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UNIVERSIDAD DE JAÉN Escuela Politécnica Superior de Jaén
Trabajo Fin de Grado
ESTUDIO DE ADITIVOS
COHESIONANTES EN LA
FABRICACIÓN Y
CARACTERIZACIÓN DE MORTEROS
CON RESIDUO
Alumno: Sofía Jurado Contreras Tutor: Mª Dolores La Rubia García Dolores Eliche Quesada Dpto: Ingeniería Química, Ambiental y de los
materiales
Febrero, 2019
Universidad de Jaén
Escuela Politécnica Superior de Jaén
Departamento de Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Dña MARÍA DOLORES LA RUBIA GARCÍA y Dña DOLORES ELICHE QUESADA,
tutoras del Trabajo Fin de Grado titulado: Estudio de aditivos cohesionantes en la
fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho, que presenta
SOFÍA JURADO CONTRERAS, autoriza su presentación para defensa y evaluación
en la Escuela Politécnica Superior de Jaén.
Jaén, Febrero de 2019
La alumna: Las tutoras:
SOFÍA JURADO CONTRERAS
MARIA DOLORES LA RUBIA GARCÍA
DOLORES ELICHE QUESADA
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
2 Escuela Politécnica Superior de Jaén
ÍNDICE
ÍNDICE TABLAS ................................................................................................................... 6
ÍNDICE FIGURAS ................................................................................................................. 8
RESUMEN ...........................................................................................................................11
ABSTRACT ..........................................................................................................................13
1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................15
1.1. Justificación ...........................................................................................................15
1.2. Antecedentes .........................................................................................................16
1.3. Morteros .................................................................................................................23
1.3.1. Definición ........................................................................................................23
1.3.2. Historia ............................................................................................................24
1.4. Cemento Portland ..................................................................................................24
1.4.1. Proceso de fabricación ....................................................................................25
1.4.2. Tipos de cemento ............................................................................................26
1.4.3. Componentes principales ................................................................................27
1.4.3.1. Silicato tricálcico o Alita (C3S): .................................................................28
1.4.3.2. Silicato bicálcico o belita (C2S): ................................................................29
1.4.3.3. Aluminato tricálcico (C3A): ........................................................................29
1.4.3.4. Ferrito aluminato tetracálcico. Ferrito (C4AF): ...........................................30
1.4.3.5. Cal libre (CaO) y la periclasa (MgO): ........................................................30
1.4.4. Hidratación del cemento Portland....................................................................30
1.4.4.1. Aluminato tricálcico (C3A) .........................................................................32
1.4.4.2. Ferrito aluminato tetracálcico. Ferrito (C4AF) ............................................32
1.4.4.3. Silicato tricálcico o Alita (C3S) ..................................................................32
1.4.4.4. Silicato bicálcico o belita (C2S) .................................................................33
1.5. Arena .....................................................................................................................33
1.6. Agua ......................................................................................................................35
1.7. Neumáticos fuera de uso (NFU) .............................................................................36
1.7.1. Historia de los neumáticos ..............................................................................36
1.7.2. Componentes de los neumáticos ....................................................................37
1.7.2.1. Caucho ....................................................................................................38
1.7.2.2. Negro de humo o negro de carbón ...........................................................39
1.7.2.3. Óxido de zinc (ZnO) .................................................................................39
1.7.2.4. Fibras textiles y de acero .........................................................................40
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1.7.2.5. Azufre ......................................................................................................40
1.7.3. Partes de un neumático ..................................................................................40
1.7.4. Proceso de fabricación de los neumáticos ......................................................43
1.7.5. Métodos de reciclaje de neumáticos fuera de uso ...........................................45
1.7.5.1. Trituración mecánica ................................................................................45
1.7.5.2. Trituración criogénica ...............................................................................46
1.7.5.3. Incineración ..............................................................................................47
1.7.5.4. Producción de electricidad y vapor ...........................................................47
1.7.5.5. Termólisis, pirólisis y gasificación .............................................................47
1.7.5.6. Recauchado .............................................................................................48
1.7.5.7. Regeneración del caucho .........................................................................48
1.7.6. Desarrollo de mercado y aplicaciones .............................................................49
1.8. Aditivos ..................................................................................................................52
1.8.1. Aditivo plastificante .........................................................................................55
1.8.2. Aditivo plastificante-aireante ............................................................................56
2. OBJETIVOS ..................................................................................................................57
3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Y MATERIALES .....................................................59
3.1. Materias primas ......................................................................................................59
3.1.1. Cemento Portland CEM II ...............................................................................59
3.1.2. Arena ..............................................................................................................59
3.1.3. Caucho procedente de NFU ............................................................................59
3.1.4. Aditivo .............................................................................................................60
3.2. Caracterización de las materias primas ..................................................................60
3.2.1. Caracterización del cemento Portland .............................................................60
3.2.1.1. Humedad, materia orgánica, pH, contenido de carbonatos, superficie
específica y densidad relativa ....................................................................................60
3.2.1.2. Difracción de rayos X (DRX) ....................................................................62
3.2.1.3. Caracterización microestructural ..............................................................63
3.2.1.4. Fluorescencia de rayos X (FRX) ..............................................................64
3.2.1.5. Distribución granulométrica ......................................................................65
3.2.1.6. Análisis elemental (CHNS-O) ...................................................................66
3.2.2. Caracterización de la arena y del caucho proveniente de NFU .......................66
3.3. Elaboración de las probetas de mortero .................................................................67
3.3.1. Composición de las probetas de mortero ........................................................67
3.3.2. Elaboración de las probetas de mortero ..........................................................68
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3.4. Caracterización física de los morteros ....................................................................73
3.4.1. Determinación de la densidad aparente en seco del mortero endurecido .......73
3.4.2. Determinación del coeficiente de absorción de agua por capilaridad del mortero
endurecido. ...................................................................................................................75
3.5. Caracterización mecánica de los morteros .............................................................78
3.5.1. Determinación de la resistencia a flexión del mortero endurecido ...................78
3.5.2. Determinación de la resistencia a compresión del mortero endurecido ...........80
3.1. Correlación digital de imágenes (DIC) ....................................................................82
3.1.1. Introducción. ...................................................................................................82
3.1.2. Aplicaciones de la técnica DIC en morteros ....................................................83
3.1.3. Procedimiento .................................................................................................83
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ......................................................................................87
4.1. Caracterización de las materias primas ..................................................................87
4.1.1. Caracterización del cemento Portland .............................................................87
4.1.1.1. Humedad, materia orgánica, pH, superficie específica y densidad relativa
87
4.1.1.2. Difracción de rayos X (DRX) ....................................................................88
4.1.1.3. Caracterización microestructural ..............................................................88
4.1.1.4. Fluorescencia de rayos X (FRX) ..............................................................89
4.1.1.5. Distribución granulométrica ......................................................................90
4.1.1.6. Análisis elemental (CHNS-O) ...................................................................91
4.1.2. Caracterización del caucho proveniente de NFU .............................................92
4.2. Caracterización física de los morteros ....................................................................92
4.2.1. Determinación de la densidad aparente en seco del mortero endurecido .......92
4.2.2. Determinación del coeficiente de absorción de agua por capilaridad del mortero
endurecido ....................................................................................................................97
4.3. Caracterización mecánica de los morteros ........................................................... 101
4.3.1. Determinación de la resistencia a flexión del mortero endurecido ................. 101
4.3.1.1. Estudio sobre la relación Densidad aparente/Resistencia a flexión ........ 105
4.3.2. Determinación de la resistencia a compresión del mortero endurecido ......... 107
4.3.2.1. Estudio sobre la relación Densidad aparente/Resistencia a compresión 111
4.4. Caracterización microestructural de los morteros ................................................. 113
5. ESTUDIO ECONÓMICO ............................................................................................. 125
5.1. Precio unitario de las materias primas .................................................................. 125
5.2. Precio unitario de los morteros ya conformados ................................................... 126
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6. CONCLUSIONES........................................................................................................ 131
Bibliografía ......................................................................................................................... 133
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ÍNDICE TABLAS
Tabla 1.1. Trabajos previos de adición de caucho en morteros ............................................18
Tabla 1.2. Trabajos previos de caucho y aditivos en morteros .............................................20
Tabla 1.3. Trabajos previos de caucho, aditivos y otros residuos en morteros .....................22
Tabla 1.3. Continuación ........................................................................................................23
Tabla 1.4.Tipos de cementos CEM y composiciones. Proporción en masa ..........................27
Tabla 1.5. Materias primas y componentes principales del cemento Portland ......................28
Tabla 1.6. Composición química del clínker (% en masa) ....................................................28
Tabla 1.7. Distribución granulométrica de la arena DIN EN 196-1 ........................................34
Tabla 1.8. Concentraciones de elementos presentes en los neumáticos ..............................38
Tabla 1.9. Tipos de elastómeros ..........................................................................................38
Tabla 1.10. Aplicaciones del polvo de caucho reutilizado (< 0,8 mm) ...................................51
Tabla 1.11. Aplicaciones del caucho granulado reutilizado (0,8 - 20 mm) ............................52
Tabla 3.1. Composición de las probetas ...............................................................................68
Tabla 4.1. Valores de humedad, pH, carbonatos, superficie específica y densidad relativa del
cemento Portland .................................................................................................................87
Tabla 4.2. Composición química del CP ...............................................................................90
Tabla 4.3. Porcentaje de partículas CP ................................................................................91
Tabla 4.4. Análisis elemental (CNHS-O) del CP ...................................................................92
Tabla 4.5. Resultados ensayo de densidad aparente ...........................................................94
Tabla 4.6. Resultados ensayo densidad aparente sin aditivo ...............................................95
Tabla 4.7. Resultados ensayo de absorción de agua por capilaridad ...................................98
Tabla 4.8. Categoría según coeficiente de absorción de agua por capilaridad .....................99
Tabla 4.9. Resultados ensayo absorción de agua por capilaridad sin aditivo .......................99
Tabla 4.10. Resultados ensayo de resistencia a flexión. .................................................... 102
Tabla 4.11. Resultados ensayo de flexión sin aditivo ......................................................... 104
Tabla 4.12. Resultados ensayo de resistencia a compresión ............................................. 108
Tabla 4.13. Resultados ensayo compresión sin aditivo ...................................................... 109
Tabla 4.14. Clasificación de los morteros respecto a su resistencia a compresión ............. 111
Tabla 5.1. Coste de las materias primas ............................................................................ 125
Tabla 5.2. Precio por metro cúbico de mortero control con aditivo ..................................... 126
Tabla 5.3. Precio por metro cúbico de mortero con 5 % de caucho y aditivo ...................... 126
Tabla 5.4. Precio por metro cúbico de mortero con 10 % de caucho y aditivo .................... 126
Tabla 5.5. Precio por metro cúbico de mortero con 20 % de caucho y aditivo .................... 127
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Tabla 5.6. Precio por metro cúbico de mortero con 30 % de caucho y aditivo .................... 127
Tabla 5.7. Precio por metro cúbico de mortero con 40 % de caucho y aditivo .................... 127
Tabla 5.8. Precio por metro cúbico de mortero con 50 % de caucho y aditivo .................... 128
Tabla 5.9. Precio por metro cúbico de mortero con 75 % de caucho y aditivo .................... 128
Tabla 5.10. Precio por metro cúbico de mortero con 100 % de caucho y aditivo ................ 128
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ÍNDICE FIGURAS
Figura 1.1. Proceso de fabricación del cemento ...................................................................26
Figura 1.2. Calor de hidratación del cemento Portland .........................................................31
Figura 1.3. Arena normalizada DIN EN 196-1 ......................................................................34
Figura 1.4. Evolución de la resistencia con la variación de la relación A/C ...........................36
Figura 1.5. Segmento de una cadena de polímeros de caucho natural ................................39
Figura 1.6. Estructura de un neumático radial ......................................................................43
Figura 1.7. Proceso de vulcanización de un polímero natural ...............................................45
Figura 1.8. Proceso de tratamiento de NFU .........................................................................46
Figura 1.9. Diferentes granulometrías del caucho obtenido de los NFU ...............................46
Figura 1.10. Destinos del caucho reutilizado de NFU en toneladas por año .........................50
Figura 3.1. Cemento Portland...............................................................................................59
Figura 3.2. Carbón de NFU granulado ..................................................................................59
Figura 3.3. Aditivo Sikamor-A ...............................................................................................60
Figura 3.4. pH-metro de sólidos PCE-PH20S .......................................................................61
Figura 3.5. Difracción de rayos X .........................................................................................63
Figura 3.6. Generador de rayos X Philips Magix Pro (PW-2440) ..........................................64
Figura 3.7. Equipo Malvern Mastersizer 2000 ......................................................................65
Figura 3.8. Analizador elemental Thermo Finnigan Flash EA 1112 ......................................66
Figura 3.9. Molde para la elaboración de probetas de mortero .............................................69
Figura 3.10. Balanza de precisión ........................................................................................70
Figura 3.11. Materiales pesados ..........................................................................................70
Figura 3.12. Mezcla de caucho y arena ................................................................................70
Figura 3.13. Amasadora planetaria Proeti ............................................................................70
Figura 3.14. Molde relleno hasta la mitad .............................................................................71
Figura 3.15. Molde después de 24 horas .............................................................................71
Figura 3.16. Desmoldado de las probetas ............................................................................72
Figura 3.17. Curado en cámara climática .............................................................................72
Figura 3.18. Curado en acetona ...........................................................................................72
Figura 3.19. Probetas marcadas 28 días ..............................................................................72
Figura 3.20. Probetas marcadas 7 días ................................................................................72
Figura 3.21. Balanza hidrostática .........................................................................................73
Figura 3.22. Cera incolora ....................................................................................................76
Figura 3.23. Probetas con cera en la estufa .........................................................................76
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Figura 3.24. Probetas en los soportes ..................................................................................77
Figura 3.25. Prensa MTS Insight 5 .......................................................................................78
Figura 3.26. Esquema de la colocación de la pieza en el ensayo de flexión .........................78
Figura 3.27. Probeta sometida al ensayo de flexión .............................................................79
Figura 3.28. Probetas después del ensayo de flexión ..........................................................80
Figura 3.29. Equipo MTS 810 ...............................................................................................81
Figura 3.30. Utensilio adaptador ...........................................................................................81
Figura 3.31. Rotura de la probeta a compresión ...................................................................82
Figura 3.32. Superficies pintadas para DIC en ensayo de flexión .........................................84
Figura 3.33. Equipo para la toma de imágenes ....................................................................84
Figura 3.34. Imagen estado inicial ensayo de flexión ...........................................................85
Figura 3.35. Imagen estado deformado ensayo de flexión ...................................................85
Figura 3.36. Imagen estado inicial ensayo de compresión ...................................................85
Figura 3.37. Imagen estado deformado ensayo de compresión ...........................................85
Figura 4.1. Patrón de difracción del CP ................................................................................88
Figura 4.2. Caracterización microestructural. Espectros de estudio CP ...............................89
Figura 4.3. Distribución granulométrica del CP .....................................................................91
Figura 4.4. Relación densidad aparente frente al porcentaje de caucho ...............................94
Figura 4.5. Comparación de la densidad aparente con y sin aditivo (7 días) ........................96
Figura 4.6. Comparación de la densidad aparente con y sin aditivo (28 días) ......................96
Figura 4.7. Relación coeficiente de absorción de agua frente a porcentaje de caucho .........98
Figura 4.8.Comparación del coeficiente de absorción de agua con y sin aditivo (7 días) .... 100
Figura 4.9. Comparación del coeficiente de absorción de agua con y sin aditivo (28 días) . 101
Figura 4.10. Relación resistencia a flexión frente a porcentaje de caucho .......................... 103
Figura 4.11. Comparación de la resistencia a flexión con y sin aditivo (7 días) .................. 104
Figura 4.12. Comparación resistencia a flexión con y sin aditivo (28 días) ......................... 105
Figura 4.13. Comparativa resultados flexión y densidad aparente (7 días) ......................... 106
Figura 4.14. Comparativa resultados flexión y densidad aparente (28 días) ....................... 106
Figura 4.15. Relación resistencia a compresión frente a porcentaje de caucho .................. 108
Figura 4.16. Comparación resistencia a compresión con y sin aditivo (7 días) ................... 110
Figura 4.17. Comparación resistencia a compresión con y sin aditivo (28 días) ................. 110
Figura 4.18. Comparativa resultados compresión y densidad aparente (7 días) ................. 112
Figura 4.19. Comparativa resultados compresión y densidad aparente (28 días) ............... 112
Figura 4.20. Imagen SE de 5 % de caucho a 250 x ............................................................ 113
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Figura 4.21. Imagen BSE de 5 % ce caucho a 250 x .......................................................... 113
Figura 4.22. Microscopía electrónica de barrido y análisis EDX muestra de 5 % de caucho a
250 x .................................................................................................................................. 114
Figura 4.23. Imagen SE de 5 % de caucho a 1000 x (1 kx) ................................................ 115
Figura 4.24. Microscopía electrónica de barrido y análisis EDX muestra de 5 % de caucho a
1 kx …………………………………………………………………………………………………..116
Figura 4.25. Detalle partícula de caucho en muestra de 5 % de caucho (SE 1,5 kx) .......... 117
Figura 4.26. Detalle partícula de caucho en muestra de 5 % de caucho (BSE 1,5 kx) ........ 117
Figura 4.27. Detalle etringita muestra de 5 % de caucho 8 kx ............................................ 117
Figura 4.28. Imagen BSE de 30 % de caucho a 100 x........................................................ 118
Figura 4.29. Imagen BSE de 30 % de caucho a 250 x........................................................ 118
Figura 4.30. Detalle y análisis EDX en la zona 1 muestra 30 % de caucho a 1 kx .............. 119
Figura 4.31. Detalle etringita muestra 30 % caucho 8000 x ................................................ 120
Figura 4.32. Imagen BSE muestra 100 % de caucho y detalle EDX fibra a 100 x............... 121
Figura 4.33. Imagen BSE muestra 100 % de caucho y análisis EDX a 100 x ..................... 121
Figura 4.34. Imagen BSE muestra 100 % de caucho a 8000 x ........................................... 122
Figura 4.35. Imagen a 1,5 kx muestra 5 % de caucho sin aditivo ....................................... 123
Figura 4.36. Imagen a 1,5 kx muestra 5 % de caucho con aditivo ...................................... 123
Figura 4.37. Imagen a 8 kx muestra 30 % caucho sin aditivo ............................................. 123
Figura 4.38. Imagen a 8 kx muestra 30 % caucho con aditivo ............................................ 123
Figura 4.39. Imagen a 100 x muestra 100 % caucho sin aditivo ......................................... 124
Figura 4.40. Imagen a 100 x muestra 100 % caucho sin aditivo ......................................... 124
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RESUMEN
En este Trabajo Fin de Grado se busca dar un uso práctico y beneficioso para el
medio ambiente mediante la revalorización del producto residual procedente de
neumáticos fuera de uso (NFU). Este residuo es contaminante, y con este estudio se
pretende otorgar un nuevo uso potencial al caucho como materia prima en morteros
de cemento, y contribuir así a la disminución de esta contaminación. Por este motivo
se propone la fabricación de morteros aligerados con este residuo realizando una
sustitución en volumen de la arena normalizada por caucho triturado. Los porcentajes
de caucho estudiados son 0 (mortero control), 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75 y 100%
(sustitución total de la arena por caucho). A su vez se va a realizar la inclusión de un
aditivo aireante-plastificante.
La utilización del aditivo cohesionante utilizado, Sikamor A, se realiza
añadiéndolo al agua de amasado con una proporción de 0,05 % en función del peso
de cemento, durante el proceso de fabricación del mortero. Con este aditivo se
pretenden mejorar las propiedades de los morteros que disminuyen con la sustitución
del árido por caucho.
Los morteros fabricados, en distintas composiciones, se ensayan para observar
su comportamiento químico, así como sus propiedades físicas y mecánicas a tiempos
de curado de 7 y 28 días.
Los resultados muestran que a medida que se incorporan cantidades crecientes
de caucho en el mortero se produce una disminución de la densidad aparente, la
absorción de agua por capilaridad, la resistencia a flexión y a la compresión. Con
respecto a la influencia del tiempo de curado del mortero, se observa como la densidad
aparente aumenta con el tiempo de curado cuando se adicionan pequeñas cantidades
de caucho, 0 y 5 % de sustitución, y disminuye con la adición de mayores cantidades
de residuo (10-100 %). No obstante, la absorción de agua disminuye a mayor tiempo
de curado. La resistencia a flexión y a compresión aumenta al incrementar el tiempo
de curado de 7 a 28 días, excepto para los morteros que incorporan el 0 y el 10 % en
volumen en caucho. Por último, respecto al efecto de la adición del aditivo aireante-
plastificante, al realizar la comparación con un estudio realizado previamente, sin uso
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de aditivo, se ha podido observar que los valores de densidad aparente y coeficiente
de absorción de agua por capilaridad son menores con la adición de aditivo a 7 y 28
días, excepto a 28 días de curado en el mortero control y en el mortero con 10 % de
caucho, en los cuales los valores de absorción de agua por capilaridad son mayores
en las probetas que contienen aditivo.
Al realizar una caracterización microestructural de los morteros, con microscopio
electrónico de barrido, se ha podido observar que la inclusión del aditivo ha fomentado
la cohesión del caucho en la matriz de cemento. También se advierte una mayor
presencia de etringita en dicha matriz.
Por último, en el estudio económico realizado, se observa que el uso de caucho
encarece el precio del mortero debido a su alto precio frente al de la arena que
sustituye. Sin embargo, el uso del aditivo conlleva un porcentaje del presupuesto muy
bajo, respecto al resto de materias, ya que su proporción es muy pequeña,
presentando los morteros mejores propiedades físicas y mecánicas.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
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ABSTRACT
Millions of tires are discarded every year. Disposal or recycling-reusing of waste
tire rubber has become a big environmental problem in the world. The aim of this Final
Degree Project is to assess the environmental benefits of the use of waste rubber from
tires out of use. For this purpose, a replacement in volume of standardized sand by
crushed rubber was made in mortars. The percentages of rubber studied were 0
(control mortar), 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75 and 100 % (total replacement of the sand by
rubber), at 7 and 28 curing times. At the same time, the inclusion of an air-
entrainment/plasticising additive to mortars to improving cohesion was studied. The
additive, Sikamor A, was added into the mortars mixture by 0.05% on the weight of
cement.
