Efectos de los procesos de mezcla prolongados sobre las propiedades frescas, endurecidas y duraderas de los sistemas de cemento que incorporan cenizas volantes

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6091 (2023) Citar este artículo

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Las especificaciones que se corresponden con el rendimiento del sistema pueden garantizar la adición de valor. La mayoría de las especificaciones para el hormigón premezclado abordan los límites del tiempo de descarga y el número de revoluciones del tambor del camión. Estos límites han sido desarrollados para hormigón convencional. A medida que los usos de los materiales cementantes suplementarios (SCM) se vuelven omnipresentes, es importante determinar si estas especificaciones son aplicables a los SCM, es decir, a los sistemas que contienen cenizas volantes. Este artículo presenta los resultados de los efectos del tiempo de mezcla y el número de revoluciones de la mezcladora sobre las características de las pastas y morteros fabricados en laboratorio que contienen 20% y 50% de cenizas volantes. Sus características evaluadas incluyen concentraciones de iones variables en el tiempo, tiempo de fraguado, flujo, resistencia a la compresión, porosidad y coeficiente de difusividad de cloruro aparente. Los resultados indican que con el aumento del tiempo de mezcla y el número de revoluciones de la mezcladora, las mezclas con un reemplazo de cenizas volantes exhiben mejores características tanto frescas como endurecidas. Cuando se mezcla durante 60 minutos o 25.505 revoluciones, las resistencias a la compresión a los 28 días de las mezclas que contienen 20 % y 50 % de cenizas volantes son entre 50 % y 100 % más altas que las del cemento puro. Se sugiere adoptar cenizas volantes en los procesos de mezcla prolongados de los sistemas de cemento.

Las cenizas volantes son un subproducto puzolánico del proceso de combustión del carbón utilizado para generar electricidad. Actualmente, el proceso de combustión del carbón representa aproximadamente del 50 al 55 % de la generación total de energía de los Estados Unidos1,2. Aproximadamente el 75 por ciento de los subproductos de esta operación son cenizas volantes3,4,5. En consecuencia, se prevé que se produzcan anualmente entre 500 y 550 millones de toneladas de cenizas volantes a escala mundial6,7. Muchos sectores emplean cenizas volantes, incluidas las industrias agrícola y del cemento y el hormigón. Se ha encontrado que el empleo de cenizas volantes en las industrias del cemento y el concreto mejora las características de desempeño de los productos hidratados8,9. El uso principal de las cenizas volantes para la producción de compuestos de hormigón modernos, lo que lleva a nuevas soluciones innovadoras en este campo, como nanomateriales10, aglutinantes cuaternarios y ternarios11,12,13 y semillas activas14,15. Las nuevas soluciones innovadoras pueden ofrecer productos de hormigón personalizados para diversas aplicaciones. Sin embargo, más del 70 por ciento de las cenizas volantes recolectadas de las centrales eléctricas no se utiliza, lo que plantea un grave desafío de eliminación16,17. Las instalaciones eléctricas de carbón incurren en gastos adicionales debido a la eliminación de cenizas volantes. Se espera que el costo anual sea de aproximadamente $1.2 mil millones18. Por lo tanto, se necesitan más investigaciones e innovaciones que puedan expandir el uso de las cenizas volantes, particularmente en los sectores del cemento y el concreto. Además de reducir los costos de eliminación, esto puede mejorar las características de desempeño de las mezclas de concreto.

El hormigón es la segunda sustancia más utilizada en el mundo, después del agua19. Se han realizado esfuerzos significativos para limitar las emisiones de CO2 de los sectores del cemento y el hormigón debido a preocupaciones ambientales. Sin embargo, las emisiones de CO2 de estos negocios siguen siendo notablemente altas y se requieren más esfuerzos. La Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón (ACAA, por sus siglas en inglés)20 calculó que el uso de cenizas volantes como fuente de material cementante suplementario (SCM, por sus siglas en inglés) en el concreto puede reducir las emisiones de CO2 entre 10 y 14 toneladas por año solo en los EE. UU. El reemplazo parcial de las cenizas volantes no solo puede promover la sostenibilidad al reducir las emisiones de CO2, sino que también reduce los gastos asociados con la producción de concreto y la eliminación de las cenizas volantes. Las reglas de la Administración Federal de Carreteras (FHWA) fomentan los sistemas de concreto que contienen cenizas volantes. Esto es especialmente cierto cuando el precio del hormigón con cenizas volantes es comparable o inferior al del hormigón de cemento portland (PCC)21. Por lo tanto, no todo el cemento debe reemplazarse con cenizas volantes en una mezcla dada. Además de los beneficios ambientales y económicos, se reconoce que la sustitución del cemento Portland (PC) por cenizas volantes mejora las propiedades frescas y el rendimiento endurecido del producto hidratado. Como material puzolánico, el hidróxido de calcio (Ca(OH2)) puede reaccionar para producir hidratos de silicato de calcio que aumentan la resistencia (CS–H). Estos hidratos dan como resultado una zona de transición interfacial (ITZ) densificada y microestructuras de concreto mejoradas en la interfaz de la pasta de cemento y los agregados22,23. En consecuencia, el rendimiento de los sistemas de hormigón que incorporan cenizas volantes puede ser superior al de los sistemas de hormigón convencionales, y esto puede incluir hormigón premezclado.

