UNIVERSIDAD DIEGO POTALES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE OBRAS CIVILES IOC-2011 Tecnología del Hormigón

I.T.Z. Interfacial Transition Zone“Zona Transición Interfase”

Diego Copaja Patiño email: diego.copaja@gmail.com

Francisco Pau Cabelloemail: fcopau@gmail.comCristian Vergara Bustos

email: cristian_vb@hotmail.com

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Resumen: Un modelo basado en imágenes ha sido aplicado para investigar una variedad de microestructuras de hormigón ITZ.

El modelo sugiere, que las propiedades de microestructura ITZ son efectos del crecimiento de pared como también por el crecimiento unilateral y el grosor del ITZ, el cual será controlado por el tamaño medio de la partícula de cemento. Las microestructuras ITZ uniformes más densas se pueden lograr por medio de varios métodos, utilizando análisis de agregados, aditivos, y procesos químicos.

El modelo de microestructura ha sido verificado comparando el modelo de microestructura contra el contenido real de humo de silice en hormigones reales.

El acuerdo positivo obtenido sugiere que el modelo representa actualmente el desarrollo del ITZ en hormigón. A medida en que la demanda para hormigones de alto desempeño incrementa, la capacidad para diseñar mediante ingeniería la microestructura ITZ será cada vez más relevante. La simulación del desarrollo microestructural es una herramienta poderosa para lograr éste objetivo.

Palabras claves: Humo de sílice: Subproducto que se origina en la reducción de cuarzo, de elevada pureza, para la producción de silicio y ferrosilicio.

1 INTRODUCCION

En los materiales compuestos, se puede esperar que el rendimiento del concreto dependa de las propiedades de las interfaces entre sus dos componentes principales, los agregados y la pasta de cemento. Es así que el investigador Bentu, se dedico a revisar la dependencia de las propiedades mecánicas de la microestructura denominado como ITZ. 

Los resultados demostraron que la durabilidad también se vio fuertemente influenciada por la microestructura ITZ y sus efectos en las propiedades de transporte. De hecho, los aumentos en la conductividad eléctrica y la permeabilidad, debido a la consideración del ITZ han sido observados usando modelos de geometría simplificada de los cuales se obtuvieron buenos resultados.

En éste documento, se muestran resultados al realizar una imagen digital basada en el modelo del cemento para simular el desarrollo ITZ.

Una razón para esta experiencia es determinar las diferencias entre el ITZ y microestructura pegadas a granel, a partir de

métodos para mejorar la estructura de este eslabón débilmente explorado.

2 Descripción del Modelo

El modelo usado para investigar la microestructura ITZ fue desarrollado por D.P. Bentz y E.J. Garboczi, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, División de Materiales de construcción, Gaithersburg, EE.UU. Estos autores  han desarrollado un modelo que se describe brevemente aquí, el cual cuenta con áreas de dos dimensiones (2D) o de volúmenes de tres dimensiones (3D) que están representados por un conjunto de píxeles, cada uno identificado como una fase del hormigón. Para este trabajo, las fases importantes del cemento son la anhidro (que se supone puro C3S), la de hidróxido de calcio (CH), y la de hidrato de silicato de calcio (CSH), junto con la porosidad, los agregados y los aditivos minerales. Así, una partícula de cemento se representa como una colección de píxeles contiguos asignado a C3S. De esta manera, las formas reales de partículas de cemento puede ser utilizado, como círculos y esferas, en la generación de la microestructura simulada del cemento. La figura 1 es una imagen real de las partículas de cemento en 2D, obtenida mediante un microscopio electrónico de barrido y analizada por medio de imágenes, colocadas al azar en torno a un agregado idealizado de forma cuadrada (izquierda de la imagen), y el mismo sistema (derecha de la imagen) después de que el 77% del cemento se haya hidratado mediante el modelo. En el sistema hidratado, las partículas de cemento son de color rojo, CH es azul, CSH es el amarillo, y la porosidad es de color negro.