The effect of the rubber content on the compressive and flexural strength, water
absorption by capillarity and water bulk density was analysed. These mortar samples
and their microstructures were observed using Scanning Electron Microscopy (SEM).
The results indicated as the crumb rubber content increased, bulk density, water
absorption and the compressive and flexural strength decreased. As regards of the
curing time bulk density decreased to 28 days (except substitution of 0 and 5 %). The
water absorption decreased to further curing time. Compressive and flexural strength
increased (except substitution of 0, 10 and 30 %) to longer curing. Finally, the influence
of the additive on the properties was compared with a previous study. The resulting
values showed that, in general, properties were improved with this addition (except
compressive strength). At 7 and 28 curing days, bulk density and water absorption
values were lower with the additive (except to 28 days in the control mortar and 10 %
of rubber). The flexural resistance, at 7 and 28 days, increased (except control mortar
in 28 days). However, compressive resistance decreased.
The SEM images, showed that the cohesion of the rubber in the cement matrix
was improved with the additive. This analysys displayed more etringita in the union
area.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
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In the economic study showed an increase of the price with the rubber addition
because rubber is more expensive than standarized sand. However, the additive
represent low rate of the budget.
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
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1. INTRODUCCIÓN
1.1. Justificación
El incremento incontrolado de la población mundial, con un pronóstico de 9,300
millones de habitantes en 2100, conlleva a un aumento notable de la construcción.
Cada vez existe una mayor conciencia social en materia de medio ambiente y se
hace necesario la creación de una construcción sostenible, que minimice los impactos
ambientales generados de la misma. Desde 1920 se está realizando la búsqueda de
materiales y procesos constructivos que mejoren la sostenibilidad. En esta búsqueda
se incluye la sustitución de los materiales y materias primas, convencionalmente
utilizados para la fabricación de morteros de hormigón, por materiales reciclados.
La industria de la construcción consume la mayoría de las materias primas
extraídas de la litosfera, áridos naturales, “no sostenibles”, cuya explotación conlleva
un alto impacto ambiental. El objetivo que se persigue es la sustitución de éstos áridos
naturales por áridos “sostenibles”, residuos y subproductos industriales cuyo uso
como áridos supone una ventaja ambiental. Como principales ventajas de los áridos
“sostenibles” se pueden destacar:
- Reducción del volumen de residuos y disminución de los problemas
asociados al uso de vertederos (menor ocupación de terreno, ahorro de tasas
de vertido...).
- Ahorro de áridos naturales y disminución de los problemas asociados a la
explotación de canteras (menor uso de explosivos, menor impacto visual…).
Se pueden diferenciar dentro de estos áridos “sostenibles” tres divisiones: áridos
reciclados, procedentes de la valorización de residuos de construcción o demolición,
áridos siderúrgicos o cenizas, y áridos procedentes de la valorización de otros
residuos, como es el caucho procedente de neumáticos fuera de uso (NFU) (Castro,
2018).
Los neumáticos fuera de uso se han convertido en uno de los residuos que más
caracterizan a las sociedades desarrolladas modernas, tan dependientes del
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automóvil. Sólo en España se desechan unas 300.000 toneladas al año, superándose
los tres millones en el conjunto de la Unión Europea. Aunque se calcula que esta
cantidad podría proveer hasta el 45 % del consumo de caucho virgen en Europa, sólo
un 32 % se reutiliza principalmente como relleno de césped artificial.
Desde enero de 2003, el Decreto 143/2003 (Decreto 143/2003) prohíbe su
eliminación (como vertido o mediante la incineración sin recuperación energética). En
diciembre de 2005 se desarrolló y publicó el Real Decreto 1619/2005 (Real Decreto
1619/2005) sobre gestión de NFU. Los productores están obligados a
responsabilizarse de la recogida y correcta gestión de los neumáticos fuera de uso así
como de los nuevos (Aller, 2008).
Una posible vía de utilización de este caucho es su integración en el ámbito de
la construcción. Este Trabajo Final de Grado (TFG) está dirigido al estudio de los
posibles efectos beneficiosos tanto de la adición del subproducto caucho, para la
sustitución de la arena en la fabricación de morteros, como de la utilización de aditivos
para mejorar sus propiedades. La sustitución del árido por caucho se realiza en
función de distintas proporciones (5, 10, 20, 20, 30, 40, 50, 75 y 100 % en volumen) y
del tiempo de curado (7 y 28 días).
1.2. Antecedentes
La notable cantidad del caucho, como residuo, que se genera actualmente,
supone un reto para las sociedades modernas y promueve la realización de diversas
investigaciones para su reutilización en distintos ámbitos de la industria.
En lo referente a la utilización del caucho procedente de neumáticos fuera de
uso en morteros para construcción, se han realizado una gran cantidad de
investigaciones, sustituyendo a alguno de los materiales que los componen.
A continuación se recogen los principales trabajos de investigación en esta
temática y se va a diferenciar tres líneas de investigación diferentes. La primera hace
referencia al uso del caucho como sustituto de la arena o del cemento, en distintos
porcentajes. La segunda va a tener en cuenta el uso del caucho y distintos aditivos
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para mejorar sus propiedades. La última versará sobre la utilización del caucho
conjuntamente con otros residuos que pueden sustituir, a parte de la arena, el cemento
utilizado en la fabricación de estos morteros. En todas estas líneas de investigación
se han realizado diversos ensayos para determinar las propiedades de los morteros
fabricados en laboratorio.
De la primera línea de investigación hay que destacar el trabajo de Di Mundo et
al. (2018), que realizó la sustitución en volumen de la arena por caucho de dos
tamaños diferentes, fino (0 – 0,5 mm) y grueso (0,5 – 2 mm). La sustitución se realizó
en varios porcentajes (50 y 100 %). Se estudiaron propiedades como la absorción de
agua y la resistencia a flexión y compresión. Los resultados indican una disminución
en la penetración del agua a medida que se incrementa el contenido de caucho, de
un 100 % en los especímenes convencionales al 3-5 % en las adiciones máximas de
caucho. La resistencia a flexión y compresión disminuyen sensiblemente al aumentar
el porcentaje de reemplazo.
Fernández et al. (2018), realizó diversos estudios entre ellos reemplazó el
cemento, en peso, por polvo de caucho (2,5, 5 y 10 %). Estudió la resistencia a la
penetración del ión cloruro así como la resistencia a flexión y compresión.En este
estudio se puede observar que al realizar el reemplazo total de la arena por caucho
se reduce a la mitad la densidad aparente.
De la misma manera, Di Mundo et al. (2018), coincluyó que los valores de
resistencia a flexión y a compresión son más bajos que la muestra de referencia (0 %
de sustitución de caucho).
En la tabla 1.1 se detallan otros estudios realizados con caucho correspondientes
a esta línea de investigación:
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ARTÍCULO MATERIALES UTILIZADOS
PORCENTAJES SUSTITUIDOS
ENSAYOS REALIZADOS
Al-Akhras et al., 2004
Ceniza de caucho (0,15 mm)
Sustitución en peso de la arena por caucho (0, 2,5, 5; 7,5 y 10 %)
Contenido de aire Resistencia a compresión Resistencia a flexión Congelación y descongelación Penetración de cloruro-ion
Albano et al., 2005
Caucho: ▪ 0,29 mm ▪ 0,59 mm
Sustitución en peso de la arena por caucho (0, 5 y 10 %)
Densidad Resistencia a la compresión Resistencia a flexión
Batayneh et al., 2008
Caucho (4,75 – 0,15 mm)
Sustitución de la arena por caucho (0, 20, 40, 60, 80 y 100 %)
Densidad aparente Resistencia a compresión
Corinaldesi et al., 2011
Caucho: ▪ 0 – 12 mm ▪ 0 – 8 mm
Sustitución en volumen de la arena por caucho (0, 10 y 30 %)
Resistencia a compresión Resistencia a flexión Conductividad térmica
Bravo et al., 2012
Caucho: ▪ 4 mm ▪ 11,2 mm
Sustitución en volumen de la arena por caucho (5, 10 y 15 %)
Contracción volumétrica Absorción de agua por capilaridad y por inmersión Resistencia a la penetración de cloruros
Gesoglu et al., 2014
Caucho: ▪ Astillas ▪ Grueso (4 mm) ▪ Fino (1 mm)
Sustitución en volumen de la arena por caucho (0, 5, 10 y 20 %)
Resistencia a la compresión Resistencia a la tracción Permeabilidad al agua Energía de fractura
Gonen, 2018
Caucho: ▪ 0 - 0,8 mm ▪ 1 mm ▪ 2 mm
Sustitución en peso de la arena por caucho (0, 0,5, 1, 2 y 4 %)
Absorción de agua por capilaridad Resistencia al impacto Congelación-descongelación Resistencia a la compresión
Tabla 1.1. Trabajos previos de adición de caucho en morteros
En lo referente a la segunda línea de investigación, que tiene en cuenta la adición
de caucho y aditivos a los morteros, se puede destacar Aliabdo et al. (2015). Realizó
la sustitución en volumen de la arena por caucho y adicionó un aditivo
superplastificante. Se utilizaron tres tamaños diferentes de caucho para el reemplazo
de los agregados naturales finos y gruesos (0,42, 1 y 2 mm) en una proporción de
1:1:1. La sustitución se realizó en varios porcentajes (20, 40, 60, 80 y 100 %). Se
estudiaron propiedades tales como la densidad y absorción de agua, resistencia a la
compresión, resistencia al impacto, resistencia a la flexión, conductividad térmica y
atenuación del sonido. Los resultados obtenidos muestran una disminución de la
conductividad térmica de los morteros al aumentar el contenido de caucho, de un 1,45
W/mºC (en el mortero control) a 0,6 W/mºC (en la sustitución del 100%). En este
estudio se puede observar un mayor coeficiente de reducción del sonido en
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comparación con el mortero control. La densidad disminuye a medida que se aumenta
el contenido de caucho, al contrario que la absorción de agua. En el ensayo de
resistencia a compresión podemos apreciar una disminución drástica desde el mortero
control (40 MPa) al mortero sin arena (4 MPa). La resistencia a flexión disminuye de
4,84 MPa (mortero control) a 0,76 MPa (100 % caucho).
Sgobba et al. (2015) sustituyó el agregado natural en volumen por caucho. Utilizó
tres tamaños diferentes para simular la granulometría de la arena: chip de goma (25
– 30 mm), polvo de neumático (3 – 10 mm) y ceniza de caucho (menor de 1 mm). La
sustitución se realizó en varios porcentajes (4, 10 y 20 %). Adicionó dos tipos
diferentes de aditivos, un aditivo superplastificante y un aditivo de latex, para la mejora
de las propiedades y la trabajabilidad. Se centró en el estudio de la resistencia a la
compresión. Se puede observar como disminuye la resistencia de 50,95 a 7,07 MPa
al aumentar el contenido de caucho. Las pruebas de laboratorio también revelaron un
fenómeno de agrietamiento y deslaminación en muestras de mortero curado en
condiciones de humedad.
Song et al. (2018) realizó la sustitución en peso de la arena por el caucho. Utilizó
caucho de tamaño comprendido entre 6 y 8 mm. Para su investigación adicionó dos
aditivos un aditivo superplastificante (DCWR1) y un aditivo aglutinante (DC-W1). Los
porcentajes de sustitución variaron del 5 – 20 % (5, 10, 15 y 20 %), estudiando la
influencia de estas adiciones en relación al cambio de la resistencia a compresión. En
la curva tensión-deformación de los morteros obtenidos al adicionar caucho, se puede
observar que la resistencia máxima disminuye a medida que aumenta el contenido de
partículas de caucho.
En la tabla 1.2 se detallan otros estudios realizados con caucho y aditivos:
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ARTÍCULO MATERIALES UTILIZADOS PORCENTAJES SUSTITUIDOS
ENSAYOS REALIZADOS
Bignozzi et al., 2006
Caucho: ▪ 0,5 – 2 mm ▪ 0,05 – 0,7 mm
Aditivo superplastificante
Sustitución en volumen de la arena por caucho (0, 22,2 y 33,3 %)
Resistencia a compresión
Atahan et al., 2012
Caucho: ▪ Grande (> 13 mm) ▪ Pequeño (< 13 mm)
Aditivo reductor de agua
Sustitución en peso de la arena por caucho (0, 20, 40, 60, 80 y 100 %)
Resistencia a compresión Caída dinámica
Eiras et al., 2014
Caucho de miga Aditivo superplastificante
Sustitución en volumen de la arena por caucho (40, 50 y 60 %) Aditivo superplastificante (1 % con respecto al peso de cemento)
Absorción de agua Densidad en seco Resistencia a flexión Resistencia a compresión Coeficiente de atenuación ultrasónico Capacidad de amortiguación de vibraciones
Thomas et al., 2016
Caucho: ▪ < 0,8 mm (40%) ▪ 0,8 - 2 mm (35 %) ▪ 2 - 4 mm (25 %)
Aditivo superplastificante
Sustitución en peso de 0 a 20% en múltiplos de 2,5
Resistencia a flexión Resistencia a tracción Resistencia a la abrasión Absorción de agua y penetración de agua Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Angelin et al., 2017
Caucho: ▪ Fibras: rangos de
0,06–0,1 mm a 2,5 –2,9 mm. (72 %)
▪ Esferoidales: rangos de 0,02–0,06 mm a 1,7 – 2,1 mm. (28 %)
Aditivo superplastificante
Sustitución en peso del caucho por arena (0 y 30 %)
Resistencia a tracción Resistencia a compresión Porosidad Absorción de agua Flujo de asentamiento
Youssf et al., 2017
Caucho: ▪ 1,18 mm ▪ 2,36 mm
Aditivo superplastificante
Reemplazo en volumen de arena por caucho (0, 10, 20, 30, 40 y 50 %)
Resistencia a tracción Resistencia a compresión Resistencia al impacto Peso unitario Absorción de agua Comportamiento tensión-deformación
Tabla 1.2. Trabajos previos de caucho y aditivos en morteros
La última línea de investigación que se va a tratar, comprende la adición de
caucho y otros residuos con o sin aditivos. Kardos et al. (2015) realizó la sustitución
en volumen de arena por caucho (10, 20, 30, 40 y 50 %), así como la sustitución en
peso del cemento por cenizas volantes (en una proporción fija del 15 %). Las
propiedades que se analizaron fueron la resistencia a tracción, a compresión,
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permeabilidad, y propiedades de congelación y descongelación. Los resultados
indican que es aceptable un reemplazo de arena por caucho, hasta el 30 % inclusive.
La resistencia a compresión disminuye a medida que se aumenta el porcentaje de
reemplazo. La prueba de flexión mostró una fractura más dúctil con adiciones de
caucho, cuando se comparó con el mortero control, pero no mejoró la capacidad
general de resistencia a la flexión. Las muestras con caucho presentaban unos valores
de permeabilidad elevados pero aceptables, en comparación con los valores del
mortero control. Las pruebas de durabilidad de congelación y descongelación
mostraron buenos resultados para el 10, 20 y 30 % de reemplazo.
Lanzón et al. (2015) utilizó caucho y mármol triturado, en partes iguales, para la
sustitución de los agregados naturales. El caucho sustituyó en volumen a los
agregados naturales finos (0 y 2,54 %). Por otra parte, el mármol sustituyó en peso a
los agregados naturales gruesos (en una proporción fija del 81,8 %). Se adicionó un
aditivo superplastificante para la mejora de la trabajabilidad y las propiedades. Las
propiedades estudiadas fueron la resistencia a tracción, a compresión, absorción de
agua por capilaridad, porosidad y tamaño de poros. En las imágenes obtenidas con la
técnica TCI se puede observar que las partículas de caucho no están totalmente
unidas al cemento y se observan cavidades de aire alrededor de los granos de caucho.
Los parámetros de resistencia a flexión, compresión y absorción de agua por
capilaridad disminuyen al aumentar el contenido de caucho. Se realizó la
caracterización química ATR-FTIR.
En la tabla 1.3 se detallan otros estudios similares:
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ARTÍCULO MATERIALES UTILIZADOS
PORCENTAJES SUSTITUIDOS
ENSAYOS REALIZADOS
Güneyisi et al., 2004
Caucho: ▪ Virutas ▪ Miga
Humo de sílice
Sustitución en peso del cemento por humo de sílice (5, 10, 15 y 20 %) Sustitución en volumen de la arena por caucho (2,5, 5, 10, 15, 25 y 50 %)
Resistencia a compresión Resistencia a tracción
Chunlin et al., 2011
Caucho Escorias de acero, graduaciones: ▪ 0 – 5 ▪ 5 – 25
Sustitución en peso de la arena por las escorias de acero en un 100 % y sustitución de dichas escorias en volumen por caucho (10 %)
Deformación por volumen Resistencia a compresión Resistencia a flexión
Gesoglu et al., 2011
Caucho de miga Cenizas volantes Aditivo superplastificante
Sustitución en volumen de la arena por caucho (0, 5, 15 y 25 %) Sustitución en peso del cemento por cenizas volantes (20, 40 y 60 %)
Permeabilidad al ion cloruro Capacidad de absorción de agua Resistencia a compresión
Azevedo et al., 2012
Caucho (1 – 2,4 mm) Ceniza volante Aditivo superplastificante
Sustitución en peso de la arena por caucho (5, 10 y 15 %) Sustitución en peso del cemento por cenizas volantes (15, 30, 45 y 60 %)
Resistencia a compresión Absorción de agua por capilaridad Resistencia al ataque con ácido sulfúrico
Jian-he et al., 2015
Cemento reciclado Fibras de acero reciclado Partículas de caucho Aditivo superplastificante
Sustitución en volumen de la arena por caucho (0, 4, 8, 12 y 16 %) Sustitución cemento natural por reciclado (100 %) Fibras de acero reciclado (1 %)
Resistencia a compresión Resistencia a flexión
Youssf et al., 2016
Humo de sílice Caucho con pretratamiento Aditivo superplastificante
Sustitución en volumen de la arena por caucho (0 y 20 %) Sustitución en peso del cemento por humo de sílice (0, 5, 10, 15 %) Aditivo (1,8 % en peso cemento)
Resistencia a compresión Resistencia a tracción
Flores et al., 2017
Caucho de miga [1] Fibras de acero [2] Fibras de plástico [3] Fibras de acero con caucho[4] Fibras textiles con caucho [5]
Se realizaron dos proporciones distintas de sustitución en peso por arena [1]:[2]:[3]:[4]:[5] ▪ 50,35:2,07:5,04:9,43:5,
81:27 ▪ 96,9:0,01:0,0:1,67:0,01
:1,41
Resistencia a compresión Resistencia a flexión Resistencia al impacto Resistencia al desgaste Conductividad térmica
Tabla 1.3. Trabajos previos de caucho, aditivos y otros residuos en morteros
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ARTÍCULO MATERIALES UTILIZADOS
PORCENTAJES SUSTITUIDOS
ENSAYOS REALIZADOS
Aslani et al., 2018
Hormigón reciclado: ▪ Polvo fino
(< 4 mm) ▪ Grueso (14 mm)
Caucho (10 mm)
Caucho sustitución en volumen (20 %) por agregado natural grueso Hormigón reciclado fino (0, 10, 20, 30 y 40 %) por el agregado natural fino
Resistencia a compresión Resistencia a flexión Curva tensión-deformación a compresión
Xie et al., 2018
Humo de sílice Caucho (0,85 - 1,4 mm) Aditivo superplastificante
Humo de sílice (0, 5 y 10 %) de sustitución en peso por cemento Caucho (0, 5, 10, 15 y 20 %) de sustitución en volumen por arena Superplastificante 3 % en peso respecto al cemento
Resistencia a compresión Capacidad de disipación de la energía Mecanismo de falla de RSRAC
Ramdani et al., 2019
Caucho (0,2 - 4 mm) Polvo de vidrio Polvo de arena natural Aditivo superplastificante
Caucho (0, 10, 20, 40 y 60 %) de sustitución en volumen por arena El polvo de vidrio y el de arena natural sustituyen en peso al cemento (15 %) Superplastificante 0,5 % en peso respecto al cemento
Resistencia a compresión Resistencia a tracción Densidad Propagación de ondas ultrasónicas Pruebas de deformabilidad
Tabla 1.3. Continuación
1.3. Morteros
1.3.1. Definición
Los morteros se pueden definir como un material aglomerante formado por la
mezcla de un conglomerante (normalmente cemento), arena y agua. Ocasionalmente
se incorporan aditivos con el objetivo de modificar las propiedades de la mezcla en
estado fresco y/o endurecido, como aceleradores del fraguado, reductores de agua o
inclusores de aire.
La arena proporciona a la mezcla volumen, y el cemento mantiene unidas las
partículas. Se consiguen morteros de distintas durezas dependiendo de las
proporciones de arena y cemento.
Las normas UNE-EN 998-1 y 998-2 (UNE-EN 998-1:2018; UNE-EN 998-2:2018)
establecen dos tipos de morteros según su uso:
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▪ Morteros para revoco y enlucido: se emplean para realizar revocos exteriores
o enlucidos interiores. (UNE-EN 998-1:2018)
▪ Morteros para albañilería: se utilizan para colocar, unir o rejuntar piezas de
albañilería. (UNE-EN 998-2:2018)
1.3.2. Historia
La primera utilización de este material se remonta hacia el año 500 a.c. y es
realizada por los antiguos griegos. Los romanos también hicieron uso de él,
añadiéndole materiales menos densos como cenizas volcánicas o trozos de cerámica,
dando lugar al primer hormigón aligerado.
Tras el Imperio Romano, el hormigón cae en el olvido y no es hasta el siglo XIX
cuando se patenta el cemento Portland, apareciendo el primer prototipo del cemento
moderno (Jiménez, 2013).
1.4. Cemento Portland
Un conglomerante es un material capaz de unir otros y dar cohesión al conjunto
por un efecto de tipo químico, originando nuevos compuestos con características
físicas distintas. La norma UNE-EN 998-2 (UNE-EN 998-2) lo define como: “material
utilizado para unir partículas sólidas de tal manera que formen una masa coherente”
Se distinguen dos tipos de conglomerantes dependiendo del proceso de
fraguado (Rivera, 2013):
▪ Conglomerantes aéreos: Fraguan y se endurecen al aire, dando lugar a
mezclas no resistentes al agua que no adquieren cohesión ni dureza cuando el
medio es húmedo. En contacto con la humedad o el agua se deshacen, por lo
que sólo se utilizan en interiores. Son, por ejemplo, el yeso, la cal grasa y la
magnesia.
