¿Porqué la química interesa en el hormigón?

¿Porqué interesa la Química?

Interesa porque controla la vida extendida del hormigón. La Química explica porqué el cemento endurece y la interacción entre éste y su entorno. Se tratará la química inorgánica básica del cemento y del hormigón bajo condiciones de servicio. Por supuesto, hay otros tipos de procesos químicos que ocurren cuando se mezcla el hormigón, tales como los aspectos misteriosos de la química orgánica y de la química de superficies. Estos temas  se dejan de lado, no a causa de que no sean importantes, sino porque ellos no son el foco principal de este artículo.

Química y Hormigón

El primer principio para comprender es que, en un amplio sentido, el hormigón es termodinámicamente inestable. Cuando la pasta de cemento está expuesta a la atmósfera,  comienza a deteriorarse, lo cual es una forma de corrosión química. La pasta reaccionará a la exposición a la lluvia ácida o en la cantidad normal de dióxido de carbono en el aire. Esta reacción causa que las superficies se descascaren y carbonaten, y luego, el silicato de calcio se hidrata para dar la resistencia al hormigón que lo convertirá otra vez a carbonato de calcio, gel de sílice, y gel de aluminio.

Este es un aspecto de la química, pero la química no es solamente termodinámica, es también cinética. En otras palabras, el hormigón tiene el potencial para cambiar, pero cuán rápido ocurrirá esto? El hormigón hecho cuidadosamente con los materiales adecuados en las proporciones correctas, puede durar durante muchos cientos, y aún miles de años. Un ejemplo de esto es el Panteón de Roma, construido con un Cemento Romano puzolánico, que ha durado durante más de 2000 años.

Cuando Joseph Aspdin patentó su cemento Portland en 1824, se tituló Una mejora en los Modos de Producir Piedra Artificial. El Hormigón se consideró como una piedra artificial que tiene la apariencia, la resistencia, y la durabilidad de la cosa real. Algunas de las estructuras tempranas de hormigón que se hicieron con el cemento de Aspdin aún están en pie hoy en día, ninguna destruida por desgaste.

El aspecto importante es que el hormigón (el sistema de pasta de cemento que liga las partículas en el cuerpo de una piedra artificial) es inherentemente reactivo y, dada su estructura particular y las condiciones de exposición, esa reactividad resultará en una durabilidad excelente o pobre. En plazos, cortos o largos, es la química la que hace la diferencia en la permanencia del hormigón.

Ejemplos de agentes de exposición típicos que afectan la durabilidad son:

• Humedad y agua de napas.
• Ciclos de temperatura.
• Sales descongelantes.
• Ambiente marino.
• Dióxido de carbono y contaminantes aéreos ácidos(NO2 y SO2).

Dependiendo de la composición del hormigón y las condiciones de exposición, varias reacciones químicas pueden deteriorar el hormigón. A veces, sin embargo, el enemigo no es algún elemento exterior, sino más bien, las semillas de destrucción que pueden inocentemente contener dentro del hormigón mismo.

La humedad, o el agua, juegan el rol más importante en el fraguado, el desarrollo de resistencia, y el eventual deterioro del hormigón. El cemento portland se endurece debido a un proceso químico llamado hidratación.

Esto significa que los minerales silicato y aluminato en el cemento portland reaccionan y se combinan con agua para producir la ¨ cola ¨ que mantiene juntos a los agregados que se denomina hormigón. El cemento portland es solamente un tipo de cemento hidráulico, y se deberá notar que la ASTM C 1157-00, la especificación de performance para los cementos, se denomina ¨Especificación de Performance Estándar para Cemento Hidráulico¨, e incluye los cementos portland y los mezcla.

Como enfatizara Duff Abrams en su trabajo de seminario “Diseño de Mezclas de Hormigón”, sin embargo, que presentó en el Meeting de Diciembre de 1918 de la Portland Cement Association y luego publicado en el Bulletin 1 del Lewis Institute, la relación agua – cemento (a/c) dicta la resistencia del hormigón. Aunque el tamaño y la granulometría del agregado y la cantidad de cemento influyen sobre la cantidad de agua requerida para producir una mezcla trabajable, la misma controla en una mezcla  la resistencia del hormigón. Por eso, se debería usar la cantidad más pequeña de agua que produzca un hormigón plástico, o trabajable. El agua puede, dependiendo de la calidad y naturaleza del agregado usado y la historia del curado del hormigón, disparar tales otros sucesos  deletéreos como la reactividad álcali agregado(ASR) o la formación de etringita diferida (DEF). El agua puede también actuar como un medio de transporte para especies potencialmente agresivas, tales como sulfatos, para entrar en el sistema.

