Microsílice en UHPC: empaquetamiento, reología y unión de fibras

Descubra cómo la microsílice modifica el empaquetamiento, la reología, la hidratación y la interfaz fibra–matriz del UHPC, y qué ensayos evitan sobredosificación.

Utilice los intervalos como preselección y valide después el grado y la dosificación con los materiales, la secuencia de mezcla y las condiciones reales del proyecto.

1. Efecto de rodamiento y lubricación de las partículas esféricas submicrométricas

La microsílice se compone principalmente de partículas esféricas de dióxido de silicio amorfo extremadamente finas, cuyo tamaño original es muy inferior al de las partículas de cemento común.

Cuando el microsílice se desagregue y se disperse uniformemente en la pasta de UHPC, estas finas partículas esféricas pueden introducirse entre los gránulos de cemento, reduciendo parcialmente la resistencia a la fricción entre ellos durante los procesos de cizallamiento y fluidez, y ejerciendo así un efecto lubricante similar al de unos «rodamientos de bolas».

Este efecto contribuye a:

• reducir la fricción interna entre las partículas;
• mejorar la fluidez de la pasta con baja relación agua-cemento;
• Reducir la floculación local y la formación de puentes entre partículas;
• aumentar la capacidad de la pasta para recubrir la arena de cuarzo y las fibras de acero.

Sin embargo, el efecto de bola rodante no se produce automáticamente con todas las microsílice.

Wang y otros, al estudiar el efecto de diferentes microsílices sobre la fluidez del UHPC, descubrieron que una menor porosidad de las partículas, una mayor densidad aparente, una distribución granulométrica amplia y razonable, así como un bajo contenido en carbono, favorecen en mayor medida la mejora de la fluidez del UHPC a través del efecto de rodadura y el efecto de plastificación.

Esto significa que, en el caso del UHPC, el valor reológico de la microsílice no solo viene determinado por el tamaño medio de partícula, sino que también se ve influido conjuntamente por la morfología de las partículas, el grado de aglomeración, el rango de tamaños y el nivel de impurezas.

Si la aglomeración de la microsílice es grave, las partículas submicrométricas originales pueden participar en el mezclado en forma de aglomerados de mayor tamaño. En este caso, no solo resulta difícil que se desarrollen los efectos de microrelleno y de «efecto de bola», sino que también puede aumentar la demanda de agua de la pasta, incrementar la viscosidad plástica y debilitar la eficacia de dispersión de los reductores de agua policarboxílicos.

Por lo tanto, una afirmación más precisa no sería «cuanto más fina es la microsílice, más intenso es el efecto de bola rodante», sino:

en condiciones de dispersión adecuada y granulometría razonable, las partículas ultrafinas esféricas pueden ejercer un efecto de «bola rodante» y lubricación más eficaz.

2. Relleno de los huecos micrométricos y submicrométricos en la distribución granulométrica

La alta resistencia y durabilidad del UHPC se deben, en esencia, a una estructura de apilamiento de partículas multiescala altamente densa.

En un sistema típico de UHPC, los distintos materiales cubren diferentes rangos de tamaño de partícula:

la arena de cuarzo constituye el esqueleto de los áridos finos; el cemento y el polvo de cuarzo rellenan los huecos más grandes del esqueleto; y la microsílice penetra aún más en los poros micrométricos y submicrométricos entre las partículas de cemento.

En este caso, la microsílice no es simplemente «un polvo más», sino que complementa los intervalos de tamaño de partícula que faltan entre el cemento, el polvo de cuarzo y la arena fina, lo que hace que la distribución real de las partículas se acerque más a la curva de apilamiento continuo.

Al diseñar el UHPC utilizando métodos de apilamiento de partículas, como el modelo modificado de Andreasen y Andersen, una de las funciones clave de la microsílice es mejorar el grado de ajuste del sistema de polvos a la curva de granulometría objetivo y reducir los poros residuales tras el apilamiento de las partículas. Estudios relacionados ya han utilizado este modelo para diseñar sistemas de UHPC y UHPFRC con una matriz altamente densa.

Una vez optimizada la gradación, se obtienen varios resultados directos:

En primer lugar, se reducen los poros iniciales que deben rellenarse con agua y lechada.

En segundo lugar, se forma un armazón de fase sólida más continuo con la misma relación agua-cemento.

En tercer lugar, se reducen los poros grandes locales y las zonas débiles.

En cuarto lugar, proporciona un espacio de crecimiento más uniforme para los productos de hidratación posteriores.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que una densidad teórica de apilamiento en seco elevada no implica necesariamente que el rendimiento real del UHPC sea mejor.

