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Hormigón de cemento aluminoso: durabilidad y conversión Un nuevo punto de vista sobre un tema antiguo

Hormigón de cemento aluminoso
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  • Fuente: C. M. GEORGE, Lafarge Fondu International R. G. / J. MONTGOMERY, Lafarge Coppee Recherche
  • Autor: C. M. GEORGE, Lafarge Fondu International R. G. / J. MONTGOMERY, Lafarge Coppee Recherche

Este trabajo examina de nuevo la relación entre durabilidad y conversión de hormigones de cemento aluminoso, HAC (High Alumina Cement). La conversión es un proceso natural e inevitable a través del cual este material consigue una condición definitiva y estable. Numerosas estructuras que se edificaron hace más de medio siglo siguen utilizables y utilizadas hoy en día. Algunas de estas estructuras vienen ilustradas en este trabajo. Ellas sirven como mejor ejemplo de la durabilidad del hormigón convertido, ya que han sobrevivido mucho más tiempo en el estado convertido que en el no convertido.

Las singulares características de rápido endurecimiento del HAC ofrecen una valiosa capacidad de auto-calentamiento. La conversión es inmediata y esto lleva a mejores resistencias a largo plazo porque el cemento se hidrata más. Asimismo, trabajos recientes han demostrado que los hidratos de CA convertidos, termodinámicamente estables, son intrínsecamente más resistentes al ataque de agentes tan agresivos como ácido sulfúrico. Esto explica el excelente comportamiento a largo plazo de hormigones Fondu, por ejemplo en muchas aplicaciones en alcantarilla. Nuestros conocimientos y comprensión hoy en día de la durabilidad de los cementos aluminosos se basa en casi 100 años de experiencia acumulada y estudios en laboratorio. Sabemos cómo utilizar estos materiales y sabemos qué esperar de ellos. Podemos estar seguros que nos servirán bien en el siglo próximo.

Estamos viviendo la última década del siglo veinte y si nos queremos preparar para el siglo 21 va siendo hora que examinemos el estatus del hormigón de cemento aluminóse y las perspectivas para el futuro.

Se ha escrito mucho sobre este tema desde los principios de la época de Ciment Fondu, en 1908, y aquí no intentaremos dar un exhauxtivo repaso de la literatura. En cambio, nos concentraremos en conocimientos básicos y pruebas de comportamiento en práctica.
A este fin hemos elegido una selección limitada de datos de investigación y hemos centrado la atención en durabilidad que demostraron estructuras reales (en Gran Bretaña principalmente). Queremos desarrollar una interpretación revisada y modernizada del comportamiento del hormigón con cemento aluminóse.

Podemos empezar por el mismo nombre. En Gran Bretaña, el término HAC (High Alumina Cement), cemento con alto contenido de alúmina, se adoptó pronto cuando Fondu era el único cemento de este tipo disponible. Con el contenido de 40 % de AI2O3 desde luego tenía "alto contenido de alúmina" comparado con cemento portland. Hoy en día tenemos disponible toda una familia de cementos con contenidos de alúmina desde menos del 40 % hasta por encima del 80%. Su rasgo común, desde el punto de vista del comportamiento, es su mineralogía, con el alumínate monocálcico como la fase reactiva principal en todos ellos. Por eso preferimos y hemos adoptado cemento aluminóse (CA).

El cemento particular al que nos referimos constantemente en este trabajo es Ciment Fondu Lafarge (*), seguramente el más conocido y el más duradero de todos los cementos aluminosos industriales.
Fondu primero apareció en Francia cerca del fin de la Primera Guerra Mundial. A diferencia del cemento portland, se producía utilizando un proceso de disolución. Hoy se produce a una escala mucho más grande para satisfacer la demanda, pero el principio de la producción permanece siendo el mismo (1).

