Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las ...

Mejoramiento del comportamiento

físico y químico de las arcillas y

materiales micáceos presentes en

agregados finos de mala calidad para

su uso en la producción de concreto

hidráulico

Juan Camilo Lema Zambrano

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Área Curricular de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá, D.C., Colombia

2021

Mejoramiento del comportamiento

físico y químico de las arcillas y

materiales micáceos presentes en

agregados finos de mala calidad para

su uso en la producción de concreto

hidráulico


Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Estructuras

Directora:

Ph. D., Gloria Inés Beltrán Calvo

Codirector:

Ph. D., Juan Manuel Lizarazo Marriaga

Línea de Investigación:

Materiales para Estructuras

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Área Curricular de Ingeniería Civil y Agrícola

Bogotá, D.C., Colombia

2021

A mis padres quienes siempre me apoyaron en

convertir mis perspectivas en realidades

La ciencia no es perfecta, con frecuencia se

utiliza mal, no es más que una herramienta,

pero es la mejor herramienta que tenemos, se

corrige a sí misma, está siempre

evolucionando y se puede aplicar a todo. Con

esta herramienta conquistamos lo imposible

Carl Sagan

Declaración de obra original Yo declaro lo siguiente:

He leído el Acuerdo 035 de 2003 del Consejo Académico de la Universidad Nacional.

«Reglamento sobre propiedad intelectual» y la Normatividad Nacional relacionada al

respeto de los derechos de autor. Esta disertación representa mi trabajo original, excepto

donde he reconocido las ideas, las palabras, o materiales de otros autores.

Cuando se han presentado ideas o palabras de otros autores en esta disertación, he

realizado su respectivo reconocimiento aplicando correctamente los esquemas de citas y

referencias bibliográficas en el estilo requerido.

He obtenido el permiso del autor o editor para incluir cualquier material con derechos de

autor (por ejemplo, tablas, figuras, instrumentos de encuesta o grandes porciones de

texto).

Por último, he sometido esta disertación a la herramienta de integridad académica, definida

por la Universidad.

________________________________


28/09/2021

Agradecimientos

Agradezco infinitamente a la Universidad Nacional de Colombia por apoyarme desde

siempre en la construcción de mis logros académicos y personales.

A mis padres Nancy Zambrano y Jaime Lema quienes siempre dieron todo en sus vidas

para apoyar mis metas sin importar lo difícil que pudiera ser el camino.

A Carlos Lagos por ser un apoyo incondicional desde hace muchos años en mis objetivos

personales y crecimiento profesional.

A mis profesores y más que directores de tesis, a mis guías Gloria Inés Beltrán y Juan

Manuel Lizarazo quienes me apoyaron incondicionalmente en el desarrollo de mi posgrado

como un ingeniero químico inmerso en el mundo de la ingeniería Civil, con sabias

sugerencias, conocimiento, herramientas y respaldo durante el desarrollo de mi

investigación sin el que este trabajo no hubiera sido posible.

Al profesor Camilo Ríos con su constante apoyo profesional, académico y moral en la

construcción de mi trayectoria profesional en el mundo de los químicos para la

construcción.

A Julissa Hidalgo y Angela Botero quienes han creído siempre en mis ideas como

profesional y me han apoyado desde siempre en mi crecimiento como ingeniero en el

mundo de la industria.

Finalmente, quiero resaltar el gran apoyo de la profesora Carolina Sánchez Sáenz con sus

conocimientos en diseño de experimentos y apertura continua en mi trabajo de

investigación y agradezco el soporte de Andrés Barragán quien me brindó su apoyo

durante el desarrollo de mi proyecto.

Resumen y Abstract XIII

Resumen

Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales

micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la

producción de concreto hidráulico

En la actualidad, el alto consumo de arena en el concreto hidráulico constituye un problema

de sostenibilidad y de desempeño para la construcción, pues las fuentes de agregado de

buena calidad se hacen más escasas con el transcurrir de los años, considerando que es

el material más explotado por el hombre después del agua. Con el fin de abordar opciones

de aprovechamiento de arenas con presencia de minerales nocivos, en esta investigación

se ha propuesto el mejoramiento mediante el uso de dos moléculas basadas en tecnología

de polímeros polieléctricos denominados experimentales 1931-1 y 1831-5. Para dichos

polímeros se evaluó la retención de flujo en presencia de arenas de mala calidad y se ha

comparado su desempeño con un policarboxilato convencional (EXP 3457), en dosis que

van de 0,35% a 0,60% respecto del peso del cementante. Se empleó un modelo factorial

de diseño de experimentos para mezclas de concreto con un contenido de arena del 25%

al 40% y se utilizaron dos fuentes de agregado (Cordobita y Cogua) con diferentes tipos

de minerales nocivos como cuarzos ondulantes, arcillolitas, micas y óxidos que se

caracterizaron mediante petrografía, absorción TOC y FRX. Los resultados del diseño

experimental se modelaron bajo la metodología de mortero equivalente de concreto,

obteniendo un mejoramiento del 15% al 25% en términos de la capacidad de reducción de

agua en las mezclas, de un 25% al 90% en términos de capacidad de retención de flujo a

los 90 minutos, y una mitigación del incremento del esfuerzo de fluencia de 2 a 3 veces

comparando el desempeño de los polímeros polieléctricos, versus el policarboxilato

convencional evaluado. La investigación demuestra que no se generan efectos

significativos sobre el fraguado inicial y final de las mezclas, y tampoco en su desarrollo

de resistencia a compresión a todas las edades. Finalmente, se evidenció que el

desempeño de esta alternativa de mitigación química depende ampliamente tanto de la

XIV Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales



composición química y morfología del agregado como de la capacidad de bloqueo

catiónico que tiene cada tipo de polímero.

