Artículo sobre Cementos con Escorias

SUPERCEM. Experiencia de Holcim (España) con cementos con escorias de alto horno altamente adicionados

PATOLOGÍA DE CIMENTACIONES, ESTRUCTURAS Y HORMIGONES Valencia, 15-17 de mayo de 2013 1 de 7

Supercem®. Experiencia de Holcim (España) con cementos con escorias de alto horno altamente adicionados. Hernán Reino García, Ing. de Caminos, Canales y Puertos. Resp. de Aplicaciones e Innovación. Holcim (España) RESUMEN.

El uso de escorias de horno alto por parte de Holcim (España) data de 1999, pero no es hasta finales de 2010 cuando se lanza al mercado la gama de cementos Supercem. En la gama Supercem se utilizan porcentajes de escorias superiores al 40%, explotando al máximo las cualidades de esta adición. La buena aceptación que ha tenido este cemento en nuestros mercados nos ha permitido destacarnos como proveedores de soluciones adaptadas a las necesidades de nuestros clientes.

INTRODUCCIÓN.

La utilización de escorias de horno alto como material de construcción data del s. XVIII, y no solo como material de relleno o árido para la elaboración de morteros, sino que el aprovechamiento de las propiedades hidráulicas de este material favoreció desde un primer momento el desarrollo de cementos alternativos a los portland.

Ya a finales del s. XIX el empleo de los cementos de escorias estaba bastante extendido en el norte de Europa, en particular en países como Francia, Alemania y Gran Bretaña, y sus características eran muy apreciadas y valoradas en obras marítimas y subterráneas, en donde competía con el cemento portland por su buen comportamiento en ambientes químicamente agresivos.

Las propiedades que las escorias de horno alto proporcionan a los cementos portland han sido aprovechadas por Holcim (España) desde comienzos del año 2000, haciendo de este material una de nuestras principales adiciones en la fabricación de cementos portland con adición de categoría resistente 42,5. Es el caso de nuestro cemento II/A-S 42,5 N /SRC que, con un porcentaje de adición de escorias del 12%, se ha empleado hasta la fecha en numerosas obras en las que se requerían tanto prestaciones mecánicas como de durabilidad. Los buenos resultados en obra de este cemento y su gran aceptación nos animó a que a finales de 2010 lanzáramos al mercado la gama de cementos Supercem:

CEM III/A 42,5 N Supercem III/A 42,5 N /SRC Supercem SR CEM III/B 32,5 N-LH/SR Supercem LH

Se trata de cementos tipo III con contenidos de escorias superiores al 40% y cuyo empleo en estos dos años y medio de comercialización ha sido común, en particular en el área geográfica de Valencia, Alicante, Murcia y Andalucía Oriental.

LAS ESCORIAS DE HORNO ALTO.

Las escorias deben ser consideradas como un co-producto de la industria metalúrgica, y no como un sub-producto ni, mucho menos, como un residuo. Su composición química es bastante próxima a la que pueda tener un clínker de cemento portland, como queda reflejado en el diagrama ternario CaO-SiO2-Al2O3.

Imagen 1. Diagrama ternario de RANKIN.

Siendo los componentes principales de las escorias el CaO (45%), el SiO2 (35%), el Al2O3 (12%) y el MgO (4%), la proporción de estos componentes determina la basicidad de la escoria y su capacidad hidráulica. Pero para que la escoria pueda desarrollar realmente su potencial hidráulico necesita que su fase vítrea sea mayoritaria (superior al 70%). Esta presencia de fase vítrea caracteriza el poder hidráulico de la



escoria, que no es otro que el de su capacidad para recrear el ‘edificio cristalino’ que proporcionará al hormigón sus propiedades.

La forma de conseguir porcentajes elevados de fase vítrea es mediante el enfriamiento brusco de la escoria a la salida del horno, pasando de temperaturas de 1.400 ºC a temperaturas por debajo de los 800 ºC a fin de evitar la formación de fases cristalinas. Este enfriamiento puede ser realizado mediante la inyección de aire o de agua, siendo mucho más efectivo el enfriamiento con agua.

