Cemento blanco para concreto de alto desempeño

Este articulo proviene de www.imcyc.com, Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. Revista Construcción y Tecnología - Enero 2001

Autores : L. Cassar, C. Pepe, G. P. Tognon, G. F. Guerrini, S. Cangiano y M. Goisis
Los autores pertenecen al CIG-Italcementi Group, Departamento de Laboratorios, Bergamo, Italia, salvo G.P. Tognon, que es consultor. Este artículo se publicó en Industia Italiana del Cemento, Feb 2000, y se reproduce con la autorización de la Assocoazione Italiana Tecno Gemomica del Cemento (AITEC).

Lo que da al concreto reforzado mayor dignidad arquitectónica es, sin duda alguna, su forma, y al concentrarnos en el mejoramiento de su superficie, podemos también lograr, al mismo tiempo, soluciones a costos reducidos.
Con el uso de cemento blanco, en particular, el concreto resultante no solamente se convierte en un material expresivo que, al tener una infinita variedad de tonos de color, intensifica una de sus cualidades estéticas, sino que además adquiere una validez destacada en términos de cualidades estructurales debido a su alta resistencia mecánica.

El cemento blanco hoy Gracias a la constante investigación en laboratorio sobre la estructura química y física de los clinkers blancos industriales, el cemento blanco ha adquirido una resistencia cada vez más alta y notable.

Además, ahora es posible obtener un excelente grado de blancura y garantizar su calidad permanente, estudios sobre la influencia de los componentes menores -los llamados tintes- y, en particular, el tratamiento de calor recibido por el clinker.

El clinker blanco se produce tomando la precaución de limitar a no más del 0.15 por ciento el contenido de compuestos ferrosos y otros compuestos metálicos pesados, cuya presencia da al cemento portland común su color gris distintivo.

Para lograr esto, se empieza por seleccionar cuidadosamente las materias primas: únicamente se usan caolines y piedras calizas blancas mineralógicamente puras. El control cromático (especialmente en el caso del cemento blanco) toma la forma de colorimetría de luz reflejada usando materiales altamente reflectantes tales como el óxido de magnesio o el titanio.

Los resultados de pruebas se ilustran en una cromográfica, de acuerdo con el sistema ICI (International Commission on Ilumination). En pocas palabras, la calidad "blanca" del cemento se mide usando tres parámetros:

1. Pureza, es decir, la intensidad del tono. La pureza se mide en porcentaje de color.

2. Longitud de onda dominante, es decir, la tonalidad del tono que acompaña y caracteriza cada cemento (por esta razón, no todos los cuerpos blancos son iguales). La longitud de la onda dominante se encuentra entre el amarillo y el azul.

3. Brillantez, es decir, el poder para reflejar la luz incidente (la característica más importante de los cuerpos blancos), expresada como la diferencia en porcentaje entre la luz reflejada por una superficie de cemento blanco y aquella reflejada por una superficie similar de óxido de magnesio, tradicionalmente considerado el cuerpo blanco ideal.

En cualquier caso, en lo que respecta a los cementos, la característica colorimétrica puede representarse únicamente mediante dos parámetros: brillantez y pureza.

El tercer parámetro (es decir, la longitud de onda básica), que normalmente se requiere para los diferentes polvos en los cementos, permanece básicamente igual (para cementos ordinarios, l = 577 ± 2 nm; para cementos blancos, l = 567 ± 2 nm).


Concreto de cemento blanco:

El diseño de la mezcla para un concreto hecho con cemento blanco necesita desarrollarse teniendo en cuenta dos propiedades que tienen un efecto igual sobre éste:
l. La estética o acabado de la superficie
2. La resistencia o propiedad estructural

En otras palabras, es necesario elegir los materiales apropiados para crear un balance delicado entre los componentes de la mezcla y garantizar el comportamiento reológico de la mezcla resultante.
En el caso de concreto de alta resistencia (CAR), las materias primas son: agua, cemento y agregado (lo mismo que en la mezcla de cemento ordinario), a los que se pueden añadir aditivos minerales y superfluidificantes, según se requiera.

Como resultado, el CAR tiene una microestructura que difiere significativamente de la de los concretos ordinarios: más compacta, con un sistema de poros capilares mucho más pequeños y una adherencia interfacial mucho más intensa de las capas que llevan a macropropiedades diferentes en términos de resistencia y durabilidad.

Veamos ahora cada uno de estos componentes de la mezcla, uno por uno.