La persistencia de la composición durante tantos años es motivo de orgullo. Se pueden comparar los datos en la tabla 1.
El análisis del año 1934 era del cemento utilizado para hormigonar unas vigas de gran sección transversal para apoyar un puente grúa.
Muestras de este hormigón en servicio fueron examinadas unos 20 años más tarde. El interior del hormigón estaba completamente convertido y era más poroso que la superficie. La capa superficial, de sólo 1 mm de espesor, estaba carbonatada y no había huellas evidentes de conversión. Ensayos de resistencia a compresión del hormigón interior dieron valores de 12 a 20 MPa y una porosidad asociada del orden de 20 %. Esto es compatible con un horm.igón completamente convertido, con la proporción total de agua/cemento alrededor de 0,6 a 0,7. (Tabla 2).

tabla01

foto8 1foto8 2Se usaron 8.000 toneladas de Ciment Fondu al mismo tiempo (1931) para una gran estructura de pilotes en los terrenos enlodados del estuario del Támesis. El sitio era realmente un basurero contaminado con grandes cantidades de sulfato.
La fotografía 8.1 fue sacada poco antes de que se acabara el trabajo original. La fotografía 8.2 (1929) muestra pilotes prefabricados esperando instalación. Los pilotes tenían 80 pies (24 m) largos. La fábrica que había sido construida sobre estos pilotes ha sido derribada recientemente, pero los cimientos se conservaron para un aparcamiento de coches.

En la fotografía 8.2 se puede ver que los transversales hexagonales de estos pilotes tienen un diámetro de unas 18 pulgadas (50 cm), más que suficiente para asegurar una rápida conversión a pesar de la precaución tomada de regar las superficies con agua. El examen de una muestra de 60 años, de uno de estos pilotes, confirma la conversión y la resistencia a compresión asociada de unos 20 MPa. La capa superficial demostraba una vez más tal dureza que, la fecha en que el producto se produjo y que se había grabado en su superficie hace 60 años, aún estaba claramente visible (fotografía 8.3).

Se debería explicar que la conversión es un proceso por el cual el HAC llega a una condición definitiva y estable. Cuando se utiliza Fondu, por ejemplo en secciones finas o como lechada, el calor generado en la reacción del cemento con agua no es suficiente para causar ningún aumento importante de temperatura. Lo mismo se podría decir de ejemplares pequeños curados a temperatura ambiente en el laboratorio. Bajo estas circunstancias los productos hidratados de la reacción tienen baja densidad y son sólo metaestables:

CAH10,C2AH8

Ellos requieren una cantidad considerable de agua en su formación, más de lo que se proporciona normalmente en el amasado del hormigón: gran cantidad de cemento permanece no hidratado. Más tarde los hidratos cambian a una forma densa y permanente:

C3AH6,AH3

foto8 3

curva 01

curva 02

Estos hidratos contienen menos agua y la diferencia se desprende para reaccionar con el cemento residual. De esta manera e! hormigón de cemento aluminóse alcanza su estado definitivo. La curva de desarrollo de resistencia asociada con esta serie de eventos se conoce bien y es característico del HAC. (Fig. 1).

Esta situación presenta un marcado contraste comparado con el comportamiento del hormigón en gran cantidad, como por ejemplo en vigas de grúas o pilotes citados anteriormente. Aquí, mientras la superficie está normalmente curada con agua para prevenir desecación superficial, el interior se calienta rápidamente debido a la reacción de hidratación. Temperaturas de 50 a 80°C se alcanzan pronto en unas horas del proceso de hormigonar: el hormigón es mal conductor de calor. La conversión se acelera dramáticamente.

La conversión y su dependencia con la temperatura se han estudiado ampliamente. Algunos datos se pueden ver en la figura 2 (3).
En la curva del desarrollo el mínimo de resistencia corresponde a la finalización del proceso de conversión. Se observa cómo a 100°C la conversión es prácticamente inmediata y no se puede detectar ningún mínimo en la resistencia.

