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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la
Ingeniera
Escuela de Ingeniera Civil en Obras Civiles
DETERMINACIN DE LA INFLUENCIA DE LAS NANOMOLCULAS DE SLICE EN EL
CONCRETO FRENTE
A UN FACTOR QUE AFECTA SU DURABILIDAD
Tesis para optar al ttulo de:
Ingeniero Civil en Obras Civiles Profesor Patrocinante: Sr.
Ernesto Zumelzu Delgado. Ingeniero Civil Metalrgico Doctor
Materiales, Energa y Medioambiente Profesor Copatrocinante: Sr.
Carlos Cabezas Cuevas. M.Sc. en Qumica
REBECA PAZ AGUILAR MUNDACA VALDIVIA - CHILE
2007
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AgradecimientosAgradecimientosAgradecimientosAgradecimientos
Mi familia ha sido el fundamento de mi existencia, Mi familia ha
sido el fundamento de mi existencia, Mi familia ha sido el
fundamento de mi existencia, Mi familia ha sido el fundamento de mi
existencia, a ellos les debo lo que soy. Gracias a a ellos les debo
lo que soy. Gracias a a ellos les debo lo que soy. Gracias a a
ellos les debo lo que soy. Gracias a
mis amados padres Marcia y Martn, por su incondicional apoyo,
proteccin y motivacin al mis amados padres Marcia y Martn, por su
incondicional apoyo, proteccin y motivacin al mis amados padres
Marcia y Martn, por su incondicional apoyo, proteccin y motivacin
al mis amados padres Marcia y Martn, por su incondicional apoyo,
proteccin y motivacin al
llllogro de mis metas. A mis hermanas,ogro de mis metas. A mis
hermanas,ogro de mis metas. A mis hermanas,ogro de mis metas. A mis
hermanas, por siempre estar conmigo y su preocupacin constante. por
siempre estar conmigo y su preocupacin constante. por siempre estar
conmigo y su preocupacin constante. por siempre estar conmigo y su
preocupacin constante.
Eduardo, gracias por tu comprensiEduardo, gracias por tu
comprensiEduardo, gracias por tu comprensiEduardo, gracias por tu
comprensin, apoyo y aliento, que han sido esenciales para m.n,
apoyo y aliento, que han sido esenciales para m.n, apoyo y aliento,
que han sido esenciales para m.n, apoyo y aliento, que han sido
esenciales para m.
Agradezco a Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu,
Agradezco a Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, Agradezco a
Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, Agradezco a Don Carlos
Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, por su gua, consejos por su gua,
consejos por su gua, consejos por su gua, consejos y y y y
disposicin a lo largo de este trabajo.disposicin a lo largo de
este trabajo.disposicin a lo largo de este trabajo.disposicin a lo
largo de este trabajo.
Por Por Por Por ltimoltimoltimoltimo, quiero dar las gracias,
quiero dar las gracias, quiero dar las gracias, quiero dar las
gracias a todos mis familiares y amigos, que de algu a todos mis
familiares y amigos, que de algu a todos mis familiares y amigos,
que de algu a todos mis familiares y amigos, que de alguna u otra
na u otra na u otra na u otra
manera aportaron a mi desarrollo durante este largo proceso que
ya culmina.manera aportaron a mi desarrollo durante este largo
proceso que ya culmina.manera aportaron a mi desarrollo durante
este largo proceso que ya culmina.manera aportaron a mi desarrollo
durante este largo proceso que ya culmina.
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DedicatoriaDedicatoriaDedicatoriaDedicatoria
A A A A Rebequita, una Rebequita, una Rebequita, una Rebequita,
una bellsima bellsima bellsima bellsima
personapersonapersonapersona, , , , que con que con que con que
con
su sonrisa es capaz de llenar el alma de su sonrisa es capaz de
llenar el alma de su sonrisa es capaz de llenar el alma de su
sonrisa es capaz de llenar el alma de todos todos todos todos los
que los que los que los que la rodeanla rodeanla rodeanla rodean. .
. .
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INDICE GENERAL Temario Pgina.
CAPITULO I: ASPECTOS INTRODUCTORIOS
1.1 Planteamiento del Problema 1 1.2 Antecedentes bibliogrficos
1 1.3 Objetivos 2 1.3.1 Objetivos generales 2 1.3.2 Objetivos
especficos 2 1.4 Metodologa y estructura de trabajo 2 1.5 Alcances
y limitaciones 3
CAPITULO II: ASPECTOS TERICOS
2.1 Aspectos tericos referentes al concreto 5 2.1.1
Generalidades del concreto 5 2.1.2 Materiales constituyentes del
concreto 6
2.1.2.1 Cemento 6 2.1.2.2 Agua de amasado 12 2.1.2.3 Hidratacin
del cemento 13 2.1.2.4 ridos 15 2.1.2.5 Aditivos 17
2.2 Nanociencia y Nanotecnologa 19 2.2.1 Nanomateriales 20 2.2.2
La llegada de la nanotecnologa al concreto 23
2.2.2.1 Concreto a escala nanomtrica 23 2.2.2.2 Concreto con
nanoslice 25 2.2.2.2.1 Estudios relacionados al concreto con
nanopartculas de slice 25 2.2.2.2.2 Nanoslice como aditivo 27
2.3 Durabilidad del concreto 33 2.3.1 Factores que afectan la
durabilidad del concreto 34
2.3.1.1 Congelamiento y deshielo 34 2.3.1.2 Abrasin 37 2.3.1.3
Reacciones qumicas en los agregados 39 2.3.1.4 Ambiente qumicamente
agresivo 43
-
Temario Pgina.
2.4 Ataque qumico por sulfatos provenientes de fuentes externas
al hormign 52 2.4.1 Qu componentes internos del concreto sean quizs
inestables a la
presencia de sulfatos? 52 2.4.2 Mecanismo de reaccin 53
2.4.2.1 Caracterizacin del ataque por sulfatos 56
2.4.3 Factores que afectan la resistencia a sulfatos en el
concreto 57
CAPITULO III: EXPERIENCIAS DE LABORATORIO
3.1 Descripcin general de las experiencias a realizar 61 3.2
Discos de mortero a utilizar en el ensayo 62 3.2.1 Preparacin de
los discos de mortero 64
3.3 Ensayo de Inmersin Concreto en Solucin de Sulfato 65
3.3.1 Anlisis de diferencia de Peso 67 3.3.1.1 Resultados
Obtenidos 69
3.3.1.2 Anlisis descriptivo y discusin de resultados 73 3.3.1.3
Comparacin de resultados con propiedades mecnicas y de
trabajabilidad 78
3.3.2 Anlisis pH solucin sulfato de sodio 79
3.3.2.1 Resultados Obtenidos 81 3.3.2.2 Anlisis descriptivo y
discusin de resultados 82
3.3.3 Anlisis microscopia electrnica 83 3.3.2.1 Anlisis y
caracterizacin de muestras a travs de microscopia
electrnica 88
CAPITULO IV: CONCLUSIONES 107
BIBLIOGRAFIA 110
ANEXOS 113
-
INDICE TABLAS Tabla Pgina.
Captulo II: Aspectos tericos
Tabla 2.1: Compuestos mineralgicos principales del clinquer 7
Tabla 2.2: Secuencia de reacciones en un horno rotatorio. 8 Tabla
2.3: Proporcin de xidos en cementos Prtland 9
Tabla 2.4: Composicin media de los minerales principales en
cementos
Prtland corrientes 9
Tabla 2.5: Propiedades de los minerales principales presentes en
el cemento Prtland 10
Tabla 2.6: Caractersticas de los tipos de cementos Prtland
(ASTM) segn su composicin de minerales principales 11
Tabla 2.7: Porcentaje de hidratacin en condiciones normales
13
Tabla 2.8: Efectos de GAIA Nanoslice en mezclas de hormign
27
Tabla 2.9: Propiedades Fsicas y Qumicas de Gaia Nanoslice 28
Tabla 2.10: Caractersticas generales de la nanoslice, microslice y
slice
Precipitada 30 Tabla 2.11: Componentes silceos reactivos que
pueden estar presentes en los agregados 40
Tabla 2.12: Efecto de los agentes qumicos de uso habitual en el
hormign 44
Tabla 2.13: Factores que afectan el ataque del hormign por parte
de los agentes
qumicos 45
Tabla 2.14: Compuestos mineralgicos del cemento Prtland 53
Tabla2.15: Requisitos para concreto expuestos a soluciones con
sulfatos 60
Captulo III: Experiencias de laboratorio
Tabla 3.1: Dosificacin corregida mortero tipo A/C 0.55 63 Tabla
3.2: Dosificacin corregida mortero tipo A/C 0.65 63 Tabla 3.3:
Optimas adiciones para propiedades de resistencias mecnicas,
trabajabilidad y durabilidad en relacin a la disminucin de
deterioro por accin de sulfatos 79
-
Tabla Pgina.
Tabla 3.4: Caractersticas muestras analizadas a travs del
microscopio Electrnico 88
Tabla 3.5: Resumen elementos qumicos constituyentes de los
cristales presentes en las muestras de concreto, en relacin al
porcentaje en peso que estos tienen en cada zona analizada 104
Anexos
Tabla A.1: Granulometra de la Arena seleccionada para ensayos
113 Tabla A.2: Granulometra permitida arena incluyendo tolerancias
en la banda de trabajo (NCh. 165) 114 Tabla A.3: Dosificacin
corregida mortero tipo A/C 0.55 116 Tabla A.4: Dosificacin
corregida mortero tipo A/C 0.65 116 Tabla B.1: Dosificacin
corregida morteros de cemento para ensayo de cono
Reducido (NCh. 2257/3) 124 Tabla C.1: Tamaos de partculas y
Porcentajes de vacos para diversas
adiciones de nanoslice 128 Tabla C.2: Porcentajes de vacos para
diversas categoras de tamao de grano 128 Tabla C.3: Resultado
ensayos de morteros de cemento con diversas adiciones
de Nanoslice a flexotraccin 128 Tabla C.4: Resultado ensayos de
compresin a morteros de cemento con
adiciones de Nanoslice 128 Tabla C.5: Asentamiento instantneo de
cono (reducido) para morteros de cemento en diversas
configuraciones 128 Tabla C.6: Medicin previa inmersin de discos en
solucin sulfato de sodio.
Peso seco para T0 129 Tabla C.7: Medicin posterior inmersin de
discos en solucin sulfato de sodio.
Peso seco para TI, TII y TIII, para A/C 0,65 129 Tabla C.8:
Medicin posterior inmersin de discos en solucin sulfato de
sodio.
Peso seco para TI, TII y TIII, para A/C 0,55 129 Tabla C.9:
Disminucin de peso seco en relacin al % de adicin de nanoslice
entre T0 y TI 129 Tabla C.10: Disminucin de peso seco en relacin
al % de adicin de nanoslice
entre T0 y TII 130
-
Tabla Pgina.
