Articulo Uso de Las Adiciones Minerales en Colombia Para La Obtención de Mayores Resistencias en El...

1er Congreso de Patología, Recuperación de Estructuras y Control de Calidad de la Construcción. Alconpat Ecuador 2014

Uso de las adiciones minerales en Colombia para la obtención de mayores resistencias en el concreto

J. Pachón1, L. López2, M. Gutiérrez3

1 Laboratorio y resistencia de materiales, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad La Gran Colombia, e-mail: [email protected] Profesor Universidad de la Salle, Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de La Salle, e-mail: [email protected] 3 Profesor Universidad la Gran Colombia, Laboratorio y resistencia de materiales, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad La Gran Colombia, e-mail: [email protected].


RESUMENLa industria de la construcción exige materiales resistentes, durables y sostenibles, aspectos indispensables para el desarrollo de una ingeniería responsable y de calidad. En este contexto se hace necesaria la búsqueda de nuevos materiales cementantes que mejoren la calidad del concreto y sean amigables con el medio ambiente. En este caso específico la evaluación de adiciones minerales como el metacaolín, la microsílice, la ceniza volante, la escoria de alto horno, entre otras, se convierte en un importante eje de estudio y evaluación para la ingeniería. El presente trabajo de investigación estudia propiedades mecánicas de concretos elaborados con reemplazos parciales de cemento portland, por ceniza volante y microsílice, comparadas con una muestra control. En cuanto a los reemplazos únicamente de Ceniza Volante, las muestras obtuvieron resultados muy similares a los arrojados por la muestra control, mientras, los reemplazos que incluían ceniza Volante y Microsílice se obtuvieron resistencias superiores a la muestra control.

Palabras clave: ceniza volante, microsílice, resistencia a la compresión, módulo de elasticidad, relación de Poisson,

______________________________________________________________________

Autor de contacto: J. Pachón


Use of mineral admixtures in Colombia to Obtain higher resistances in concrete

J. Pachón1, L. López2, M. Gutiérrez3

1Strength of Materials and laboratory, Faculty of Civil Engineering, La Gran Colombia University, email: [email protected] La Salle University Professor, Department of Civil Engineering, University of La Salle, email: [email protected] Professor the Gran Colombia, Strength of Materials and Laboratory, Faculty of Civil Engineering, Universidad La Gran Colombia, email: [email protected]


ABSTRACTLa industria de la construcción exige materiales resistentes, durables y sostenibles, aspectos indispensables para el desarrollo de una ingeniería responsable y de calidad. En este contexto se hace necesaria la búsqueda de nuevos materiales cementantes que mejoren la calidad del concreto y sean amigables con el medio ambiente. En este caso específico la evaluación de adiciones minerales como el metacaolín, la microsílice, la ceniza volante, la escoria de alto horno, entre otras, se convierte en un importante eje de estudio y evaluación para la ingeniería. El presente trabajo de investigación estudia propiedades mecánicas de concretos elaborados con reemplazos parciales de cemento portland, por ceniza volante y microsílice, comparadas con una muestra control. En cuanto a los reemplazos únicamente de Ceniza Volante, las muestras obtuvieron resultados muy similares a los arrojados por la muestra control, mientras, los reemplazos que incluían ceniza Volante y Microsílice se obtuvieron resistencias superiores a la muestra control.

Key words: fly ash, microsilice, compressive strength, elastic modulus, Poisson relation.

______________________________________________________________________

Contract Author; J. Pachon


1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo económico colombiano exige materiales resistentes, durables y sostenibles, aspectos indispensables para el desarrollo de una ingeniería responsable y de calidad. En este contexto la búsqueda de nuevos materiales cementantes que mejoren la calidad del concreto y que sean amigables con el medio ambiente se convierte en el objetivo primordial en investigaciones futuras para este campo de estudio. En ese orden de ideas el uso de las adiciones minerales (metacaolín, la microsílice, la ceniza volante, la escoria de alto horno, entre otras) en Colombia ha venido ganando interés en los profesionales de la ingeniería por el gran aporte que estas realizan al concreto desde el punto de vista del mejoramiento de sus propiedades del mecánicas y de durabilidad (Lizarazo; López, 2011).