Palabras clave: Sostenibilidad, Arena, Polímero polieléctrico, Arcillas, concreto

hidráulico.

Abstract

Improvement of the physical and chemical behavior of clays and micaceous

materials present in poor quality fine aggregates for use in the production of

hydraulic concrete

Nowadays, the use of sand in the concrete generates a sustainability and performance

problem for the construction, since the good quality aggregates resources become scarce

over the years, considering that this material is the most demanded by man after water. In

order to address options for the use of sands with harmful minerals, in this research, it was

proposed their improvement by using two molecules based on polyelectric polymer

technology named experimental 1931-1 and 1831-5. For these polymers, flow retention

was evaluated in the presence of poor-quality sands and then performance was compared

to a conventional slump retainer polycarboxylate (EXP 3457) at dosage from 0,35% to

0,60% over the total cementitious weight. It was used a factorial experimental design for

concrete mixes with sand content varying from 25% to 40% and two sand sources were

used (Cordobita and Cogua) with different harmful minerals such as wavy quartz, clays,

micas, and oxides which were characterized by petrography, TOC absorption and XRF.

The experimental design results were modeled using the equivalent mortar of concrete

methodology, obtaining an improvement of 15% to 25% in terms of water reduction in the

mixes, 25% to 90% in term of flow retention capability after 90 minutes, and a mitigation of

the yield stress increasing of 2 to 3 times, comparing the proposed polyelectric polymers

performance vs the conventional polycarboxylate. This research demonstrates that there

are not significant effects, neither on the initial and final setting of the mixtures, nor on the

development of compressive strength at all ages. Finally, it was evidenced that the

performance of this chemical mitigation alternative depends widely not only on the chemical

composition and morphology of the aggregates but also on the cationic blocking capacity

of each type of polymer.

Keywords: Sustainability, Sand, Polyelectric Polymer, Clays, Hydraulic Concrete.

Contenido XVII

Contenido

Pág.

Resumen ...................................................................................................................... XIII

Lista de figuras ............................................................................................................ XIX

Lista de tablas ............................................................................................................ XXV

Introducción .................................................................................................................. 27

1. Objetivo General ..................................................................................................... 32 1.1 Objetivos específicos ....................................................................................... 32

2. Tecnología del concreto hidráulico ...................................................................... 33 2.1 El concreto hidráulico ....................................................................................... 33

2.1.1 Cemento ........................................................................................................ 34 2.1.2 El agua en el concreto ................................................................................... 37 2.1.3 Los polímeros polieléctricos en el concreto .................................................... 38 2.1.4 Los agregados ............................................................................................... 40

2.2 Propiedades del concreto en estado fresco ...................................................... 42 2.2.1 Consistencia y trabajabilidad ......................................................................... 42 2.2.2 Tiempo de fraguado ....................................................................................... 43

2.3 Propiedades del concreto en estado endurecido .............................................. 44 2.3.1 Resistencia a la compresión .......................................................................... 45 2.3.2 Densidad y absorción .................................................................................... 45

3. La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el concreto hidráulico ....................................................................................................... 47

3.1 Parámetros de agrupación de los agregados para concreto hidráulico ............. 47 3.1.1 Procedencia ................................................................................................... 48 3.1.2 Densidad ....................................................................................................... 55 3.1.3 Tamaño y forma ............................................................................................. 55

3.2 Las arcillas en los agregados ........................................................................... 56 3.2.1 Clasificación de los minerales de arcilla ......................................................... 57 3.2.2 Principales elementos presentes en las arcillas ............................................. 61 3.2.3 Arreglos cristalinos típicos de las arcillas ....................................................... 63

4. Reología de suspensiones .................................................................................... 66 4.1 El flujo estacionario .......................................................................................... 66

4.1.1 La elasticidad ................................................................................................. 68 4.1.2 La viscosidad ................................................................................................. 69

4.2 Modelos reológicos para fluidos no newtonianos ............................................. 71

XVIII Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales



4.2.1 El esfuerzo de fluencia o punto de flujo ......................................................... 73

5. Metodología de la investigación ........................................................................... 75 5.1 Selección de materiales .................................................................................... 75

5.1.1 Agregados finos ............................................................................................ 75 5.1.2 Cemento hidráulico ....................................................................................... 80 5.1.3 Aditivos para concreto base polímeros .......................................................... 81

5.2 Caracterización química, física y mineralógica de los agregados ...................... 83 5.2.1 Caracterización petrográfica .......................................................................... 83 5.2.2 Caracterización física y química .................................................................... 86

5.3 Determinación del diseño de las mezclas de concreto ...................................... 88 5.3.1 Cálculo de diseños de mezclas de concreto .................................................. 88 5.3.2 Modelamiento del concreto mediante mortero equivalente ............................ 91

5.4 Diseño del modelo experimental ....................................................................... 93 5.5 Caracterización del estado fresco de las mezclas de mortero ......................... 100 5.6 Caracterización del estado endurecido ........................................................... 108

