Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de hormigones autocompactantes

Transcripción

1 3º Congreso Iberoamericano sobre hormigón autocompactante Avances y oportunidades Madrid, 3 y 4 de Diciembre de 2012 Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de hormigones autocompactantes P. Anaya Gil Centro de Investigación en Seguridad y Durabilidad Estructural y de Materiales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España. C. Andrade Perdrix Centro de Investigación en Seguridad y Durabilidad Estructural y de Materiales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España. A. Castillo Talavera Centro de Investigación en Seguridad y Durabilidad Estructural y de Materiales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España. M.E Maciá Torregrosa Departamento de Ingeniería de la Edificación, Universidad San Pablo CEU, España. RESUMEN Desde sus inicios, en Japón, la utilización del hormigón autocompactante (HAC) ha experimentado un gran aumento tanto en la obra civil como en la edificación, especialmente en el campo de la prefabricación. Este desarrollo en la tecnología del hormigón trae consigo un especial interés en el estudio y valoración de las propiedades mecánicas y físico-químicas en el hormigón endurecido durante toda su vida útil. En la actualidad, uno de los aspectos fundamentales sobre el que es necesario profundizar es el comportamiento al fuego de los HAC. El objetivo del presente estudio es comparar los comportamientos de distintos HAC, con y sin filler calizo, sometidos a altas temperaturas. Se han analizado las propiedades mecánicas y microestructurales de distintas dosificaciones a temperatura ambiente y tras estar sometidas a la curva de fuego normalizada ISO 834. Los cambios producidos en la composición de las pastas de cemento a altas temperaturas han sido caracterizados mediante técnicas de análisis térmico (ATD/TG) y mediante difractometría de Rayos X (DRX), mientras que la variación de la porosidad ha sido analizada mediante porosimetría de intrusión de mercurio (MIP). Los resultados muestran las diferencias en los comportamientos tanto mecánicos (resistencia a compresión) como microestructurales en los HAC, con y sin filler calizo. PALABRAS CLAVE: Autocompactante, fillers calizos, fuego, microestructura, propiedades mecánicas. 303

2 Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de HAC 1.- INTRODUCCIÓN El gran crecimiento del uso de los hormigones autocompactantes en la industria de la construcción ha traído consigo una atención creciente a las propiedades mecánicas y físico-químicas de la pasta endurecida, así como a la comparación con las del hormigón convencional. Con la extensión de su uso, también aumentan los riesgos de que estructuras ejecutadas con HAC estén sometidas a una situación de incendio, por lo que es necesario profundizar en el comportamiento a altas temperaturas de dichos hormigones. Las pocas investigaciones que se han centrado en este tema muestran un decrecimiento de la resistencia y un aumento en el riesgo de spalling con respecto a los hormigones convencionales. La mayor parte de los estudios sobre el comportamiento del hormigón autocompactante a elevadas temperaturas se han centrado en conocer las alteraciones sobre sus propiedades mecánicas (resistencia a compresión, límite elástico, fluencia, etc.) o sobre sus propiedades físicas (conductividad térmica expansión, porosidad). Sin embargo, son escasas las referencias respecto a los cambios químicos que se producen en los propios componentes del hormigón o el estudio simultaneo de las alteraciones físico-químicas de los materiales [1]. El uso únicamente de propiedades mecánicas y térmicas de los materiales para los análisis estructurales en caso de incendio puede resultar, en ocasiones, insuficiente. Aunque los modelos termo-mecánicos han sido utilizados con éxito en la estimación de deformaciones y de estados límites en elementos estructurales, el dominio del comportamiento microestructural del material sometido a altas temperaturas se hace imprescindible en el diseño de mezclas para hormigones. En este estudio se ha analizado como afecta la presencia de fillers calizos a las propiedades microestructurales, físicas y mecánicas de los HAC. 2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Descripción de las probetas Se realizaron dos amasadas diferentes de HAC, con filler y sin filler calizo, cuya denominación es la siguiente: HCWF (sin filler) y HCF (con filler). De cada una de las amasadas se elaboraron 5 probetas cúbicas de 15x15x15 cm, curándose en cámara húmeda durante 28 días Materiales El cemento utilizado para la elaboración de los distintos hormigones fue un CEM I- 52,5. El agua utilizada para la mezcla procede del suministro del Canal de Isabel II. Los áridos empleados han sido arena silícea 0/2 y grava caliza gruesa 4/11. El tamaño máximo de árido grueso se ha fijado en 11 mm, aunque la Instrucción EHE-08 [2], en su Anejo 17, permite usar tamaños hasta 25 mm, recomendando tamaños máximos comprendidos entre 12 y 20 mm (Artículo 28º). Ambos áridos son lavados, por lo que tienen un contenido en partículas finas casi despreciable. Las características de densidad y absorción se muestran en la Tabla

