ES2438621B2 - Cemento de altas prestaciones mecánicas a cortas edades - Google Patents

Abstract

Cemento de altas prestaciones mecánicas a cortas edades, del tipo I según norma EN 197, categoría CEM I 52.5 SR/R, que comprende en su composición aluminato tricálcico (C3A) en cantidad comprendida entre el 0% y el 3%, comprendiendo además silicato tricálcico (C3S) en una cantidad superior al 80%, de tal modo que es un cemento sulforesistente y de altas prestaciones mecánicas a cortas edades.

Description

DESCRIPCiÓN

CEMENTO DE ALTAS PRESTACIONES MECÁNICAS A CORTAS EDADES

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un cemento portland de altísimas prestaciones mecánicas a cortas edades sulforesistente (resistente a terrenos con yesos, sulfuros y otros compuesto de azufre y al agua de mar) y que permite su utilización en aplicaciones marinas, en terrenos con sulfatos, así como al proceso de fabricación de los mismos. Asimismo presenta ventaja de tener un contenido bajo en álcalis, eliminando la problemática asociada al uso de áridos silíceos reactivos para la fabricación de un hormigón.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

En la fabricación del hormigón, cuando se desean conseguir resistencias muy elevadas en un tiempo muy corto, se emplean habitualmente altas dosificaciones de determinados aditivos y en muchos casos elevadas temperaturas de proceso. También se conoce el uso de cementos especiales muy finos y con altos calores de hidratación, siendo habituales aquellos cementos con un contenido de C3A (aluminato tricálcico) superior al 3%, llegando en algunos casos incluso al 15 % .

Estas prácticas han llevado a la producción de cantidades importantísimas de cementos que presentan importantes problemas de durabilidad en el hormigón por formación de etringita secundaria, debido a su expansión. Además, en el caso de áridos reactivos con los álcalis y al emplear elevadas temperaturas en la producción del hormigón y especialmente cuando las temperaturas de servicio son muy elevadas, presentan una patología que se denomina reactividad álcali-árido.

Los cementos con un contenido bajo en aluminato tricálcico (C3A) presentan desarrollos de resistencias lentos para muchas aplicaciones, por lo que, en estos casos si se quiere agilizar el endurecimiento la única posibilidad es utilizar un curado de vapor controlado. Sin embargo, en determinadas situaciones, este curado no se puede realizar, por lo que se carece de una solución técnica óptima para casos de este tipo.

Según se ha citado, los hormigones presentan importantes problemas de durabilidad por formación de ettringita secundaria, debido a su expansión, lo que provoca fisuras estructurales, que se solventa cuando el cemento tiene un bajo

o nulo contenido de C3A (aluminato tricálcico). El origen del problema es que la ettringita que se debe formar en las primeras edades del hormigón, cuando éste tiene un comportamiento más elástico, reaccionando el C3A con el yeso que se añade para regular el fraguado. Si el hormigón en las primeras horas de su vida alcanza temperaturas superiores a 60ºC bien por el calor de hidratación, temperatura de los componentes elevada o por un tratamiento térmico no se forma esa ettrigita inicial o primaria comentada ya que el yeso se queda sin reaccionar. Este yeso que queda sin reaccionar lo hace en edades avanzadas del hormigón cuando éste ya no es elástico formando la ettringita secundaria y provocando deterioros con expansiones, agrietamientos e incluso una completa destrucción del hormigón.

Pero también puede suceder que se produzca un deterioro del hormigón similar al comentado por ataques de sulfatos externos que penetran en el hormigón con unas consecuencias similares a las comentados.

Otro tipo de deterioro del hormigón sucede cuando los áridos del mismo son reactivos con los álcalis. En estas circunstancias los áridos reaccionan dando geles de sílice que se hinchan con la humedad y el agua deteriorando e incluso destruyendo el hormigón .Existen ensayos para determinar si los áridos son reactivos o no, y si lo son , las restricciones del resto de componentes del hormigón que siempre exigen un cemento con un Na20 equivalente ( % Na20+O,658*%K20) menor que 0,60.