▪ Conglomerantes hidráulicos: Fraguan y se endurecen tanto al aire como en
ambiente húmedo, o con agua y también bajo ella. El cemento y la cal hidráulica
pertenecen a este grupo.
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Los cementos según la norma europea UNE-EN 197-1:2011, “son
conglomerantes hidráulicos, esto es, materiales artificiales de naturaleza inorgánica y
mineral, que finamente molidos y convenientemente amasados con agua forman
pastas que fraguan y endurecen a causa de las reacciones de hidrólisis e hidratación
de sus constituyentes, dando lugar a productos hidratados mecánicamente resistentes
y estables, tanto al aire como al agua” (UNE-EN 197-1:2011).
El propósito de un cemento es ligar entre sí superficies o formar una masa
monolítica con partículas pequeñas como las de arena o grava. Al mezclarse el
cemento y el agua aumenta la viscosidad. A continuación, comienza la etapa de
fraguado, que es el paso de semilíquido a sólido. Cuando la mezcla alcanza el estado
sólido comienza la etapa de endurecimiento, en la que el material comienza a adquirir
resistencia.
El tiempo de endurecimiento es variable, pues depende de la adición de agua.
El cemento Portland es sólo uno de las muchas clases de cemento que se conocen,
es considerado el más importante para la construcción debido a su resistencia y
durabilidad. Se emplea fundamentalmente en hormigones y morteros (Herrera, 2018).
1.4.1. Proceso de fabricación
El cemento Portland se fabrica con piedra caliza y arcilla. En ocasiones es
necesario agregar otros productos para mejorar la composición química de las
materias primas principales, además se suele añadir óxido de hierro. La mezcla es
calcinada y el clínker que resulta es molido y convertido en un polvo. El proceso de
fabricación, esquematizado en la figura 1.1, puede ser dividido en tres etapas
principales: la preparación de las materias primas, su calcinación en hornos
especiales y el molido del clínker para obtener el cemento en polvo (Martínez, 2014).
En primer lugar se realiza la obtención, almacenamiento y preparación de
materias primas (piedra caliza y arcilla), que son finamente molidas para obtener el
crudo. Este material sufre un calentamiento (en torno a 1400 ºC) en hornos industriales
giratorios, inclinados y de gran tamaño, obteniéndose el clínker de cemento.
Posteriormente, se produce un proceso de molienda conjunta del clínker con otros
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componentes (cenizas volantes, escoria, puzolana natural, yeso, etc.) para obtener el
cemento.
Figura 1.1. Proceso de fabricación del cemento
1.4.2. Tipos de cemento
La Instrucción para la Recepción de Cementos (RC-97) de España establece los
siguientes tipos de cemento así como su denominación (Real Decreto 776/1997,
1997):
- Cementos comunes, CEM, constituidos principalmente por clínker de cemento
Portland y una pequeña cantidad de yeso.
- Cementos blancos, BL. Son cementos comunes con determinada composición
e índice de blancura.
- Cementos para usos especiales, ESP. En estos cementos, el clínker de
cemento Portland ocupa un lugar secundario frente a las adiciones de escorias,
puzolanas o cenizas volantes.
- Cemento de aluminato de calcio, CAC/R. se trata de cementos con alto
contenido de aluminatos de calcio.
- Cementos con características adicionales. Estos cementos son de los tipos
anteriores que además, presentan características adicionales como la
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resistencia a los sulfatos y/o al agua de mar (SR y/o MR9) o desarrollan un bajo
calor de hidratación (BC).
La utilización de estos tipos de cemento está relacionada con el uso al que se
destinen. En general para el uso en morteros, se recurre al empleo de cementos
comunes CEM. Estos a su vez se rigen de la misma forma, por la Instrucción para la
Recepción de Cementos (RC-97) para su clasificación. Dicha clasificación se muestra
en la tabla 1.4.
Tabla 1.4.Tipos de cementos CEM y composiciones. Proporción en masa
1.4.3. Componentes principales
En la tabla 1.5 se recogen las materias primas y componentes principales del
cemento, así como su fórmula química y la abreviatura empleada en las cementeras.
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Tabla 1.5. Materias primas y componentes principales del cemento Portland
El clínker debe estar constituido en dos tercios de su masa por silicatos de calcio
(silicato bicálcico y silicato tricálcico), estando constituido el resto por aluminio, hierro
y por otros compuestos. La tabla 1.6 recoge el porcentaje en masa de las principales
fases que forman el clínker (Sanjuán et al, 2014).
Tabla 1.6. Composición química del clínker (% en masa)
1.4.3.1. Silicato tricálcico o Alita (C3S):
El silicato tricálcico influye de forma notable en el cemento, ya que su contenido
aproximado en él es del 50 %. Se presenta en fase sólida formando una red cristalina
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con impurezas en forma de sustituciones por iones de magnesio, hierro y aluminio,
razón por la que recibe el nombre de alita. Confiere altas resistencias iniciales al
cemento ya que en una semana desarrolla su resistencia, y después produce la
elevación de la misma de forma muy lenta.
Este compuesto aparece gracias a una reacción exotérmica. Se hidrata muy
rápidamente desprendiendo un elevado calor de hidratación (120 cal/g) (Monteagudo,
2014).
1.4.3.2. Silicato bicálcico o belita (C2S):
El silicato bicálcico (2CaO*SiO2) en el clínker suele estar en torno al 15 %.
Contiene iones de magnesio, aluminio y óxido de potasio por lo que recibe el nombre
de belita. Aporta pocas resistencias en los primeros días, pero luego las va
desarrollando hasta presentar una elevada resistencia a largo plazo. Se caracteriza
por poseer un bajo calor de hidratación (60 cal/g).
Durante el enfriamiento, sobre todo si no se realiza correctamente, se puede
formar en una variedad alotrópica muy estable hidráulicamente inactiva γ (C2S),
mientras a la variedad metaestable se le denomina β.
1.4.3.3. Aluminato tricálcico (C3A):
El aluminato tricálcico por sí solo contribuye de manera mínima a las resistencias
del cemento, pero al estar presentes los silicatos, desarrolla unas resistencias iniciales
buenas. Su contenido se encuentra en un 5 – 10 % del cemento.
La elevada velocidad de hidratación, al entrar en contacto con el agua, en los
primeros minutos de fraguado del cemento, contribuye a un crecimiento de los
cristales de aluminato, aumentando ligeramente la resistencia del cemento en el
hormigón en las fases tempranas. Su fraguado es rapidísimo desprendiendo una gran
cantidad de calor (207 cal/g). Para retardar su gran actividad se emplea el yeso que
actúa como retardador y regulador del fraguado.
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El clínker con contenido alto de aluminato tricálcico da lugar a pastas, morteros
y hormigones muy sensibles a los ataques por sulfatos y otros agentes agresivos
(Gomá, 1979).
1.4.3.4. Ferrito aluminato tetracálcico. Ferrito (C4AF):
Forma el 5-15% del cemento. Este compuesto contiene la mayor parte del hierro
y del aluminio que forman parte del clínker de cemento y es responsable del color gris
verdoso de los cementos Portland. Su hidratación es rápida aunque menor que la del
aluminato desprendiendo una cantidad de calor media (100 cal/g). Su porcentaje se
reduce hasta el 0,50 % en los cementos blancos (Sanjuán et al., 2014).
1.4.3.5. Cal libre (CaO) y la periclasa (MgO):
La cal libre (CaO) y la periclasa (MgO) son componentes minoritarios del clínker.
El óxido cálcico libre (cal libre) y el óxido de magnesio libre (periclasa) reaccionan con
el agua para formar el hidróxido cálcico y el hidróxido de magnesio, que ocupan mayor
espacio que los óxidos originales. Por lo tanto, pueden provocar problemas por
expansividad, y posterior rotura del cemento endurecido, por esta razón la norma
europea UNE-EN 450-1:2013 (UNE-E N 450-1:2013) establece un límite de contenido
de los mismos (Monteagudo, 2014). El contenido máximo de óxido de calcio libre es
del 1 % en masa sobre el peso total. Con carácter general, el contenido porcentual de
cal libre debe ser inferior al 2 % (UNE-EN 450-1:2013).
1.4.4. Hidratación del cemento Portland
El cemento cuando se mezcla con áridos y agua de forma apropiada, debe tener
la capacidad de producir hormigón o un mortero que pueda conservar la trabajabilidad
durante un periodo de tiempo suficiente. Por otro lado, después de un periodo de
tiempo definido, estas mezclas deberán tener unos niveles mínimos de resistencia. El
endurecimiento hidráulico del cemento CEM, se produce principalmente por la
hidratación de los silicatos de calcio C3S y C2S (tricálcico y bicálcico), y en menor
medida se puede endurecer por los aluminatos.
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En el momento de la hidratación, los componentes del clínker reaccionan con el
agua formando una pasta de cemento, y sus fases precipitan como partículas de
escala nanométrica con un sistema poroso asociado. En el primer paso del proceso
de hidratación, el cemento se disuelve liberando iones al agua (solución porosa).
Luego la concentración de iones en el agua se satura, por lo que los iones se
combinan para formar fases solidas que finalmente precipitan (Gómez et al., 2015).
Algunas de las fases del cemento son muy solubles por lo que, una vez el clínker
entra en contacto con el agua, estas se disuelven rápidamente (menos de un minuto).
Este periodo es seguido por un tiempo (aproximadamente de dos horas) donde no
pasa nada. Sigue un periodo de reacción rápida, donde el punto máximo se da
aproximadamente a las 24 horas, y que está caracterizado por la precipitación de los
productos que dan las características de cohesión y resistencia a la pasta de cemento.
Las reacciones de hidratación del cemento se resumen en el siguiente orden,
primero la fase C3A (aluminato tricálcico), continuando con C4AF, C3S, y C2S. Dichas
reacciones se presentan esquematizadas en la figura 1.2.
Figura 1.2. Calor de hidratación del cemento Portland
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1.4.4.1. Aluminato tricálcico (C3A)
El C3A reacciona inmediatamente con el agua según la ecuación 1. Cuando se
añade yeso como retardador del fraguado, el aluminato tricálcico reacciona según la
ecuación 2, formando un compuesto denominado etringita (C3A·C3S3H32). La ecuación
3 muestra la posterior hidratación del C3A en presencia de etringita.
𝐶3𝐴 + 6𝐻 → 𝐶3𝐴𝐻6 [Ec.1]
𝐶3𝐴 + 3𝐶𝑆𝐻2 + 26𝐻 → 𝐶3𝐴 · 𝐶3𝑆3𝐻32 [Ec.2]
2𝐶3𝐴 + 𝐶3𝐴 · 𝐶3𝑆3𝐻32 + 4𝐻 → 3𝐶4𝐴𝑆𝐻12 [Ec.3]
1.4.4.2. Ferrito aluminato tetracálcico. Ferrito (C4AF)
El C4AF se hidrata, como muestra la ecuación 4, de forma muy similar al C3A. La
ecuación 5 muestra el proceso de reacción en presencia de yeso, y la ecuación 6 la
reacción que se produce en presencia de etringita.
𝐶4𝐴𝐹 + 17𝐻 → 𝐶3𝐴𝐻6 + 𝐶𝐹𝐻11 [Ec.4]
𝐶4𝐴𝐹 + 3𝐶𝑆𝐻2 + 30𝐻 → 𝐶3𝐴 · 𝐶3𝑆3𝐻32 + 𝐶𝐻 + 𝐹𝐻3 [Ec.5]
2𝐶4𝐴𝐹 + 𝐶3𝐴 · 𝐶3𝑆3𝐻32 + 12𝐻 → 3𝐶4𝐴𝑆𝐻12 + 2𝐶𝐻 + 2𝐹𝐻3 [Ec.6]
1.4.4.3. Silicato tricálcico o Alita (C3S)
Es el silicato cálcico más inestable de los presentes en el cemento. Al reaccionar
con el agua, ecuación 7, se convierte en silicato cálcico hidratado (CHS) y en hidróxido
de calcio (CH) llamado portlandita. Se considera que el 70 % de la fase ha reaccionado
en menos de un mes y finaliza completamente al año.
2𝐶3𝑆 + 7𝐻 → 𝐶3𝑆2𝐻3 + 3𝐶𝐻 [Ec.7]
La alita influye de forma notable en el proceso de hidratación del cemento ya que
su contenido aproximado supera el 50 % (Monteagudo, 2014).
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1.4.4.4. Silicato bicálcico o belita (C2S)
El silicato bicálcico al hidratarse, ecuación 8, también se convierte silicato cálcico
hidratado (CHS) y en portlandita, pero a diferencia de la alita, se produce menos
hidróxido de calcio, solo el 30 % del C2S reacciona a los 28 días (Taylor, 2003).
2𝐶2𝑆 + 4𝐻 → 𝐶3𝑆2𝐻3 + 𝐶𝐻 [Ec.8]
1.5. Arena
Los áridos que forman parte de morteros, son materiales granulares inorgánicos
de tamaño variable. Su naturaleza se define como inerte, ya que por sí solos no actúan
químicamente frente a los componentes del cemento o frente a agentes externos (aire,
agua, hielo, etc.). Sin embargo, sí influyen de forma determinante en las propiedades
físicas del mortero, al unirse a un conglomerante. En general, no son aceptables áridos
que contengan sulfuros oxidables, silicatos inestables o componentes de hierro
igualmente inestables.
Las arenas son áridos o fracción del mismo, que pasa por un tamiz de 4
milímetros de luz de malla. Aun así, cuanto menor sea el tamaño de partícula menor
será el espesor necesario del mortero para cumplir su función. Además, la presencia
de finos disminuye la cantidad de agua necesaria para el amasado, disminuyendo el
riesgo de retracción y pérdida de adherencia del mortero durante el secado y, por
tanto, el riesgo de microfisuración del mismo.
Los áridos utilizados en la elaboración de las probetas están sujetos a la
normativa DIN EN 196-1 (DIN EN 196-1, 2016). Como en la naturaleza no existe
ninguna arena con la distribución granulométrica exigida en la norma, hay que producir
la arena de forma artificial. Para ello se criban arenas naturales en varios pasos, para
la obtención de las respectivas fracciones de los diferentes tamaños de grano. A
continuación, se genera una nueva mezcla de las fracciones de arena en las
proporciones definidas (Normesand, 2018).
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Figura 1.3. Arena normalizada DIN EN 196-1
La arena estándar según DIN EN 196-1 (DIN EN 196-1, 2016) destaca sobre
todo por su distribución granulométrica, en la cual, los tamaños de grano se
encuentran en el rango de entre 0,08 y 2,00 mm. Las proporciones se muestran en la
tabla 1.7. El grado máximo de humedad de la arena es del 0,2 %. Se empaqueta en
bolsas con un peso de 1350 (± 5) gramos (DIN EN 196-1, 2016).
Tabla 1.7. Distribución granulométrica de la arena DIN EN 196-1
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1.6. Agua
El papel del agua en la elaboración de un mortero es de suma importancia, ya
que influye notablemente en la trabajabilidad, actuando como lubricante, y resistencias
finales del mismo.
El agua para morteros no debe contener sustancias en suspensión o disueltas
que alteren el fraguado del cemento, tales como: cloruros, sales de hierro, sulfatos,
carbonatos o bicarbonatos, sales inorgánicas, materia orgánica, ácidos, aceites y
sedimentos. El agua potable es incolora, inodora, insípida, fresca y no contiene
materia orgánica, lo que la hace adecuada para su adición a los morteros. Cuando se
sospecha de la calidad del agua, lo mejor es hacer ensayos comparativos de
cementación, resistencia mecánica y estabilidad del volumen (Carrasco, 2013).
Los mayores problemas relacionados con el agua para morteros provienen de la
cantidad y no de la calidad. La cantidad utilizada se mide en relación con la cantidad
de cemento (relación A/C). El aumento de esta relación (por aumento de agua o
decremento de la cantidad de cemento) se traduce en un descenso de su resistencia,
como se muestra en la figura 1.4. Si el contenido en agua es insuficiente, puede
impedirse la conveniente hidratación del cemento. La durabilidad también se ve
afectada cuando se altera la relación agua-cemento, ya que al aumentar esta relación
las partículas de cemento están muy espaciadas entre sí. Esto provoca que cuando
se produce el fraguado, los productos de la hidratación del cemento no cubran todo
este espacio y queden pequeños poros.
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Figura 1.4. Evolución de la resistencia con la variación de la relación A/C
1.7. Neumáticos fuera de uso (NFU)
1.7.1. Historia de los neumáticos
Las primeras ruedas que empezaron a usar caucho sólido fueron las ruedas de
carruajes dedicadas al transporte en Londres en 1851, y hasta principios del siglo XX
no tenían otra función. Pero la necesidad de aumentar la velocidad, la carga, las
distancias y el confort, propició el desarrollo de las ruedas de neumático.
La rueda actual es un complejo sistema de componentes relacionados entre sí,
cada uno con cualidades específicas para lograr una máxima efectividad. Por lo que
depende de las propiedades, la relación de los componentes que la conforman y las
condiciones de servicio para la que ha sido diseñada. El neumático es un anillo
continuo circular, que absorbe y controla las fuerzas transitorias entre el eje y la
carretera.
Aunque la rueda se usa desde la Edad de Bronce para transportar carga, no fue
hasta 1839 cuando se empiezan a utilizar las ruedas cubiertas con caucho o goma
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sólida, gracias a poder someter el caucho natural al proceso de vulcanización,
descubierto por Charles Goodyear (Castro, 2008).
En 1845 un ingeniero escocés, llamado Thomson, desarrolló y patentó el
concepto de la rueda de neumático. Estos neumáticos estaban sujetos a la rueda con
tornillos y podían llenarse de aire. En 1888 John Boyd Dunlop, construye una rueda
de bici que consistía en una cubierta de lona y un tubo de caucho vulcanizado con
una válvula de aire adherida a la rueda.
En 1905 la compañía Rueda y Caucho Goodyear introduce una varilla en el
neumático de lados lisos. En el mismo año la compañía Caucho Continental, fabricó
el primer neumático con la banda de rodadura de superficie plana, lo que propiciaba
que patinara sobre pavimentos mojados. Tres años después este problema se
solucionó, mediante la creación de una rueda con un diseño sobre la banda de
rodadura que proporcionaba mayor contacto con la carretera, más tracción y mayor
calidad de uso (Flores, 2013).
1.7.2. Componentes de los neumáticos
Los neumáticos, son piezas de forma toroidal, y realizadas a partir de caucho,
que se disponen en las ruedas de diversos vehículos y maquinaria. Gracias al
neumático, el vehículo o aparato, se adhiere al pavimento permitiendo el arranque y
frenado de los mismos.
Los neumáticos disponen de hilos para reforzarlos. Según su dirección se
pueden clasificar en:
- Radiales. Son los más utilizados para automóviles hoy en día.
- Diagonales. Las capas se encuentran puestas justamente en forma diagonal
una sobre otra.
- Autoportantes. Las capas están unas sobre otras en dirección recta y asimismo
en los flancos. Esto le confiere mayor resistencia y menor confort, ya que las
hace más rígidas (Ucha, 2013).
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Un neumático está formado por más de 200 compuestos químicos diferentes. De
entre todos ellos destaca el caucho (siendo generalmente empleada una mezcla de
caucho natural y sintético), así como otros aditivos como pueden ser el negro de
carbón o refuerzos estructurales formados por las mallas de acero o textiles. Por otro
lado, su composición en tanto por ciento en peso, puede variar entre marcas y/o
lugares de fabricación, pero suelen encontrarse entre los valores mostrados en la tabla
1.8 (Rodríguez, 2014).
Tabla 1.8. Concentraciones de elementos presentes en los neumáticos
1.7.2.1. Caucho
Este componente puede tener origen natural o sintético, se caracteriza por su
elasticidad y repelencia al agua. Su función es formar parte de la estructura del
neumático y permitir la deformación de este durante su uso.
Los tipos de caucho que nos podemos encontrar se muestran en la tabla 1.9.
Tabla 1.9. Tipos de elastómeros
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Los tipos de caucho más empleados en la fabricación de los neumáticos son:
cauchos naturales (NR), polibutadienos (BR), estireno-butadieno (SBR) y
polisoprenos sintéticos (IR). La matriz de caucho más utilizada es el copolímero
estireno-butadieno (SBR), en el que la proporción es de aproximadamente un 25 %
en peso de estireno, o una mezcla de caucho natural y SBR. La combinación se realiza
de modo que los cauchos naturales proporcionen elasticidad, y los sintéticos
estabilidad térmica. La estructura de los cauchos naturales está formada por
polisopreno mezclado con pequeñas cantidades de proteínas, lípidos y sales
inorgánicas, entre otros. Se encuentra así un polímero de cadena larga y enredada en
forma de espiral, representado en la figura 1.5. Esta cadena se complementa con otro
isómero estructural llamado gutapercha (Castro, 2008).
Figura 1.5. Segmento de una cadena de polímeros de caucho natural
1.7.2.2. Negro de humo o negro de carbón
Se produce por la combustión parcial o descomposición térmica, a alta
temperatura y en ausencia de aire, de hidrocarburos líquidos o gaseosos. Empezó a
utilizarse como componente en los neumáticos en el año 1915, proporcionándole el
color negro tan característico. Su función es la de aumentar la tenacidad, la resistencia
a la tracción, a la torsión y al desgaste, cuanto menor sea el tamaño de las partículas
mayor será su dureza y aumentara sus resistencias. También ayuda a disipar el calor
de las zonas de la huella y del cinturón del neumático, reduciendo el daño térmico e
incrementado la vida útil del neumático (Paradossi et al., 2003).
1.7.2.3. Óxido de zinc (ZnO)
Compuesto químico de color blanco que se usa, en los neumáticos, como
acelerador y activador para la vulcanización del caucho. También actúa como capa
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protectora en el zinc sólido para que este no se oxide fácilmente, porque tiene un alto
potencial de oxidación.