'La naturaleza y el desarrollo de hidratos se pueden identificar utilizando la difracción de rayos X, DRX. Tradicionalmente, esto se hacía reaccionando cemento y agua y deteniendo el proceso de hidratación en edades elegidas lavando las muestras con acetona/éter. Entonces, las muestras se pueden examinar tranquilamente en el difractómetro. Recientemente se ha utilizado el sincrotrono para proporcionar una fuente de radiación-x de alta intensidad para el examen de hidratos in situ mientras se están formando (4). Esto ha demostrado que, incluso a temperaturas altas (70 a 100° C), los hidratos de CAH^o y CgAHg aparecen antes de convertirse (muy rápidamente) en CaAHg/AHg. En la figura 3 esto se puede observar.

La velocidad con que se realiza la conversión se puede seguir midiendo el tiempo que tarda el hormigón en alcanzar su estabilidad y resistencia final (el punto mínimo de la figura 1). La gráfica siguiente lo ¡lustra muy claramente.

Las implicaciones prácticas de la conversión no siempre se han entendido del todo. Una equivocación persistente ha sido la convicción de que la conversión no ocurría a bajas temperaturas, o bien que ocurría tan lentamente que era despreciable. Este punto de vista ha recomendado el uso de bajos contenidos de cemento (para provocar un mínimo auto- calentamiento) y también limitaciones en las cantidades utilizadas (una vez más para que el hormigón permanezca frío).
foto 4

curva 04

curva 05

Pruebas a largo plazo han demostrado, sin lugar a dudas, que la conversión siempre ocurre (figura 5) y que las características del
hornnigón maduro no dependen críticamente de la velocidad del proceso. El factor clave es la cantidad de agua y cemento utilizados en la preparación del hormigón. La proporción de agua/cemento debería mantenerse baja (< 0,4), cerca de la cantidad requerida para hidratar el cemento completamente a CgAHg y AH3, y el contenido del cemento debería ser suficientemente alto (> 400 kg/m^) para proporcionar fluidez suficiente para una adecuada trabajabilidad.

Estos requisitos se han incluido en varias especificaciones, siendo las más recientes Afnor Standard NFP15-315 y P15-316, en abril de 1991, y que se están estudiando actualmente para elaborar una Norma Europea.
La figura 6 ilustra la influencia de la relación a/c en la resistencia de hormigones Fondu maduros (20 años de edad) —gráfica reproducida de la referencia (5)—.

Sin embargo, veinte años son mucho tiempo de espera para pruebas de durabilidad. Se necesita un método de predicción del comportamiento a largo plazo. Se ha comprobado, ampliamente, un ensayo acelerado que necesita tan sólo unos días.</p>

La mínima resistencia asociada con la conversión de hormigón Fondu a 38°C (históricamente, se ha elegido esta temperatura para pruebas a largo plazo porque corresponde a 100 grados en la escala de Farhenheit y a la temperatura superior esperada en un clima como el de Gran Bretaña) ocurre después de 3 meses, cuando el curado de hormigón se inicia a 20°C. (Tabla 3).

La misma resistencia mínima se puede medir mucho más rápidamente si el curado se efectúa directamente a 38°C, como se ve en la tabla 4.
Esta prueba se ha utilizado para controlar la calidad de Ciment Fondu industrial durante muchos años. La figura 7 (1) muestra algunos resultados recientes.

En las figuras 8 y 9se demuestra la manera en que el contenido de cemento influye en la trabajabilidad o la docilidad de hormigón Fondu.
Según las recomendaciones actuales para una buena calidad, el hormigón completamente compactado requiere un mínimo de contenido de cemento de 400 kg/m^, y esa necesidad se ve en las gráficas. Mayores cantidades no tienen utilidad práctica si se utiliza cemento suficiente (figura 10).

curva 06

tabla02

tabla 03

curva 07

curva 08

curva 09

curva 10

curva 11

foto 4

Una excelente demostración práctica de la ventaja de conseguir conversión directa durante el proceso de curado se ofrece en unos trabajos realizados en los años 50. Dos probetas de gran sección se hormigonaron con la misma mezcla: uno regado con agua para mantener la humedad en la superficie, el otro refrigerado internamente pasando agua fría por ios tubos de acero encerrados en el hormigón. Como podemos predecir ahora con seguridad, el hormigón refrigerado internamente pasó por el ciclo de desarrollo de resistencia como en figura 1, alcanzando "madurez" en unos 5 años. El hormigón con auto-calentamiento demostró mejores características. El promedio de la resistencia del hormigón internamente refrigerado después de 5 años fue de 44,7 MPa, mientras que la del hormigón con auto-calentamiento fue de 54,0 MPa. Este comportamiento está representado en la figura 11.

