Actividad puzolánica

La actividad puzolánica es una medida del grado de reacción a lo largo del tiempo o la velocidad de reacción entre una puzolana y Ca ²⁺ o hidróxido de calcio (Ca(OH) ₂ ) en presencia de agua. La velocidad de la reacción puzolánica depende de las características intrínsecas de la puzolana, como la superficie específica , la composición química y el contenido de fase activa.

La adsorción superficial física no se considera parte de la actividad puzolánica, porque no se forman enlaces moleculares irreversibles en el proceso. ^[1]

La reacción puzolánica es la reacción química que se produce en el cemento portland al añadir puzolanas. Es la principal reacción que interviene en el hormigón romano inventado en la Antigua Roma y utilizado para construir, por ejemplo, el Panteón . La reacción puzolánica convierte un precursor rico en sílice, sin propiedades cementantes, en un silicato de calcio, con buenas propiedades cementantes.

En términos químicos, la reacción puzolánica ocurre entre el hidróxido de calcio , también conocido como portlandita (Ca(OH) ₂ ), y el ácido silícico (escrito como H ₄ SiO ₄ , o Si(OH) ₄ , en la notación geoquímica):

Ca(OH) ₂ + H ₄ SiO ₄ → CaH ₂ SiO ₄ ·2 H ₂ O

o resumido en notación química de cemento abreviada :

CH + SH → CSH

La reacción puzolánica también se puede escribir en una antigua notación de silicato industrial como:

Ca(OH)
₂+ H
₂SiO
₃→ CaSiO
₃·2 horas
₂Oh

o incluso directamente:

Ca(OH)
₂+ SiO
₂→ CaSiO
₃·H
₂Oh

Ambas notaciones aún coexisten en la literatura, dependiendo del campo de investigación considerado. Sin embargo, la notación geoquímica más reciente en la que el átomo de Si está tetracoordinado por cuatro grupos hidroxilo ( Si(OH)
₄, también comúnmente conocido como H
₄SiO
₄) es más correcta que la antigua notación industrial de silicato para la que se utilizaba ácido silícico ( H
₂SiO
₃) se representó de la misma manera que el ácido carbónico ( H
₂CO
₃) cuya configuración geométrica es trigonal plana. Al considerar únicamente el balance de masa, son equivalentes y se utilizan ambos.

El producto CaH ₂ SiO ₄ ·2 H ₂ O es un hidrato de silicato de calcio , también abreviado como CSH en la notación química del cemento ; la separación con guiones indica la estequiometría variable. La relación atómica (o molar) Ca/Si, CaO/SiO _{2 o C/S y el número de moléculas de agua pueden variar y la} estequiometría mencionada anteriormente puede diferir.

Muchas puzolanas también pueden contener aluminato , o Al(OH) ₄ ⁻ , que reaccionará con hidróxido de calcio y agua para formar hidratos de aluminato de calcio como C ₄ AH ₁₃ , C ₃ AH ₆ o hidrogranate , o en combinación con sílice C ₂ ASH ₈ o esträtlingita ( notación química del cemento ). En presencia de grupos aniónicos como sulfato, carbonato o cloruro, se pueden formar fases AFm y fases AFt o etringita .

La reacción puzolánica es una reacción a largo plazo que involucra ácido silícico disuelto, agua y CaO o Ca(OH) ₂ u otras puzolanas para formar una matriz de cementación fuerte. Este proceso suele ser irreversible. Se necesita una cantidad suficiente de iones de calcio libres y un pH alto de 12 o más para iniciar y mantener la reacción puzolánica. ^[2] Esto se debe a que a un pH de alrededor de 12, la solubilidad de los iones de silicio y aluminio es lo suficientemente alta como para sustentar la reacción puzolánica.

La molienda prolongada ^{[ aclaración necesaria ]} da como resultado una mayor actividad puzolánica al crear una mayor área de superficie específica disponible para la reacción. Además, la molienda también crea defectos cristalográficos en la superficie de la partícula y debajo de ella. La velocidad de disolución de las fracciones de silicato deformadas o parcialmente desconectadas aumenta considerablemente. Incluso los materiales que comúnmente no se consideran que se comporten como una puzolana , como el cuarzo , pueden volverse reactivos una vez molidos por debajo de un cierto diámetro crítico de partícula. ^[3]

La composición química general de una puzolana se considera uno de los parámetros que rigen el rendimiento a largo plazo (por ejemplo, la resistencia a la compresión) del aglutinante de cemento mezclado. La norma ASTM C618 prescribe que una puzolana debe contener SiO2 + _{Al2O3 +} Fe2O3 _≥ 70 _% en peso. En el caso de un material (cuasi) monofásico, como las escorias de alto horno, la composición química _general puede considerarse un parámetro significativo; para los materiales multifásicos, solo se puede buscar una correlación entre la actividad puzolánica y la química de las fases activas. ^[4]

