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Jul 22, 2023

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) Cite este artículo 1058 Accesos 3 Citas Detalles de métricas Las especificaciones que corresponden con el rendimiento del sistema pueden garantizar la adición

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

1058 Accesos

3 citas

Detalles de métricas

Las especificaciones que se corresponden con el rendimiento del sistema pueden garantizar la adición de valor. La mayoría de las especificaciones para el concreto premezclado abordan límites en el tiempo de descarga y el conteo de revoluciones del tambor del camión. Estos límites se han desarrollado para el hormigón convencional. A medida que los usos de materiales cementantes suplementarios (SCM) se vuelven omnipresentes, es importante determinar si estas especificaciones son aplicables a los SCM, es decir, sistemas que contienen cenizas volantes. Este artículo presenta los resultados de los efectos del tiempo de mezclado y las revoluciones del mezclador en las características de 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 aparente del cloruro. Los resultados indican que al aumentar el tiempo de mezclado y el número de revoluciones del mezclador, 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 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 extendidos 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 de carbón representa aproximadamente entre el 50 y el 55% de la generación total de energía de 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 descubierto que el empleo de cenizas volantes en las industrias del cemento y del hormigón mejora las características de rendimiento 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 en las centrales eléctricas no se utilizan, lo que plantea un grave desafío para su eliminación16,17. Las instalaciones eléctricas alimentadas con carbón generan gastos adicionales debido a la eliminación de cenizas volantes. Se espera que el costo anual sea de aproximadamente 1.200 millones de dólares18. Por lo tanto, son necesarias más investigaciones e innovaciones que puedan ampliar el uso de cenizas volantes, particularmente en los sectores del cemento y el hormigón. Además de reducir los costos de eliminación, esto puede mejorar las características de rendimiento de las mezclas de concreto.

El hormigón es la segunda sustancia más utilizada en el mundo, después del agua19. Se han realizado importantes esfuerzos para limitar las emisiones de CO2 de los sectores del cemento y el hormigón debido a preocupaciones medioambientales. Sin embargo, las emisiones de CO2 de estas empresas siguen siendo notablemente altas y se requieren más esfuerzos. La Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón (ACAA)20 calculó que el uso de cenizas volantes como fuente de material cementante suplementario (SCM) en el concreto puede ahorrar emisiones de CO2 entre 10 y 14 toneladas/año solo en los EE. UU. La sustitución parcial de las cenizas volantes no sólo puede promover la sostenibilidad al reducir las emisiones de CO2, sino que también disminuye los gastos asociados con la producción de hormigón y la eliminación de las cenizas volantes. Las reglas de la Administración Federal de Carreteras (FHWA) recomiendan sistemas de concreto que contengan 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 determinada. 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 el hormigón premezclado.

La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) define el concreto premezclado como concreto que se fabrica y se entrega a un cliente en estado fresco. Las especificaciones para concreto premezclado de la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO), el Instituto Americano del Concreto (ACI), ASTM y/o las Agencias Estatales de Carreteras (SHA) abordan el tiempo de descarga, las rotaciones de los camiones y los tambores y /o limitaciones de temperatura del hormigón. En Estados Unidos, 48 ​​de 50 SHA restringen la duración antes del alta a entre 45 y 120 minutos; 30 de 50 SHA limitan el número de giros del tambor del camión 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 podrían afectar la trabajabilidad de nuevas mezclas de cemento y concreto24,25, la mayoría de los SHA restringen estos factores. La trabajabilidad reducida dificulta la consolidación de un hormigón nuevo. La colocación y consolidación inadecuadas pueden provocar grandes huecos, formación de panales y un aumento de la permeabilidad en el hormigón endurecido26,27,28, lo que resulta en una disminución considerable de la resistencia a la compresión y la durabilidad. Según Anderson y Hodson29, el coste de pulir la superficie endurecida una vez finalizada la colada es entre dos y cinco veces el coste de las materias primas del hormigón. La mejora de la trabajabilidad del hormigón fresco puede reducir los esfuerzos de colocación, lo que resulta en menores gastos de construcción.