Imagen 2. Granulación de la escoria de horno alto.

A este proceso se le conoce como granulación y en él, además de alcanzar porcentajes de fase vítrea superiores al 95%, se logra un producto de aspecto similar al de una arena.

Imagen 3. Escoria granulada de horno alto.

La composición y características de las escorias dependerán de las materias primas empleadas en el horno de la siderurgia (mineral de hierro y material calizo o dolomítico utilizado como fundente, además de las cenizas del combustible utilizado) y del proceso seguido en su enfriamiento/granulación.

El desarrollo actual de la industria siderúrgica permite ofrecer un producto de calidad muy homogénea.

LA FABRICACIÓN DE CEMENTOS CON ESCORIAS.

Si en la introducción citábamos la presencia en el mercado de cementos fabricados a base exclusivamente de escorias de horno alto, en la actualidad lo habitual es emplear la escoria como adición a los cementos portland.

La norma UNE-EN 197-1 contempla proporciones de adición que van del 6% (es el caso de los cementos tipo II/A-S, cuyo contenido máximo de adición es del 20%) al 95% (en el caso de los tipo III/C).

La forma de incorporar la escoria al proceso de fabricación ofrece dos alternativas:

1. Molienda conjunta. 2. Molienda por separado y mezcla posterior.

En Holcim (España) hemos empleado ambos sistemas. La molienda conjunta incorpora la escoria granulada directamente al molino de cemento. Con este sistema hemos fabricado cementos tipo II/A-S, II/B-M y tipo V/A de categorías resistentes 32,5 y 42,5. La molienda separada con mezcla posterior la empezamos a aplicar a partir del año 2004 con la puesta en marcha de un molino vertical de escoria en nuestra fábrica de Carboneras (Almería).

La decisión de cambiar a un sistema de molienda separada se justifica en razón de las distintas durezas de ambos materiales, clínker y escoria, y se adopta por razones técnicas (un mejor aprovechamiento del potencial hidráulico de la escoria al poder molerla a la finura adecuada), económicas y ambientales (mayores rendimientos de molinos y menores consumos energéticos en el proceso de molienda). Este salto técnico nos ha permitido desarrollar la gama de productos Supercem, que incorporan porcentajes de adición de escorias superiores al 40% y en los que se ha optimizado la finura de sus componentes (clínker de cemento portland y escoria de horno alto) para adecuar el comportamiento del cemento durante su hidratación a las prestaciones de durabilidad y mecánicas buscadas.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS CEMENTOS CON ESCORIAS.

El proceso de hidratación de las escorias es más lento que el del clínker debido a que su disolución es más difícil por su carácter vítreo y a la necesidad de activación sulfática (yeso, anhidrita) o alcalina (por presencia de álcalis o portlandita).

Originalmente, la activación del proceso de hidratación en los cementos hechos a base de escorias se realizaba a partir de la adición de yeso. En el caso de los cementos de la norma



UNE-EN 197-1 esta activación se realiza por la portlandita liberada en la hidratación del clínker, por los álcalis contenidos en él y por la acción del regulador de fraguado (yeso y/o anhidrita)

Además de esta característica principal, en la hidratación de las escorias se destacan los siguientes aspectos:

1. No se libera portlandita (Ca(OH)2). 2. No se forma aluminato tricálcico (C3A). 3. Los álcalis (K2O y Na2O), que participan

como catalizadores en la hidratación de las escorias, quedan atrapados en la red cristalina y no en estado libre.

En los siguientes párrafos se incidirá en la manera en que las escorias influencian el comportamiento de los cementos, en particular en aspectos relacionados con el calor desprendido durante el proceso de hidratación, las resistencias a compresión y la durabilidad.

Calor de hidratación.

