Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en ...

3º Congreso Iberoamericano sobre hormigón autocompactante
Avances y oportunidades
Madrid, 3 y 4 de Diciembre de 2012
Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en
hormigones autocompactantes fabricados con filler y lodos
de naturaleza caliza
J.M. Meneses, C. Pacheco
Instituto Tecnológico de Rocas Ornamentales y Materiales de Construcción, Cáceres,
España.
RESUMEN
B. Barragán
Owens Corning, Chambéry, Francia
El creciente desarrollo y aplicación del hormigón autocompactante está permitiendo
mejorar múltiples aspectos de la construcción. Su inherente fluidez permite crear
estructuras de geometría compleja que no son posibles mediante el hormigón
convencional. Si a esto se considera la posibilidad de incorporación de un filler
procedente de residuos de lodos de corte de mármol, tendremos un material que además
reúne ventajas medioambientales con carácter sostenible. Este tipo de material debe
garantizar que se mantengan las propiedades físico-químicas y de durabilidad del
hormigón.
En este trabajo se ha estudiado comparativamente la influencia de la naturaleza del filler
en la extensión del ataque interno por sulfatos en hormigones autocompactantes (HACs)
fabricados con filler y residuos de lodos de naturaleza caliza. Los HACs fueron
expuestos en un ambiente húmedo durante un período total de 4 años, en el cual se
realizaron medidas de expansión. La extensión del ataque por sulfatos se determinó
mediante una caracterización mineralógica y microestructural. Los HACs se
caracterizaron por presentar comportamientos muy similares frente al ataque interno por
sulfatos. Los resultados obtenidos parecen indicar la formación inicial de etringita
diferida y su posterior descomposición generando yeso debido a la carbonatación
natural. La elevada superficie específica aportada por el material fino de relleno y la
humedad presente pueden acelerar este proceso.
PALABRAS CLAVE: Hormigón autocompactante, ataque sulfatos interno, lodos,
filler calizo, yeso.
1.- INTRODUCCIÓN
Durante los últimos años se ha incrementado en Europa el uso del filler calizo empleado
como adición en la preparación de cemento Portland. Se espera que la producción de
filler sea aún mayor debido a los beneficios técnicos, económicos y ecológicos que éste
aporta. Es de sobra conocido, que la inclusión de filler calizo en el hormigón
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Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en HACs
autocompactante (HAC) evita la segregación de las partículas mayores dentro la mezcla
en estado fresco; esto permite que puedan emplearse grandes cantidades del mismo (50-
200 kg m -3 ) como material fino adicional convirtiendo al HAC en un material de coste
razonable [1].
Paralelamente, hoy en día se están planteando soluciones medioambientales basadas en
reciclado de lodos del corte de mármol, que constituyen una materia prima adecuada
para la elaboración de hormigones autocompactantes [2]. Debido a su composición
mayoritaria de carbonato cálcico y su reducido tamaño de partícula, éste ejerce
funciones muy similares a las que presenta el filler convencional [2]. A pesar de las
ventajas de este tipo de filler es necesario evaluar su durabilidad a corto y largo plazo.
El ataque por sulfatos es originado por la reacción que se establece entre el aluminato
tricálcico (C3A) del cemento y el los iones sulfatos cuya procedencia puede ser de
fuentes externas o internas. En el ataque externo los iones sulfatos produce la formación
de diferentes tipos de sales como yeso o etringita [1]. El ataque interno de sulfatos
presentes en el hormigón durante su puesta en obra, da lugar a la formación de etringita
diferida que causa expansión y disrupción del mismo [3] En los últimos años,
diferentes trabajos han demostrado que el ataque por sulfatos en hormigones con áridos
y filler carbonatados pueden dar lugar a la formación de thaumasita [4]; cuyos efectos
son más agresivos que los asociados exclusivamente al yeso y la etringita [1].
En este trabajo se ha estudiado la influencia que presenta el contenido interno total de
sulfatos presentes en la composición del cemento y áridos en hormigones
autocompactantes fabricados con filler y lodos de naturaleza caliza. Dicho trabajo se
presenta como un estudio complementario del ataque externo por sulfatos realizado
sobre hormigones de la misma naturaleza [5].