Según la Asociación del Cemento Portland (PCA)30, más del cincuenta por ciento del hormigón premezclado contiene cenizas volantes. En los sistemas de infraestructura, los hormigones que contienen cenizas volantes están 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 concretos que contienen cenizas volantes utilizan los mismos límites de tiempo de mezclado (es decir, 45 a 120 minutos) y revoluciones totales del tambor (es decir, 250 a 320 revoluciones), los contratistas se preguntan si estos límites actuales todavía son aplicables a los concretos que contienen cenizas volantes. y, en caso negativo, si deberían 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 afirmó que los requisitos límite debían cambiarse a especificaciones basadas en el rendimiento para no restringir el desarrollo de sistemas alternativos (por ejemplo, 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 recuento de revoluciones del mezclador sobre las propiedades frescas y endurecidas de pastas y morteros de PC que contienen 20% y 50% de cenizas volantes en peso. Esta investigación evalúa las concentraciones dependientes del tiempo de iones hidroxilo, calcio y aluminato en solución, el tiempo de fraguado de las pastas y la fluidez de nuevos morteros. Las resistencias a la compresión (fc) a 1, 7 y 28 días, la porosidad a 28 días y el coeficiente de difusión aparente de cloruro (Da) se ensayan como propiedades endurecidas de los morteros de cemento.

El PC tipo I se obtuvo de SCG, Tailandia y se utilizó para todas las mezclas en esta investigación. Las cenizas volantes de clase F según ASTM C618 se adquirieron de una central eléctrica local. La composición química de difracción de rayos X (DRX) de la PC y las 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 una forma esférica, una superficie lisa y una amplia gama de distribución de tamaño de partículas. Se utilizó arena clasificada estándar que cumpliera con ASTM C778 para las muestras de fluidez, porosidad de 28 días y Da. Para todas las mezclas y experimentos se utilizó agua desionizada (DI) tipo II (1 MΩ·cm a 25 °C). El agregado fino, utilizado para las muestras fc, se adquirió de una fuente local en Saraburi, Tailandia y cumplió con los requisitos de ASTM C33. El módulo de finura del agregado fino fue 3,1 determinado según ASTM C136. La gravedad específica del agregado fino fue 2,47 y la absorción fue 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 y morteros de cemento se mezclaron de acuerdo con la norma ASTM C305. Los sistemas de cenizas volantes se prepararon sustituyendo el cemento por cenizas volantes en 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 0,40. Las muestras de mortero se elaboraron utilizando una relación a/b de 0,48 y una relación cemento-agregado fino de 1,27:1. La norma 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 sólo se modificaron el tiempo y la velocidad de mezclado de la segunda etapa. Las técnicas de mezclado para pastas y morteros de cemento se detallan en la Tabla 2. Se investigaron cuatro duraciones de mezclado (2, 15, 60 y 90 min) y dos velocidades de mezclado (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 p/b de las soluciones fue 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 quedaron 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).

Utilizando espectroscopia 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 se siguió mediante mezcla. Con las mismas duraciones de hidratación que los estudios de concentraciones de iones hidroxilo, las soluciones se evaluaron a 300, 360 y 420 minutos de tiempo de hidratación adicional.

En cada tiempo de hidratación, se decantó la solución de prueba (30 ml) 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 aluminato y 1 ml de solución filtrada para analizar las concentraciones de iones calcio. Debido a que se producen altas concentraciones de iones de calcio 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 calcio se diluyeron con 9 ml de agua desionizada para obtener la solución dentro del rango de detección del FAAS. Después de decantar y diluir, se añadió 1 ml de solución de ácido de 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 óxido nitroso-acetileno a una longitud de onda de 309,3 nm encendido a una temperatura de 2600 a 2800 ˚C. Las concentraciones de calcio se determinaron utilizando aire-gas acetileno a una longitud de onda de 422,7 nm encendido a una temperatura de 2100 a 2400 ˚C. También se analizó y utilizó una muestra en blanco (solo agua desionizada) como corrección de fondo.

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

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

Para comparar las medias muestrales 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. Se definieron las siguientes hipótesis estadísticas como:

Para todos los análisis se utilizaron intervalos de confianza del 95%. 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 existe una diferencia estadísticamente significativa al nivel del 5% entre las medias de las poblaciones del grupo.

Esta sección incluye 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) resistencias a la compresión en diferentes tiempos de curado, (5) 28- d porosidad, y (6) Da.

