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  ISSN 207-03031

 
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UN ESTUDIO DE HORMIGONES RESISTENTES A ALTAS TEMPERATURAS

 

 Autor: Juan Ernesto Hernández Toledo

            Especialista en hormigones estructurales

            Grupo industrial de fibrocemento Perdurit

            Ministerio de la Construcción

RESUMEN 

Este trabajo resume una experiencia en Cuba sobre una investigación en hormigones premezclados que logran resistir altas temperaturas.

Las características especiales del hormigón premezclado resistente a altas temperaturas exigen la selección y estudio de los materiales componentes disponibles para el cumplimiento de las condiciones a las cuales estará sometida la estructura en la obra y los requisitos que establezca el proyecto.

Las condiciones en las cuales se elabora, transporta y coloca el hormigón son aspectos que hay que tener en consideración para lograr un cumplimiento exitoso de un buen servicio del hormigón a la obra.

 En este trabajo se resumen los aspectos principales del trabajo de selección de materiales,  investigación, característica  y diseño del hormigón resistente a altas temperaturas para hornos de fábricas de cemento y hornos de fábricas metalúrgicas.

De los materiales resistentes a altas temperaturas, los más ampliamente usados son los silicios, aluminio silicios, magnésicos, cromosos.

·  Los silicios contienen no menos del 93% de dióxido de silicio y poseen resistencia a temperaturas entre los 1670 oC y los 1790 oC, sin embargo son poco resistentes al astillamiento y tienden a disminuir la resistencia a los esfuerzos mecánicos, agrietarse y desmoronarse cuando son calentados rápidamente y son utilizados para cubiertas en hornos metalúrgicos.

·  Los aluminios silicios son divididos en tres grandes grupos:

       Semiácidos (65% de SiO2 y menos de 35% Al3O3)

       Los de alto contenido de alúmina (más del 45% de Al2O3)

        Chamota (30%-45 % de Al2O3)

 Los de Chamota, son los fabricados utilizando como materia prima una mezcla de Chamota y arcilla resistente a altas temperaturas, ellos tienen una resistencia satisfactoria a los choques térmicos y adecuada resistencia a los esfuerzos mecánicos. Son utilizados en la fabricación de ladrillos refractarios, áridos refractarios, paredes, chimeneas, hornos y  recubrimientos de calderas.

Los materiales locales en la región occidental de Cuba son eminentemente calizos, poco resistentes a las altas temperaturas y los que mejores características tienen para este propósito están a grandes distancias. Ahora bien, es de todos conocidos que el hormigón, es el material de construcción por excelencia más generalizado en el mundo, pero tiene el inconveniente que no es capaz de resistir, temperaturas superiores a los 300 oC. Por encima de este valor se producen pérdidas considerables en las resistencias a compresión, esto se debe a que los constituyentes hidráulicos del cemento se deshidratan con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, el Ca (OH)2 pierde su agua combinada alrededor de los 400 oC y posteriormente al enfriarse nuevamente origina un aumento de volumen.

Por consiguiente es necesaria la confección de un hormigón especial para la resistencia a altas temperaturas.

Según la literatura técnica para hormigones sometidos a temperaturas elevadas de hasta 500 oC se puede utilizar cemento Pórtland, siempre que se adicione una cantidad igual de polvo de ladrillo como árido fino y  el árido grueso de tipo silicio.

Sin embargo, para temperaturas superiores  a los 700 oC y mayores, deben seleccionarse, cemento aluminoso y áridos de tipo silíceos.

En general para los hormigones resistentes a altas temperaturas el contenido de  cemento que se emplea en las dosificaciones debe de ser elevado, estando comprendido entre los 400 y los 500 kg/m3  y la relación de a/c lo más baja posible.

Este trabajo se realizó, con el objetivo de dar solución al hormigonado del horno de  la fábrica de cemento Mártires de Artemisa en La Habana y el horno de la siderúrgica “José Martí”, que como requisito fundamental solicitaban un hormigón resistente a temperaturas de 600  oC y de resistencia característica de 20.0 MPa.

