Estudio de la influencia de las adiciones minerales como sustituto parcial del cemento Portland en las propiedades mecánicas y de durabilidad del hormigón

Abstract

The use of mineral admixtures as substitute of cement in concrete is widely extended for various reasons. The reduction of doses of cement in the concrete mixtures reduces the material costs, decreases the pollution and helps solve the problem of the elimination of the "byproducts". Moreover, the microstructural changes motivated by the mineral admixtures should generate a more compact concrete and a reduction in the average size of the pores. This can contribute to the improvement of the mechanical properties and durability of concrete. The efficacy of the use of the mineral admixtures is complex, hard to generalize and depends on the availability of materials in the local markets. This is because of variations in the physical and chemical properties of the mineral admixtures and the cements employed despite their classification under the same standard. Due to these factors, the importance of the changes in composition and microstructure in the mechanical properties and the durability of the material are not completely clear. This work studies the influence of various mineral admixtures available in the local market of Puerto Rico and the Caribbean as a substitute for Portland cement: fly ash, slag, and volcanic ash, on the mechanical properties and durability of concrete to determine if the combination of these products helps to improve the concrete which is produced in the same. The substitution levels fluctuate between 12.5% and 25% of the cementations material, including combinations. Those resulting concretes have been mechanically characterized and its porous structure has been studied through mercury intrusion porosimetry. Moreover, its resistance was measured to the diffusion of aggressive agent, chloride ion. The results manifest the relevance of local adjustments in function of the properties in the admixtures and cements used. The use of fly ash type F as a partial replacement of 25% of Portland cement in concrete mixtures is one of the best options to optimize concrete mixtures in terms of mechanical properties and durability, if does not require high performance before 91 days of curing. If you require high performance at ages as young as 7 days of cure, employing blast furnace slag as a partial replacement of 25% of Portland cement is one of the best options. Volcanic ash from the island of Monserrat significantly improves the mechanical properties in terms of compressive strength. However, it contributes to, but in any case also worsens, the durability of the material in terms of chloride ion penetration. Confirming the investigators hypothesis that an improvement in the mechanical properties does not necessarily improve the durability. The use of combinations of mineral additions refines the pores of the concrete, increases the compressive strength values and the resistance to penetration of chloride ion compared to similar concretes not using minerals additions.

El uso de adiciones minerales como sustituto del cemento Pórtland en el hormigón está ampliamente extendido por varias razones. Entre estas destacamos que la reducción de la dosis de cemento en las mezclas de hormigón abarata los costes del material, disminuye la contaminación asociada a la producción de cemento y ayuda a solucionar el problema de eliminación de los residuos o los llamados “by products”. Además, los cambios microestructurales motivados por las adiciones minerales suelen generar un hormigón más compacto y una reducción del tamaño medio del poro. La eficacia del uso de las adiciones minerales es compleja, difícil de generalizar y depende de los materiales disponibles en los mercados locales. Esto se debe a las variaciones en las propiedades físicas y químicas de las adiciones minerales y de los cementos empleados a pesar de que estén clasificados bajo el mismo estándar. Debido a estos factores la importancia relativa de los cambios de composición y microestructurales en las propiedades mecánicas y la durabilidad del material no están completamente claras. Este trabajo estudia la influencia de adiciones minerales disponibles en el mercado local de Puerto Rico como sustituto del cemento Pórtland: cenizas volantes, escorias de alto horno, cenizas volcánicas, en las propiedades mecánicas y durabilidad del hormigón para determinar si la combinación de estos productos contribuye a mejorar el hormigón que en la misma se fabrica. Los niveles de sustitución fluctúan entre 12.5% y 25% en peso del total de material cementicio, incluyendo combinaciones de hasta dos adiciones por mezcla. Los hormigones obtenidos se han caracterizado mecánicamente y se ha estudiado su estructura porosa mediante porosimetría de intrusión de mercurio. Además, se midió su resistencia a la difusión del agente agresivo ión cloruro. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto la relevancia de ajustes locales en función de las propiedades de las adiciones y los cementos empleados. El empleo de cenizas volantes tipo F como sustituto parcial del 25% del cemento Pórtland en mezclas de hormigón es una de las mejores opciones para optimizar las mezclas de hormigón en términos de propiedades mecánicas y durabilidad, sí, no se requieren altas prestaciones antes de los 91 días de curado. Si se requieren altas prestaciones a edades tan tempranas como los 7 días de curado el empleo de escorias de alto horno como sustituto parcial del 25% del cemento Pórtland es una de las mejores opciones. Las cenizas volcánicas de la isla de Monserrat mejoran de forma significativa las propiedades mecánicas en términos de resistencia a compresión. Sin embargo, no contribuye, aunque en todo caso tampoco empeora, la durabilidad del material en términos de la penetración del ion cloruro. Se confirman las hipótesis de investigadores en términos de que una mejora en las propiedades mecánicas no implica necesariamente mejoras de las características de durabilidad. El empleo de combinaciones de adiciones minerales refina la estructura porosa del hormigón, incrementa los valores de resistencias a compresión y los de resistencia a la penetración del ión cloruro respecto a los de hormigones similares que no empleen adiciones minerales.