Agua

La cantidad de agua está, ante todo, directamente ligada a la reología de la mezcla, y, finalmente a la microestructura del concreto.
Además del efecto reductor del superfluidificador, la dosis real de agua debe estar entre un límite inferior ligado al fraguado del colado y un límite superior ligado a :
1. la fluidez excesiva de la matriz que conduce a fenómenos de exudación;
2. la formación de porosidad capilar discontinua.

En la práctica, el límite superior se alcanza únicamente de manera ocasional debido a que el cemento blanco es extremadamente fino y esto tiene que ver con la viscosidad de la mezcla de cemento, lo que significa que nosotros normalmente podemos lograr la trabajabilidad requerida agregando cantidades mucho más pequeñas de agua que las correspondientes al principio de exudación.

En el concreto de alta resistencia, la dosis de agua está drásticamente limitada por la acción del fluidificador, y una vez que se añade a la mezcla es atribuida y está relacionada no solamente con la cantidad de cemento (relación agua/cemento), sino también con la combinación de cementos y agregados (relación agua/aglomerante) que están siempre presentes y que no son tan reactivos como el cemento mismo.

La razón de esto es estrictamente funcional, puesto que las propiedades del concreto brevemente curado están básicamente ligadas a su relación agua/cemento, mientras que las del concreto completamente curado están ligadas a la relación agua/aglomerante.

Debemos agregar que la cantidad real de agua necesaria, notablemente reducida gracias a la acción del aditivo, cae en un área de dosis muy bajas en la que cualquier variación, inclusive en un ligero porcentaje (4-5 litros/m3), tendrá un efecto sustancial en las propiedades finales del concreto, tanto cuando todavía está fresco como cuando se ha endurecido.

Tales efectos son menos notables cuando, como en el caso del concreto normal, la cantidad de agua requerida es relativamente alta y la curva que relaciona el agua con la reología y la resistencia del concreto, deja de aumentar acentuadamente y tiende a ser plana.


Cemento

En general, los cementos blancos que pertenecen a la clase 52.5 (es decir, que se caracterizan por un fraguado rápido y alta resistencia final y que también son apropiados para concreto de alto desempeño con un Ømáx. 15-25 mm) están dosificados a 300-400 kg/m3.

Para el concreto de tan alto desempeño, que además es sensible a pequeñas variaciones en sus componentes, la elección de la dosificación óptima requiere que se lleve a cabo, de antemano, una serie de pruebas, en las cuales el aglomerante (cemento + aditivo mineral) se haga de modo que varíe entre 400 y 600 kg/m3 en mezclas de proporciones normales de la misma consistencia y agregando la cantidad apropiada de agua.

Debe hacerse notar que el rendimiento óptimo del cemento (máxima resistencia con la dosis mínima) para cada nivel de resistencia varía inversamente con el Ømáx. del agregado.


Agregados

Al decidir sobre la combinación de los agregados -arena y agregados gruesos- hay que tener presentes los requisitos básicos para nuestro concreto.

En el primer caso -la estética- la elección del agregado grueso, y por lo tanto, su color, es de la mayor importancia para las superficies abiertas trabajadas (por ejemplo, martelinado, sopleteado con arena y lavado), mientras que la elección del agregado fino es decisiva para la coloración de las superficies abiertas sin ningún tratamiento posterior después de la remoción de las cimbras.

Se requiere arena muy ligera si queremos específicamente una superficie perfectamente blanca, mientras que es suficiente una arena coloreada (con frecuencia una arena común) si se requiere un tono más particular.

En ambos casos, el uso de cemento blanco en el concreto "abierto" nos permite tener un mortero mucho más brillante, en contraste con el color del agregado, resaltándolo de este modo si las superficies son "trabajadas" y haciendo que los colados sean más brillantes si las superficies se dejan "tal cual".

En mayor detalle, en comparación con la arena inicial, la superficie de un mortero endurecido obtenido con cemento blanco :

l. adquiere mayor brillantez mientras menos brillante es la arena;
2. asume un tono cada vez menos rosado y más azulado que el de las arenas.

De hecho, la longitud de onda de los materiales sueltos es más grande que la de las superficies endurecidas.

Los resultados de los experimentos con colores de arena/mortero muestran que no es necesario usar arenas particularmente blancas, las que con frecuencia son difíciles de encontrar, para crear un concreto con cemento blanco: felizmente, podemos usar bastante bien las arenas normales.

