Tecnologia de Hormigon

Influencia de la Tecnología de Hormigonado en las Propiedades del Hormigón Refractario Iván E. Martínez Dirigido por: Ing. Karel Pérez Alejo

Resumen. Se realiza un estudio del estado del arte de los hormigones refractarios a nivel internacional mostrándose las características, requisitos y líneas de investigación de estos hormigones en la actualidad. Se analizan las características que presentan los hormigones refractarios producidos en Cuba, señalando las deficiencias existentes en la tecnología de hormigonado que conllevan a la escasa calidad que presentan estos hormigones nacionales. Partiendo de la relación agua/cemento óptima (obtenida a partir de las técnicas de hormigonado disponibles), se analiza la influencia que poseen sobre la resistencia mecánica del hormigón refractario distintas variables (tiempo de curado, temperatura de curado y tratamiento térmico) obteniéndose como valores recomendables: curado de tres días para lograr resistencias en el orden del 85% del total, temperatura de curado de 10˚C para tiempos de curado superiores a los 3 días y no someter a la pieza de hormigón refractario a cambios bruscos de temperatura (más de 40˚C /h). Palabras claves. Alúmina reactiva, cemento aluminoso, hormigón refractario, tratamiento térmico.

I. INTRODUCCIÓN Los materiales refractarios son utilizados, generalmente, para facilitar la producción de otros materiales, como metales, cristales y cementos [1]. Durante su etapa de servicio son sometidos a altas temperaturas, que pueden alcanzar los 1900˚C, además de soportar otros efectos como la abrasión, erosión, acción de ácidos, etc. El hormigón refractario no es utilizado con fines estructurales [2], sino como protección térmica de distintos tipos de elementos, que pueden ser de acero, cerámicos, hormigón, etc. Su función básica es resistir altas temperaturas, que pueden alcanzar valores en el entorno de los 1900˚C, sin un de terioro excesivo de sus propiedades físico-químicas. Es considerado un material consumible, requiriendo su reemplazo luego de cumplir una etapa de servicio [3], que por lo general, es bastante breve (como ejemplo, se puede citar la industria del acero, donde las canales utilizadas para conducir el acero líquido hasta los moldes, posee un ciclo de vida de 10 coladas aproximadamente, siendo necesario su reemplazo luego de cumplir este régimen de explotación).

Tanto el método de elaboración, como los materiales utilizados para la fabricación de estos hormigones tienen características distintas a los utilizados para hormigones tradicionales. Las características de los áridos utilizados están relacionadas con las condiciones de explotación que tendrá el hormigón, a mayores temperaturas se necesitarán áridos con mayor contenido de alúmina (Al 2O3) [4]. El aglomerante que es utilizado con más frecuencia en hormigones refractarios es el cemento aluminoso, no obstante, el cemento Portland puede ser utilizado en algunos tipos de estos hormigones que no encuentren en su etapa de servicio temperaturas superiores a 1100˚C [5]. De forma similar a los áridos, mientras mayor sea el contenido de alúmina del cemento mayor será la temperatura a la cual podrá operar. Para los hormigones refractarios de última generación se utilizan, en conjunto con el cemento aluminoso, otros materiales capaces de reaccionar y desarrollar propiedades como aglomerantes, los más habituales son la microsílice y la alúmina reactiva [3, 6]. La resistencia a la temperatura que alcanzan los hormigones refractarios modernos son equivalentes e incluso superiores que los tradicionales ladrillos cerámicos refractarios. La industria del acero, de los metales no ferrosos, cerámica, alfarería y petroquímica no pueden funcionar hoy sin la utilización de los hormigones refractarios con cemento aluminoso [3]. Los hormigones refractarios han ido disminuyendo el contenido de cemento de sus dosificaciones, desde porcientos que oscilaban entre 15 y 25, hasta dosificaciones actuales que presentan valores que oscilan entre 3 y 0,5 por ciento de cemento e incluso existen dosificaciones sin cemento [3, 7, 8]. Esto se ha logrado, principalmente, principalmente, con el empleo de de materiales reactivos con tamaños de partículas inferiores a las del cemento [9]. Igualmente, a estos hormigones se les realiza un tratamiento térmico que consigue deshacer el enlace hidráulico que le brinda el cemento para formar un enlace cerámico con lo que se consiguen mayores prestaciones y mayor vida útil, pero, se debe prestar especial atención a los escalones de temperatura pues cambios bruscos ocasionan daños en el hormigón [5, 10]. Los avances tecnológicos, unido al deseo por parte de los productores, de aumentar la productividad y lograr mayor vida útil de los estos materiales, ha propiciado que la