La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés) define el concreto premezclado como el concreto que se fabrica y entrega a un cliente en estado fresco. Las especificaciones para concreto premezclado de la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO), el Instituto Estadounidense del Concreto (ACI), ASTM y/o las Agencias de Carreteras Estatales (SHA) abordan el tiempo de descarga, las rotaciones de camiones y tambores y /o limitaciones de temperatura del concreto. En Estados Unidos, 48 de 50 SHA restringen la duración antes del alta entre 45 y 120 min; 30 de 50 SHA limitan el número de giros del tambor del camión a entre 250 y 320; y 45 de 50 SHA limitan la temperatura del hormigón entre 28 y 38 °C. Debido a que el aumento de la duración de la descarga y el número de revoluciones del tambor pueden afectar la trabajabilidad de las mezclas de cemento y concreto nuevas24,25, la mayoría de los SHA restringen estos factores. La trabajabilidad reducida dificulta la consolidación de un hormigón nuevo. La colocación y consolidación incorrectas pueden generar grandes vacíos, formación de panales y una mayor permeabilidad en el concreto endurecido26,27,28, lo que resulta en una disminución considerable de la resistencia a la compresión y la durabilidad. De acuerdo con Anderson y Hodson29, el costo de pulir la superficie endurecida después de que se completa el vaciado es de dos a cinco veces el costo de las materias primas del concreto. La trabajabilidad mejorada del concreto fresco puede reducir los esfuerzos de colocación, lo que resulta en menores gastos de construcción.

Según la Portland Cement Association (PCA)30, más del cincuenta por ciento del concreto premezclado contiene cenizas volantes. En los sistemas de infraestructura, los hormigones que contienen cenizas volantes son omnipresentes. Aunque numerosas investigaciones han evaluado los impactos de los factores de mezcla en el desempeño del PCC, pocos estudios han evaluado los efectos de las variables de mezcla en las características de desempeño del concreto que contiene cenizas volantes.

Además, debido a que el PCC y los hormigones que contienen cenizas volantes utilizan los mismos límites de tiempo de mezcla (es decir, de 45 a 120 min) y revoluciones totales del tambor (es decir, de 250 a 320 revoluciones), los contratistas se preguntan si estos límites actuales siguen siendo aplicables a los hormigones que contienen cenizas volantes. y, en caso negativo, si deben modificarse. Es fundamental que los requisitos límite se ajusten a los nuevos desarrollos en materiales y procesos constructivos, permitiendo la adición de valor. Además, Hooton31 declaró que los requisitos de límite tenían que cambiarse a especificaciones basadas en el rendimiento para no restringir el desarrollo de sistemas alternativos (p. ej., sistemas que contienen cenizas volantes). Antes de determinar estas dificultades, es necesario tener un mejor conocimiento de las características de desempeño de los sistemas cementosos que incorporan cenizas volantes.

Esta investigación describe la evaluación en laboratorio de los efectos del tiempo de mezclado y el número de revoluciones de la mezcladora sobre las propiedades frescas y endurecidas de pastas y morteros de policarbonato que contienen 20% y 50% de cenizas volantes en peso. Esta investigación evalúa las concentraciones dependientes del tiempo de iones de hidroxilo, calcio y aluminato en solución, el tiempo de fraguado de las pastas y la fluidez de los morteros nuevos. Las resistencias a la compresión (fc) a 1, 7 y 28 días, la porosidad a los 28 días y el coeficiente aparente de difusión de cloruro (Da) se prueban como propiedades de endurecimiento de los morteros de cemento.

El PC tipo I se obtuvo de SCG, Tailandia y se usó para todas las mezclas en esta investigación. Las cenizas volantes de clase F según ASTM C618 se obtuvieron de una central eléctrica local. La composición química de difracción de rayos X (XRD) de PC y cenizas volantes se muestra en la Tabla 1. En la Fig. 1 se muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas de cenizas volantes. Las partículas de cenizas volantes que se observaron tienen un forma esférica, una superficie lisa y una amplia gama de distribución de tamaño de partículas. Se utilizó arena graduada estándar que cumple con la norma ASTM C778 para la fluidez, la porosidad de 28 días y las muestras de Da. Se usó agua desionizada (DI) tipo II (1 MΩ·cm a 25 °C) para todas las mezclas y experimentos. El agregado fino, utilizado para las muestras fc, se obtuvo de una fuente local en Saraburi, Tailandia y cumplió con los requisitos de ASTM C33. El módulo de finura del agregado fino fue de 3,1 determinado siguiendo la norma ASTM C136. La gravedad específica del agregado fino fue de 2,47 y la absorción fue de 3,08%. Los valores de gravedad específica y absorción se determinaron siguiendo la norma ASTM C128.

Micrografía SEM de partículas de cenizas volantes.