La escoria de horno alto es una adición con hidraulicidad latente. Su hidratación da lugar a silicatos cálcicos hidratados de características similares a los producidos durante la hidratación del cemento portland, lo que permite que sea la única adición que admite porcentajes de hasta el 95% en el cemento (sería el caso del UNE-EN 197-1 CEM III/C).

Sin embargo, el proceso de hidratación de las escorias es más lento que el del clínker. Para su hidratación necesita ser "activada". En el caso de los cementos comunes, esta activación se logra en su etapa inicial por los álcalis que contiene el cemento y, en una segunda etapa, por la portlandita generada durante la hidratación del clínker portland. Este proceso de hidratación favorece una generación de calor más lenta y prolongada en el tiempo, lo que favorece su disipación.

Resistencias a compresión.

Las resistencias a compresión a edades tempranas disminuyen en función de la cantidad de escoria añadida, debido a que el proceso de hidratación de las escorias se desarrolla más lentamente que el del clínker de cemento portland. Por el contrario, a edades normales (28 días) las resistencias son similares o incluso más altas, conservando potencial de crecimiento a edades a largo plazo (60 días).

Permeabilidad al agua.

Uno de los principales factores que determina la adecuada durabilidad de un hormigón es la dificultad que ofrece a la penetración de los agentes agresivos. Así, la porosidad de los hormigones se convierte en uno de los principales

factores que afectarán a su adecuada durabilidad. Conceptos como la difusibilidad o permeabilidad están estrechamente ligados a la porosidad. Sin embargo tan importante como la porosidad es el tamaño de los poros y su interconectividad: una red de poros interconectados favorece la penetración y difusión de los agentes agresivos; una red de poros capilares y microporos (de pequeño tamaño) dificulta estos mismos efectos.

La incorporación de la escoria de horno alto modifica la naturaleza y características de los hidratos que se forman, afectando a la red capilar del hormigón, reduciendo el tamaño y el número de poros. Este mismo efecto se produce también por el menor tamaño de las partículas de escoria, que favorecen el relleno de huecos en el hormigón.

Como contrapartida se destaca que los hormigones elaborados con cementos con porcentajes elevados de esta adición son muy sensibles a las condiciones de curado: un curado inadecuado o insuficiente puede provocar una desecación prematura del hormigón, en particular en superficie, lo que se traduciría en una insuficiente hidratación del cemento y, en consecuencia, en un aumento de la permeabilidad.

Sensibilidad a la carbonatación.

La carbonatación de los componentes hidratados del cemento por el CO2 del aire es un proceso característico que afecta a todos los hormigones. Este fenómeno reduce el pH del recubrimiento de las armaduras. Si el pH de ese recubrimiento se sitúa por debajo de un determinado valor (inferior a 11) las hace susceptibles a la corrosión.

Además, la profundidad de la carbonatación aumenta de modo lineal con la relación agua/cemento (a/c) empleada en la fabricación del hormigón, doblándose prácticamente cuando la relación a/c pasa de 0,6 a 1.

Imagen 4. Evolución de la carbonatación en función de la relación a/c.



Si experimentalmente se admite que los cementos tipo III son más sensibles al efecto de la carbonatación debido a una menor reserva alcalina (pues como se ha indicado en párrafos anteriores la escoria de horno alto no solo no libera portlandita en su hidratación, sino que además consume la liberada por el clínker), el desarrollo actual de la industria del hormigón y la reglamentación relativa a los contenidos mínimos de cemento y las relaciones a/c máximas admisibles permite que en hormigones estructurales (resistencias superiores a los 25 MPa) esta mayor susceptibilidad sea considerada como marginal, dado que también experimentalmente está demostrado que la velocidad de carbonatación se reduce al aumentar los contenidos de cemento.

Resistencia a los cloruros.

