Constructing the proxy variable

En los materiales cementicios la porosidad es uno de los factores que más afecta al comportamiento mecánico y durable. La fase acuosa queda dentro de la estructura porosa constituyendo un sistema termodinámicamente abierto y, por tanto, dinámico, cuyos equilibrios fluctuarán en función del medio ambiente exterior, la humedad relativa, la penetración de agentes agresivos, etc. El conjunto microestructura porosa y fase acuosa de los poros, determina el transporte de iones en el material y su interacción con los componentes de los materiales base cemento, así como las características de difusión de estos materiales (Segura, 2008).

Atendiendo al proceso que da lugar a la formación y localización de los poros encontramos poros formados en la matriz de la pasta, se engloban en esta categoria los poros de gel, poros capilares, granos de Hadley o huecos de aire. Además existe la porosidad intrínsea de los áridos. Los poros formados en la interfase árido-pasta. Lo huecos producidos por agua que queda atrapada. Y por último los huecos debidos a discontinuidades internas que aparecen en la pasta como consecuencia de la inestabilidad estructural que provocan las variaciones de humedad y temperatura.

A su vez, la porosidad que presentan los materiales base cemento depende de algunas variables relativas a la dosificación y el proceso de fraguado.

La microestructura porosa suele determinarse en función de tres propiedades estructurales (Haynes, 1973):

‐ Porosidad: es decir, parte del volumen total de la muestra ocupado por poros. Habitualmente en materiales base cemento, suele hablarse de porosidad total o de porosidad accesible, en función de la técnica empleada.

‐ Superficie específica interna de los poros: área o superficie accesible por unidad de volumen o de masa de una sustancia dada.

‐ Segregación de poros en función de sus tamaños: delimitación del volumen total de poros en rangos de poros de tamaños definidos.

En la Tabla 2 se esquematiza las principales clasificaciones mencionadas por la literatura en pasta de cemento hidratado.

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Esta estructura de poros se puede clasificar por su tamaño y distribución. Según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) los poros se clasifican en: micro-poros (Ø < 2 nm), capilares o meso-poros (2 nm < Ø < 50 nm) y macro-poros (Ø > 50 nm). Los que suelen afectar a la durabilidad son los meso- poros y los macro-poros, especialmente en el caso de poros interconectados y porosidad abierta, lo que facilita el transporte de sustancias solubles en líquidos o gases. Particularmente la resistencia a ataques químicos y físicos se reduce considerablemente cuando se reduce la cantidad de poros capilares. Además, existen otras escalas, como la propuesta por Mehta (1986) o Mindess (2002).

Junto con las tres categorías que se describen anteriormente, existe una cuarta tipología de tipos de poro, que se denomina como granos de Hadley, tratándose de una porosidad debida a una tipología de productos de hidratación. Fueron primeramente descritos por Hadley et al. (2000), como describiremos más adelante.

Tabla 2. Principales clasificaciones mencionadas por la literatura en pasta de cemento

hidratado (Aligizaki, 2006)

IUPAC P. Metha, 1986 S. Mindess, 2002 Efecto Microporos “intercapa” > 0.5 nm Retracción Fluencia Microporos < 2 nm Microporos 0.5 -2.5 nm Retracción Fluencia Espacio interparticular entre las láminas de C-S-H 1 nm a 3 nm Capilares pequeños (gel) 2.5 - 10 nm Retracción Mesoporos 2 nm a 50 nm Poros capilares (a/c baja) 10 nm a 50 nm Capilares medianos 10 - 50 nm Resistencia Permeabilidad Contracción Poros capilares (a/c alta) 3 μm a 5 μm Capilares grandes 50 - 10 μm Resistencia Permeabilidad Macroporos > 50 nm Aire atrapado 50 μm a 1 mm Aire atrapado 0,1-1 mm Resistencia

2.2.3.1.Poros de gel o microporos.