Las pastas de cemento y los morteros se mezclaron de acuerdo con la norma ASTM C305. Los sistemas de cenizas volantes se prepararon sustituyendo cenizas volantes por cemento por peso. Se formuló y evaluó una combinación de control (100% PC) para comparación. La relación agua-aglutinante (p/b) de la muestra de pasta fue de 0,40. Los especímenes de mortero se realizaron utilizando una relación a/b de 0,48 y una relación cemento-agregado fino de 1,27:1. El estándar C305 exige dos etapas de mezclado para pastas y morteros: mezclado a baja velocidad (140 rpm) seguido de mezclado a velocidad intermedia (250 y 285 rpm). A lo largo de este estudio, solo se modificaron el tiempo y la velocidad de mezclado de la segunda etapa. Las técnicas de mezcla para pastas de cemento y morteros se detallan en la Tabla 2. Se investigaron cuatro duraciones de mezcla (2, 15, 60 y 90 min) y dos velocidades de mezcla (140 y 285 rpm). Esto dio como resultado 210, 355, 2030, 4060, 8330, 12,600, 16,885 y 25,578 recuentos de revolución para mezcla de pastas y 350, 568, 2170, 4273, 8330, 12,600, 17,098 y 25,505 recuentos de revoluciones para la mezcla de morteros. Todos los resultados de las pruebas se basan en pruebas por triplicado.

Las concentraciones de iones hidroxilo variables en el tiempo en solución a edades tempranas se evaluaron utilizando un electrodo de pH. El valor w/b de las soluciones fue de 4,0. La mezcla para todos los sistemas se realizó utilizando un agitador magnético que giraba a 0 y 400 rpm durante todo el período de mezcla. Mezclar a 0 rpm significa que las muestras de cemento se mezclaron manualmente con agua hasta que estén uniformes y luego se dejaron sin agitación adicional. El tiempo transcurrido después de introducir la PC no hidratada en la solución se denomina aquí "tiempo de hidratación". Las soluciones utilizadas para evaluar las concentraciones de iones hidroxilo se analizaron a los 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 210 y 240 min (mezcladas a 0 y 400 rpm).

Usando espectroscopía de absorción atómica de llama (FAAS), se calcularon las cantidades de iones de aluminato y calcio. El proceso para determinar las concentraciones de iones hidroxilo fue seguido por mezclado. Con las mismas duraciones de hidratación que los estudios de concentraciones de iones hidroxilo, las soluciones se evaluaron a los 300, 360 y 420 min de tiempo de hidratación adicional.

En cada tiempo de hidratación, la solución de prueba (30 ml) se decantó del vaso de mezcla y se filtró usando una bomba de vacío y papel de filtro No. 40. Se usaron diez ml de solución filtrada para analizar las concentraciones de iones de aluminato y 1 ml de solución filtrada para analizar las concentraciones de iones de calcio. Debido a que las altas concentraciones de iones de calcio ocurren a edades tempranas, las soluciones filtradas para analizar las concentraciones de iones de calcio se diluyeron antes de los análisis FAAS. Las soluciones filtradas para determinar las concentraciones de iones de calcio se diluyeron con 9 ml de agua DI para obtener la solución dentro del rango de detección del FAAS. Después de decantar y diluir, se añadió 1 ml de solución de ácido lantano [50 g/l de óxido de lantano (La2O3) en ácido clorhídrico (HCl) 3 M] a las soluciones para los análisis FAAS. Las concentraciones de iones de aluminato se determinaron utilizando el FAAS con gas acetileno-óxido nitroso a una longitud de onda de 309,3 nm encendido a una temperatura de 2600 a 2800 °C. Las concentraciones de calcio se determinaron usando gas aire-acetileno a una longitud de onda de 422,7 nm encendido a la temperatura de 2100 a 2400 ˚C. También se analizó una muestra en blanco (solo agua desionizada) y se usó como corrección de fondo.

Siguiendo la norma ASTM C1437, se evaluó la fluidez de nuevos morteros. El tiempo de fraguado de las pastas de cemento se evaluó utilizando la norma ASTM C191. Siguiendo la norma ASTM C109, se establecieron los valores fc de 1, 7 y 28 días. Después del vaciado, las muestras de ensayo se almacenaron durante 24 h en moldes de plástico antes de desmoldarse. Antes de la prueba, las muestras deformadas se trataron en una solución de cal saturada. La porosidad de 28 días de los morteros se midió utilizando una técnica modificada de ASTM C642. Prasittisopin y Trejo28 detallan métodos para la prueba de porosidad modificada. La Da se calculó usando ASTM C1556. Después de colar especímenes de mortero cilíndricos de 75 mm por 150 mm para determinar el Da, los especímenes se almacenaron en moldes de plástico durante 24 h antes de ser desmoldados. Posteriormente, las muestras se sometieron a una solución de cloruro durante 35 días después de haber sido curadas en una solución de cal saturada durante 28 días. Se examinaron muestras de polvo para determinar la concentración de iones de cloruro de acuerdo con ASTM C1152. Para probar la concentración de iones de cloruro, se utilizó un valorador automático potenciométrico controlado por computadora con un cambiador de muestras. Después de calcular la concentración de iones de cloruro a varias profundidades debajo de la superficie, se calculó la Da utilizando la segunda regla de Fick, como se indica en la ecuación. 1.

donde $C(x,t)$ es el porcentaje de concentración de iones de cloruro en la profundidad x y el tiempo de exposición t; Cs es el porcentaje previsto de concentración de iones de cloruro en la superficie del mortero expuesto; Ci es el porcentaje de concentración inicial de iones de cloruro de las muestras antes de la exposición a la solución; y erf es la función de error.