La penetración de cloruros en la masa de hormigón necesita ser controlada en el caso de hormigones armados. La penetración de cloruros en el hormigón favorece la corrosión incluso en hormigones con pH elevados; también puede favorecer la corrosión de las armaduras por procesos electroquímicos.

Como ocurre en el caso de la carbonatación y en todas las propiedades del hormigón, la relación a/c va a afectar de manera determinante a la penetración de los cloruros.

Imagen 5. Concentración de iones cloro en función de la relación a/c (curva 1: a/c=0,71; curva 2: a/c=0,47;

curva 3: a/c=0,23).

En la penetración de cloruros juega un papel importante la estructura porosa del hormigón, y las escorias de horno alto tienen un efecto muy positivo al reducir el número de poros y su diámetro, dificultando la difusibilidad de los iones cloro.

Resistencia al ataque por sulfatos.

Los cementos con escorias de horno alto proporcionan una mejor resistencia a los sulfatos que la que ofrecen los cementos tipo I, incluso siendo SR o MR. La razón de ello estriba en la menor permeabilidad del hormigón, en el menor contenido de portlandita (material muy susceptible de ser atacado químicamente) y, en algunos casos, un menor contenido en C3A.

Un cemento fabricado con un clínker con contenido de C3A del 8%, la norma española lo considera SR cuando en su fabricación se emplean porcentajes de escorias de horno alto iguales o superiores al 36%. Porcentajes de escorias por debajo del 36% exigirían que el contenido de C3A del clínker fuese menor o igual al 6% para ser considerado como cemento SR. En caso de que no llevase adición (sería el caso de un cemento tipo I), la norma exige que el contenido de C3A se reduzca al menos hasta el 5%.

Resistencia a ciclos de hielo-deshielo.

La susceptibilidad del hormigón a los ciclos de hielo-deshielo va a ser función principalmente de su permeabilidad y del grado de saturación de sus poros. También en este caso el diámetro de los poros y su distribución va a influir en la temperatura de congelación del agua contenida en ellos (cuanto menor es el diámetro del poro más baja es la temperatura de congelación).

La resistencia a los ciclos de hielo-deshielo de hormigones fabricados con cementos con escorias es tan buena o más que la de un hormigón fabricado con un cemento tipo I siempre que se tenga la precaución no exponer al hormigón a condiciones de congelación a edades tempranas, pues las escorias necesitan un tiempo de ‘maduración’ superior a la que requiere el clínker portland.

Reactividad árido-álcalis.

Para que esta reacción se desarrolle es necesaria la presencia de áridos potencialmente reactivos, álcalis y humedad, siendo el cemento una de las fuentes de aportación de compuestos alcalinos.

Según la naturaleza de la fase reactiva del árido, se pueden distinguir reacciones álcali-carbonato, álcali-sílice (la más habitual) y álcali-silicato. En todos los casos se trata de reacciones expansivas que dan lugar a la microfisuración del hormigón, mermando su capacidad mecánica y su impermeabilidad.

La incorporación de escorias de horno alto al cemento tiene efectos positivos a la hora de reducir el riesgo de reacción árido-álcali. En concreto, la escoria de horno alto actúa encapsulando en su hidratación los álcalis



presentes en el cemento, de manera que quedan ‘desactivados’ para reaccionar con los áridos. Este efecto de encapsulamiento permite emplear cementos con contenido en álcalis tanto más altos cuanto más alto sea el contenido en escorias: un cemento tipo I sería considerado como bajo en álcalis con contenidos de Na2Oeq inferiores al 0,6%, mientras que en el caso de un cemento con un 40% de escorias este límite podría elevarse hasta el 0,9%. No obstante, ante el riesgo de posibles reacciones árido-álcalis conviene realizar estudios específicos de comportamiento.

OBRAS DESTACABLES.