La temperatura afecta la velocidad de las reacciones químicas, y una regla práctica general es que una velocidad de reacción química se duplica por cada incremento de 10 °C en la temperatura. Entonces, la temperatura influencia la velocidad del fraguado y el endurecimiento. El curado del hormigón por encima de ciertas temperaturas críticas puede conducir a la expansión y fisuración asociadas con la DEF.

Varios factores externos del medio ambiente pueden iniciar las reacciones químicas destructivas en el hormigón, particularmente el hormigón con porosidad más abierta(debido a una relación a/c elevada). Algunos de estos factores incluyen sales descongelantes que contienen cloruro usados para tratar las carreteras en invierno, rociado de sales o exposición a las mareas del agua de mar, y suelos que contiene sulfatos o agua de napa.

Los cloruros pueden lentamente difundir en el hormigón y, en la presencia de humedad y oxígeno, iniciarán la corrosión de la armadura. La oxidación del hierro para producir óxido de hierro es un proceso químico que genera un gran volumen de producto de oxidación que no solamente debilita estructuralmente al metal, sino que produce también presión localizada interna que puede provocar una fisuración severa del recubrimiento de hormigón. Una vez iniciada la fisuración, se expone más superficie del hormigón a un ataque químico posterior.

Una parte vulnerable del hormigón es la pasta de cemento. Aunque el hormigón está compuesto de 10 a 15 % en peso de cemento portland, se convierte en el foco de los agentes químicos agresivos exteriores como el dióxido de carbono atmosférico (CO2) y los gases ácidos que se disuelven en la humedad para producir la lluvia ácida. La pasta de cemento es altamente alcalina, con un pH mayor de 12,5. Este pH se debe a la presencia de los productos de hidratación, el hidróxido de calcio y las menores cantidades de sales alcalinas(de sodio y de potasio). Bajo condiciones ideales de carbonatación (50 al 70 % de humedad relativa y una superficie de pasta expuesta), la cal hidratada (hidróxido de calcio) reacciona con el CO2 para formar carbonato de calcio, que es el mismo mineral que la calcita o la caliza. Como este proceso progresa lentamente, tal vez aún a velocidades de solamente un milímetro o menos por año, el pH disminuye y el carbonato de calcio finamente cristalino reemplaza a los productos de hidratación.

La lluvia ácida es agresiva, puede corroer y desmenuzar las superficies expuestas, destruyendo eventualmente los minerales hidratados del cemento que proveen la resistencia y la durabilidad. Un ejemplo de este comportamiento destructivo es el obelisco de caliza en el Central Park de Nueva York. Ha sobrevivido miles de años en el desierto de Egipto, permaneciendo en condiciones cuasi prístinas, pero  ahora después de solamente décadas de exposición a los gases ácidos en la atmósfera de esta ciudad, las inscripciones jeroglíficas han desaparecido. Aunque la caliza no es hormigón, los efectos globales de la lluvia ácida son completamente similares.

Durante el diseño de una mezcla de hormigón, se debe considerar la química. Por ejemplo, si el hormigón se coloca donde puede estar expuesto a los medios agresivos tales como cloruros o sulfatos, se deberá seleccionar otro tipo de cemento ASTM. El Tipo I es cemento portland normal, mientras que el Tipo II provee moderada resistencia a los sulfatos, y el Tipo V provee una resistencia mucho mayor a los sulfatos.

Ahora hay muchas especificaciones de normas ASTM, los métodos de ensayo normalizados de ASTM, los principios del ACI, y otras recomendaciones para el profesional de ingeniería sobre cómo diseñar las mezclas de hormigón, y todas éstas se basan en el conocimiento fundamental de la química del cemento y el hormigón(Weaver, 1978).

