ensayos de hormigón endurecido, Parte 3: Determinación de la resistencia a compresión de probetas”. El procedimiento empleado para la correcta ejecución del ensayo comienza limpiando los platos de carga de la máquina, debiendo retirarse cualquier resto de gravilla u otro material extraño de las superficies de la probeta que han de estar en contacto con los platos. A continuación se seca la superficie de las probetas a ensayar antes de colocarla en la maquinaria para eliminar el exceso de humedad. Cuando se colocan las probetas se centran respecto al plato inferior con una aproximación de ±1% de la dimensión normalizada del diámetro normalizado de la probeta cilíndrica. En el equipo se selecciona una velocidad de carga constante dentro del rango de 0.6 ± 0.2 MPa/s (N/mm2.s). Se aplica la carga inicial, que no debe exceder de aproximadamente el 30% de la carga de rotura. Después de esto, se aplica la carga a la probeta sin brusquedades y se Procedimiento experimental 44 incrementa continuamente, a la velocidad seleccionada ±10%, hasta que no soporte más carga. Se registra la carga máxima indicada en kN. Una vez producida la rotura de la probeta se analiza que su rotura se encuentre entre las satisfactorias expresadas en la Figura 11, citadas en la norma: Figura 11. Roturas satisfactorias en probetas cilíndricas. Para cada familia de probetas se realizaron dos semiprismas de cada edad de rotura. Se definió como resultado de ensayo la media aritmética de las determinaciones. Para la aceptación del ensayo se tuvo en cuenta lo siguente: si dentro de las probetas ensayadas una de ellas difiere de la media ±10%, se desecha este resultado y se calcula la media de los restantes. Si un nuevo resultado de estas determinaciones difiere en más de un 10%, se desecha esta serie. La resistencia a compresión en N/mm2 se obtiene mediante la siguiente ecuación: Rc= Carga máxima de la resistencia a compresión (N/mm2) Fc= Valor medio de la carga máxima de rotura (N) 1600 = 40mm x 40mm, que corresponde a la superficie de los platos o placas auxiliares (mm2) a) Pulido de probetas. b) Equipo rotura compresión b) Ensayo compresión. Figura 12. Procedimiento ensayo probetas. Procedimiento experimental 45 4.1.8. Ensayo vibro-compresión. Para este ensayo se empleó un equipo diseñado por la propia empresa. Mediante unos moldes de dimensiones reducidas, se encarga simultáneamente de comprimir y vibrar la masa de hormigón. El equipo permite regular tanto los bares de presión como la frecuencia de vibrado, es por ello que se intentó simular la vibro-compresión de un rodillo. El ensayo se realizó en dos tipos de molde, prismático y cúbico. a) Equipo vibrocompresión. b) Funcionamiento. c) Molde cúbico. d) Molde prismático. Figura 13. Procedimiento ensayo vibrocompresión. 4.1.9. Ensayo CBR (California Bearing Ratio). Este ensayo mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo y para poder evaluar la calidad del terreno para subrasante, sub base y base de pavimentos, se ha realizado de acuerdo a las pautas establecidas en la norma UNE 10350-2 1995 “Ensayo para la determinación del índice CBR, en laboratorio.” Figura 14. Equipo ensayo CBR. 4.1.10. Retracción del hormigón en estado fresco y endurecido. La retracción es la disminución del volumen de hormigón durante el proceso de fraguado y endurecimiento del mismo. Principalmente, dicho cambio de volumen se produce bien como consecuencia de que los productos de hidratación poseen un volumen inferior a la suma del volumen de los productos anhidros y del agua inicial, o bien como consecuencia de la evaporación de agua residual presente en el hormigón. Procedimiento experimental 46 Dependiendo de la cantidad de finos, de la cantidad y tipo de cemento, de la relación agua-cemento, del espesor de la solera, de la temperatura y humedad ambiental así como de la velocidad del viento, la retracción puede ser mayor o menor, dando lugar a fisuras e incluso a grietas. Los métodos de cálculo para conocer la retracción se realizan en función del tiempo desde el acabado del hormigonado, y depende básicamente de tres coeficientes: del coeficiente de la humedad ambiental, del coeficiente del espesor de la solera y del coeficiente de la evolución de la retracción en el tiempo. Para conocer el coeficiente de retracción de los hormigones con los que trabajamos, se estudió mediante un equipo específico el comportamiento de tres muestras de morteros. El equipo consta de un molde llamados canales de ensayo de dimensiones 24 x 6 x 4 cm., en el que uno de los laterales es móvil, para que con la ayuda de un pequeño muelle, se obtengan a través de un ordenador la evolución de las retracciones y expansiones del mortero durante los primeros días. Figura 15. Canal de ensayo 4.2. Características del hormigón compactado aplicadas en losetas, mediante la compactación con rodillo. 