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Rendimiento mecánico y mecanismo microestructural de un sistema cementante compuesto ternario de silicato-ferroaluminato-cenizas volantes
2026-08-06 17:13:08
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0 Introducción
El cemento Portland ordinario (OPC) sigue siendo el aglutinante hidráulico dominante en la construcción global debido a su excelente desempeño mecánico, amplia disponibilidad y tecnología de producción bien establecida. Sin embargo, con la rápida expansión del desarrollo de infraestructura global, varias limitaciones de los sistemas OPC se han vuelto cada vez más evidentes, incluyendo el desarrollo relativamente lento de resistencia a edades tempranas, la liberación concentrada de calor de hidratación, la contracción por secado significativa y los desafíos de durabilidad en entornos exigentes como estructuras marinas y proyectos de reparación rápida.
Mientras tanto, la industria del cemento enfrenta una presión creciente para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. La fabricación de cemento representa aproximadamente el 7–8% de las emisiones globales de CO₂, principalmente debido a la producción de clínker a alta temperatura y la descarbonatación de la piedra caliza. Por lo tanto, el desarrollo de materiales cementantes de bajo carbono con menor consumo de clínker, mejor desempeño mecánico y durabilidad mejorada se ha convertido en una dirección de investigación clave a nivel mundial.
El cemento de ferroaluminato (FAC), un cemento hidráulico especializado con un alto contenido de fases de ferroaluminato, ha atraído una atención creciente debido a su rápido desarrollo de resistencia, características de baja contracción, resistencia a la corrosión y una demanda energética relativamente menor en la producción de clínker en comparación con el cemento Portland tradicional.
Sus principales fases de clínker incluyen sulfoaluminato de calcio (C₄A₃S), silicato dicálcico (C₂S) y ferroaluminato de calcio (C₄AF).Sin embargo, similar a otros sistemas de cemento de fraguado rápido, el FAC puro puede sufrir un desarrollo insuficiente de resistencia a edades posteriores o una reducción de resistencia debido a los productos de hidratación limitados a largo plazo. Para superar esta limitación, los materiales cementantes suplementarios (SCM), especialmente la ceniza volante (FA), han sido ampliamente estudiados.
La ceniza volante, un subproducto industrial disponible a nivel mundial, mejora la trabajabilidad mediante el empaquetamiento de partículas y los efectos de rodamiento de bolas. Mientras tanto, su actividad puzolánica consume hidróxido de calcio (CH) y produce gel adicional de silicato de calcio hidratado (C–S–H), contribuyendo a la mejora de la resistencia a largo plazo y a la reducción de carbono.
Los estudios anteriores se han centrado principalmente en sistemas de cemento binarios como mezclas de OPC–SCM o OPC–cemento sulfoaluminoso. Sin embargo, los mecanismos de hidratación, la evolución mecánica y las características microestructurales de los sistemas compuestos ternarios OPC–FAC–FA siguen siendo insuficientemente comprendidos.
Este artículo presenta una perspectiva global sobre el desarrollo de un aglutinante compuesto ternario que combina cemento Portland, cemento de ferroaluminato y ceniza volante.
A través del análisis del diseño de mezcla, las propiedades mecánicas, el comportamiento de contracción y la caracterización microscópica mediante difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM), se discute el mecanismo de hidratación sinérgica de este sistema cementante de bajo carbono.1 Resumen del Diseño Experimental
El programa experimental se realizó con una relación agua-aglutinante constante de 0.36 y una relación arena-aglutinante de 0.5.
Se utilizó un OPC de grado 42.5 como aglutinante de referencia. El cemento de ferroaluminato se introdujo reemplazando el OPC en niveles de 0–10% en masa, produciendo una serie de mezclas binarias OPC–FAC.
Basándose en el contenido optimizado de FAC del 8%, se incorporó adicionalmente ceniza volante reemplazando el OPC en niveles que van del 0–60%, formando sistemas ternarios OPC–FAC–FA.
