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Las puzolanas son una amplia clase de materiales silíceos y aluminosos que, en sí mismos, poseen poco o ningún valor cementante pero que, en forma finamente dividida y en presencia de agua, reaccionarán químicamente con hidróxido de calcio (Ca(OH) 2 ) a temperatura ordinaria para formar compuestos que poseen propiedades cementantes. [1] La cuantificación de la capacidad de una puzolana para reaccionar con hidróxido de calcio y agua se da midiendo su actividad puzolánica . [2] Las puzolanas son puzolanas naturales de origen volcánico.
Las mezclas de cal calcinada y materiales de aluminosilicato activo finamente molidos fueron pioneras y desarrolladas como aglutinantes inorgánicos en el mundo antiguo. Los restos arquitectónicos de la civilización minoica en Creta han mostrado evidencia del uso combinado de cal apagada y adiciones de fragmentos de cerámica finamente molidos para revestimientos impermeables en baños, cisternas y acueductos. [3] La evidencia del uso deliberado de materiales volcánicos como cenizas volcánicas o tobas por parte de los antiguos griegos se remonta al menos al 500-400 a. C., como se descubrió en la antigua ciudad de Kameiros , Rodas . [4] En los siglos posteriores, la práctica se extendió al continente y finalmente fue adoptada y desarrollada por los romanos . Los romanos utilizaron piedra pómez y tobas volcánicas encontradas en territorios vecinos, las más famosas se encuentran en Pozzuoli (Nápoles), de ahí el nombre de puzolana, y en Segni (Lacio). Se dio preferencia a las fuentes naturales de puzolana, como el trass alemán , pero a menudo se utilizaron residuos cerámicos triturados cuando no había depósitos naturales disponibles localmente. Las excepcionales condiciones de vida y conservación de algunos de los edificios romanos más famosos, como el Panteón o el Pont du Gard, construidos con morteros y hormigón de puzolana y cal, dan testimonio tanto de la excelente mano de obra lograda por los ingenieros romanos como de las propiedades duraderas de los aglutinantes que utilizaban.
Gran parte de la habilidad práctica y el conocimiento sobre el uso de puzolanas se perdieron con la decadencia del imperio romano. El redescubrimiento de las prácticas arquitectónicas romanas, como describe Vitruvio en De architectura , también condujo a la reintroducción de los aglutinantes de cal y puzolana. En particular, la resistencia, la durabilidad y la capacidad hidráulica de endurecimiento bajo el agua los convirtieron en materiales de construcción populares durante los siglos XVI y XVIII. La invención de otros cementos de cal hidráulica y, finalmente, el cemento Portland en los siglos XVIII y XIX resultó en un declive gradual del uso de aglutinantes de cal y puzolana, que desarrollan resistencia con menor rapidez. [ cita requerida ]
A lo largo del siglo XX, el uso de puzolanas como aditivos (el término técnico es "material cementante suplementario", normalmente abreviado como "SCM") a las mezclas de hormigón de cemento Portland se ha convertido en una práctica común. La combinación de aspectos económicos y técnicos y, cada vez más, las preocupaciones medioambientales han hecho que los denominados cementos mezclados, es decir, cementos que contienen cantidades considerables de materiales cementantes suplementarios (en su mayoría alrededor del 20% en peso, pero más del 80% en peso en el cemento Portland de escoria de alto horno ), sean el tipo de cemento más producido y utilizado a principios del siglo XXI. [5]
La definición general de puzolana abarca una gran cantidad de materiales que varían ampliamente en términos de origen, composición y propiedades. Tanto los materiales naturales como los artificiales (fabricados por el hombre) muestran actividad puzolánica y se utilizan como materiales cementantes complementarios. Las puzolanas artificiales se pueden producir deliberadamente, por ejemplo, mediante la activación térmica de arcillas de caolín para obtener metacaolín , o se pueden obtener como desechos o subproductos de procesos de alta temperatura, como cenizas volantes de la producción de electricidad a partir de carbón. Las puzolanas más utilizadas en la actualidad son subproductos industriales como cenizas volantes , humo de sílice de la fundición de silicio, metacaolín altamente reactivo y residuos de materia orgánica quemada ricos en sílice, como ceniza de cáscara de arroz . Su uso se ha establecido firmemente y regulado en muchos países. Sin embargo, el suministro de subproductos puzolánicos de alta calidad es limitado y muchas fuentes locales ya están plenamente explotadas. Las alternativas a los subproductos puzolánicos habituales se encuentran, por un lado, en una ampliación de la gama de subproductos industriales o residuos sociales considerados y, por otro lado, en un mayor uso de puzolanas naturales.