Tabla C.11: Disminucin de peso seco en relacin al % de adicin de
nanoslice entre T0 y TIII 130
Tabla C.12: Comparacin de resultados para A/C 0,65 130 Tabla
C.13: Comparacin de resultados para A/C 0,55 130 Tabla C.14:
Disminucin de peso seco en el tiempo para 0% de adicin 130 Tabla
C.15: Disminucin de peso seco en el tiempo para 0.5% de adicin 131
Tabla C.16: Disminucin de peso seco en el tiempo para 1.0% de
adicin 131 Tabla C.17: Disminucin de peso seco en el tiempo para
1.5% de adicin 131
-
INDICE FIGURAS Figura Pgina.
Captulo II: Aspectos tericos
Figura 2.1: Clasificacin de nanomateriales 20 Figura 2.2:
Incremento en reas superficiales en materiales por la
utilizacin
nanopartculas 21 Figura 2.3: Dispersiones coloidales de
nanopartculas metlicas 22 Figura 2.4: Imagen del polvo de cemento
dispersado en epoxi 23 Figura 2.5: Diferentes imgenes de las mismas
partculas de cemento 24 Figura 2.6: Reacciones del modelo de
cemento 24 Figura 2.7: Imagen TEM donde se sealan a las
nanopartculas (np) 29 Figura 2.8: Detalle general imagen TEM de la
Nanoslice 29 Figura 2.9: Comparacin de la cantidad de material
necesario para obtener
un hormign H-70 31 Figura 2.10: Fotografa SEM de cristales de
etringita 55 Figura 2.11: Efecto de cementos Prtland y contenido de
cemento en la velocidad de deterioro de concreto expuesto a suelos
que contienen sulfatos 58 Figura 2.12: Efecto de cementos Prtland y
combinados y contenido de cemento, en la exposicin de concreto
expuesto a una solucin de sulfatos 58 Figura 2.13: Efecto de la
relacin agua-cemento sobre la velocidad de deterioro del concreto
expuesto a sales que contienen sulfatos 59
Captulo III: Experiencias de laboratorio
Figura 3.1: Esquema ordenamiento recipientes y discos en su
interior 66 Figura 3.2: Discos introducidos en sus respectivos
recipientes plsticos 66 Figura 3.3: Discos introducidos en sus
respectivos recipientes plsticos 66 Figura 3.4: Manchas blancas en
la superficie de muestra 67 Figura 3.5: Secado discos de mortero 68
Figura 3.6: Secado discos de mortero 68 Figura 3.7: Grfico
disminucin peso seco (%) entro T0 y TI en relacin al % de nanoslice
de la muestra 69 Figura 3.8: Grfico disminucin peso seco (%) entro
T0 y TI en relacin al % de nanoslice de la muestra 70
-
Figura Pgina.
Figura 3.9: Grfico disminucin peso seco (%) entro T0 y TIII en
relacin al % de nanoslice de la muestra 70 Figura 3.10: Grfico
comparacin de resultados para A/C 0,65 en relacin a la disminucin
de peso seco entre TI, TII y TIII y T0 70 Figura 3.11: Grfico
comparacin de resultados para A/C 0.55 en relacin a la disminucin
de peso seco entre TI, TII y TIII y T0 71 Figura 3.12: Grfico
disminucin de peso seco en el tiempo para muestras sin adicin de
nanoslice 71 Figura 3.13: Grfico disminucin de peso seco en el
tiempo para muestras con 0.5% de adicin de nanoslice 72 Figura
3.14: Grfico disminucin de peso seco en el tiempo para muestras con
1.0% de adicin de nanoslice 72 Figura 3.15: Grfico disminucin de
peso seco en el tiempo para muestras con 1.5% de adicin de
nanoslice 72 Figura 3.16: Grfico pH soluciones utilizadas en el
ensayo de inmersin en
relacin al da en que fueron sacados los discos de mortero 81
Figura 3.17: Microscopio SEM, detector de electrones secundarios y
rayos X 84 Figura 3.18: Diferentes volumen de interaccin
microscopio SEM 85 Figura 3.19: Ejemplo de microanlisis por
dispersin de rayos X 85 Figura 3.20: Tcnica de recubrimiento con
oro 86 Figura 3.21: Mquina utilizada en recubrimiento de muestras
con oro 87 Figura 3.22: Mquina utilizada en recubrimiento de
muestras con oro 87 Figura3.23: Tcnica de recubrimiento con carbono
87 Figura 3.24: Resultado preparacin muestra con oro 87 Figura
3.25: Resultado preparacin muestra con carbn 87 Figura 3.26: Imagen
muestra control buena con un aumento de 1000X 90 Figura 3.27:
Imagen muestra control buena con un aumento de 5000X 90 Figura
3.28: Imagen muestra control buena con un aumento de 12000X 90
Figura 3.29: Imagen muestra buena con un aumento de 1000X 91 Figura
3.30: Imagen muestra buena con un aumento de 5000X 91 Figura 3.31:
Imagen muestra buena con un aumento de 12000X 91 Figura 3.32:
Imagen muestra control mala con un aumento de 1000X 92 Figura 3.33:
Imagen muestra control mala con un aumento de 5000X 92 Figura 3.34:
Imagen muestra control mala con un aumento de 12000X 92 Figura
3.35: Imagen muestra mala con un aumento de 1000X 93
-
Figura Pgina.
Figura 3.36: Imagen muestra mala con un aumento de 5000X 93
Figura 3.37: Imagen muestra mala con un aumento de 12000X 93 Figura
3.38: Microanlisis muestra control buena EDAX 1 94 Figura 3.39:
Linescan realizado a muestra control buena EDAX 2 94 Figura 3.40:
Grficos elementos qumicos encontrados en EDAX 2 95 Figura 3.41:
Distribucin mapping muestra control buena 95 Figura 3.42:
Microanlisis muestra control mala EDAX 3 96 Figura 3.43: Linescan
realizado a muestra control mala EDAX 4 96 Figura 3.44: Grficos
elementos qumicos encontrados en EDAX 4 97 Figura 3.45: Distribucin
mapping muestra control mala 97 Figura 3.46: Microanlisis muestra
buena EDAX 5 98 Figura 3.47: Linescan realizado a muestra buena
EDAX 6 98 Figura 3.48: Grficos elementos qumicos encontrados en
EDAX 6 99 Figura 3.49: Distribucin mapping muestra buena 99 Figura
3.50: Microanlisis muestra mala EDAX 7 100 Figura 3.51: Linescan
realizado a muestra mala EDAX 8 100 Figura 3.52: Grficos elementos
qumicos encontrados en EDAX 8 101 Figura 3.53: Distribucin mapping
muestra mala 101
Anexos
Figura B.1: Adicin de nanoslice v/s tamao promedio de partculas
117 Figura B.2: Adicin de nanoslice v/s Porcentaje de vaco en
muestra 117 Figura B.3: Grfica tamao partculas v/s porcentaje vacos
en muestra 118 Figura B.4: Resultados grficos Resistencia a
Flexotraccin 120 Figura B.5: Grfico de Resultados ensayo de
compresin 122 Figura B.6: Grfico de resultados de trabajabilidad
125 Figura D.1: Imagen muestra mala con un aumento de 210X 132
Figura D.2: Imagen muestra mala con un aumento de 639X 132 Figura
D.3: Imagen muestra mala con un aumento de 17000X 132
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INDICE ANEXOS Anexo Pgina.
ANEXO A: Ensayos normalizados de caracterizacin de ridos
para
fabricacin de morteros y dosificacin de probetas 113
ANEXO B: Caracterizacin y propiedades de morteros que tienen
incluidas nanomolculas de slice 117
ANEXO C: Tablas 128
ANEXO D: Microscopia electrnica de barrido (SEM) 132
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RESUMEN
En los ltimos aos se han intensificado las investigaciones
relacionadas con el mejoramiento de los materiales utilizados en
obras de ingeniera, con el objetivo de mejorar sus propiedades y
economizar su costo de fabricacin y los que su utilizacin implique.
Una de las ultimas tecnologas desarrolladas con muchas aplicaciones
en este campo es la nanotecnologa, que como su nombre lo indica, se
desarrolla a escalas nanomtricas, en que un nanmetro es la
millonsima parte de un milmetro.
Es en el marco de esta tecnologa que se desarrolla el presente
trabajo, que tiene como objeto principal la determinacin de la
influencia de las nanopartculas de slice en el concreto frente a la
accin de agentes que son agresivos para ste que afectan su
durabilidad considerando los efectos superficiales y estructurales,
fsicos y qumicos, de esta accin en el concreto.
Para determinar la influencia de estas nanomolculas, se realiza
un trabajo experimental que consiste en un ensayo de inmersin de
pequeos discos de concreto con rido fino o mortero, con distintas
adiciones de nanoslice en porcentaje de peso de cemento, en una
solucin de sulfato de sodio, del que se desprenden tres tipos de
anlisis:
El primero esta relacionado con la prdida o disminucin de masa
de cada una de las muestras en forma posterior a su inmersin
El segundo es un anlisis del pH de la solucin utilizada en forma
previa y posterior al ensayo de inmersin
Por ltimo se expone un anlisis de microscopia electrnica, en la
muestra que sufri mayor deterioro y aquella que fue menos daada,
producto de la accin de los sulfatos en el ensayo de inmersin.
Adems se hace una comparacin de los resultados del primer
anlisis mencionado, con los de una investigacin anterior referente
al estudio de resistencias mecnicas (felxotraccin y compresin) y
trabajabilidad de probetas de mortero, idnticas a las utilizadas en
esta investigacin.
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SUMMARY
Research projects relating to the improvement of materials
utilized for engineer work has intesified in the last years. The
objective is to improve their characteristics and to reduce the
production and implementation costs. One of the latest technologies
developed with many applications in this field is the
nanotechnology. As its name indicates, it uses a nanometric scale,
in which a nanometer is the millionth part of a millimeter.
Its is in the framework of this technology that the present work
develops. Its has as main objective the determination of the
influence of the nanoparticles of silica in the concrete in front
of the action of agents that are aggressive and affect its
durability, considering the structural and superficial effects,
chemical and physical, of this action on the concrete.
To determine the influence of these nanomolecules in the
concrete, an experimental work is done that consists of a test of
immersion of small concrete disks made of fine arid or mortar, with
quantities of nanoslice in cement weight percentage, in a sodium
sulphate solution. From this test three types of analyses are
done:
The first one is related to the loss or decrease of mass in each
one of the samples after their immersion
Second is an analysis of the pH of the solution utilized before
and after the trial of immersion test
Finally an analysis of electron microscopy is presented, in the
sample that suffered the greatest deterioration and the sample wich
was least damaged, product of the action of the sulphates in the
trial of immersion test.
The results of the first analysis are compared with the previous
investigation relating to the study of mechanical resistances
(felxotraction and compression) and workability of test tubes of
mortar, identical to the samples utilized in this
investigation.