Revista Estudiantil Nacional de Ingeniería y Arquitectura industria de los refractarios haya evolucionado, desarrollando productos capaces de dar respuesta a las exigencias actuales de la industria de materiales, principalmente las del hierro y el acero, las cuales utilizan el 60% de todos los refractarios que se producen [11, 12]. Paralelamente a estas exigencias productivas, existen otros factores que han condicionado la evolución de los refractarios: el cuidado del medio ambiente exige procesos productivos que reduzcan el impacto ambiental y han desechado el uso de materiales como el cromo [3]. La razón por la cual se ha producido este rápido crecimiento del mercado de los hormigones refractarios a expensas de los tradicionales ladrillos cerámicos, se debe a su fácil producción y rápida instalación al tiempo que brinda prestaciones similares a los productos cerámicos [13, 14]. En Cuba, numerosas industrias utilizan distintos tipos de productos refractarios para su producción, la industria del níquel y el acero, entre otras, dependen directamente de estos productos para sus procesos productivos. La mayoría de los hormigones refractarios utilizados en la industria nacional (En Cuba existe una única fábrica para la producción de hormigones refractarios: Refractarios Habana) en estos momentos son importados, generalmente a altos precios, a consecuencia de la baja calidad que presentan sus similares cubanos [15]. Las deficiencias en el proceso productivo (alto contenido de agua, no se realiza curado ni tratamiento térmico) unido a deficiencias en la dosificación (alto contenido de cemento) son las principales razones de estas bajas prestaciones de los hormigones refractarios de producción nacional. El objetivo de este estudio es elevar las prestaciones de los hormigones refractarios producidos en Cuba mediante la optimización del proceso productivo.

1. 2. 3. 4.

Relación agua/cemento del hormigón refractario Curado del hormigón refractario Temperatura de curado Tratamiento térmico

Para los ensayos se utilizó el hormigón mezclado por Refractarios Habana el cual presenta un contenido de alúmina de 94 por ciento, este hormigón, emplea como árido el Corindón Marrón y como aglomerante el cemento aluminoso Secar 71, cuyo contenido de alúmina es aproximadamente de 70 por ciento [2]. La distribución granulométrica se muestra en la Tabla I. Para la confección de las muestras se utilizaron los moldes prismáticos de 4 x 4 x 16 cm. El proceso de mezclado se realizó durante un minuto (30 segundos de mezclado lento y otros 30 de mezclado rápido). La compactación de las probetas no se realizó según plantea la Norma Cubana, pues con la cantidad de golpes establecida en la misma no se podía lograr una buena compactación, se decidió entonces confeccionar las probetas en tres etapas dando 40 golpes en cada etapa. Las probetas se desencofraron luego de 18 horas. A.  Relación agua/cemento La relación agua/cemento para este tipo de hormigón no es posible determinarla con exactitud [5]. Esto se debe a la dificultad de precisar qué cantidad del agua adicionada es absorbida por las fracciones finas del corindón. La cantidad de agua adicionada, entonces, se expresa como por ciento del peso total del hormigón y no, como es tradicional en hormigones convencionales, en relación al contenido de cemento. Mientras menor cantidad de agua posea la mezcla cabe esperar que sea menor la cantidad de poros que se formen y con ello aumente la resistencia, no obstante, existe un límite a partir del cual la disminución del contenido del agua afectara la resistencia pues no existirá agua suficiente para lograr la hidratación del cemento o la laborabilidad será muy pobre como para lograr confeccionar un hormigón bien compactado.

II. MATERIALES Y MÉTODOS Se analizaron cuatro factores sobre las propiedades físicomecánicas del hormigón refractario en el orden que sigue:

TABLA I DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA DEL HORMIGÓN 94

Materia Prima

GRANOS

%

Cemento

Secar 71

20

C.Marrón

3x6

15

C.Marrón

6 x 10

15

C.Marrón

10 x 20

15

C.Marrón

< 20

20

C.Marrón

< 200

15

TOTAL

100

6,35

4,75 46

2

3,2

2

1

0,5

49

5

21

77

2

12

77

8

4

11

0,21

0,075

0,063

<

TOTAL

100

100 100 100

3

100 51

15

19

100

3

23

74

100

El ACI recomienda el empleo del método “Bola en mano”, para a partir de la laborabilidad que se alcance en la