Figura 1: partículas de cemento colocados alrededor de un agregado cuadrado (w / c = 0,47), antes

de la hidratación (a la izquierda), después del 77% de hidratación (derecha).

La hidratación es simulada mediante una operación en todos los píxeles presentes en el volumen de pasta de cemento o área. En las dos reacciones se considera la hidratación del C3S para formar CH y CSH, y la reacción puzolánica entre la CH y de sílice (el humo de sílice o cenizas volantes) para formar CSH secundaria o puzolánico. La estequiométrica de la reacción

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asumida, basada en el trabajo de jóvenes y Hansen es el siguiente:

CaS + 5.3H ← C1.7SH4.0 + 1.3CH (1)S + 1.7CH + 2.3H ← C1.7SH4.0 (2)

En términos de volúmenes o áreas, cada unidad de C3S disuelto produce 1,7 unidades de CSH y 0,61 unidades de CH. En cuanto a la reacción puzolánica, cada unidad de volumen de silicio es capaz de reaccionar con 2,08 unidades de CH para producir 4,6 unidades de CSH puzolánico.

La hidratación es ejecutada en ciclos discretos los cuales son de disolución, difusión, y las fases de la reacción. Durante la disolución, todos los píxeles son C3S que están en contacto con el agua, y por su parte la porosidad permite dar la oportunidad de disolver, producir y difundir CH y una especie de CSH. En ocasiones la probabilidad de realizar la disolución se basa en la cantidad de superficie C3S en contacto con el agua. Durante la difusión, del CSH y CH se ejecutan paseos aleatorios en el espacio poroso disponible, hasta que la reacción se produce. El CSH se forma en las superficies de las partículas de cemento original o en CSH sólido formado previamente. En cambio el CH forma cristales a partir de un mecanismo de nucleación y de crecimiento en el espacio poroso. Además, si la sílice amorfa está presente, la difusión de las especies CH reaccionan en las superficies de sílice para formar CSH puzolánico. Cuando todas las especies de difusión generadas de una disolución han reaccionado, se completa el ciclo y una disolución nueva empieza. Mediante la supervisión de cemento mucho de lo queda después de un cierto número de ciclos de hidratación, es denominando como el grado de hidratación, denotado por α que en el sistema puede ser determinado. Al igual que en los sistemas reales, la hidratación es en última instancia, la limitación de las superficies de cemento restantes, debido a que se rodea totalmente, producto de hidratación. Sin embargo, típicamente el 80-90% del cemento puede ser hidratado antes de esta situación.

Para simular un ITZ, en concreto, en la experiencia se coloco un solo agregado en el volumen de hidratación (de área) y las partículas de cemento fue colocada al azar, de manera tal de evitar que las partículas se superpongan. Para simular una total absorción de peso ligero esta distribución se modificaba con todas las partículas en movimiento hacia la superficie, para simular la absorción de agua por los agregados secos. Esto funciona como un filtro donde el agua y las partículas de cemento fluyen hacia su superficie, como sugiere Fagerlund. 

El uso de clínker de cemento, puede ser simulado mediante la asignación de la suma a ser C3S. Debido a su pequeña superficie-a-volumen, sólo una fina capa en la superficie exterior del agregado de clinker será sometido a una hidratación significativa. Salvo que se indique lo contrario, se han realizado todas las simulaciones que se describen a continuación utilizando la versión 2D del modelo de la microestructura, siendo considerados los resultados como el promedio de 5 a 10 configuraciones independientes de un sistema dado. 