1.7.2.4. Fibras textiles y de acero
Estas fibras y las de acero aportan resistencia a los neumáticos. La primera
fibra textil que se empleó fue el algodón, luego se empezó a utilizar la fibra rayón con
la llegada del neumático radial, y actualmente se utilizan fibras sintéticas como el
poliéster o la aramida. La aramida permite reducir el peso del neumático sin que se
pierdan resistencias (Paradossi et al., 2003).
Las fibras de acero se recubren de latón, para resistir la oxidación, dando forma
y resistencia al neumático ya que constituyen el esqueleto estructural. También
confieren al neumático una mayor capacidad de flexión. Esta flexibilidad permite que
se reduzca la fricción en la rodadura del neumático, por tanto alarga su vida útil.
La cantidad de acero y fibras sintéticas de refuerzo utilizado en los neumáticos
varía según el neumático y el fabricante.
1.7.2.5. Azufre
Elemento químico que se suele encontrar en zonas volcánicas. Se utiliza como
ácido sulfúrico para las baterías, la fabricación de pólvora y en los neumáticos sirve
para realizar la vulcanización del caucho, haciendo que estos sean más resistentes a
los ataques químicos, más duros y durables en el tiempo (López et al., 2009).
1.7.3. Partes de un neumático
Estructuralmente, un neumático está formado por diferentes piezas, unidas entre
sí a través del proceso de vulcanización. Cada una de ellas tienen una composición y
prestaciones bien diferenciadas del resto, marcadas por las exigencias del conjunto,
además de por la funcionalidad de cada parte dentro del neumático. Como se puede
apreciar en la figura 1.6, en términos generales, se distinguen 5 partes constituidas
igualmente por piezas diferentes: interior, carcasa, talones, flancos y banda de
rodadura. Sus características y exigencias son las siguientes (Signus, 2010):
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- Interior: es la parte más interna del neumático, recubriendo la cavidad interior
del mismo de talón a talón. Su función principal es retener el aire y mantener el
máximo tiempo posible la presión correcta de inflado. Esto se consigue bien
con cámara de aire para los neumáticos tubetype (con cámara), o mediante el
liner para los neumáticos tubeless (sin cámara). El liner es un compuesto de
goma muy específico, diferente del resto de la estructura, que recubre el interior
creando un compartimento estanco.
Un buen diseño y funcionamiento de esta capa influye, por lo tanto, en un
correcto desgaste del neumático al garantizar que la presión de inflado es la
adecuada al uso que está teniendo ese neumático, previniendo de esta forma
un desgaste prematuro de la banda de rodadura y un deterioro de los flancos,
por el ataque de los agentes atmosféricos, derivado de un exceso de
deformación del mismo.
- Carcasa: Se trata de la parte que conforma la estructura física del neumático,
sobre la que van montadas el resto de partes. La estructura está compuesta
por diferentes capas de goma y tejido metálico y textil dispuestas de forma
concreta, para conferir las características esenciales del neumático y las
prestaciones en la etapa de uso.
Una buena conservación de la carcasa, se traduce en una prolongación de la
vida útil del neumático. Resulta esencial para el recauchamiento, y por tanto
para incidir positivamente en los aspectos de prevención, diseñar carcasas más
resistentes y duraderas, capaces de aguantar un uso mayor que el kilometraje
correspondiente al desgaste de la banda de rodadura.
- Talones: Son las partes del neumático que entran en contacto con la llanta
metálica. Su función principal es la unión con la misma y la inmovilización del
neumático para cumplir su funcionalidad. Se trata de un anillo de acero, tanto
más grueso cuanto mayores prestaciones se le exija al neumático, recubierto
por una mezcla de goma de una alta función de cierre, para evitar tanto la
pérdida de aire, como el desplazamiento de la cubierta sobre la llanta.
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- Flancos: Se trata de las capas que se sitúan en la parte exterior del neumático
a ambos lados del mismo, entre la banda de rodadura y los talones. La función
principal es la protección lateral de la carcasa, por lo que las mezclas de caucho
utilizadas en su fabricación presentan unas altas prestaciones de resistencia a
la abrasión y a la penetración de cualquier elemento exterior. Una incorrecta
presión de inflado hace que esta parte del neumático se deforme por encima
de los límites establecidos para la misma, y aumente la susceptibilidad de los
mismos a los agentes atmosféricos, acelerando su oxidación y por tanto, dando
lugar a un envejecimiento prematuro de los mismos, influyendo negativamente
en la duración del neumático.
- Banda de rodadura: Se trata de la parte más exterior del neumático, además
de ser uno de los elementos de seguridad más importantes ya que es la parte
del mismo en contacto con la carretera, tanto en el momento de la conducción,
especialmente en mojado, como durante la frenada. La elección de compuestos
concretos en su formulación influye tanto en el mantenimiento de las
condiciones de seguridad de uso como en su duración, al ser esta la parte que
sufre el mayor deterioro y desgaste del neumático. Por lo general, en la
composición de esta parte del neumático, entran elementos distintos no
incorporados en otras partes, como el empleo de sílices.
La figura 1.6, muestra las partes de un neumático.
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Figura 1.6. Estructura de un neumático radial
1.7.4. Proceso de fabricación de los neumáticos
El proceso de fabricación se basa en las siguientes fases (Oponeo, 2011):
- Mezclado: Primero se elaboran las mezclas de los cauchos naturales y
sintéticos con aditivos en distintas proporciones, que varían en función de las
aplicaciones y características finales que se quieran mejorar u obtener del
neumático, según su uso, resistencia, velocidad, cargas, etc. El proceso de
mezcla se lleva a cabo en unas mezcladoras denominadas Banbury. En esta
fase se crea un compuesto gomoso de color negro que se tritura en una fase
posterior.
- Calandrado: Los cables de acero que han sido transportados en bobinas se
pasan por medio de calandradoras, y se recubren con caucho mientras se
vuelven a enrollar en una especie de anillos. Por ultimo son cortados a la
longitud al tamaño final del neumático en el que van a ser utilizado.
- Extrusión: proceso por el cual se le da forma a la goma (banda de rodamiento,
laterales e innerliner).
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- Conformado del talón: los alambres de acero son recubiertos con goma para
dar como resultado el talón del neumático.
- Elaboración de cinturones estabilizadores: se aplica goma a una serie de hilos
de acero para generar los cinturones estabilizadores.
- Triturado: El caucho enfriado se corta en las tiras que conformarán la estructura
básica del propio neumático. En la fase de triturado, se preparan otros
elementos del neumático. Algunos se recubren con otros tipos de caucho.
- Construcción: Esta es la fase en la que el neumático se construye desde dentro
hacia fuera. Los elementos textiles, las lonas con cables de acero, los talones,
las lonas, las bandas de rodadura y otros componentes se integran en una
máquina de construcción de neumáticos. El resultado es un “neumático verde”
(sin vulcanizar) cuyo aspecto comienza a asemejarse al del producto final.
- Vulcanización: Más tarde, el neumático verde se vulcaniza con moldes
calientes en una máquina de “curado” que comprime todas sus partes y le
confiere su forma final, incluido el dibujo de la banda de rodadura y las marcas
del fabricante en el flanco. La vulcanización es un proceso mediante el cual se
calienta el caucho crudo en presencia de azufre, con el fin de volverlo más duro
y resistente al frío. En este proceso, los polímeros lineales paralelos cercanos
constituyen puentes de entrecruzamiento entre sí, usualmente con el azufre
como muestra la figura 1.7. El resultado final es que las moléculas elásticas de
caucho quedan unidas entre sí a una mayor o menor extensión. Esto forma un
caucho más estable, duro, mucho más durable, más resistente al ataque
químico y sin perder la elasticidad natural. También transforma la superficie
pegajosa del material en una superficie suave que no se adhiere al metal o a
los sustratos plásticos (Carrasco, 2013).
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Figura 1.7. Proceso de vulcanización de un polímero natural
- Inspección: En esta fase, una serie de inspectores específicamente formados
emplean maquinaria especial para comprobar minuciosamente todos los
neumáticos y detectar hasta la más leve imperfección antes de comercializarse.
1.7.5. Métodos de reciclaje de neumáticos fuera de uso
En la actualidad existen diversos métodos para el reciclaje de neumáticos
desechados.
1.7.5.1. Trituración mecánica
Con esta técnica se convierten los neumáticos desechados en fragmentos de
tamaño más pequeño, este proceso consta de tres etapas. En la primera, los
neumáticos son fragmentados en tiras. En la segunda etapa, las tiras de material son
introducidas en un triturador, que sigue fragmentando el material para permitir la
separación más fácil del acero que compone los neumáticos, mediante el uso de
imanes. Finalmente, tras eliminarse el acero, el material restante es introducido en
otro triturador para llevarlo a la granulometría deseada. Dependiendo de la
granulometría, se realizará una trituración o una granulación. Con la trituración se
obtiene un tamaño de material mayor. El proceso queda esquematizado en la figura
1.8, y en la figura 1.9 se muestra el proceso y las distintas granulometrías que se
pueden obtener del caucho con este proceso (Cedex, 2013).
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Figura 1.8. Proceso de tratamiento de NFU
Figura 1.9. Diferentes granulometrías del caucho obtenido de los NFU
1.7.5.2. Trituración criogénica
Sigue la misma metodología que la trituración mecánica, salvo que este método
se lleva a cabo a temperaturas extremadamente bajas mediante el uso de nitrógeno
líquido, esto permite una fácil trituración y separación de los materiales que componen
los neumáticos, pues a estas temperaturas se vuelven quebradizos lo que facilita su
trituración. Sin embargo, debido a las características especialmente costosas frente a
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otras alternativas como la trituración mecánica tradicional, el empleo de este proceso
no se encuentra muy extendido, pues el incremento de este coste no justifica la mejora
en el rendimiento del proceso (Cedex, 2013).
1.7.5.3. Incineración
Como su nombre indica, consiste en la quema (en presencia de oxígeno) de
neumáticos para su aprovechamiento como combustible, ya que posee un poder
calorífico que puede llegar a ser superior al del carbón pues oscila entre 28-34 MJ/kg.
El empleo de este proceso suele reservarse para horno con materiales refractarios de
alta calidad, pudiendo ser utilizados en plantas industriales de cemento, ladrillo, papel,
acero, etc. Este método no se encuentra muy extendido debido a la elevada
contaminación que produce y es necesario un sistema de tratamiento de gases
(Esteve, 2012).
1.7.5.4. Producción de electricidad y vapor
Se fundamenta en la combustión en calderas de los NFU para producir vapor de
agua. Este puede ser aprovechado directamente o ser conducido hasta una turbina
conectada a un generador que producida la electricidad al moverse. Este sistema,
puede ser empleado para abastecer de electricidad a la planta de reciclaje o utilizarse
en plantas eléctricas como combustible alternativo. Tiene los mismos inconvenientes
ambientales que tiene el método de la incineración, por lo que necesitara de un
sistema de tratamiento de gases y de efluentes.
1.7.5.5. Termólisis, pirólisis y gasificación
La termólisis es un proceso térmico que se emplea generalmente para la
recuperación de los compuestos que forman los neumáticos. Este proceso se
fundamenta en la aportación de calor en ausencia de oxigeno evitando así, el
fenómeno de combustión y consiguiendo en su lugar la rotura de los enlaces químicos
de los componentes que conforman los neumáticos (Esteve, 2012).
Por su parte, la pirólisis es un tipo de termólisis particular en la que puede haber
una concentración muy baja o nula de oxígeno, también puede haber presencia de
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vapor de agua para el aporte de calor. Este método es relativamente reciente y se
encuentra actualmente en vías de investigación. Debe mejorarse, principalmente
debido a que la calidad y propiedades de los componentes recuperados son inferiores
a los empleados en la fabricación de un neumático nuevo o de uno obtenido por
medios convencionales.
Con la gasificación se maximizan la cantidad de productos recuperados en forma
de gases. Este método puede ser llevado a cabo mediante mayores aportes de
temperatura en menor tiempo o mayores tiempos de residencia a una temperatura
menor, también se consigue variando las concentraciones de oxígeno en el proceso.
De esta forma se consigue el craqueo térmico de las cadenas más largas de
hidrocarburos (Cedex, 2013).
1.7.5.6. Recauchado
Consiste en la sustitución, siempre que sea posible, de la banda de rodadura
gastada de un NFU por otra completamente nueva, dicha banda puede provenir del
reciclado de neumáticos. Posteriormente, se suele llevar a cabo un proceso de
vulcanizado y curado para aumentar la resistencia del neumático final. Como resultado
de toda esta serie de proceso, se consigue la recuperación completa de un neumático
apto para su uso a la vez que se reduce, entre un 50 o 75 %, el consumo de materias
primas. Sin embargo, las prestaciones de este tipo de neumáticos difieren de los
neumáticos de reposición.
1.7.5.7. Regeneración del caucho
Consiste en la desvulcanización de los neumáticos mediante la rotura de los
enlaces de azufre entre las cadenas de caucho, para ello existen cinco tipos de
procesos: químicos, termoquímicos, mecánicos, irradiación y biológicos. El caucho
recuperado por estos procesos, posee una menor calidad que el originalmente
empleado para la fabricación de los neumáticos, ya que los métodos actuales no son
lo suficientemente selectivos para romper los enlaces entre cadenas sin romper la
cadena principal. Es por ello, que lo recuperado por estos métodos, no pueda ser
empleado en la fabricación de neumáticos nuevos debido a los estándares de calidad,
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
49 Escuela Politécnica Superior de Jaén
y se destina para la fabricación de otro tipo de artículos que empleen caucho. El
principal inconveniente de este método deriva en las complicadas técnicas, la
duración, la peligrosidad o toxicidad de los materiales empleados o el coste para que
este método resulte viable (Rodríguez, 2014).
- Los procesos químicos de desvulcanización se fundamentan, en la mezcla del
polvo de caucho con un peptizante y un agente regenerador. Este último es el
encargado de romper las cadenas de caucho y reaccionar con los radicales
formados.
- Los procesos termoquímicos, son la combinación del proceso anterior con el
uso extensivo de calor para favorecer las reacciones y el craqueado térmico de
las cadenas.
- Los procesos mecánicos combinan el uso de agentes regeneradores y el
cizallado del material a alta velocidad y presión.
- La desvulcanización mediante radiación, se lleva a cabo mediante el uso de
microondas. Este método solo se puede emplear con aquellos materiales
vulcanizados que posean moléculas polares o posean aditivos que se
comporten como tal, ya que este proceso se fundamenta en el calentamiento
del material y posterior craqueo térmico de este mediante la excitación de estos
dipolos. Aunque no se trata de una radiación, los ultrasonidos también han
demostrado ser capaces de producir la desvulcanización del caucho, aunque
el mecanismo que sigue no se ha logrado aclarar.
- La desvulcanización mediante procesos biológicos, es la alternativa más
atractiva debido a la alta selectividad que posee, sin embargo, la lentitud de
este proceso y la dificultad para el cultivo de microorganismos que lo lleven a
cabo, hacen que este método pueda ser aplicado actualmente a escala
industrial.
1.7.6. Desarrollo de mercado y aplicaciones
Durante los últimos años, empresas de diferentes sectores, así como centros
tecnológicos y universidades, han mostrado gran interés por llevar a cabo proyectos
de I+D para el desarrollo de nuevos mercados de los materiales procedentes de los
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
50 Escuela Politécnica Superior de Jaén
NFU. Se han impulsado diferentes proyectos para dar valor a estos materiales, entre
ellos, el desarrollo de piezas de granulado de caucho y resina mediante sistemas de
fabricación en continuo, la aplicación de la nanotecnología a las partículas de caucho,
o el desarrollo de superficies de altas prestaciones con caucho para pistas ecuestres.
Actualmente existe un mercado perfectamente estructurado y además, existen
especificaciones y requisitos técnicos que se aplican a los productos según sus usos.
Los principales nichos de mercado del caucho de NFU en España son:
- Rellenos para campos de césped artificial
- Suelos de seguridad en parques infantiles
- Modificador de mezclas bituminosas
- Fabricación de piezas moldeadas
En la figura 1.10, se presenta un gráfico con las cifras de suministro a cada una
de las aplicaciones en toneladas por año durante el periodo 2009-2016 en España
(Pérez et al., 2018).
Figura 1.10. Destinos del caucho reutilizado de NFU en toneladas por año
En primer lugar, se observa que la utilización del granulado de NFU como relleno
de césped artificial en campos de fútbol está suficientemente consolidado, siendo
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51 Escuela Politécnica Superior de Jaén
además, el que más volumen de material demanda. De igual forma se concluye, la
aplicación en suelos de seguridad de parques infantiles donde el granulado de caucho
procedente de NFU es el material más rentable y con mejores propiedades técnicas
para esta aplicación. En el caso de las mezclas bituminosas, el consumo ha ido
disminuyendo en los últimos años, llegando a valores que están muy por debajo del
verdadero potencial que tiene esta aplicación. Finalmente, se puede apreciar que
existe un progresivo ascenso del mercado de piezas moldeadas. Además, existen
otras aplicaciones minoritarias como aislamiento térmico y acústico, suelas de
calzado, losetas, etc. Estas aplicaciones se pueden observar en las tablas 1.10 y 1.11,
en función de su granulometría.
Tabla 1.10. Aplicaciones del polvo de caucho reutilizado (< 0,8 mm)
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
52 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Tabla 1.11. Aplicaciones del caucho granulado reutilizado (0,8 - 20 mm)
1.8. Aditivos
Según la norma UNE-EN 934-2:2010/A1:2012 (UNE-EN 934-2:2010/A1:2012)
se define un aditivo como: “aquellas sustancias o productos que incorporados al
hormigón, mortero o pasta antes o durante el amasado y/o durante un amasado
suplementario, en una proporción no superior al 5 % del peso de cemento (salvo casos
especiales), producen la modificación deseada en dicho hormigón, mortero o pasta en
estado fresco y/o endurecido, de alguna de sus características, de sus propiedades
habituales o de su comportamiento” (UNE-EN 934-2:2010/A1:2012). Cada aditivo se
caracteriza por producir una modificación determinada de alguna de las propiedades
o características del hormigón, mortero o pasta en estado fresco o endurecido,
propiedad que se define como función principal. Por otra parte, los aditivos pueden
modificar accesoriamente alguna, o algunas, de las propiedades o características del
hormigón, mortero o pasta en estado fresco o endurecido, independientemente de la
que define a la función principal; esta propiedad se define como función o funciones
secundarias.
Las funciones principales de los aditivos son (UNE-EN 934-2:2010/A1:2012):
- Mejorar la trabajabilidad de los hormigones, morteros o pastas para una determinada
relación agua/cemento o permitir la reducción de la cantidad de agua de amasado
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53 Escuela Politécnica Superior de Jaén
para una trabajabilidad dada; generalmente, estos aditivos son sólidos finamente
divididos, son denominados aditivos plastificantes.
- Disminuir la cantidad de agua de amasado de un hormigón, mortero o pasta (en
cantidades iguales o superiores al 5 % para los dos primeros y al 3 % para el tercero)
para una trabajabilidad dada o, por ampliación, aumentar notablemente la
trabajabilidad para una misma cantidad de agua; también, con estos aditivos, se
pueden obtener simultáneamente ambos fenómenos. Se denominan aditivos
reductores de agua o fluidificantes.
- Aumentar, significativamente, la trabajabilidad de un hormigón, mortero o pasta para
una relación agua/cemento dada o reducir considerablemente la cantidad de agua de
amasado (en cantidades iguales o superiores al 12 %) para una trabajabilidad
determinada; como en el caso anterior, también se pueden obtener simultáneamente,
con estos aditivos, ambos fenómenos. Estos aditivos se denominan aditivos
superplastificantes, superfluidificantes o reductores de agua de alta actividad.
- Reducir o adelantar el tiempo de fraguado del cemento (principio y final) que se
encuentra en el hormigón, mortero o pasta. Estos aditivos se denominan aditivos
aceleradores de fraguado.
- Retrasar el tiempo de fraguado (principio y final) del cemento que se encuentra en el
hormigón, mortero o pasta. Estos aditivos se denominan aditivos retardadores de
fraguado.
- Aumentar o acelerar el desarrollo de las resistencias mecánicas iniciales de los
hormigones, morteros o pastas. Estos aditivos se denominan aditivos aceleradores de
endurecimiento.
- Producir en los hormigones, morteros o pastas, un número elevado de finas burbujas
de aire, separadas y repartidas uniformemente, que permanecen así durante el
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
54 Escuela Politécnica Superior de Jaén
endurecimiento de los materiales aditivados. Se denominan aditivos inclusores de
aire.
- Producir un gas por medio de una reacción química durante la colocación del
hormigón, mortero o pasta. Se denominan aditivos generadores de gas.
- Producir, por medios mecánicos, una espuma estable formada por burbujas de aire
de tamaño variable, distribuidas homogéneamente dentro de la masa, a la que
confiere una estructura alveolar. Se denominan aditivos generadores de espuma.
- Eliminar el exceso de aire introducido en la masa del hormigón, mortero o pasta por
el empleo de ciertos áridos o de ciertos aditivos utilizados para obtener otra función
principal. Se denominan aditivos desaireantes o antiespumantes.
- Producir una expansión controlada y permanente en los hormigones, morteros y
pastas. Se denominan aditivos generadores de expansión.
- Mejorar la resistencia a las heladas de los hormigones, morteros o pastas. Se
denominan aditivos protectores contra las heladas.
- Disminuir el punto de congelación del agua de amasado; además, pueden impedir la
aparición de cristales de hielo en el hormigón, mortero o pasta. Se denominan aditivos
anticongelantes.
- Incrementar la resistencia al paso del agua bajo presión a través de hormigones,
morteros o pastas endurecidas. Se denominan aditivos que reducen la penetrabilidad
del agua.
- Disminuir la capacidad de absorción capilar o la cantidad de agua que pasa a través
de un hormigón, mortero o pasta, saturado y sometido a un gradiente hidráulico. Se
denominan aditivos hidrófugos o repulsores de agua.
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55 Escuela Politécnica Superior de Jaén
- Reducir la posibilidad de corrosión de las armaduras embebidas en el hormigón o
mortero. Denominados aditivos inhibidores de corrosión de armaduras.
- Impedir o dificultar la reacción entre ciertos áridos y los álcalis del cemento, así como
reducir sus efectos expansivos. Denominados aditivos modificadores de la reacción
álcali-áridos.
- Reducir el rozamiento externo del hormigón, mortero o pasta contra la tubería de
conducción, sin modificar la relación agua/cemento. Denominados aditivos para el
bombeo.