3 P.Anaya, C. Andrade, A. Castillo, M.E. Maciá Tabla 1. Densidad y absorción; arena silícea 0/2 y grava caliza 4/11 Arena silícea fina 0/2 Grava caliza 4/11 Valor medio de finos <0,063 mm [%] 0 (lavada) 0 (lavada) Densidad real de la muestra [g/cm 3 ] 2,630 2,697 Coeficiente de absorción del agua [%] 0,5 1,2 Densidad real seca [g/cm 3 ] 2,628 2,642 La única adición utilizada es el filler calizo. Su granulometría cumple con la norma UNE 12620:2002. Se han utilizado dos tipos de aditivos superplastificantes (Aditivos A y V), basados en policarboxilatos modificados Dosificación. Criterios de diseño de la mezcla Se elaboraron dos dosificaciones distintas de hormigón autocompactante (HCF y HCWF; ver Tabla 2) que cumplen con las directrices marcadas por el Anejo 17 de la EHE. Se buscaron hormigones con similares relaciones agua/cemento y parecidas cantidades totales de cemento y grava. El hormigón autocompactante HCF sustituyó parte de la arena fina presente en el HCWF por fillers calizos. Tabla 2. Dosificaciones de los hormigones HCF y HCWF HCF (Peso SSS)[kg/m 3 ] HCWF (Pesos SSS) [kg/m 3 ] Agua Cemento Agua/cemento efectiva 0,34 0,36 Grava 4/ Arena fina 0/ Filler Agua/(cemento+fillers) 0,27 0,36 Aditivo 5,88 (Aditivo A) 6,16 (Aditivo V) Experimentación Tras el curado de las probetas, cuatro de ellas (dos por cada amasada) fueron ensayadas a compresión hasta rotura, mientras que otras cuatro fueron sometidas a la curva ISO de calentamiento durante una hora, alcanzando temperaturas en la superficie cercanas a los 950ºC. Tras su enfriamiento, también fueron ensayadas a compresión con el objetivo de comprobar la resistencia residual de ambos hormigones. Cabe reseñar que una de las probetas HCF sufrió spalling de esquina (Figura 1). La quinta probeta de cada amasada fue dividida en dos partes iguales de 15x15x7,5 cm. Una de las partes fue introducida en el horno, la otra se conservó en ambiente de laboratorio. Estas medias probetas fueron reservadas para realizar ensayos de caracterización de la microestructura en los laboratorios del CISDEM. 305

4 Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de HAC Figura 1. Probeta HCF (filler calizos) antes y después de estar sometida a la curva ISO de calentamiento durante una hora 3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN Análisis Térmico Diferencial (ATD) y Termogravimétrico (TG) Las técnicas termo-analíticas, incluyendo el análisis termogravimétrico (TG) y análisis térmico diferencial (ATD), han sido utilizadas anteriormente con éxito para determinar la evolución de la pasta de cemento expuesta a altas temperaturas. Numerosos autores [Kakali et al. (1998); Stepkowska et al. (2004); Buchler et al. (2000)] han descrito las reacciones que tienen lugar en la pasta de cemento con el incremento de la temperatura. Figura 2. Análisis termogravimétrico (TG). Muestras HCF y HCWF El análisis térmico DTA/TG fue realizado sobre muestras beneficiadas tomadas de las probetas HCF (con fillers calizos) y HCWF, tras un curado de 28 días, antes y después 306