2.- EXPERIMENTAL
2.1.- Materiales
En la fabricación de los hormigones se utilizó cemento portland tipo CEM I 52,5 R con
un contenido de sulfatos del 3,40 % (Tabla 1) y un 8,63 % de C3A (Tabla 2). Se empleó
arena y árido grueso calizos de granulometrías 0-5 mm y 5-12 mm con un contenido de
sulfatos del 0,13 %. La composición del filler calizo (F) y los lodos de corte de mármol
(L) contenían 0,10 y 0,04 % de sulfatos respectivamente (Tabla 2). Con los datos de
composición se estimó un contenido total de sulfatos en los HAC’s comprendido entre
un 3,57-3,63 %. El aditivo empleado en la dosificación fue un superplastificante de Sika
S.A. diseñado para mejorar la reología del HAC fabricado con lodos [2].
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Producto SiO2
[%]
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J.M. Meneses, C. Pacheco, B. Barragán
Tabla 1. Composición química del cemento y subproductos
empleados
Al2O3
[%]
Fe2O3
[%]
CaO
[%]
MgO
[%]
SO3
[%]
Na2O
[%]
K2O
[%]
P.F.
[%]
Cemento 20,4 5,46 3,46 62,7 1,88 3,40 0,15 0,80 1,30
Lodos[6] 0,36 0,00 0,04 55,3 0,44 0,10 0,02 0,001 43,4
Filler[6] 7,81 1,25 N,D* N,D* 1,61 0,04 0,16 0,30 39,6
*No determinado
Tabla 2. Composición mineralógica de fases del cemento
C3S [%] C2S [%] C3A [%] C4AF [%]
48,52 22,03 8,63 10,52
Se empleó una dosificación similar en ambos HACs, excepto en la cantidad de
superplastificante, que se ajustó para mantener las condiciones de trabajabilidad de la
mezcla (Tabla 3). Las probetas se conservaron durante 28 días a 20 ºC y un 95% de
humedad relativa. A los hormigones fabricados con filler calizo se les dio la notación
HAC-F y con lodos HAC-L.
Tabla 3. Dosificación de HACs con filler calizo convencional y lodos
de corte de mármol
Componentes HAC-F [kg m -3 ] HAC-L [kg m -3 ]
Cemento CEM I 52,5 R 427 427
Filler/lodos 128 128
Agua 192 192
Arena 0-5 mm 963 963
Árido grueso 5-12 mm 647 647
Superplastificante 7,95 8,90
Las propiedades en estado fresco de ambos hormigones como el escurrimiento, y el
tiempo T50, etc. también se estudiaron. Los resultados se recogen en la Tabla 4.
Tabla 4. Características en estado fresco
Propiedades HAC-F HAC-L
a/c 0,45 0,45
filler/c 0,3 0,3
Arena-grava [%] 60-40 60-40
Volumen de pasta [%] 39 39
Escurrimiento [mm] 638 670
T50 [s] 1,7 1,1

Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en HACs
2.2.- Metodología de ensayo
El grado de extensión del ataque interno de sulfatos se evaluó a partir de ensayos de
expansión en probetas de hormigón mediante su exposición en agua durante un periodo
prolongado y posterior análisis microestructural. Se estableció un análisis comparativo
con respecto a los hormigones a la edad de 28 días.
Se registró la expansión en los HACs con medidas de longitud regulares entre 1-52
semanas, según procedimiento interno basado en la norma ASTM C1012-04. Para ello
se procedió a la inmersión en agua desionizada grado MiliQ de probetas prismáticas de
hormigón de 75x75x275 mm fabricadas según la dosificación indicada (Tabla 3) y
manteniéndolas en un entorno a temperaturas constantes de 5 y 20 ºC tras 28 días de
curado. Se mantuvieron estas condiciones hasta un período total de 4 años. Durante los
últimos tres años no se realizó ninguna medida adicional hasta el momento de retirarlas.