Para comparar las medias de las muestras con dos grupos y más de dos grupos, respectivamente, se utilizaron la prueba t de dos muestras y el análisis de varianzas (ANOVA). Antes del análisis, se utilizó la prueba de Shapiro-Wilk para determinar si los datos tenían una distribución normal y la prueba de Levene para investigar si los datos tenían una varianza igual. Las siguientes hipótesis estadísticas se definieron como:

Se utilizaron los intervalos de confianza del 95% para todos los análisis. Si se rechaza la H0 (valor p ≤ 0,05), se concluye que existe una diferencia estadísticamente significativa al nivel del 5 % entre las medias de las poblaciones del grupo. Alternativamente, si no se rechaza la H0 (valor p > 0,05), se concluye que no hay una diferencia estadísticamente significativa al nivel del 5 % entre las medias de las poblaciones grupales.

Esta sección comprende seis investigaciones experimentales que incluyen (1) concentración de iones de hidroxilo, aluminato y calcio, (2) fluidez de mezclas frescas, (3) tiempo de fraguado inicial, (4) resistencia a la compresión en diferentes tiempos de curado, (5) 28- d porosidad, y (6) Da.

El efecto del tiempo de hidratación en las concentraciones de iones de hidroxilo para los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes mezclados a 0 y 400 rpm se muestra en la Fig. 2a,b, respectivamente. Los resultados indican que las concentraciones de iones hidroxilo de todos los sistemas aumentan cuando aumenta el tiempo de hidratación. La pendiente de la curva ajustada se denomina tasa de disolución de los iones hidroxilo en solución. Una pendiente más grande indica una tasa de disolución más alta de iones hidroxilo en solución.

Efecto del tiempo de hidratación sobre la concentración de iones hidroxilo mezclados a (a) 0 rpm y (b) 400 rpm del sistema de control y sistemas que contienen 20% y 50% de cenizas volantes.

En la Fig. 2a, las pendientes de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes son 9,0, 7,7 y 5,2 mmol/l/min, respectivamente. La mayor pendiente del sistema de control se corresponde con una mayor tasa de disolución de iones hidroxilo que los sistemas de 20% y 50% de cenizas volantes. Se ha informado que un mayor porcentaje de reemplazo de cenizas volantes en los sistemas cementosos da como resultado una disminución de la concentración de iones hidroxilo en la solución32. Se cree que esto ocurre porque las cenizas volantes actúan como "inertes". Por lo tanto, las mezclas de cenizas volantes contienen menos cemento. Los resultados en la Fig. 2b son similares a los resultados en la Fig. 2a, de los cuales la pendiente del sistema de control mezclado a 400 rpm (17 mmol/l/min) es mayor que las pendientes del 20% (15 mmol/l/min). min), 50% de cenizas volantes (13 mmol/l/min) sistemas mezclados a 400 rpm. El aumento del nivel de reemplazo de cenizas volantes da como resultado una disminución de las tasas de disolución de los iones hidroxilo, independientemente de la velocidad de mezcla.

La comparación de los resultados de la Fig. 2b con los resultados de la Fig. 2a indica que las pendientes de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes mezclados a 400 rpm son aproximadamente un 89 %, 95 % y 150 % más altas que las pendientes de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes mezclados a 0 rpm, respectivamente. La pendiente más pronunciada se atribuye a una mayor velocidad de disolución de los iones hidroxilo. Esto indica que la velocidad de mezclado afecta en gran medida la velocidad de disolución de los iones hidroxilo de todos los sistemas y podría afectar las características de las mezclas en edades tempranas (como se analiza más adelante). La velocidad de mezclado afecta cada vez más la tasa de disolución de los iones hidroxilo en los sistemas que contienen niveles más altos de reemplazo de cenizas volantes.

La Figura 3a muestra las concentraciones variantes en el tiempo de iones de aluminato de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes mezclados a 0 rpm. Los resultados indican que las concentraciones de iones de aluminato del sistema de control son más bajas que las concentraciones de iones de aluminato de los sistemas de cenizas volantes al 20 % y al 50 %. El gráfico de las concentraciones de iones de aluminato de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes mezclados a 400 rpm en función del tiempo de hidratación se muestra en la Fig. 3b. Al igual que los resultados de todos los sistemas mezclados a 0 rpm en la Fig. 3a, las concentraciones de iones de aluminato del sistema de control son más bajas que las de los sistemas con 20 % y 50 % de cenizas volantes. Más importante aún, las concentraciones de iones de aluminato mezcladas a 400 rpm para todos los sistemas no son estables, en comparación con las concentraciones de iones de aluminato en soluciones mezcladas a 0 rpm. Este estado "inestable" probablemente ocurre debido a la velocidad de mezclado. Debido a que las concentraciones de iones de aluminato no son estables en los sistemas mezclados a 400 rpm, se espera que existan diferencias de características tempranas (por ejemplo, fraguado) entre los sistemas que se mezclan continuamente y los sistemas que se mezclan y luego deja de mezclar

Efecto del tiempo de hidratación sobre la concentración de iones de aluminato mezclados a (a) 0 rpm y (b) 400 rpm del sistema de control y sistemas que contienen 20% y 50% de cenizas volantes.