5 P.Anaya, C. Andrade, A. Castillo, M.E. Maciá de que fueran expuestas a la curva ISO 834 de calentamiento. Las muestras fueron llevadas hasta una temperatura de 1000ºC, con una rampa de 10ºC/min. Figura 3. ATD de las muestras de HCF y HCWF, conservadas en ambiente de laboratorio Los resultados del análisis termogravimétrico, realizado sobre las muestras tomadas de las probetas conservadas en ambiente de laboratorio, se exponen en la figura 2. Se observa que el comportamiento a altas temperaturas de los dos tipos de hormigones, aun siendo similar, presenta diferencias apreciables: - Entre los 30 y los 150ºC se produce un rápido descenso de peso por la pérdida de agua evaporable y una parte del agua adsorbida. En este rango de temperaturas, la pérdida de masa es mayor en el HCWF. [HCWF=3,87% ; HCF=3,28%] - En el intervalo de 110 a 300ºC tiene lugar la pérdida de la mayor parte del agua del gel CSH. La descomposición del gel CSH y la pérdida del agua químicamente combinada comienza a los 110ºC [4] y a temperaturas entre 200 y 300 ºC casi todo el gel ha perdido parte de sus moléculas de hidratación y su estructura rígida comienza a debilitarse. - Entre los 400 y los 600ºC se produce la disociación de la portlandita [Ca(OH) 2 ] en óxido de calcio [CaO] y agua [H 2 O] (1). Este proceso endotérmico puede observarse con claridad en los resultados del ATD [Figura 3]. endotérmica Ca( OH ) 2 CaO H 2 O (1) La velocidad de descomposición de la portlandita es nula a los 400ºC, alcanza su pico a aproximadamente a los ºC y desciende a cero al alcanzar los 550ºC. 307

6 Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de HAC - Entre los 700 y los 800ºC tiene lugar una pérdida de peso muy acusada debido a la descomposición del carbonato cálcico [CaCO 3 ] de los fillers calizos, en óxido de calcio [CaO] y dióxido de carbono [CO 2 ] (2): CaCO CaO CO (2) endotérmica 3 2 Mientras que las pastas de HAC con fillers calizos muestran una mayor estabilidad por debajo de los 700ºC, cuando la temperatura supera esta barrera, se produce una acusada pérdida de masa como consecuencia de la descarbonatación [ 14%]. Estas observaciones coinciden con las hechas por otros autores Difracción de Rayos X (DRX) Los resultados de la difracción se muestran en las figuras 4 y 5. En éstas se comparan los difractogramas de cada muestra antes y después de ser sometidos a altas temperaturas. El difractograma de las probetas que se mantuvieron en ambiente laboratorio muestra claramente los picos típicos de los morteros de cemento, es decir, portlandita [2θ=34,1º], calcita o carbonato cálcico [2θ=23,0º; 29,4º; 36,0º; 39,4º] y cuarzo o sílice [2θ=20,8º; 26,6º; 36,5º; 39,4º]. La señal de cuarzo se corresponde con el árido fino silícico utilizado en la fabricación de los hormigones, mientras que los picos detectados de carbonato cálcico [CaCO 3 ] pueden deberse a la carbonatación de la portlandita o a restos de los áridos calizos. HCF HCWF Figuras 4 y 5. DRX de HCF y HCWF antes y despues de ISO 834. Q:Cuarzo; CC:Calcita; CnS:Silicatos; CO:Óxido de calcio; CH:Portlandita 308

7 P.Anaya, C. Andrade, A. Castillo, M.E. Maciá En cuanto a las muestras tomadas de las probetas sometidas a la curva ISO 834 de calentamiento durante una hora (930º aproximadamente) puede destacarse el incremento relativo de la cantidad de silicatos CnS [2θ=32,1º], procedente de la descomposición de los geles del cemento [6]. Según las observaciones de Ye et al. (2007) la descomposición del gel C-S-H en β-c2s y β CS, se produce a los 720ºC. Por otra parte, el aumento del pico debido al óxido de calcio (CaO) está vinculado a la desaparición de los picos relativos a la portlandita y al carbonato cálcico. Como se ha visto anteriormente, la portlandita se deshidrata a los ºC, mientras que la calcita se descompone aproximadamente a los ºC Porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) El estudio de la estructura porosa sólo ha sido posible realizarlo sobre las muestras de referencia, ya que las sometidas a la curva ISO 834 alcanzaron un grado de degradación tal que hizo imposible su ensayo. En la Figura 6 se muestra el volumen de intrusión de mercurio acumulado para cada uno de los hormigones estudiados. En la Figura 7 se reflejan los tamaños críticos de poro. VOLUMEN ACUMULATIVO [ml/g] HCF5 HCWF ,1 DIÁMETRO DE PORO [μm] 0,01 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0, ,001 dv/dlogd [ml/g] HCF5 HCWF ,1 DIÁMETRO DE PORO [μm] Figuras 6 y 7. Volumen de intrusión de mercurio acumulado y tamaño crítico de poro en los hormigones HCF y HCWF 0,01 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0, ,001 La estructura porosa difiere sensiblemente entre los HCF y los HCWF. En la figura 3 se observa claramente que el volumen acumulado de intrusión de mercurio es menor en el HCF (aunque la muestra de HCWF está alterada por una serie de fisuras que pueden identificarse en las Figuras 3 y 4). Como se muestra en la Tabla 3, la porosidad total es también menor en los HCF. Tabla 3. Resultados de MIP para HCF y HCWF HCF (Fillers) HCWF (Sin fillers) Volumen de intrusión 0,0195 ml/g 0,0292 ml/g Diámetro de poro promedio 0,0377 µm 0,0585 µm Porosidad 4,5859 % 6,5591 % Liu (2006) determinó que en HAC a edades tempranas, el área efectiva de contacto, que está relacionada con la resistencia del material, es mayor para contenidos más altos de fillers calizos, para una misma relación agua/cemento. Esto indicaría que los HAC con 309