Al final de este ensayo se obtuvieron un total de cuatro muestras adicionales de
hormigón (Tabla 5).
Tabla 5. Notación de hormigones tras 4 años de inmersión en agua
Notación Denominación del hormigón
HAC-FA5 Hormigón autocompactante con filler calizo en agua a 5 ºC
HAC-FA20 Hormigón autocompactante con filler calizo en agua a 20 ºC
HAC-LA5 Hormigón autocompactante con lodos de corte en agua a 5 ºC
HAC-LA20 Hormigón autocompactante con lodos de corte en agua a 20 ºC
La caracterización mineralógica del ataque se realizó mediante DRX sobre la fracción
de mortero previamente triturada y tamizada a un tamaño de partícula de 0.063 mm. Los
difractogramas se obtuvieron por el método del polvo total sobre con un equipo X´Pert
Phillips con radiación CuK. Se estableció un barrido 2 entre 4-30º y un ángulo de
paso de 0,03º.
En el análisis TG/ATD se empleó una termobalanza Labsys Evo1600 de Setaram
aplicando una rampa de calentamiento de 30-1100 ºC a 10 ºC min -1 bajo una atmósfera
inerte de helio. A partir de los termogramas se determinaron los contenidos totales de
yeso (CaSO4·2H2O), portlandita (Ca(OH)2) y carbonato cálcico (CaCO3). Se determinó
el grado de hidratación () de la pasta de cemento a partir de la relación entre la
cantidad de agua de hidratación, calculada a partir de la pérdida de masa entre 105-1100
ºC, y el máximo valor de hidratación para el cemento portland tipo I considerado en la
literatura como 0,25 g g -1 de cemento [6].
La porosimetría de mercurio se realizó con un AutoPore IV 9500 de Micromeritics
sobre testigos de hormigón según la norma ASTM D4404-04. Los testigos fueron
previamente secados en estufa a 110 ºC durante 24 h. El tiempo de equilibrio fue 20 s y
el rango máximo de intrusión se estableció a 219 MPa. El ángulo de contacto utilizado
fue 117º según recomiendan algunos autores para muestras de hormigón y morteros
secados en estufa [7].
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3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
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3.1.- Medidas de expansión
Las medidas de longitud mostraron un comportamiento diferente en función del tipo de
hormigón (Figura 1). En todos los casos se observó una rápida expansión inicial durante
las cuatro primeras semanas de inmersión en agua. Los hormigones fabricados con filler
(HAC-FA5, HAC-FA20) presentaron mayor expansión con respecto a los lodos (HAC-
LA5, HAC-LA20). Los valores de expansión alcanzados en los hormigones con filler
presentaron una tendencia muy similar independientemente de la temperatura de
exposición, llegando a alcanzar valores cercanos al 0,03 % (Tabla 6). En los
hormigones con lodos la expansión observada fue mayor a 20 ºC. Tras cuatro años de
inmersión la longitud se incrementó ligeramente (Tabla 6).
Figura 1. Curvas de expansión de probetas inmersas en agua a 5ºC y
20 ºC registradas durante 1- 52 semanas
Las expansiones observadas pueden atribuirse a la formación de etringita diferida. La
presencia continua de un ambiente húmedo permite el llenado con agua del sistema
poroso del hormigón, esto favorece la difusión y la reacción de los iones sulfatos que
son aportados por las materias primas con el C3A [3]. La meseta tras 10 semanas
(Figura 1) está en línea con el mecanismo del ataque interno de sulfatos, en el cual tiene
lugar la ralentización de la reacción con la edad del hormigón debido al consumo de
sulfatos [8].
Tabla 6. Valores de expansión de probetas de hormigón a 52 semanas
y 4 años
Tipo de hormigón Expansión (52 semanas) [%] Expansión (4 años) [%]
HAC-FA5 0,026 0,033
HAC-FA20 0,029 0,034
HAC-LA5 0,011 0,014
HAC-LA20 0,019 0,021

Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en HACs
3.2.- Difracción de rayos X
Los difractogramas de los hormigones HAC-F y HAC-L a 28 días (Figura 2)
presentaban una composición mayoritaria de calcita, debido a la naturaleza de la arena,
el árido y los materiales finos empleados como son el filler calizo y los lodos. También
pudieron observarse contenidos mayoritarios de portlandita resultante del proceso de
hidratación del cemento y trazas de cuarzo. No se detectaron etringita ni thaumasita.