Aunque , se conoce de mayo de 2000, el artículo publicado en las IV Jornadas Técnicas sobre la Calidad en el Cemento y el Hormigón, de Serafín Lizarraga Galarza, Cementos Pórtland S.A., que dicha patología puede suceder con áridos que superan los ensayos comentados cuando el hormigón en su fabricación y vida de servicio esté sometido a altas temperaturas.

El documento KR 100927005 describe un hormigonado en tiempo frío empleando cemento de elevada resistencia inicial. La mezcla contiene 100 partes de cemento rápido, 4-6 partes de áridos yagua. El cemento de elevada resistencia inicial contiene 31-50% de polvo fino colectado, en un separador ciclónico en el proceso de pulverización del cemento; 1-10% de polvo fino de caliza y entre un 40-68% de cemento portland. El cemento fino tiene un tamaño de partícula de entre 1-10 mm, y una fineza de entre 4.000-12.000 m2/g.

Asimismo, son conocidos, por los documentos EP2072577 ó EP1970408, composiciones que pueden ser fraguadas mediante el empleo de luz. Tienen la ventaja de que permiten que fragüen áreas que no han sido irradiadas, tienen una excelente resistencia al calor, resistencia a aceites y climatológicas. La composición contiene un polímero de vinilo que tiene al menos un grupo con potencial de realizar reacciones de entrecruzamiento fotosensible.

Se conoce de W01989002878, una composición de cemento hidráulico que fragua a bajas temperaturas, incluso debajo del punto de congelación del agua que está compuesto por cemento portland, escoria, puzolanas (incluyendo metacaolín y aditivos, entre los que se encuentran el carbonato potásico y reductores. El cemento es particularmente útil para alcanzar resistencias en un breve período de tiempo y que continúe su fraguado a temperatura ambiente y temperaturas por debajo de OºC.

El documento KR1020050024656 describe un cemento extra-rápido modificado con látex. Es conocido también, del documento EP1288175, un cemento rápido a base de aluminato de calcio, aluminato ferrita tetracálcicio.

Se conoce además, de EP0218189, un hormigón de fraguado rápido para pulverización a base de clínker que libera hidróxido cálcico durante el proceso de reacción. Para acelerar el proceso se introduce CO2 como propelente. Así, los documentos EP 2337769 Y WO 20100428, describen un cemento puzolánico de elevada resistencia inicial a base de partículas de elevado tamaño de puzolanas y partículas finas «10 mm) de cemento que contienen silicato tricálcico.

El documento KR1 020040069154 describe un cemento rápido a base de aluminato de calcio (40-50%) con una superficie blaine de 4000 m2/g, silicato tricálcico (30-40%) y humo de sílice (5-10%).

Se conocen también, como documentos representativos de la técnica anterior, los siguientes: Sulfate attack and role of silica fume in resisting strength loss; Behaviour of blended cement mortars exposed to sulfate, Sulfate resistance of plane and blended cement; Effect of aggregate on the fracture behavior of high strength concrete; The effect of alkali-aggregate reactivity on the mechanical; Strength deterioration of high strength concrete in sulfate environment, entre otros.

De este modo, sería deseable proporcionar un cemento de altas prestaciones mecánicas a cortas edades, que sea sulforesistente (resistente a terrenos con yesos, sulfuros y otros compuestos de azufre y al agua de mar) y que permita su utilización en aplicaciones marinas o en terrenos con sulfatos. Además, sería también deseable que presentara la ventaja de tener un contenido bajo en álcalis, de modo que se eliminase la problemática asociada al uso de áridos silíceos reactivos para la fabricación de un hormigón.

La presente invención está orientada a satisfacer estas necesidades.

SUMARIO DE LA INVENCION

Para solventar el problema anterior se ha investigado en el Ultraval SR. En los cementos los componentes principales son el silicato tricálcico, el silicato dicalcico, el aluminato tricálcico y el ferrito aluminato tricálcico . El silicato tricálcico cuando se mezcla con agua forma un gel sobre sus cristales que impide / paraliza la evolución de las reacciones químicas del grano de cristal con el agua hasta que se van consiguiéndose determinadas concentraciones de sales en la misma y por efectos físicos y químicos este gel protector se vuelve permeable y comienzan las reacciones de hidratación de forma muy rápida especialmente en cementos finos.

Este periodo de tiempo de latencia en las reacciones se denomina periodo de inducción de la alita (C3A o silicato tricálcico). Las maneras de disminuirlo es preferentemente con la temperatura por lo que compuestos químicos como el C3A que reaccionan muy rápido y dan mucho calor de hidratación además en sus procesos de hidratación absorben grandes cantidades de agua y de sales de hidróxido cálcico catalizando las reacciones de hidratación la alita. Como se ha comentado la utilización del C3A en la composición química da problemas asociados a la formación de ettringita por lo que se ha investigado en un cemento con valores mínimos, comprendidos entre el 0% y el 3% de C3A y bajo en álcalis (menor que un 0,60 % expresado en sodio equivalente) y con una prestaciones mecánicas muy elevadas.

Como se puede apreciar estamos ante una categoría nueva de cemento tanto a larga edad como especialmente a corta edad donde se llegan a triplicar (más bien duplica a 2 días y la cumple la norma a las 6 horas) los requisitos normativos, aunque se ha mostrado la Norma Europea de Cementos sucede lo mismo con el resto de Normas Mundiales de Cementos

y se ha conseguido con la característica SR que dificulta especialmente obtener resistencias y más a edades iniciales.

Así, el objetivo general de la presente invención es desarrollar un cemento portland, tipo CEM 1, de altísimas resistencias iniciales a cortas edades, y de alta durabilidad frente medios agresivos, con contenidos de aluminato tricálcico (C3A) inferiores al 3 %, incluso alcanzando valores del O %, cumpliendo con los requisitos de la Norma EN 197.

Este cemento se ha diseñado para la fabricación de hormigones de grandes prestaciones mecánicas que desarrollan altas resistencias a compresión y flexotracción en tiempos record de entre 6 y 8 horas, consiguiendo rápidas puestas en obra con una consiguiente mejora en la productividad en los casos que se requiera. Se consigue dar un salto cualitativo respecto a los cementos actuales, por sus excepcionales prestaciones en cuanto su durabilidad química permitiendo la ejecución del hormigonado en ambientes marinos, terrenos yesíferos, agua de mar, sin dejar de ser idóneo para su empleo en estructuras, con hormigón armado.

Otra ventaja añadida es su bajo contenido en álcalis, presentando el hormigón fabricado con este cemento, un comportamiento excepcional frente a la reactividad álcali-árido, eliminando los problemas expansivos tipificados como una de las patologías del hormigón común. Sería por tanto un cemento sin competencia para utilizar en casos donde coincidan la necesidad de obtener resistencias mecánicas altas a muy cortas edades, y la necesidad de utilizar áridos reactivos en la confección de los hormigones al ser los presentes en la zona de trabajo, hecho éste que se está produciendo cada vez con más frecuencia.

El campo de aplicación de este cemento, es el mismo que el cemento común tipo CEM 1, pero cuando se quiere conseguir resistencias más elevadas y en menos tiempo como: Hormigón armado en general, hormigón pretensado, pavimentos industriales, reparación de carreteras, pistas de aeropuerto, prefabricaciones de alta resistencia, gunitas de alta resistencia. Sus características técnicas permiten ser utilizados en condiciones invernales severas y alta montaña.

Para continuar con el objetivo de un cemento de altas prestaciones mecánicas y de durabilidad, se ha investigado intensamente en su formulación desde las materias primas, y la evolución termodinámica del clinker dentro del espacio químico CA-Si-AI-Fe, hasta la composición requerida fundamentalmente más de un 80 % de C3S y controlando el contenido de C3A, comprendido entre un 3 y un O %. Otra característica física adicional de este cemento es que favorece alcanzar en menor tiempo las resistencias mecánicas, fue su granulometría controlada, con una finura Blaine superior a 7700 cm 2/g, un tamaño máximo de partícula de 32 micras ( el 95 % de las partículas tienen un tamaño inferior a 32 micras) y con diámetros medio de partícula del orden de 5 micras

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras y tablas que le acompañan.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

La Figura 1 representa una gráfica con la distribución granulométrica del cemento de altas prestaciones mecánicas a cortas edades según la invención.