8 Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de HAC polvo calizo como adición tendrían una porosidad y un desarrollo microestructural mejor que aquellos hormigones sin esta adición. Este fenómeno se ajusta a las observaciones realizadas en este trabajo. Como se indicó anteriormente, no fue posible realizar un análisis mediante MIP en los hormigones que fueron sometidos a la curva ISO 834 debido a la alta degradación de la pasta. Ye et al. (2007) realizaron un estudio con MIP en probetas de hormigón autocompactante sometidas a altas temperaturas, concluyendo que la porosidad total y el tamaño de poro crítico aumentaban con la temperatura, debido a la descomposición de los principales productos de hidratación, el gel C-S-H y la portlandita. 3.4 Resistencia a compresión Las resistencias a 28 días de los hormigones con fillers calizos, conservados a temperatura ambiente, fueron del orden de un 10% superiores a aquellos que no contaban con esa adición [Tabla 4]. La causa probable de esta diferencia es que, aun teniendo la misma relación agua/cemento, los HCF tienen una menor porosidad y una microestructura más densa por la presencia de los fillers calizos, que colaboran de manera activa en el proceso de hidratación de la pasta. Tabla 4. Resistencia a compresión antes y tras curva ISO 834 HCF (Con fillers) HCWF (Sin fillers) Tª. Ambiente ISO834 Tª. Ambiente ISO834 Valor medio de resistencia a compresión (MPa) 81,58 4,72 72,70 7,5 Como puede observarse en la Tabla 5, la resistencia a compresión residual de los hormigones con fillers calizos queda reducida aproximadamente a un 5% de la original, mientras que alcanza un 10% en los hormigones sin fillers. En el análisis térmico expuesto anteriormente, se ha observado que mientras que las pastas de HAC con fillers calizos muestran una mayor estabilidad por debajo de los 700ºC, cuando la temperatura supera esta barrera, se produce una acusada pérdida de masa como consecuencia de la descarbonatación de los fillers, lo que aumenta la porosidad y trae consigo una pérdida en las propiedades mecánicas de los HCF. Por otra parte, cabe destacar que una de las probetas de HCF sufrió spalling en algunas de sus esquinas. Con respecto a este comportamiento, parece interesante reseñar que Bakhtiyari et al (2010), en su estudio sobre comportamiento a altas temperaturas de HAC con diferentes fillers, observaron que los HAC con fillers silíceos sufrieron spalling a los 500ºC, mientras que los que tenían fillers calizos, sufrieron spalling a los 750ºC. Tras dos semanas en ambiente de laboratorio, las medias probetas que habían sido sometidas a la curva ISO834 (y que no habían sido sometidas al ensayo de compresión) quedaron totalmente desagregadas (Figura 8), tanto aquellas que tenían fillers en su dosificación como aquellas que carecían de los mismos. Ambas dosificaciones contaban en su composición con un elevado porcentaje de gravas calizas 4/11 (Tabla 2). Estas gravas, compuestas principalmente por carbonato cálcico, se descarbonatan entre los 310