- Mejorar las condiciones de proyección al disminuir el descuelgue del material
proyectado y el rechazo. Denominados aditivos para hormigones y morteros
proyectados.
- Aumentar la fluidez de los rellenos o morteros (de inyección) y reducir los riesgos de
exudación y decantación. Denominados aditivos para inyecciones.
- Colorear al hormigón, mortero o pasta. Denominados aditivos colorantes.
1.8.1. Aditivo plastificante
Los aditivos plastificantes, son aditivos químicos que pueden ser añadidos a las
mezclas de hormigón para hacerlas más trabajables. La resistencia del hormigón es
inversamente proporcional a la relación agua/cemento (en peso) de la mezcla. Si se
busca producir un hormigón más resistente se añade menos agua a la mezcla, lo que
la hace menos trabajable, siendo necesario el uso de plastificadores o
superplastificadores.
Normalmente es suficiente con añadir un 2 % de aditivo por unidad de peso de
cemento. Añadir demasiada cantidad de aditivo puede generar segregación excesiva
del hormigón, algo que no es aconsejable. Algunos estudios también muestran que
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56 Escuela Politécnica Superior de Jaén
añadir demasiado aditivo plastificante puede aumentar el tiempo de fraguado del
hormigón.
Son productos muy finos tales como la tierra diatomea, la bentonita, cales grasas
o hidráulicas finas, cenizas volantes y puzolanas molidas que añadidas al hormigón
complementan su granulometría y facilitan el deslizamiento del
mortero, haciendo la mezcla más trabajable.
Los plastificadores suelen obtenerse a partir de lignosulfonatos, un producto
intermedio de la industria papelera. Los plastificadores tradicionales a base de
lignosulfatos dispersan las partículas de cemento floculadas mediante un mecanismo
de repulsión electrostática. En los plastificadores normales, las sustancias activas
son adsorbidas sobre las partículas de cemento cargándolas negativamente, lo que
provoca la repulsión entre ellas al tener cargas del mismo signo. En los
superplastificadores de naftaleno y de melamina, que son polímeros orgánicos, las
moléculas largas "abrazan" a las partículas de cemento, dándoles una carga
altamente negativa que provoca una gran repulsión entre ellas (Fernández, 2013).
1.8.2. Aditivo plastificante-aireante
Este tipo de aditivos tienen unas características o ventajas tales como:
- Actúa como plastificante-aireante mejorando la trabajabilidad sobre todo cuando
se utilizan arenas ásperas o de mala calidad.
- Permite reducir el agua de amasado.
- Aumenta la cohesión, disminuye la exudación y evita la segregación en el mortero
fresco.
- Debido a la oclusión limitada de aire aumenta la resistencia del mortero endurecido
a las heladas e intemperies.
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2. OBJETIVOS
El objetivo principal de este Trabajo Fin de Grado es la evaluación del uso de
caucho proveniente de neumáticos fuera de uso (NFU) como sustituto del agregado
arena, así como la introducción de un aditivo, plastificante-aireante, en la fabricación
de morteros sostenibles.
Para alcanzar el objetivo general se establecen los siguientes objetivos
específicos:
- Caracterización de las materias primas: cemento Portland, arena y caucho
procedente de NFU.
- Fabricación de las probetas de mortero empleando una sustitución en volumen
de NFU (0-100 %) en lugar del agregado arena y la introducción de un aditivo
plastificante-aireante. Evaluación y estudio de las propiedades físicas
(densidad y absorción de agua por capilaridad) y mecánicas (resistencia a
flexión y compresión) de los morteros aligerados en función de su composición
y del tiempo de curado (7 y 28 días). Este estudio permitirá determinar la
máxima cantidad de caucho de NFU que se puede sustituir para obtener
morteros sostenibles sin llegar a degradar ninguna de sus prestaciones.
- Toma de imágenes para posterior estudio mediante la técnica de correlación
digital de imágenes (DIC), previo acondicionamiento de los morteros.
- Caracterización microestructural por microscopía electrónica de barrido (SEM)
y análisis EDX, de las probetas con sustitución de 5, 30 y 100 % de la arena
por caucho a 28 días de curado.
- Estudiar la viabilidad económica de los nuevos morteros ligeros, teniendo en
cuenta la reducción de costes que implica el empleo de un residuo.
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59 Escuela Politécnica Superior de Jaén
3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Y MATERIALES
3.1. Materias primas
3.1.1. Cemento Portland CEM II
En la elaboración de las probetas de mortero para
este TFG se ha utilizado cemento Portland de alta
resistencia, con denominación CEM II/A-V 42,5 R,
fabricado por la empresa Holcim. Sus componentes
principales, como refleja la norma UNE-EN 197-1 (UNE-
EN 197-1:2011), son clínker (80-94 %), cenizas
volantes silíceas (6-20 %) y componentes minoritarios
(0-5 %).
3.1.2. Arena
Para la elaboración de las probetas de mortero se ha utilizado arena normalizada
CEN para ensayos de cementos suministrada por el Instituto Eduardo Torroja
(Madrid). Los áridos utilizados en la elaboración de las probetas de este TFG están
sujetos a la normativa DIN EN 196-1 (DIN EN 196-1 , 2016).
3.1.3. Caucho procedente de NFU
En la elaboración de probetas de mortero
se ha utilizado caucho de neumáticos reciclados
como sustituto de áridos. El caucho triturado
procede de la empresa “Renean” situada en
Espeluy (Jaén).
En la elaboración de probetas de este TFG
se han utilizado dos rangos granulométricos, de
0,0 a 0,6 mm y de 0,6 a 2,0 mm. Estos dos rangos granulométricos han sido
Figura 3.1. Cemento
Portland
Figura 3.2. Carbón de NFU
granulado
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60 Escuela Politécnica Superior de Jaén
mezclados para intentar simular las características granulométricas del material
sustituido (arena). Para ello, el residuo se compone de un 70 % en peso de
granulometría de 0,6 a 2,0 milímetros y de un 30 % de granulometría de 0 a 2,0
milímetros.
3.1.4. Aditivo
Para la realización de las probetas de mortero se
ha adicionado un aditivo plastificante-aireante,
Sikamor-A, en una proporción de 0,05 % en relación
con el peso de cemento. Procede de la empresa
Rescatec MC (Materiales de Construcción) situada en
Huércal (Almería).
Este aditivo tiene una densidad de 1,03 kg/m3,
un contenido en cloruros ≤ 0,1 % y un contenido en
alcalinos ≤ 3 %.
Este aditivo se añade al agua de amasado y no
directamente sobre la mezcla seca de cemento y arena.
3.2. Caracterización de las materias primas
3.2.1. Caracterización del cemento Portland
3.2.1.1. Humedad, materia orgánica, pH, contenido de carbonatos,
superficie específica y densidad relativa
La determinación del contenido en humedad y materia orgánica se ha realizado
mediante la norma ASTM D-2974:1984 (ASTM D-2974, 1984).
Para la determinación de la humedad se han empleado los siguientes materiales
y equipo:
Figura 3.3. Aditivo Sikamor-A
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61 Escuela Politécnica Superior de Jaén
- Horno o estufa, capaz de mantener una temperatura constante de 105 ± 5 ºC,
para realizar el secado
- Cápsulas de porcelana
- Balanza
Para la realización de este ensayo, las muestras fueron introducidas en cápsula
de porcelana con un peso conocido (mi), secadas en estufa a 105°C durante 24 horas
hasta obtener una masa constante (mf). El valor de la humedad se expresó como
porcentaje, y se calculó siguiendo la siguiente expresión (Ecuación 9):
%ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 =𝑚𝑖 − 𝑚𝑓
𝑚𝑖· 100 [Ec.9]
Por otro lado, el contenido en materia orgánica se estima mediante ignición de
la muestra desecada (mf) a una temperatura de 440 ºC. Una vez terminada la ignición
se obtienen las cenizas (mresultante). El valor de la materia orgánica se expresa en
porcentaje y se obtiene con la expresión (Ecuación 10):
%𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 = (𝑚𝑓 − 𝑚𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒) · 100 [Ec.10]
La medida del pH del cemento Portland se obtuvo a través de un pH-metro de
sólidos PCE Instrument (PCE-PH20S), mostrado en la figura 3.4.
Figura 3.4. pH-metro de sólidos PCE-PH20S
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62 Escuela Politécnica Superior de Jaén
El contenido en carbonatos se realizó por medio de la calcimetría de Bernard.
Para ello se mezcló carbonato cálcico (CaCO3) con ácido clorhídrico (HCl)
desprendiendo CO2. Se mide la cantidad emitida de gas de acuerdo a la reacción
(Ecuación 11):
𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 2𝐻𝐶𝑙 → 𝐶𝑎𝐶𝑙2 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 [Ec.11]
Para la determinación de la superficie específica se hace uso del método Blaine.
Dicho método se basa en que la velocidad de paso del aire a través de una capa de
material con determinada porosidad depende del tamaño de las partículas del material
y, por tanto, de la superficie específica de éste. Se mide la superficie específica por
comparación con una muestra de referencia y, previamente, es necesario determinar
la densidad del material. Para ello, se emplea el frasco volumétrico de Le Châtelier,
se llena el matraz con queroseno hasta unas graduaciones comprendidas entre 0 y 1
cm3, se introduce la cantidad de muestra necesaria para obtener un volumen
aproximadamente de unos 20 cm3 y la diferencia entre las dos lecturas efectuadas es
el volumen de líquido desplazado por la masa de material ensayado. La densidad (ρ)
se calcula a través de la siguiente expresión (Ecuación 12):
𝜌 (𝑔
𝑐𝑚3) =
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 (𝑔)
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑑𝑜 (𝑐𝑚3) [Ec.12]
Una vez determinada la densidad, se calcula la superficie específica mediante la
expresión (Ecuación 13):
𝑆 (𝑐𝑚2
𝑔) =
524,17 · 2,66 · √𝑡
𝜌 [Ec.13]
Donde “t” representa el tiempo obtenido en el ensayo Blaine.
3.2.1.2. Difracción de rayos X (DRX)
La composición química de los materiales empleados se determinó mediante
Difracción de rayos X (DRX) usando el equipo Philips Magix Pro (PW-2440). La
difracción de rayos X es uno de los fenómenos físicos que se producen al interaccionar
un haz de rayos X, de una determinada longitud de onda, con una sustancia cristalina.
La difracción de rayos X se basa en la dispersión coherente del haz de rayos X por
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63 Escuela Politécnica Superior de Jaén
parte de la materia (se mantiene la longitud de onda de la radiación) y en la
interferencia constructiva de las ondas que están en fase y que se dispersan en
determinadas direcciones del espacio (Figura 3.5). El fenómeno de la difracción puede
describirse con la Ley de Bragg, que predice la dirección en la que se da interferencia
constructiva entre haces de rayos X dispersados coherentemente por un cristal nλ =
2d sen (θ), los Rayos X tienen la longitud de onda en Angtroms (Mazuelas, 1992).
Figura 3.5. Difracción de rayos X
Las diferentes fases cristalinas se determinaron con el difractómetro
automatizado de rayos X, X-Pert Pro MPD (PANanalytical), equipado con
monocromador primario de Ge (111), usando la radiación Cu Kα (λ = 1.5406 Å)
monocromática y un detector de rayos X. La posterior identificación de las fases
cristalinas se ha llevado a cabo mediante el software High Score Plus de PANalytical
utilizando la base de datos COD_201.
3.2.1.3. Caracterización microestructural
Para caracterizar la microestructura del cemento Portland se ha utilizado la
microscopia electrónica de barrido. Con ello se puede estudiar con detalle la
topografía de la superficie y la morfología de estructural de materiales sólidos. La
técnica permite obtener imágenes de alta resolución de la superficie de la muestra en
estudio utilizando interacciones electrón-materia. Con la utilización del método
interactivo electrón-materia junto con el contraste topográfico y profundidad del foco,
se llega a obtener imágenes con apariencia tridimensional.
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Esta técnica se realizó empleando microscopio electrónico de barrido de alta
resolución JEOL SM 840 junto con una espectroscopia de energía dispersiva de
Rayos X (SEM/EDX).
3.2.1.4. Fluorescencia de rayos X (FRX)
La composición química del cemento Portland se determinó mediante
fluorescencia de rayos X (FRX). Para ello se empleó un espectrómetro secuencial de
longitud de onda dispersiva con generador de rayos X, Philips Magix Pro (PW-2440)
mostrado en la figura 3.6.
Figura 3.6. Generador de rayos X Philips Magix Pro (PW-2440)
Esta técnica utiliza la emisión secundaria o fluorescente de radiación X que se
genera al excitar una muestra con una fuente emisora de rayos X. La radiación X
incidente o primaria expulsa electrones de capas interiores del átomo. Entonces, los
electrones de capas más externas ocupan los lugares vacantes, y el exceso
energético resultante de esta transición se disipa en forma de fotones: la llamada
radiación X fluorescente o secundaria. Esta radiación de fluorescencia es
característica para cada elemento químico. Por lo tanto, es posible identificar un
elemento dentro del espectro de la muestra si se conoce la energía entre los orbitales
atómicos implicados (longitud de onda). La concentración de cada elemento se
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65 Escuela Politécnica Superior de Jaén
detecta midiendo la intensidad de la energía asociada a cada transición de electrones.
Es decir, la salida de un análisis EDX es un espectro que muestra la intensidad de
radiación en función de la energía (Valentinuzzi, 2018).
3.2.1.5. Distribución granulométrica
Para obtener la distribución del tamaño de partícula de las materias primas se
utilizó un equipo Malvern Mastersizer 2000, mostrado en la figura 3.7. Este equipo
analiza la distribución del tamaño de partícula de cualquier material sólido disperso en
medio líquido, en un rango comprendido entre 0,02 y 1500 micras con la tecnología
de difracción de luz Láser.
Figura 3.7. Equipo Malvern Mastersizer 2000
La difracción láser mide las distribuciones de tamaño de partícula a partir de la
variación angular de la intensidad de la luz dispersada cuando un rayo láser, pasa a
través de una muestra de partículas dispersas. Las partículas grandes dispersan la
luz en ángulos pequeños en relación con el rayo láser, y las partículas pequeñas
dispersan la luz en ángulos grandes. Posteriormente se analizan los datos de la
intensidad de dispersión angular para calcular el tamaño de las partículas
responsables de crear el patrón de dispersión, utilizando la teoría Mie de la dispersión
de luz. El tamaño de partícula se registra como un diámetro de esfera equivalente al
volumen (Martínez, 2006).
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
66 Escuela Politécnica Superior de Jaén
3.2.1.6. Análisis elemental (CHNS-O)
Se basa en analizar la muestra para así poder determinar su contenido en
carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y oxígeno. Para ello se utiliza un analizador
elemental CHNS-O Thermo Finnigan Flash EA 1112, mostrado en la figura 3.8.
Figura 3.8. Analizador elemental Thermo Finnigan Flash EA 1112
Se realiza una combustión de las muestras a una temperatura de 950 ºC en una
atmósfera de O2. Los gases que resultan de la combustión son conducidos y se
separan en una cromatografía en columna, siendo así detectados por el detector de
conductividad térmica, transmitiendo una señal que proporciona la concentración de
componentes.
3.2.2. Caracterización de la arena y del caucho proveniente de NFU
Para calcular la densidad se ha empleado la siguiente expresión (Ecuación 14):
𝜌 =𝑚
𝑉 [Ec.14]
- 𝜌 → densidad del caucho (kg/m3).
- 𝑚 → masa obtenida en (kg).
- 𝑉 → volumen (m3)
En el caso de la arena, al disponer de ésta en bolsas con un peso determinado
(1350 gramos), se mide directamente el volumen que ocupa y se obtiene directamente
la densidad al sustituir en la expresión anterior.
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
67 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Para el cálculo de la densidad del caucho se taró una probeta y se llenó de
caucho hasta alcanzar un volumen de 200 mL, posteriormente se pesó. Este proceso
fue repetido diez veces para obtener un valor fiable.
3.3. Elaboración de las probetas de mortero
Las probetas de mortero fueron elaboradas con sustitución de la arena por
caucho en un rango desde el 0-100 %, con adición del aditivo en un 0,05 % en relación
al cemento, y en función del tiempo de curado 7 y 28 días, respectivamente.
Dichas probetas son sometidas, después de su fabricación a ensayos físicos y
mecánicos tales como la densidad aparente, la absorción de agua por capilaridad y la
resistencia a flexión y compresión.
Para la elaboración de dichas probetas se ha hecho uso de los materiales
anteriormente definidos:
• Cemento Portland de alta resistencia CEM II/A-V 42,5 R, comercializado por la
empresa HOLCIM S.A.
• Arena: normalizada CEM para ensayos de cementos suministradas por el
Instituto Eduardo Torroja (Madrid).
• Caucho en dos rangos granulométricos 0,0-0,6 mm y 0,6-2 mm distribuido por
empresa Renean ubicada en Espeluy (Jaén).
• Aditivo Sikamor A suministrado por Rescatec MC (Materiales de Construcción)
empresa ubicada en Huércal (Almería).
3.3.1. Composición de las probetas de mortero
Las probetas de mortero se elaboran de acuerdo con la norma Europea UNE EN
196-1:2018 (UNE-EN 196-1:2018). Dicha norma establece la cantidad de cada
componente necesaria para generar una amasada que nos permita obtener tres
probetas de 40x40x160 mm (aproximadamente) en un mismo molde normalizado.
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Las cantidades establecidas en dicha norma para cada amasada son 450±2
gramos de cemento, 1350±5 gramos de arena y 225±1 gramos de agua (UNE-EN
196-1:2018).
Para este Trabajo de Fin de Grado, se ha llevado a cabo la sustitución
volumétrica de la parte de áridos, de forma progresiva, por caucho, y se ha añadido
un aditivo, al agua de amasado, en un porcentaje fijo en relación al peso de cemento.
En la tabla 3.1 se recoge la composición de las probetas. El porcentaje sustituido
representa el tanto por ciento en volumen de caucho. Con este porcentaje es con el
que se marcan las probetas para nombrarlas.
Porcentaje
sustituido
Arena Caucho Cemento Agua Aditivo
Peso (g) Vol. (mL) Peso (g) Vol. (mL) Peso (g) Peso (g) Peso (g)
0% 1350 750 0 0 450 224,775 0,225
5% 1282,5 712,5 17,925 37,5 450 224,775 0,225
10% 1215 675 35,85 75 450 224,775 0,225
20% 1080 600 71,7 150 450 224,775 0,225
30% 945 525 107,55 225 450 224,775 0,225
40% 810 450 143,4 300 450 224,775 0,225
50% 675 375 179,25 375 450 224,775 0,225
75% 337,5 187,5 268,875 562,5 450 224,775 0,225
100% 0 0 358,5 750 450 224,775 0,225
Tabla 3.1. Composición de las probetas
Se prepararon dos masas de cada una de las composiciones para su posterior
análisis a los 7 y 28 días de curado. Se realizaron tres probetas para cada porcentaje
y tiempo de curado, fabricándose un total de 54 probetas.
3.3.2. Elaboración de las probetas de mortero
El procedimiento para la elaboración de los morteros viene establecido en la
norma UNE-EN 196-1:2018 (UNE-EN 196-1:2018).
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Los moldes utilizados son de acero, y están formados por tres compartimentos
para la obtención de tres probetas de forma simultánea. Cada probeta posee unas
dimensiones de 40x40x160 mm. Los moldes están compuestos de distintas piezas
que se ensamblan con facilidad y se ajustan gracias a un tornillo de presión que da
empaque al conjunto. En la figura 3.9 se puede observar el molde utilizado.
La denominación seguida para la identificación de las probetas será en función
del porcentaje de caucho y los días de curado, e introduciendo las letras A, B y C, en
la cara lateral, para la diferenciación de las tres probetas correspondientes a cada
porcentaje. Por ejemplo, para 5 % de sustitución de arena por caucho, primera probeta
(A) y 28 días de curado, la denominación será “5% CAU 28 A”.
Figura 3.9. Molde para la elaboración de probetas de mortero
El proceso a seguir ha sido el siguiente:
- Se pesan cada uno de los componentes en la balanza de precisión (Figura
3.10) tal y como refleja en la tabla 3.1.
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Figura 3.10. Balanza de precisión
Figura 3.11. Materiales pesados
Figura 3.12. Mezcla de caucho y arena
- Una vez separados y pesados los materiales (Figura 3.11) se procede a la
mezcla en estado sólido del caucho y de la arena (Figura 3.12), hasta lograr su
homogeneización. A continuación añadimos el aditivo Sikamor A al agua de
amasado.
- Se realiza el montaje del molde metálico.
- Se procede a realizar el amasado haciendo uso de una amasadora planetaria
Proeti, mostrada en la figura 3.13. El procedimiento a seguir es el siguiente:
o Se vierte la mezcla de agua y aditivo junto al
cemento dentro del recipiente de la amasadora.
o Se enciende la amasadora a velocidad lenta
durante 60 segundos. En los 30 últimos segundos se
vierte la mezcla de arena y caucho.
o Se para la amasadora durante 90 segundos.
En los 30 primeros segundos se retira con una
espátula el material adherido a los laterales del
recipiente y se introduce en el centro.
o Se enciende la amasadora a velocidad rápida
durante 60 segundos.
Figura 3.13. Amasadora
planetaria Proeti
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- Se procede al enmoldado de las probetas inmediatamente después de la
fabricación del mortero.
o Se rellenan los moldes hasta la mitad y se sacude con 60 golpes de
forma manual (Figura 3.14).
o Se rellena el resto y se sacude con 60 golpes adicionales.
o Se retira el exceso y se enrasa con ayuda de una regla, para lograr una
superficie uniforme y lisa.
Figura 3.14. Molde relleno hasta la mitad
Figura 3.15. Molde después de 24 horas
- Se conserva en el laboratorio a temperatura de 21 ºC y 60 % de humedad
durante 24 horas, condiciones ambientales del laboratorio (Figura 3.15).
- Se lleva a cabo el desmoldado haciendo uso de un martillo de goma para no
romperlas ni dañarlas (Figura 3.16).
- Se marcan las probetas para su posterior identificación (con la denominación
definida anteriormente en función del porcentaje de caucho).
- El curado se realiza en una cámara climática con una temperatura de 22 ºC y
una humedad mayor de 80 % (Figura 3.17).