El efecto del tiempo de hidratación en las concentraciones de iones de calcio para los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes mezclados a 0 y 400 rpm se muestra en la Fig. 4a,b, respectivamente. Los resultados en ambas figuras indican que los sistemas de control mezclados a 0 y 400 rpm tienen concentraciones de iones de calcio más altas que los sistemas con 20% y 50% de cenizas volantes. La presencia de cenizas volantes da como resultado concentraciones reducidas de iones de calcio en edades tempranas debido a menores contenidos de cemento. Además, estas concentraciones más bajas de iones de calcio podrían ser el resultado de partículas de cenizas volantes que actúan como núcleos para la precipitación de cal. Lawrence33 y Fraay et al.34 informaron que la precipitación de cal puede ocurrir al reemplazar el cemento con SCM. Al igual que los resultados de las concentraciones de iones de aluminato en soluciones mezcladas a diferentes velocidades (que se muestran en la Fig. 3a,b), las concentraciones de iones de calcio en soluciones mezcladas a 400 rpm no son estables en comparación con las soluciones mezcladas a 0 rpm. Aparentemente, los resultados de las concentraciones de iones de aluminato y calcio indican que cuando la mezcla progresa continuamente, es probable que los iones sean inestables, lo que afecta otras características de edades tempranas.

Efecto del tiempo de hidratación sobre la concentración de iones de calcio mezclados a (a) 0 rpm y (b) 400 rpm del sistema de control y sistemas que contienen 20% y 50% de cenizas volantes.

La Tabla 3 resume los efectos del reemplazo de las cenizas volantes en los sistemas cementosos sobre las concentraciones de iones de hidroxilo, aluminato, silicato y calcio en soluciones en edades tempranas. Con respecto a los estudios de concentración de iones para procesos de mezcla prolongados, reemplazar el cemento con cenizas volantes puede conducir a (1) una disminución de la concentración de iones de hidroxilo debido a un menor contenido de cemento, (2) una mayor concentración de iones de aluminato debido a la formación de capas de gel ricas en aluminato, ( 3) aumento de la concentración de iones de silicato debido a la mayor cantidad de silicio de las cenizas volantes en los sistemas cementosos, y (4) disminución de la concentración de iones de calcio debido a la precipitación de cal y menor contenido de cemento35,36.

El efecto del tiempo de mezclado sobre la fluidez normalizada de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes mezclados a 285 rpm se muestra en la Fig. 5a. Los valores de flujo están normalizados con los valores de flujo máximo (183 mm) de los sistemas de 50% de cenizas volantes. Los resultados indican que una reducción del flujo de todos los sistemas es el resultado de un mayor tiempo de mezclado. El flujo de los morteros frescos de los sistemas de ceniza volante al 20 % y al 50 % mezclados durante 2 min exhibe un flujo aproximadamente 12 % y 31 % mayor que el del sistema de control, respectivamente. El flujo de los morteros frescos de los sistemas de cenizas volantes al 20 % y al 50 % mezclados durante 15 min exhibe un flujo aproximadamente 30 % y 48 % mayor que el del sistema de control, respectivamente. Por último, el flujo de los morteros frescos de los sistemas de 20% y 50% de cenizas volantes mezclados durante 60 min presenta un flujo aproximadamente 50% y 43% mayor que el sistema de control, respectivamente. Se observa que la fluidez en las figuras se ha probado solo a 285 rpm. La velocidad de mezclado más baja (140 rpm) se utilizó para calcular diferentes recuentos de revoluciones del mezclador. Bentz y Ferraris37 informaron que a medida que se forman los productos de hidratación, el comportamiento de rigidez inicial se controla mediante la pérdida gradual de agua libre de las reacciones de hidratación.

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el número de revoluciones del mezclador en el flujo normalizado del sistema de control y los sistemas que contienen 20 % y 50 % de cenizas volantes.

Paya et al.38 informaron que el flujo de los sistemas cementosos que contienen cenizas volantes está influenciado por varios factores, como la distribución del tamaño, la morfología, el estado de la superficie, la finura y la pérdida por ignición de las partículas de cenizas volantes. Se cree que reemplazar el cemento con cenizas volantes hace que haya más agua disponible para el flujo. Gopalan39 informó que las características de absorción de agua de los sistemas cementosos se reducen cuando hay cenizas volantes presentes. Además, las partículas esféricas y una mejor distribución del tamaño de partículas de las cenizas volantes (que se muestra en la Fig. 1) conducen a la reducción de la fricción entre las partículas constituyentes en los sistemas (esto comúnmente conocido como "capacidad de bola" o "capacidad de bola"). efecto rodamiento")40,41. Por lo tanto, aunque el aumento del tiempo de mezcla da como resultado un flujo reducido de los sistemas de cenizas volantes, las mezclas frescas se pueden mezclar durante más tiempo y todavía se pueden colar debido al flujo mejorado.

La gráfica del flujo normalizado de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes en función de los conteos de revoluciones del mezclador se muestra en la Fig. 5b. Los resultados indican que el flujo de todos los sistemas se reduce significativamente al aumentar el número de revoluciones del mezclador. El sistema de control tiene menos flujo que los sistemas de 20% y 50% de cenizas volantes. Reemplazar el cemento con cenizas volantes da como resultado un aumento significativo en el flujo de la mezcla fresca y eso permite que se pueda realizar un proceso de consolidación adecuado de las mezclas mezcladas con un mayor número de revoluciones de la mezcladora. Con base en los datos de las pruebas, los límites de las especificaciones sobre el tiempo de mezcla y el conteo de revoluciones de la mezcladora pueden no ser apropiados cuando hay cenizas volantes presentes en los sistemas cementosos.