Las prestaciones que los cementos con escorias ofrecen en ambientes químicamente agresivos son bien conocidas por los técnicos e ingenieros, como lo corrobora el amplio número de obras que Holcim (España) ha tenido ocasión de suministrar desde que comenzamos la fabricación del II/A-S 42,5 N /SRC y, posteriormente, de la gama Supercem. A continuación se enumeran las obras más destacables que hemos tenido oportunidad de suministrar.

2000 Dique de Mónaco.

Obra realizada por una UTE entre Dragados, FCC y BEC.

Es un muelle flotante construido en la dársena de Crinavis (Bahía de Algeciras). Una vez construido, este muelle fue trasladado al puerto de La Condamine (Principado de Mónaco), en donde uno de sus extremos se ancló a tierra mediante una rótula mientras que el otro extremo se amarra al fondo marino.

Las dimensiones principales del dique son 352 m de longitud, 28 de anchura y 19 de altura. En su construcción se emplearon 44.000 m3 de hormigón (con cemento II/A-S 42,5 N /SRC).

Imagen 6. Dique de Mónaco. Fase final del proceso de construcción.

2005 Adriatic LNG Terminal.

Construye Acciona Infraestructuras.

La obra también se realiza en la dársena de Crinavis. Se trata de un depósito flotante de gas licuado que la petrolera Exxon Mobile instala en el mar Adriático a 13 km de la costa y tras ser transportado por vía marítima.

Las dimensiones del depósito son 180 m de longitud, 88 m de anchura y 47 m de altura. En su construcción se emplearon 90.000 m3 de hormigón (con cemento II/A-S 42,5 N /SRC).

Imagen 7. Adriatic LNG Terminal. Fase de montaje de las instalaciones.

2006 Puerto Bahía de Algeciras.

Desde el año 2000 el Puerto de la Bahía de Algeciras ha acometido una serie de obras de ampliación y mejora de sus instalaciones que lo sitúan como el puerto de mayor tráfico de mercancías de España y el segundo del sur de Europa. Su actividad principal se centra en el tráfico de pasajeros y mercancías (graneles líquidos y contenedores). Muchas de las obras ejecutadas en estos años lo han sido con nuestro cemento II/A-S 42,5 N /SRC.

Imagen 8. Vista aérea del Puerto de Algeciras.

2008 Puente de Cádiz.

Obra promovida por el Ministerio de Fomento y que está siendo ejecutada por Dragados. Se trata del segundo puente de acceso de que dispondrá la ciudad (el otro es el puente Carranza, inaugurado en 1969).



El nuevo puente ‘levadizo’, ya conocido como el puente de ‘La Pepa’ al haber arrancado su construcción con la intención de inaugurarlo con motivo de la celebración del 200 aniversario de la Constitución española de 1812, La Pepa, tiene una longitud de 3,15 km y una anchura de 30 m. Se levanta sobre el nivel del mar 69 m (gálibo bajo el puente) y tendrá una cota máxima de 187 m.

Parte de su estructura ha sido realizada con el cemento II/A-S 42,5 N /SRC. También han sido utilizados otros cementos, entre ellos el CEM I 52,5 R y un CEM I 52,5 R - SR 3.

Imagen 9. Puente de “La Pepa”: Construcción de las pilas.

2008 Obras de Abrigo Puerto Valencia.

Construye la UTE Obras de Abrigo Puerto de Valencia, formada por Dragados, Flota Proyectos Singulares, Construcciones y Estudios, SEDESA Obras y Servicios, Somague Engenharia y Sacyr.

Las obras que acomete el Puerto de Valencia persiguen mantener su liderazgo a nivel nacional en el tráfico de contenedores y mejorar su posición en el tráfico de pasajeros.

Las obras del dique de abrigo han sido realizadas empleando cementos adicionados con escorias de horno alto: II/A-S 42,5 N /SRC, III/A 42,5 N /SRC Supercem SR y un CEM III/B 32,5 N - LH/SR Supercem LH.

Imagen 10. Puerto de Valencia.Panorámica de la ejecución de un tramo del dique de abrigo.