La Figura 2 representa una gráfica que recoge los resultados de las resistencias mecánicas a distintas edades variando la dosificación del aditivo según la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

El objetivo de la presente invención es desarrollar un cemento sulforesistente y bajo en álcalis de altísimas prestaciones mecánicas y de durabilidad química a cortas edades.

Este cemento posibilita obtener resistencias muy superiores a los marcados en la norma EN-197, a cortas edades, para provocar un salto cualitativo en el comportamiento de los hormigones desde el punto de vista de propiedades mecánicas así como de durabilidad y para su utilización en las prefabricados, reparación de carreteras, en ambientes agresivos que contengan sulfatos, marinos, o terrenos yesíferos.

El objetivo general de la invención se desglosa en los siguientes objetivos

específicos: Provocar un salto cualitativo en la mejora de las características de los hormigones que van a utilizar estos cementos sulforesistentes y bajos en álcalis en cuanto a durabilidad, resistencias mecánicas, y especialmente para incrementar la durabilidad del hormigón armado en ambiente marinos, sales de deshielo y otros ambientes agresivos. Provocar un salto cualitativo respecto a la norma EN 197, dentro de su categoría de cemento CEM I 52.5 R/SR, abriendo una nueva categoría resistente que se debería denominar 62,5 R ya que a dos días se consiguen resistencias de 60 MPa, valor que supone el doble de la exigida por la norma a dos días para la categoría 52,5 R Y a 28 días de 75 MPa también muy superior a la exigida de 52,5 R Y que por lo

tanto se considera que estamos ante una nueva categoría de cemento

que se considera se debería llamar CEM I 62,5 R

Provocar un salto cualitativo en cuanto a las prestaciones mecánicas

de un hormigón a primerísimas edades, con resultados de más de 30

5 MPa a 4 horas y 60 MPa a 8 horas, hasta alcanzar 95 MPa a 28 días dependiendo de la dosificación del aditivo. Ampliar su ámbito de aplicación a ambientes agresivos por su propiedad (o categoría) de sulforesistente, al disminuir el contenido de aluminato tricálcico (C3A) por debajo del 3 % hasta valores del 0%.

10 Obtener un producto bajo en álcalis con características adecuadas para permitir el empleo de áridos con material silíceo reactivo facilitando el empleo de las materias primas de la zona evitando los problemas de expansión que se presentan con otros cementos. Conseguir una nueva gama de hormigones ultra resistentes y

15 completamente novedosos en el sector de la construcción, y con un excepcional tiempo de puesta en obra.

Es por tanto un primer objeto de esta invención la composición química referente al clinker base de este cemento según la invención, con un contenido

20 de silicato tricálcico (C3S) superior a un 83 % (80%), aluminato tricálcico (C3A) comprendido entre un 3 % alcanzando valores de hasta un 0%, álcalis (Na20 equivalente) menores de un 0.3 %, Y óxido de magnesio inferior a 1.2 %, como se puede apreciar en la siguiente tabla 1 :

25 Tabla 1: composición química del clinker base del cemento de la invención

%C3S

mayor que 83 % (80%)

(silicato tricálcico)

%C2S

igual a 2,2 %

(silicato dicálcico)

%C3A

1-3 %

% Na20 equivalente

menor que 0,3 %.

( %Na2O+K20*O,658)

%MgO

menor que 1,2 %

Respecto al cemento objeto de esta invención, se ha investigado sus propiedades físicas del material, destacando un tiempo abierto de inicio de fraguado (185 minutos) muy superior al marcado por norma EN 197 para la

5 categoría CEM I 52.5 R/SR (45 minutos), facilitando la trabajabilidad del hormigón.