La "pérdida de color", o más bien los tonos obtenidos al pasar de la arena al mortero, puede tener un efecto crómatico muy placentero, con frecuencia preferible al blanco puro.
Sin embargo, cuando el diseñador quiere obtener un color brillante y definido, él cambia el color de la superficie agregando un mortero del color pertinente capaz de acentuar la coloración y de dar la longitud de onda dominante requerida. De este modo es posible obtener un espectro virtualmente infinito de tonos de color.

Para obtener concreto de alta resistencia, la granulometría del agregado fino no es crítica, pero son importantes la forma y la textura de las partículas debido a que tienen mucho que ver con la cantidad de agua necesaria para el mezclado.

Una arena natural es preferible a la arena triturada, ya que esta última requiere más agua y no se ve compensada en términos de mayor resistencia, gracias a la adherencia interfacial mejorada.

En este concreto, el contenido de agregado fino generalmente es muy alto, y es una razón para un contenido incrementado de cemento.
Se obtienen algunos beneficios limitando el agregado fino, especialmente si la cantidad de arena por volumen es menor de 0.80 veces su masa específica aparente y si el volumen de la mezcla es al menos 20 por ciento mayor que el índice de vacío de la arena no compactada.

En este caso, la contracción total no se verá obstruida por las partículas que llegan a estar en contacto una con otra, dando así motivo a grietas.

Ya que estamos considerando el agregado grueso, su color llega a tener importancia solamente cuando deseamos construir una estructura con superficies trabajadas. Sin embargo, este material -junto con sus características específicas- es el componente decisivo en términos de concreto de alta resistencia.

La razón de esto es que el agregado grueso rara vez limita la resistencia de un concreto normal; sin embargo, en este concreto particular, con su relación de agua/cemento entre 0.4 y 0.7, la matriz del cemento es el eslabón más débil, y por eso mismo también la adherencia interfacial, y no únicamente el agregado grueso. Por otro lado, cuando tenemos una relación de agua/cemento drásticamente reducida (0.2-0.3), la matriz de cemento se convierte en el elemento más fuerte en el concreto, o al menos de igual resistencia que el agregado grueso, alrededor del cual ha desaparecido el área de transición.

En este caso, el agregado grueso es el responsable de la limitación de la resistencia, ya que en un concreto cargado, mientras más grande es el diámetro, mayor es el esfuerzo de tensión generado en su región ecuatorial.

De ahí la elección de un Ømáx.reducido en el agregado (6-8 mm) de un concreto de alta resistencia.


Materiales aditivos finos (Aditivos minerales)

En las mezclas de alta resistencia, el uso generalizado (y necesario) de materiales finos adicionales se deriva de la necesidad de saturar los espacios que hay entre las partículas en la matriz del cemento con sólidos, más que con agua de mezclado.
Existen ciertas limitaciones involucradas en la compactación de la matriz de cemento, la cual sólo es posible reduciendo la relación a/c. Aun cuando "cortemos" la cantidad de agua, el concreto continúa pareciéndose al concreto ordinario en la mayoría de los aspectos, particularmente en términos del desarrollo de su resistencia y el calor de hidratación, pero especialmente mantiene una microestructura que es rica en C-H y C-S-H, con un efecto obvio sobre la durabilidad de este tipo de concreto.

Además, a fin de garantizar que la mezcla sea suficientemente trabajable, es necesario aumentar la cantidad de cemento usado, con mayores consecuencias sobre el calor y la contracción térmica.

Otro cambio importante en la microestructura de este concreto es la adición de materiales minerales finos en la mezcla, mejorando así tanto las características físicas como las químicas del concreto.

De hecho, las partículas muy finas en la mezcla se endurecen para bloquear los poros entrelazados, bloqueando así la conexión de la red capilar e incrementando los sitios nucleares con la precipitación de los productos de hidratación.

El efecto de todo esto es acelerar el proceso de hidratación y reducir el tamaño de los capilares.

Finalmente, la reacción puzolánica produce una compactación más intensa en el área interfacial mezcla/agregado, con la acumulación de una cantidad más pequeña de C-H aquí que en la misma área en los concretos normales.

Además, puesto que el cemento recoge rápidamente la piedra caliza a medida que se hidrata, ya no se permite la formación de macrocristales (y en caso de formarse, son extremadamente pequeños).

En el caso de los concretos de cemento blanco, es claro que los materiales puzolánicos finos deben ser blancos y que de todos los materiales concurrentes disponibles (tales como humo de sílice, escoria de alto horno, ceniza volante, cáscara de arroz y metacaolín), solamente puede considerarse este último.

De hecho, el humo de sílice -el material más comúnmente empleado en el concreto de alta resistencia- colorea la mezcla aun cuando sea particularmente ligero en el color.

