Investigació i aportacions

Síntesis dels treballs d’investigació i descobriments del Dr. Gomà. Conceptes i idees fonamentals.

Nota: per navegar per aquest document fer clic on correspongui en aquest índex i tornar aquí amb la icona ->

Determinació de la sílice.

La necessitat  de tenir valors més exactes per la determinació de la sílice en els clínkers i ciments, i la constatació que no hi havia cap procediment per determinar la sílice que donés desviacions igual o  més baixes que les obtingudes en altres elements majoritaris, va fer que inicies un línia d’investigació estudiant sistemàticament cada un dels passos analítics del procediment general clàssic de determinació gravimètrica de la sílice. 

Com a resultat d’aquestes investigacions va aconseguir descobrir quines eren les causes d’error i modificar el mètode clàssic. 
 
Això li va dur a crear un nou mètode d’anàlisi, el Mètode Gomà. 

Amb aquest nou mètode s’obtenen unes desviacions estadístiques reduïdes, entre 3 i 4 vegades menors que les obtingudes per qualsevol altre mètode existent (de 0,16% a 0,04%), i s’equipara a les desviacions d’altres majoritaris com l’òxid de cal, magnèsia, d’alúmina i/o ferro. 

La quantitat de sílice que passa al filtrat, en aquest nou mètode, és de tant sols 0,001 g de sílice per 1 g de mostra, que és el límit normal de l’error en les gravimetries [1,2,26].

Això permet tenir més precisió per situar els punts de composició dels clínkers de Pòrtland en els diagrames de fases, i obtenir millor exactitud  en la determinació del seu mòdol de silicat.

Aquests treballs van portar a la realització de la seva Tesis Doctoral. 


Mètode d’anàlisi complerta de silicats.


Paral•lelament   va fer una investigació sobre l’aplicació de la complexometria, per a la determinació quantitativa dels elements majoritaris, diferents a la sílice, per poder obtenir una marxa sistemàtica complerta. 
Els elements analitzats van ser  els següents: SiO2 (mètode Gomà), TiO2 (colorimetria amb peròxid d’hidrogen), Al2O3, Fe2O3, CaO i MgO (complexometria amb EDTA 0,05 M amb viratges visuals per evitar causes d’errors instrumentals), SO3 (gravimetria), Na2O i K2O (fotometria de flama), Pèrdua al foc de 20º a 550 º C i de 550º a 950ºC, i el residu insoluble en àcid clorhídric.

Les baixes desviacions estadístiques de cada un dels elements determinats, incloent la sílice analitzada pel mètode Gomà, fa que la suma de tots els resultats d’una mostra en el seu anàlisi complert, doni un valor molt pròxim a 100 (entre 99,5 i 100,1). Aquest valor, quan s’utilitza aquesta marxa analítica, arriba a tenir un sentit semi-quantitatiu per indicar, si hi ha o no, elements no determinats, com P2O5, B2O3, etc.., llavors dona valors inferiors als senyalats. 

S’ha de constatar, que des de l’any 1.956, per primera vegada a Espanya, Gomà aplicava la complexometria als anàlisi de silicats.

Una marxa sistemàtica equivalent, consensuada per químics de diferents països ha constituït l’actual CEN 196-2. 


Mètodes d’anàlisi per a la Diagnosi del formigó endurit.


Des de el seu lloc de treball a la Universitat ,Gomà va obrir una nova línia d’investigació orientada a l’aplicació de mètodes químics d’anàlisi per realitzar les diagnosis d’estructures de formigó
armat, i va preparar una assignatura nova i específica, titulada “Patologies d’origen químic en la construcció i la seva confirmació experimental”.

Aquesta assignatura, de la qual no hi ha antecedents bibliogràfics, tracta d’evitar la falta de coneixements de la química dels ciments en els camps de l’Enginyeria Civil i de l’Arquitectura. 

Aquesta assignatura conté nous mètodes per a la diagnosi. Els nous procediments són els següents:

Determinació de la quantitat de ciment en formigó endurit.

La determinació de la quantitat de ciment en un formigó estructural, es realitza determinant la quantitat de sílice soluble per atac de la mostra amb àcid clorhídric, seguida de filtració, insolubilització de la sílice i determinació de la sílice per gravimetria. 

Els mètodes que utilitzen oficialment aquesta determinació han estat els de la British Standard BS 1881 Part 124, 1988 i ASTM C-1084/2003, però tenen una desviació estàndard massa alta, determinada per les mateixes institucions. 