El efecto del tiempo de hidratación sobre las concentraciones de iones hidroxilo para los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes mezclados a 0 y 400 rpm se muestra en las figuras 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 velocidad de disolución de los iones hidroxilo en solución. Una pendiente mayor indica una mayor tasa de disolución de los 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 nivel de reemplazo porcentual 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 tanto, las mezclas de cenizas volantes contienen menos cemento. Los resultados de la Fig. 2b son similares a los resultados de la Fig. 2a, donde 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), sistemas de 50% de cenizas volantes (13 mmol/l/min) mezclados a 400 rpm. Un mayor nivel de reemplazo de cenizas volantes da como resultado menores tasas de disolución de 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 mezcladas a 400 rpm son aproximadamente 89%, 95% y 150% más altas que las pendientes. de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes mezcladas a 0 rpm, respectivamente. La pendiente más pronunciada se atribuye a una velocidad de disolución más rápida de los iones hidroxilo. Esto indica que la velocidad de mezcla afecta fuertemente la velocidad de disolución de los iones hidroxilo de todos los sistemas y podría afectar las características tempranas de las mezclas (como se analiza más adelante). La velocidad de mezcla afecta cada vez más la velocidad de disolución de los iones hidroxilo en los sistemas que contienen niveles de reemplazo más altos de cenizas volantes.

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

Efecto del tiempo de hidratación sobre la concentración de iones 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 sobre 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 las figuras 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 de 20% y 50% de cenizas volantes. La presencia de cenizas volantes da como resultado concentraciones reducidas de iones calcio en edades tempranas debido al menor contenido de cemento. Además, estas concentraciones más bajas de iones de calcio podrían ser el resultado de que las partículas de cenizas volantes actúan como núcleos para la precipitación de cal. Lawrence33 y Fraay et al.34 informaron que la precipitación de cal puede ocurrir cuando se reemplaza 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 las figuras 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 avanza continuamente, es probable que los iones sean inestables, lo que afecta otras características de la edad temprana.

Efecto del tiempo de hidratación sobre la concentración de iones 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 cenizas volantes en sistemas cementosos sobre las concentraciones de iones hidroxilo, aluminato, silicato y calcio en soluciones a edades tempranas. Con respecto a los estudios de concentración de iones para procesos de mezcla prolongados, reemplazar el cemento con cenizas volantes puede provocar (1) una disminución de la concentración de iones 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 silicato debido a una mayor cantidad de silicio proveniente de las cenizas volantes en los sistemas cementosos, y (4) disminución de la concentración de iones calcio debido a la precipitación de cal y un menor contenido de cemento35,36.

En la Fig. 5a se muestra 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. 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 20% y 50% de cenizas volantes mezclados durante 2 minutos exhibe aproximadamente un 12% y un 31% más de flujo que el sistema de control, respectivamente. El flujo de los morteros frescos de los sistemas de 20% y 50% de cenizas volantes mezclados durante 15 minutos exhibe aproximadamente un 30% y 48% más de flujo que el 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 minutos exhibe aproximadamente un 50% y 43% más de flujo que el sistema de control, respectivamente. Cabe señalar que la fluidez en las figuras se ha probado únicamente a 285 rpm. La velocidad de mezcla más baja (140 rpm) se utilizó para calcular diferentes recuentos de revoluciones del mezclador. Bentz y Ferraris37 informaron que a medida que se forman productos hidratantes, el comportamiento de endurecimiento temprano está controlado por la pérdida gradual de agua libre procedente de las reacciones de hidratación.

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el recuento de revoluciones del mezclador sobre 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 sistemas cementosos que contienen cenizas volantes está influenciado por varios factores como la distribución de tamaños, la morfología, la condición 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 las partículas de las cenizas volantes (que se muestra en la Fig. 1) conducen a la reducción de la fricción entre las partículas constituyentes de los sistemas (esto comúnmente se conoce como "capacidad de bola" o "bola-capacidad"). efecto de rodamiento”)40,41. Por lo tanto, aunque un mayor tiempo de mezclado da como resultado un flujo reducido de los sistemas de cenizas volantes, las mezclas frescas pueden mezclarse por más tiempo y aún ser moldeables debido al flujo mejorado.

En la Fig. 5b se muestra la gráfica del flujo normalizado de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes en función de los recuentos de revoluciones del mezclador. 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 el proceso de consolidación adecuado de las mezclas mezcladas con recuentos de revoluciones más altos del mezclador. Según los datos de las pruebas, los límites de las especificaciones sobre el tiempo de mezclado y el número de revoluciones del mezclador pueden no ser apropiados cuando hay cenizas volantes presentes en los sistemas cementosos.