De las capacidades de auto-calentamiento de hormigón Fondu se sacó buen partido en 1975. Las dovelas [fotos 4 (especialmente el primer plano) y 5] se hormigonaron de la mezcla preparada del hormigón Fondu, y luego se desenmoldaron al cabo de unas horas para reemplazar el producto que iba originalmente a realizarse sólo con OPC. En estas grandes piezas, que pesaban más de 2 t cada una, la conversión fue directa mientras se curaban a causa de la hirdatación interna desarrollada por el calor. Cuando se pudieron utilizar, estas dos unidades se colocaron en el túnel donde han permanecido hasta hoy. No se han realizado, pues no se han considerado necesarios, registros que pudieran identificar qué dovelas son de Fondu y cuáles se hicieron de hormigón con cemento portland. El cliente confiaba, y sigue confiando, en la segundad a largo plazo del hormigón de Ciment Fondu hecho correctamente.

Los argumentos y observaciones que hemos dado aquí nos llevan a la conclusión de que la conversión en sí, que fue el centro de atención en el pasado, no es en realidad un efecto negativo que se debería aplazar si fuera posible, sino un proceso inevitable a través del cual materiales CA alcanzan su estado estable permanente. Además, como se acaba de ver, aplazando el proceso no se saca ninguna ventaja.

Otra ventaja de la conversión temprana se puede encontrar en el estudio de la resistencia a la corrosión de los hormigones Fondu. Podemos analizar el ejemplo del ataque de ácido sulfúrico (7). Cuando se compara el comportamiento de las muestras no convertida y convertida con las mismas dosificaciones iniciales, se encuentra que las muestras que se convertieron deliberadamente, antes de exponerlas al ácido, resistían mejor a pesar de su inevitable más alta porosidad. C3AH6 y AH3 son termodinámicamente estables e intrínsecamente más resistentes que los hidratos metaestables CAH^Q y CgAHg. Con estos resultados es lógico el excelente largo servicio (varias décadas) de hormigones Fondu en estructuras de alcantarilla con alto contenido en ácidos.

La conclusión de que la conversión es el proceso natural hacia un estado definitivo y una estabilidad a largo plazo, ofrece una razón muy importante con la cual se entiende en seguida el porqué las estructuras de hormigón CA todavía están en servicio a edades que superan los ensayos más prolongados de longevidad.

La conversión, si no ha ocurrido ya unas horas después de la colocación, generalmente se cumplirá dentro de los 5 a 10 años en la mayoría de las condiciones reales. No son posibles más cambios de esa naturaleza, y si el hormigón fue de calidad adecuada cuando se colocó, permanecerá así.
En este artículo se presentan diversos ejemplos (que de ningún modo pueden considerarse únicos). Todas estas estructuras son tan antiguas que la conversión debe haber sido terminada hace mucho tiempo, incluso aunque no haya habido auto-calentamiento cuando se construyeron. (Foto 6).
La vista aérea con la zona de interés aparece rodeada de una línea blanca superimpresionada en la fotografía.

La condición actual de esta gran estructura (sobrevivió la II Guerra Mundial) no se ha verificado. Sin embargo, 15 años después de la construcción original, se edificó una nueva estructura encima de la primera, también con hormigón Fondu. Es un ejemplo impresionante de la excelencia de los hormigones Fondu en ambientes marinos. (Foto 7).

foto6

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foto 10 1

foto 10 2

foto 10 3

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foto 13

El suelo de este puente se hizo de hormigón Fondu. 70 años más tarde este puente, sobre el río Clyde, todavía está en servicio. (Foto 8).
Viaducto construido en su totalidad de hormigón Fondu, todavía se encuentra abierto al tráfico. (Foto 9).
Hay otro viaducto en el norte del Reino Unido. No existe mucha información sobre este diseño de cinco vanos que cruza el estuario del río Dee. La fotografía no tiene fecha.
El puente sigue soportando tráfico.