6. Resultados y análisis ........................................................................................... 111 6.1 Caracterización de agregados finos y gruesos ................................................ 112

6.1.1 Propiedades físicas y distribución de tamaño de partícula .......................... 112 6.1.2 Azul de metileno y equivalente de arena ..................................................... 119 6.1.3 Análisis petrográfico de los agregados finos ................................................ 121 6.1.4 Análisis químico .......................................................................................... 140

6.2 Obtención de diseños de mezcla de concreto y mortero ................................. 143 6.2.1 Ensamble granulométrico y modelamiento gráfico por método de Shilstone 143 6.2.2 Modelamiento de morteros equivalentes ..................................................... 147

6.3 Análisis del estado fresco y endurecido .......................................................... 148 6.3.1 Análisis de reología indirecta ....................................................................... 148 6.3.2 Análisis de reología directa.......................................................................... 162 6.3.3 Desarrollo de propiedades en estado endurecido ........................................ 174

7. Conclusiones y recomendaciones ..................................................................... 183 7.1 Conclusiones .................................................................................................. 183 7.2 Recomendaciones .......................................................................................... 185

Bibliografía .................................................................................................................. 188

A. Anexo: Principales características de diferentes rocas que se emplean en el sector de la construcción ........................................................................................... 197

B.................... Anexo: Clasificación de formas de partículas por tamiz y fuente de agregado….. ................................................................................................................ 199

C....... Anexo: Parámetros reológicos de las mezclas de mortero equivalente por arena y tipo de polímero ............................................................................................. 204

Contenido XIX

Lista de figuras

Pág.

Figura 2-1: Productos de la hidratación del cemento y agregados reciclados .......... 36

Figura 2-2: Efecto de la adición de agua en la reología y resistencia a la compresión

del concreto….. .............................................................................................................. 38

Figura 2-3: Esquematización de la absorción de los policarboxilatos por parte de las

arcillas en la arena. Ejemplo de montmorillonita. ............................................................ 39

Figura 2-4: Esquematización del mecanismo de acción bloqueador y dispersante de

polímero polieléctrico sintetizado artificalmente para aplicación en concreto con arena de

mala calidad….. .............................................................................................................. 40

Figura 2-5: Determinación del asentamiento del hormigón mediante el cono de

Abrams……….. .............................................................................................................. 43

Figura 2-6: Esquematización y determinación del tiempo de fraguado inicial y final de

una mezcla de concreto hidráulico mediante penetrómetro y calorimetría isotérmica

(método indirecto). ......................................................................................................... 44

Figura 2-7: Evaluación de resistencia a la compresión en el concreto hidráulico ..... 45

Figura 3-1: Ciclo geológico de las rocas .................................................................. 49

Figura 3-2: Serie de Bowen ..................................................................................... 50

Figura 3-3: Clasificación y nomenclatura de rocas cristalinas de grano grueso según

sus contenidos de minerales nodales ............................................................................. 51

Figura 3-4: Composición de rocas sedimentarias mostrando 7 campos de agrupación

química……….. .............................................................................................................. 52

Figura 3-5: Factores para considerar al usar agregados de origen metamórfico en la

fabricación de concreto hidráulico .................................................................................. 54

Figura 3-6: Esquema de clasificación de arcillas en relación con los minerales de

silicato………… .............................................................................................................. 58

Figura 3-7: a. Modelo poliédrico de estructuras tetraédricas b. Modelo poliédrico de

estructuras octaédricas .................................................................................................. 62

Figura 3-8: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de

octaedros y tetraedros a. Gibbsita b. Vermiculita ........................................................... 63


octaedros y tetraedros a. Caolinita b. Esmectita ............................................................. 64


octaedros y tetraedros a. Halloysita b. Hidroxi-intercapa vermiculita y esmectita ........... 64

XX Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales




octaedros y tetraedros a Pirofilita b. Clorita .................................................................... 64

Figura 3-12: Esquema estructural de Mica (Moscovita). ............................................. 65

Figura 4-1: Deformación longitudinal de un cuerpo .................................................. 67

Figura 4-2: Componentes cartesianos de la tensión ejercida sobre un elemento finito

b. Matriz de tensiones sobre un elemento ....................................................................... 68

Figura 4-3: Respuesta de un sólido elástico ante los esfuerzos ............................... 68

Figura 4-4: Curvas típicas de esfuerzo deformación para un sólido.......................... 69

Figura 4-5: Flujo laminar de líquidos a bajo y alto esfuerzo de cizalla ...................... 70

Figura 4-6: a. Curvas de flujo para diferentes modelos reológicos b. Curvas de

viscosidad para distintos comportamientos reológicos .................................................... 72

Figura 4-7: Cambios en los principales parámetros reológicos de diferentes mezclas

de concreto hidráulico ..................................................................................................... 73

Figura 5-1: Esquematización de las 5 fases de la metodología experimental de la

investigación…. ............................................................................................................... 75

Figura 5-2: Microfotografías: a. cuarzoarenita con cemento silíceo b cuarzoarenita

con matriz…….. .............................................................................................................. 76

Figura 5-3: Ubicación Fuente de agregado fino 1 Zona Centro Cogua ..................... 77

Figura 5-4: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cogua.