A partir de la quantitat de ciment podem determinar la relació aigua/ciment (a/c). Aquest paràmetre és el més important en la tecnologia del formigó i /o morter, perquè mesura indirectament la distància que hi ha entre partícules aglomerants i la seva concentració. Quan més pròximes estan, més coherència i més resistència té l’aglomerant.

La resta de paràmetres depenen de la relació a/c. 

La situació actual és que aquest paràmetre, en la tecnologia del formigó, no es pot determinar pels mètodes normatius  amb suficient precisió i exactitud, perquè el mètode gravimètric per a la determinació de sílice per determinar la quantitat de ciment en el que es basen, té encara importants causes d’error, com ja hem vist anteriorment. 

Per tant, no són operatius. 

Aquesta situació, de no poder determinar amb suficient precisió la relació a/c, no ha estat estudiada per cap autor fins als treballs de Gomà, publicats en diferents Conferències Internacionals des de l’any 1.986, i per A. Neville, Enginyer  Civil del Uk., l’any 2.000 [32, 33].

Gomà, en la seva línia d’investigació sobre la determinació de la sílice, aplicà el seu nou mètode gravimètric, havent corregit els importants errors negatius, la qual cosa permet trobar amb precisió la quantitat de ciment en els formigons i morters.

Aquest mètode és aplicable als formigons tradicionals sense addicions actives. Fou utilitzat per Gomà, des dels anys 70 amb gran èxit per a la diagnosi del formigó endurit.


Nou mètode per determinar sulfurs en àrid(s) i formigó: cas històric de “Les Pirites del Maresme”.


L’any 1.969 l’arquitecte Sr. D Joan Majó i un arquitecte tècnic, havien realitzat l’estructura de l’edifici D.O.D, destinat a assistència mèdica de la Seguretat Social, a Mataró (Barcelona) [10,11]. Al cab de 9 mesos, tots els elements estructurals posats en obra, presentaven fissures profundes en tota la massa de formigó (cas històric conegut com el cas de les Pirites del Maresme).

Gomà fou consultat per determinar les causes de les fissures. Els anàlisis de Gomà van posar de manifest la presència de pirites, d’estructura cúbica, i pirrotines d’estructura plana en els àrids del formigó estructural, dictaminant ser una greu patologia de sulfats d’origen intrínsec, amb la resolució d’enderrocar l’edifici imminentment. 

En la norma vigent d’aquell moment, per determinar el contingut de sulfurs en els àrids, Gomà va descobrir que el procediment donava lloc a la pèrdua de sofre per volatilització de SO2, degut a un tractament amb àcid nítric, que no era apropiat. Demostrà que en el mètode d’anàlisi era imprescindible l’atac per fusió alcalina, seguida d’oxidació en mitja alcalí, i passar a mitjà àcid posteriorment, quan tot el sofre estigui en valència VI. La pèrdua per volatilització es va estimar de l’ordre del 40%.

A més va trobar que els sulfurs d’estructura plana eren atacables per àcid clorhídric en ebullició, desprenent H2S, el qual absorbit amb dissolució amoniacal de sulfat de cadmi es pot  valorar per complexometria i determinar el contingut de sulfur.

Aquests sulfurs són els més agressius pel formigó, mentre que els d’estructura cúbica en ambients secs, es poden mantenir estables molts anys. Per tant el procediment tenia aplicació en els anàlisis per a la diagnosi.

Un nou mètode per determinar sulfurs fou necessari, i el Dr. Calleja de l’ Institut Torroja (Madrid) instà al Professor Gomà a redactar un procediment nou per constituir la Norma 83.120 de la comissió CT 83, de la qual Gomà era vocal.


Determinació del grau de clinkerabilitat


En la dècada dels anys 70, Gomà va obrir una línia d’investigació paral•lela en el camp de la manufactura dels ciments Pòrtland, que va donar com a resultat un mètode de determinació del grau de clinkerabilitat  dels crus de clínker, a partir del treballs inicials de Heilman [9], que determina el descens de la cal lliure en funció de la temperatura de calcinació del cru.

El mètode de Heilman es modificà en els següents paràmetres:
  • El mètode modificat per a l’anàlisi de la sílice, amb més exactitud que qualsevol mètode existent, i el mètode citat per l’anàlisi complert per complexometria. 
  • Determinació de la influència de cada un dels paràmetres de la composició del cru: estàndard de cal, mòdul de silicats, mòdul de fundents, contingut d’òxids minoritaris, amb una funció polinòmica.
  • Us de temperatures reals, com les que existeixen en el clínker, dins de la zona de la flama del forn rotatori, mitjançant un forn elèctric amb control automàtic, de disseny específic del propi autor, per obtindre més precisió en la determinació de les temperatures. 
Com a resultat d’aquest treball es va poder determinar la temperatura real aconseguida en el forn rotatori, i es van poder ajustar els paràmetres del cru a la temperatura màxima del forn rotatori en règim estable. 