La figura 6a muestra el efecto del tiempo de mezcla en el tiempo de fraguado inicial de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes. Los resultados indican que un mayor porcentaje de reemplazo de cenizas volantes da como resultado tiempos de fraguado iniciales retrasados. Las posibles razones del efecto retardador probablemente se deban a la adsorción de iones de calcio en la superficie de las cenizas volantes42 y a la reducción de las concentraciones de iones de hidroxilo. Estos conducen a un proceso de precipitación y nucleación retardada del Ca(OH)2, CS–H y etringita. Los resultados también indican que un mayor tiempo de mezcla conduce a un mayor tiempo de fraguado inicial de los sistemas de control y 20 % de cenizas volantes (prueba ANOVA con valor de p < 0,05). Es probable que esto se deba a que los iones en los sistemas se encuentran en un estado inestable (como se explicó) y las partículas de los constituyentes todavía se deforman por el movimiento de las herramientas de mezcla durante la mezcla continua. Esta deformación de las partículas probablemente altera la unión por adhesión de las partículas que se hidratan para formar una estructura más grande. Por lo tanto, durante la mezcla, las partículas hidratantes pierden su capacidad de soporte de carga, lo que da como resultado un fraguado más lento. Después de que se interrumpe el mezclado, la unión por adhesión comienza a formar una estructura más grande y esta estructura, con el tiempo, comienza a soportar cargas externas. Sin embargo, se supone que parte del agua es consumida por las reacciones de hidratación durante la mezcla prolongada, ya que las reacciones de hidratación pueden generar una cantidad sustancial de calor, y este calor de hidratación conduce a una mayor tasa de evolución del agua. Por lo tanto, hay menos cantidad de agua disponible para fluir antes de colar y consolidar los especímenes. Esta menor cantidad de agua de las mezclas finalmente se traduce en una mayor energía para colar y consolidar las probetas28. Los especímenes endurecidos parecen tener un mayor volumen de huecos y un mayor tamaño de huecos. Los vacíos en los sistemas de cemento endurecido generalmente dan como resultado una fc más baja y, finalmente, conducen a un deterioro de la durabilidad y una capacidad de servicio más corta. La porosidad se discutirá más adelante en la Sección "Resistencia a la compresión". Sin embargo, se debe tener en cuenta que este trabajo se realizó en sistemas de pasta y mortero, mientras que la investigación sobre la expansión del volumen de mezcla para el camión de concreto premezclado para cada región o el cambio a sistemas de concreto es obligatoria.

El efecto de (a) el tiempo de mezcla y (b) las revoluciones de la mezcladora cuentan sobre el tiempo de fraguado inicial del sistema de control y los sistemas que contienen 20 % y 50 % de cenizas volantes.

La Figura 6b muestra el efecto del tiempo de fraguado inicial en función de los conteos de revoluciones del mezclador de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes. Según los resultados, parece que el tiempo de fraguado inicial tiende a prolongarse en función del número de revoluciones de la batidora. Los tiempos de fraguado inicial de los sistemas cementosos que contienen cenizas volantes se retrasan como resultado del aumento de los tiempos de mezcla y del aumento del número de revoluciones de la mezcladora.

Las Figuras 7a,b muestran el fc de 1 día de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes en función del tiempo de mezclado y el conteo de revoluciones del mezclador, respectivamente. Los resultados indican que un mayor porcentaje de reemplazo de cenizas volantes conduce a una menor resistencia a la compresión de 1 día. Los análisis estadísticos indican que la fc de 1 día de todos los sistemas no está influenciada por el tiempo de mezclado y el conteo de revoluciones del mezclador (prueba ANOVA con valor p > 0.05).

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el número de revoluciones del mezclador en fc de 1 día; (c) el tiempo de mezclado y (d) el número de revoluciones del mezclador en fc de 7 días; (e) el tiempo de mezcla y (f) las revoluciones de la mezcladora cuentan con 28 días fc del sistema de control y los sistemas que contienen 20% y 50% de cenizas volantes.

Las Figuras 7c,d muestran el efecto del tiempo de mezcla y el conteo de revoluciones del mezclador en el fc de 7 días para el sistema de control y los sistemas que contienen 20 % y 50 % de cenizas volantes, respectivamente. Los resultados indican que la fc de 7 días de todos los sistemas no se ve afectada significativamente por el tiempo de mezcla (valor p de ANOVA > 0,05). Además, la fc de 7 días de los sistemas de control no tiene un efecto significativo en el tiempo de mezclado (valor p de ANOVA > 0,05); sin embargo, la fc de 7 días de las cenizas volantes al 20 % y al 50 % sí lo hace (valor p de ANOVA < 0,05).