La Figura 6a muestra el efecto del tiempo de mezclado en el tiempo de fraguado inicial de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes. Los resultados indican que un mayor nivel de reemplazo porcentual de cenizas volantes produce retrasos en los tiempos de fraguado inicial. 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 disminución de las concentraciones de iones hidroxilo. Esto conduce a un retraso en el proceso de nucleación y precipitación de 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 del control y de los sistemas de 20 % de cenizas volantes (prueba ANOVA con valor de p <0,05). Esto probablemente se debe a que los iones en los sistemas están en estado inestable (como se discutió) y las partículas del constituyente todavía están deformadas por el movimiento de las herramientas de mezcla durante la mezcla continua. Esta deformación de las partículas probablemente altera la adhesión de las partículas hidratantes para formar una estructura más grande. Por lo tanto, durante el mezclado, las partículas hidratantes pierden su capacidad de soportar la carga, lo que da como resultado un fraguado más lento. Después de que se interrumpe la mezcla, 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 se consume en las reacciones de hidratación durante el mezclado prolongado, 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 las muestras. Esta menor cantidad de agua de las mezclas finalmente resulta en un aumento de energía para moldear y consolidar las probetas28. Las muestras endurecidas parecen tener mayor volumen de huecos y mayor tamaño de huecos. Los huecos en los sistemas de cemento endurecido generalmente dan como resultado un fc más bajo y finalmente conducen a deteriorar la durabilidad y acortar la capacidad de servicio. La porosidad se discutirá más adelante en la Sección "Resistencia a la compresión". Cabe señalar, sin embargo, que este trabajo se realizó en sistemas de pasta y mortero, mientras que es obligatorio realizar una investigación para ampliar el volumen de mezcla para el camión de concreto premezclado para cada región o cambiar a sistemas de concreto.

El efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) las revoluciones del mezclador 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 recuentos 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 del mezclador. Los tiempos de fraguado inicial de los sistemas cementosos que contienen cenizas volantes se retrasan como resultado del aumento de los tiempos de mezclado, así como del aumento del número de revoluciones del mezclador.

Las Figuras 7a,b muestran la fc de 1 día de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes en función del tiempo de mezclado y el recuento de revoluciones del mezclador, respectivamente. Los resultados indican que un mayor nivel de reemplazo porcentual de cenizas volantes conduce a una menor resistencia a la compresión al día. Los análisis estadísticos indican que la fc de 1 día de todos los sistemas no se ve influenciada por el tiempo de mezcla y los recuentos de revoluciones del mezclador (prueba ANOVA con valor p > 0,05).

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el recuento de revoluciones del mezclador en fc de 1 día; (c) tiempo de mezclado y (d) recuento de revoluciones del mezclador en fc de 7 días; (e) el tiempo de mezclado y (f) las revoluciones del mezclador 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 mezclado y el recuento 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 mezcla (valor p de ANOVA > 0,05); sin embargo, la fc de 7 días de las cenizas volantes del 20% y del 50% sí lo hace (valor p de ANOVA <0,05).

Los efectos del tiempo de mezclado y el recuento de revoluciones del mezclador en la fc de 28 días de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes se muestran en las figuras 7e,f, respectivamente. De manera similar con los resultados de la FC de 1 y 7 días, los resultados indican que el tiempo de mezclado no tiene un efecto significativo en la FC de 28 días de todos los sistemas. En resumen, el tiempo prolongado de mezcla no influye en el fc tanto de edad temprana como de edad avanzada. Con respecto a la resistencia a la compresión de los sistemas de concreto premezclado, sus límites de tiempo de descarga actuales, como se especifica en muchos SHA, parecen poco prácticos. Sin embargo, aquí, los recuentos de revoluciones del mezclador sí influyen en el FC de 28 días. El aumento del conteo de revoluciones del mezclador da como resultado una reducción de 28 días fc del sistema de control, pero resulta en 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 a los 28 días que ocurre en función del número de revoluciones del mezclador28. La 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 huecos más grandes y los mayores volúmenes de huecos de los sistemas de cemento probablemente conduzcan a una reducción del fc y, en consecuencia, a una reducción de su vida útil. Al considerar el recuento de revoluciones, los resultados aparentemente muestran que los límites de los SHA deberían estar vigentes. Estos pueden garantizar que el hormigón premezclado pueda entregarse a los usuarios en buenas condiciones. Sin embargo, los sistemas que contienen cenizas volantes muestran un aumento en fc a los 28 días, y se supone que esto se debe a que hay menos agua en sus mezclas (lo que resulta en un valor w/b más bajo). Dewar y Anderson43 afirmaron que el aumento de las tasas de evaporación del agua y de las reacciones de hidratación era la causa de que hubiera menos agua presente en las mezclas.