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1
CAPITULO I
ASPECTOS INTRODUCTORIOS
1.1 Planteamiento del Problema
En el siglo XXI la ciencia se ha visto revolucionada por
investigaciones relacionadas con nanociencia y nanotecnologa,
conceptos que se traducen en un gran desarrollo tecnolgico en una
variada gama de actividades de gran impacto para la sociedad. Una
de ellas es el estudio de materiales relacionados con la ingeniera
civil.
En relacin al nanoslice en los ltimos aos se ha estudiado sus
caractersticas generales (tamao de la partcula, rea especfica de
superficie, apariencia, etc.), como tambin sus propiedades fsicas y
qumicas (densidad, ph, viscosidad, etc.) y ha sido creada como un
producto para ser usado en el concreto u hormign. En cuanto al
concreto que tiene incorporado nanomolculas de slice en su
estructura, en la actualidad se han realizado estudios para
determinar, sus propiedades mecnicas de resistencia, rugosidad
superficial, anlisis microscpico y sus propiedades reolgicas de
plasticidad y autocompactacin.
Esta investigacin se centrar en un tema an no abordado en las
investigaciones realizadas hasta ahora, que es la determinacin de
la influencia de las nanomolculas de slice en el concreto frente a
un agente o medio que afecta la durabilidad de ste, el cual se
desarrollar a travs de un ensayo en laboratorio del cual se
desprendern una serie de anlisis (fsicos y qumicos), con los que se
estudiar el comportamiento de muestras fabricadas con este
nanomaterial, sometido a ciertas condiciones desfavorables que se
definirn a futuro en esta investigacin.
La importancia de este trabajo es que realizando este ensayo y
los anlisis que se desprenden de l, se podr caracterizar los
efectos fsicos y qumicos, superficiales y microestructurales, en el
concreto producto del medio agresivo y establecer si la
incorporacin de las nanomolculas de slice favorece la disminucin de
stos.
1.2 Antecedentes bibliogrficos
Existe un conocimiento profundo del concreto o mortero en la
mayora de sus aspectos, pero cuando este concepto se traslada al
rea de los nanomateriales, este conocimiento comienza a decaer.
-
2
Hasta el momento se han desarrollado investigaciones en cuanto a
las propiedades mecnicas y reolgicas de diversos concretos con
nanomolculas de slice, as como tambin de la nanoslice por s sola,
pero en general el conocimiento que existe en esta rea es escaso y
no hay una gran cantidad de informacin.
1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo general:
Determinar la influencia de las nanopartculas de slice en el
concreto, en presencia de un agente que afecta la durabilidad de
ste, realizando anlisis fsicos y qumicos, superficiales y
microestructurales, por medio de experiencias en laboratorio.
1.3.2 Objetivos especficos: Estudiar cual es el efecto de las
nanomolculas de slice en el concreto, como
elemento que le otorga durabilidad, en cuanto a la resistencia
al deterioro. Analizar como es el mecanismo fsico-qumico de
degradacin del concreto que
tiene incorporado estas nanomolculas. Estudiar como se
caracteriza el dao por efecto del agente agresivo a nivel
estructural y superficial. Demostrar que un concreto compuesto
por nanomolculas de slice se comporta
mejor frente a ambientes adversos que un concreto convencional.
Realizar un anlisis comparativo de los resultados obtenidos en
esta
investigacin con los resultados de una investigacin anterior
referente al estudio de propiedades mecnicas (flexo-traccin y
compresin) y trabajabilidad, examinando si los resultados de la
presente investigacin son coherentes y estn relacionados a los de
la investigacin previa.
1.4 Metodologa y estructura de trabajo
Con el objetivo de recopilar el material que sea necesario para
la realizacin de esta investigacin, se comenzar con una fase
exploratoria, en la cual se realizar un minucioso anlisis de la
literatura existente, comenzando con la recopilacin de bibliografa
relacionada al concreto, mortero, la nanociencia y nanotecnologa,
su grado de desarrollo, los nanomateriales, profundizando en el
nanoslice, material base de esta investigacin. Se estudiar
informacin respecto de los factores principales que afectan
-
3
la durabilidad del concreto, de los cuales se seleccionar uno de
ellos para realizar la parte experimental de esta investigacin.
Una vez conocido el agente agresivo a utilizar en la
experimentacin, se definen el tipo de ensayo, procedimientos y
anlisis a realizar en el laboratorio, para lo cual es necesario
realizar una planificacin de estos de acuerdo a los objetivos que
se quiere alcanzar en esta investigacin, ya que por medio de estos
ensayos se expondr el concreto con nanomolculas de slice a este
agente y se analizarn los efectos producidos en l.
Se proceder a la preparacin de probetas que sern utilizadas en
el ensayo y los anlisis acordes con la investigacin. Se realiza un
ensayo de inmersin de pequeos discos de concreto con rido fino
(mortero), los cuales se sumergen en una solucin de sulfato, de
tipo y concertacin determinada.
En forma previa se realiza un secado especial, obteniendo el
peso seco de cada una de ellas. Una vez sumergidas y transcurrido
un tiempo determinado, las muestras se sacaran de la solucin por
grupos en tres tiempos diferentes, se volvern a secar y pesar en
estado seco, por lo que se estudiar la degradacin en cuanto a la
diferencia de peso (prdida de masa).
Cuando halla finalizado este proceso se proceder a analizar la
estructura de las probetas por medio de microscopa realizando un
anlisis morfolgico y otro qumico por energa dispersiva de rayos X,
en la muestra que resulto mas afectada y aquella que resulto menos
afectada por la accin del agente agresivo, de acuerdo a los
resultados del anlisis anterior. Tambin se analizar el PH de las
soluciones posterior retiro de las muestras.
As, por medio del ensayo de inmersin de probetas en solucin de
sulfato, se realizarn los siguientes anlisis:
Anlisis de prdida de masa Anlisis del PH de la solucin Anlisis
microscopa electrnica
Luego de realizado los anlisis se deber hacer una acabada
discusin y comparacin de los resultados, para poder elaborar las
conclusiones de esta investigacin.
1.5 Alcances y limitaciones
La influencia de las nanopartculas de slice en el concreto
frente a la accin de agentes que afectan la durabilidad de ste, es
determinada para mortero de
-
4
especificaciones descritas en el anexo A de este trabajo, con
diferentes adiciones de nanoslice en porcentaje de peso de cemento:
0%, 0.5%, 1.0% y 1.5%. Por lo que los resultados obtenidos y su
anlisis son vlidos para estos tipos de concreto, que se sometieron
al tipo de ataque, correspondiente a un agente qumicamente
agresivo, con solucin de sulfato de sodio de concertacin tambin
especificada.
-
5
CAPITULO II
ASPECTOS TEORICOS
2.1 Aspectos tericos referentes al concreto
2.1.1 Generalidades del concreto
Qu se entiende por concreto u hormign? El concreto u hormign es
el resultado de la mezcla de uno o ms
conglomerantes, que pueden ser de tipo calcreo, bituminoso,
etc., ridos fino o grueso (grava, gravilla y arena), agua, aire,
posibles aditivos (colorantes, aceleradores, retardadores de
fraguado, fluidificantes, impermeabilizantes, etc.) y adiciones. El
cemento se hidrata en contacto con el agua, inicindose complejas
reacciones qumicas que derivan en el fraguado y endurecimiento de
la mezcla, obtenindose al final del proceso un material con
consistencia ptrea.
Mortero Cuando se habla de mortero, se esta haciendo referencia
a un tipo de concreto
fabricado especficamente con rido fino (arena) de tamao mximo
igual o inferior a 5mm o que pasa por una abertura nominal de 5 mm.
y es retenido en el 0.080 mm. con tolerancias establecidas en la
Nch163, junto a los dems componentes mencionados anteriormente.
Dependiendo del tipo de conglomerante que se utilice los morteros
se clasifican en:
- Mortero de cemento: se compone de una mezcla en la que el
conglomerante es cemento. Su principal ventaja respecto a otros
tipos de argamasa es su gran resistencia y la rapidez con la que se
seca y endurece. Sin embargo, como es poco flexible, es fcil que se
resquebraje. - Mortero de cal: el conglomerante en el que se amasa
este producto es cal,
tiene la gran ventaja de que es fcil de aplicar, y es flexible y
untuoso. No obstante, es menos resistente e impermeable que el
mortero de cemento. - Mortero mixto: donde el conglomerante esta
compuesto por cemento y cal, que
ana las cualidades de los dos anteriores. Si en la masa se pone
ms cemento que cal ser ms resistente y si la cantidad de cal es
mayor ser ms flexible.
Usos del mortero
- Como mortero de junta, para la adherencia de unidades de
albailera.
-
6
- Como mortero de estuco, para recubrimiento de superficies de
albailera u hormign. - Como mortero de pega para unir piezas de
revestimiento prefabricadas
(baldosas, pastelones, elementos cermicos, etc.). - Como mortero
de relleno en unidades de albailera armada o placas de
fundacin de estructuras metlicas o equipos. - Como mortero
proyectado para el recubrimiento y sustentacin de superficies
de suelo, roca, hormign u otros materiales. - Como mortero de
inyeccin de fisuras y grietas en elementos de hormign,
roca u otros.
- Como material de reparacin, especialmente en obras de hormign.
- Como recubrimiento interior de tubos metlicos. - Como morteros de
tratamiento de juntas de hormigonado.
2.1.2 Materiales constituyentes del concreto
2.1.2.1 Cemento
El cemento se presenta en forma de polvo finsimo, de color gris,
que mezclado con agua forma una pasta que endurece tanto bajo el
agua como el aire. Por endurecer bajo el agua y por necesitar agua
para su fraguado se le define como un aglomerante hidrulico.
Proceso de fabricacin del cemento El componente principal del
cemento es el clinquer, el cual esta compuesto por
materias primas: calizos y arcillosos. Como materiales calizos:
contienen principalmente carbonato clcico, pueden usarse calizas,
margas, conchas marinas, etc. Como materiales arcillosos: contienen
principalmente xidos de silicio o slice de aluminio o almina, y de
hierro, con una cierta cantidad de agua libre y de agua de
cristalizacin, arcillas, pizarras, esquistos, escoria de alto
horno, etc.
Algunos de estos materiales, por ejemplo las margas y la
escoria, son a su vez calcreos y arcillosos. Adems hay impurezas,
tales como carbonato de magnesio que lleva a veces la caliza y
otros elementos Na, K, P, etc., estos en pequeas cantidades.
La parte esencial de la fabricacin del cemento es la calcinacin,
que consiste proceso de fusin incipiente en un horno rotatorio de
las materias antes mencionadas, previa reduccin y dosificacin de
estas. Lo primero, consiste en la reduccin de estos a granos muy
finos, con el fin de aumentar su superficie especfica, de manera
que puedan tener lugar en el horno las reacciones buscadas. Este
proceso de reduccin
-
7
de tamao de las materias primas se puede hacer bsicamente por
dos procedimientos diferentes, que son el de va seca y el de va
hmeda.