Muchas puzolanas consisten en una mezcla heterogénea de fases de diferente actividad puzolánica. Obviamente, el contenido de fases reactivas es una propiedad importante que determina la reactividad general. En general, la actividad puzolánica de las fases termodinámicamente estables en condiciones ambientales es baja en comparación con la de las fases menos estables termodinámicamente, sobre una base de superficie específica equivalente. Los depósitos de ceniza volcánica que contienen grandes cantidades de vidrio volcánico o zeolitas son más reactivos que las arenas de cuarzo o los minerales arcillosos detríticos . En este sentido, la fuerza impulsora termodinámica detrás de la reacción puzolánica sirve como un indicador aproximado de la reactividad potencial de un material de (alumino-)silicato. De manera similar, los materiales que muestran un desorden estructural , como los vidrios, muestran actividades puzolánicas más altas que los compuestos cristalinos ordenados. ^[5]

La velocidad de la reacción puzolánica también puede ser controlada por factores externos como las proporciones de la mezcla, la cantidad de agua o espacio disponible para la formación y el crecimiento de los productos de hidratación y la temperatura de reacción. Por lo tanto, las propiedades típicas del diseño de la mezcla de cemento mezclado, como la proporción de reemplazo de puzolana por cemento Portland, la proporción de agua a aglutinante y las condiciones de curado, afectan fuertemente la reactividad de la puzolana agregada.

La evaluación mecánica de la actividad puzolánica se basa en una comparación de la resistencia a la compresión de las barras de mortero que contienen puzolanas como reemplazo parcial del cemento Portland con las barras de mortero de referencia que contienen solo cemento Portland como aglutinante. Las barras de mortero se preparan, se moldean, se curan y se prueban siguiendo un conjunto detallado de prescripciones. Las pruebas de resistencia a la compresión se llevan a cabo en momentos fijos, generalmente 3, 7 y 28 días después de la preparación del mortero. Un material se considera puzolánicamente activo cuando contribuye a la resistencia a la compresión, teniendo en cuenta el efecto de la dilución. La mayoría de las normas o estándares técnicos nacionales e internacionales incluyen variaciones de esta metodología.

Un material puzolánico es por definición capaz de unirse al hidróxido de calcio en presencia de agua. Por lo tanto, la medición química de esta actividad puzolánica representa una forma de evaluar los materiales puzolánicos. Esto se puede hacer midiendo directamente la cantidad de hidróxido de calcio que consume una puzolana a lo largo del tiempo. Con una alta relación agua-aglutinante (soluciones suspendidas), esto se puede medir por titulación o por técnicas espectroscópicas . Con relaciones agua-aglutinante más bajas (pastas), se utilizan comúnmente técnicas de análisis térmico o difracción de rayos X en polvo para determinar el contenido restante de hidróxido de calcio . Se han desarrollado otros métodos directos que apuntan a medir directamente el grado de reacción de la propia puzolana. En este caso, se han utilizado disoluciones selectivas, difracción de rayos X en polvo o métodos de análisis de imágenes de microscopía electrónica de barrido .

Los métodos indirectos comprenden, por un lado, métodos que investigan qué propiedades del material son responsables de la reactividad de la puzolana con la portlandita. Las propiedades del material de interés son el contenido de sílice y alúmina (re)activos, el área superficial específica y/o las fases minerales y amorfas reactivas del material puzolánico. Otros métodos determinan indirectamente el grado de actividad puzolánica midiendo una propiedad física indicativa del sistema de reacción. Las mediciones de la conductividad eléctrica , la contracción química de las pastas o la evolución del calor mediante calorimetría de flujo de calor pertenecen a la última categoría.

• Cook DJ (1986) Puzolanas naturales. En: Swamy RN, Editor (1986) Cement Replacement Materials , Surrey University Press, pág. 200.
• Lechtman H. y Hobbs L. (1986) "El hormigón romano y la revolución arquitectónica romana", Cerámica y Civilización Volumen 3: Cerámica de alta tecnología: Pasado, presente, futuro , editado por WD Kingery y publicado por la American Ceramics Society, 1986; y Vitruvio, Libro II:v,1; Libro V:xii2.
• McCann AM (1994) "El puerto romano de Cosa" (273 a. C.), Scientific American, Ancient Cities , pp. 92-99, por Anna Marguerite McCann. Cubiertas, hormigón hidráulico, de "mortero puzolánico" y los 5 pilares, del puerto de Cosa , el faro en el pilar 5, diagramas y fotografías. Altura de la ciudad portuaria: 100 a. C.
• Mertens, G.; R. Snellings; K. Van Balen; B. Bicer-Simsir; P. Verlooy; J. Elsen (2009). "Reacciones puzolánicas de zeolitas naturales comunes con cal y parámetros que afectan su reactividad". Cement and Concrete Research . 39 (3): 233–240. doi :10.1016/j.cemconres.2008.11.008. ISSN  0008-8846.