Los efectos del tiempo de mezclado y el conteo de revoluciones del mezclador en el fc de 28 días de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes se muestran en la Fig. 7e, f, respectivamente. De manera similar, con los resultados de FC de 1 y 7 días, los resultados indican que el tiempo de mezcla no tiene un efecto significativo en la FC de 28 días de todos los sistemas. En resumen, el tiempo de mezclado prolongado no influye en la fc tanto temprana como tardía. Con respecto a la resistencia a la compresión de los sistemas de concreto premezclado, sus límites de tiempo de descarga actuales, tal como se especifica en muchos SHA, parecen poco prácticos. Sin embargo, aquí, el número de revoluciones de la batidora sí influye en la fc de 28 días. El mayor número de revoluciones del mezclador da como resultado una reducción de 28 días fc del sistema de control, pero da como resultado un aumento de 28 días fc de los sistemas que contienen cenizas volantes. Se ha informado que un aumento en el consumo de energía de consolidación es responsable de la caída de fc de 28 días que ocurre en función del número de revoluciones del mezclador28. El fc comenzará a disminuir tan pronto como la energía disponible sea insuficiente para consolidar las muestras. Los vacíos de los sistemas de cemento se agrandan y aumentan. Como se mencionó anteriormente, los vacíos más grandes y los volúmenes de vacíos más grandes de los sistemas de cemento probablemente conducen a una fc reducida y, en consecuencia, acortan su vida útil. Al considerar el conteo de revoluciones, los resultados aparentemente muestran que los límites de SHA deberían estar en su lugar. Estos pueden garantizar que el concreto premezclado pueda entregarse a los usuarios en buenas condiciones. Sin embargo, los sistemas que contienen cenizas volantes muestran un aumento en la fc de 28 días, y se supone que esto se debe a que hay menos agua en sus mezclas (lo que resulta en un valor a/b más bajo). Dewar y Anderson43 afirmaron que las mayores tasas de evaporación del agua y las reacciones de hidratación eran la causa de que hubiera menos agua presente en las mezclas.

Los resultados de este documento indican que el tiempo de mezclado no tiene una influencia significativa en la fc de 1, 7 y 28 días. El resumen de la influencia del recuento de revoluciones del mezclador en el fc de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes se muestra en la Tabla 4. Los valores de fc de edades tempranas (1 y 7 días) no tienen un efecto significativo. impacto al aumentar el conteo de revoluciones del mezclador. Por otro lado, el fc de 28 días disminuirá para el sistema de control a medida que aumente el número de revoluciones de la mezcladora, pero aumentará para los sistemas que incluyen cenizas volantes. En condiciones de mezcla prolongadas, la presencia de cenizas volantes en los sistemas cementosos puede mejorar la resistencia a la compresión a largo plazo. Por lo tanto, los productos de concreto premezclado deben contener parcialmente cenizas volantes, especialmente cuando se necesita un recorrido largo. Como se discutió anteriormente, los límites de los SHA sobre el tiempo de descarga y el conteo de revoluciones de la mezcladora de concreto premezclado parecen requerir una revisión cuando hay cenizas volantes presentes. En las versiones revisadas, se recomienda abordar el mayor tiempo de descarga y el mayor número de revoluciones, y esto puede ser beneficioso para todas las partes interesadas en la cadena del concreto premezclado. Los productores de concreto premezclado pueden planificar fácilmente varias rutas y horarios logísticos. Los consumidores pueden recibir una buena calidad de los productos de hormigón resultantes. Por último, se pueden reducir los residuos generados a partir de una cantidad excesiva de hormigón premezclado que, en última instancia, ofrece formas más rentables y sostenibles para la industria44.

Los efectos del tiempo de mezclado y el conteo de revoluciones del mezclador en la porosidad de 28 días de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes se muestran en la Fig. 8a,b, respectivamente. Los resultados indican que el aumento del tiempo de mezcla no afecta significativamente la porosidad de 28 días para todos los sistemas (valor p de ANOVA > 0,05). Los resultados también revelan que el aumento significativo de la porosidad solo debe relacionarse con la mezcla de control. Un mayor nivel de porcentaje de reemplazo de cenizas volantes da como resultado una mayor porosidad. La Figura 8b muestra que aumentar el recuento de revoluciones del mezclador a revoluciones más bajas (menos de aproximadamente 3000) da como resultado un aumento significativo en la porosidad (prueba ANOVA con valor p = 0,013). Sin embargo, aumentar el recuento de revoluciones de la mezcladora a recuentos de revoluciones más altos (más de aproximadamente 3000) tiene menos influencia en la porosidad de las mezclas (valor p de la prueba ANOVA > 0,05). La porosidad de los sistemas que contienen cenizas volantes no presenta este efecto como el sistema de control.

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el recuento de revoluciones del mezclador en la porosidad de 28 días del sistema de control y los sistemas que contienen 20 % y 50 % de cenizas volantes.

La Figura 9 muestra la correlación entre la resistencia a la compresión normalizada a los 28 días y la porosidad endurecida a los 28 días de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes para diferentes conteos de revoluciones del mezclador. Los valores fc de 28 días se normalizan con el fc medio de 28 días para todas las mezclas. La curva ajustada lineal se ilustró en este estudio. Neveille45 informa la curva ajustada logarítmica que se muestra y Brandt46 informa las curvas ajustadas exponencial y lineal. Aunque los diferentes tipos de curvas ajustadas no son similares a las curvas de estudios anteriores, la curva ajustada lineal en este estudio no se distingue de otras. Los resultados indican que la fc de 28 días se reduce con el aumento de la porosidad y este aumento de la porosidad probablemente se deba a la reducción del flujo causada por el mayor número de revoluciones del mezclador. Se supone que los criterios principales que reflejan el desempeño general de las macroestructuras son parámetros relacionados con el flujo adecuado de mezclas de cemento fresco resultantes de un mezclado prolongado.