Escala 1: 100.000 ........................................................................................................... 77

Figura 5-5: Clasificación composicional de las areniscas en la zona de estudio

Cogua…………. .............................................................................................................. 78

Figura 5-6: Ubicación Fuente de agregado fino 2 Zona Norte Cordobita .................. 79

Figura 5-7: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cogua.

Escala 1:100.000 ............................................................................................................ 79

Figura 5-8: Muestras de polímeros y policarboxilatos experimentales empleados

durante la experimentación. ............................................................................................ 82

Figura 5-9: Preparación y acopio de arena y material cementante para la fase

experimental….. .............................................................................................................. 83

Figura 5-10: A la izquierda estereomicroscopio y a la derecha microscopio CX 31P

para evaluación petrográfica ........................................................................................... 85

Figura 5-11: Estimación de porcentajes de porosidad e índices de redondez ............ 85

Figura 5-12: Evaluación de contenido y actividad de arcillas mediante azul de

metileno………. ............................................................................................................... 87

Figura 5-13: Diferentes combinaciones de agregados representadas en el cuadro del

factor de rugosidad de Shilstone. .................................................................................... 90

Figura 5-14: Correlación de dosis de aditivos entre mezclas de concreto y mezclas de

concreto equivalente ....................................................................................................... 93

Figura 5-15: Ejemplo de diseño de experimento central compuesto rotacional .......... 94

Figura 5-16: Viscosímetro y montaje experimental empleado para caracterización del

esfuerzo de fluencia de las mezclas de mortero equivalente........................................... 96

Figura 5-17: Metodología de mezclado para morteros equivalente con aditivos

químicos……… ............................................................................................................. 100

Figura 5-18: Equipo para determinación de flujo de morteros ASMT C 230 .............101

Figura 5-19: Montaje de Viscosímetro E para caracterización reológica de las

muestras de mortero y montaje de muestras para preparación de mezclas de

mortero……….. .............................................................................................................102

Figura 5-20: Esquematización del montaje reómetro b. Torque vs tiempo para

morteros tras 55 minutos de preparación ......................................................................103

Figura 5-21: Configuración final de la rutina de medición de parámetros reológicos de

las mezclas de mortero .................................................................................................104

Figura 5-22: Configuración inicial de la rutina de medición de parámetros reológicos de

las mezclas de mortero .................................................................................................105

Figura 5-23: Configuración intermedia de la rutina de medición de parámetros

reológicos de las mezclas de mortero, tramo de rotación constante. .............................106


las mezclas de mortero, tramo de rotación en descenso ...............................................107

Figura 5-25: Detalle del montaje para caracterización reológica y configuración de la

medición con husillo # 6 para mezclas pastosas y de mortero ......................................108

Figura 5-26: a. Calorímetro HPC utilizado para caracterización de cinética de

hidratación del cemento b. Análisis de tiempos de fraguado y simulación de resistencias

por método integrado ....................................................................................................110

Figura 5-27: Software Calcommander para análisis cuantitativo de mezclas de mortero

y de cemento mediante calorimetría de alta precisión ...................................................110

Figura 6-1: Límites de curvas granulométricas acorde con NTC 77 y NTC 78 para

agregados gruesos y finos y resultados experimentales de caracterización por tamaño de

partícula. a. Grava de ¾ la Calera b. Grava de ½ la Calera...........................................115



partícula. a. Arena de Cogua b. Arena de Cordobita. ....................................................116

Figura 6-3: a. Sección delgada retenido en tamiz #8 b. Sección delgada retenidos en

tamices #16, #30 y # 50 ................................................................................................122

Figura 6-4: a. Fragmentos de tonalita meteorizada (I), roca en estado fresco con

cristales de plagioclasa, hornblenda b. tonalita meteorizada (II) con óxidos y cuarzos

microcristalinos. c. Dacita con tonalita con efectos de cloración. d. Metatonalita ...........123

Figura 6-5: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X tonalita compuesta por

plagiocasa (Plg) b. Presencia de cuarzo QX, Plagioclasa Plg y Honrblenda. c. Biotitas

deformadas d. Biotitas y Plagioclasas ...........................................................................124

Figura 6-6: . Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del rentenido en el

tamiz #16 con presencia de plagioclasas alteradas a siricita .........................................126

Figura 6-7: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del tamiz #30 con

presencia de tonalitas, biotitas y minerales oxidados con adiciones de cloritas .............127

Figura 6-8: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 20X cuarzos (Qz) b. Presencia

Hornblenda (Hbl). c. Cristales individuales de Biotita (Bt) d. Partículas de Plagioclasa

(Plg). Muestra de arena Cordobita, tamiz #50. ..............................................................129

Figura 6-9: Microfotografía PPL. XPL aumento 20X partículas de hidróxido de hierro

(HxFe) resultado de minerales con alteración para arena Cordobita. ............................129

XXII Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales



Figura 6-10: a. Sección delgada retenida en tamiz #8 arena Cogua b. Sección delgada

retenida en tamices #16, #30 y # 50 arena Cogua ........................................................ 132

Figura 6-11: a. Fragmentos de cuarzoarenizca en arena Cogua b. Fragmento de

Lodolita c. Fragmento de Chert. d. Fragmento de Limolita ............................................ 132