Su nomencltura se debe Powers (Powers y Brownyard, 1948), según el cual, y basándose en datos de adsorción-desorción de vapor de agua, los poros de gel son los espacios entre las fibras

del gel CSH. Otros autores han comprobado que realmente se trata del aire que queda retenido entre las láminas de gel CSH (Feldman y Sereda, 1976). Atendiendo a la clasificación hecha por Mindess (2002) su tamaño oscila entre 0,5 nm y 2,5 nm. Se trata de espacios flexibles, en función de la cantidad de agua que los puede ocupar.

Constituyen el 28 % de la pasta de cemento hidratada, pero por su pequeño tamaño, no influyen negativamente en la resistencia mecánica de los materiales base cemento. Sin embargo sí pueden afectar a la estabilidad de volumen modificando la retracción y la fluencia del material.

2.2.3.2.Poros capilares o mesoporos.

Este tipo de poros se forma cuando los productos de hidratación no rellenan el espacio anteriormente ocupado por el agua. El volumen y distribución de los mismos quedará determinado por la relación agua/cemento y el grado de hidratación del material. Al depender del grado de hidratación, es una propiedad cambiante que evoluciona con la hidratación del material. En función de su tamaño y distribución, los mesoporos pueden tener influencia en las propiedades de los materiales base cemento, permeabilidad, durabilidad, resistencia mecánica, etc., especialmente cuando forman una red interconectada.

Con el fin de limitar la formación de mesoporos numerosos autores han estudiado la relación agua/cemento mínima que permita hidratar el material reduciendo la la formación de mesoporos Brouwers, 2004, 2005 y 2007; Powers y Brownyard, 1948), concluyendo que si bien una relación agua/cemento de 0.39 asegura una buena hidratación del cemento, para evitar la autodesecación es necesario que los poros de gel queden llenos y esto se consigue a relaciones agua/cemento de 0.44 (Taylor, 2003).

2.2.3.3.Granos de Hadley.

Junto con los poros de gel y los poros capilares, son el tercer tipo de porosidad intrínseca presente en la pasta. Este tipo de poros fueron descritos por Hadley (2000), y han sido estudiados por otros autores (Barnes et al., 1978; Kjellsen et al., 1996; Kjellsen et al.1997; Hadley et al., 2000). Una vez que se ha formado un contorno de productos hidratados en torno a la partícula de cemento anhidro, el gel crece hacia afuera ocupando el espacio que dejan los poros capilares. Cuando no se forman los productos de hidratación en el interior del grano de cemento, queda un espacio hueco que recibe el nombre de “hollow shell pores” o grano de

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Hadley. Su tamaño oscila entre 1 y 20 µm. Inicialmente son poros cerrados que generalmente conservan la forma de la partícula de cemento de la que proceden y pueden encontrarse total o parcialmente huecos. A medida que prosigue la hidratación pueden rellenarse con otros productos de hidratación. La cantidad de estos poros generalmente disminuye siguiendo la misma tendencia que los poros capilares, aunque por el contrario, suelen ser generalmente estructuras regulares y cerradas, po lo que su identificación resulta complicada.

2.2.3.4.Macroporos.

Los macroporos suelen formarse cuando las burbujas de aire que se quedan atrapadas durante el proceso de amasado no afloran a la superficie. Suelen presentarse de forma esférica y su tamaño supera los 50 nm.

Su presencia en el hormigón se debe a dos causas principales. Por un lado, su aparición durante el proceso de amansado. Para prevenir su formación es necesario que después de un correcto amasado, la masa sea compactada adecuadamente. Por otro, la formación justificada de burbujas de aire mediante aditivos, para mejorar las prestaciones del material frente a ciertos ambientes agresivos. En este caso, la distribución de estas es homogénea en toda la masa.

Normalmente no suelen tener conexión con otras burbujas de aire, por lo que no afectan a la permeabilidad del material. Si no se encuentran conectados, no influyen significativamente en la durabilidad del material, pero sí pueden influir muy negativamente en la resistencia mecánica.