La evaluación experimental incluyó:
Mediciones del tiempo de fraguado de las pastas de cemento;
Pruebas de fluidez del mortero;
Pruebas de resistencia a flexión y compresión a diferentes edades de curado;
Mediciones de contracción por secado hasta 90 días;
Análisis de fases por XRD y observación microestructural por SEM.
2 Evolución de las Propiedades Macroscópicas
2.1 Comportamiento de Fraguado y Trabajabilidad
La incorporación de FAC aceleró significativamente la hidratación del cemento.
Para el OPC puro, los tiempos de fraguado inicial y final fueron aproximadamente 147 minutos y 225 minutos, respectivamente.
Cuando se introdujo el 10% de FAC, el tiempo de fraguado inicial disminuyó a 40 minutos, lo que representa una reducción del 72,7%, mientras que el tiempo de fraguado final disminuyó a 80 minutos, una reducción del 64,4%.Este comportamiento de fraguado acelerado se atribuye principalmente a la hidratación rápida de las fases de ferroaluminato. Durante la hidratación del OPC, el hidróxido de calcio aumenta la alcalinidad del sistema y promueve la formación de etringita (AFt) a partir de C₄A₃S en el FAC. La cristalización rápida de AFt crea un marco rígido temprano, acelerando la pérdida de plasticidad.
El efecto del FAC en la trabajabilidad mostró una tendencia típica de "aumento seguido de disminución". Con dosis más bajas de FAC, el empaquetamiento de partículas mejoró la fluidez, mientras que un exceso de FAC aceleró la hidratación y aumentó el consumo de agua, reduciendo la fluidez.
En el sistema ternario OPC–FAC–FA, la adición de ceniza volante produjo un efecto no lineal. Los contenidos bajos de ceniza volante aceleraron la formación de AFt y acortaron el tiempo de fraguado, mientras que los contenidos más altos de ceniza volante aumentaron el tiempo de fraguado y mejoraron la fluidez debido a los efectos de dilución y a un mejor empaquetamiento de partículas.
2.2 Rendimiento Mecánico
El FAC puro mostró un desarrollo de resistencia a largo plazo limitado, mientras que la combinación de FAC con OPC mejoró eficazmente esta desventaja. Las mezclas binarias OPC–FAC mostraron una resistencia mayor que los sistemas de OPC puro y FAC puro.
La mezcla que contenía un 10% de FAC logró el mejor rendimiento binario:
Resistencia a la compresión a 7 días: 38,3 MPa;
Resistencia a la compresión a 14 días: 42,8 MPa;
Resistencia a la compresión a 28 días: 46,6 MPa.
En comparación con el OPC puro, la resistencia a la compresión aumentó un 24,8%, 18,4% y 15,6% a los 7, 14 y 28 días, respectivamente. La resistencia a la flexión también aumentó un 28,4%, 22,6% y 15,1%.
La mejora de la resistencia temprana resultó de:
La hidratación rápida de las fases C₄A₃S y C₄AF;
La hidratación acelerada de los minerales del clínker del OPC, especialmente C₃S y C₂S.
En el sistema ternario, la ceniza volante redujo la resistencia temprana a los 7 y 14 días debido a su velocidad de reacción más lenta. Sin embargo, la resistencia a la compresión a 28 días primero aumentó y luego disminuyó con el aumento del contenido de ceniza volante.
El contenido óptimo de ceniza volante fue aproximadamente del 20%, logrando una resistencia a la compresión a 28 días de 49,4 MPa, que fue un 7,4% mayor que la del sistema binario FAC8%.
Una composición equilibrada de OPC–FAC–FA que contenía un 8% de FAC y un 30% de FA mantuvo un rendimiento excelente, con una resistencia a la compresión y a la flexión a 28 días aún un 15,9% y un 9,9% mayores que las del OPC puro.
2.3 Rendimiento de Contracción por Secado
La reducción de la contracción es una de las ventajas importantes del sistema aglutinante ternario.
A los 90 días:
El OPC puro mostró una contracción por secado de aproximadamente 1055 μm/m;
El FAC puro mostró solo 421 μm/m;
El OPC con un 10% de FAC redujo la contracción a 846 μm/m.