L’any 1.980 publicà aquest treball en el Congres de Química de Ciments de Paris [9], sota el títol “Funció generalitzada de la clinkerabilitat”.

El títol de la publicació fa referència a que tots els crus de clínker de Pòrtland tenen la tendència a convergir en un punt d’òptima qualitat, quan la composició de fases dona un valor per el C3S de ≥ 60%  Aquest punt és el que Gomà exposa en el seu text citat com a punt de composició de referència per una òptima qualitat d’un clínker.

Mètode de les Fraccions Solubles

Les addicions actives tenen sílice soluble que interfereix amb la sílice soluble procedent del ciment. En conseqüència, per a la majoria de formigons, no és possible determinar la relació aigua/ciment amb la necessària exactitud. 
Per tant, la situació actual és que els anàlisis químics no es poden aplicar a formigons amb addicions actives.

Gomà en la seva línia d’investigació dels anàlisis de silicats, va profunditzar en les composicions dels elements majoritaris de les Fraccions Solubles, quan les addicions actives s’ataquen amb dissolució d’àcid clorhídric en fred i es separa el residu insoluble.
 
Va trobar que les proporcions entre els quatre òxids components majoritaris (CaO, SiO2, Al2O3,Fe2O3) guarden entre si una relació constant per a cada addició activa en particular, i que la dispersió és molt petita entre addicions del mateix tipus i origen.

Això dona lloc a un nou mètode anomenat de les “Fraccions Solubles de Gomà”, que permet tenir les següents informacions:

  • Analitzant les fraccions solubles de les addicions actives que hi ha dins una mateixa zona geogràfica, és possible establir en un diagrama ternari (associant Al2O3+Fe2O3 com a R2O3) els diferents punts de composició.
  • Els punts de composició de la Fracció Soluble de cada addició s’agrupen en zones separades unes de les altres, de manera que es poden diferenciar les zones que corresponen a cada addició.
  • Així pot ser identificat el tipus d’addició que hi ha segons on caigui el seu punt de composició en el diagrama (veure el diagrama de la Fig. 1)
  • El punt de composició de la Fracció Soluble d’un formigó tradicional sense addicions actives es situa dins la línia de composicions del diagrama que uneix la calcaria micrítica i el punt del ciment Pòrtland (Línia E-P)
  • Quan el punt de composició cau a la dreta d’aquesta recta, és perquè hi ha normalment una o més addicions actives.
  • Per tant, mitjançant aquest procediment, es pot diferenciar si hi ha o no addicions actives en un formigó determinat.
  • El mètode permet determinar la sílice soluble procedent de l’addició activa, analitzada prèviament si es disposa d’una mostra d’aquesta addició.
Restant la quantitat de sílice que prové de l’addició activa, segons la seva quantitat de mescla, de la sílice soluble total de formigó o morter, s’obté la quantitat de sílice soluble del ciment. Aquest valor es pot confirmar, determinant la sílice soluble del ciment si es disposa de la mostra del ciment utilitzat.

Si no es disposa de la mostra aïllada de l’addició activa, es pot extreure la mostra de l’addició activa del residu insoluble per atac de la mostra de formigó en àcid clorhídric [4].

 


Determinació del límit de contingut de SO3 en el formigó per evitar la patologia per atac per SO3


L’any 1.986 va presentar un treball en la Conferència Internacional de l’ACI, a Madrid sota el títol “Sobre la durabilitat del formigó”. 

En aquest treball es demostrava que el valor màxim, sense que el formigó estigués afectat per patologia deguda a atacs per sulfat, havia de ser 0,4% en lloc del1,20%  que la EHE d’Espanya havia considerat fins al moment.
Els responsables de l’establiment de Normes de l’Institut Torroja varen acceptar, per unanimitat, aquella proposta, la qual, en la següent modificació de l’EHE, es va introduir  el valor del 0,4% com a valor màxim de sulfat (SO3) en el formigó [12].

Aquest valor permet determinar la probabilitat d’existència de patologia per atac de sulfat en formigons posats en obra.

En aquest treball Gomà proposa determinar el contingut de SO3 en formigons i la quantitat de ciment, i establir la relació SO3/ciment  amb un valor límit no superior a 0,045. Quan es supera aquest valor hi ha la possibilitat de l’existència de patologia per sulfat.

Aquesta patologia es pot haver desenvolupat o no, segons el microclima existent, humit o sec.   