Los resultados aquí 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 de los recuentos de revoluciones del mezclador en la 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 aumentando el número 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 del mezclador, pero aumentará para los sistemas que incluyen cenizas volantes. En condiciones de mezcla prolongadas, la presencia de cenizas volantes en 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 largo recorrido. Como se discutió anteriormente, los límites de los SHA sobre el tiempo de descarga y el número de revoluciones del mezclador del 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, lo que puede ser beneficioso para todas las partes interesadas en la cadena del hormigón premezclado. Los productores de hormigón premezclado pueden planificar fácilmente diversas 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 excesivamente limitada de hormigón premezclado, lo que en última instancia ofrece maneras más rentables y sostenibles a la industria44.

Los efectos del tiempo de mezclado y el recuento de revoluciones del mezclador sobre la porosidad de 28 días de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes se muestran en las figuras 8a, b, respectivamente. Los resultados indican que el aumento del tiempo de mezclado no afecta significativamente la porosidad de 28 días para todos los sistemas (valor p de ANOVA > 0,05). Los resultados también revelan que un aumento significativo en la porosidad sólo debería relacionarse con la mezcla de control. Un mayor nivel de reemplazo porcentual 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 número de revoluciones del mezclador 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.

El efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) la revolución del mezclador cuenta con 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 recuentos de revoluciones del mezclador. Los valores de fc de 28 días se normalizan con la fc media de 28 días para todas las mezclas. En este estudio se ilustró la curva lineal ajustada. La curva ajustada logarítmica mostrada es reportada por Neveille45 y las curvas ajustadas exponencial y lineal son reportadas por Brandt46. Aunque los diferentes tipos de curva ajustada 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 el fc de 28 días se reduce al aumentar la porosidad y este aumento de porosidad probablemente se debe a la reducción del flujo causada por un 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 frescas resultantes de una mezcla prolongada.

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 mezclado y el recuento de revoluciones del mezclador en el Da de los sistemas de control, 20% y 50% de cenizas volantes, respectivamente. Los resultados indican que ni el tiempo de mezcla 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 Da mayor que los sistemas que contienen cenizas volantes (valor p de ANOVA = 0,026). En consecuencia, sólo la influencia de los componentes del material influye en la resistencia a la corrosión, no las actividades de mezcla. Es de conocimiento común 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 más avanzadas47,48. Golewski47 mencionó que la estructura homogénea y uniforme del sistema de cemento portland que contiene FA se observó después de un período de curado de 14 días, que resultó de la transformación de 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 cloruro mediante las fases de aluminato durante el período de exposición al cloruro. Esto conduce a tarifas de transporte reducidas y, finalmente, se puede prolongar la vida útil de la estructura de hormigón.

Efecto de (a) el tiempo de mezclado y (b) el recuento de revoluciones del mezclador sobre el Da del sistema de control y los 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 cementantes, incluidas las cenizas volantes. En varios períodos de mezcla y velocidades de mezcla, se examinaron las cinéticas de disolución de los iones hidroxilo, calcio y aluminato. En varios períodos de mezclado y conteos 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 estado inestable.

Un mayor 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 ser moldeables debido a un mejor flujo.

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

La porosidad de los morteros de cenizas volantes no se ve influenciada por el tiempo de mezclado ni por el número de revoluciones del mezclador.

El Da no se ve afectado por estos tiempos de mezclado y conteos de revoluciones del mezclador. Sin embargo, cuando se presentan cenizas volantes, el Da puede verse afectado por estos tiempos de mezclado y conteos 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 mezclado y el número de revoluciones del mezclador. Las investigaciones en curso examinan 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 previa solicitud 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 y Investigación Científica de la Educación Superior, Tailandia y el Fondo de Innovación y 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 Materiales, Universidad Queen Mary de Londres, Londres, E1 4NS, Reino Unido

Chinnapat Panwisawas

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

Chayut Ngamkhanong

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

Lapiote Prasittisopina

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IS: Metodología, Investigación, Curación de datos. CP: Curación de datos, Redacción - Revisión y Edición. CN: Recursos, redacción: revisión y edición. WP: Supervisión, Adquisición de financiación. LP: Conceptualización, Validación.

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 mezclado extendidos sobre las propiedades frescas, endurecidas y duraderas de los sistemas de cemento que incorporan cenizas volantes. Representante científico 13, 6091 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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Recibido: 02 de diciembre de 2022

Aceptado: 11 de abril de 2023

Publicado: 13 de abril de 2023

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

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