Durante los pasados 10 a 20 años, la experiencia de campo ha demostrado que no solamente el diseño de las mezclas, sino también el curado del hormigón es muy importante. El curado, por supuesto, es el proceso que provee suficiente humedad y energía térmica para promover el proceso de hidratación. Las condiciones de curado controlan el desarrollo de resistencia y la fisuración térmica; por eso, ellas tiene un impacto significativo sobre la durabilidad del hormigón. Un ejemplo reciente de la importancia del curado y el control de la temperatura es la degradación del hormigón por DEF. La formación de etringita es un suceso normal y útil a medida que el cemento portland comienza a fraguar. Si su formación está  muy demorada ( días o meses después que endurece el hormigón), sin embargo, puede provocar serios problemas de durabilidad.

Las reacciones Químicas del Cemento

El cemento portland contiene silicatos y aluminatos de calcio formados mediante una secuencia de procesos térmicos y químicos, incluyendo la descomposición de la caliza, la reacción con otros materiales de cantera tales como la arcilla, el mineral de hierro, y la arena; la fusión parcial de estos componentes, y da origen a la formación de nódulos duros, redondeados denominados clinker. Todo esto ocurre a la temperatura de 1450 °C en un horno rotatorio de una planta de cemento. Después del enfriamiento, el clinker se muele junto con aproximadamente 5 % de yeso (sulfato de calcio dihidratado) hasta una finura tipo harina, produciendo el producto final, cemento portland (Kosmatka y Panarese, 1994).

El conocimiento presente de la composición química del cemento portland y lo que le sucede con él cuando se lo mezcla con agua fue primero revelado en 1887 por el químico francés Henry Le Chatelier(1905). En su tesis doctoral, identificó correctamente los minerales importantes del cemento como silicato tricálcico, silicato dicálcico, y aluminato tricálcico.

En 1915, los científicos en el Laboratorio Geofísico en Washington DC, estuvieron estudiando las relaciones de fase en altas temperaturas del sistema ternario CaO- SiO2 – Al2O3. Entre las fases minerales investigadas estaban, por supuesto, el silicato tricálcico, el silicato dicálcico, y el aluminato tricálcico. En el proceso de publicación del diagrama de fases en forma de triángulo, se inventaron ciertas abreviaturas simplificadas para las composiciones químicas de cada fase mineral. Por ejemplo, el silicato tricálcico, Ca3SiO2, se podría escribir también como la secuencia combinada de los dos óxidos, tales como 3CaO.SiO2. Los investigadores, Rankin y Wright, usaron entonces la notación abreviada de CaO= C, SiO2= S, y Al2O3 = A. De acuerdo con ello, 3 CaO.SiO2 podía escribirse como C3S. En forma similar, el silicato dicálcico, 2 CaO.SiO2, se transformó en C2S, y el aluminato tricálcico, 3CaO.Al2O3 se transformó en C3A(Bogue y Steinour, 1961).

Esta notación fue tan conveniente y útil que, en las futuras publicaciones durante los años siguientes, se introdujo una notación similar para los otros óxidos.Entonces, Fe2O3 = F, MgO = M; H2O = H; Na2O = N y K2O = K. El problema adicional de la S del trióxido de azufre SO3 se resolvió simplemente indicándolo con S barra. Otros nombres para los minerales del cemento o sus hidratos entraron concurrentemente en el lenguaje y se usan comúnmente hoy en día. Durante aproximadamente 100 años, los minerales  silicato tricálcico y dicálcico, en su composición impura como cristalizan en el clinker han sido denominados alita y belita, respectivamente. Otros se denominan por su nombre mineralógico equivalente, tales como periclasa para los cristales de MgO en el cemento, portlandita para el hidróxido de calcio (CH en la notación abreviada) y etringita para el silicoaluminato de calcio hidratado(C3A.SiO2.32H). La fórmula para la etringita en la notación de la química del cemento parece ser complicada, pero es simplificada comparada a una fórmula química convencional (Ca5[al(OH)3]24 H2O.(3SO2).(2 H2O).

Reacciones de hidratación normal

La reacción más rápida que ocurre cuando se mezclan cemento y agua es la hidratación del aluminato tricálcico (C3A). Solo él mismo, el C3A y el agua formarán rápidamente hidratos de aluminato tricálcico tales como C4AH13 y C2AH8.

Esto puede ocurrir tan rápidamente que el hormigón se puede volver espeso al cabo de unos minutos y volverse completamente intrabajable debido al calor emitido. Esta condición se denomina de falso fraguado. En el siglo diecinueve, cuando el cemento desarrolló la resistencia lentamente debido a que era molido en partículas grandes y reaccionaba imperfectamente, el falso fraguado no era un problema. Eventualmente, con la introducción de hornos rotatorios, una proporción más científica de los componentes de las materias primas y una molienda mucho más fina del clinker, el agregado de yeso (CSH2) al cemento eliminaron los problemas del falso fraguado. 