Mètode d’anàlisi químics per determinar la proximitat de risc de col•lapse o no en elements estructurals de ciment aluminós.


L’any 1.995 Gomà presentà uns treballs de mètodes 
químics de l’anàlisi en la Conferència Internacional que va tenir lloc a Barcelona, dedicada a recopilar coneixements sobre el “cas dels sostres” d’aluminós [19,20,21].

En aquests treballs es va donar un procediment integral per avaluar l’estat de risc del formigó aluminós mitjançant mètodes d’anàlisi químic. 

Es basen en la determinació del contingut de ciment aluminós a partir del contingut d’alúmina soluble, de la quantitat d’aigua en el formigó per obtenir la relació aigua/ciment i el grau de conversió, per Anàlisi Tèrmic Diferencial.

Amb aquestes dades es poden deduir les resistències finals actuals dels elements de bigues. Això és especialment útil per aquelles bigues de les quals no es poden obtenir provetes per a l’anàlisi de la seva resistència a compressió.

Bibliografia


a) F.Gomà

   
1.- Gomà,F. "Sobre la determinació gravimètrica de la sílice". 
Tesi Doctoral. 1975. Universitat de Barcelona. 1975. Departament de química analítica.

2.- Gomà,F. "Nuevo método gravimétrico para la determinación de sílice en materiales silíceos".
Cemento Hormigón,n 505,marzo Barcelona1976 ,40 pp.  

3.- Gomà,F.,"Generalized method for the determination of the composition of portland cements 
mixtures with active additions". 
8th International Congress on the Chemistry of Cement, Rio de Janeiro,1986, IV 113/117.

4.- Gomà, F.G. and Vicente, M.D. “Chemical analysis of hardened concretes and morters  with active additions. A new procedure for its identification“.  
Proceedings  of the International Conference Creating with Concrete  DUNDEE  Scotland, U.K.  Sep. 1999 Utilizing ready- mixed concrete and mortar. Ed. R.K. DHIR  and  M.C.LIMBACHIYA

5.- Gomà, F.,"New method for analysis of portland cements with secondary components". 
Madrid, 1986.

6.- Gomà, F.,"The chemical analysis of hardened concrete containing fly ashes, slags, natural pozzolans, etc.". 
Third CANMET/ACI International Conference on Fly Ash,Silica Fume,Slag,and Natural Pozzolans in Concrete. Trondheim NORWAY, 1989. Supplementary Papers pag 828   845.

7.- Gomà, F., Presentation a new method for gravimetric silica determination that maked it possible to determine the Portland cement content in hardened hydraulic-cement concrete with three times more accurate than ASTM C 1084-97.  
Oral presentation at ASTM commettee 09/69 section cement content in Dallas 2,001   12:00 session, 12-03-01.    

8.- Gomà, F. “A new method for gravimetric silica determination that maked it possible to determine the Portland cement content in hardened hydraulic-cement concrete with three times more accurate than ASTM C 1084-97, inclosed when active addition are present".
       
9.-  Gomà,F.,"Generalized clinkerability function"
7th International Congress on chemistry of cement .Paris 1980. Vol II, pp67/73.
         
10.- Gomà,F ."Método para la determinación analítica de sulfuros y de azufre total contenidos en los áridos y hormigones
Madrid I.E.T.C.C. Nuevos Avances,Materiales de Construcción.nº 156 Pag.1 – 5, 1974.
(BASE DEL DOCUMENTO PARA EL ESTANDARD UNE 83.120  [11] IRANOR)

11.- Norma Española U.N.E 83.120 ARIDOS PARA HORMIGONES
"Determinación cuantitativa de los compuestos de azufre"
AENOR 1988.
                                
12.- Gomà, F.,"Considerations relating to the limitof sulfate in aggregates and admixtures for concrete".
Second International Conference on the  Use of Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans    
Concrete,Madrid,1986,Supplementary Papers n 17 1/12.

13.- Gomà, F., “Concrete Incorporating High Volume of ASTM Class C Fly Ash with High Sulfate Content” Proceedings of Fourth CANMET/ACI - International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag, Pozzolands, in 
Concrete. Volume 1, SP132-23, Pag 403 – 417 Istambul  1,992

14.- Gomà, F., “Proposta de mètode per a determinar el contingut de ciment Portland i addicions actives en formigó fresc”.  
Generalitat de Catalunya - Departament de Política Territorial i Obres Públiques Secretaria General Publicació monogràfica Pags 1- 110 Gener 1,984 Barcelona.