mezcla del hormigón se determine el por ciento óptimo de agua a adicionar a la dosificación. Vale señalar que este método, aunque es válido, no puede contemplar con exactitud la cantidad de agua idónea, solo brinda un rango aproximado, el cual puede contener más o menos agua en función del equipamiento disponible para la ejecución (compactación) del hormigón. En nuestro estudio, se elaboraron muestras variando la cantidad de agua adicionadas a las mismas y manteniendo constante la dosificación (áridos y cemento). Los porcientos de agua fueron variados comenzando por 20% (siempre con respecto al peso total de los agregados), para luego ir disminuyendo a 15% (a/c=0.75), 12% (a/c=0.6), 10% (a/c=0.5) y por último 8% (a/c=0.4). Todas las probetas fueron ensayadas sin curado para comprobar la influencia solamente del agua adicionada al elaborar la misma. Los ensayos se realizaron a las 72 horas. B. Tiempo de curado A partir del contenido de agua que brindó las mejores prestaciones se comprobó la influencia que tendría el tiempo de curado sobre la resistencia mecánica de las muestras. Debía esperarse un aumento de la resistencia, pero, resultaba de interés comprobar los valores de este incremento respecto al tiempo, esto permite determinar, según el régimen de explotación que tendrá el hormigón y las propiedades idóneas para ese régimen, el tiempo de curado necesario para cada caso. Se comprobó la influencia del curado para un máximo de 7 días. Esto fue motivado por el proceso de producción de la fábrica de refractarios, en la cual no son viables tiempos de curado mayores pues retrasaría la producción. Una parte de las muestras fueron sumergidas en agua, mientras, la otra parte se dejó sin ningún tipo de curado. C. Temperatura de curado La influencia de la temperatura sobre las prestaciones finales del hormigón refractario es uno de los factores más difíciles de precisar. Esta variable va a tener una relación directa con el tratamiento térmico que se le aplicará posteriormente al hormigón [16], por lo que las resistencias mecánicas que se logren con la variación de la temperatura pueden no ser un indicador definitivo, sino que será necesario contrastarlo con las etapas siguientes de producción del hormigón. Diversos autores platean que la temperatura idónea para lograr las mejores propiedades del cemento aluminoso es 10˚C [2, 16]. Con esto se logra una reacción más lenta del cemento que a temperaturas de curado más elevadas, pero, el tiempo de curado debe ser mayor para lograr resultados positivos. Es interesante determinar con cierta precisión cuál es la frontera de tiempo a partir de la cual es más efectivo el curado a temperatura ambiente o el curado en frío. Esto podría ser beneficioso a la hora de programar la ejecución del hormigón pues se podría determinar qué tipo de curado

aplicar en función del tiempo necesario para su puesta en servicio. Para los ensayos se confeccionaron probetas que fueron curadas tanto en frío como a temperatura ambiente durante 3 y 7 días. D. Tratamiento térmico Luego de curadas, una parte de las probetas fueron introducidas en la estufa a una temperatura de 110˚C. Con

esto se busca eliminar el agua retenida en el interior del hormigón y evitar efectos dañinos, producto del spalling, durante su puesta en servicio. No obstante este procedimiento puede resultar igualmente perjudicial para el hormigón, pues si se produce un cambio brusco de la temperatura durante el secado de la pieza, el vapor de agua generado en el interior del hormigón puede afectar la estructura interna del mismo provocando presiones que superen las admisibles del hormigón. Esto puede ocasionar, desde pequeñas fisuras, hasta la ruptura de la pieza [17]. Solamente se evaluó el efecto que fue posible realizar un ensayo para comprobar el efecto destructor que podía representar la variación de temperatura de 30˚C a 110˚C. En

este tiempo toda el agua existente en los poros interiores del hormigón debe haber desaparecido. El ensayo se enfocó entonces a evaluar el efecto en el hormigón. Las probetas seleccionadas para este ensayo se curaron  previamente en frío (10˚C) durante 7 días y luego se

mantuvieron en la estufa por 24 horas. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A. Sensibilidad al contenido de agua TABLA II INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE AGUA EN EL PESO Y LA RESISTENCIA MECÁNICA DEL HORMIGÓN REFRACTARIO