Para dar solución al problema, se establecieron unas series de requisitos técnicos para llevar a cabo este proyecto, donde se  necesitaban materiales capaces de resistir temperaturas superiores a 600 oC y lograr resistencias  características en el hormigón de 20.0 MPa.

Los requisitos técnicos para el proceso del hormigonado, se establecieron de la siguiente manera:

·  El hormigón resistente a altas temperaturas, sería elaborado en una planta productora de hormigón automatizada para garantizar un buen control del hormigón.

·  Los materiales serían recepcionados por la planta en lugares bien protegidos y libres de cualquier contaminación.

·  El traslado del hormigón resistente a las altas temperaturas se llevaría a cabo desde la planta  hasta la obra en un periodo de tiempo de dos horas.

·  La colocación del hormigón resistente a las altas temperaturas se llevaría a cabo con una bomba de hormigón.

·  El hormigón resistente a las altas temperaturas debe ser laborable en un periodo de tiempo de tres horas para su colocación en el objeto de obra.

·  El hormigonado del horno tardaría un tiempo aproximado de 48 horas.

Con todas estas premisas, el hormigón tiene que poseer las siguientes características:

Elevada laborabilidad con el empleo de un aditivo superfluidificante-retardador.

La relación agua-cemento estará en el entorno de 0.50 a 0.55.

El hormigón con características bombeables.

El hormigón resistente a las altas temperaturas.

La investigación se comenzó con la selección de las materias primas a emplear según análisis previo en documentaciones de referencias. Posteriormente, se le realizaron los análisis físicos-mecánicos a los materiales seleccionados, los que a  continuación se muestran en este trabajo:

 

Materias primas y productos químicos seleccionados para la investigación

·  Cemento Aluminoso P-400 de importación

·  Cemento P-350 Fca.  Carlos Marx", Cienfuegos.

·  Arena zona I   5 – 0.15 mm  Cantera Dragón II San José , La Habana

·  Arena zona I  5 – 0.15 mm   Cantera Arimao,  Cienfuegos

·  Gravilla zona I   19 – 10 mm   Cantera Arimao,  Cienfuegos

·  Chamota. (Ladrillo refractario triturado)

·  Aditivo Superfluidificante de la Producción cooperada Perdurit-Mapei

Características de las materias primas y productos seleccionados para la investigación:

Cemento Aluminoso

Cemento Pórtland P-350

Fábrica: Carlos Marx    

Calidad: P-400

Provincia: Cienfuegos

Peso específico: 3.22 g/cm3

Peso específico: 3.10 g/cm3

Finura: 2.32 %

Finura: 4.32 %

Consistencia: 24.1 %

Consistencia: 24.1%

Tiempo fraguado inicial: 240 min

Tiempo fraguado inicial: 132 min

Tiempo fraguado final: 4 horas 45 min

Tiempo fraguado final: 3 horas 12 min

Finura Blaine: 3323 cm2 /g

Finura Blaine: 3082 cm2 /g

Resistencia a la flexión

7 días: 8.3 MPa

28 días: 9.9 MPa

Resistencia a la flexión

7 días: 6.5 MPa

28 días: 7.4 MPa

Resistencia a la compresión

7 días: 73.8 MPa

28 días: 92.9  MPa

Resistencia a la compresión

7 días: 42.1 MPa

28 días: 47.6 MPa

 

ÁRIDOS

Las características técnicas del agregado fino es la siguiente:

 

Cantera: Arimao

Cantera: Dragón II

Provincia: Cienfuegos

Provincia: La Habana

Tipo de roca: silícea (81% de dióxido de silíceo)

Tipo de roca: Roca caliza

Fracción: 5 – 0.15 mm

Fracción: 5 – 0.15 mm

PEC: 2.58 kg/dm3

PEC: 2.58 kg/dm3

PES: 2.60 kg/dm3

PES: 2.60 kg/dm3

PEA: 2.64 kg/dm3

PEA: 2.64 kg/dm3

Absorción: 0.61 %

Absorción: 0.61 %

Tamiz No. 200: 2.00%

Tamiz No. 200: 3.00%

PVS: 1.552 kg /L

PVS: 1.552 kg /L

PVC: 1.720 kg/L

PVC: 1.720 kg/L

 Vacíos: 33.3 %

 Vacíos: 41.3 %

Granulometría (porcentaje pasado por los tamices en mm)