Figura 6-12: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X con fragmentos de chert y

fósiles recristalizados en calcedonia. c. y d. Fragmentos de Chert con presencia de

materia orgánica representada con puntos negros. ...................................................... 134

Figura 6-13: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Lodolitas con alta

porosidad. c. y d. Fragmentos de lodolitas micáceas (Mic). .......................................... 135

Figura 6-14: Fragmentos de lodolitas oxidadas (Ox). ............................................... 135

Figura 6-15: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 10X cuarzoareniscas de grano

medio. b. Cuarzoareniscas de grano fino con matriz arcillosa. ...................................... 136

Figura 6-16: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Limolita arcillosa con granos de

cuarzo embebidos en una matriz arcillosa. b. Limolita silícea compuesta por granos de

cuarzo y cemento silíceo. .............................................................................................. 136

Figura 6-17: Microfotografía PPL. XPL aumento 10X limolita calcárea, los colores que

rodean los granos de cuarzo son carbonatos que componen la matriz de la roca. ........ 137

Figura 6-18: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el

tamiz # 16. .................................................................................................................... 138


tamiz # 30. .................................................................................................................... 138


tamiz # 50. .................................................................................................................... 139

Figura 6-21: FRX muestra de arena Cordobita y Cogua ............................................. 142

Figura 6-22: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cogua con

método gráfico de Shilstone. ......................................................................................... 144

Figura 6-23: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cordobita con

método gráfico de Shilstone. ......................................................................................... 146

Figura 6-24: Modelamiento estadístico de superficies de respuesta en Minitab 19 ..... 152

Figura 6-25: Modelamiento de efectos estandarizados entre variables para selección del

modelo estadístico ........................................................................................................ 153

Figura 6-26: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de reducción de agua

frente a arena Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero

polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. ................................. 154


frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero


Figura 6-28: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de retención de flujo

frente a arena de Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero



frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero


Figura 6-30: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de

Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base policarboxilato EXP 3457 .......................163


Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1931-1 ..........164


Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1831-5. .........165

Figura 6-33: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia inicial frente a

arena de Cordobita a 0 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero

polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. .................................167

Figura 6-34: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia final frente a




arena de Cogua a 0 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero





Figura 6-37: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros

polieléctricos a 1 día a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ..................174


polieléctricos a 3 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ................175


polieléctricos a 7 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ................176


polieléctricos a 28 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ..............177

Figura 6-41: Calorimetría isotérmica para polímeros convencionales y polieléctricos con

Arena de Cordobita a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de

resistencias. ..................................................................................................................179


Arena de Cogua a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de resistencias.

......................................................................................................................................180

XXIV Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales



Contenido XXV

Lista de tablas

Pág.

Tabla 2-1: Mercado y aplicaciones del concreto hidráulico en el sector de la

construcción.. ................................................................................................................. 34

Tabla 2-2: Límites de composición aproximados para cemento Portland Tipo I ......... 35

Tabla 3-1: Clasificación de las rocas sedimentarias por forma y tamaño ................... 53

Tabla 3-2: Morfología de agregado reciclado comparado con un agregado natural ... 55

Tabla 3-3: Clasificación de los agregados según su tamaño ...................................... 56

Tabla 3-4: Carga aproximada entre capas para 2:1 filosilicatos ................................. 60

Tabla 3-5: Cationes típicos presentes en las estructuras de filosilicatos .................... 62

Tabla 5-1: Cantidades de materiales para la ejecución experimental ......................... 82

Tabla 5-2: Diseño de experimentos con 2 variables de entrada para análisis de

superficie de respuesta .................................................................................................. 98

Tabla 6-1: Granulometría, absorción y densidad grava de 3/4" origen la Calera .......113

Tabla 6-2: Granulometría, absorción y densidad grava de 1/2" origen la Calera .......114

Tabla 6-3: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cordobita ..................117

Tabla 6-4: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cogua .......................118

Tabla 6-5: Valores experimentales de equivalente de arena para fuentes de Cordobita

y Cogua……. .................................................................................................................119

Tabla 6-6: Valores experimentales de absorción de azul de metileno para fuentes de

Cordobita y Cogua ........................................................................................................120

Tabla 6-7: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cordobita ....................121

Tabla 6-8: Porcentaje en composición de diferentes tipos de roca para agregado de

Cordobita…… ...............................................................................................................125

Tabla 6-9: Grado de meteorización para cada tamaño de partícula de la fuente de

agregado fino Cordobita ................................................................................................128

Tabla 6-10: Composición porcentual de partículas evaluadas con minerales nocivos

para Arena de Cordobita ...............................................................................................130

Tabla 6-11: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cogua .....................131


Cogua…………. ............................................................................................................133


agregado fino Cogua .....................................................................................................137


para Arena de Cogua ....................................................................................................140

XXVI Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales



Tabla 6-15: Fluorescencia de rayos X para arena Cordobita y Cogua ..................... 141

Tabla 6-16: Resultados evaluación de absorción por TOC ...................................... 142

Tabla 6-17: Propiedades de diseños de mezcla de concreto para arena Cogua ..... 145

Tabla 6-18: Propiedades de diseños de mezcla de concreto para arena Cordobita 146

Tabla 6-19: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cogua ...... 147

Tabla 6-20: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cordobita . 147

Tabla 6-21: Resultados experimentales de reología indirecta para policarboxilato

experimental 3457 y arena de Cordobita....................................................................... 149