4.2.1. Ensayo de flexo-tracción. El ensayo se ha realizado de acuerdo a la norma 12390/5 2001 “Resistencia a flexión de probetas”. Procedimiento experimental 47 o Preparación de las probetas; Las probetas de flexión tendrán las siguientes dimensiones: 0.60x0.15x0.15m. Para la obtención de estas probetas, simulando la compactación realizada en obra, se construyó un encofrado de dimensiones 1.00x0.60x0.15 m del cual se extraerán las probetas prismáticas. Tras el vertido del hormigón se valoraron dos posibilidades para simular su compactación en obra; por una parte, compactación mediante martillo compactador neumático, y por otra parte rodillo vibrante. Se valoraría en un futuro que procedimiento sería el más adecuado para compararlo con su real puesta en obra. Una vez compactado se trató con producto filmógeno para un correcto curado y a las 24 horas se desencofró para proceder al corte de las probetas a partir de la loseta. Se conservaron las probetas en cámara a temperatura y humedad constantes, hasta su edad de ensayo. o Realización del ensayo; El equipo empleado es una prensa para ensayos de rotura a flexión de probetas de hormigón de 0.60x0.15x0.15m y fabricada por IBERTEST. Está formado por una caja de mecanismos en cuyo bastidor se apoya el puente inferior de carga, que a su vez es el soporte del usillo elevador. En la parte trasera se aloja el interruptor general, el cable de conexión a la red y el fusible de protección. En el puente superior, que es regulable en altura mediante un sistema de pinzas, se sitúa un rodillo móvil y en la parte inferior dos rodillos, uno móvil y uno fijo. El equipo cumple las especificaciones contenidas en la norma UNE 80-101-89 en lo que refiere a diseño, construcción y prestaciones tales como velocidad de ensayo y carga máxima admisible, precisión de lectura de la carga y forma y dimensiones del dispositivo de flexión de la misma, para la realización del ensayo al que se refiere dicha norma Se coloca el prisma en el dispositivo para rotura a flexo-tracción, con una cara lateral sobre los rodillos soporte y con su eje longitudinal normal a los soportes. Se aplica la carga sobre la cara lateral opuesta del prisma y se incrementa uniformemente hasta su rotura. Para el ensayo de cada familia de probetas se utilizaron tres probetas, obteniéndose como resultado el valor medio de los mismos. El resultado se calcula con la siguiente ecuación: Procedimiento experimental 48 Ff1 , Ff2 , Ff3; carga aplicada en el medio del prisma en la rotura N =3; número de probetas ensayadas Ff = Valor medio de la carga aplicada en el medio del prisma N. Para la aceptación del ensayo tendremos en cuenta lo siguiente: si dentro de las tres determinaciones uno de los resultados difiere de la media ± 10%, se desecha este resultado y se calcula la media de los dos restantes. Si el nuevo resultado difiere de la media en más de un ±10%, se desecha esta serie. La resistencia a flexo-tracción Rf (en N/mm2) se calcula a través de la siguiente ecuación: Rf = Valor medio de la carga aplicada en el medio del prisma. l = Distancia entre soportes (mm) b= 150 ; Lado de la sección cuadrada del prisma (mm) a) Colocación de probeta. b) Rotura a flexo-tracción Figura 16. Ensayo flexotracción 4.2.2 Obtención de testigos. La obtención de testigos se rige por la norma UNE-EN 12504-1 “Ensayo de hormigón en estructuras, Parte 1; Testigos, Extracción, examen y ensayo a compresión.” La maquinaria empleada está provista de un dispositivo de rotación, el cual permite que el cilindro encargado de la perforación del pavimento, tenga mayor facilidad de penetración junto con un movimiento manual de compresión. El motor de rotación está fijado a una barra longitudinal regulable que permite fijar y nivelar la maquinaria para su posterior uso. Cuenta con un nivel incorporado mediante el cual deberá ser nivelado respecto al pavimento del que se extraerán los testigos. Para el uso de la misma es necesaria la conexión de una toma de agua