Tabla 2: Comportamiento físico del cemento de la invención

Consistencia de sacudidas del mortero (%)

63

Agua de amasado (%)

37,3

Principio de Fraguado (min.)

185

Final de Fraguado (min.)

275

Expansión Le Chatelier (m.m)

e 1,5

10 Los componentes del cemento de la invención, se han sometido a un proceso de molienda con la intención de obtener el tamaño de partícula idóneo que acelere el desarrollo de resistencias mecánicas, presentando la siguiente distribución granulométrica (tabla 3, figura 1) con una finura Blaine de 7700 cm2/g y con un 95 % de las partículas con un diámetro inferior a 32 micras.

15 Esta finura de tamaño de partícula favorece la compacidad del hormigón fabricado con este cemento, por una reducción de la de la porosidad y una red capilar interna poco comunicada, reduciéndose de esta forma los ataques al cemento especialmente en ambientes marinos por la permeabilidad a los cloruros y otras sales marinas.

20

Tabla 3: Análisis granulométrico del cemento de la invención

Granulometria;

Pasa (%)

Tamiz de 1,0 micras

17,63

Tamiz de 1,5 micras

23,04

Tamiz de 2,0 micras

28,64

Tamiz de 3,0 micras

38,18

Tamiz de 4,0 micras

45,18

Tamiz de 6,0 micras

56,29

Tamiz de 8,0 micras

65,77

Tamiz de 12,0 micras

80,61

Tamiz de 16,0 micras

89,97

Tamiz de 24,0 micras

98,02

Tamiz de 32,0 micras

99,85

Tamiz de 48,0 micras

100,00

Tamiz de 64,0 micras

100,00

Tamiz de 96,0 micras

100,00

Tamiz de 128,0 micras

100,00

Tamiz de 196,0 micras

100,00

Díametro medio (micras)

4,81

Blaine (cm"/g)

7700

Ejemplos

5

A continuación se recogen una serie de ejemplos a modo ilustrativo y con carácter no limitante de la presente invención: Ejemplo 1

lOEn este primer ejemplo se procedió a preparar un mortero normalizado a partir del cemento de la invención según la composición físico-química objeto de esta invención descrita anteriormente. Se ha determinado el comportamiento mecánico del mortero preparado a partir de este cemento a diferentes edades, alcanzando valores iniciales de resistencia a flexotracción 8.9 MPa a las 24

15 horas, como se aprecia en la siguiente tabla 4:

Tabla 4: Resistencia a flexotracción del cemento de la invención a diferentes edades

tiempo

Resistencia a flexotracción (MPa)

24 horas

6,0

2 días

6,9

7 días

7,9

28 días

9,4

90 días

9,4

180 días

9,5

Los ensayos a este mortero normalizado se completaron con la determinación de la resistencia a compresión, a diferentes edades (tabla 5), obteniéndose a 24 h un valor de 33.9 MPa y alcanzando a 28 días resistencias

5 de 75.7 MPa.

Tabla 5: Resistencia a compresión del cemento de la invención a diferentes 10 edades

tiempo

Resistencia a compresión (MPa)

24 horas

40,2

2 días

60,5

7 días

65,6

28 días

75,7

90 días

76,8

180 días

77,0

Ejemplo 2

15 En este segundo ejemplo se procedió a la fabricación de hormigones autocompactables de alta resistencia iniciales y finales, con el objetivo de determinar valores de resistencia mecánica a compresión a diferentes edades en iguales condiciones de dosificación.

Los ensayos se llevaron a cabo con la siguiente dosificación de este 20 hormigón (tabla 6), respecto a carga del cemento de la invención, áridos, % de aditivo, relación agua/cemento (a/c).

Tabla 6: Ensayos de dosificación para la fabricación de un hormigón compactable con cemento Ultraval SR con diferentes % de aditivo.