3 Zona interfacial de transición microestructural

La aplicación del modelo para simular la microestructura ITZ ha sido descrita por Garboczi y Bentz. Los resultados son una simulación similar al sistema de la figura. 1, pero con partículas de cemento circular, lo cual indican que el ITZ contiene menos cemento y más CSH, y la porosidad junto con el CH de la pasta a granel, de acuerdo con lo que se ha observado en hormigones real también son de bajo contenido. Aunque los efectos de las partículas, obviamente contribuyen a estos elementos del ITZ, existe una secundaria cara para el mecanismo de crecimiento que también juega un papel importante. En las zonas de transición de la interfase, la porosidad disponible está llena de productos de hidratación cada vez mayores que tienen una sola dirección, a diferencia de la pasta de productos a granel donde crecen hacia el interior en diferentes direcciones. Al usar la simulación, es posible separar estos efectos, colocando primero el cemento de las partículas en todo el sistema y luego superponiendo el agregado, y al realizar la eliminación de todas las partes de partículas de cemento debajo de la suma, era posible eliminar los efectos de las partículas iniciales y el estudio se lograba realizar sólo en un efecto de crecimiento unilateral. 

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Figura 2: Porosidad v/s distancia de la superficie total antes y después de la hidratación para (primer grafico) el

efecto unilateral de mecanismo de crecimiento, y (segundo grafico) un mecanismo de crecimiento de una

cara solamente.

La figura 2 muestra los resultados de esta simulación, en términos de la porosidad en función de la distancia de la superficie total para los sistemas inicial y complementariamente con las partículas hidratadas para las configuraciones del sistema antes mencionado. La unilateralidad del mecanismo de crecimiento parece no ser secundario, sino que contribuye significativamente al aumento de la porosidad en el ITZ. El cemento de partículas utilizadas en esta simulación se considera de 21 píxeles de diámetro, de forma que el espesor de la ITZ fue aproximadamente el mismo que el diámetro de las partículas de cemento.

Figura 3: La porosidad total de cerca antes de la hidratación, por dos cementos diferentes.

Para investigar más el vínculo entre el tamaño de las partículas de cemento y el espesor de ITZ, se desarrollo un continuo programa de partículas esférica 3D que se puso en práctica, las cuales eran de una distribución de tamaño conocido (a partir de un análisis de tamiz) y que fueron colocadas al azar en orden de mayor a menor en un cubo de 200 micrómetros de lado, de manera que las partículas no se superponen. Las paredes rígidas estuvieron presentes en dos caras opuestas de la caja para representar áridos, mientras que las condiciones de frontera periódicas se mantenían en los otros cuatro lados. Las fracciones de volumen de cemento y la porosidad se evaluaron utilizando técnicas de muestreo, y se uso la distribución del tamaño de tamiz presente en tablas y datos dados por el investigador Breugel, frente a los resultados que se muestran en la Figura 3 para dos cementos en distintas proporciones de w/c (agua cemento).

El cemento A1 tiene un tamaño de partícula promedio en una base de masas de unos 28 micrómetros, mientras que el tamaño medio de partícula A7 de cemento es de unos 11 micrómetros. Los espesores ITZ (es decir, la distancia a la que la porosidad primera se aproxima a su mayor valor) corresponden cerca de los diámetros medios de las partículas, por el contrario, a la relación w/c que tiene poco efecto sobre el grosor de ITZ, aunque sí afecta el gradiente, en el contenido de cemento como la superficie total que se desea aproximar. 

A demás de la hidratación se puede reducir los espesores de ITZ como se ve en la figura. 2, resultando finuras de cemento para ser una variable que influya fuertemente en características del grosor del ITZ, luego esto se

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espera que sea proporcional a la mediana del tamaño de las partículas de cemento.

Tras esbozar dos causas de características ITZ microestructural, es decir, la pared y de un solo lado los efectos del crecimiento, se deseo en esta experiencia explorar los diversos métodos para mejorar la microestructura del ITZ.

4 Modificaciones de la microestructura ITZ

Figura 4: El uso de mezclas de minerales provocan cambios entre la distancia que existe entre los

agregados y las partículas de cemento

4.1 Uso de agregados de peso ligero de absorción

Recientemente, Zhang y Gjorv han caracterizado la microestructura de la zona interfacial en concretos livianos como la relación entre cuan densa y homogénea se encuentran en el peso normal de hormigón. Una posible razón de esta observación es la reorganización de las partículas de cemento tal como muestra la figura 5 en las proximidades de un agregado debido a la absorción de agua por parte del agregado. Como se mencionó anteriormente, este fenómeno puede ser convenientemente simulado utilizando el modelo de la microestructura.