15.- Gomà, F., “Recerca sobre les causes de degradació d’aglomerants aplicats 
a les façanes”.
Laboratori de Recerca Química del Departament de Construccions Arquitectòniques I Universitat Politècnica de Catalunya. - Conveni Específic CTT nº 3.331, Monografia Pags 1 - 58 1,999 
Barcelona 

16.-  Gomà, F.,and Vicente, M. “Determination and Classification Causes for the Loosening of Agglomerate Materials from Building Façades
Fifh CANMET/ACI Iternational Conference on Durability of Concrete Supplementary Papers Pags. 553 – 565, Barcelona 2,000.


17.- Gomà, F., and Vicente, M.,“Chemical Analysis of Hardehed Concreteand Mortarswith Active Additions: A new Procedure for its Identification Proceedings :Utilizing Ready Mixed Concrete and Mortar"
Edited by Ravindra K. Dhir, and Mukesh C. Limbachiya Pags 313 – 332  Dundee, Scotland 2,002.

18.-  Gomà, F., and Vicente, M. “ Composition of a Cement Having High Resistance to Strong Sulfate Attack: A New Look on New Cements in the Future.” 
Sixth CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete. Supplementary Papers Pags.541 – 555, 
Thessaloniki  2,003 
                                    
19.-  Gomà, F.,"Mètode Químic Integral per a l’avaluació de les Resistències Residuals del Formigó de Ciment Aluminós” 
Proceedings del 1º Congrés El cas dels Sostres. Experiències i Perspectives, Volum I Comunicacions 
Científiques   nº 15  Barcelona 1995.

20.-  Abenza,F.,  Gomà, F., Mañà, F., “Comportament del Ciment Aluminós Español Resistència residual en morters Rilem en funció de la seva composició i d’altres condicionants micro-ambientals” 
Proceedings del 1º  Congrés: El cas dels Sostres. Experiències i Perspectives, Volum I Comunicacions Científiques  nº 1 Barcelona 1995.

21.- Gomà, F., “Mètode Químic Integral per a l’Avaluació de les Resistències Residuals del Formigó de Ciment Aluminós”.
Proceedings del 1º Congrés: El cas dels Sostres. Experiències i Perspectives, Volum de Ponències Plenàries sobre el Ciment Aluminós. Pags 43- -59 Barcelona 1,995.

22.-  Gomà, F. “Durability Conditions of the Construcction nine domes in the Church of Sagrada Familia in Barcelona” Laboratori del Departament de  Construccions Arquitectòniques de la Universitat Politècnica de 
Catalunya. Barcelona 2,000.

23.-  Gomà, F., “Restauració del Monument a Colom de Barcelona”.   
Laboratori del Departament de Construccions Arquitectòniques de la Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona  1,986.

24.-  Gomà,F .,"El cemento portland y otros aglomerantes"
ISBN 84-7146-192-7.  Editores Técnicos Asociados  s.a Barcelona 1979. 

25.-  Gomà, F. “A New Method for Determining Soluble Silica in Hardened Concrete”  
Proceedings of International Conference University of Dundee Scotland U.K.  5-7-July 2005. Cement Combinations for Durable Concrete. Ed., Ravindra K. Dhir.,Thomas A. Harrison and Moray D. Newlands. Vol  I, 2005, pp 45 – 54,  

26.- Gomà, F. "Discovery of the causes of error in the determination of soluble silica in hardened concrete, with their corrections to obtain an accurate water cement ratio".
Seventh CADMET /ACI International Conference  on durability of concrete. Supplementary Papers pp 159-169 Montréal, Québec, Canada 2,006

27.- F.Gomà., and M.Vicente., “Diagnostic of the Origen Chemistry Phatologies by Analitical Chemistry of Hardened Concrete
International Conference Sustainable  Construction Materials and Technologies. Coventry University and the University of Wisconsin  Milwaukee. University De la Marche  ANCONA   Italy 2010, In preparation.

28.- F. Bendala., F.Gomà and  M. Vicente “Manual of the Diagnostic of 
Hardened Concrete  by Analytical Chemistry".
Asociación de Arquitectos de Madrid CSIC. en preparació.

b) Altres Autors

29.- NEVILLE, A. "How useful is the water-cement ratio?" Concrete
International September, pp. 69-70, 1999.

30.- NEVILLE, A. "How closely can we determine the water-cement ratio of
hardened concrete?" Materials and Structures, Vol 36, June 2003, 
pp.311-318.

31.- Pablo Helene, Brazil.  

32.- La academia de Ciencias Técniques ATV Denmark;
Cowinconsult, consulting Engineers and Planners, Denmark; 
"The modern advanced concrete S.P.A., of Treviso de Italia"
Boletín de información CEB nº 166,