9.52  4.76  2.38  1.19   0.59   0.297   0.149

100    93     80      57     37       16          2

Granulometría (porcentaje pasado por los  tamices en mm)

9.52  4.76  2.38  1.19   0.59   0.297   0.149

100    85    67       42     17        6          2

Resistencia a compresión:  80.0 MPa

Resistencia a compresión:  80.0 MPa

 

Árido Chamota

Cantera: Dragón II

Provincia: La Habana

Provincia: La Habana

Fracción: 5 – 0.074 mm

Tipo de roca: Roca caliza

PEC: 2.40 kg/dm3

Fracción: 19 – 5  mm

PES: 2.48 kg/dm3

PEC: 2.64 kg/dm3

PEA: 2.64 kg/dm3

PES: 2.68 kg/dm3

Absorción: 3.61 %

PEA: 2.71 kg/dm3

Tamiz No 200: 11.30 %

Absorción: 1.70 %

PVS: 1.491 kg/L

Tamiz No. 200: 2.38%

PVC: 1.562 kg/L

PVS: 1.363 kg/L

 Vacíos: 31.8 %

PVC: 1.500 kg/L

Granulometría (porcentaje pasado por los  tamices en mm)

9.52  4.76  2.38  1.19   0.59   0.297   0.149

100   99      93      71      60      42        24

Granulometría (porcentaje pasado por los  tamices en mm)

25.4   19.1  9.52    4.76  2.38  

100      99     34       4        2     

Módulo de finura:  2.11

 Vacíos: 41.85 %

 

Planas y alargadas: 5%

 

Índice de triturabilidad: 10 %

 

Resistencia a compresión:  80.0 MPa

Cantera: Arimao

Aditivo químico

Provincia: Cienfuegos

 Producción cooperada Perdurit-Mapei

Tipo de roca: silícea

Producto: Mapefluid N-100RC

Fracción: 19 – 5  mm

Aspecto: Líquido

PEC: 2.64 kg/dm3

Color: Café oscuro

PES: 2.68 kg/dm3

Densidad: 1.16 kg/ L

PEA: 2.71 kg/dm3

Cloruros: No posee

Absorción: 1.0 %

Cloruros: No posee

Tamiz No. 200: 1.38%

Acción: Superfluidificante – retardante

PVS: 1.465 kg /L

Dosificación: 1.2 % del peso del cemento

% Vacíos: 41.85

 

   

 

 

Granulometría (porcentaje pasado por los  tamices en mm).

 25.4     19.1      9.52   4.76   2.38

100        96         36        5       2     

Planas y alargadas: 2%

Índice de triturabilidad: 10 %

Resistencia a compresión:  90.0 MPa

 

Leyenda de abreviaturas.

PVS =  Peso volumétrico suelto

PVC = Peso volumétrico compactado

PEC = Peso específico corriente

PES = Peso específico saturado de humedad superficial

PEA = Peso específico aparente

Para agilizar el trabajo se diseñaron dosificaciones de mortero con los materiales finos seleccionados y se sometieron a quema en mufla a  temperaturas de 400, 600, 800 y 1000 ºC.

Las combinaciones  empleadas para los morteros de pruebas, fueron las siguientes

Combinación No. 1

Cemento P-350 Fca. “René Arcay”,  Mariel,  La Habana

Arena Arimao, Cienfuegos 5-0.15 mm                      

Agua                                                                          

Aditivo Superfluidificante Mapefluid N-100 RC

Chamota (9, 30,60% del peso de la arena)

Combinación  No. 2

Cemento P-400   Aluminoso                                       .