2009 Cajones Puerto de Arzew (Argelia).

Flota Proyectos Singulares realiza en el puerto de Cartagena la fabricación de 46 cajones de hormigón armado que serán posteriormente transportados al puerto de Arzew, situado a 35 km al este de la ciudad de Orán, en donde serán colocados para la construcción de un dique de protección y atraque, permitiendo la carga de buques de transporte de gas licuado. La obra es promovida por la empresa estatal gasística de Argelia (Sonatrach).

El tipo de cemento empleado en la fabricación de los hormigones ha sido el II/A-S 42,5 N /SRC.

Imagen 11. Botadura de uno de los cajones del puerto de Arzew (Argelia).

2010 Pantallas bentonita-cemento.

Los cementos Supercem ha sido empleados en la ejecución de varias obras de pantallas bentonita-cemento para impermeabilizaciones. Entre las más destacables figuran las de los túneles bajo el río Guadalquivir en la nueva vía de circunvalación SE-40 de Sevilla; pantallas en el puerto de La Coruña; pantallas de impermeabilización en la presa de La Breña (Córdoba).



2011 Presa sobre el río Serpis (Alicante).

Esta obra le fue adjudicada por Acuamed a la UTE Río Serpis, formada por las empresas Altec Infraestructuras y Romymar.

La presa se construye con el objetivo de laminar las avenidas que periódicamente se producen en la zona. Este tipo de presas no tienen función de almacenamiento, caracterizándose por disponer de agujeros de desagüe a una o más alturas (de ahí que también se denominen presas de agujero) cuya función es la de regular los caudales que se puedan producir aguas abajo de su emplazamiento.

La presa tiene una altura de unos 27 metros y una longitud en coronación de unos 423 metros. Para su construcción se han empleado 24.000 m3 de hormigón vibrado.

Se trata de la primera presa construida en España con un cemento tipo CEM III/B 32,5 N - LH/SR Supercem LH.

Imagen 12. Presa de Tarrateig.

2012 Cajones ampliación Puerto de Cádiz.

Esta obra le fue adjudicada a FCC.

En los últimos 10 años el crecimiento de tráfico de pasajeros y contenedores experimentado por el puerto ha sido muy alto (315% y 180% respectivamente). A fin de no llegar a medio plazo a una situación de saturación, y en previsión de las posibilidades de crecimiento futuras, la ampliación del puerto permitirá mejorar la competitividad de las instalaciones creando una nueva terminal de contenedores y liberando la actual para su uso como terminal de cruceros, evitando además las interferencias que hasta la fecha se venían produciendo entre ambos tráficos.

La ampliación prevé la realización y colocación de 16 cajones de 3.127 m3 de hormigón cada uno. La primera fase de cajones ha sido realizada utilizando nuestro II/A-S 42,5 N /SRC.

Imagen 13. Vista aérea del Puerto de Cádiz y la zona de ampliación.

BIBLIOGRAFÍA.

UNE-EN 197-1:2011 (AENOR)

Instrucción de hormigón estructural EHE-08 (Ministerio de Fomento)

Instrucción para la recepción de cementos RC-08 (Ministerio de Fomento)

Durabilidad de estructuras de hormigón (Grupo español del hormigón GEHO-CEB)

Hormigón (Manuel Fernández Cánovas)

Tecnología y propiedades mecánicas del hormigón (Adolfo Delibes Liniers; INTEMAC)

Patología de estructuras de hormigón armado y pretensado (José Calavera Ruiz; INTEMAC)

Escorias y cementos siderúrgicos (José Calleja; Revista Materiales de Construcción, IETCC/CSIC)

La durabilité des bétons. (Jacques Baron, Jean-Pierre Ollivier; Presses de l'école nationale des ponts et chaussées)

Concrete durability. A practical guide to the design of durable concrete structures (Mario Soutsos)

Información y documentación interna (Holcim (España) / Holcim Technology Ltd., HTEC)

Documents

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