El espesor de la película de agua en el UHPC, la adsorción de los reductores de agua, la aglomeración de los polvos, el contenido de aire y la perturbación de las fibras de acero pueden hacer que el estado de apilamiento húmedo real se desvíe de los cálculos teóricos. Por lo tanto, el modelo de apilamiento de partículas debe utilizarse en combinación con ensayos reológicos, pruebas de contenido de aire y verificaciones de las propiedades mecánicas.

3. El microrrelleno, la nucleación y la reacción puzolánica no son un mismo proceso

La contribución de la microsílice a la microestructura del UHPC puede dividirse en tres efectos interrelacionados, pero que tienen lugar en momentos diferentes.

Efecto de relleno físico

Durante las fases de mezclado y moldeado, la microsílice rellena en primer lugar los poros microscópicos entre el cemento y el polvo de cuarzo, reduciendo así los defectos iniciales y el espacio disponible para la formación de poros capilares.

Este efecto ya está presente antes de que se produzca la reacción de hidratación a gran escala.

Efecto de nucleación

Las partículas de microsílice uniformemente dispersas proporcionan más puntos de nucleación para los productos de hidratación del cemento, lo que favorece la precipitación de productos como el C-S-H en la superficie de las partículas.

Los estudios indican que el efecto de nucleación de la microsílice, junto con su adsorción preferente de los reductores de agua policarboxílicos, puede acortar el periodo de inducción de la pasta de UHPC y favorecer la hidratación temprana del cemento y la liberación de calor.

Reacción puzolánica

En las fases posteriores de la hidratación, el SiO₂ amorfo activo presente en el microsílice reacciona con el Ca(OH)₂ generado por la hidratación del cemento, produciendo gel C-S-H adicional.

Este proceso permite reducir los cristales de hidróxido de calcio, relativamente frágiles, refinar aún más los poros y mejorar la matriz y las zonas de transición entre interfaces.

Un estudio de 2024, en el que se utilizó dióxido de titanio inerte como material de control, separó los efectos de relleno físico de la microsílice de sus reacciones químicas. Los resultados indican que la microsílice no actúa en el UHPC únicamente a través de la reacción de la ceniza volcánica. sus efectos de relleno, nucleación, adsorción de reductores de agua y reacciones posteriores aportan contribuciones diferentes en distintas edades del hormigón.

Esto también explica por qué, en el UHPC con una relación agua-cemento ultrabaja, «aumentar la dosis de microsílice» no siempre se traduce en un aumento continuo de la resistencia.

Cuando el contenido de agua efectiva en el sistema es insuficiente, la hidratación del cemento se ve limitada o se produce una aglomeración notable de la microsílice, un exceso de esta puede actuar más bien como un relleno de alta superficie específica, sin poder completar plenamente la reacción de tipo ceniza volcánica esperada.

4. La microsílice también influye en la dispersión y la adhesión interfacial de las fibras de acero

La resistencia a la flexión, a la tracción y la capacidad de carga tras la rotura del UHPC no solo dependen de la cantidad de fibras de acero incorporadas, sino también de si estas se distribuyen de manera uniforme y de si se forma una resistencia de adherencia adecuada entre las fibras y la matriz.

La microsílice, al reducir el tamaño de los poros alrededor de las fibras, aumentar la densidad de la matriz y mejorar la estructura de la interfaz, puede reforzar la adhesión, la fricción y el enganche mecánico entre las fibras de acero y la pasta.

Sin embargo, al mismo tiempo, el microsílice también modifica la tensión de fluencia y la viscosidad plástica de la pasta.

Si la viscosidad de la pasta es demasiado baja, las fibras de acero pueden sedimentarse o perder su orientación controlada; si es demasiado alta, puede provocar la aglomeración de las fibras, dificultar la expulsión de burbujas y reducir la fluidez.

En un estudio realizado en 2019 por Wu, Khayat y Shi, la proporción de microsílice se fijó entre el 0 % y el 25 % de la masa del material de cementación. Los resultados de los ensayos mostraron que, en las condiciones de formulación y materiales de dicho estudio, el UHPC con una proporción de microsílice de entre el 10 % y el 15 % obtuvo unas propiedades de adhesión fibra-matriz, resistencia a la flexión y resistencia a la tracción más elevadas.

El estudio considera que este rango de dosificación permite que la pasta mantenga una viscosidad relativamente baja y que la distribución de las fibras de acero sea más uniforme.

Otro estudio, por su parte, descubrió que, en su sistema específico de UHPC, la incorporación de un 20 % de microsílice permitía mejorar las propiedades mecánicas y reducir el coeficiente de difusión de los iones cloruro, al tiempo que potenciaba la sinergia entre las fibras de acero y la matriz.

Estos dos resultados no son contradictorios, sino que ponen de manifiesto una cuestión importante:

en el UHPC no existe una «proporción óptima única de microsílice» independiente de las materias primas y la formulación concretas.