- Pasado el tiempo de curado se introducen en un recipiente con acetona durante
24 horas y se para la reacción de hidratación (Figura 3.18).
- Se sacan de la acetona y se dejan al aire en el laboratorio (Figuras 3.19 y 3.20).
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Figura 3.16. Desmoldado de las
probetas
Figura 3.17. Curado en cámara climática
Figura 3.18. Curado en acetona
Figura 3.19. Probetas marcadas 28 días
Figura 3.20. Probetas marcadas 7 días
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3.4. Caracterización física de los morteros
3.4.1. Determinación de la densidad aparente en seco del mortero
endurecido
La densidad aparente en seco de los morteros endurecidos se determina de
acuerdo con la norma UNE-EN 1015-10:2000/A1:2007 (UNE-EN 1015-
10:2000/A1:2007). Esta norma europea tiene por objeto describir un método de
ensayo para determinar la densidad aparente en seco de lo morteros endurecidos. Se
aplica a los morteros ligeros, así como a los morteros de uso corriente y a los morteros
para juntas finas, utilizando probetas de forma regular.
La densidad aparente en seco de una probeta de mortero endurecido se
determina de la relación entre su masa en estado seco en estufa y el volumen que
ocupa cuando se sumerge en agua, en estado saturado.
El equipo necesario para la realización se basa en una balanza de precisión
hidrostática, con una exactitud igual al 0,1 % con relación a la masa total de la muestra
o probeta, provista de un estribo porta-probetas para pesar la probeta sumergida en
agua. Se debe disponer de un recipiente con agua en el cual poder sumergir dichas
probetas. Dicha balanza hidrostática se encuentra reflejada en la figura 3.21.
Figura 3.21. Balanza hidrostática
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El procedimiento seguido ha sido el siguiente:
1. Se seca la probeta en la estufa a una temperatura de 60 ºC ± 5 ºC, hasta que
se alcance una masa constante, es decir, cuando dos pesadas sucesivas,
efectuadas a intervalos de 2 horas de secado, no difieren en más de 0,2 %
de la masa de la provea seca. Esta masa de la probeta seca se anota (ms,sec).
2. Se sumerge la probeta durante 24 horas en agua a 20 ºC, cubriendo bien los
4 lados del mortero para que contacto entre el agua y la probeta sea en
totalidad de la superficie. Al dejar la probeta sumergida este tiempo se
asegura la saturación de la misma.
3. Una vez trascurrido este tiempo, procederemos con el pesado retirando con
anterioridad el exceso de agua usando un paño obteniendo el peso (ms,sat).
4. Una vez pesada la probeta es posible determinar su volumen por pesada
hidrostática, se deja que el instrumento de pesado alcance el equilibrio,
asegurándose de que el estribo vacío esté suspendido y que está
completamente sumergido en el agua del recipiente. El estribo se sumerge
hasta la profundidad en el que se efectúen las pesadas con o sin probeta.
Esta profundidad debe ser tal, que cubra por completo a las probetas. La
probeta saturada se coloca en el estribo. Se eliminan las burbujas atrapadas
en las caras de la probeta. Cuando la probeta ha cesado de oscilar, se pesa
y se anota la masa de la probeta (ms,i).
5. Por último, se calcula el volumen de la probeta, con la siguiente expresión
(Ecuación 15):
𝑉𝑠 =𝑚𝑠,𝑠𝑎𝑡 − 𝑚𝑠,𝑖
𝜌𝑤 [Ec.15]
Donde:
- Vs → Volumen de la probeta (m3).
- ms,sat → Masa de la probeta saturada de mortero endurecido (kg).
- ms,i → Masa aparente de la probeta saturada de mortero endurecido sumergido
en agua (kg).
- ρw → Densidad del agua en la que se sumerge la probeta (kg/m3).
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Una vez se han realizado estos pasos, se calcula la densidad aparente en seco
dividiendo la masa de la probeta seca (ms,sec) entre el volumen Vs, es decir, haciendo
uso de la siguiente expresión (Ecuación 16):
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑘𝑔
𝑚3) = 𝜌𝑠 =
𝑚𝑠,𝑠𝑒𝑐
𝑉𝑠 [Ec.16]
3.4.2. Determinación del coeficiente de absorción de agua por
capilaridad del mortero endurecido.
El ensayo del coeficiente de absorción de agua por capilaridad del mortero
endurecido se lleva a cabo siguiendo la norma UNE EN 1015-18:2003 (UNE-EN 1015-
18:2003). En este ensayo caracterizamos la tendencia de un material poroso a
absorber y transmitir agua a través de su masa por succión capilar, lo que implica un
aumento de masa durante un periodo de tiempo.
El coeficiente de absorción de agua por capilaridad se determina en probetas de
mortero prismáticas, a la presión atmosférica. Después del secado hasta masa
constante, una cara de la probeta se sumerge entre 5 mm y 10 mm de agua durante
un periodo de tiempo específico. A continuación, se determina el aumento de masa.
Para la realización de este ensayo se dispone de:
- Agua desmineralizada o destilada.
- Bandeja, con una profundidad mínima de 20 mm y una superficie plana
suficientemente grande como para contener las probetas que se han de
sumergir.
- Un soporte por probeta para que la superficie de contacto de cada probeta con
el fondo sea mínima.
- Cronómetro, graduado en segundos.
- Balanza, con exactitud del 0,1 % de la masa total seca de la probeta.
- Estufa ventilada, capaz de mantener una temperatura de (60 ± 5) ºC.
- Cera incolora parafina, para impermeabilizar las caras de la probeta (Figura
3.22).
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Figura 3.22. Cera incolora
Figura 3.23. Probetas con cera en la estufa
En primer lugar se unta con cera los laterales próximos a la cara de rotura, para
evitar la absorción de agua, y facilitar que se realice sólo por la superficie de rotura. A
continuación se introducen en una estufa con ventilación (Figura 3.23) y a la
temperatura de 60 ± 5 ºC. Durante el proceso de secado, que dura 24 horas, la pérdida
de masa es igual o menor del 0,2 % de la masa total, y se consigue un efectivo sellado
de los laterales.
Posteriormente, las probetas se colocan en una bandeja con agua, las caras
rotas de los prismas vueltas hacia abajo, como se muestra en la figura 3.24. Los
soportes deben de colocarse de tal forma que la cara rota no entre en contacto con la
superficie del recipiente, las probetas deben de mantenerse a una distancia de entre
5 mm y 10 mm del fondo de la bandeja. La colocación de las probetas en el agua se
debe hacer con cierta inclinación para evitar que se quede aire bajo éstas, lo que
impediría la absorción homogénea por toda la superficie.
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Figura 3.24. Probetas en los soportes
Se vierte el agua en la bandeja y se pone en marcha el cronómetro para hacer
dos pesadas, a los 10 minutos y a los 90 minutos. Para la toma de estos datos se
extraen las probetas de la bandeja, se elimina el exceso de agua de la superficie de
rotura con un paño y se pesan. Obtenemos la masa M1 correspondiente a la pesada
realizada a los 10 minutos. Se repite el mismo procedimiento después de 90 min y se
pesan (M2).
Por último calculamos el coeficiente de absorción de agua (C) por medio de la
siguiente expresión (Ecuación 17):
𝐶 = 0,1 · (𝑀2 − 𝑀1) [Ec.17]
Siendo:
- C → coeficiente de absorción de agua (kg/(m2·min0.5))
- M1 → Peso obtenido de las probetas pasados 10 minutos, en gramos.
- M2→ Peso obtenido de las probetas pasados 90 minutos, en gramos.
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3.5. Caracterización mecánica de los morteros
3.5.1. Determinación de la resistencia a flexión del mortero
endurecido
El ensayo de resistencia a flexión se lleva a cabo siguiendo la norma UNE-EN
1015-11:2000/A1:2007 (UNE-EN 1015-11:2000/A1:2007). Esta norma europea
describe un método de ensayo para determinar la resistencia a flexión de probetas
enmoladas de mortero. La resitencia a flexión se determina aplicando una carga en
tres puntos de los prismas de mortero endurecido, hasta su rotura.
La máquina utilizada para la realización de este ensayo es una prensa MTS
Insight 5 (Figura 3.25). La máquina está provista de dos rodillos de apoyo en acero,
con una longitud comprendida entre 45 mm y 50 mm y un diámetro de 10 mm ± 0,5
mm, y de un tercer rodillo de carga de la misma longitud y diámetro instalado
centralmente entre los rodillos de apoyo como se muestra en la figura 3.26. Uno de
los rodillos de apoyo y el rodillo de carga deben poder oscilar ligeramente para permitir
una distribución uniforme de la carga sobre el total del ancho del prisma sin someterlo
a un esfuerzo de torsión.
Figura 3.25. Prensa MTS Insight 5
Figura 3.26. Esquema de la colocación de la
pieza en el ensayo de flexión
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Una vez realizada la puesta en marcha de la máquina, se procede a la colocación
de la probeta. Las superficies de contacto de los rodillos y las caras de la probeta se
limpian con un paño, con el fin de eliminar las partículas o cualquier otro material no
adherido. Una de las caras de la probeta, que ha estado en contacto con las paredes
del molde durante el enmoldado, se debe colocar sobre los rodillos de apoyo (Figura
3.27).
Figura 3.27. Probeta sometida al ensayo de flexión
La carga debe de aplicarse sin aceleraciones bruscas, a una velocidad uniforme
comprendida entre 10 N/s y 50 N/s, de tal modo que la rotura se produzca entre 30 s
y 90 s. La carga máxima aplicada, en Newton, se registra. Las mitades de la probeta
partida se marcan y se vuelven a poner en el recinto de conservación, con el objetivo
de tener todas las piezas del mortero identificadas. La forma de marcar las probetas
continúa manteniendose sólo que, además, se añade la denominación 1 y 2, con el
fin de diferenciar las dos mitades obtenidas durante el ensayo de flexión. Ésta vez se
marcan en las caras cuadradas de los extremos (Figura 3.28).
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Figura 3.28. Probetas después del ensayo de flexión
Obtenemos la resistencia a flexión (f) en N/mm2 que presentan las probetas con
la siguiente expresión (Ecuación 18):
𝑓 = 1,5𝐹 · 𝑙
𝑏 · 𝑑2 [Ec.18]
Donde:
- F → Carga máxima aplicada a la probeta (N).
- l → Distancia existente entre los dos apoyos (mm).
- b → Ancho de la probeta prismática (mm).
- d → Grosor de la probeta (mm).
3.5.2. Determinación de la resistencia a compresión del mortero
endurecido
Determinación de la resistencia a compresión del mortero endurecido se realizó,
según la norma UNE EN 1015-11:2000/A1:2007 (UNE-EN 1015-11:2000/ A1:2007).
Esta norma describe un método de ensayo para determinar la resistencia a
compresión de probetas enmoldadas de mortero. La resistencia a compresión del
mortero se determina en cada una de las dos mitades, semiprismas, resultantes del
ensayo de la resistencia a flexión.
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Para el cálculo de la resistencia mecánica a la compresión de las probetas se
utilizó una prensa modelo MTS 810, Material Testing Systems, mostrada en la figura
3.29. Los platos de posición de la máquina no pueden inclinarse uno frente al otro,
deben estar totalmente paralelo durante todo el ensayo.
Figura 3.29. Equipo MTS 810
Figura 3.30. Utensilio adaptador
Una vez puesto en marcha el conjunto máquina-ordenador, se procede a colocar
la probeta en el utensilio adaptador desmontable fabricado en acero templado y
endurecido (Figura 3.30). Hay que asegurar la coincidencia de la cara de la probeta
con la superficie que dispone dicho utensilio. Cualquier probeta que no forme un cubo
de material sólido entre los platos superior e inferior o las placas de carga se eliminan.
De esta manera se obtiene con certeza que la carga que aplica la máquina estará
soportada por esta área limitada, pudiendo obtenerse así la resistencia máxima que
presenta la probeta.
La carga se debe aplicar sin aceleraciones y se aumenta de manera progresiva
a un ritmo comprendido entre los 50 y 500 N/s, de tal modo que la rotura se
produzca entre 30 y 90 s. La carga máxima aplicada, en Newtons, durante el ensayo
se registra (Figura 3.31).
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Figura 3.31. Rotura de la probeta a compresión
La resistencia a compresión (Rc) se calcula dividendo la carga máxima
soportada entre la superficie de carga (4x4 cm2), con la siguiente expresión (Ecuación
19):
𝑅𝑐 =𝑃𝑚
𝑆 [Ec.19]
Donde:
- Rc → Resistencia a compresión (MPa).
- Pm → Carga máxima de rotura (N).
- S → Superficie del utensilio (mm2).
3.1. Correlación digital de imágenes (DIC)
3.1.1. Introducción.
Correlación Digital de Imágenes (DIC) es una técnica óptica que permite medir
el campo de desplazamientos y deformaciones. La técnica consiste en tomar
imágenes digitales durante el ensayo de una probeta. Se toma como referencia su
estado inicial y se toman imágenes hasta su estado final (deformado).
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Antes de la realización de los ensayos, las probetas deben recibir un tratamiento
superficial. Dicho tratamiento consiste en la aplicación de una base de pintura blanca
sobre la superficie que se desee grabar, para posteriormente aplicar un moteado con
pintura negra para un mayor contraste. Las probetas se dividen en subconjuntos
virtuales, denominados facetas, y mediante la aplicación de algoritmos de correlación,
se busca una región o faceta de la imagen de referencia en la imagen deformada,
determinando el vector de desplazamientos en cada conjunto de facetas procesadas
(López et al., 2012).
3.1.2. Aplicaciones de la técnica DIC en morteros
Gran número de investigaciones han utilizado y desarrollado la técnica de
Correlación Digital de Imágenes, donde las técnicas de medición tradicionales, por las
características de los ensayos, encuentran dificultades. En los últimos años,
aplicaciones basadas en DIC se han desarrollado para diversas aplicaciones en
morteros. Didar et al. (2019) utilizó dicha técnica para cuantificar la evolución de la
deformación por asentamiento y contracción del cemento fresco. Ludwick (2019) midió
con esta técnica los parámetros de la mecánica de la fractura de morteros que
contenían cenizas volantes.
Es una técnica en creciente uso y de suma importancia ya que su uso en
morteros, puede proporcionar una serie de mapas de tensión que ayuden a
comprender el proceso de rotura. Las acumulaciones de tensiones de tracción y
compresión se pueden usar para ilustrar la intensidad de rotura y la contracción
general. Las evoluciones de las tensiones de tracción y compresión máximas se
pueden usar para indicar el tiempo de la primera fisuración y la capacidad de
contracción (Zhao et al., 2018).
3.1.3. Procedimiento
Este TFG ha participado en esta técnica realizando el acondicionamiento de las
probetas y la toma de imágenes para su procesamiento en otra investigación posterior.
El acondicionamiento de las probetas se realizó antes del ensayo de tracción y
del ensayo de compresión. Previo a la realización de estos dos ensayos se aplicó una
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capa de pintura blanca y un moteado con pintura negra a la cara que se deseaba
grabar, cara rectangular en el caso de la resistencia a flexión y cara cuadrada en el
ensayo de resistencia a compresión (Figura 3.32).
Figura 3.32. Superficies pintadas para DIC en ensayo de flexión
Para la toma de imágenes se realizó un calibrado previo de las cámaras. El
equipo para la toma de imágenes consta de dos cámaras, un trípode y el programa
para la toma de imágenes (Figura 3.33).
Figura 3.33. Equipo para la toma de imágenes
Las imágenes obtenidas durante el ensayo de flexión para el mortero control (0 %
caucho) se muestran en las figuras 3.34 y 3.35. Las imágenes de este mismo mortero
en el ensayo de resistencia a compresión se muestran en las figuras 3.36 y 3.37.
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Figura 3.34. Imagen estado inicial
ensayo de flexión
Figura 3.35. Imagen estado deformado
ensayo de flexión
Figura 3.36. Imagen estado inicial
ensayo de compresión
Figura 3.37. Imagen estado deformado
ensayo de compresión
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4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. Caracterización de las materias primas
4.1.1. Caracterización del cemento Portland
4.1.1.1. Humedad, materia orgánica, pH, superficie específica y
densidad relativa
Se realizaron determinaciones del porcentaje de humedad, carbonatos, medidas
de pH así como determinaciones de superficie específica y densidad relativa de
acuerdo a los procedimientos descritos en el apartado anterior. Los valores obtenidos
se recogen en la tabla 4.1.
Humedad
(%) pH
Carbonatos
(%)
Superficie
específica
(cm2/g)
Densidad
relativa
(g/cm3)
Cemento
Portland
(CP)
0,25 11,8 16,98± 0,96 3.670 2,84
Tabla 4.1. Valores de humedad, pH, carbonatos, superficie específica y densidad relativa del cemento Portland
En base a los resultados obtenidos se puede señalar que el contenido en
carbonatos en el cemento Portland es menor que en otros residuos similares usados
en construcción. Además, la presencia de carbonatos en el cemento Portland se debe
principalmente a la adición de caliza (CEM Tipo II).
Los valores de superficie específica del cemento Portland se han obtenido por el
método de Blaine. A medida que aumenta la superficie específica se favorece las
reacciones puzolánicas de hidratación del cemento Portland, favoreciendo la
formación de los productos sólidos insolubles dotados con resistencia mecánica. El
elevado valor de pH favorece la reacción puzolánica entre la sílice y la alúmina
presentes en fase húmeda en el cemento.
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4.1.1.2. Difracción de rayos X (DRX)
La figura 4.1. muestra la caracterización mineralógica del cemento Portland que
presenta los picos de difracción pertenecientes al silicato bicálcico (C2S) y al silicato
tricálcico (C3S). También se observan el aluminato tricálcico (C3A) y el aluminoferrito
tetracálcico (C4AF), estando estos en menor proporción.
Figura 4.1. Patrón de difracción del CP
4.1.1.3. Caracterización microestructural
La caracterización microestructural se llevó a cabo por microscopía electrónica
de barrido (SEM) y análisis EDX (Figura 4.2).
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Figura 4.2. Caracterización microestructural. Espectros de estudio CP
Los resultados obtenidos muestran que la mayoría de las partículas que forman
el cemento poseen formas angulares e irregulares. También hay partículas esféricas
perfectas, pero en menor proporción.
Con el análisis EDX se obtiene que las partículas angulares están compuestas
básicamente por calcio, encontrándose en menor medida silicio, aluminio, magnesio,
hierro y azufre. Por otra parte, las partículas con formas más esféricas son más ricas
en silicio y aluminio, con menores cantidades de potasio.
4.1.1.4. Fluorescencia de rayos X (FRX)
La composición química del cemento Portland se ha determinado por FRX. Los
valores obtenidos de los contenidos en óxidos se observan en la tabla 4.2. El cemento
Portland es rico en CaO (58,8 %), presentando también un contenido bastante alto en
SiO2 (21,4 %) y menores cantidades de Al2O3 (5,9 %) y Fe2O3 ( 3,9 %).
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90 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Contenido en óxidos (%) CP (%)
SiO2 21,33
Al2O3 5,89
Fe2O3 3,87
CaO 58,32
MgO 1,39
K2O 0,88
Na2O 0,91
MnO 0,06
TiO2 0,43
P2O5 0,08
SO3 4,03
ZnO -
Cl 0,08
Sr 0,07
Cr 0,02
Ni 0,01
Cu 0,03
Zn 0,03
Ba 0,07
Zr 82,7
LOI 2,61
Tabla 4.2. Composición química del CP
4.1.1.5. Distribución granulométrica
La caracterización del cemento Portland refleja que está formado por un 86,30
% de partículas de tamaño de la arena, un 1,75 % de partículas de tamaño similar al
limo y un 11,95 % de partículas finas (<2 mm) (tabla 4.3). En la figura 4.3 se muestra
la distribución de tamaño de partícula del cemento presentando un tamaño medio de
partícula D50 de 10,64 μm. El cemento Portland está constituido por un 90 % de
partículas que están por debajo de 35,56 micras, lo que indica una importante finura.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
91 Escuela Politécnica Superior de Jaén
El tamaño de partícula influye en la actividad puzolánica debido a que la
superficie de las partículas aumenta junto con la velocidad de reacción hidráulica al
disminuir el tamaño de partícula.
Distribución del tamaño de partícula (mm) CP (%)
Contenido de arcilla < 0,002 11,95
Contenido de limo (0,002-0,063) 86,3
Contenido de arena (0,063-2) 1,75
Tabla 4.3. Porcentaje de partículas CP
Figura 4.3. Distribución granulométrica del CP
4.1.1.6. Análisis elemental (CHNS-O)
El análisis CHNS-O refleja que el cemento Portland no contiene apenas
nitrógeno. Sin embargo, muestra una presencia importante de azufre (0,42 %). Su
contenido en carbono se debe principalmente a la descomposición progresiva de la
calcita y ronda el 0,66 %.
En la tabla 4.4 se reflejan los datos obtenidos en el análisis elemental.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
92 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Muestra %C %H %N %S
Cemento
Portland 0,657 ± 0,013 0,160 ± 0,011 0,003 ± 0,038 0,420 ± 0,012
Tabla 4.4. Análisis elemental (CNHS-O) del CP
4.1.2. Caracterización del caucho proveniente de NFU
El valor de la densidad aparente del caucho se obtiene como valor medio de 10
repeticiones que se llevaron a cabo de cálculo de la densidad. Para ello nos apoyamos
en la utilización de una probeta, en la cual se vertió caucho hasta alcanzar un volumen
de 200 mL de caucho que posteriormente se pesó, por lo que al obtener su masa en
la balanza se podía calcular la densidad.
El caucho estudiado es una mezcla de dos granulometrías. Al trabajar con la
mezcla no se conocía la densidad, motivo por el cual se tuvo que calcular de esta
manera.
El valor de la densidad aparente de la mezcla de caucho tras realizar el proceso
de iteración:
𝜌 = 0,478 𝑔 𝑐𝑚3⁄
4.2. Caracterización física de los morteros
4.2.1. Determinación de la densidad aparente en seco del mortero
endurecido
La densidad aparente de las probetas depende fundamentalmente de los
componentes principales del mortero, en este caso, de la arena y del caucho. Los
valores de densidad aparente obtenidos para las distintas probetas estudiadas en
función del porcentaje de caucho y del tiempo de curado, se muestran en la tabla 4.5
y en la figura 4.4.