El presente trabajo de investigación estudia las propiedades mecánicas de un concreto de alto desempeño (resistencia a la compresión, módulo de elasticidad y relación de Poisson) elaborado con reemplazos parciales en peso de cemento portland por ceniza volante (CV) de la Termoeléctrica Termo-Tasajero, en el departamento de Norte de Santander, y microsílice (SF) de la empresa Toxement, comparadas con una muestra patrón sin reemplazo de cemento Portland, además de dos tipos de curado (aireación e inmersión). Específicamente se efectuaron reemplazos en peso de cemento Portland por Ceniza Volante del 5%, 10%, 15% y 20%, posteriormente reemplazos de los mismos porcentajes pero esta vez divididos igualmente en Ceniza volante y Microsílice.

2. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1 MaterialesEn esta investigación se utilizaron materiales con buenos comportamientos y de fácil consecución en el país; para el agregado grueso se utilizó material de origen ígneo, del rio Guayuriba en el departamento del Meta, por su alta resistencia mecánica la cual aporta aumentos en resistencia y en las propiedades mecánicas del concreto de alto desempeño (Lizarazo; López, 2011), como propiedades de este material se tiene una densidad nominal de 2.66 Kg/dm3, una absorción de 0.90%, resistencia al desgaste del 20.30%, 98% de caras fracturadas y tamaño máximo nominal de 12.70 mm. Mientras que la arena es proveniente del rio Tunjuelo en el departamento de Cundinamarca, con una densidad nominal de 2.62 Kg/dm3, una absorción de 1.40%, tamaño máximo nominal de 4.76 mm y un módulo de finura de 2.99.

El cemento empleado, fue cemento Portland tipo I de la empresa Argos, con una densidad de 3.11 Kg/dm3. La ceniza volante utilizada fue obtenida de la termoeléctrica Termotasajero, en el departamento de Norte de Santander, con una densidad 2.18 Kg/dm3. La Microsílice fue adquirida a través de la empresa Euclid Chemical Toxement, con un peso específico de 2.11 Kg/dm3. Se empleó un aditivo plastificante (Plastol 7000) con el fin de elaborar una mezcla manejable.

2.2 Procedimiento experimentalPara la evaluación de las propiedades mecánicas del concreto de alto desempeño, con reemplazos parciales en peso de cemento Portland Tipo 1, por ceniza volante y microsílice,



se elaboraron 72 probetas elaboradas con una relación Agua/Material Cementante constante de 0.33, y una relación grava/arena de 1:2; 36 muestras curadas por aireación (MCA) y 36 curadas por inmersión (MCI), de acuerdo a lo presentado en la figura 1. Para cada una de las condiciones propuestas se elaboraron 4 muestras, 4 de ellas para ser sometidas a resistencia a la compresión, mientras 3 de las mismas para evaluar el módulo de Young y la relación de Poisson. En la Figura1 se muestra la matriz de diseño.

Figura 1: Matriz de diseño de las muestras elaboradas

De acuerdo a las dosificaciones propuestas, a las propiedades de los materiales y a las condiciones dadas inicialmente, se procedió con la elaboración de los especímenes. En la tabla 1 se muestran las proporciones de los materiales empleados para cada una de las dosificaciones utilizadas.

Tabla 1: Proporciones de los materiales, por metro cúbico de concreto

Dosificación Cemento (Kg/m3)

Ceniza Volante (Kg/m3)

Microsílice (Kg/m3)

Grava (Kg/m3)

Arena (Kg/m3)

Muestra control 500,00 0,00 0,00 960,97 752,94cv = 5% sf = 0% 476,19 23,81 0,00 960,97 752,94cv = 10% sf = 0% 454,55 45,45 0,00 960,97 752,94cv = 15% sf = 0% 434,78 65,22 0,00 960,97 752,94cv = 20% sf = 0% 416,67 83,33 0,00 960,97 752,94cv = 2.5% sf = 2.5% 476,19 11,90 11,90 960,97 752,94cv = 5% sf = 5% 454,55 22,73 22,73 960,97 752,94cv = 7.5% sf = 7.5% 434,78 32,61 32,61 960,97 752,94cv = 10% sf = 10% 416,67 41,67 41,67 960,97 752,94

Luego de 28 días de curado por aireación e inmersión, las muestras fueron sometidas a ensayos de peso específico aparente, resistencia a la compresión, módulo de elasticidad y relación de Poisson con el fin de caracterizar el material. Para la evaluación de las propiedades mecánicas del Concreto de Alto Desempeño con adiciones minerales (ceniza volante y microsílice), se emplearon los lineamientos de la Norma Técnica Colombiana 673-ASTM 39 (NTC 673, 2000), en la obtención de la resistencia a compresión y en la determinación del módulo de Elasticidad y la relación de Poisson la NTC 4025-ASTM C469;.(NTC 4025, 2006).