Tabla 6-22: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero

polieléctrico experimental 1931-1 y arena de Cordobita ................................................ 150


polieléctrico experimental 1831-5 y arena de Cordobita ................................................ 150


experimental 3457 y arena de Cogua. .......................................................................... 151


polieléctrico experimental 1931-1 y arena de Cogua. .................................................... 151


polieléctrico experimental 1831-5 y arena de Cogua. .................................................... 152

Introducción

En la actualidad, el concreto hidráulico constituye uno de los materiales de mayor

utilización en el sector de la construcción, y es de vital importancia para el crecimiento de

la infraestructura de la mayor parte de los países del mundo. Su composición, se basa en

una mezcla de agua, cemento, agregados pétreos (gruesos y finos) y aditivos químicos,

los cuales desempeñan funciones particulares en el concreto que le permiten adquirir

diferentes propiedades de desempeño y facilitan su utilización en distintos campos de la

ingeniería civil orientados a proyectos estructurales y geotécnicos (L. Olanitori, 2006).

La arena en particular, constituye el segundo recurso natural más explotado por el hombre

después del agua (Environmental Justice Organizations. Liabilities and Trade, 2014) y los

agregados pétreos, de los que la arena hace parte, se han convertido en uno de los

recursos de mayor utilización en los últimos años en Colombia con una expectativa de

explotación de más de 320 millones de toneladas durante la próxima década

(ASOGRAVAS, 2016), dado el emergente consumo de los materiales para la construcción.

Esta explotación desmesurada, ha traído como consecuencia no solo el deterioro del suelo

y del medio ambiente, sino que además ha generado la escasez de fuentes de materiales

que cumplan con los requerimientos de calidad necesarios, para poder ser incorporados

en la fabricación del concreto.

Lo anterior, ha generado un problema de disponibilidad de agregados gruesos y finos para

el concreto, que ha obligado a los constructores a transportar a través de grandes

distancias los materiales de calidad aceptable causando sobrecostos y procesos

constructivos poco sustentables (Gök & Kılınç, 2016). De este modo, hoy en día el sector

de la construcción en Colombia se ve enfrentado inevitablemente a la utilización de

agregados de mala calidad, contaminados por la presencia de impurezas minerales,

arcillas y productos micáceos, que deterioran en gran medida factores de desempeño en

el concreto tanto en estado fresco como endurecido y que no son posibles de mitigar

28 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales



mediante el lavado con recursos hídricos dadas las regulaciones y políticas de protección

ambiental instauradas en el país (MINVIVIENDA, 2015).

Por lo anterior, hoy en día el problema de la mala calidad de los agregados para su uso en

concretos hidráulicos en Colombia (en particular las arenas para concreto), es uno de los

focos de mayor importancia a nivel de investigación industrial y uno de los temas más

estratégicos, dados los altos consumos de concreto que se esperan producir con los

agregados con presencia de arcillas activas y minerales micáceos, pues tan solo una de

las fuentes de agregados de mayor importancia en el país en la región de Antioquia, planea

proveer material suficiente para abastecer el mercado de concretos con alrededor de

20.000 m3 al mes (El país, 2014).

Aunque algunos autores, han estudiado la inhibición del efecto negativo de las arcillas y

las micas en el concreto hidráulico usado en proyectos de infraestructura y geotecnia como

la estabilización de taludes y construcción de túneles mediante concreto lanzado (Uriel,

2012), las propuestas hasta ahora generadas, poseen limitaciones relacionados con

seguridad industrial en la implementación, sobrecostos y efectos secundarios sobre el

concreto como la pérdida acelerada de la fluidez al momento de la colocación del material

en la obra.

Adicionalmente, muchos países del mundo con un grado de crecimiento en infraestructura

elevado como India, Turquía, Nigeria, México entre otros, poseen problemas equivalentes

del concreto al usar sus agregados locales, en términos del deterioro de la resistencia a la

compresión y flexión y la pérdida de manejabilidad acelerada en el tiempo a pesar de los

consumos de agua elevados (Pal et al., 2012), (L. Olanitori, 2006).

Lo anterior, ha despertado el interés por parte de los investigadores hacia identificar

alternativas favorables para mitigar el efecto de las impurezas sobre los agregados finos

en el concreto Hidráulico. Olanitori & Olotuah, (2005) estudiaron el comportamiento de la

resistencia a la compresión del concreto hidráulico al incluir diferentes contenidos de arcilla

activa reduciendo hasta en un 70% la resistencia compresiva del diseño evaluado a los 28

días. Ngugi, Mutuku, & Gariy, (2014) ejecutaron un estudio realizado con 27 fuentes de

Objetivo General 29

agregados provenientes de Nairobi que exceden los límites permisibles de contenido de

material orgánico y de arcillas, deduciendo que el concreto colapsa en términos de la

resistencia a la compresión esperada a 28 días; adicionalmente, proponen una regresión

empírica que permite la determinación de la resistencia a la compresión del concreto

hidráulico teniendo en cuenta el contenido de arcillas e impurezas. Dichos aportes, aunque

vitales en el entendimiento del efecto de los agregados de mala calidad en el concreto, no

poseen una visión sobre el efecto de los materiales durante el estado fresco del hormigón,

lo cual puede impactar directamente sobre el costo y colocación de proyectos a nivel de

infraestructura.