- Proceso de va seca: la reduccin de tamao se hace por una serie
de chancadoras y Molinos en los que - se trituran y desmenuzan los
materiales en seco. Si inicialmente las materias
primas no estn lo bastante secas, deben someterse a un
pre-secamiento. - Proceso de va hmeda: se deslan los materiales en
agua formando una
suspensin que se espesa y eventualmente se le disminuye el
contenido de agua por filtros al vaco antes de entrar en el horno.
Esta va necesita menos gastos de energa mecnica en la reduccin de
tamao, pero mayores gastos trmicos, ya que es necesario evaporar en
el horno una cantidad de agua mayor.
El emplear una va u otra depende del tipo de materias primas. El
segundo proceso previo consiste en la dosificacin necesaria para
que las
materias primas calcreas y arcillosas estn en la proporcin
necesaria para obtener el clinquer de la composicin requerida.
Mediante el tratamiento trmico, la mezcla cruda finamente molida
de los materiales naturales no hidrulicos, calcita, cuarzo,
arcillas y feldespatos, es transformada en una mezcla ntima de
cuatro minerales principales hidrulicamente activos que se aprecian
en la siguiente tabla.
Tabla 2.1: Compuestos mineralgicos principales del clinquer
Denominacin
Mineral
Formula Qumica
Abreviaturas
Silicato Triclcico
Alita 3 Ca O . SiO2
C3S
Silicato Diclcico Belita 2 Ca O . SiO2
C2S
Aluminato Triclcico
Alumina 3 Ca O . Al2O3 C3A
Ferro-Aluminato Tetraclcico
Ferrita 4 Ca O . Al2O3 . Fe2O3
C4AF
Fuente: Glvez, et al. (2007)
El tratamiento trmico de calentamiento y enfriamiento
responsable para esta transformacin se denomina clinquerizacin. En
el proceso de formacin de clinquer ocurre una serie de complejas
reacciones en un rango amplio de temperaturas y durante el mismo
coexisten frecuentemente mezclas complejas de productos
reactantes
-
8
intermedios y finales. An despus de alcanzada la temperatura
mxima de aproximadamente 1.450C, debe transcurrir un cierto tiempo
antes que se produzca clinquer de una calidad aceptable.
Tabla 2.2: Secuencia de reacciones en un horno rotatorio.
Rango de Temperatura (C)
Tipo de reaccin
Calentamiento : 20 100 Evaporacin de H2O libre 100-300 Perdida
del agua fsicamente absorbida 400-900 Remocin de H2O estructural
(grupos H2O y OH) de los
minerales de arcilla >500 Cambio de estructura en los
minerales de slice
600-900 Disociacin de los carbonatos >800 Formacin de belita,
productos intermedios
>1.250 Formacin de alita >1.260 Formacin de fase liquida
(caldo de aluminato y ferrita)
Aprox. 1.450 Se completa la reaccin y recristalizacin de alita y
belita
Enfriamiento: 1.300-1.240 Cristalizacin de fase liquida
Fuente: Glvez, et al. (2007)
Es importante el balance trmico del horno para obtener el mejor
aprovechamiento del calor. Para ello, el aire para la combustin se
pasa por el clinquer caliente con lo que se consigue la doble
finalidad de aprovechar el calor y enfriar el clinquer. En la parte
inicial del horno se ponen dispositivos para favorecer la
transmisin trmica de los gases a la mezcla cruda. Adems, los gases
de escape se aprovechan incluso para calentar las materias primas
antes de entrar en el horno. El clinquer sale formando bolitas de 3
a 29 mm. de dimetro y es necesario pulverizarlo.
Cemento Prtland. Una vez ya formado el clinquer este se
pulveriza mediante molinos de bola hasta
convertirlo en polvo finsimo, adicionndole en esta etapa yeso
CaSO4 (yeso o anhidrita) de alrededor de un 5% de su peso. As el
producto obtenido se denomina Cemento Prtland, que es el tipo de
cemento ms utilizado como ligante para la preparacin de concreto.
Es importante destacar que sino se le adicionara yeso al clinquer,
el cemento, tendra un fraguado muy rpido, de esta manera el yeso se
utiliza como regulador del fraguado. Los cementos Prtland son de
composicin variable, pero comprendida entre ciertos lmites. El
anlisis qumico de un cemento se expresa por sus
-
9
xidos. Sus proporciones en los cementos Prtland corrientes
suelen ser las que se indican en la Tabla2.3.
Tabla 2.3: Proporcin de xidos en cementos Prtland.
Fuente: Glvez, et al. (2007)
En la tabla anterior se encuentran los componentes principales
de que hemos hablado: cal, slice, almina, xido de hierro. Estos
componentes constituyen, en la composicin media, el 94% del total.
La magnesia (xido de magnesia) no es un componente favorable, pero
proviene de impurezas de algunas calizas. El SO3 es del yeso que se
aadi al clinquer. Adems de los xidos citados, hay otros como Mn2O3,
Na2O, K2O, TiO2, etc., en proporciones menores. El significado de
la prdida por calcinacin y del residuo insoluble se explicar ms
adelante.
Como ya se ha visto, estos xidos que da el anlisis qumico no se
hallan libres, sino combinados en virtud de las reacciones
producidas en el horno. Los cuatro xidos principales forman los
compuestos C3S, C2S, C3A, C4AF. De la composicin expresada por los
xidos y teniendo en cuenta sus pesos moleculares, se puede deducir
la composicin potencial de los cuatro minerales que constituyen
principalmente el cemento Prtland. Desde luego, estas proporciones
son diferentes en cada cemento particular.
Tabla 2.4: Composicin media de los minerales principales en
cementos Prtland corrientesMineral %
C3S 48 C2S 28 C3A 12
C4AF 8 Fuente: Glvez, et al. (2007)
-
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Estos cuatro compuestos son identificables al microscopio como
cuatro fases diferentes. Tienen distintas propiedades y de su
proporcin dependen por tanto las caractersticas principales de un
cemento Prtland. Los cuatro compuestos podran considerarse
aisladamente como cuatro cementos diferentes, pues todos ellos
tienen la virtud de fraguar y endurecerse; pero esto lo hacen a
distintas velocidad y alcanzando diferentes valores de
resistencia.
Propiedades de los minerales presentes en el cemento Prtland
Como el fraguado y endurecimiento se producen por reacciones con el
agua, que
son exotrmicas, su distinta velocidad est relacionada
directamente con el calor de hidratacin liberado.
El aluminato triclcico tiene mucho calor de fraguado, es de
reaccin rpida. De l depende la resistencia del hormign a un da. Es
atacable por los sulfatos y de su mayor proporcin depende que el
cemento sea ms vulnerable a ese ataque qumico, por ejemplo, por el
agua de mar. El silicato triclcico le sigue en rapidez. De l
principalmente depende la resistencia de 3 a 28 das. Calor de
hidratacin alto, pero no tanto como el C3A.
El silicato diclcico es ms lento que los anteriores y tiene
menos calor de hidratacin. El C4AF tiene dbiles propiedades
aglomerantes.
Tabla 2.5: Propiedades de los minerales principales presentes en
el cemento Prtland
Minerales Principales
C3S
C2S
C3A
C4AF
Velocidad de reaccin
Media Lenta Rpida Lenta
Calor liberado
Medio Poco Mucho Poco
Valor conglomerante
inicial Bueno Pobre Bueno Pobre
Final Bueno Bueno Pobre Pobre
Reaccin con sulfatos
No No Si No
Fuente: Glvez, et al. (2007)
-
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Propiedades de un cemento Prtland conocida su composicin
mineralgica Segn su composicin mineralgica se clasifican los
cementos Prtland
norteamericanos en cinco tipos con las caractersticas y
composicin media que se indican a continuacin, en porcentaje.
Tabla 2.6: Caractersticas de los tipos de cementos Prtland
(ASTM) segn su composicin de minerales principales
I Corriente
II Moderado
Calor
III Alta Resist.
Inicial
IV Bajo calor
V Resist. A los
sulfatos
C3S 48 43 57 20 39 C2S 28 30 20 52 33 C3A 12 7.5 11 6 4.5
C4AF 8 12 7 14 16 Fuente: Glvez, et al. (2007)
Obsrvese, por ejemplo, que el cemento resistente a los sulfatos
es el que tiene menos C3A. El de bajo calor, es el que tiene menos
C3S y poco C3A; y el de resistencia inicial, el que tiene ms C3S y
una cantidad no reducida de C3A. Otro factor que influye
extraordinariamente en la velocidad de endurecimiento y en el calor
de hidratacin es la finura del cemento. En cuanto a la velocidad
del fraguado, est siempre regulada por el yeso, debindose aadir ms
en los cementos ms finos. El Fe2O3 es responsable del tono gris del
cemento. Por eso cuando se quiere fabricar cemento blanco hay que
buscar materias primas que tengan muy poco Fe2O3 y en lo posible
tambin poco MgO. La magnesia (MgO), el SO3 y la cal libre pueden
producir expansiones diferidas que, al ocurrir en el hormign ya
endurecido, ocasionan su agrietamiento. Por tal razn se limita en
las normas su contenido mximo y adems se hace con el cemento un
ensayo acelerado de expansin
El xido de magnesio da el tono verdoso de algunos cementos. Por
cal libre se entiende CaO que no ha reaccionado en la
clinquerizacin. Esa cal se encuentra confinada dentro de una
estructura mineral compacta lo que hace que no reaccione
inmediatamente con el agua al mezclar el hormign. Su hidratacin se
produce muy posteriormente, con el consiguiente aumento de volumen
y el peligro de agrietamiento a que nos hemos referido. Los xidos
alcalinos Na2O y K2O se encuentran en proporcin
total de 0,4% a 1,3%; con todo, pueden tener gran trascendencia
en el comportamiento del cemento, ya que reaccionan con ciertos
ridos produciendo expansiones y grietas en el hormign. Por eso se
recomienda que su proporcin total, expresada como Na2O, sea menor
que 0,6%. La reaccin lcali-rido ms conocida es la lcali-slice,
entre los
-
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lcalis del hormign lcalis (sodio y potasio) y ciertas rocas
silceas o minerales presentes en algunos ridos.
Prdida por calcinacin y residuo insoluble La prdida por
calcinacin o prdida al fuego es la disminucin relativa de peso
del cemento al calentarlo a 1000C. En ese calentamiento se
desprende principalmente agua y CO2. El agua proviene de varios
orgenes: En primer lugar en las fbricas a veces se roca el clinquer
con agua para enfriarlo, lo que le produce una muy pequea
hidratacin superficial. En segundo lugar, la humedad del aire
absorbida por el mismo clinquer. En tercer lugar, el agua que lleva
el yeso, ya que ste no pasa por el horno en la fbrica de cemento, y
lleva agua de cristalizacin, y posiblemente humedad.