Como se puede apreciar en la figura 4.4 la densidad aparente decrece a medida
que se incrementa el porcentaje de residuo caucho sustituido por arena. Esto se debe
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
93 Escuela Politécnica Superior de Jaén
principalmente a que el residuo, caucho de NFU, presenta una densidad más baja que
el agregado de arena sustituido, siendo la densidad de la arena 1800 kg/m3 mientras
que la del caucho es 478 kg/m3. La densidad aparente de la probeta control a los 28
días de curado es 2140 kg/m3 y se reduce hasta 1168 kg/m3, con total sustitución de
la arena por caucho, lo que indica una reducción de densidad del 45,42 %. Por tanto,
a medida que aumenta el porcentaje de caucho se obtienen morteros más porosos, lo
que conlleva a una disminución de la densidad aparente.
El valor de la densidad aparente fijado para calificar un mortero como mortero
aligerado es de 1.300 kg/m3 (UNE-EN 998-2:2018), siendo este valor el máximo que
puede presentar. De acuerdo a este dato, sólo los morteros con una sustitución del
100 % cumplen con la condición de ser calificados como ligeros.
En cuanto a la influencia del tiempo de curado, se puede apreciar que la
densidad aparente apenas varía cuando el tiempo de curado se incrementa de 7 a 28
días (Figura 4.4 y Tabla 4.5). Esto podría indicar que la adición de caucho apenas
modifica la velocidad de las reacciones de hidratación del mortero que dan lugar a
silicatos cálcicos hidratados, que hacen que la red de poros sea más compacta.
Periodos de curado más largos, podrían dar lugar a una mayor evaporación del agua
y a una estructura con mayor cantidad de aire en los poros y una densidad aparente
ligeramente menor.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
94 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Densidad
aparente
(kg/m3)
Desviación
típica
Densidad
aparente
(kg/m3)
Desviación
típica
0 % 2127,20 6,39 2139,78 10,20
5 % 2006,84 7,78 2087,44 10,46
10 % 2037,46 6,85 1969,76 3,97
20 % 1953,84 11,35 1870,87 4,65
30 % 1856,32 7,53 1790,06 5,93
40 % 1623,23 13,65 1733,82 6,86
50 % 1529,56 6,47 1693,70 3,16
75 % 1435,14 5,31 1398,44 8,24
100 % 1200,75 10,64 1168,27 7,10
Tabla 4.5. Resultados ensayo de densidad aparente
Figura 4.4. Relación densidad aparente frente al porcentaje de caucho
21
27
20
07
20
37
19
54
18
56
16
23
15
30
14
35
12
01
21
40
20
87
19
70
18
71
17
90
17
34
16
94
13
98
11
68
0
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Den
sid
ad
ap
are
nte
(kg
/m3)
Sustitución de caucho (% en volumen)
7 días 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
95 Escuela Politécnica Superior de Jaén
La influencia de la incorporación del aditivo aireante-plastificante se valorará
realizando una comparación con otro estudio previo (Puerma, 2017). En dicho estudio
se realizaron probetas con los mismos porcentajes de caucho que en este TFG pero
sin contenido de aditivo. Los resultados obtenidos se reflejan en la tabla 4.6.
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Densidad
aparente
(kg/m3)
Desviación
típica
Densidad
aparente
(kg/m3)
Desviación
típica
0 % 2159 4,30 2267 3,30
5 % 2122 7,90 2122 4,40
10 % 2123 1,20 2109 3,80
20 % 2012 1,05 2011 4,30
30 % 1870 6,60 1986 5,71
40 % 1758 1,80 1801 7,00
50 % 1725 4,40 1691 1,10
75 % 1471 6,20 1391 10,90
100 % 1236 9,50 1182 14,00
Tabla 4.6. Resultados ensayo densidad aparente sin aditivo
Se ha realizado una comparación de los resultados de las probetas con aditivo y
sin aditivo, en los tiempos de curado de 7 (Figura 4.5) y 28 días (Figura 4.6). Se
observa una clara disminución de la densidad aparente en las probetas que contienen
aditivo. Centrándonos en las probetas tras 7 días de curado, el mortero con sustitución
del 50 % de caucho sin aditivo, presenta una densidad aparente de 1725 kg/m3,
disminuyendo la densidad aparente del mortero, de este mismo porcentaje, con aditivo
hasta 1530 kg/m3, lo que supone una variación del 11,3 %. La variación más
importante a los 28 días de curado se produce en el mortero con sustitución del 30 %
y corresponde con una disminución del 9,9 %.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
96 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.5. Comparación de la densidad aparente con y sin aditivo (7 días)
Figura 4.6. Comparación de la densidad aparente con y sin aditivo (28 días)
21
27
20
07
20
37
19
54
18
56
16
23
15
30
14
35
12
01
21
59
21
22
21
23
20
12
18
70
17
58
17
25
14
71
12
36
0
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 20 30 40 50 75 100
De
nsid
ad
ap
are
nte
(kg
/m3)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Con Aditivo 7 días Sin Aditivo 7 días
21
40
20
87
19
70
18
71
17
90
17
34
16
94
13
98
11
68
22
67
21
22
21
09
20
11
19
86
18
01
16
91
13
91
11
82
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Den
sid
ad
ap
are
nte
(kg
/m3)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Con Aditivo 28 días Sin Aditivo 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
97 Escuela Politécnica Superior de Jaén
4.2.2. Determinación del coeficiente de absorción de agua por
capilaridad del mortero endurecido
La capacidad de las probetas para absorber agua por capilaridad está
directamente relacionada con la cantidad y distribución de poros que pueda contener
la estructura del mortero. Dependiendo de la porosidad que presente el mortero, este
tendrá una capacidad u otra de retener agua en su interior. Para poder hacernos una
idea de la estructura capilar que presenta, tenemos que recurrir al ensayo de
absorción de agua por capilaridad. La porosidad en morteros es una propiedad muy
importante ya que puede presentar problemas de humedad.
Los valores de coeficiente de absorción de agua por capilaridad obtenidos para
las distintas probetas estudiadas en función del porcentaje de caucho y del tiempo de
curado se muestran en la tabla 4.7 y figura 4.7. Se puede observar que los morteros
control, que no contienen caucho, presentan valores de 0,189 kg/m2min0,5 y 0,192
kg/m2min0,5 a la edad de curado de 7 y 28 días respectivamente, que corresponden a
los coeficientes más elevados. Estos valores elevados indican una mayor porosidad.
El valor mínimo obtenido a la edad de curado de 7 días, 0,098 kg/m2min0,5,
corresponde al 40 % de caucho y supone una disminución del 48,15 % respecto al
mortero control. En cuanto a la edad de 28 días, el valor mínimo es 0,090 kg/m2min0,5
con un 100 % de sustitución de caucho y corresponde a una variación del 53,12 %
respecto al mortero control. Se puede observar que a los 7 días de curado el valor del
coeficiente de absorción disminuye al aumentar el porcentaje de sustitución. Esto es
debido a que a pesar de la reducción de la densidad aparente, lo que aumenta la
porosidad de los morteros, estos poros no se encuentran interconectados, ya que el
aditivo distribuye los poros de forma uniforme y reduciendo el valor del coeficiente de
absorción de agua por capilaridad. Sin embargo, a los 28 días de curado no sigue una
tendencia clara.
Considerando la influencia del tiempo de curado, en general se puede decir que
los valores de absorción de agua apenas se modifican con el tiempo de curado al igual
que los valores de densidad aparente, que tampoco se ven influenciados por la edad
de curado (Tabla 4.7 y Figura 4.7).
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
98 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Absorción
(kg/(m2∙min0,5))
Desviación
típica
Absorción
(kg/(m2∙min0,5))
Desviación
típica
0 % 0,189 0,009 0,187 0,004
5 % 0,157 0,022 0,105 0,007
10 % 0,134 0,010 0,131 0,010
20 % 0,119 0,006 0,118 0,012
30 % 0,131 0,015 0,129 0,006
40 % 0,098 0,007 0,142 0,005
50 % 0,106 0,008 0,105 0,003
75 % 0,105 0,009 0,111 0,005
100 % 0,102 0,009 0,090 0,011
Tabla 4.7. Resultados ensayo de absorción de agua por capilaridad
Figura 4.7. Relación coeficiente de absorción de agua frente a porcentaje de caucho
0,1
89
0,1
57
0,1
34
0,1
19
0,1
31
0,0
98
0,1
06
0,1
05
0,1
02
0,1
87
0,1
05 0
,13
1
0,1
18
0,1
29
0,1
42
0,1
05
0,1
11
0,0
90
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Coe
ficie
nte
de
ab
so
rció
n (𝑘𝑔
/(𝑚
2∗𝑚
𝑖𝑛0
,5))
Sutitución de caucho (% en volumen)
7 días 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
99 Escuela Politécnica Superior de Jaén
La norma UNE-EN 998-1:2018 (UNE-EN 998-1:2018) divide los morteros de
albañilería para revoco y enlucido en tres categorías según su coeficiente de
absorción de agua por capilaridad (Tabla 4.8).
Categorías Valores
W0 No especificado
W1 C ≤ 0,4
W2 C ≤ 0,2
Tabla 4.8. Categoría según coeficiente de absorción de agua por capilaridad
Todas las probetas de mortero pertenecen a la categoría W2 ya que sus
coeficientes de absorción de agua por capilaridad presentan valores inferiores a 0,2
kg/m2min0,5.
La influencia de la incorporación del aditivo aireante-plastificante se valorará
realizando una comparación con otro estudio previo (Puerma, 2017) realizado sin
presencia de este aditivo (Tabla 4.9).
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Absorción
(kg/(m2∙min0,5))
Absorción
(kg/(m2∙min0,5))
0 % 0,23 0,12
10 % 0,12 0,12
20 % 0,33 0,20
30 % 0,14 0,27
40 % 0,19 0,18
50 % 0,37 0,13
75 % 0,24 0,12
100 % 0,15 0,11
Tabla 4.9. Resultados ensayo absorción de agua por capilaridad sin aditivo
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
100 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Comparando los valores obtenidos para el mortero con contenido en caucho del
50 % a 7 días de curado (Figura 4.8) con y sin aditivo, los resultados obtenidos son
0,106 kg/m2min0,5 y 0,33 kg/m2min0,5 respectivamente, esto representa una
disminución del 71,35 %. A los 28 días de curado (Figura 4.9) la variación más
importante se produce para los morteros con el 30 % de sustitución de caucho por
arena, presentando valores de 0,27 kg/m2min0,5 para el mortero sin aditivo y 0,129
kg/m2min0,5 para el que contiene aditivo, lo cual corresponde a una disminución del
52,2 %. Como conclusión se extrae que la presencia de aditivo aireante-plastificante
en el mortero reduce considerablemente el coeficiente de absorción de agua por
capilaridad, dando lugar a morteros más ligeros pero que presentan menor porosidad
interconectada, dando lugar a una mayor impermeabilidad y disminuyendo la aparición
de humedades por la filtración de agua en su interior.
Figura 4.8.Comparación del coeficiente de absorción de agua con y sin aditivo (7 días)
0,1
89
0,1
57
0,1
34
0,1
19
0,1
31
0,0
98
0,1
06
0,1
05
0,1
02
0,2
3
0
0,1
2
0,3
3
0,1
4
0,1
9
0,3
7
0,2
4
0,1
5
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0,450
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Coe
ficie
nte
de
ab
so
rció
n (𝑘𝑔
/(𝑚
2∗𝑚
𝑖𝑛0
,5))
Sutitución de caucho (% en volumen)
con aditivo 7 días sin aditivo 7 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
101 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.9. Comparación del coeficiente de absorción de agua con y sin aditivo (28
días)
4.3. Caracterización mecánica de los morteros
4.3.1. Determinación de la resistencia a flexión del mortero
endurecido
La resistencia a flexión de los morteros en función de la cantidad de residuo y
del tiempo de curado se presenta en la tabla 4.10 y figura 4.10. La resistencia a flexión
disminuye a medida que se incrementa el contenido en residuo incorporado a ambos
tiempos de curado, 7 y 28 días. La resistencia a flexión del mortero control (0 %
caucho) es de 6,51 y 6,10 MPa a los 7 y 28 días de curado, respectivamente. A medida
que se incorporan mayores cantidades de residuo, se produce un descenso más
pronunciado en la resistencia a flexión, obteniendo valores de 1,12 y 1,15 MPa para
los morteros del 100 % de caucho a 7 y 28 días respectivamente. La disminución en
la resistencia a flexión puede ser debida a que a medida que incrementa la cantidad
de caucho, a pesar de que la adhesión de la interfase cemento-residuo se mejora con
la adición del aditivo, la baja densidad de la las probetas da lugar a mayor cantidad de
0,1
87
0,1
05 0,1
31
0,1
18
0,1
29
0,1
42
0,1
05
0,1
11
0,0
90
0,1
2
0
0,1
2
0,2
0,2
7
0,1
8
0,1
3
0,1
2
0,1
1
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Co
eficie
nte
de
ab
so
rció
n (𝑘𝑔
/(𝑚
2∗𝑚
𝑖𝑛0
,5))
Sustitución de caucho (% en volumen)
con aditivo 28 días sin aditivo 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
102 Escuela Politécnica Superior de Jaén
poros, aumentando los concentradores de tensiones en la probeta. Al presentar una
estructura menos integrada, con más concentradores de tensiones, las propiedades
mecánicas disminuyen.
En cuanto a la influencia del tiempo de curado, se observa un ligero incremento
de la resistencia a flexión a medida que se incrementa el tiempo de curado, para casi
todos los morteros, independientemente de la cantidad de residuo adicionada. Esto
puede ser debido a que tras 7 días de curado aún continúan las reacciones de
hidratación del cemento, dando a los 28 días de curado, una ligera mayor cantidad de
silicatos cálcicos hidratados que hacen que se obtenga una estructura de menor
porosidad y mayor compactación. Los poros pueden actuar como concentradores de
tensiones disminuyendo la resistencia a flexión de los morteros.
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Resistencia a
flexión (MPa)
Desviación
típica
Resistencia a
flexión (MPa)
Desviación
típica
0 % 6,51 0,17 6,10 0,37
5 % 5,18 0,24 5,23 0,10
10 % 5,19 0,15 4,40 0,11
20 % 4,38 0,07 4,47 0,14
30 % 2,46 0,19 2,59 0,03
40 % 1,27 0,16 1,65 0,28
50 % 1,47 0,09 1,65 0,03
75 % 1,21 0,19 1,22 0,08
100 % 1,12 0,10 1,15 0,04
Tabla 4.10. Resultados ensayo de resistencia a flexión.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
103 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.10. Relación resistencia a flexión frente a porcentaje de caucho
La influencia de la incorporación del aditivo aireante-plastificante se valorará
realizando una comparación con otro estudio previo (Puerma, 2017) realizado sin
presencia de este aditivo (Tabla 4.11). La comparación para 7 y 28 días de curado,
con y sin aditivo, se representa en las figuras 4.11 y 4.12. Se observa que la adición
de aditivo aumenta la resistencia a flexión.
La variación más significativa a los 7 días de curado se observa en el 50 % de
sustitución de caucho por arena con unos valores con aditivo de 1,47 MPa y sin aditivo
de 0,74 MPa, lo que supone un aumento del 98,65 %. A los 28 días de curado se
puede observar que, excepto en el mortero control, en el cual la resistencia a flexión
ha disminuido, en el resto aumenta significativamente. Este aumento de la resistencia
a flexión confirma que la introducción del aditivo aireante-plastificante reduce la
formación de poros interconectados y mejora la cohesión del caucho con la matriz, lo
que se traduce en un aumento de la resistencia a flexión de los morteros que
incorporan el aditivo.
6,5
1
5,1
8
5,1
9
4,3
8
2,4
6
1,2
7
1,4
7
1,2
1
1,1
2
6,1
0
5,2
3
4,4
0
4,4
7
2,5
9
1,6
5
1,6
5
1,2
2
1,1
5
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Re
sis
ten
cia
a f
lexió
n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
7 días 28 días
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Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
104 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Resistencia a
flexión (MPa)
Desviación
típica
Resistencia a
flexión (MPa)
Desviación
típica
0 % 5,96 0,44 8,10 0,63
5 % 4,04 0,26 3,86 0,30
10 % 4,22 0,38 4,31 0,07
20 % 3,47 0,21 3,78 0,65
30 % 1,41 0,36 2,14 0,52
40 % 1,26 0,01 1,27 0,14
50 % 0,74 0,07 1,11 0,07
75 % 0,77 0,06 0,96 0,09
100 % 0,75 0,04 0,82 0,07
Tabla 4.11. Resultados ensayo de flexión sin aditivo
Figura 4.11. Comparación de la resistencia a flexión con y sin aditivo (7 días)
6,5
1
5,1
8
5,1
9
4,3
8
2,4
6
1,2
7
1,4
7
1,2
1
1,1
2
5,9
6
4,0
4
4,2
2
3,4
7
1,4
1
1,2
6
0,7
4
0,7
7
0,7
5
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 5 10 20 30 40 50 75 100
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ten
cia
a f
lexió
n (
Mp
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Con Aditivo 7 días Sin Aditivo 7 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
105 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.12. Comparación resistencia a flexión con y sin aditivo (28 días)
4.3.1.1. Estudio sobre la relación Densidad aparente/Resistencia a
flexión
Tras los ensayos realizados, es de interés observar la relación entre la densidad
aparente y la resistencia a flexión que presentan las probetas de mortero aligeradas.
En las figuras 4.13 y 4.14 se puede apreciar como a medida que se va incrementando
el porcentaje de residuo sustituido en volumen, tanto la densidad aparente como la
resistencia a flexión decrecen prácticamente de la misma forma para los morteros
curados durante 7 y 28 días. Se puede apreciar como para porcentajes de sustitución
superiores al 40 % la resistencia a flexión no sufre una gran variación, mientras que
la densidad aparente se reduce drásticamente.
Esta comparativa (densidad aparente y resistencia a flexión) resulta interesante
en vistas a posibles utilizaciones del mortero aligerado con residuo procedente de
neumáticos fuera de uso. La resistencia a flexión disminuye con el aumento de
porcentaje de residuo pero también lo hace la densidad aparente por lo que su empleo
6,1
0
5,2
3
4,4
0
4,4
7
2,5
9
1,6
5
1,6
5
1,2
2
1,1
5
8,1
3,8
6 4,3
1
3,7
8
2,1
4
1,2
7
1,1
1
0,9
6
0,8
2
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Re
sis
ten
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n (
Mp
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Con Aditivo 28 días Sin Aditivo 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
106 Escuela Politécnica Superior de Jaén
puede reducir considerablemente el peso de cualquier estructura que incorpore este
tipo de mortero aligerado.
Figura 4.13. Comparativa resultados flexión y densidad aparente (7 días)
Figura 4.14. Comparativa resultados flexión y densidad aparente (28 días)
1000,00
1250,00
1500,00
1750,00
2000,00
2250,00
2500,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0% 5% 10% 20% 30% 40% 50% 75% 100%
De
nsid
ad
ap
are
nte
(kg
/m3)
Re
sis
ten
cia
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lexió
n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Resistencia flexión Densidad aparente
1000,00
1250,00
1500,00
1750,00
2000,00
2250,00
2500,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
0% 5% 10% 20% 30% 40% 50% 75% 100%
Den
sid
ad
ap
are
nte
(kg
/m3
)
Resis
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n (
MP
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Sustitución de caucho (% en volumen)
Resistencia flexión Densidad aparente
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
107 Escuela Politécnica Superior de Jaén
4.3.2. Determinación de la resistencia a compresión del mortero
endurecido
La resistencia a compresión de los morteros en función de la cantidad de residuo
y del tiempo de curado se presenta en la tabla 4.12 y figura 4.15. Se puede observar
como la adición de residuos produce una disminución de la resistencia a compresión.
Para las probetas de sustitución de 5 % de caucho se obtienen los mayores valores
de resistencia a la compresión de 25,72 y 31,14 MPa para un tiempo de curado de 7
y 28 días, respectivamente. Con la sustitución del 100 % de caucho se obtienen los
valores más bajos 2,95 y 3,01 MPa a 7 y 28 días respectivamente.
Esta disminución de la resistencia a compresión, producida por el aumento del
contenido en caucho, se puede deber a la mayor porosidad total que presentan estos
morteros, menor densidad aparente, así como a la menor adhesión entre el cemento
y el caucho a porcentajes elevados de residuo, o a la reducción de silicatos de calcio
hidratados (CHS) que se forman (se reduce el material cementante hidratado).
En general, para todas las composiciones, la resistencia a la compresión es
ligeramente mayor a los 28 días de curado que a los 7 días de curado. Esto es debido
a que posiblemente las reacciones de hidratación no han terminado y se forma una
ligera mayor cantidad de material cementante hidratado a mayores tiempos de curado.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
108 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Resistencia a
compresión
(N/mm2)
Desviación
típica
Resistencia a
compresión
(N/mm2)
Desviación
típica
0 % 22,49 1,45 23,43 1,06
5 % 25,72 4,27 31,14 2,30
10 % 24,43 2,87 24,15 1,92
20 % 18,91 1,74 18,92 0,64
30 % 14,56 1,12 11,12 0,69
40 % 7,26 0,53 11,12 0,50
50 % 5,67 0,38 8,72 0,52
75 % 4,61 0,16 4,38 0,13
100 % 2,95 0,14 3,01 0,09
Tabla 4.12. Resultados ensayo de resistencia a compresión
Figura 4.15. Relación resistencia a compresión frente a porcentaje de caucho
La influencia de la incorporación del aditivo aireante-plastificante se valorará
realizando una comparación con otro estudio previo (Puerma, 2017) realizado sin
22
,49 25
,72
24
,43
18
,91
14
,56
7,2
6
5,6
7
4,6
1
2,9
5
23
,43
31
,14
24
,15
18
,92
11
,12
11
,12
8,7
2
4,3
8
3,0
1
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
0 5 10 20 30 40 50 75 100
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ten
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n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
7 días 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
109 Escuela Politécnica Superior de Jaén
presencia de este aditivo (Tabla 4.13). La comparación para 7 y 28 días de curado,
con y sin aditivo, se representan en las figuras 4.16 y 4.17. Se observa que la adición
de aditivo aumenta la resistencia a compresión en algunos porcentajes de sustitución
(10, 20, 30, 75 y 100 %) a 7 días de curado. A 28 días, los porcentajes que presentan
una mayor resistencia a compresión con aditivo son menores (40, 50 y 100 %). Esto
puede ser debido a la mayor porosidad total que presentan los morteros que contienen
aditivo, ya que se observa una mayor cohesión del caucho con la matriz en presencia
del aditivo. No obstante, se puede el aditivo mejora la resistencia a compresión a
menor tiempo de curado.