Otros investigadores como Kondelchuk & Miskovsky, (2009), estudiaron el efecto de la

mica en los agregados y su influencia en el deterioro de las estructuras de pavimentos,

proponiendo el uso de técnicas como el azul de metileno y la determinación del equivalente

de arena en el estudio cualitativo y cuantitativo de la presencia de Micas en los agregados

usados en pavimentos. Este aporte, resalta de forma importante los beneficios de las

técnicas indirectas de caracterización de agregados en el concreto, pues es importante

tener en cuenta las limitaciones científicas y tecnológicas que poseen muchos proyectos

en el mundo, donde no se dispone de todos los recursos y tiempo para hacer análisis

detallados de las fuentes de materiales empleados en las obras.

Por su parte, Uriel (2012) estudió el problema de los agregados con minerales indeseables

desde varios focos. Por un lado, se propuso la utilización de tres procesos con función

dispersiva para mitigar el efecto de las arcillas en la arena presente en el concreto

hidráulico, como la sonicación, la radiación Gamma y la utilización de soluciones de

diferentes aminas. Con dichos métodos, el autor de la investigación obtuvo resultados

satisfactorios en la reducción del agua y un notable mejoramiento en la reducción del efecto

activo, que poseen las arcillas en el concreto hidráulico al interactuar agregado y ligante

(cemento hidráulico). Sin embargo, es posible hacer uso de esta investigación, para notar

las limitantes de estas tecnologías en términos de aplicabilidad industrial y sobrecostos,

dadas las limitantes normales del desarrollo de proyectos de construcción en un país como

Colombia.




Otros autores como Ramachandran, (1997), se han inclinado por la rama de la durabilidad

del concreto, resaltando el papel fundamental que tiene el estudio e inhibición de

patologías como la reactividad álcali agregado y su relación con la actividad de los

agregados de mala calidad que son incluidos en los concreto hidráulicos. Este investigador,

propuso el uso de reemplazos de cemento por adiciones de carácter puzolánico con el fin

de reducir el efecto de actividad de los agregados y de las partículas de mica y arcilla

presentes en el mismo, mejorando el desempeño en estado fresco y principalmente en

estado endurecido del material al incrementar su durabilidad en el tiempo. Este enfoque,

genera un gran aporte en términos del control de los efectos de las impurezas en los

agregados de mala calidad del concreto, sin embargo, tal como otros investigadores el

principal enfoque a través de los años hasta la fecha ha sido el mejoramiento de las

condiciones únicamente en estado endurecido dejando de lado las implicaciones de la

colocación y la reología del concreto durante su estado fresco.

Por otro lado, un aspecto de gran relevancia dentro del análisis de los materiales de mala

calidad en el mundo del concreto hidráulico, es el gran impacto ambiental generado por la

explotación del subsuelo; por ello, los ingenieros Ara Jeknavorian & Koehler (2010),

resaltaron la importancia del uso de los materiales locales para la elaboración del concreto,

que solo plantean factible mediante el uso de aditivos químicos basados en modificadores

de viscosidad, con el fin de optimizar las mezclas con bajos contenidos de cemento e

incrementar su desempeño en estado fresco mejorando notablemente las características

de ciertos concretos. Este enfoque, resalta la importancia del estudio del comportamiento

reológico del concreto, como una herramienta de vital importancia a la hora de fijar y medir

nuevas tecnologías químicas que permitan usar materiales pétreos locales en el hormigón

reduciendo notablemente los impactos ambientales generados por esta industria.

Finalmente, es importante mencionar que, en los últimos años, se ha venido investigando

e implementando el uso de nuevas tecnologías químicas aplicables al concreto. Este es el

caso de Liu, Jianan, & Lai (2017), quienes han propuesto el diseño y síntesis de

policarboxilatos mediante la reorganización y cationización de Hofmann con el fin de

obtener un efecto intercalador que mejora el comportamiento del concreto hidráulico en

presencia de agregados con contenidos significativos de arcillas activas. Con sus aportes

Objetivo General 31

y teniendo en cuenta el enfoque de diferentes investigadores a través de los años, se han

obtenido recientemente resultados importantes en cuanto el mejoramiento del desempeño

del concreto, abriendo a su vez, nuevas oportunidades en la investigación de la reología

del hormigón y el uso de nuevas generaciones de aditivos que permitan hacer uso de

materiales con características indeseables, pero inevitables en la producción del concreto

hidráulico.

De esta manera, la utilización de aditivos químicos basados en tecnología de

polimerización y el uso de polímeros polielectrolíticos, abren una nueva posibilidad de

estudio sobre el mejoramiento, mitigación y redispersión de las partículas perjudiciales en

los agregados finos, como las arcillas y las micas (Liu et al., 2017). Es en esa dirección

que se ha planteado esta investigación, buscando aportar al estudio y mejoramiento del

comportamiento e interacción de las partículas con el cemento como ligante hidráulico y a

su vez, el desempeño de los concretos utilizado en proyectos de gran envergadura y

requerimiento estructural como son la construcción de túneles, vías, presas hidroeléctricas

y la producción de concretos de diferente especificación.