para refrigerar constantemente la zona de fricción. Procedimiento experimental 49 El cilindro extractor, no tiene una dimensión determinada sino que puede cambiarse según la dimensión de los testigos a extraer. En este caso las dimensiones de los testigos fueron de altura 0.15 metros y 0.75 de diámetro. La losa se organizará de forma esquemática por zonas para tener localizadas los testigos obtenidos y poder valorar los resultados según su localización. Para ello se trazará una malla en la que se localizarán los testigos a medida que se van ejecutando. (Véase figura 17b) a) Máquina extracción de testigos b) Tabla localización de testigos. Figura 17. Se realizó una comparación entre testigos conservados en temperatura y humedad controladas en cámara y los testigos expuestos a la agresividad y temperatura ambienta. A continuación mediante la figura 18 se representa el procedimiento de extracción de los testigos. a) Perforación de la loseta b) Obtención testigo c) Disposición testigos Figura 18. Procedimiento extracción de testigos. Resultados y discusión 56 Experimento 2: - El rodillo vibratorio ha mostrado ser más útil y de mayor manejabilidad. - Se consiguió un mejor acabado en la superficie. No obstante se relleno el encofrado por encima de su volumen procediendo a su corte después. - No hubo problemas durante la vibración en el encofrado, demostrándose eficiente enterrar el encofrado a ras de suelo. - Se observó una disminución de la porosidad en comparación con el hormigón obtenido en el experimento 1. - La densidad alcanzada, de 2459 kg/m3 es muy parecida a la obtenida en los ensayos Proctor para el hormigón experimental, de 2450 kg/m3, demostrándose que las pasadas de rodillo realizadas han sido suficientes (10 pasos con vibración). Al igual que antes, las resistencias a flexión servirán como base de comparación para las que se obtengan con el hormigón experimental. Atendiendo a los resultados obtenidos en ambos experimentos, se ha decidido emplear como método de compactación el empleado en el Experimento 2, es decir, mediante el rodillo vibratorio. Si estudiamos los resultados obtenidos tanto en el ensayo de compresión como en el de flexotracción se deduce;  Se han obtenido valores que cumplen con el mínimo exigido por el PG3 tanto para la resistencia a flexión como a compresión  La resistencia a compresión y flexión del HCR-CV fue superior a la obtenida en el HCR-FC (véase Figura 21). La actividad alcalina por la presencia de sílice y alumina en la ceniza volante proporciona productos de hidratación de naturaleza geopolimérica que contribuyen a la disminución de la permeabilidad del hormigón, dando lugar a una microestructura más compacta. Por el contrario, la actividad inerte del filler calizo no contribuye a la mejora de las prestaciones del hormigón. En la figura 22 se muestran 2 imágenes obtenidas por microscopia óptica de dos secciones de lámina delgada con resina fluorescente de los hormigones desarrollados mediante activación alcalina y donde se aprecia que el hormigón con ceniza volante presenta una microestructura mucho más densa (imagen más oscura) que la observada en el hormigón con filler calizo.  El curado realizado al ambiente proporcionó una ligera disminución de resistencia en la mayoría de edades evaluadas, pero siempre por encima de los requerimientos de diseño establecidos. Resultados y discusión 57 Figura 21. Evolución de la resistencia a compresión de los Hormigones Compactado a Rodillo con aglomerantes activados alcalinamente. Figura 22. Imagen de la microestructura mediante microscopia óptica de los hormigones embutidos en resina fluorescente: izquierda: HCR-CV, derecha: HCR-FC. 5.5. Extracción de testigos. Se produjo la extracción de testigos basada en la cuadricula planteada, debido a la complicada ejecución de la actividad se obtuvieron testigos aleatoriamente localizándolos más tarde en la red. El problema surgido fue que al intentar extraer los testigos la maquinaria debía estar fijada o bien a una cimentación o a un tope superior. En el primer caso como los testigos son de varias zonas habría que crear una cimentación diferente para cada zona de la losa, y en el segundo como debe estar fijado a un tope se debe ir posicionando la pieza según de donde se quiera extraer el testigo. Finalmente se realizó de la segunda forma, por ello los testigos no entran exactamente en los recuadros de la red, pero sirve