Cemento Kg/m3

Tipo cemento Arena caliza 02mm Kg/m3 Arena caliza 0-6 mm Kg/m3 Árido caliza 6 -12 Kg/m3 Aditivo Sika Viscocrete 20 HE Relación a/c Extensión de Flujo (diámetro en mm) Densidad (tlm3 )

500

ULTRAVAL/SR 369 597 789 0,9% 0,419 660 2,423

500

ULTRAVAL/SR 369 597 789 1,5% 0,417 750 2,445

500

ULTRAVAL/SR 369 597 789 3,0% 0,371 700 2,475

De los ensayos de resistencias mecánicas a compresión sobre el

5 hormigón compactable fabricado a partir del cemento objeto de la invención, en la tabla 7 y gráficamente en la figura 2, se pueden apreciar de forma muy destacable unas altas resistencias a cortas edades, incrementándose hasta la edad de 28 días. Inicialmente el hormigón presenta una resistencia a compresión muy notable en el tiempo de 4 horas de 34.2 MPa, duplicándose

10 hasta 63.2 MPa a 6 horas, con una dosificación del 0.9 % del aditivo escogido, hasta alcanzar 79.2 MPa a 28 días. Sin embargo cuando se ensayó la dosificación de un 1.5 % de aditivo, a edades cortas se retrasan las reacciones de hidratación de este cemento, comenzando con resistencias iniciales de 8.7 MPa a las 4 horas, conforme avanza el tiempo la resistencia se mejora

15 igualándose a la de la dosificación de un 0.9 %, en un tiempo de 10 horas, y superando de forma notable a 7 y 28 días de ensayo. Para la dosificación de un 3 % ocurre el mismo fenómeno que con un descrito anteriormente, pero con una continua mejora de resistencias a 7 días, alcanzando valores excepcionales de 95 MPa a 28 días.

ADITIVO

Resistencias mecánicas a compresión (MPa)

Recomendación 0,5 -1,5 (%)

4 h. 5 h. 6 h. 8 h. 10 h. 12 h 24 h. 2 días 7 días 28 días

aditivo 0,9%

34,2 47,1 63,2 63 ,5 64,8 67, 1 74,8 76,2 77,8 79,2

aditivo 1,5%

8,7 24,8 43 ,4 56,8 62,1 70,1 72,8 73 ,8 83,2 86,7

aditivo 3,0%

3,0 10,0 25,0 52,0 57,0 76,4 83,5 94,4 95,4 95,7

Se concluye que con este cemento en cada caso hay que hacer un

mínimo de estudio para encontrar el óptimo de dosificación, debido a la

influencia del aditivo, en resistencias mecánicas a cortas edades.

En las realizaciones preferentes que acabamos de describir pueden

introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido

por las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Cemento tipo I según norma EN 197, categoría CEM I 52.5 SR/R, que comprende en su composición aluminato tricálcico (C3A) en cantidad comprendida entre el 0% y el 3%, comprendiendo además silicato tricálcico (C3S) en una cantidad superior al 80%, con una distribución granulométrica con una finura Blaine superior a 7700 cm2/g y un 95 % de las partículas con un tamaño inferior a 32 micras, de tal modo que es un cemento sulforesistente y de altas prestaciones mecánicas a cortas edades.
2. 2.-Cemento según la reivindicación 1, que es bajo en álcalis, con cantidades menores del 0,6% en sodio equivalente, presentando un comportamiento excepcional frente a la reactividad álcali-árido.
3. 3.-Cemento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con valores de Na2O equivalente menores de un 0.3 %.
4. 4.-Cemento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con valores de óxido de magnesio inferiores a 1.2 %.
5. 5.-Cemento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con un tiempo abierto de inicio de fraguado de alrededor de 185 minutos.
6. 6.-Hormigón fabricado con un cemento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual el valor de resistencia mecánica a corta edad depende de la dosificación de aditivos.
7. 7.-Hormigón según la reivindicación 6, en el que el aditivo es tal que proporciona una resistencia de hormigón superior a 30 MPa a 4 horas.
8. 8.-Hormigón según la reivindicación 6 ó 7, en el que el aditivo es tal que proporciona una resistencia de hormigón superior a 60 MPa a 8 horas.
9. 9.-Hormigón según cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en el que el aditivo es tal que proporciona una resistencia de hormigón superior a 95 MPa a 28 días.