El CO2 proviene de absorcin del aire. La prdida por calcinacin
puede servir adems como ndice del estado de un cemento del cual se
dude por haber tenido un almacenamiento inadecuado.
El residuo insoluble se refiere a la parte que no se disuelve en
cido clorhdrico. Los componentes de la porcin arcillosa del crudo
son insolubles en HCI, pero pasan a ser solubles despus de haber
reaccionado en el horno. Por lo tanto, el residuo insoluble es un
ndice para saber si la clinquerizacin ha sido completa o no.
2.1.2.2 Agua de amasado
El agua desempea dos roles en su calidad de componente del
concreto, el primero es que participa en el proceso de hidratacin
del cemento, la cual no puede tener lugar sin su presencia y luego
otorga la trabajabilidad necesaria del concreto siendo determinante
para definir su fluidez. En consecuencia, es un componente
fundamental del concreto, ya que su presencia condiciona tanto el
desarrollo de las propiedades en estado fresco, como en la etapa de
endurecimiento (porosidad, retraccin y resistencia)
Condiciones de calidad
Para su incorporacin en el concreto, el agua debe presentar
ciertas caractersticas de calidad, las cuales aparecen definidas en
la NCh. 1498 y pueden resumirse en la forma siguiente:
- El uso de agua potable esta permitido sin necesidad de
verificar su calidad. - El agua de mar solo puede usarse en la
preparacin de hormigones de
resistencia especificada inferior a 150 kg/cm2.
-
13
- El agua contenida de azucares, en forma de sacarosa o glucosa,
no puede ser empleada para la preparacin de hormigones.
Las aguas de origen desconocido deben ser sometidas a anlisis
qumico, debiendo atenerse su composicin a los lmites sealados en la
norma respectiva. Generalmente se investiga lo siguiente:
a) Origen: No son recomendables las aguas procedentes de
desages, relaves de minas, de alta montaa, de mar, residuales de
industrias de azcar o similares, de aceite, de cidos, lcalis o
cualquier agua que tenga olor o sabor desagradables. b) Contenidos
en suspensin: No son recomendables las aguas que arrastran
abundante material en suspensin, como pueden ser las aguas de
canales o de pozo. Si no contienen exceso de sales disueltas, podrn
emplearse si se adopta algn sistema de decantacin que permita
obtener agua sin turbidez. c) Contenidos disueltos: No son
recomendables las aguas con gusto salobre o azucarado. Cuando se
desconozca o se tenga dudas sobre aguas que tengan contenidos
peligrosos de sales disueltas, deber recurrirse a anlisis en
laboratorios especializados.
En resumen, el agua debe estar libre de sales, impurezas, slidos
en suspensin y materias orgnicas.
2.1.2.3 Hidratacin del cemento
El fraguado y el endurecimiento del cemento se basan en la
reaccin de los compuestos anhidros del cemento con el agua. En el
hormign, el agente conglomerante no es el cemento en s, sino la
mezcla de cemento y agua. Las reacciones de hidratacin ya empiezan
a ocurrir durante el almacenamiento de clinquer, durante la
molienda del clinquer con yeso y durante el almacenamiento del
cemento. Esta hidratacin incipiente puede inclusive cambiar las
caractersticas fsicas del cemento. La hidratacin a gran escala y
con cambios significativos en las caractersticas fsicas se lleva a
cabo durante la reaccin del cemento con el agua en la mezcla del
hormign.
Tabla 2.7: Porcentaje de hidratacin en condiciones normales
Almacenamiento del clinquer 0-1% Molienda de cemento 0-1%
Almacenamiento de cemento y transporte 0-10% Mezcla de hormign
0-100%
Fuente: Glvez (2007).
-
14
Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad,
inicindose con el C3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y
C2S. A partir de ese momento el proceso no es cabalmente conocido,
existiendo teoras que suponen la precipitacin de los compuestos
hidratados, con la formacin de cristales entreverados entre si que
desarrollen fuerzas de adherencia, las que producen el
endurecimiento de la pasta (Teora cristaloidal de Le Chatelier) o
alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel
formado a partir de dichos compuestos hidratados (Teora coloidal de
Michaelis), estimndose actualmente que el proceso presenta
caractersticas mixtas.
La hidratacin del cemento Prtland es principalmente una
hidrlisis de silicatos, que produce un hidrato de silicato de
calcio liberando cal que se separa bajo la forma de hidrxido de
calcio. Las reacciones ms importantes son las de los silicatos
triclcico y diclcico.
2 (3 CaO Si O2) + 6 H2O 3 Ca O 2 Si O2 3 H2O + 3 Ca (OH)2 2 (2
CaO Si O2) + 4 H2O 3 Ca O 2 SiO2 3 H2O + Ca (OH)2
3CaO Si O2 3H2O = Tobermorita = CSHgel
No se han considerado las reacciones del C3A, C4AF y del yeso.
En ellas la cantidad de agua necesaria es, en proporcin, mayor que
en las reacciones citadas; pero como esos componentes se hallan en
menor cantidad que los silicatos, no influye considerablemente en
la demanda de agua del cemento, que va a ser como mximo 28 1C .
Esta es el agua que se combina qumicamente; desde luego el
concreto necesita una relacin agua/cemento mayor que 0.28, pero
ello es debido a la necesidad de darle trabajabilidad.
En el caso de los cementos puzolnicos, la cal Ca (OH)2, liberada
en las reacciones anotadas, reacciona a su vez con la puzolana
formando compuestos con propiedades conglomerantes. Adems, la
puzolana, al consumir la cal, desequilibra las reacciones anotadas
y hace que se incline ms la reaccin hacia la derecha, formndose ms
tobermorita (CSH gel).
Aparte del CSH gel, el hidrxido de calcio es el componente
principal del cemento hidratado. Se cree que el Ca (OH)2 no
contribuye a la resistencia y siendo una base fuerte, en el sentido
qumico de la palabra, protege al acero contra la corrosin
electroqumica en los hormigones armados.
El hidrxido de calcio es ligeramente soluble en agua y puede ser
sacado de la estructura si se mantiene el hormign en contacto
permanente con H2O corriente; esto aumenta la porosidad y reduce su
resistencia.
El hidrxido de calcio reacciona lentamente con el CO2 del aire
para formar CaCO3. De este modo se destruye el efecto protector
contra la corrosin del acero de
-
15
refuerzo. Este fenmeno se llama "carbonatacin" y su importancia
depende del contenido de cemento, relacin agua / cemento y
condiciones climatolgicas. Si se incrementa la velocidad de
hidratacin, sube el desarrollo de la resistencia a temprana edad,
pero se perjudica la resistencia final. La hidratacin lenta y
retardada permite la formacin de una estructura microcristalina
(gel) de gran superficie, que da como resultado una buena
resistencia. La reaccin de hidratacin es un proceso exotrmico, es
decir, durante la reaccin del cemento con el agua se libera calor.
La cantidad de calor liberada es bastante importante y se llama
"calor de hidratacin". Debido a la baja conductibilidad del
hormign, ste funciona como aislante y dentro de una gran masa de
hormign la hidratacin produce un gran aumento de la temperatura,
hasta 50C.
La gradiente de temperatura que se produce como consecuencia de
este fenmeno puede ser causante de la formacin de grietas en el
hormign.
2.1.2.4 ridos
Los ridos son materiales ptreos, compuestos de partculas duras
de forma y tamao estables, que pueden ser de origen gneo,
sedimentario o metamrfico o artificial como escorias y arcillas
expandidas.
Es el componente inerte del concreto, que representa entre un
65% y un 80% de su volumen y tiene dos funciones principales:
- Proveer una masa de partculas aptas para resistir la accin de
cargas aplicadas, la abrasin, el paso de la humedad y la accin
climtica. - Resistir los cambios de volumen resultantes de los
procesos de fraguado y
endurecimiento y los cambios de humedad de la pasta de
cemento.
Debe darse una gran atencin a la eleccin y control ya que de sus
caractersticas depende:
a) Docilidad del concreto u hormign fresco b) Resistencia del
concreto u hormign endurecido c) Durabilidad de las estructuras d)
La economa de las mezclas
Los requisitos generales que deben cumplir los ridos para la
fabricacin de concreto u hormign estn contenidos en la norma
chilena NCh 163. Of79. Aspectos que se deben tener en cuenta en el
estudio de los ridos son:
- sus propiedades internas
-
16
- cualidades de la superficie - propiedades en conjunto Adems se
deben tener en cuenta condiciones que deben cumplir para una
buena integracin en el hormign como son:
- condiciones de trabajabilidad - condiciones de resistencia
propia - condiciones de estabilidad fsico-qumicas.
La granulometra de los ridos tiene una gran influencia sobre las
propiedades del hormign fresco y endurecido. Para obtener la misma
trabajabilidad, un rido de granulometra fina necesitar, por lo
general, una mayor proporcin de agua que uno de granulometra
gruesa. El tamao mximo del rido grueso estar de acuerdo con la
naturaleza del trabajo.
En los ridos la forma de las partculas y su textura superficial
influencian ms a las propiedades del hormign fresco que a las
propiedades del hormign endurecido. Las partculas de textura spera
o partculas alargadas y laminadas requieren ms agua para producir
un hormign trabajable, que los ridos redondos o cbicos.
En algunas reas, los ridos con ciertos constituyentes qumicos
reaccionan con los lcalis del cemento. Esta reaccin de rido-lcali
(Reaccin ASR), puede causar una expansin anormal y grietas en el
hormign. Es necesario que sean qumicamente estables.
ridos para morteros
Los morteros estn compuestos normalmente por un solo tipo de
rido fino, o arena, de tamao mximo no superior a 5 (mm.) En algunos
casos especiales, la arena se utiliza separada en dos fracciones:
una de granulometra gruesa y otra ms fina.
En el caso de los morteros, la aplicacin de los principios que
rigen a los ridos no puede hacerse en forma discriminada y debe ser
analizada con cuidado, tomando en cuenta dos consideraciones claves
que distinguen a los morteros de los hormigones: - La relacin rido
fino/cemento es generalmente distinta a la de los hormigones,
lo cual implica que, especialmente en lo que concierne a los
constituyentes aportados por el rido fino (por ejemplo granos finos
de tamao inferior a 0.080 (mm.), sales solubles), los valores
normalizados para los hormigones pueden no ser aplicables.
Constituyen en consecuencia, un punto de investigacin futura.
- Las caractersticas del rido influyen significativamente en las
caractersticas del mortero y, en consecuencia, dependen en forma
importante de la funcin que ste vaya a desempear. (Crcamo,
2006).
-
17
2.1.2.5 Aditivos
Segn ASTM. aditivo es el material, adems del cemento, agua y
ridos, que se aade al hormign o mortero inmediatamente antes o
durante el mezclado.