igualmente ya que son de diferentes zonas. Actividad Geopolimérica de la ceniza volante Resultados y discusión 58 Figura 23. Disposición de los testigos En la Tabla 14 se muestran los resultados obtenidos en la resistencia a compresión de los testigos para los dos hormigones. Ambos resultados se encuentran representados en la Figura 24. Resistencia Compresión (MPa) HOC-2-a HOC-1-d Curado Cámara Aire libre Cámara Aire libre Edad (Días) 2 14.5 ± 0.5 -- 9.7 ± 0.9 -- 7 -- -- 30.9 ± 0.8 -- 14 24.2 ± 0.7 -- 40.5 ± 1.5 -- 21 22.3 ± 1.9 -- 43.0 ± 0.0 34.0 ± 0.7 28 26.6 ± 0.6 25.1 ± 1.8 39.4 ± 4.1 19.0 ± 1.2 90 18.2 ± 1.8 -- 51.3 ± 1.3 49.3 ± 0.3 Wk (cm) 2.3 2.0 Fecha Amasado 29/09/2010 03/11/2010 Tabla 14.- Resistencias testigos Figura 24. Evolución resistencia testigos Resultados y discusión 59 En este ensayo se pretendía observar la evolución de la resistencia de los testigos según su localización, teniendo en cuenta la dirección del vertido, y controlando la homogeneidad de la masa. Como resultado se han obtenido valores que cumplen con el mínimo exigido por el PG3, siempre obteniéndose resistencias mayores en la dosificación con cenizas volantes, aunque esta característica se adquiera a largo plazo. 5.6. Ensayo CBR El ensayo se realizó con uno de los moldes compactados mediante Proctor, y se conservó en cámara durante aproximadamente 40 días para realizar las lecturas necesarias. En la Figura 25 se representan los valores obtenidos durante los primeros 30 días. FECHA Día Hormigón con materiales hidraulicos (mm) Hormigón convencional (mm) 23/07/2010 1 15 14 26/07/2010 4 12 13.5 27/07/2010 5 13 13.75 28/07/2010 6 13 13 29/07/2010 7 12.2 13 30/07/2010 8 11.1 13 02/08/2010 11 -5.5 13 03/08/2010 12 -17.9 13 05/08/2010 14 -16.3 13 06/08/2010 15 -18.6 13 10/08/2010 19 -13.8 13 11/08/2010 20 -13.9 13 12/08/2010 21 -13.6 13 31/08/010 40 -14.0 13 01/09/2010 41 -14.0 13 Tabla 15.- Lectura probeta retracción. *Cámara a 20ºC y 99% Humedad; Aire libre, hormigón expuesto al aire libre Figura 25. Comparación de la retracción con hormigón convencional. Resultados y discusión 60 Con los resultados obtenidos, comprobamos que se produce en los primeros 5 días una expansión notable hasta un máximo de 4.99 mm y a partir del mismo empieza la retracción llegando al máximo el día 15. A partir de este momento el hormigón se expande de nuevo hasta estabilizarse en un periodo de 5 días. Por lo tanto se puede deducir que el hormigón desde su vertido hasta su posterior estabilización, tiene un margen de 33 mm y unos 20 días. Hay que tener en cuenta que el ensayo se realiza bajo condiciones controladas por lo tanto durante su puesta en obra, estos datos pueden variar considerablemente, siempre dependiendo de las condiciones climáticas en las que se produzca el vertido. 5.7. Evolución de la retracción. En la figura 2 se muestra la evolución de la retracción; medida desde el comienzo del proceso de 1hidratación, para tres muestras de mortero elaboradas cada una de ellas con Cem I-42.5-N (M-Ref), 30%GGBFS+70%FC (M-FC) y 30%GGBFS+70%CV (M-CV). El mortero de referencia con cemento convencional fue elaborado de acuerdo al proceso y proporciones que se establecen en la norma UNE-EN 196:1, utilizando como árido arena normalizada. Los morteros con aglomerantes activados alcalinamente se elaboraron de igual modo, incorporando los activadores en la misma proporción que la establecida en los hormigones. Una vez amasado el mortero, éste fue emplazado en el interior de un canal de medición. La retracción fue evaluada sobre probetas curadas con y sin parafilm sobre la superficie expuesta al aire, con el fin de evaluar el efecto de la retracción química y la producida por el proceso de secado. El curado y mediciones de la retracción fueron llevados a cabo a 20 2ºC y 655% de Humedad relativa. M-Ref M-CV M-FC Figura 26. Evolución de la retracción química y por secado de morteros con aglomerantes activados alcalinamente y comparación con un mortero elaborado con cemento convencional (Cem I-42.5-N) De los resultados obtenidos de la figura 25 se deduce que:  La retracción química es aproximadamente 5 veces mayor en los aglomerantes activados alcalinamente en comparación con el mortero elaborado con cemento convencional.  La retracción química de los dos aglomerantes activados alcalinamente es similar (≈1mm/m a 5 días de curado) como consecuencia de que el proceso hidráulico está gobernado en dicha Resultados y discusión 61 etapa inicial por la activación de la escoria granulada molida de altos hornos, que se encuentra en la misma proporción en ambos morteros.  