Químicamente el C3A, el yeso y el agua formarían un recubrimiento protector de sulfoaluminato de calcio hidratado(etringita)sobre las superficies expuestas de aluminato tricálcico que permanecería durante varias horas.

La hidratación del C3A se reactiva a medida que comienza el principio de fraguado, consumiendo el sulfato y formando más etringita. Si el cemento portland es del tipo ASTM Tipo I, sin embargo, probablemente contiene más de 8% de C3A, que es un porcentaje mucho más alto que el sulfato presente.

Cuando todo el sulfato ha sido combinado como etringita, el exceso de C3A continúa hidratándose, y luego comienza a eliminar sulfato de algo de la etringita (trisulfato) para formar otro compuesto estable sulfoaluminato de calcio denominado monosulfato, C3ACSH12(ec. 1 y 2).

Un cuarto mineral importante en el cemento, la fase ferrita que contiene hierro, o el aluminoferrito tetracálcico(C4AF) también se hidrata, aunque mucho más lentamente, para formar compuestos químicamente similares trisulfato y monosulfato, en los que el hierro (Fe2O3) reemplaza una porción del aluminio(Al2O3)(Steniour, 1958).

Los químicos del cemento genéricamente denominan  a éstos las fases Aft( aluminato- ferrito – trisustituidos) y AFm (aluminato – ferrito – monosulfato), respectivamente.

C3A + 3CSH2 + 26 H ® C6AS3H32 (etringita)  (1)
2 C3A + C6AS3H32 + 4 H ®  3 C4ASH32           (2)
(monosulfoaluminato)

El desarrollo de la resistencia principal del hormigón, sin embargo, resulta de la hidratación de las fases silicato de calcio(C3S y C2S). Ambos silicatos de calcio se combinan con agua para formar el silicato de calcio tipo gel hidratado, o C-S-H (ec. 3 y 4)

2 C3S + 6 H ® -S-H + 3 CH               (3)
2 C2S + 4 H ® C-S-H + CH                (4)

Microestructura de la pasta de cemento

Cuando endurece el hormigón debido a la hidratación de la pasta de cemento, el volumen total de los productos de hidratación es mayor que el volumen original del cemento portland y el agua. Como un resultado de estas reacciones de hidratación y la disminución en el volumen de la pasta, se crea un sistema de poros capilares.

Esta porosidad en el hormigón gobierna su grado de susceptibilidad a varios factores químicos que tienen una influencia profunda sobre la durabilidad.

Las reacciones de mayor interés en la pasta de cemento son aquéllas entre los componentes de la solución en los poros, y las fases sólidas presentes, que son los minerales del cemento originales, sus productos de hidratación y, posiblemente superficies de agregados susceptibles, en el caso de RRAA.

Esto significa que, a medida que pasa el tiempo, algunas de las fases sólidas se disuelven y precipitan nuevas fases. El transporte en solución de las diversas sustancias que participan en las reacciones controla la velocidad a la cual ocurre la reacción química.

De manera de que el agua esté disponible, tiene que poder entrar al hormigón y moverse a través de la estructura de poros, donde se hace parte de la solución de los poros a partir de los materiales sólidos. Estos son principalmente iones oxhidrilo (OH-) e iones alcalinos (K + y Na+) así como menores cantidades de iones calcio, aluminato  y sulfato.

Los iones de fuentes externas, tales como las sales descongelantes, pueden incluir sodio y cloruro. Este es el punto en donde es evidente la importancia de la microestructura de la pasta, en la forma del sistema capilar de poros. Si se descartan las fisuras en el agregado, solamente la pasta tomará parte en el transporte de iones reactivos en el hormigón. En tal sistema, hay tres posibilidades para el movimiento de agua:

• A través del sistema capilar
• A través de los productos de hidratación
• A través de fisuras en la estructura de la pasta.

Si el hormigón está saturado de humedad, la solución de los poros llenará ambos el sistema capilar de poros y las fisuras en la pasta. La conectividad de estos sistemas es crítico en controlar cuán lejos y rápido las soluciones se pueden mover en el hormigón.