El objeto de aadir aditivos es el de modificar, acentuar o
conferir alguna propiedad que de por s la mezcla no posee, y
hacerla temporal o permanente durante su estado fresco o
endurecido.
Se presenta en forma de polvo o liquido. Los aditivos lquidos se
emplean diluidos en agua y los aditivos en polvo se prefiere sean
agregados directamente al cemento. Se aplican en dosis pequesimas
que varan de entre un 0,1% y un 5% del peso del cemento y su efecto
es de ndole fsico, qumico o fsico-qumico. Esta dosis empleada tiene
directa relacin con la magnitud del efecto, debindose en todo caso
respetar los limites recomendados por el fabricante y el aporte de
sustancias dainas en el hormign. Los aditivos se pueden clasificar
como:
- Aditivos incorporadores de aire - Aditivos plastificantes
(reductores de agua) - Aditivos retardadores - Aditivos
aceleradores - Aditivos impermeabilizantes - Aditivos expansivos. -
Miscelneos (agentes para lechadas de sellado y agentes formadores
de gas).
El uso de aditivos esta condicionado a: a) Que se obtenga el
resultado sin tener que variar sustancialmente la
dosificacin bsica. b) Que el aditivo no tenga efectos negativos
en otras propiedades del concreto. c) Que un anlisis de esto
justifique su empleo
El hormign debe ser trabajable, terminable, resistente, durable,
impermeable y resistente al desgaste. Estas cualidades se pueden
obtener a menudo ms conveniente y econmicamente por medio del
clculo apropiado de la mezcla y la seleccin de materiales adecuados
sin recurrir a aditivos, con excepcin de los agentes incorporadores
de aire cuando sean necesarios. Sin embargo, puede haber casos en
que se requieran ciertas propiedades especiales, tales como: tiempo
de fraguado prolongado, aceleracin de la resistencia a corta edad,
atrasar el desarrollo del calor de hidratacin. En estos casos es
aconsejable considerar e investigar ciertos aditivos, ya que su uso
en el hormign puede producir los efectos especiales deseados. En
algunos
-
18
casos se puede desear propiedades que slo son posibles de
obtener con la ayuda de aditivos.
No obstante, no se puede considerar a ningn aditivo como
sustituto de la buena prctica de hormigonado. La trabajabilidad de
las mezclas y la calidad del hormign se pueden mejorar por medio de
ajustes en la granulometra de la mezcla de ridos y por medio del
uso de agentes incorporadores de aire, humidificantes y
dispersadores del cemento.
Las mezclas de ensayo siempre deben hacerse con el aditivo y los
materiales de trabajo, ya que la accin de un aditivo est muy
influenciada por la composicin del cemento y por otros
aditivos.
Antes de usar un aditivo se debe tener presente que:
a) Todo empleo de aditivo presume un buen hormign. b) Antes de
decidir el empleo de un aditivo se debe verificar si es posible
obtener la
propiedad deseada mediante la modificacin de los componentes del
hormign y las condiciones de la obra.
c) Se debe considerar, adems de las ventajas, sus
inconvenientes, limitaciones, contraindicaciones y
compatibilidades.
d) El efecto que produce el aditivo se debe medir mediante
ensayos de laboratorio y resultados de faenas.
Pese a que no se menciona, condiciones bastante similares en
referencia a los aditivos se aplican tambin en el caso de los
morteros, es importante destacar eso si, que son de un carcter ms
limitado, referentes ms que nada a mejorar las propiedades de
morteros para relleno, autonivelantes, de inyeccin, constituyendo
una parte fundamental de su tecnologa. (Crcamo, 2006)
-
19
2.2 Nanociencia y Nanotecnologa
La Nanociencia es un rea emergente de la ciencia, revolucionaria
en diversos mbitos (biologa, medicina, ingeniera, construccin,
etc.), que se ocupa del estudio de los materiales de muy pequeas
dimensiones. No puede denominarse qumica, fsica o biologa dado que
los cientficos de este campo estn estudiando un campo dimensional
muy pequeo para una mejor comprensin del mundo que nos rodea. La
nanociencia se define como una ciencia que se ocupa del estudio de
fenmenos y manipulacin de materiales a escala atmica cuyo tamao es
desde cientos a dcimas de nanmetros.
El concepto de nanotecnologa fue presentado en 1959 por el fsico
Richard Feynman, quien explor la posibilidad de manipular el
material en la escala de tomos individuales y molculas,
introduciendo la capacidad creciente de examinar y controlar el
material a escalas nanomtricas.
Es as como es posible definir la nanotecnologa como el diseo,
creacin, sntesis, manipulacin y aplicacin de materiales, aparatos y
sistemas funcionales a travs del control de la materia a
nanoescala, y la explotacin de fenmenos y propiedades de la materia
a nanoescala.
Para comprender el potencial de esta tecnologa es clave saber
que las propiedades fsicas y qumicas de la materia cambian a escala
nanomtrica, lo cual se denomina efecto cuntico. La conductividad
elctrica, el color, la resistencia, la elasticidad, la reactividad,
entre otras propiedades, se comportan de manera diferente que en
los mismos elementos a mayor escala. Por lo tanto, cientficos
utilizan la nanotecnologa para crear materiales, aparatos y
sistemas novedosos y poco costosos con propiedades nicas
(Euroresidentes, 2006).
El significado del prefijo "nano" es una dimensin: 10 elevado a
-9.
Esto es: 1 nanmetro = 0,000000001 metros. Es decir, un nanmetro
es la mil millonsima parte de un metro, o millonsima
parte de un milmetro. Tambin: 1 milmetro = 1.000.000 nanmetros
(nm.).
Como se mencion anteriormente la nanociencia y nanotecnologa
tienen su fundamento en el estudio de los fenmenos ocurridos en la
nanoescala, que dentro de esta investigacin, relacionada con el rea
de materiales de ingeniera, involucra directamente el estudio de
materiales nanomtricos o nanomateriales.
-
20
2.2.1 Nanomateriales
Qu son los nanomateriales? Los nanomateriales son una clase de
materiales (sean cermicos, metales,
semiconductores, polmeros, o bien una combinacin de estos), en
donde sus dimensiones se encuentran entre 1 y 100nm. Estos
presentan una transicin entre molculas y tomos, y un material con
dimensiones de slido volumtrico (bulk). Mientras que un material de
orden micromtrico aun presenta propiedades similares a la de un
slido volumtrico (bulk), en los nanomateriales, debido a su tamao
reducido a unos cuantos nanmetros, se modifican sus propiedades que
finalmente difieren del mismo material con dimensiones de slido
volumtrico, de las molculas y los tomos. De acuerdo al nmero de
dimensiones que se encuentren en el rgimen nanomtrico, los
nanomateriales se pueden clasificar en cuatro tipos (Gutirrez,
2005):
a) Materiales de dimensin cero: las tres dimensiones se ubican
en el rgimen nanomtrico, a esta corresponden las nanopartculas.
b) De una dimensin, teniendo una longitud variable, conservan
una sola dimensin en el rgimen de nanmetros, como es el caso de
nanoalambre y nanotubos.
c) De dos dimensiones: con reas de tamao indefinido, mantienen
su espesor en el orden e 1 a 100nm, como en el caso de pelculas
delgadas.
d) De tres dimensiones: en que los slidos tridimensionales estn
formados por unidades nanomtricas.
Figura 2.1: Clasificacin de nanomateriales: a) OD, nanopartculas
de oro; b) 1D, fibras polimricas; c) 2D, pelculas polimricas y d)
3D superred obtenida por auto samblaje de nanopartculas de oro.
(Fuente: Gutirrez, 2005).
Aunque el inters por el estudio de los nanomateriales surgi con
fuerza en las ltimas dcadas, estos ya existan desde hace varios
siglos atrs. Las nanopartculas especficamente, han existido en el
planeta por siglos, algunos ejemplos son partculas de humo y las
nanopartculas dentro de bacterias. Ms adelante en algunas
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21
civilizaciones antiguas ya se utilizaban, aprovechando sus
propiedades pticas y medicinales.
Efectos producidos por las nanopartculas A medida que la
dimensin de las partculas se reduce, sobre todo en el intervalo
de 1 a 10nm los efectos de tamao y de superficie son cada vez ms
notables. Entre el efecto de tamao mas importantes, se ha
determinado el confinamiento de los electrones, lo que implica una
manifestacin de efectos cunticos en el material y que pueden
percibirse a travs de sus propiedades de conduccin electrnica,
magnticas, etc. Es por esto que a este tipo de partculas se les ha
conocido tambin como puntos cunticos.
Por otra parte los efectos de superficie tambin son de gran
importancia, ya que se tiene en las partculas pequeas un incremento
en reas superficiales por unidad de volumen y en energas libre
superficiales respecto a los slidos volumtricos.
Figura 2.2: Incremento en reas superficiales en materiales por
la utilizacin nanopartculas. (Fuente: Gutirrez, 2005).
Debido a que los tomos en la superficie de la nanopartcula estn
menos enlazados que el resto de sus tomos y su esfera de
coordinacin esta incompleta, se incrementa su energa libre
superficial, afectando las propiedades como temperatura de fusin de
nanopartculas de Pt se reduce de 1773C en un slido volumtrico a
600C en nanopartculas de 8nm en promedio.
Por otra parte la absorcin ptica en nanopartculas tambin es un
fenmeno de superficie que se modifica, y se puede modular
dependiendo de las caractersticas de la partcula (composicin,
tamao, protectores de superficie, etc.), como se presenta en el
ejemplo de la figura 2.3, hacindose evidente al encontrarse en una
dispersin coloidal.
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22
Figura 2.3: Dispersiones coloidales de nanopartculas metlicas.
Obsrvese que el color de la dispersin depende de las caractersticas
de las nanopartculas. (Fuente: Gutirrez, 2005)
Aplicaciones de los nanomateriales Existen diversas aplicaciones
de nanopartculas metlicas, cermicas y
polimricas las cuales se mencionan a continuacin: - Medicina:
gasas para quemaduras serias o heridas crnicas, contienen
nanopartculas de plata. La plata es un bactericida, que en forma
de nanopartculas incrementa el rea superficial mejorando la
eficiencia antibacteriana contra 150 tipos de microbios, incluyendo
los resistentes a drogas. Crema para dolores musculares y adhesivos
dentales, etc.
- Deportes: pelotas de golf que corrigen vibraciones o pequeos
corrimientos, canalizando la energa recibida del palo de golf,
mejor que las pelotas convencionales. Pelotas de tenis, recubiertas
de nanopartculas para alargar su duracin.
- Higiene: desinfectantes de grado militar, utilizado en aviones
para combatir el problema del SARS (sndrome respiratorio agudo
severo) a base de nanoemulsiones.
- Materiales para la construccin: recubrimientos
super-hidrofbicos, repelentes de mugre. Se emplea como
recubrimientos de concreto, ladrillos y yeso. Es un aditivo a base
de nanopartculas utilizado para reforzar el efecto hidrofbico en
materiales de construcciones, reduciendo la adhesin al agua y
partculas de tierra al mnimo.