La retracción por secado es mayor en el siguiente sentido: M-FC>M-CV>M-Ref. Este específico fenómeno está relacionado por la cantidad de agua presente en el mortero y la accesibilidad a evaporarse.  Los resultados obtenidos ponen de manifiesto la necesidad de tener un elevado cuidado de ejecución en las tareas de curado de los firmes de hormigón elaborados con aglomerantes activados alcalinamente, siendo necesario el uso de filmógenos y cubiertas de plástico, así como la realización de cortes o juntas en el firme, con el fin de crear retículas para eliminar las tensiones de tracción y la posible aparición de fisuras o grietas. 6.CONCLUSIONES Conclusiones 63 6.CONCLUSIONES Los resultados obtenidos en este trabajo ponen de manifiesto aspectos tecnológicos que caben prever la viabilidad de uso de hormigones con aglomerantes activados alcalinamente para en firmes compactados a rodillo. La principal ventaja con respecto a los hormigones convencionales compactados a rodillo es el uso de aglomerantes de menor impacto ambiental, al emplear residuos industriales y materias primas naturales, sin involucrar un proceso de producción altamente energético y con emisiones de gases con efecto invernadero tal y como se produce durante la producción de clinker. Los aglomerantes obtenidos mediante activación alcalina de materiales puede ser una alternativa con respecto a los aglomerantes convencionales en aquellos lugares en los que el análisis de ciclo de vida de los productos que se obtienen a partir de los mismos así lo demuestren. En este sentido, se están desarrollando estudios de durabilidad que permitan responder a las expectativas de vida útil de este tipo de hormigones. En cuanto a las diferencias entre las dosificaciones empleadas; las de ceniza volante alcanzan resistencias a muy largo plazo (40 días), sin embargo con el filler se obtienen resistencias que cumplen las exigencias de la normativa en plazos más cortos. Teniendo en cuenta que la aplicación de este material es para firmes de hormigón, deberemos tener en cuenta que es conveniente una rápida ejecución y posterior uso, es por ello que aunque se alcancen menores resistencias el filler sería el material óptimo. Si hablamos del acabado, el color que otorga el filler al hormigón es un tono muy claro con lo que se puede emplear para agregar al mismo pigmentos de diferentes colores, de este modo aumentar sus posibilidades en el mercado ya que se podrían realizar pavimentos de diferentes colores, según la finalidad que se le otorgue. Las cenizas aunque no sean el material óptimo para carreteras pueden emplearse en aquellas aplicaciones que se precise de una elevada resistencia como para tráfico pesado, grandes transportes, en zonas como puertos, aeropuertos, pantanos…en los que el tiempo de ejecución no es un factor importarte. En el tema económico se ha realizado un breve estudio, calculando los precios por tonelada de hormigón, tanto para mezclas con cemento, como para mezclas en las que como material cementante se ha usado un activador alcalino. El material cementante de hormigones tradicionales (cemento), por cada tonelada que se emplee, según el tipo de cemento puede costar entre 50 y 90 €, por el contrario si empleamos activador alcalino puede llegar a costar 150€ la Tonelada. Si se tiene en cuenta los precios es lógico que de momento ninguna empresa del sector se haya planteado la sostenibilidad sobre la economía, ya que aunque hablemos del uso de residuos y de reciclar materiales sigue siendo antieconómico. Es por ello que se debe continuar con la investigación de todos estos materiales para que en un futuro se pueda alcanzar una rentabilidad económica y ecológica. 6. BIBLIOGRAFÍA Bibliografía 65 7. BIBLIOGRAFÍA 1. J.M. Ruiz-Roman, C.Alonso Santo., (2000) “Aprovechamiento de las cenizas volantes, clase F, de centrales térmicas para la fabricación de materiales cerámicos”. Universidad politécnica de Madrid. 2. Carrascón S., (2006), “Introducción al uso de cemento en explanadas y capas de firme”, Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones IECA. 3. PG3 “Pliego de prescripciones técnicas generales para obras de carreteras y puentes.” 2ª Edición, Sep. 2001. 4. 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