Porcentaje
sustituido
7 días 28 días
Resistencia a
compresión
(MPa)
Desviación
típica
Resistencia a
compresión
(MPa)
Desviación
típica
0 % 32,84 5,29 38,64 10,47
5 % 32,17 4,73 32,78 3,01
10 % 23,03 5,74 27,46 3,50
20 % 17,45 3,64 24,19 2,70
30 % 14,19 1,48 17,12 1,99
40 % 9,23 0,50 9,59 1,16
50 % 7,25 0,16 7,17 0,66
75 % 4,01 0,08 4,85 2,72
100 % 2,92 0,24 2,56 0,09
Tabla 4.13. Resultados ensayo compresión sin aditivo
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
110 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.16. Comparación resistencia a compresión con y sin aditivo (7 días)
Figura 4.17. Comparación resistencia a compresión con y sin aditivo (28 días)
22
,49 25
,72
24
,43
18
,91
14
,56
7,2
6
5,6
7
4,6
1
2,9
5
32
,84
32
,17
23
,03
17
,45
14
,19
9,2
3
7,2
5
4,0
1
2,9
2
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Re
sis
ten
cia
a c
om
pre
sió
n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Con aditivo 7 días Sin aditivo 7 días
23
,43
31
,14
24
,15
18
,92
11
,12
11
,12
8,7
2
4,3
8
3,0
1
38
,64
32
,78
27
,46
24
,19
17
,12
9,5
9
7,1
7
4,8
5
2,5
6
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
0 5 10 20 30 40 50 75 100
Resis
ten
cia
a c
om
pre
sió
n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Con aditivo 28 días Sin aditivo 28 días
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
111 Escuela Politécnica Superior de Jaén
La norma UNE EN 998-1:2018 (UNE-EN 998-1:2018) establece que para el uso
de los morteros para revoque y enlucido la resistencia a la compresión para su uso en
juntas debe ser igual o superior a 6 MPa a los 28 días de curado. Además clasifica en
cuatro categorías a los morteros de albañilería para revoco y enlucido de acuerdo con
su resistencia a la compresión (Tabla 4.14). Todos los morteros obtendrían la
categoría CS IV, excepto los del 75 y 100 % de caucho CS II.
Categorías Valores (MPa)
CS I 0,4 – 2,5
CS II 1,5 – 5
CS III 3,5 – 7,5
CS IV ≥ 6
Tabla 4.14. Clasificación de los morteros respecto a su resistencia a compresión
4.3.2.1. Estudio sobre la relación Densidad aparente/Resistencia a
compresión
De la misma forma que se ha comparado como varía la resistencia a flexión con
la densidad aparente, es interesante ver como lo hace la resistencia a compresión con
la densidad aparente. Se puede afirmar que para los morteros realizados, una
reducción de la densidad aparente está relacionada directamente con la reducción de
peso de los morteros. Para ambos periodos de curado se observa un claro descenso
tanto de la densidad como de la resistencia a compresión a medida que se aumenta
el contenido en residuo (Figuras 4.18 y 4.19), debido a una mayor porosidad. Los
poros abiertos actúan como concentradores de tensiones disminuyendo la resistencia
a compresión de los morteros.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
112 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.18. Comparativa resultados compresión y densidad aparente (7 días)
Figura 4.19. Comparativa resultados compresión y densidad aparente (28 días)
1000,00
1250,00
1500,00
1750,00
2000,00
2250,00
2500,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0% 5% 10% 20% 30% 40% 50% 75% 100%
De
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(kg
/m3)
Re
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ten
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om
pre
sió
n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Resistencia compresión Densidad aparente
1000,00
1250,00
1500,00
1750,00
2000,00
2250,00
2500,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
0% 5% 10% 20% 30% 40% 50% 75% 100%
Den
sid
ad
ap
are
nte
(kg
/m3)
Resis
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sió
n (
MP
a)
Sustitución de caucho (% en volumen)
Resistencia compresión Densidad aparente
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
113 Escuela Politécnica Superior de Jaén
4.4. Caracterización microestructural de los morteros
La caracterización microestructural se llevó a cabo por microscopía electrónica
de barrido (SEM) y análisis EDX (Figura 4.20 a 4.40). Se han estudiado las muestras
con porcentaje de sustitución del 5, 30 y 100 % a 28 días de curado con y sin aditivo.
En las figuras 4.20 y 4.21, se pueden observar las muestras del 5 % de
sustitución de caucho a 250 aumentos, con imagen de electrones secundarios (SE) e
imagen de electrones retrodispersados (BSE) respectivamente.
La topografía de la muestra se puede observar en las imágenes SE (Figura 4.20).
Se añade la imagen BSE que diferencia, en escala de grises, los distintos pesos
moleculares de los compuestos que aparecen en la muestra. Siendo las partículas
más oscuras las correspondientes a pesos moleculares más elevados, en este caso
el caucho, y las más brillantes, los compuestos con pesos moleculares más ligeros, el
cemento y la arena. Como se puede observar la cantidad de caucho de esta muestra
es muy pequeña ya que se encuentra en un 5 %, mientras que las partículas de arena
se encuentran en mayor cantidad.
Figura 4.20. Imagen SE de 5 % de caucho a
250 x
Figura 4.21. Imagen BSE de 5 % ce caucho a
250 x
En la figura 4.22 se muestran los puntos en los que se realizaron análisis EDX,
en distintas partículas de caucho. En los espectros 1 y 2 se puede observar el elevado
contenido en carbono, elemento principal del caucho, así como sílice. Sin embargo,
en el espectro 3, se puede ver que el caucho está tan integrado en la matriz de
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
114 Escuela Politécnica Superior de Jaén
cemento que los datos recogidos corresponden a la composición de la misma, con
grandes cantidades de calcio correspondientes a los silicatos cálcicos hidratados.
Figura 4.22. Microscopía electrónica de barrido y análisis EDX muestra de 5 % de
caucho a 250 x
Se tomaron imágenes a más aumentos (1000 X) para una visualización de las
partículas y de la forma de integración del caucho en la matriz de cemento (figura
4.23) con la misma muestra del 5 % de sustitución de caucho con aditivo. Se puede
observar claramente la presencia de aureolas de belita con forma esférica.
En la figura 4.24 se ha realizado análisis EDX a las distintas aureolas así como
a la matriz y a la arena. Se puede observar claramente que los espectros realizados
en los puntos 3, 4 y 6 corresponden a la arena, que se encuentra en una proporción
del 95 %, presentando los compuestos básicos del cuarzo (altos contenidos en Si y
en O). Los espectros 1 y 2, muestran los compuestos básicos de la belita, elevadas
cantidades de Si y Ca, así como pequeñas proporciones de Mg, Al y K. El espectro
del punto 5, indica que nos encontramos en la matriz, que corresponde al silicato
cálcico hidratado de forma acicular (gel CHS) formado por la hidratación del cemento
Portland, con elevadas cantidades de Ca, Si y Fe.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
115 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.23. Imagen SE de 5 % de caucho a 1000 x (1 kx)
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
116 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.24. Microscopía electrónica de barrido y análisis EDX muestra de 5 % de
caucho a 1 kx
Se tomaron imágenes a mayores aumentos 1500 X (1,5 kx), para un estudio más
detallado de la integración del caucho en la matriz de cemento (Figuras 4.25 y 4.26).
Se puede observar como la matriz con cristales integra al caucho, mostrando una
mayor continuidad.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
117 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.25. Detalle partícula de caucho en
muestra de 5 % de caucho (SE 1,5 kx)
Figura 4.26. Detalle partícula de caucho en
muestra de 5 % de caucho (BSE 1,5 kx)
Para identificar la etringita y el gel de silicato cálcico hidratado se realizó otro
detalle a 8000 X (8 kx) aumentos, la forma de estos compuestos, en contraste con el
caucho que está situado en la parte superior, se puede observar en la figura 4.27.
La etringita se presenta bien cristalizada en forma de agujas y de un tamaño
inferior a 1 µm. Se observa también el gel de silicato cálcico hidratado (CHS) de baja
cristalinidad, de apariencia amorfa en forma acicular (Giraldo et al., 2006).
Figura 4.27. Detalle etringita muestra de 5 % de caucho 8 kx
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
118 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Se realizó otra toma de imágenes al 30 % de sustitución a 28 días de curado
representadas en las figuras 4.28 y 4.29 para 100 x y 250 x respectivamente, ambas
imágenes en retrodispersados (BSE) para una mejor identificación de las partículas
de caucho. Se observa un notable aumento de la presencia de caucho en la muestra.
Figura 4.28. Imagen BSE de 30 % de
caucho a 100 x
Figura 4.29. Imagen BSE de 30 % de
caucho a 250 x
Para el estudio de la incorporación del caucho en la matriz se realizó un aumento
(1000 X) en la zona 1 (Figura 4.30). En esta zona se volvieron a identificar los
constituyentes básicos de la muestra mediante distintos espectros. Observando que
el espectro 1 corresponde al caucho, el espectro 2 a los constituyentes básicos de la
belita y el espectro 3 a la matriz formada por gel CHS.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
119 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.30. Detalle y análisis EDX en la zona 1 muestra 30 % de caucho a 1 kx
Se realizó un aumento (8000 X) del borde del caucho para estudiar los
compuestos de cemento formados en esa unión (Figura 4.31). Como se puede
observar, hay una notable cantidad de gel CHS y etringita en esta zona para ocupar
los huecos y mejorar la cohesión.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
120 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.31. Detalle etringita muestra 30 % caucho 8000 x
Para la sustitución del 100 % de caucho se han tomado imágenes a 100 X
(Figuras 4.32 y 4.33) y 8000 X (Figura 4.34).
Como se puede observar a un aumento de 100 x en la figura 4.32, se encuentran
fibras en esta muestra. Al realizar un análisis EDX de esta fibra, comprobamos que se
trataba de caucho que durante el proceso de trituración quedó con forma de fibras. Al
realizar análisis EDX (Figura 4.33) se comprobó que no existen partículas de arena y
que el caucho se encuentra perfectamente integrado en la matriz de cemento.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
121 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.32. Imagen BSE muestra 100 % de caucho y detalle EDX fibra a 100 x
Figura 4.33. Imagen BSE muestra 100 % de caucho y análisis EDX a 100 x
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
122 Escuela Politécnica Superior de Jaén
La imagen tomada a 8000 aumentos (Figura 4.34) corrobora lo anterior al
observar la forma de unión de las partículas de caucho con la etringita y el gel CHS.
Figura 4.34. Imagen BSE muestra 100 % de caucho a 8000 x
Para el estudio de la influencia del aditivo se analizaron las muestras
correspondientes a los mismos porcentajes de sustitución de caucho (5, 30 y 100 %)
de otro estudio previo sin aditivo y a los mismos aumentos.
En las figuras 4.35 y 4.36 se compara la incorporación del caucho en la matriz
de cemento, con y sin aditivo, de la muestra del 5 % de caucho. Como se puede
observar en la figura 4.35 el caucho se encuentra rodeado de fisuras y la matriz de
cemento no muestra una gran cohesión.
SOFÍA JURADO CONTRERAS
Estudio de aditivos cohesionantes en la fabricación y caracterización de morteros con residuo de caucho
123 Escuela Politécnica Superior de Jaén
Figura 4.35. Imagen a 1,5 kx muestra 5 %
de caucho sin aditivo
Figura 4.36. Imagen a 1,5 kx muestra 5 %
de caucho con aditivo
Al realizar una comparación con las probetas del 30 % de sustitución de caucho,
con y sin aditivo, (Figuras 4.37 y 4.38) a 8000 aumentos se puede observar que la
zona de contacto del caucho y la matriz de cemento presenta menos cantidad de
etringita en la muestra sin aditivo ocupando menos huecos. Por lo tanto hay presencia
de más poros y presenta una menor cohesión.
Figura 4.37. Imagen a 8 kx muestra 30 %
caucho sin aditivo
Figura 4.38. Imagen a 8 kx muestra 30 %
caucho con aditivo
Para el 100 % de sustitución de caucho, la comparación se realizó a 100 x para
observar cómo se integra el caucho con la matriz de cemento (Figura 4.39 y 4.40).
Como se observa en la muestra sin aditivo, existe mucha menos cohesión entre el
caucho y la matriz de cemento. También se puede observar una mayor cantidad de
aureolas de belita, indicando la presencia de compuesto no hidratados.
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Figura 4.39. Imagen a 100 x muestra 100
% caucho sin aditivo
Figura 4.40. Imagen a 100 x muestra 100
% caucho sin aditivo
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5. ESTUDIO ECONÓMICO
5.1. Precio unitario de las materias primas
Una evaluación económica consiste en un análisis tanto cualitativo como
cuantitativo. Un análisis económico cuantitativo detallado es difícil de realizar y no es
objeto del presente trabajo. Sin embargo, con fines meramente orientativos, es
interesante realizar un estudio del coste que conlleva cada tipo de mortero, pudiendo
así hacer una comparación entre ellos, y entre los morteros aquí estudiados, con
aditivo, y los morteros de trabajos previos, sin aditivos (Puerma, 2017). En este estudio
económico no se tiene en cuenta los costes de energía, mano de obra, transporte,
inmovilizados, beneficios, etc. En la tabla 5.1 se detallan los precios teniendo en
cuenta sólo el coste de las materias primas, se muestran tanto en tonelada como en
volumen (m3), ya que normalmente la demanda de hormigón se realiza en volumen.
Dichos precios han sido consultados como precios base de materiales.
Las densidades tenidas en cuenta para calcular el precio por volumen a partir
del precio por tonelada son:
- Cemento: 2.840 kg/m3
- Arena: 1.800 kg/m3
- Caucho: 478 kg/m3
- Aditivo Sikamor-A: 1.030 kg/m3
Materia prima Precio (€/Tm) Precio (€/m3)
Cemento Portland 96,81 274,94
Agua 1,27 1,27
Arena 14,75 26,55
Caucho 143 68,354
Aditivo 3738,9 3851,067
Tabla 5.1. Coste de las materias primas
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5.2. Precio unitario de los morteros ya conformados
A continuación se muestran las tablas que recogen los precios aproximados por
volumen que conllevarían las amasadas de cada tipo de mortero estudiado (Tabla 5.2
a 5.10):
0 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 66,17 17,70
Caucho 143 68,35 0 0
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
57,16
Tabla 5.2. Precio por metro cúbico de mortero control con aditivo
5 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 62,86 16,69
Caucho 143 68,35 3,31 2,26
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
58,41
Tabla 5.3. Precio por metro cúbico de mortero con 5 % de caucho y aditivo
10 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 59,55 15,81
Caucho 143 68,35 6,62 4,52
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
59,79
Tabla 5.4. Precio por metro cúbico de mortero con 10 % de caucho y aditivo
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20 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 52,94 14,06
Caucho 143 68,35 13,23 9,04
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
62,56
Tabla 5.5. Precio por metro cúbico de mortero con 20 % de caucho y aditivo
30 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 46,32 12,30
Caucho 143 68,35 19,85 13,57
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
65,33
Tabla 5.6. Precio por metro cúbico de mortero con 30 % de caucho y aditivo
40 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 39,70 10,54
Caucho 143 68,35 26,47 18,09
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
68,09
Tabla 5.7. Precio por metro cúbico de mortero con 40 % de caucho y aditivo
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50 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 33,08 8,78
Caucho 143 68,35 33,08 22,61
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
70,85
Tabla 5.8. Precio por metro cúbico de mortero con 50 % de caucho y aditivo
75 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 16,54 4,39
Caucho 143 68,35 49,63 33,92
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
77,77
Tabla 5.9. Precio por metro cúbico de mortero con 75 % de caucho y aditivo
100 % €/Tm €/m3 % (m3) Total (€/m3)
Cemento 96,81 274,94 13,98 38,44
Agua 1,27 1,27 19,83 0,25
Arena 14,75 26,55 0 0
Caucho 143 68,35 66,17 45,23
Aditivo 3738,9 3851,07 0,02 0,77
84,69
Tabla 5.10. Precio por metro cúbico de mortero con 100 % de caucho y aditivo
Como se muestra en las tablas anteriores, las probetas aligeradas con residuo
de caucho presentan costes más elevados que la probeta control. Si se compara el
precio del mortero control, 57,16 euros, y el mortero que contiene un 100 % de caucho,
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129 Escuela Politécnica Superior de Jaén
84,69 euros, el coste se incrementa en un 32,5 %. Este incremento es debido,
principalmente, al reducido número de empresas que se dedican a la reutilización y
triturado de neumáticos fuera de uso NFU. Como consecuencia, el coste de este
producto es elevado en relación al resto de materias primas. Sin embargo, la
utilización e incorporación de este residuo en construcción podría suponer un aumento
de la demanda y, por consiguiente, de las empresas interesadas en tratar y
comercializar el caucho de neumáticos fuera de uso consiguiéndose precios mucho
más competitivos, haciendo así su uso más viable.
En este punto se debe destacar la importancia de la utilización de un residuo
producido en grandes cantidades anuales (NFU) que contiene un gran número de
componentes que son ecológicamente problemáticos y muy tóxicos para el medio
ambiente. Por tanto, aunque desde el punto de vista económico no está del todo
justificado ya que la diferencia de precio es considerable, si está justificado desde un
punto de vista medioambiental. Por tanto, está justificado cualquier estudio de I+D+i
con objeto de reducir la contaminación ambiental además de conseguir materiales de
construcción más sostenibles y más respetuosos con el medio ambiente.
Se puede observar que la incorporación del aditivo no supone un aumento
significativo del coste total. En el mortero control supone un 1,35 % del precio total y
a medida que aumentamos la cantidad de caucho en los morteros este porcentaje
disminuye. Si se analiza el notable aumento de las propiedades físicas y mecánicas
obtenidas con la incorporación del aditivo, quedaría justificado su uso y la inversión
que ello supone.
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6. CONCLUSIONES
En el presente Trabajo Fin de Grado se ha demostrado la viabilidad de la
utilización del caucho procedente de neumáticos fuera de uso para la elaboración de
materiales de construcción más sostenibles. Estos morteros sostenibles se están
convirtiendo en una posible vía de valorización de este residuo, habiéndose realizado
numerosos estudios sobre este tema.
En este TFG se llevó a cabo una sustitución en volumen de la arena por caucho,
procedente de neumáticos fuera de uso (NFU), en distintos porcentajes y se adicionó
un aditivo aireante-plastificante. Las principales conclusiones que se derivan de los
resultados obtenidos, para porcentajes de sustitución entre 0-100 %, son las
siguientes:
- La densidad aparente de los morteros disminuye con el incremento del
porcentaje de residuo de caucho, debido a la menor densidad del caucho
respecto a la arena. Esta propiedad no se ve influenciada por el tiempo de
curado. La incorporación de aditivo ha supuesto una notable reducción de la
densidad respecto a las probetas que no contienen aditivo.
- El coeficiente de absorción de agua por capilaridad disminuye al aumentar el
porcentaje de sustitución, ya que el caucho evita la inclusión de agua., sin
embargo la absorción de agua por capilaridad apenas se modifica cuando se
incrementa el tiempo de curado de 7 a 28 días. La incorporación del aditivo ha
supuesto una disminución del coeficiente de absorción de agua en la mayoría
de los morteros.
- La resistencia a flexión disminuye a medida que se incrementa el porcentaje de
sustitución de caucho para ambos tiempos de curado, 7 y 28 días. Esta
disminución es debida a que elevadas cantidades de caucho a pesar de que el
aditivo mejora la integración del caucho en la matriz de cemento, las probetas
presentan una baja densidad aparente, por lo que los poros presentes en los
morteros pueden actuar como concentradores de tensiones, haciendo que la
resistencia a flexión disminuya. En cuanto al tiempo de curado se observa una
pequeña mejora de la resistencia a la flexión con el tiempo de curado. Con la
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132 Escuela Politécnica Superior de Jaén
incorporación del aditivo, se ha aumentado la resistencia a flexión para ambos
tiempos de curado debido a la mayor adhesión cemento-residuo por la adición
del aditivo.
- La resistencia a compresión, al igual que la resistencia a flexión, disminuye al
incorporar mayores porcentajes de caucho, y generalmente aumenta al hacerlo
el tiempo de curado. Puede ser debido a una menor densidad aparente y una
mayor porosidad en las probetas. Además puede ser atribuida a la menor
generación de silicatos cálcicos hidratados (CSH) que son los responsables de
la resistencia mecánica de los morteros. La incorporación de aditivo aumenta
la resistencia a compresión en algunos porcentajes de sustitución a 7 días de
curado, mientras que a 28 días, los porcentajes que presentan una mayor
resistencia a compresión con aditivo son menores.
- La caracterización microestructural realizada ha mostrado los distintos
productos de hidratación del cemento, fundamentalmente gel CHS y etringita,
observándose también belita sin reaccionar. Además se observa una buena
cohesión del caucho en la matriz de cemento. El uso del aditivo ha supuesto
una mejora de esta cohesión, al aumentar la presencia de etringita, compuesto
que ocupa los huecos y mejora la integración del caucho.
Los morteros que incorporan residuos, presentan valores más bajos de
resistencia a flexión y a compresión, sin embargo, los resultados de densidad aparente
y absorción de agua por capilaridad son mejores, siendo morteros más ligeros y con
menor riesgo de infiltraciones por capilaridad. Todos los morteros, excepto la
sustitución del 75 y 100 % de caucho, presentan una resistencia a compresión superior
a 6 MPa para su uso para revoque y enlucido. Los morteros con sustitución de la arena
por caucho de 5 y 10 % presentan propiedades físicas y mecánicas apropiadas, por
lo que su empleo, desde un punto de vista medioambiental, está justificado al reducir
considerablemente los vertidos de caucho, dando lugar a morteros más sostenibles
aunque no se obtengan beneficios económicos.
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SOFÍA JURADO CONTRERAS
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