Para el hormigón con una relación a/c de 0,6 y más altas, el sistema capilar será continuo (sistema percolador) y agentes agresivos se moverán fácilmente a través de la masa de hormigón. Con una relación a/c decreciente, sin embargo, el sistema de poros se vuelve aislado en racimos más pequeños no conectados de poros.

Estos racimos pequeños próximos a la superficie se pueden volver saturados con solución y reactivos disueltos. Cualquier movimiento posterior a través de la pasta tiene que ocurrir a través del gel C-S-H o a través de los productos de hidratación.

La velocidad de transporte del líquido a través de la fase C-S-H está en el orden de 1000 veces más lenta que la que ocurre a través de los poros capilares. Por eso, aún si los poros capilares representan solamente el 1% del transporte total a través de la sección transversal, ellos proveerán también el 90% del transporte de la solución.

Cualquier reacción química que dependa únicamente del transporte a través de C-S-H es desestimable con propósitos prácticos. Si están presentes las fisuras llenas de líquido, el movimiento de una solución será proporcional al número y tamaño de las fisuras. Además, las fisuras también proveerán cortocircuitos entre los racimos de poros y por ello expondrán capas más profundas de hormigón a la solución penetrante.

Con suficiente fisuración, las fisuras mismas pueden formar un sistema percolante conectado dentro del hormigón y que permita que los reactivos disueltos se muevan dentro del sistema más rápidamente.

El tipo más común de ataque químico sobre el hormigón resulta de la exposición a los suelos o agua subterránea que contiene contenidos elevados de sulfatos. Esta enfermedad es una ocurrencia común en el oeste de los Estados Unidos, y ha sido conocida durante muchos años.

La producción de cementos Tipo II y V intenta particularmente proveer la resistencia a la exposición deletérea a los sulfatos. El mecanismo de ataque a los sulfatos es relativamente simple. Si el cemento contiene una cantidad elevada de C3A se formará una cantidad sustancial de la fase monosulfoaluminato de calcio(Afm) durante la hidratación.

Esta sustancia es reactiva, y un sulfato adicional de la fuente exterior tal como el suelo o el agua subterránea que penetra en el hormigón, provocará que el monosulfato reaccione rápidamente con él y lo convertirá otra vez en la fase Aft, o etringita. La conversión de la fase monosulfato a etringita resulta en un incremento significativo de volumen y es destructivo para el hormigón. Si esto se permite que continúe, el hormigón eventualmente será destruido.

El hormigón hecho con una relación a/c alta y sujeto al agua subterránea que contiene sulfato de sodio puede ser dañado por otro mecanismo. Los estudios efectuados en California  han demostrado que, aún con el uso de tipos de cemento II y V, si el agua puede percolar a través del hormigón, el humedecimiento y secado sobre la superficie expuesta al aire resulta en el deterioro serio. El daño es principalmente debido a la recristalización repetida de los sulfatos y carbonatos alcalinos durante los ciclos de secado (Stark 1989).

Química y fisuración

Las fisuras en el hormigón se pueden desarrollar por una razón física tal como la contracción por secado o la carga mecánica. Las reacciones químicas locales en el hormigón, sin embargo, pueden también provocar una expansión, un desarrollo de presión interna, y luego la fisuración. El hormigón es un material quebradizo y por eso se puede expandir solamente hasta un grado limitado antes de la fisuración.

En términos amplios, la expansión observada es igual a la suma de los anchos de las fisuras. Si no es posible determinar la causa de la expansión y la fisuración por la aparición del patrón de fisuras sobre la superficie del hormigón, las muestras de hormigón interior se debe examinar microscópicamente o químicamente, para determinar la causa de la expansión interna.

En el hormigón de campo expuesto a los elementos agresivos, hay dos modos básicos de expansión:

• El agregado se puede expandir con relación a la pasta de cemento, y
• La pasta de cemento se puede expandir con relación al agregado.

Se deduce de consideraciones físicas que, en un sistema compuesto de partículas que se expanden en una matriz, se forman las fisuras radiantes desde las partículas  en la matriz.  La expansión de las partículas es una pasta endurecida, tal como las partículas de agregado que sufren la RRAA, provoca que las partículas se fisuren y la fisura se extienda hacia fuera dentro de la pasta circundante. Una fisuración de la partícula, cuando se expande desde la superficie, es realmente una experiencia casi común.