15% agua

Peso (g) 702,38

R.F.(MPa) 5,7

R.C.(MPa) 33,26

12% agua

720,84

6,63

42,63

10% agua

731,38

8,35

60,74

Para un contenido de agua del 20% la mezcla obtenida era demasiado líquida, dificultándose la confección de las probetas, esto quedó demostrado al realizar el método “Bola en mano” que ofrecía resultados negativos por la

elevada fluidez del hormigón. Para el 8% no se pudo, igualmente, confeccionar las probetas pues la laborabilidad era demasiado pobre quedando la mezcla muy seca, este resultado fue igualmente verificado con el procedimiento de la “Bola en mano”. Para las restantes dosificaciones se

pudieron confeccionar las probetas, lográndose la consistencia adecuada del hormigón de acuerdo con el método antes mencionado. Obsérvese, como se había dicho anteriormente, la amplitud de resultados aceptados por este procedimiento, siendo necesario comprobar la resistencia mecánica del hormigón para determinar el por ciento

Revista Estudiantil Nacional de Ingeniería y Arquitectura óptimo de agua. En la Tabla II se muestran los valores alcanzados para las distintas relaciones agua/cemento, los que se pueden ver gráficamente en la Fig. 1. Al igual que como ocurre con los hormigones convencionales la relación a/c (porciento de agua para hormigones refractarios) es uno de los factores que más afecta la resistencia mecánica de los hormigones elaborados con cementos aluminosos. Mientras menor sea esta relación mayor será la resistencia, hasta un valor mínimo por debajo del cual la resistencia comienza a decaer nuevamente pues el agua es insuficiente para lograr la correcta hidratación del cemento. Según Scrivener, este valor está aproximadamente en el orden de 0,33 [2]. Sin embargo, en hormigones refractarios este valor mínimo lo determina la laborabilidad de la mezcla y por tanto la tecnología disponible para la compactación del hormigón, Para nuestro estudio el contenido mínimo de agua fue fijado en 10% pues para valores inferiores la fluidez era muy pobre. Como puede verse en la Fig. 2 pequeñas variaciones en el porciento de agua adicionado a la mezcla ocasiona cambios importantes en la resistencia mecánica del hormigón: de los 60MPa obtenidos para 10% de agua la resistencia cae hasta 42MPa para 12%, por tanto el control del contenido de agua en la elaboración del hormigón debe ser muy cuidadoso.

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una elevada temperatura de hidratación, por tanto, si no se asegura un buen curado del mismo, puede ocurrir que una parte del cemento quede sin reaccionar al evaporarse el agua de la mezcla provocando una disminución considerable en la resistencia mecánica. El curado más eficaz es sumergir la pieza completamente en agua y mantenerla así por, al menos, 72 horas [16], pues en esas primeras horas se alcanzan los incrementos de temperatura más significativos (obsérvese en la Fig. 2, como la pendiente de la curva de resistencia es más pronunciada en las primeras 72 horas). 90 80 70 60 RESIST. 50 (MPa) 40

RC

30 20 10

RF

0 0

70

3

7

TIEMPO DE CURADO (DÍAS)

60 Figura 2. Influencia del tiempo de curado en la resistencia mecánica del hormigón

50

RESIST. 40 (MPa) 30

RC

20

RF

C.  Influencia de la temperatura de curado en el desarrollo de la matriz cementante aluminosa TABLA IV INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE CURADO

10 0 10

12

Temperatura de curado

15

% DE AGUA Figura1. Influencia del contenido de agua en el peso y la resistencia mecánica del hormigón

B.  Influencia del curado en la resistencia mecánica TABLA III INFLUENCIA DEL CURADO EN EL PESO Y LA RESISTENCIA MECÁNICA DEL HORMIGÓN

Sin curado

Peso (g) 711,73

R.F.(MPa) 7,49

R.C.(MPa) 51,85

Curado 3 días

738,3

8,81

75,97

Curado 7 días

743,82

12,95

85,02

En la Tabla III se observan los valores de resistencia a flexión y a compresión obtenidos para las muestras de hormigón refractario sin curar y con curado sumergido en agua para 3 y 7 días. Los cementos aluminosos presentan

25˚C

Peso (g) 743,82

R.F. (MPa) 12,95

R.C. (MPa) 85,02

10˚C

741,86

8,57

96,89

En la Tabla IV se muestran los resultados obtenidos para las muestras curadas durante 7 días tanto a temperatura ambiente (25 ˚C) como a 10˚C. El aumento de la resistencia a compresión es considerable (11MPa) cuando la temperatura está próxima a los 10 ˚C, esto puede explicarse por el efecto de retardo que provoca sobre las reacciones de hidratación del cemento la disminución de la temperatura, favoreciendo la formación de una matriz cementante más compacta que la que obtendríamos a temperatura ambiente pues las reacciones de hidratación del cemento aluminoso ocurren a gran velocidad principalmente por los altos valores de temperaturas generados en el proceso y que contribuyen al aumento de la velocidad de las reacciones de hidratación. No son recomendables temperaturas inferiores a 10˚C pues se producirían, entonces, efectos perjudiciales en las reacciones de hidratación del cemento aluminoso provocando una caída de la resistencia mecánica [2].