Figura 5: Acumulación de partículas de cemento en el sector donde esta presente el agregado (de color azul).

Para realizar esta investigación, el agregado grueso se supuso asumiendo que tenían una absorción del 14% sobre una base de masa seca (datos de Ben Othman y Buenfeld) y que al estar presentes en el hormigón en una fracción de 42% respecto del volumen, suponian que el agregado seco fue añadido a la mezcla en 0,586 de original w/c, por lo cual sería necesaria para producir una relación final w/c en la pasta de 0,39 después de la saturación total. La configuración no hidratada final dicha en el sistema se da en la figura 6(a). Aquí, las partículas de cemento fueron colocadas para lograr la propuesta en 0,586 de proporción w/c y luego fueron trasladados de un pixel en un momento hacia la placa plana superficial hasta lograr finalmente un w/c que produjo por supuesto, la mezcla de concreto esperada. Este sistema puede ser contrastado con un sistema con agregados de peso normal y w/c de 0,39.

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Figura 6: Hidratación de hormigón armado de áridos ligeros de absorción (a) microestructura inicial (arriba), y

(b) el análisis de fase cuantitativa (abajo) (hormigón normal incluyendo a efectos comparativos).

Los resultados de las fracciones de fase v/s la distancia de la superficie total después de 77% de hidratación se proporcionan en la figura 6(b), tanto para la porosidad y C3S, además de CSH. El agregado de absorción ligero mejora tanto estas distribuciones de fase relativa a las encontradas para el sistema global como para el normal. Debido a que las partículas de cemento son más densas cerca de los agregados, que el conjunto abordado desde una distancia de la porosidad que disminuye ligeramente, se entiende mientras que el C3S más aumenta en la fracción de CSH ligeramente como volumen. Dentro de los 5 a 10 píxeles de la suma, el aumento de la porosidad produce la disminución del C3S de la fracción CSH en cuanto al volumen, pero no tanto como para que el sistema con agregados cambie su peso normal. 

Es así, que el total de absorción ligera o parcialmente eliminado por el efecto de pared, aunque todavía este presente en una medida que incluso en contra de un partícula esferas resulta ser una pared plana en una zona de alta porosidad, cerca de la superficie de la pared. Aquí, la escala de la rugosidad de las partículas de cemento y los agregados puede desempeñar un papel en lo real y concreto. Además de proporcionar la rugosidad de enclavamiento mecánico, para el agregado de absorción, podría esperarse que el cemento de las partículas que se elabore sea adhiera con fuerza contra la superficie total en bruto de una "llave" de modo de reducir sustancialmente el efecto de la pared. En cualquier caso, así un lado del mecanismo de crecimiento seguiría siendo operativo.

4.2 Uso de clínker de cemento

Berger, ha investigado el uso de áridos de clinker de cemento en el hormigón. Él atribuyó el aumento de los puntos fuertes de estos sistemas a una pasta de cemento mejorado de los globales. Dando el total de clinker hidratado en su superficie, la cara mecanismo de crecimiento debería ser eliminado. Además, desde el clínker de cemento las razones, se ven afectadas en la microestructura ITZ de una manera similar a los agregados de peso ligero discutidos en la sección anterior. Una vez más, la simulación proporciona un medio conveniente para el estudio de estos sistemas.

Figura 7: La hidratación de cemento clinker de absorción total (a) microestructura hidratado (arriba), y

(b) el análisis de fase cuantitativa (abajo).Para consolidar el modelo global de clinker,

al agregado se le asigna un identificador de la fase de C3S por lo que es elegible para la disolución y la reacción al igual que las partículas más pequeñas de cemento. 