La reducción se atribuyó principalmente a la expansión de los cristales de AFt y a una mayor rigidez a edades tempranas, lo que ayudó a compensar la deformación por contracción.
La ceniza volante mejoró aún más la resistencia a la contracción. La mezcla FAC8%-FA30% alcanzó un valor de retracción a 90 días de 787 μm/m, lo que representa una reducción del 25,4% en comparación con el OPC puro.
La mejora se debió a:
Menor demanda de agua debido al empaquetamiento de partículas de ceniza volante;
Refinamiento de la estructura de poros causado por reacciones puzolánicas;
Reducción del calor de hidratación y del estrés interno.
3 Evidencia microestructural y mecanismo de hidratación
El análisis de XRD confirmó el mecanismo de hidratación sinérgico del sistema ternario.
Después de la incorporación de FAC:
Los picos característicos de AFt aumentaron significativamente;
Los picos de C₃S y C₂S disminuyeron.
Estos resultados indican que el FAC acelera las reacciones de hidratación de las fases de clínker del OPC.
Después de agregar 30% de ceniza volante:
El pico característico de CH disminuyó significativamente;
confirmando que las reacciones puzolánicas consumieron hidróxido de calcio y generaron gel C–S–H adicional.
Las observaciones de SEM mostraron:
El OPC puro contenía cristales de CH en forma de placas y fases de AFt fibrosas limitadas.
Las muestras con FAC8% exhibieron redes densas de cristales de AFt en forma de aguja y un contenido reducido de CH.
Las muestras con FAC8%-FA30% mostraron partículas de ceniza volante recubiertas con gel C–S–H, con poros rellenos y una microestructura más densa.
Las propiedades mecánicas mejoradas, la retracción reducida y la mayor resistencia a largo plazo pueden atribuirse a los efectos combinados de:
Formación de la estructura de AFt + consumo de CH + relleno con gel C–S–H.
4 Implicaciones globales de ingeniería y perspectivas futuras
El sistema cementicio ternario OPC–FAC–FA representa un enfoque prometedor para desarrollar aglutinantes de baja emisión de carbono y alto rendimiento para aplicaciones de construcción a nivel global.
Sus ventajas provienen de las funciones complementarias de cada componente:
El FAC proporciona un rápido desarrollo de resistencia a edades tempranas y compensación de retracción;
La ceniza volante mejora la resistencia a largo plazo, la durabilidad y la sostenibilidad;
El OPC proporciona una hidratación estable y una base mecánica sólida.
El proceso de hidratación puede resumirse como:
Formación de la estructura de AFt a edades tempranas → Densificación de C–S–H a edades posteriores
Esto hace que el sistema ternario sea atractivo para:
Componentes de hormigón prefabricado;
Materiales de reparación rápida para pavimentos y puentes;
Infraestructura marina;
Estructuras de ingeniería subterránea.
Se puede considerar un rango de composición práctico:
Cemento ferroaluminato: 8–10%;
Ceniza volante: 20–30%.
La proporción óptima debe ajustarse según los requisitos del proyecto, incluyendo resistencia temprana, durabilidad y objetivos de reducción de carbono.
La investigación futura debería centrarse en tres áreas principales:
Expansión de materiales cementicios suplementarios mediante la incorporación de escoria, escoria de acero, arcilla calcinada y otros residuos industriales.
Evaluación integral de durabilidad, incluyendo resistencia a cloruros, resistencia a la carbonatación, resistencia a sulfatos y estabilidad volumétrica a largo plazo.
Validación a escala de ingeniería mediante aplicaciones de hormigón, pruebas de campo y desarrollo de estándares internacionales.
A medida que la industria de la construcción global avanza hacia emisiones netas cero, los aglutinantes compuestos ternarios que combinan fases de hidratación rápida con materiales suplementarios sostenibles pueden proporcionar una vía efectiva para lograr tanto alto rendimiento como una reducción significativa de carbono.