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existente en los poros interiores que al condensarse origina presiones que pueden dañar la estructura interna del hormigón refractario.

120 100 80

RESIST. (MPa)

IV. CONCLUSIONES 60 40 20 0

CURADO 7 DÍAS RF (30˚C) RF (10˚C)

RC (30˚C) RC (10˚C)

Figura 3. Influencia de la temperatura de curado en la resistencia mecánica del hormigón

D. Tratamiento térmico TABLA V INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN EL SECADO DEL HORMIGÓN REFRACTARIO

Peso (g)

R.F.(MPa)

R.C.(MPa)

Secado 110˚C

698,77

8,48

64,22

Secado 30˚C

738,21

7,92

90,05

Los resultados obtenidos demuestran el efecto negativo que provoca en el hormigón el cambio brusco de la temperatura, incluso cuando esta alcanza valores de 110˚C, muy inferior a los 1300˚C que debe alcanzar en su etapa de

explotación. 100 90 80 70 60 RESIST. 50 (MPa) 40 30 20 10 0

La relación agua/cemento es uno de los parámetros que más afectan la resistencia mecánica del hormigón, la menor relación a/c sin embargo no depende de esta resistencia sino de la tecnología disponible para la confección del hormigón pues la laborabilidad decae bruscamente con la disminución del contenido de agua. El curado de las piezas de hormigón refractario debe comenzar inmediatamente después de lograda la consistencia de la pieza, esto se logra en las primeras 12 horas, y debe mantenerse por al menos 72 horas, obteniéndose un aumento considerable de las resistencias mecánicas del mismo. La resistencia mecánica del hormigón será mayor en la medida que sea menor la temperatura de curado obteniéndose los mayores valores a una temperatura próxima a los 10 ˚C. V. RECONOCIMIENTOS Quisiéramos agradecer a los trabajadores de Refractarios Habana que nos brindaron los materiales necesarios para los ensayos y pusieron a nuestra disposición sus equipos y conocimientos. Además, agradecemos especialmente a los profesores del CECAT: J. Acevedo, E. Amat y N. Díaz, por acortar las distancias de este estudio con sus valiosos consejos. VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] C. Krause, Refractories: The Hidden industry , American Ceramic Society, 1987. [2] K. Scrivener, "Calcium Aluminates Cements," LEA´S Chemistry of  Cement and Concrete , P. Hewlett, ed., Londres. [3] W. E. Lee, and R. E. Moore, “Evolution of in Situ Refractories in the 20th Century,”  Journal of the American Ceramic Society, vol. 81, no. 6, 1998. [4] W. Yongting, B. Valdelievre, C. Parr et al., “The Use of Calcium Aluminates Cements in Monolithic Refractories for Tundish Applications,” in 4th International conference on R efractories,

RC: S/SECADO RC: C/SECADO RF: S/SECADO

RF: C/SECADO

Figura 4. Influencia del secado a 110˚C en la resistencia mecánica

El ACI plantea que la variación de la temperatura debe hacerse a razón de 40˚C/hora, al menos hasta alcanzar la temperatura de 600˚C a partir de la cual puede aumentarse la temperatura a un ritmo más acelerado (80˚C/hora), esto

se cumple para el primer calentamiento de la pieza y se explica por el efecto de spalling que provoca el agua

Dalian, 2003. [5] "Refracrory Concrete: Abstract of State-of-the-Art Report,"  ACI  Committee 547 , American Concrete Institute, 1994. [6] H. Peng, J. Li, and B. Myhre, “Effect of Microsilica on Properties of  Corundum-mullite Self-flow Ultra- low Cement Castables,” in IREFCON 2008, India, 2008. [7] P. Evangelista, C. Parr, and C. Revais, “Opti mization of aluminate [8]

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Conference, Ustron, 2001. [9] B. Myhre, “The effect of particle -size distribution on flow of  refractory castables,” in The American Ceramic Society 30th Annual

Refractories Symposium, St. Louis, 1994.

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in Prague International conference of Refractories, Prague, 2003. [15] G. Alonso, "Producción de hormigones refractarios en Cuba," 2009. [16] F. Cardoso, M. Innocentini, M. Akiyoshi et al., “Effect of curing [17]

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