Las puzolanas naturales son abundantes en ciertas localidades y se utilizan ampliamente como complemento del cemento Portland en países como Italia, Alemania, Grecia y China. Se utilizan habitualmente cenizas volcánicas y piedras pómez compuestas en gran parte de vidrio volcánico , al igual que depósitos en los que el vidrio volcánico se ha transformado en zeolitas por interacción con aguas alcalinas. Los depósitos de origen sedimentario son menos comunes. Las tierras de diatomeas , formadas por la acumulación de microesqueletos de diatomeas silíceas , son un material de origen destacado en este caso.
Los beneficios del uso de puzolana en el cemento y el hormigón son triples. En primer lugar, la ganancia económica que se obtiene al sustituir una parte sustancial del cemento Portland por puzolanas naturales más baratas o subproductos industriales. En segundo lugar, la reducción del coste medioambiental del cemento mezclado asociado a los gases de efecto invernadero emitidos durante la producción de cemento Portland. Una tercera ventaja es la mayor durabilidad del producto final.
La mezcla de puzolanas con cemento Portland tiene una interferencia limitada en el proceso de producción convencional y ofrece la oportunidad de convertir residuos (por ejemplo, cenizas volantes ) en materiales de construcción duraderos.
Generalmente es posible reducir en un 40 por ciento el cemento Portland en la mezcla de hormigón cuando se lo reemplaza con una combinación de materiales puzolánicos. Las puzolanas se pueden utilizar para controlar el fraguado, aumentar la durabilidad, reducir los costos y reducir la contaminación sin reducir significativamente la resistencia a la compresión final u otras características de rendimiento.
Las propiedades de los cementos aglomerados endurecidos están estrechamente relacionadas con el desarrollo de la microestructura del aglutinante, es decir, con la distribución, el tipo, la forma y las dimensiones tanto de los productos de reacción como de los poros. Los efectos beneficiosos de la adición de puzolana en términos de mayor resistencia a la compresión, rendimiento y mayor durabilidad se atribuyen principalmente a la reacción puzolánica en la que se consume hidróxido de calcio para producir productos de reacción CSH y CAH adicionales. Estos productos de reacción puzolánica rellenan los poros y dan como resultado un refinamiento de la distribución del tamaño de los poros o de la estructura de los mismos. Esto da como resultado una menor permeabilidad del aglutinante.
La contribución de la reacción puzolánica a la resistencia del cemento se desarrolla generalmente en etapas posteriores del curado, dependiendo de la actividad puzolánica. En la gran mayoría de los cementos mezclados se pueden observar resistencias iniciales más bajas en comparación con el cemento Portland original. Sin embargo, especialmente en el caso de puzolanas más finas que el cemento Portland, la disminución de la resistencia inicial suele ser menor de lo que se puede esperar en función del factor de dilución. Esto se puede explicar por el efecto de relleno, en el que pequeños granos de SCM llenan el espacio entre las partículas de cemento, lo que da como resultado un aglutinante mucho más denso. La aceleración de las reacciones de hidratación del cemento Portland también puede compensar parcialmente la pérdida de resistencia inicial.
La mayor resistencia química a la penetración y a la acción nociva de soluciones agresivas constituye una de las principales ventajas de los cementos a base de puzolana. La mayor durabilidad de los aglomerantes a base de puzolana alarga la vida útil de las estructuras y reduce la costosa e incómoda necesidad de sustituir las construcciones dañadas.
Una de las principales razones de la mayor durabilidad es el menor contenido de hidróxido de calcio disponible para participar en reacciones expansivas perjudiciales inducidas, por ejemplo, por el ataque de sulfatos . Además, la menor permeabilidad del aglutinante ralentiza la entrada de iones nocivos como el cloro o el carbonato. La reacción puzolánica también puede reducir el riesgo de reacciones expansivas álcali-sílice entre el cemento y los agregados al cambiar la solución de poros del aglutinante. La reducción de la alcalinidad de la solución y el aumento de las concentraciones de alúmina disminuyen o inhiben en gran medida la disolución de los aluminosilicatos de los agregados. [6]
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