9 P.Anaya, C. Andrade, A. Castillo, M.E. Maciá 700 y los 800ºC. La posible causa de esta degradación sería, por tanto, la rehidratación parcial del óxido de calcio que se forma por descomposición del carbonato cálcico al entrar en contacto con la humedad del ambiente y su reacción expansiva en la fase de enfriamiento, formando portlandita y causando un incremento de volumen de aproximadamente el 40-45% [FIB, 2007], con la consiguiente ruptura de enlaces en la pasta de cemento (que a su vez ha sufrido retracción por pérdida de humedad). Esto se ajusta a las observaciones de Persson (2003) [8] [9]. Figura 8. Estado de las probetas sometidas a la curva ISO 834, tras 14 días de enfriamiento 3.- CONCLUSIONES Es bien conocido el mecanismo de deterioro de la pasta de cemento endurecida cuando se somete a elevadas temperaturas, debido tanto a la perdida del agua de hidratación del gel C-S-H y de la portlandita, como a la descarbonatación de la calcita. Este último proceso es el que ha llevado a plantear el presente estudio sobre como se produce en los hormigones con filler calizos. De los resultados obtenidos, es posible extraer las siguientes conclusiones: - Para una misma relación agua/cemento, la resistencia a compresión de los HAC con fillers calizos a temperatura ambiente es mayor que en aquellos que no los tienen, en consonancia con lo publicado por otros autores. Relacionado con este hecho, la porosidad total de los HAC con fillers calizos en su composición es inferior a aquellos hormigones que carecen de ellos. - Sometidos a elevada temperatura, los HAC con fillers calizos, en comparación con los que carecen de ellos, muestran una menor pérdida de masa por debajo de los 700ºC. Cuando la temperatura supera esta barrera, sufren una mayor pérdida de masa como consecuencia de la descomposición del CaCO 3. Vinculado a este fenómeno, la resistencia residual de los HAC con fillers calizos que han superado los ºC es menor que en aquellos hormigones que no cuentan con esta adición. - En cuanto a la integridad volumétrica, en ambos tipos de hormigones, una vez sometidos a la curva ISO de fuego, se aprecia una desagregación progresiva durante la fase de enfriamiento que lleva al desmoronamiento de las muestras. 311

10 Influencia del filler calizo en el comportamiento frente a fuego de HAC AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer a la Universidad San Pablo-CEU de Madrid y al CISDEM haber aportado los medios y las instalaciones necesarias para la realización de esta investigación. Así como agradecer al Consejo Superior de Investigaciones Científicas la financiación aportada a Pablo Anaya, por medio de una beca JAE- Predoctoral, para la realización de estos trabajos. Finalmente desean manifestar su agradecimiento al Dr. Salvador de Aza del Instituto de Cerámica y Vidrio, desgraciadamente fallecido, por haber inspirado este estudio. REFERENCIAS [1] ANDRADE, C; ALONSO, MC. - Evolución de la microestructura de hormigones de alta y ultra alta resistencia al ser expuestos a ambientes de elevadas temperaturas, Hormigón y acero, no. 221 (2001): [2] S.G.T. Centro de Publicaciones, Ministerio de Fomento. - Instrucción de Hormigón Estructural. EHE-08. 5a edición 2011, [3] YE, G, X LIU, G DE SCHUTTER, A POPPE, Y L TAERWE. - Influence of limestone powder used as filler in SCC on hydration and microstructure of cement pastes». Cement and Concrete Composites 29 (febrero 2007): ISSN [4] FÉDÉRATION INTERNATIONALE DU BÉTON. WORKING PARTY Fire design of concrete structures: materials, structures and modelling: state-of-art report (FIB - Féd. Int. du Béton, 2007). ISBN [5] YE, G., X. LIU, G. DE SCHUTTER, L. TAERWE, P. VANDEVELDE. - Phase distribution and microstructural changes of self-compacting cement paste at elevated temperature. Cement and Concrete Research 37 (2007): ISSN [6] BAKHTIYARI, S. - Self-compacting concrete containing different powders at elevated temperatures - Mechanical properties and changes in the phase composition of the paste. Thermochimica Acta 514, no. 1 2 (2011): ISSN [7] LIU, X - Microstructural Investigation of Self-Compacting Concrete and High- Performance Concrete during Hydration and after Exposure to High Temperatures». PhD Thesis. Ghent University (2006). [8] PERSSON, B. - Fire resistance of self-compacting concrete, SCC, Materials and Structures 37 (Noviembre 2004): ISSN , [9] PERSSON, B. - Self-Compacting concrete at fire temperature. Lund Institute of Technology. Lund University, ISSN: ISBN: