La actividad puzolánica es una medida del grado de reacción en el tiempo o la velocidad de reacción entre una puzolana y Ca 2+ o hidróxido de calcio (Ca(OH) 2 ) en presencia de agua. La velocidad de la reacción puzolánica depende de las características intrínsecas de la puzolana, como la superficie específica , la composición química y el contenido de fase activa.
La adsorción física en la superficie no se considera parte de la actividad puzolánica, porque en el proceso no se forman enlaces moleculares irreversibles. [1]
La reacción puzolánica es la reacción química que ocurre en el cemento portland al agregarle puzolanas. Es la principal reacción que implica el hormigón romano inventado en la Antigua Roma y utilizado para construir, por ejemplo, el Panteón . La reacción puzolánica convierte un precursor rico en sílice sin propiedades cementantes en un silicato de calcio con buenas propiedades cementantes.
En términos químicos, la reacción puzolánica se produce entre el hidróxido de calcio , también conocido como portlandita (Ca(OH) 2 ) , y el ácido silícico (escrito como H4SiO4 , o Si(OH) 4 , en notación geoquímica):
o resumido en notación química abreviada del cemento :
La reacción puzolánica también se puede escribir en notaciones de silicato industriales antiguas como:
o incluso directamente:
Ambas notaciones aún coexisten en la literatura, dependiendo del campo de investigación considerado. Sin embargo, la notación geoquímica más reciente en la que el átomo de Si está tetracoordinado por cuatro grupos hidroxilo ( Si(OH)
4, también comúnmente observado H
4SiO
4) es más correcta que la antigua notación industrial de silicatos para la cual el ácido silícico ( H
2SiO
3) se representó de la misma manera que el ácido carbónico ( H
2CO
3) cuya configuración geométrica es plana trigonal. Cuando sólo se considera el balance de masa, son equivalentes y se utilizan ambos.
El producto CaH 2 SiO 4 ·2 H 2 O es un silicato de calcio hidratado , también abreviado como CSH en notación química del cemento , la separación con guiones denota la estequiometría variable. La relación atómica (o molar) Ca/Si, CaO/SiO 2 o C/S y el número de moléculas de agua pueden variar y la estequiometría mencionada anteriormente puede diferir.
Muchas puzolanas también pueden contener aluminato , o Al(OH) 4 − , que reaccionará con hidróxido de calcio y agua para formar hidratos de aluminato de calcio como C 4 AH 13 , C 3 AH 6 o hidrogranate , o en combinación con sílice C 2 ASH 8 o strätlingita ( notación química del cemento ). En presencia de grupos aniónicos como sulfato, carbonato o cloruro se pueden formar fases AFm y AFt o etringita .
La reacción puzolánica es una reacción a largo plazo, que involucra ácido silícico disuelto, agua y CaO o Ca(OH) 2 u otras puzolanas para formar una matriz de cementación fuerte. Este proceso suele ser irreversible. Se necesita una cantidad suficiente de ion calcio libre y un pH alto de 12 o superior para iniciar y mantener la reacción puzolánica. [2] Esto se debe a que a un pH de alrededor de 12, la solubilidad de los iones de silicio y aluminio es lo suficientemente alta como para soportar la reacción puzolánica.
La molienda prolongada [ se necesita clarificación ] da como resultado una mayor actividad puzolánica al crear una mayor superficie específica disponible para la reacción. Además, la molienda también crea defectos cristalográficos en y debajo de la superficie de las partículas. La velocidad de disolución de los restos de silicato tensos o parcialmente desconectados aumenta considerablemente. Incluso los materiales que comúnmente no se consideran puzolanos , como el cuarzo , pueden volverse reactivos una vez molidos por debajo de un cierto diámetro de partícula crítico. [3]
La composición química general de una puzolana se considera uno de los parámetros que rigen el rendimiento a largo plazo (por ejemplo, resistencia a la compresión) del aglutinante de cemento mezclado. La norma ASTM C618 prescribe que una puzolana debe contener SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3. ≥ 70% en peso. En el caso de un material (casi) monofásico, como escorias de alto horno, la composición química general puede considerarse un parámetro significativo; para materiales multifásicos, sólo se puede buscar una correlación entre la actividad puzolánica y la química de las fases activas. [4]
Muchas puzolanas consisten en una mezcla heterogénea de fases de diferente actividad puzolánica. Obviamente, el contenido en fases reactivas es una propiedad importante que determina la reactividad global. En general, la actividad puzolánica de fases termodinámicamente estables en condiciones ambientales es baja en comparación con la misma superficie específica con conjuntos de fases menos termodinámicamente estables. Los depósitos de cenizas volcánicas que contienen grandes cantidades de vidrio volcánico o zeolitas son más reactivos que las arenas de cuarzo o los minerales arcillosos detríticos . A este respecto, la fuerza impulsora termodinámica detrás de la reacción puzolánica sirve como un indicador aproximado de la reactividad potencial de un material de (alumino)silicato. De manera similar, los materiales que muestran desorden estructural , como los vidrios, muestran mayores actividades puzolánicas que los compuestos ordenados cristalinos. [5]
La velocidad de la reacción puzolánica también puede controlarse por factores externos como las proporciones de la mezcla, la cantidad de agua o espacio disponible para la formación y crecimiento de productos de hidratación y la temperatura de reacción. Por lo tanto, las propiedades típicas de diseño de la mezcla de cemento, como la proporción de reemplazo de puzolana por cemento Portland, la proporción de agua a aglutinante y las condiciones de curado, afectan fuertemente la reactividad de la puzolana agregada.
La evaluación mecánica de la actividad puzolánica se basa en una comparación de la resistencia a la compresión de barras de mortero que contienen puzolanas como reemplazo parcial del cemento Portland con barras de mortero de referencia que contienen solo cemento Portland como aglutinante. Las barras de mortero se preparan, funden, curan y prueban siguiendo un detallado conjunto de prescripciones. Las pruebas de resistencia a la compresión se llevan a cabo en momentos fijos, normalmente 3, 7 y 28 días después de la preparación del mortero. Un material se considera puzolánicamente activo cuando contribuye a la resistencia a la compresión, teniendo en cuenta el efecto de la dilución. La mayoría de los estándares o normas técnicas nacionales e internacionales incluyen variaciones de esta metodología.
Un material puzolánico es, por definición, capaz de unirse al hidróxido de calcio en presencia de agua. Por tanto, la medición química de esta actividad puzolánica representa una forma de evaluar materiales puzolánicos. Esto se puede hacer midiendo directamente la cantidad de hidróxido de calcio que consume una puzolana a lo largo del tiempo. En una relación alta de agua a aglutinante (soluciones suspendidas), esto se puede medir mediante titulación o mediante técnicas espectroscópicas . En proporciones más bajas de agua a aglutinante (pastas), se utilizan comúnmente análisis térmicos o técnicas de difracción de polvo de rayos X para determinar los contenidos restantes de hidróxido de calcio . Se han desarrollado otros métodos directos que tienen como objetivo medir directamente el grado de reacción de la propia puzolana. En este caso se han utilizado métodos de análisis de imágenes mediante disoluciones selectivas, difracción de rayos X en polvo o microscopía electrónica de barrido .
Los métodos indirectos comprenden, por un lado, métodos que investigan qué propiedades del material son responsables de la reactividad de la puzolana con la portlandita. Las propiedades del material de interés son el contenido de sílice (re)activa y alúmina, el área superficial específica y/o las fases mineral reactiva y amorfa del material puzolánico. Otros métodos determinan indirectamente el alcance de la actividad puzolánica midiendo una propiedad física indicativa del sistema reactivo. En esta última categoría se encuentran las mediciones de la conductividad eléctrica , la contracción química de las pastas o la evolución de calor mediante calorimetría de flujo de calor .