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23
2.2.2 La llegada de la nanotecnologa al concreto
2.2.2.1 Concreto a escala nanomtrica
El concreto es un material poroso, con diferentes tipos de
poros, generados por los vacos de aire que queda atrapado en el
proceso de mezclado, estos vacos pueden ser de gran tamao, arriba
de algunos milmetros de dimetro para los poros capilares, los
cuales son esencialmente espacios ocupados por agua despus del
mezclado; hasta poros a escala nanomtrica los cuales existen en
algunos productos de hidratacin generados por la reaccin qumica
cemento-agua. A esta nanoescala entonces, se produce el proceso de
hidratacin e interaccin entre el calcio y silicatos, cuyo producto
es en definitiva el que pega las diferentes capas de concreto y
mortero, y lo convierte en una estructura monoltica, es por ello
que se dice que ambos (concreto y mortero) de alguna manera son
materiales a nanoescala.
Conocimiento en detalle. Hay principalmente dos modelos
microestructurales que han sido desarrollados a
escala de la pasta de cemento (micrmetros o menos) y a escala
del concreto (milmetros).
Para la pasta de cemento, se usa un modelo celular automatizado,
el cual opera mediante una imagen digital tridimensional de
partculas de cemento en multifase. La informacin a partir de las
partculas es obtenida mediante un microscopio de barrido y escaneo
de neutrones y anlisis de Rayos X. La Figura 2.5 muestra las
distribuciones espaciales para: a) el calcio, b) el silicio, c) el
aluminio. Se destaca que el aluminio solo aparece en las capas
intersticiales, conectando principalmente los granos de calcio y
silicio. Este modelo es vlido para cualquier tipo de hidratacin de
cemento que se desarrolle correctamente. La informacin de los Rayos
X es mostrada en la Figura 2.4 y es usada para identificar la
distribucin espacial de los componentes qumicos de un cemento
estndar a nivel de partculas.
Figura 2.4: Una imagen del polvo de cemento dispersado en epoxi.
El tamao de las partculas ronda los 50 m. de ancho. La naturaleza
de multifase de esta mezcla es apreciada de acuerdo a la diferente
escala de grises. (Fuente: Crcamo, 2006).
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24
Figura 2.5: Diferentes imgenes de las mismas partculas de
cemento. Es interesante notar como los diferentes qumicos estn
ubicados en la microestructura, e incluso en el polvo de cemento.
a) Imagen del calcio, b) imagen del silicio, c) imagen del
aluminio. La escala de grises es mas fuerte cuando hay menor
cantidad de los elementos de inters presente. Notar que el aluminio
esta ubicado preferentemente en las regiones intersticiales entre
los grupos de calcio-silicio. (Fuente: Crcamo, 2006)
Algo de la compleja reaccin qumica correspondiente a la
hidratacin del cemento es mostrado en la Figura 2.6, donde las
reacciones principales entre las fases Silicato, Aluminato,
Ferrita, Sulfato y el agua son presentados, usando notacin qumica
estndar para el cemento, esto es:
C= CaO, S= SiO2, H= H2O, F=FeO2, A= Al2O3.
Figura 2.6: Reacciones del modelo de cemento, de acuerdo a la
notacin qumica mencionada anteriormente. (Fuente: Crcamo,
2006).
A escala milimtrica se han usado modelos para predecir de una
manera exitosa la difusividad de iones en los espacios porosos del
concreto (en este caso). La distribucin de los agregados a escala
de partculas es obtenida a partir de estos modelos, se puede
apreciar de lo anterior que la matriz de pasta de cemento es
alterada por la presencia de los agregados, los cuales son
generalmente ms porosos que la matriz de pasta.
Este tipo de modelacin, usa partculas esfricas, los cuales son
adecuados para algunas propiedades como la difusin inica, donde los
agregados tienen cero propiedades al ser comparados con la matriz
de pasta de cemento. En este caso, se aprecia que las formas hacen
muy poca diferencia. Sin embargo, muchas otras propiedades tales
como la reologa del concreto en estado lquido y la elasticidad en
estado slido tienen una dependencia respecto a la forma de los
agregados.
A escala nanomtrica, el concreto ha sido objeto de trabajos de
modelacin a travs de pruebas experimentales con bastantes
similitudes entre las predicciones de
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25
los modelos y los resultados experimentales. Un importante
desarrollo en sta rea ha sido el uso de tcnicas de Dinmica
Molecular para analizar la interaccin de varios iones con
superficies resultantes del proceso de hidratacin del cemento. Esta
aplicacin puede abrir el camino a la escala atmica, de manera de
comprender y controlar a cabalidad las estructuras de concreto. Al
igual que los criterios anteriores, podemos caracterizar al hormign
como un material poroso, debido a burbujas de aire, que son
porosidades a escala nanomtrica producidas por la reaccin qumica
cemento-agua. A partir de estos poros a nanoescala hay un control
del producto de la hidratacin calcio-silicato-hidratos la cual es
el principal pegamento que une al concreto. (Crcamo, 2006).
2.2.2.2 Concreto con nanoslice
Como se menciona anteriormente un nanomaterial correctamente
diseado y desarrollado produce resultados mejores y ms econmicos
que los materiales tradicionales, gracias a la estabilizacin y
refuerzo de propiedades de la materia a un nivel mil veces ms
pequeo que el antiguo nivel: micro (0.000001 mt.).
2.2.2.2.1 Estudios relacionados al concreto con nanopartculas de
slice
Las propiedades mecnicas de morteros de cemento con
nanopartculas de slice han sido analizadas y los resultados
experimentales mostraron aumentos en las resistencias a compresin y
flexurales de morteros que contienen estas nanopartculas. Ms aun,
la resistencia de los morteros de cemento con nanopartculas fue
mayor que la resistencia de los morteros con silicio en polvo.
Adems estudios SEM indican que las partculas de nanoslice
proporcionaron el llenado de los poros y disminuyeron el contenido
de hidrxido de calcio dentro de los productos de la hidratacin. Son
estos los efectos que producen la mejora en las propiedades
mecnicas de los morteros de cemento con nanopartculas.
Estudios de laboratorio de grandes volmenes de cenizas voltiles
(fly ash) de hormign de alta resistencia que incorporan nanoslice
fueron realizados por investigadores, estos estudios de los
procesos de hidratacin confirman que la actividad puzolnica de la
ceniza voltil puede ser significativamente mejorada por la
aplicacin de este material. Se concluyo que el uso de nanoslice
llevo a aumentar la resistencia ltima de altos volmenes de hormign
a temprana edad. El hormign desarrollado con nanoslice tiene una
resistencia un 81% superior al ser comparado al hormign normal.
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26
La resistencia del hormign desarrollado tras dos aos fue de
115,9 Mpa. (Ms alta que la resistencia del concreto con cemento
Prtland de referencia que fue de 103,7 Mpa.).
Tambin se han efectuado investigaciones en hormigones
autocompactantes con aditivos minerales (caliza molida, cenizas
voltiles y cenizas voltiles molidas). El nanoslice (5-50 nm.) con
una dosis del 1 a 2% con respecto a la cantidad de cemento fue
usada como agente modificador de la viscosidad. Una razn constante
agua/cemento (A/C) de 0,58 fue usada en todas las mezclas, y un
flujo de 780-800 mm. fue mantenido ajustando la dosificacin de
superplastificante basados en polmeros acrlicos. Para mantener el
flujo especificado la dosis de superplastificante fue aumentada
0,21% para cada porcentaje de nanoslica utilizada. La adicin de
nanoslice hace la mezcla de hormign mas cohesiva y reduce el
sangramiento y la segregacin.
Aunque las nanopartculas de slice no afectan la resistencia a
compresin del hormign que contiene varios tipos de cenizas
voltiles, la resistencia a compresin del hormign que contiene
caliza molida disminuyo ligeramente. El mejor desempeo fue mostrado
para el hormign con cenizas voltiles correspondiente a un 2% de
nanoslica y 1,5% de superplastificante. Este concreto tiene una
elevada resistencia a la compresin de 55 (MPa.) a una edad de 28
das con un comportamiento deseado en estado fresco, esto es: bajo
sangrado, buena cohesin, buen asentamiento de cono. La investigacin
tambin muestra que la nanoslica no afecto la durabilidad del
hormign.
Una de las primeras mezclas nanoaditivas comerciales para
hormigones y morteros, GAIA, fue desarrollada por ULMEN S.A. y
SciTech Cognoscible para sustituir el polvo de slice en las mezclas
de hormign, que cuenta con certificacin ISO 14001 Sistema de manejo
medioambiental. El producto esta disponible en forma liquida y
facilita por lo tanto la distribucin satisfactoria de las partculas
de nanoslice en el hormign. GAIA combina los efectos de disminucin
de la cantidad de agua y aumento del asentamiento de cono de la
mezcla (mejora en la trabajabilidad). De acuerdo a Ferrada y sus
colaboradores, las mezclas de hormign con GAIA muestran perfecta
trabajabilidad sin segregacin o sangrado. Esto hace el diseo del
concreto autocompactante una tarea sumamente fcil. En la Tabla 2.8
se muestra el efecto de GAIA en el comportamiento de las mezclas de
hormign.
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27
Tabla 2.8: Efectos de GAIA Nanoslice en mezclas de hormign.
Fuente: Crcamo (2006).
La aplicacin de GAIA a una dosis del 1,3% (en peso seco de
cemento) proporciona casi un aumento al doble de la resistencia a
la compresin del hormign a edades de 7 y 28 das. La resistencia
inicial del concreto es de 68,2 MPa., la cual es del orden de tres
veces mas alta que el hormign de referencia. A los 28 das la
resistencia a la compresin del hormign fabricado con GAIA muestra
una dependencia normal respecto a la razn agua-cemento (A/C); y en
base a pruebas efectuadas es posible predecir la resistencia a los
28 das de los hormigones investigados.
2.2.2.2.2 Nanoslice como aditivo
GAIA Nanoslice, nombre comercial del aditivo, ha sido creada
como producto principal, para ser usada directamente en el concreto
u hormign, es slice en estado lquido, formada por partculas en
estado nanomtrico.
Qu es la nanoslice? La nanoslice consiste en nanopartculas de
slice modificadas qumicamente
para permitirles estar en solucin, ser estables, tener an
mejores propiedades que la microslice, y con la ventaja adicional
de no contaminar; ni al medio ambiente ni a los operadores, y de
carecer de sus desventajas de aglomeracin y retraccin. Aparte de su
alta superficie efectiva de reaccin, la clave de su gran desempeo
en comparacin con la microslice, es su mayor reactividad
qumica.
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28
Forma de uso
Sus dosis recomendadas estn entre 0.2 y 2.1% en relacin al peso
del cemento. No requiere cuidados ni precauciones especiales y se
trata como cualquier otro aditivo lquido para el hormign. En caso
de congelacin, debe dejarse descongelar y agitar un poco.