Por esta razón, debe ser excluido junto con los otros materiales arriba mencionados, a menos que se pueda aceptar la apariencia de sus tonos particulares en el colado abierto.

El metacaolín es, por su naturaleza, blanco y altamente reactivo, y es por eso una alternativa válida para el humo de sílice. Este es un silicato de aluminio obtenido a través de la calcinación de caolín puro dentro de un rango de temperatura establecido.

El tamaño promedio de las partículas es de 1.5 micrones (el del cemento portland es de 10 micrones). El metacaolín actúa de tres maneras:
l. como un rellenador con acción inmediata;
2. acelerando la hidratación a una intensidad mayor dentro de las primeras 24 horas;
3. por medio de una reacción puzolánica con el C-H entre el séptimo y el vigesimoctavo día.


Adición de dióxido de titanio para lograr durabilidad estética

Una nueva e interesante idea, algo aventurada, en el campo de los concretos blancos, y que está ligada a los movimientos amplios para reducir la contaminación ambiental a través del uso de materiales específicos de construcción, es el desarrollo de un aglomerante blanco con un aditivo especial de dióxido de titanio en su mayor parte en forma de amatasa.
El producto de cemento hecho con este tipo de aglomerante, gracias al efecto fotocatalítico del dióxido de titanio, logra mantener inalterada su vista original durante mucho tiempo sin que aparezcan moteados en la superficie expuesta.
Las pruebas sobre la formulación de este elemento "autolimpiador," además de las investigaciones más cuidadosas que se están haciendo, especialmente en Japón, confirman que la actividad fotocatalítica del TiO2 a través de la oxidación en presencia de la luz y el oxígeno atmosférico en los enyesados, morteros y concretos compuestos preparados en el laboratorio logra reducir significativamente los varios tipos de contaminantes (subestratos orgánicos tales como componentes aromáticos de fenantroquinone y policondensados).

Se ha demostrado que la durabilidad estética del producto (es decir, su capacidad para mantener su color inalterado durante mucho tiempo) no tiene efectos adversos sobre la resistencia del material.


Aditivos reductores de agua

Puesto que los concretos de alta resistencia demandan niveles de agua con una relación de agua/aglomerante de 0.20-0.35, la tecnología para el concreto de alta resistencia recurre al uso de la nueva generación de aditivos tales como los acrílicos, más que a los condensados, sulfonatos de melamina -formaldeído o naftaleno- formaldeído.

Sin embargo, existe un problema causado por la incompatibilidad de estos aditivos con muchos elementos, y con los cementos blancos en particular.

Esta incompatibilidad (conocida desde hace algún tiempo), es particularmente común en las mezclas de concreto de alta resistencia: de hecho, las pruebas de la reología de la mezcla con, por ejemplo, una trabajabilidad inicial de 200 mm por al menos una hora o más después del mezclado, muy difíciles cuando no imposibles.
La investigación sobre la interacción entre el cemento y los superfluidificadores está todavía por ofrecer una explicación suficientemente buena para este fenómeno, aunque se han identificado algunos factores de incompatibilidad.
En el caso de los cementos: el contenido C3A y su reactividad ligada a la morfología; el contenido de C4AF y la forma final del yeso en el cemento.
En el caso de los superfluidificadores: la longitud de la cadena molecular y la posición del grupo sulfonato en la cadena, el tipo de cationes y la presencia de sulfatos residuales que influyen en las propiedades de defloculación del cemento.
Tampoco se trata de la cinética de la hidratación inicial del cemento, ya que el espesamiento rápido de la mezcla con el aditivo ocurre tanto cuando la relación agua/cemento es de aproximadamente 0.3 (cuando las distancias entre las partículas de la mezcla son cortas y el número de iones que puede entrar en la solución es también bajo), como cuando la relación agua/cemento es mayor de 0.5, como en el caso de los concretos normales.

Los factores señalados aquí forman la base de nuestra experiencia, y de ninguna manera son exhaustivos.
Es muy posible que, a medida que continúen los estudios de investigación, podamos encontrar la respuesta encontrando el aditivo específico sin tener que modificar la composición mineralógica del cemento (una tarea tecnológicamente difícil pero no imposible).
El problema se resolvió recientemente usando un sistema de aditivos con dos componentes: fórmula A (agente de compatibilidad), libre de agua y que no puede mezclarse con agua, premezclado cuando está seco con el cemento o alicuota (master) del material fino agregado (metacaolín), y fórmula B, un acrílico que se agrega en el momento del mezclado.


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