Tras cuatro años de inmersión se obtuvieron resultados muy similares
independientemente del tipo de hormigón y la temperatura de exposición a la que fueron
sometidos. Al igual que a 28 días, se observaron composiciones similares de calcita,
portlandita, cuarzo y en algún caso moscovita; cuyo origen estaría relacionado con la
composición del árido empleado. Por el contrario, se observó la aparición de un pico
asociado al yeso formado durante la exposición de las probetas a ambas temperaturas.
Por otro lado, no se detectaron picos de difracción a 15.8, 18.9 y 22.5º característicos de
la etringita ni a 16, 23.5 y 28° pertenecientes a la thaumasita.
Figura 2. Difracción de rayos X de HACs con filler calizo (izquierda)
y de lodos (derecha)
3.3.- Análisis térmico
Mediante análisis térmico diferencial (ATD) no se apreciaron cambios destacables en
las curvas con respecto a 28 días, obteniéndose resultados semejantes con los análisis
DRX. Las curvas ATD se caracterizaban por presentar picos exotérmicos entre 700-900
ºC debidos a la descomposición del carbonato cálcico y entre 450-550 ºC por la
deshidroxilación de la portlandita (Figura 3).
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Figura 3. Análisis térmico diferencial de HACs en agua a 5ºC y 20 ºC
El pico comprendido entre 100-200 ºC podría deberse a la descomposición del yeso
junto con la deshidratación de etringita o thaumasita [9] caracterizado por la presencia
de un pico doble entre 100-130 ºC [10]. La presencia a 136 ºC de un solo pico (figura 3)
parece corresponder a la descomposición de yeso como se verificó por DRX.
Los porcentajes de los componentes mayoritarios de la pasta de cemento determinados
mediante TG (Tabla 7) mostraron un contenido similar de carbonato cálcico con un 64-
68% siendo mayor en los HACs con lodos. Se observó un mayor porcentaje de yeso en
los hormigones HAC-F5 y HAC-F20 con respecto a los hormigones con lodos. En
ambos tipos de hormigones el yeso formado fue proporcional a la temperatura de
exposición con una variación entre 5 y 20 ºC de 1.87 y 3.01% para filler y lodos
respectivamente. Los contenidos de portlandita con respecto a los HAC’s a 28 días se
incrementaron entre un 0.25-0.43 encontrándose en correlación con el grado de
hidratación del cemento.
Tabla 7. Análisis térmico cuantitativo de los componentes
mayoritarios y grado de hidratación del cemento
Tipo hormigón Grado hidratación
[]
CaSO4·2H2O
[%]
Ca(OH)2
[%]
CaCO3
[%]
HAC-F 0,71 - 2,79 64,06
HAC-F5 0,70 7,41 3,05 64,17
HAC-F20 0,80 9,28 3,23 64,01
HAC-L 0,77 - 2,79 66,48
HAC-L5 0,80 5,79 3,13 67,08
HAC-L20 0,78 8,80 3,00 67,95
En el ataque de sulfatos el yeso puede producirse por la reacción entre los iones sulfatos
y la portlandita resultando un descenso de la misma [5]. Los contenidos de portlandita
(Tabla 7) indican que la formación de yeso deber haberse producido por una mecanismo
de reacción diferente.

Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en HACs
Algunos estudios han concluido que el dióxido de carbono descompone la etringita
debido a al descenso de pH y a reacciones de carbonatación. Además un exceso de agua
disuelve completamente la etringita dando lugar a yeso, carbonato cálcico e hidróxido
de aluminio [11,12] según la reacción siguiente:
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 3CaSO4·2H2O + CaCO3 + Al(OH)3 + 23H2O
Por otro lado, la elevada superficie específica que aporta el filler permite una mayor
cantidad de dióxido de carbono en el agua de los poros de la pasta [13] y de este modo
favorecer la reacción de descomposición. Otros autores como Blanco-Valera et al han
estudiado la formación de taumasita en morteros de cemento carbonatados encontrando
que estos destruyen la etringita para formar taumasita [4]. Ésta última no fue detectada
por DRX y ATD/TG.
Los resultados obtenidos apuntan a la formación de yeso no expansivo [14] debido a un
proceso de carbonatación de los HAC’s tras un largo período de exposición en agua.
Las diferencias en el porcentaje de yeso formado podrían estar relacionadas con la
influencia de la temperatura en la cinética de la reacción de descomposición [15].
3.4.- Porosimetría de intrusión de mercurio
Los datos de porosimetría indican que la inclusión de lodos da lugar a HACs más
porosos a 28 días con respecto a los de filler calizo. Estas diferencias pueden explicar
las diferencias de expansión entre ambos hormigones. Los lodos crean una interfase más
porosa y flexible en la que pueda cristalizar la etringita diferida durante las primeras
semanas de inmersión dando lugar una menor expansión [16].
Tabla 8. Parámetros obtenidos a partir de la intrusión de mercurio
en hormigones
Tipo de hormigón Porosidad
[%]
Radio poro medio
[µm]
HAC-F(28 días) 10,51 0,017 5,67
HAC-F5(4 años) 9,41 0,010 8,52
HAC-F20(4 años) 9,39 0,010 8,70
HAC-L(28 días) 11,37 0,015 6,55
HAC-L5(4 años) 9,25 0,009 9,23
HAC-L20(4 años) 9,39 0,010 8,70
280
Área total poros
[m 2 g -1 ]
Tras cuatro años de inmersión se produjo una disminución de la porosidad de los
HAC’s con respecto a la edad de 28 días entre un 1-2%, acompañada de una reducción
del tamaño de poro medio y un incremento del área total de poro a las temperaturas
estudiadas (Tabla 8).

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Figura 4. Distribuciones de porosidad de HAC con lodos (izquierda) y
filler calizo (derecha) inmersas en agua a 5 ºC y 20 ºC durante 4 años
Las distribuciones de porosidad (Figura 4), no presentan variaciones apreciables entre
0,1-100 µm con respecto a los HAC’s de referencia a 28 días. Por el contrario, existe un
estrechamiento y un desplazamiento del pico entre 0,02-0,1 µm (Tabla 8) asociado a un
estrechamiento del diámetro de poro crítico de los poros capilares debido a la
precipitación de productos de hidratación o reacción [17]. La aparición de un pico a un
diámetro < 0,02 µm señala la presencia de microfisuras [18]. La pequeña variación del
grado de hidratación (Tabla 7) parece indicar que estos resultados estén relacionados
con una recristalización del yeso resultante de la descomposición de la etringita.
5. CONCLUSIONES
Los HACs presentados en este trabajo se caracterizan por presentar comportamientos
muy similares frente al ataque interno por sulfatos. Las expansiones observadas indican
la formación de etringita diferida en probetas inmersas en agua a 5 y 20 ºC a corto
plazo. Las diferencias de expansión observadas pueden explicarse a partir de la
porosidad de los HACs desarrollada a los 28 días. La ausencia de etringita y la aparición
de yeso a las temperaturas estudiadas tras su inmersión, señalan una descomposición de
la etringita como consecuencia de la carbonatación natural; acelerada por la elevada
superficie específica aportada por el material fino de relleno y la humedad.
Estos resultados parecen indicar que el uso de residuos de lodos calizos como filler
procedentes del corte del mármol, puede ser una opción viable para su uso en la
construcción debido a su similar comportamiento con el filler calizo convencional con
respecto al ataque interno de sulfatos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Ministerio de Educación y Ciencia la financiación
concedida a través del proyecto PSE-38000; HABITAT 2030.

Evaluación comparativa del ataque interno por sulfatos en HACs
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