Las indagaciones no indican claramente en qué partes de esta estructura se utilizó hormigón Fondu. Sin embargo, durante la inspección en el año 1988, el suelo de estribos y la superestructura estaban en condición de servicio. (Fotos 10.1, 10.2 y 10.3).
265 pilotes de hormigón Fondu, junto con tirantes prefabricados y vigas, se utilizaron para construir este malecón marítimo.
Por encima de la señal del nivel superior del agua hay algunas armaduras expuestas, pero en la zona de marea todavía se pueden ver huellas del mallazo original. El deterioro global no es significativo. Las instalaciones originales en el malecón se han quitado y el malecón, hoy en día, sirve para atraque de los pesqueros locales. Este es otro ejemplo de durabilidad de hormigón
Fondu en agua del mar. (Foto 11).

Esta fotografía, aunque no descubre mucho técnicamente, registra un evento de suma importancia en la historia de Ciment Fondu. Se enviaron 10.000 t a Nueva Escocia para la construcción de compuestos, se remolcaron y se sumergieron en agua para construir este gran muelle en el mar. Visitas periódicas han demostrado que este hormigón permaneció durable en el transcurso de los años.

(Fotos 12.1 y 12.2).
Esta foto no tiene fecha, pero se trata de una vista de los primeros días de este elegante puente. La siguiente se sacó en 1988. La foto reciente muestra esfuerzos para reparar la superestructura de hormigón de cemento portland en estado de grave deterioro a causa de la reacción álcali-árido. Los muelles con hormigón Fondu se han comportado bien con el transcurso del tiempo. Este puente permanece en servicio normal. (Foto 13).
Muy acertadamente, LSC (entonces en la compañía Cemento Aluminóse Lafarge)
hizo esta señal de hormigón Fondu en la entrada de las obras. La señal sigue estando ahí, tan sólido como siempre, y ¡eso no se debe a las capas sucesivas de pintura que le iban poniendo encima!.

Si la conversión puede ser una ventaja en un estado temprano, puede existir hasta peligro en la conversión retrasada, puesto que las resistencias transitorias aparentemente adecuadas del hormigón no convertido, hecho con demasiada agua, puede disfrazar una resistencia convertida inferior a la mínima precisa en el hormigón convertido a largo plazo.

En Gran Bretaña, en los años 70, preocupó mucho el colapso del techo en una escuela in Steney, Londres, en 1974. Una viga de hormigón prefabricado, pretensado, hecha de hormigón Fondu perdió resistencia y cayo. Los análisis siguientes demostraron que el hormigón estaba convertido y también reveló pruebas de ataque de sulfato, así que la verdadera causa del colapso aún es dudosa. De todos modos, el factor clave fue la calidad inicial del hormigón, se trataba de excesivas proporciones agua/cemento. Las recomendaciones en aquellos tiempos especificaban un contenido máximo de cemento (para bajar lo más posible el efecto de calentamiento y conversión) y se había utilizado una cantidad demasiado pequeña. Luego hizo falta una cantidad adicional de agua para obtener la docilidad necesaria para la colocación. Se trataba de vigas transversales bastante delgadas, así que el auto-calentamiento fue insignificante. De este modo, las resistencias iniciales, transitorias, no convertidas, permitieron que las unidades se pusieran en servicio. Si se hubieran convertido directamente desde el principio esto no hafiría ocurrido.