Debido a su pequeña superficie-a-volumen, sólo el exterior se someterán a una hidratación significativa como se muestra en la figura 7(a) por un total de clinker de absorción (12% de absorción en masa, medida en un clinker seco típico en laboratorio) con W/C de 0,39 y el 75% de hidratación de la pasta de cemento a granel. De las fracciones fase representados en la figura 6(b), se observa que la distribución de la

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porosidad y de C3S + CSH son ahora casi homogéneo en todo el sistema lo que sugiere una pasta superior de que las globales. Debido al alto contenido de cemento en la superficie total, la porosidad disminuye ligeramente y C3S + CSH aumentado en unos pocos píxeles los áridos. No sólo el de un solo lado mecanismo de crecimiento ha sido eliminado, sino que ahora la parte del volumen total está compuesto enteramente de cemento.

Figura 8: fase de análisis cuantitativo para no

concretas de clinker de absorción total.

El clinker que no se absorbe puede ser fácilmente simulado. En este caso, las mejoras en la microestructura ITZ no son tan drásticas, pero son importantes como se ve en la figura. 7 para un sistema completamente hidratado con relación w/c

de 0,47, el aumento de la porosidad incrementa a medida en que se aproxima desde una distancia, no obstante, se observa en decrecimiento en la vencidad cercana debido a los beneficios del fenómeno de crecimiento unilateral. Estas tendencias similares se observan para la fracción C3S + de la fase CSH. El uso de de clinker como agregado produce una microestructura ITZ superior debido a que tanto el efecto de crecimiento unilateral como el efecto de pared pueden ser tratados, sólo dependiendo de las características de absorción del clinker dirigidas, en función de las características de absorción de la escoria.

Figura 9: Comparación entre (a) real (dos superiores) y (b) modelo (dos inferiores) los especímenes.

La comparación entre el modelo real y microestructura según Bentz han verificado el modelo de microestructura del cemento,

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comparando la microestructura ITZ del modelo y muestras reales de sistemas en los cuales 0, 10 y 20 por ciento de la masa de cemento fue reemplazada por el humo de sílice. Las muestras consistentes en las pasta de cemento y agregados grueso se prepararan y fraccionan según la distribución de fase que se midieron utilizando microscopios de barrido de electrón y análisis de imágenes. Los resultados se muestran en la figura. 9 para el total de cemento +CSH+Sílice y las fracciones fase de la porosidad. En la fig. 9, los resultados del modelo se han dispuestos a lo largo del eje x a modo de que el promedio de tamaño de las partículas de cemento, sean cerca de 40 micrómetros, en ambos sistemas. En general, el acuerdo entre los dos sistemas es bastante bueno. Como ya se ha visto, el humo de sílice mejora la microestructura del hormigón disminuyendo la porosidad y aumentando la fracción de cemento+CSH+sílice presentes en el ITZ como también en pasta. Estas fracciones de fase son casi homogéneas en todo el humo de sílice en 20% de concreto.

5 ITZ en forma grafica

La microestructura en los concretos están determinados por una organización de compones que proporciona múltiples cualidades tal como muestra la figura 10, las cuales guardan relación con reacciones químicas y propiedades de la diversidad de elementos que contiene.

Figura 10: Distribución dentro del hormigón en una mezcla de cemento en una muestra de pasta

Sobre la formación del ITZ en un concreto típico podemos decir que esta claramente definida por la interacción entre los componentes pétreos del hormigón tal como muestra la figura 11.

Figura 11: ITZ en concreto típico.

Figura 12: Comparación entre un ITZ fuerte (imagen superior a la izquierda) y uno debilitado (superior

derecha). Además aumento de fenómeno debilitado (imagen inferior).

Esta formación puede debilitarse debido a los factores ya mencionados pero gráficamente sucedo lo que se observa en las figuras 12.

6 Referencias

1 Interfaces in Centitious Composites, Procceding of the RILEM International,http://books.google.com

2 Water Movement during Internal Curing: Using X-ray Microtomography,http://ciks.cbt.nist.gov/~bentz/iccuringxray/

3 Biblioteca Instituto Nacional del Hormigón INH, http://www.ich.cl/

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