La dosis óptima se ve influida por factores como la composición del cemento, la finura del polvo de cuarzo, la granulometría de la arena, la relación agua-cemento, el tipo de reductor de agua, las especificaciones de las fibras de acero, la energía de agitación y el régimen de curado.

5. En el caso del UHPC, no basta con fijarse únicamente en el contenido de SiO₂ del microsílice

Normas como la ASTM C1240 pueden servir como umbral de calidad básico para la incorporación de microsílice en materiales a base de cemento, pero, en el caso del UHPC, el mero cumplimiento de las normas generales suele ser insuficiente.

A la hora de seleccionar el producto, también se debe prestar especial atención a:

Distribución granulométrica y porosidad: si es capaz de complementar los intervalos que faltan en la distribución granulométrica del cemento y el polvo de cuarzo existentes.

Morfología de las partículas primarias y estado de aglomeración: si pueden desaglomerarse eficazmente en los equipos de mezcla existentes.

Estado de compactación: si el grado de compactación se adapta al método de dosificación, la energía de mezcla y el ritmo de producción.

Pérdida por calcinación y contenido de carbono: un exceso de carbono residual puede aumentar la adsorción de aditivos y afectar a la fluidez y al sistema de aire incorporado.

Compatibilidad con los reductores de agua policarboxílicos: un mismo tipo de microsílice puede presentar una fluidez y una retención del colapso notablemente diferentes en distintos sistemas de PCE.

Homogeneidad entre lotes: el UHPC, con una baja relación agua-cemento y un alto contenido en polvo, es muy sensible a las fluctuaciones de las materias primas; incluso pequeñas variaciones pueden amplificarse y provocar fluctuaciones en la reología y la resistencia.

Efectos sobre la contracción y la exotericidad: El efecto de nucleación de la microsílice puede acelerar la hidratación temprana, al tiempo que aumenta el riesgo de exotericidad temprana y contracción espontánea. Estudios relacionados señalan que mejorar la dispersión de la microsílice y regular su actividad temprana puede modificar significativamente el proceso de hidratación y las propiedades iniciales del UHPC.

6. Métodos más fiables para la evaluación de la microsílice en el UHPC

Para los fabricantes de UHPC, la evaluación de la microsílice no debe limitarse únicamente a los informes de análisis químicos, sino que debe pasar a la validación en sistemas de formulación reales.

Se recomienda realizar, como mínimo, ensayos en los cuatro niveles siguientes:

Verificación de la distribución granulométrica

Introducir la distribución granulométrica real del cemento, la microsílice, el polvo de cuarzo y la arena de cuarzo en un modelo de apilamiento de partículas, para analizar el grado de ajuste de la distribución granulométrica y la porosidad teórica antes y después de la incorporación de la microsílice.

Verificación de las propiedades reológicas

Además del índice de expansión, también se debe prestar atención a la tensión de fluencia de la pasta, la viscosidad plástica, la capacidad de retención de la fluidez y la capacidad de recuperación de la estructura tras el batido.

Dos formulaciones con el mismo grado de expansión pueden presentar viscosidades y estados de dispersión de las fibras completamente diferentes.

Verificación de la distribución de las fibras de acero

Mediante cortes transversales, análisis de imágenes o muestreos en diferentes partes del elemento, se evalúa si las fibras de acero presentan aglomeraciones, sedimentación u orientación evidente.

Verificación de las propiedades integrales

Se deben ensayar simultáneamente la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión o a la tracción, el comportamiento de arranque de las fibras, la autocontracción, el contenido de aire y los indicadores de durabilidad, en lugar de basar la evaluación únicamente en la resistencia a la compresión a los 28 días.

Conclusión

El valor de la microsílice en el UHPC no consiste simplemente en «aumentar el SiO₂ activo», ni en «potenciar el efecto de las bolas nanométricas» de forma genérica.

Lo que realmente aporta es su participación en un proceso de diseño de materiales a múltiples escalas:

regula la reología mediante la acción de rodadura y lubricación de las partículas esféricas submicrométricas; optimiza el apilamiento de partículas mediante la compensación del tamaño de partícula; reduce los defectos iniciales mediante el microrrelleno; reconstruye los productos de hidratación mediante la nucleación y la reacción de la ceniza volcánica; y mejora la interfaz entre las fibras de acero y la matriz mediante la densificación.

Por lo tanto, el microsílice de alta calidad para UHPC no debe limitarse a buscar una mayor pureza o una mayor superficie específica, sino que debe presentar:

una distribución granulométrica razonable, un estado de aglomeración controlable, una buena compatibilidad con los reductores de agua, un rendimiento estable entre lotes y una capacidad de dispersión que se adapte al proceso de producción del UHPC deseado.

Lo que necesita el UHPC no es el microsílice con los valores más altos en los parámetros, sino aquel que permita alcanzar un equilibrio entre la granulometría, la reología, la hidratación y la distribución de las fibras en una fórmula concreta.