A/C=0.33

0% CV0% SF

4 MCI

4 MCA

5% CV0% SF

4 MCI

4 MCA

10% CV0% SF

4 MCI

4 MCA

15% CV0% SF

4 MCI

4 MCA

20% CV0% SF

4 MCI

4 MCA

2.5% CV2.5% SF

4 MCI

4 MCA

5% CV5% SF

4 MCI

4 MCA

7.5% CV7.5% SF

4 MCI

4 MCA

10% CV10% SF

4 MCI

4 MCA


3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1 Masa unitaria

Este ensayo se llevó a cabo, tomando las lecturas del volumen y peso de cada una de las muestras, y posteriormente haciendo un análisis estadístico, se llegaron a los valores medios de cada una de las dosificaciones. Los resultados se ilustran en la figura 2, donde se observa que independientemente del tipo de curado el peso específico de las muestras disminuye con respecto al aumento de la cantidad de ceniza volante y microsílice, tanto para las muestras que contienen únicamente ceniza volante, como para las muestras que contienen ceniza volante y microsílice. Además es importante resaltar que las muestras curadas por inmersión, alcanzan una mayor masa unitaria que las muestras curadas al aire. De igual forma, las muestras con adiciones minerales muestran un menor peso que la muestra control, de aquí es importante establecer que el uso de estas adiciones puede redundar en reducciones en el peso propio de las estructuras. Cabe resaltar que los concretos con adicciones, no superan el rango de lo que se considera como un concreto de masa normal el cual está entre 2000 Kg/m3 y 2500 Kg/m3. (Asocreto, 2010).

0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 2,5 % 5 % 7,5 % 10 %sf sf sf sf sf sf sf sf sf

0 % 5 % 10 % 15 % 20 % 2,5 % 5 % 7,5 % 10 %cv cv cv cv cv cv cv cv cv

Dos. Dos. Dos. Dos. Dos. Dos. Dos. Dos. Dos.

1.80

1.90

2.00

2.10

2.20

2.30

2.40

2.50

2.60

CACI

Porcentaje de reemplazo (%)

Mas

a Un

itaria

(gr/

cm3)

Figura 2: Resultados peso específico



3.2 Resistencia a la compresión

Teniendo en cuenta que las resistencia de los concretos de alto desempeño depende del lugar en donde se fabriquen y de sus técnicas constructivas (ACI 363,1992), en Colombia se define como concreto de alto desempeño aquel que está entre 42 MPa y 100 MPa, (López L.G., 2011), para esta investigación se emplearon los lineamientos de la NTC 673 para medir la resistencia a la compresión en probetas de 10 cm de diámetro x 20 cm de altura. Esto con el fin de conocer los valores de esta propiedad en concretos de alta resistencia fabricados con adición de ceniza volante de Termo- Tasajero Colombia, material que hoy en día en el país no es reutilizado y que está generando problemáticas en su disposición final. En la figura 3, se muestra la influencia del tipo de curado sobre esta propiedad, indicando siempre mayores resistencias en los concreto curados por inmersión. De igual manera se muestra que las probetas con reemplazo únicamente de ceniza volante tienen comportamientos similares en su resistencia a la compresión. En cuanto a las muestras fabricadas combinando ceniza volante y microsílice, se evidencia la disminución de la resistencia a la compresión a medida que los porcentajes de reemplazo aumentan, esto debido a la disminución del cemento como material ligante en la matriz cementicia.



0

10

20

30

40

50

60

70

80

CACI


Resis

tenc

ia a

la co

mpr

esió

n (M

pa)

42 MPa

Figura 3: Resultados resistencia a la compresión

3.3 Módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad o módulo de Young, se evaluó de acuerdo a la NTC 4025, tomando lecturas de carga y deformación longitudinal unitaria en las probetas hasta el 40% de la carga máxima resistente. Los módulos de elasticidad, para todas las muestras, sin importar las condiciones de curado o dosificación, aumentan a medida que se incrementa la resistencia a la compresión, arrojando resultandos considerablemente más altos que en los concretos convencionales ( f’c<42 MPa).