Arena Arimao  Cienfuegos 5-0.15 mm                 

Agua                                                                           

Aditivo Superfluidificante  Mapefluid N-100 RC

Chamota (9, 30, 60 %)

Combinación No. 3

   Cemento P-350 Fca. "Carlos Marx", Cienfuegos

Arena Dragón Camoa 5-0.15 mm                      

Agua                                                                           

Aditivo Superfluidificante Mapefluid N-100 RC

Chamota (9, 30,60% del peso de la arena)

Combinación No. 4

Cemento P-400 Aluminoso

Arena Dragón Camoa 5-0.15 mm                      

Agua                                                                           

Aditivo Superfluidificante Mapefluid N-100 RC

Chamota (9, 30,60% del peso de la arena)

Combinación No. 5

Cemento P-350 Fca. "Carlos Marx", Cienfuegos

Arena Dragón Camoa  5-0.15 mm                      

Agua                                                                           

Aditivo Superfluidificante Mapefluid N-100 RC

Combinación No. 6

Cemento P-350  Fca. "Carlos Marx", Cienfuegos

Arena Arimao  Cienfuegos 5-0.15 mm                      

Agua                                                                           

Aditivo Superfluidificante Mapefluid N-100 RC

Combinación No. 7

Cemento P-400 Aluminoso

Arena Arimao, Cienfuegos 5-0.15 mm                      

Agua                                                                           

Aditivo Superfluidificante Mapefluid N-100 RC

Las pruebas sobre los morteros, se realizaron en 15 combinaciones, con dos tipos de cemento, dos tipos de áridos finos, con chamota en proporciones de 9%, 30%, 60%, con respecto a la arena que se utiliza y el aditivo superplastificante.

 Se tomó como referencia una mezcla patrón a la que no se le aplicó ninguna temperatura de quema

 

 

No.

 

Tipo de

combinación

Patrón

sin quema

Quema

a

400°C

Pérdida

en %

Quema a

600°C

Pérdida

en %

Quema

a

800°C

Pérdida

en %

Quema a

1000°C

Pérdida

en %

MPa

MPa

%

MPa

%

MPa

%

MPa

%

1

CM+AA+9%CH

37.7

34.3

9

23.1

39

8.5

77

0

100

2

CM+AA+30%CH

44.5

30.9

31

23.4

47

11.4

74

0

100

3

C M+AA+60%CH

24.0

23.9

4

21.6

10

8.2

66

5.6

77

4

A+AA+9%CH

33.1

26.7

19

25.2

24

23.9

28

20.1

39

5

A+AA+30%CH

36.1

17.9

50

17.9

50

15.7

57

0

100

6

A+AA+60%CH

19.5

10.5

46

10.6

46

10.0

49

8.3

57

7

CM+D+9%CH

37.8

33.7

11

25.8

32

17.0

55

0

100

8

CM+D+30%CH

29.8

28.9

13

23.7

20

0

100

0

100

9

CM+D+60%CH

28.2

28.7

9

22.0

22

0

100

0

100

10

A+D+9%CH

53.3

42.8

20

29.3

45

0

1000

0

100

11

A+D+30%CH

44.0

22.4

49

23.0

48

0

100

0

100

12

A+D+60%CH

23.2

17.4

25

14.8

36

0

100

0

100

13

C M+D

48.0

40.0

17

29.0

40

0

100

0

100

14

CM+AA

47.8

42.0

12

22.5

53

11.1

77

4.2

100

15

A+AA

54.2

28.8

47

25.9

52

22.8

58

0

100

 

Leyenda: A: Cemento Aluminoso, M: Cemento Mariel, D: Arena Dragón, AA: Arena Arimao,  %CH: % de Chamota

En las  muestras sometidas a quema a temperaturas de 800 °C, cuando se utilizaba como árido fino la arena caliza de Dragón II, se observaba una deshidratación de las partículas, convirtiéndose en carbonato de calcio.

Las muestras sometidas a temperaturas de 1000 °C, solamente resistieron cuatro de ellas con pérdidas muy elevadas.

Según los resultados de la Tabla No. 1, se escogieron las  combinaciones 3 y 4  para realizar la pérdida de la fluidez con el tiempo y poder definir el  comportamiento del hormigón para el traslado y colocación.