Cuando se dejan caer los cubos de hielo en una bebida y se escucha el sonido de una crepitación familiar – éste es el sonido del hielo que se calienta en el exterior, expandiendo y luego fisurando. La expansión en la superficie provoca que la parte interior de la partícula esté bajo tensión de tracción, y se fisure desde la parte interior hacia fuera.

La contracción de la pasta de cemento es un fenómeno común relacionado con la hidratación, y desde un punto de vista de la fisuración, es equivalente a la expansión de las partículas de agregado. Qué sucedería si la pasta realmente se expande con relación a las partículas de agregado?

Cuando la pasta de cemento se expande con relación a las partículas de agregado, como se tiene en el DEF, se abren espacios alrededor de las partículas. Este concepto es realmente un poco contraintuitivo, en que uno podría esperar que la pasta que se expande realmente rompa la partícula más bien que crea un espacio alrededor de ella. Esto es similar a la cuestión de si un agujero que ha sido perforado  a través de una pieza de metal se volvería más pequeño o más grande en diámetro a medida que el metal se calienta y expande.

Una manera de comprender el fenómeno es considerar al hormigón constituido por agregado que no se expande, y efectuar la siguiente experiencia imaginaria. Primero, suponer que el hormigón, incluyendo la pasta y el agregado, se expande en un 20%, en todas las direcciones. No hay distorsión, ni fisuración, y el hormigón es de alguna manera más extendido.  Luego, dado que las partículas de agregado no se expanden, contraerlas a su tamaño original. Qué ha sucedido? Las partículas entonces se desparraman alrededor de los agujeros y, además, estos espacios son proporcionales al tamaño de las partículas.

Reactividad álcali – sílice

La reacción química AA ocurre entre la solución altamente alcalina de los poros (pH muy alto) y las porciones silíceas reactivas de algunas partículas de agregados. La gran cantidad de iones oxhidrilo (OH-) presente en la solución de los poros, debido a la concentración altamente alcalina (sodio y potasio), disuelve la sílice reactiva sobre las superficies del agregado para formar un gel de sílice alcalino. Aunque cualquier forma de sílice puede reaccionar con los hidróxidos alcalinos en teoría, son las rocas silíceas tales como el ópalo, el chert, y materiales volcánicos vítreos  los que parecen ser los más reactivos.

Los agregados silíceos reactivos formarán un gel de sílice – álcali comenzando en la superficie del agregado y moviéndose hacia adentro. Los esfuerzos de tracción producidos durante la reacción, provocan que las partículas de agregado y la pasta circundante se fisuren. En varios casos, las fisuras se interconectarán y conducirán al debilitamiento del hormigón. El debilitamiento se debe solamente a las fisuras; la pasta entre las fisuras mantiene su composición y resistencia.

Las rocas policristalinas más densas, tales como los granitos, reaccionarán más lentamente. La reacción química ocurrirá en aquellas áreas heterogéneas de los bordes de los granos. En tales casos, solamente un mínimo grado de reacción puede ser necesario para provocar la fisuración.

En el deterioro por RRAA, dado que cada fractura interna en el hormigón crea un espacio vacío, la reacción álcali – árido provoca el incremento de volumen (Helmuth, 1993). La evidencia visual resultante de la reacción es el “mapa de fisuración” observado sobre la superficie del hormigón.

Expansión de la pasta

La RRAA es un ejemplo de una reacción química en la cual el agregado en el  hormigón juega un rol en el mecanismo del deterioro. Las reacciones relacionadas con el sulfato son un grupo que involucran solamente a la pasta de cemento. Las reacciones DEF que están asociadas con la exposición del hormigón a altas temperaturas durante el curado, en sistemas que contienen cementos de sulfato normal, han sido un tópico de atención en las discusiones durante algún tiempo.

Los resultados DEF de una reacción química o conjuntos de reacciones, no están aún bien comprendidas en este momento, pero la diagnosis es relativamente simple; de  la expansión de la pasta en el hormigón afectado, resultya el deterioro.

En el hormigón afectado de DEF, se observa generalmente  la fase Aft , o etringita. La etringita es un producto de la hidratación normal, formado por la reacción química entre las fases aluminato del cemento, el agua, y el sulfato de calcio(yeso). La formación de etringita ocurre en la pasta y está distribuida uniformemente.