CONCLUSIÓN

Se ha ofrecido en este trabajo, una visión del comportamiento a largo plazo de los hormigones de cemento aluminóse (con referencia especial a Ciment Fondu), una visión que discrepa mucho del tratamiento tradicional del tema. Antes que referirnos a los "efectos dañinos de la conversión" hemos hecho referencia a la imposibilidad de evitarla como un fenómeno natural, a través del cual estos materiales alcanzan una condición "madura" y estable. Cuando se reconoce que es mejor provocar que retrasar la conversión, la capacidad del HAC de auto-calentamiento se convierte en un factor positivo importante. Realmente, la conversión no sólo no hace el hormigón vulnerable al ataque de agresivos, sino que proporciona hidratos termodinámicamente estables con una resistencia intrínseca aumentada al ataque.

La interpretación de la conversión y la durabilidad representa un punto de vista nuevo sobre un tema antiguo. Proporciona una visión coherente tanto de la durabilidad evidente de hormigones Fondu —^se ofrecen varios ejemplos no publicados anteriormente— como una explicación de la verdadera causa de ciertos fallos (excesivo uso de agua) que han recibido publicidad sin precedentes.

Contemplando la conversión y la durabilidad en un futuro (como nos hemos propuesto en este trabajo) hemos presentado pruebas positivas de comportamiento a largo plazo. Esto no significa que se puedan ignorar problemas con el HAC más de lo que se ignoran problemas con los hormigones de cemento portland. Por ejemplo, muy recientemente, aparecieron muchos ejemplos de hormigón deteriorado en Cataluña. En abril de 1991, se examinaron 1.083 muestras de hormigón en malas condiciones de lugares distintos. 53 % eran de cemento portland y 47 % de HAC. La alta porosidad era común en todos, y el 58 % de las muestras eran hormigones hechos de áridos de mala calidad. El mensaje está suficientemente claro. Cualquier hormigón se comportará mal si está mal hecho, cualquiera que sea el cemento utilizado.

Lo que es importante cuando aparece el problema es estudiar la causa. Una investigación adecuada proporcionará más amplio conocimiento de cómo utilizar los materiales mejor en el futuro. Esto es seguramente el punto de vista adoptado con el OPC y lo mismo es aplicable al HAC.
Nuestros conocimientos hoy en día de la durabilidad de los cementos aluminosos se basa en 100 años de experiencia acumulada y estudios en laboratorio. Sabemos cómo utilizar estos materiales y sabemos qué esperar de ellos. Podemos estar seguros que nos servirán bien en el siglo próximo.

AGRADECIMIENTOS

Agracedemos a la Sra. Nina Baker su permiso de utilizar las fotografías 10.3 y 12.2 y a la
Sra. Brenda Harris por habernos proporcionado las demás fotografías de los archivos Lafarge. También agradecemos el permiso de autores y editores de la referencia (4) para reproducir la figura 3.

REFERANCIAS

(1) C. M. GEORGE: "Manufacture and Performance of Alunninous Cement: A New Perspective". In Calcium Alumínate Cements, Editor R. J: Mangabhai. Published by E. and F. N. SPON (Chapman and Hall), 1990, p. 181 ff.

(2) C. M. GEORGE: "Industrial Aluminous Cements", in Structure and Performance of Cements. Editor P. Barnes. Applied Science Publishers, 1983, p. 415 ff.

(3) P. J. FRENCH. R. G. J. MONTGOMERY and T. D. ROBSON: "High Concrete Strength Within the Hour". Concrete, Aug. 1971, p. 3ff.

(4) S. RACHID, P. BARNES and X. TURILLAS: "The Rapid Conversión of Calcium Aluminate Cement Hydrates as Revealed by Synchrotron Energy Dispersive Diffraction". Advances in Cement Research, April, 1992.

(5) R. J. COLLINS and W. GUTT: "Research on Long-Term Properties of High Alumina Cement Concrete", Mag. Concrete Research, Vol. 40, No. 145. December, 1988, p. 195 ff.

(6) R. G. J. MONTGOMERY: Previously unpublished work.

(7) J. P. BAYOUX, J. P. LETOURNEUX, S. MARCDARGENT and M. VERSCHAEVE: "Acidic Corrosión of High Alumina Cement". In Calcium Aluminate Cements. Editor R. J. Mangabhai. Published by E. and F. N. SPON (Chapman and Hall), 1990, p. 230 ff.

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