COMBINACIONES

3. Cemento "Carlos Marx" + Arena Arimao +Árido grueso Arimao+ 60 % Chamota

4. Cemento Aluminoso + Arena Arimao + Árido grueso Arimao+ 9 % Chamota

 

TABLA No. 2. Determinación de la consistencia con el tiempo

 

Resistencia

Especificada

20.0 MPa

Tiempo ( min )

6

30

60

90

120

150

180

                              Consistencia en el cono

                        (mm)

CM + Ar +Ag+ 60% CH

120

118

115

113

110

105

100

A + Ar +Ag 9% CH

118

113

104

91

83

78

73

 

La dosificación con el cemento aluminoso presenta una pérdida de la consistencia con el tiempo muy elevada a los 90 minutos, que no permite su utilización en el servicio de hormigón a las obras seleccionadas.

Para el servicio a las obras seleccionadas se escogió la dosificación siguiente que cumplía con los requisitos establecidos.

 Dosificación  para hormigones resistentes a altas temperaturas

Rbk = 20.0 MPa

Cemento Mariel P-350 Fca. "Carlos Marx"       = 330 kg

Chamota  al 60 %                                         = 490 kg

Gravilla Arimao 19-10 mm Cienfuegos             = 800 kg

Agua                                                            = 230 L

Aditivo superfluidificante Mapefluid N-100RC    = 6.10 L

R a/c                                                             = 0.50

Asto                                                               = 22 cm

 Se realizaron seis mezclas de pruebas de hormigón a escala de laboratorio y se sometieron a la quema a temperaturas de 600 oC y 800 oC, arrojando los siguientes resultados:

TABLA No. 3

 

 

Resistencia especificada

 

 

Asto cm

 

 

 R            a/c

 

 

Cto

kg

 

 

Agua L

Resistencia a la Compresión

600 oC

800 oC

7 días

28 días

7 días

28 días

20.0 MPa

22

  0.52

450

235

15.1

24.1

12.1

21.1

CONCLUSIONES

·  Para hormigones expuestos a temperaturas de hasta 400 oC, con cemento Pórtland y áridos calizos y silicios, hay una gran gama de combinaciones que se pueden utilizar con mínimas pérdidas de la resistencia a la compresión del hormigón.

·  En los hormigones resistentes a temperaturas de 600  oC con cemento Pórtland y áridos silicios se logran pérdidas de resistencias aceptables.

·   Los hormigones con cemento aluminoso tienen una pérdida de la consistencia con el tiempo mucho más elevada que el fabricado con el cemento Pórtland de la  Fca. "Carlos Marx",  de Cienfuegos.

·  Para hormigones resistentes a  temperaturas de 600 oC es posible la utilización del cemento Pórtland y áridos calizos y silicios, pero con pérdidas de la resistencia a compresión mayores del 20%.

·  Cuando la temperatura de quema es de 800  oC los áridos calizos se desintegran, no lográndose ninguna resistencia mecánica.

·  Con cemento Pórtland y áridos silicios se pueden lograr hormigones resistentes a  temperaturas de 800 y 1000 oC, pero con elevadas pérdidas de resistencia  a compresión.

·   Los resultados de la quema de las muestras de hormigón de la dosificación seleccionada, garantizan la resistencia característica a 28 días solicitada, con resistencia a compresión de 24.1 MPa a temperaturas de 600 oC y de  21.1 MPa a 28 días a temperaturas de 800  oC.

·   El principal objetivo de este trabajo es reducir la importación de cemento aluminoso, ya que el país no produce este tipo de cemento para la confección de hormigones refractarios.

·   El segundo objetivo es establecer un método para realizar la selección de los materiales del hormigón refractario, con materiales locales que cumplan los requisitos de resistencia a las altas temperaturas a las que estará sometido la obra  en su vida útil de trabajo, así como las resistencias mecánicas que exija el proyecto de construcción.

·  El tercer objetivo es proporcionar una herramienta de trabajo para los proyectistas y constructores que diseñan y construyen obras  en Cuba u otros países  con características del hormigón resistente a altas temperaturas.