0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

CACI

Pocentaje de reemplazo (%)

Mód

ulo

de E

lasti

cidad

(Mpa

)

Figura 4: Resultados módulo de elasticidad

De acuerdo a los datos obtenidos mostrados en la figura 4, y a un análisis estadístico el cual tuvo en cuenta que la rigidez del concreto, está directamente relacionado con los agregados que se empleen, se propuso la ecuación (1), para evaluar el módulo de elasticidad de concretos elaborados con gravas y arenas, de zonas aledañas a la ciudad de Bogotá:

E= 3754√F´ c (1)

Cabe tener en cuenta que la ecuación 1 establece valores diferentes a los propuestos por la normativa colombiana NSR-10, la cual define que el módulo de elasticidad del concreto se puede calcular mediante la E= 4700 √f’c, (AIS, 2010).

De donde:

E corresponde al módulo de elasticidad y f`c a la resistencia a la compresión del concreto de alta resistencia.

3.4 Relación de Poisson

La relación de Poisson se calculó de acuerdo a la NTC 4025, tomando lecturas de la deformación lateral y longitudinal hasta el 40% de la carga última. Las muestras que incluían solo ceniza volante, sin importar el tipo de curado, presentan una disminución del valor de relación de Poisson, con cada incremento de la adición mineral, con respecto a los valores de la muestra. Caso contrario en las muestras que además de ceniza se incluye



microsílice, sin importar el tipo de curado, presentan valores superiores a la de la muestra control, llegando a valores superiores a 0.230.ver figura 5.



0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

CACI


Rela

ción

de p

oiss

on (m

m/m

m)

Figura 5: Resultados relación de Poisson

A razón de la correlación entre los datos obtenidos de índice de Poisson, se hizo una media aritmética de los datos obtenidos, dando como resultado 0.212, valor bastante cercano a especificado por la normativa nacional NSR 10, el cual es de 0.20.

4. CONCLUSIONES

El estudio de subproductos de la industria en Colombia, en este caso de la ceniza volante y de la microsílice permitirá conocer su aplicación en soluciones de reforzamiento en donde se necesite obtener materiales con altas resistencias y excelentes comportamientos mecánicos, además de obtener concretos con menores densidades.

El curado en el concreto de alto desempeño es de vital importancia debido a las altas posibilidades de retracción por las altas cantidades de cementantes.

El uso de ceniza volante y microsílice evidencia reducciones importantes en la masa unitaria del concreto, dando lugar a la creación de un concreto de uso estructural que reduce la masa total de la edificación sin afectar la resistencia y rigidez del material, aparte de realizar una contribución ambiental importante al utilizar como compuesto cementante un material considerado como desecho industrial.



5. AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer a la Universidad la Gran Colombia – Bogotá por el apoyo en la ejecución de los ensayos realizados en esta investigación, a la empresa Toxement S. A por la donación de los aditivos.

6. BIBLIOGRAFÍA

- Asociación de Ingeniería Sísmica (2010), Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistente NSR 10, 2010.

- American Concrete Institute ACI, (1992), State of the art report on high strength concrete.Manual Concrete Practice, 1992.

- Asocreto, (2010), Tecnología del concreto – Materiales, propiedades y diseño de mezclas, tercera edición, Bogotá D.C. , Capitulo 8, pag, 135.

- Icontec, NTC 4025, Método de ensayo para determinar el módulo de elasticidad estático y la relación de Poisson en concreto a compresión. 2006.

- Icontec, NTC 673, Ensayo de resistencia a la compresión de cilindros normales de concreto.2000.

- Lizarazo J., López L. (2012), Effect of silica fume addition on the Chloride related transport properties of high performance concrete, Dyna, 171, pp 105-110.

- López L., Lizarazo J., (2011), Effect of sedimentary and metamorphic aggregate on static modulus of elasticity of high strength concrete, Dyna, 170, pp 235-242.

- López L. (2011), Influencia del porcentaje de adición de la microsílice y del tipo de curado en la penetración del ion cloruro en el concreto de alto desempeño, Maestria en Estructuras, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá D. C.


Articulo Uso de Las Adiciones Minerales en Colombia Para La Obtención de Mayores Resistencias en El...

Documents

Transcript of Articulo Uso de Las Adiciones Minerales en Colombia Para La Obtención de Mayores Resistencias en El...