Dentro del hormigón maduro expuesto a las condiciones húmedas, la etringita se encuentra generalmente en los poros y fisuras. Esto no es una indicación de daño, sino más bien el resultado de un proceso de recristalización normal conocido como ¨ maduración de Ostwald ¨ . Esto significa que los cristales pequeños tienen una mayor solubilidad que los grandes en cualquier espacio disponible, tal como las fisuras y poros.

La maduración de Ostwald es un principio químico general, y la cristalización del hidróxido de calcio se comporta en una manera similar.

Considerando la DEF, sin embargo, una temperatura alta del hormigón a una edad temprana es un parámetro muy importante. A ciertas temperaturas, generalmente por encima de 70 °C, y más frecuentemente por encima de 80 °C, la etringita se vuelve inestable porque aumenta su solubilidad. Esta temperatura es fuertemente dependiente del contenido de álcalis y otros factores de composición del cemento que son menos comprendidos.

Donde los componentes de la etringita se van después de su descomposición no está clara. Ciertas porciones de etringita se pueden consumir en el C-S-H o puede permanecer en solución. Lo que está claro, sin embargo,  es que la química importa, aún si no se comprende completamente la secuencia precisa de las reacciones.

Un signo de la expansión de la pasta es la presencia de vacíos o fisuras alrededor de las partículas de agregado. Generalmente, la etringita llena estos vacíos. Hay también ejemplos de la expansión de la pasta que muestran espacios vacíos, sin embargo.

La siguiente es una explicación posible de la expansión de la pasta observada relacionada con las partículas anhidras e hidratadas de aluminato en la pasta de cemento endurecida.

La pasta endurecida, el mortero, tratados con calor así como el hormigón curado normalmente son todos lugares donde uno puede encontrar partículas de clínker no hidratadas en cantidades varias. Por encima de ciertas temperaturas la etringita es inestable, y la fase primaria aluminato hidratada es  monosulfoaluminato de calcio (AFm). Por eso, después del enfriamiento a temperatura ambiente que sigue al tratamiento térmico, el hormigón contendrá partículas de aluminato anhidro, con fases  AFm y AFM.

Durante el paso del tiempo y el curado húmedo del hormigón, estas partículas continuarán reaccionando con sulfato en la solución de los poros. Se forman la etringita y las fases AFm, dependiendo de la composición de la solución de los poros. El sulfato, liberado del C-S-H que lo tenía inicialmente absorbido durante el tratamiento con calor, mantiene la concentración de sulfato de la solución de los poros.

La pasta endurecida confina a las partículas reaccionantes y el volumen de la AFm y la etringita (Aft) formadas provocarán una presión localizada. Los cristales bajo presiíon tienen una solubilidad más alta que aquélla que tendrían cuando no están bajo presión.

Cuando más y más fases AFm y Aft se formen sobre las partículas, la presión aumenta y, por eso, lo hará también la solubilidad. Si la solubilidad aumenta hasta un nivel correspondiente con la concentración real en la solución de los poros, el crecimiento del cristal se interrumpe y la presión actuará localmente sobre la partícula y su entorno. En esta forma, la partícula reaccionante puede actuar como un centro de presión local.

Esto provocará un esfuerzo en la pasta circundante alrededor de la partícula, como una clase de esfera de influencia: Si la presión creada es mayor que la resistencia a la tracción de la pasta, ésta se fisurará. Si las partículas reaccionantes están suficientemente próximas una con otra, resultará una expansión volumétrica.

Conclusión

Volviendo a la pregunta original: Porqué importa la química?

La respuesta se puede resumir como sigue: la química importa porque la composición del hormigón y su comportamiento se basan en una variedad de reacciones químicas que varían desde el fraguado original y el endurecimiento de los constituyentes del cemento a las propiedades ingenieriles deseadas.

La durabilidad del hormigón depende de los procesos químicos que desarrollan tanto el cemento como los agregados, las condiciones de curado y la exposición a una variedad de efectos ambientales. Las reacciones químicas que ocurren durante la hidratación de los minerales del clinker determinan la microestructura del hormigón.

El hormigón endurecido es químicamente reactivo. Por eso, es esencial para diseñar mezclas de hormigón adecuadas y erigir estructuras en una manera de controlar o compensar adecuadamente la reactividad química.

Información adicional
Escrito por: Vagn C. Johansen, Waldemar A. Klemm, and Peter C. Taylor