Tabla 2.9: Propiedades Fsicas y Qumicas de Gaia Nanoslice
Fuente: Concretonline (2006).
Caracterizacin de la nanoestructura de GAIA Nanoslice. Las
nanopartculas de slice, presentan distribuciones bastante
homogneas, son
de color negro o muy oscuras, como una especie de puntos, poseen
formas tetradricas bastante bien definidas, con tamaos individuales
que oscilan entre 4.73 (nm.) y 14.19 (nm.). Tiene la tendencia a
agruparse en clsteres entre 3 y 5 nanopartculas, con tamaos
grupales entre 16.55 (x3) y 35.47 (x5) (nm.), con formas
cristalinas relativamente distorsionadas y con bordes bastante
irregulares.
En las figuras 2.7 y 2.8 se aprecia en color claro a las
sustancias polimricas en las cuales se encuentran suspendidas las
nanopartculas y en un tono un poco ms oscuro al anterior a la
Resina de fijacin que se utiliza en laboratorio para la observacin
mas ptima de las muestras.
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29
Figura 2.7: Detalle imagen microscopio electrnico (TEM), donde
se sealan a las nanopartculas (np) individualmente dispersas en el
medio de suspensin.(Fuente: Crcamo, 2006)
Figura 2.8: Detalle general imagen obtenida de microscopio
electrnico (TEM), donde se aprecian los distintos componentes de la
Nanoslice. (Fuente: Crcamo, 2006)
Cmo acta el nanoslice en la concreto? Cuando la slice se mezcla
con iones de calcio, sodio o potasio, como los
productos provenientes de la reaccin de hidratacin del cemento,
produce partculas de CSH (silicato de calcio hidratado), que es el
pegamento del concreto, lo que mantiene cohesionado a todas sus
partculas.
Al estar en tamao nanomtrico, Gaia produce partculas de CSH con
un tamao de entre 5nm y 250nm, nano-CSH, lo que mantiene
cohesionado a todas sus partculas, reforzando la estructura del
hormign a un nivel mil veces ms pequeo que el concreto tradicional,
generando una alta superficie efectiva (GAIA tiene 1,000 m2/g
frente a 20 m2/g de microslice), por lo que es posible reducir el
uso de cemento, es decir nanoslice es en s misma un productor de
nanocemento.
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30
Adems no requiere de superplastificantes porque el nanoslice
otorga plasticidad y trabajabilidad excepcional al concreto, lo que
hace innecesario el uso de estos.
Nanoslice, microslice y slice precipitada
La microslice, la slice precipitada, y la nanoslice, tienen un
rango que puede
llamarse similar en cuanto a tamao de partculas, pero las dos
primeras, al existir como una gran aglomeracin de partculas y no
como partculas aisladas, tienen una mucho menor rea efectiva de
superficie en comparacin con la nanoslice. De all la alta velocidad
de reaccin que presenta la nanoslice y las mayores resistencias que
permite a 12 y 24 horas.
Tabla 2.10: Caractersticas generales de la nanoslice, microslice
y slice precipitada.
Fuente: Ferrada et al (2003).
Basndose en la bibliografa es posible establecer que al
contrastar la microslice con la nanoslice, la primera presenta una
serie de estructuras no homogneas en su composicin y que en el
momento de la reaccin de hidratacin del cemento al combinarse con
el hidrxido de calcio formarn una serie de estructuras CSH
(silicato de calcio hidratado) poco ordenadas. La nanoslice en
cambio, presenta menor cantidad de estructuras componentes, sin
embargo es un compuesto mucho mas puro y ordenado, con formas
cristalinas ms regulares que forman la misma o incluso mayor
cantidad de estructuras CSH.
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Propiedades de GAIA Nanoslice Verstil: Desde altas resistencias,
tanto a compresin como a traccin, a bajas
dosis (1-1.5% en peso del cemento) hasta propiedades
autocompactante a altas adiciones (2.5%)
Posee una muy buena trabajabilidad, incluso a valores muy
pequeos de la relacin agua cemento (A/C) como 0.2. Como
consecuencia de lo anterior, el hormign se coloca solo segn los
comentarios de los operadores. Esta trabajabilidad hace innecesario
el uso de superplastificantes, excepto pequeas dosis para los
hormigones autocompactantes.
Alta velocidad de reaccin. Tiene ms de 90% de rendimiento que
las formulaciones de microslice, cemento
y superplastificantes para el hormign.
Figura 2.9: Comparacin de la cantidad de material necesario para
obtener un hormign H-70. (Fuente: Concretonline, 2006)
Fcil homogenizacin. Permite a las plantas hormigoneras reducir
los tiempos de mezclado y aumentar su produccin.
Tiene entre 0 y 1% de permeabilidad. (NCH 2262) Conserva el cono
por tiempos superiores a una hora. (Con una relacin A/C=0.5
y una dosis de 0.5% por peso del cemento conserv un crculo de 60
cm. por dos horas, con una prdida de slo 5%).
Cumple la normativa ISO-14001. Es amistosa del medio ambiente y
de la salud de los operarios de slice.
Mismo precio que usar microslice tradicional con
superplastificantes y/o fibras asociados.
Aplicaciones - Grouts. - Lechadas para pernos (60-70 MPa. en 24
horas). - Shotcrete.
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32
- Hormigones autocompactantes. - Hormigones prefabricados (30-50
Mpa. en 6-8 horas segn
requerimientos). - Hormign fast-track (40 MPa. a 4 horas). -
Hormigones de alta resistencia. - Hormigones de alto desempeo. -
Hormigones ligeros de baja densidad. - Lechadas para pozos
petroleros. - Pavimentos. - Hormigones marinos. - Puentes. - Vigas
pre y postensadas. - Vigas al vapor. - Y todas las aplicaciones
tradicionales de microslice.
Caracterizacin de la microestructura de morteros de cemento con
adicin de nanoslice A mayor porcentaje de nanopartculas se tiene
mayor consistencia y ms
aglomeracin, con menos espacios entre los microconstituyentes
del mortero lo que le da una morfologa distinta en relacin a una
muestra patrn, que no tiene adiciones de nanoslice. Esto que se
aprecia a nivel superficial, tiene gran relacin en cuanto al
comportamiento (quizs no precisamente directa), con lo que ocurre
al interior de las muestras, lo que implica mejores propiedades de
los materiales ante la distribucin de cargas, porosidad,
microgrietas. Esto implica mayores resistencias a flexotraccin y
compresin por ejemplo, dada la menor existencia de vacos por la
mayor presencia de nanopartculas (nanocemento) lo que implica
mayores dosis, mejor distribucin de esfuerzos como la menor
posibilidad de agrietamiento y la homogeneidad de la mezcla, entre
otros. (Crcamo, 2006).
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33
2.3 Durabilidad del concreto
La durabilidad del concreto ha sido un tema importante por
muchos aos debido a su significancia que trasciende en el nivel de
servicio del concreto o de las estructuras de concreto reforzado,
adems del gran impacto econmico en el sector de la construccin.
El cdigo de diseo ACI define la durabilidad del concreto de
cemento Prtland como la habilidad para resistir la accin del
intemperismo, el ataque qumico, la abrasin, o cualquier otro
proceso o condicin de servicio de las estructuras, que produzca
deterioro del concreto. La conclusin primordial que se desprende de
la definicin anterior, es que la durabilidad no es un concepto
absoluto que dependa solo del diseo de mezcla, sino que esta en
funcin del ambiente de exposicin y las condiciones de trabajo a las
cuales lo sometamos, punto en el cual se centrar esta investigacin.
En este sentido, no existe un concreto durable por si mismo, ya que
las caractersticas fsicas, qumicas y mecnicas que pudieran ser
adecuadas para ciertas circunstancias no necesariamente lo
habilitan para seguir siendo durable bajo condiciones
diferentes.
Tradicionalmente se asoci la durabilidad a las caractersticas
resistentes del concreto y particularmente a su resistencia en
compresin, pero las experiencias prcticas y el avance de la
investigacin en este campo han demostrado que es solo uno de los
aspectos involucrados, pero no el nico ni el suficiente para
obtener un concreto durable. El problema de la durabilidad es
sumamente complejo, en la medida en que cada situacin de exposicin
y condicin de servicio ameritan una especificacin particular tanto
para los materiales y diseo de mezcla, como para los aditivos, la
tcnica de produccin y el proceso constructivo, por lo que es usual
que en este campo las generalizaciones resulten nefastas.
Bryant Mather, uno de los pioneros en la investigacin en la
Tecnologa del Concreto y en el rea de la durabilidad indica en uno
de sus trabajos: Est demostrado cientficamente que las estructuras
de concreto se comportan inadecuadamente debido a que las
especificaciones tcnicas fueron deficientes o que ests fueron
correctas pero no se siguieron en la obra. No se debe copiar o
adaptar especificaciones tcnicas locales y forneas para proyectos y
situaciones que muestren similitudes aparentes, pero que, sin
embargo, desde el punto de vista de la tecnologa del Concreto y la
durabilidad, se requiere una evaluacin y criterios particulares. Se
ha demostrado que las adiciones al cemento pueden ser utilizadas
para reducir el calor asociado con la hidratacin del cemento y
reducir el potencial de fisuracin trmica en elementos estructurales
masivos. Estos materiales modifican la
-
34
micro-estructura del concreto y reducen su permeabilidad por lo
que consecuentemente reducen la penetracin de aguas y sales
disueltas en el hormign. La impermeabilidad del concreto reducir
varias formas de deterioro del mismo, tales como la corrosin del
acero de refuerzo y el ataque de qumicos. Las mayoras de las
adiciones al cemento reducen la expansin interna del concreto
debido a reacciones qumicas tales como la reaccin rido lcali y
ataques de sulfatos. La combinacin ptima de materiales vara para
diferentes requisitos de desempeo y para el tipo de adicin.
(Universidad Nacional de Ingeniera, 2006)
2.3.1 Factores que afectan la durabilidad del concreto
Son diversos los factores que conducen la durabilidad del
concreto, esta se puede determinar por agentes externos y agentes
internos o propios de concreto. Los agentes externos son aquellos
provenientes del medio en el cual se encuentre el elemento, que
implican el ingreso de fluidos agresivos que se encuentran en su
ambiente circundante, seguido de procesos fsicos o qumicos que
atacan provocando una perturbacin de su estructura y superficie,
con frecuencia aportando al desarrollo de fuerzas expansivas y de
interrupcin. Los agentes de tipo interno o propios del concreto
provocan un dao algo similar, influido principalmente por cambios
de humedad, mal diseo o fabricacin de las mezclas, errores de
estalacin, etc. Claramente, la capacidad del concreto para limitar
estos procesos influye en la durabilidad y el grado de deterioro de
l. Los factores que afectan l