Relación entre la fc normalizada de 28 días y la porosidad de 28 días de los sistemas de control y los sistemas que contienen 20 % y 50 % de cenizas volantes mezcladas con diferentes recuentos de revoluciones del mezclador.

Las Figuras 10a,b muestran los efectos del tiempo de mezcla y el conteo de revoluciones de la mezcladora en la Da de los sistemas de control, 20 % y 50 % de cenizas volantes, respectivamente. Los resultados indican que ni el tiempo de mezclado ni el número de revoluciones del mezclador tienen un efecto significativo en el Da para todos los sistemas (valor p de ANOVA > 0,05). El sistema de control exhibe una mayor Da que los sistemas que contienen cenizas volantes (valor p de ANOVA = 0,026). En consecuencia, solo la influencia de los componentes del material influye en la resistencia a la corrosión, no en las actividades de mezcla. Es bien sabido que agregar cenizas volantes a los sistemas de cemento puede dar como resultado una microestructura más densa y una porosidad reducida en edades posteriores. Esto se debe a que las reacciones puzolánicas (reacción entre CaO y S para formar productos CS-H) progresan a edades posteriores47,48. Golewski47 mencionó que la estructura homogénea y uniforme del sistema de cemento portland que contenía FA se observó después de un período de curado de 14 días, que resultó de la transformación de las fases desordenadas en formas compactas y homogéneas y el llenado de los vacíos porosos de la fase CS-H. Sabet et al.49 informaron que la presencia de cenizas volantes en los sistemas cementosos puede reaccionar con Ca(OH)2 para producir productos CS-H y también unir iones de cloruro por las fases de aluminato durante el período de exposición al cloruro. Esto conduce a tasas de transporte reducidas y, finalmente, se puede extender la vida útil de la estructura de hormigón.

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el número de revoluciones del mezclador en Da del sistema de control y sistemas que contienen 20% y 50% de cenizas volantes.

Este estudio evaluó la influencia de los procesos de mezcla prolongados en los parámetros de rendimiento de los sistemas cementosos, incluidas las cenizas volantes. Se examinaron las cinéticas de disolución de los iones hidroxilo, calcio y aluminato a varios períodos de mezclado y velocidades de mezclado. En varios períodos de mezclado y recuentos de revoluciones de mezclado, se examinaron las características frescas y endurecidas de pastas y morteros. Los hallazgos sugirieron que:

El aumento de la velocidad de mezcla resultó en una mayor cinética de disolución del ion hidroxilo en soluciones e hizo que los iones de calcio y aluminato permanecieran en un estado inestable.

El aumento del nivel de reemplazo de cenizas volantes conduce a mayores valores de flujo pero a un tiempo de fraguado más lento. Por lo tanto, mientras que los procesos de mezcla más largos reducen los valores de flujo, las mezclas de cenizas volantes pueden moldearse debido a un mejor flujo.

Con el aumento del número de revoluciones del mezclador, la fc de 28 días de los sistemas sin cenizas volantes se reduce, pero la fc de 28 días de los sistemas con cenizas volantes aumenta.

La porosidad de los morteros de cenizas volantes no se ve afectada por el tiempo de mezcla y el número de revoluciones de la mezcladora.

El Da no se ve afectado por estos tiempos de mezcla y conteos de revoluciones del mezclador. Sin embargo, cuando se presentan cenizas volantes, el Da puede verse afectado por el tiempo de mezclado y el conteo de revoluciones del mezclador.

Los requisitos existentes de la mayoría de los SHA pueden no ser relevantes para los sistemas cementosos, incluidas las cenizas volantes, según los hallazgos del estudio sobre el tiempo de mezcla y el número de revoluciones de la mezcladora. La investigación en curso examina la influencia de estas limitaciones actuales en las cualidades de rendimiento del hormigón que contiene cenizas volantes.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores desean agradecer a la escuela de Ingeniería Civil y de Construcción de la Universidad Estatal de Oregón y al Departamento de Transporte de Washington por la investigación parcial de este estudio.

Este proyecto de investigación fue apoyado financieramente por la Unidad de Gestión de Programas para la Mejora de la Competitividad (PMU-C), la Oficina del Consejo Nacional de Políticas de Innovación e Investigación Científica de Educación Superior, Tailandia y el Fondo de Innovación e Investigación Científica de Tailandia, Universidad de Chulalongkorn (SOC66250010).

Facultad de Ingeniería y Tecnología, Universidad de Pathumthani, Pathumthani, 12000, Tailandia

Issara Sereewatthanawut

Escuela de Ingeniería y Ciencia de los Materiales, Universidad Queen Mary de Londres, Londres, E1 4NS, Reino Unido

Chinnapat Panwisawas

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Chayut Ngamkhanong

Departamento de Arquitectura, Facultad de Arquitectura, Universidad de Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Tailandia

Lapyote Prasittisopina

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Correspondencia a Lapyote Prasittisopin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Sereewatthanawut, I., Panwisawas, C., Ngamkhanong, C. et al. Efectos de los procesos de mezcla prolongados sobre las propiedades frescas, endurecidas y duraderas de los sistemas de cemento que incorporan cenizas volantes. Informe científico 13, 6091 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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Recibido: 02 Diciembre 2022

Aceptado: 11 de abril de 2023

Publicado: 13 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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