Este documento se estructura de la siguiente forma: En el Capítulo 1 se presentan los

objetivos que se persiguen con la Tesis de Maestría. En los Capítulos 2 a 4 se presenta la

fundamentación teórica pertinente para comprender el problema abordado y las principales

variables. En el Capítulo 5 se detalla la estrategia metodológica seguida para la selección

de materiales, el diseño experimental y pruebas realizadas para su respectiva

caracterización; los principales hallazgos de la investigación se analizan en el Capítulo 6,

a partir de lo cual se plantean las conclusiones y recomendaciones en el Capítulo 7.




1. Objetivo General

▪ Estudiar la reducción del impacto negativo que genera la presencia de arcillas activas

y minerales como las micas en agregados finos, sobre el comportamiento del concreto

hidráulico en estado fresco y endurecido mediante la utilización de polímeros

polieléctricos que mejoren sus características de colocación y durabilidad.

1.1 Objetivos específicos

▪ Identificar de manera cuantitativa y cualitativa las características químicas, físicas y

mineralógicas más importantes de los agregados finos de mala calidad presentes en

dos fuentes de gran importancia en la producción de concreto hidráulico como son las

provenientes de Cordobita y Cogua.

▪ Analizar el efecto y la interacción química de la base química que mejor reduce los

efectos perjudiciales de los agregados finos de mala calidad sobre el concreto

hidráulico en el estado fresco.

▪ Estudiar los efectos físicos y químicos inducidos por el uso de polímeros polieléctricos

en la reología de concretos usando el método de mortero equivalente con presencia

de arcillas activas o productos micáceos.

▪ Evaluar el desempeño del concreto hidráulico en estado endurecido utilizando las

diferentes bases químicas de polímero con el fin de potenciar su uso en concretos

requeridos en diferentes aplicaciones de la construcción.

Tecnología del concreto hidráulico 33

2. Tecnología del concreto hidráulico

Siendo el concreto hidráulico el principal material empleado por el sector de la construcción

en el mundo es necesario entender de manera general su definición, comportamiento y

características medibles de desempeño. Por lo anterior, a continuación, se realiza una

recopilación de conceptos alrededor de este importante eje temático.

2.1 El concreto hidráulico

El concreto hidráulico, es el material de mayor importancia e impacto a nivel mundial en

términos de la construcción y en muchos casos en términos de desarrollo. Es un material

caracterizado por ser ampliamente versátil y económico, y se compone principalmente de

una mezcla entre agregados gruesos conocidos como la grava, agregados finos o arenas,

materiales cementantes (entre los que se encuentran el cemento hidráulico y las adiciones

de cemento), agua, aire y en la actualidad, aditivos químicos, con los que es posible

concebir el concreto hidráulico de altas prestaciones.

Sus aplicaciones y su uso se encuentran ampliamente ligados al material cementante que

se emplea, pues dependiendo de sus prestaciones y composición química, será posible

ejecutar proyectos que definen diferentes características del concreto como son su

manejabilidad, su transporte, su facilidad de bombeo, su resistencia y colocación, entre

otras.

A continuación, se esquematizan algunas de las principales aplicaciones del concreto,

empleado como material de construcción (Kosmatka & Wilson, 2013).




Tabla 2-1: Mercado y aplicaciones del concreto hidráulico en el sector de la

construcción.

Fuente: Elaboración propia

Las aplicaciones mencionadas en la tabla anterior muestran una amplia gama de usos del

concreto en el campo de las estructuras y en el campo geotécnico. Por ejemplo, más del

70 % de los puentes construidos a nivel mundial son fabricados en concreto hidráulico y

los pavimentos de durabilidad extendida, junto con los edificios de mayor altura a nivel

mundial (de enorme necesidad a nivel global), son fabricados también con este material

(Kosmatka & Wilson, 2013).

A continuación, se expondrán de manera clara algunos de los aspectos fundamentales de

los principales componentes del concreto hidráulico, entre ellos algunos temas

relacionados con el desempeño técnico y las tendencias de consumo, que son de gran

importancia para entender el desarrollo de la investigación planteada en este documento.

2.1.1 Cemento

El cemento hidráulico, como es conocido en la actualidad, es un producto pulverizado

resultado de un proceso de varias fases, entre ellas: la extracción de materiales, la

molienda primaria de materias primas, la calcinación, sinterización y clinkerización de las

arcillas y la caliza, la molienda secundaria y el empaquetado del producto terminado. Dicho

material posee propiedades conglomerantes al generar una reacción química con el agua

que crea productos de hidratación que endurecen en el tiempo por procesos de

cristalización incrementando sus prestaciones mecánicas.

Concreto hidráulico

Puentes

Edificaciones

Mampostería

Parqueaderos

Pavimentos

Sector Residencial

Vías para vehículos y trenes

Estbilización de suelos y CCR

Tratamiento de basuras

Recursos hídricos


La composición del cemento hidráulico es ampliamente diversa en términos de las

principales fases que componen su Clinker y en términos de los principales óxidos

presentes en la mezcla. Entre los principales componentes del cemento encontramos el

yeso o sulfato de calcio CaSO4 en diferentes grados de hidratación, óxidos de hierro Fe2O3,

óxidos de sílice SiO2, aluminas Al2O3 y óxidos de calcio CaO principalmente.

A continuación, se presenta una forma generalizada de la composición del cemento

Portland, que, aunque en la actualidad varía en gran medida, permite tener una idea global

de sus principales componentes en forma de óxidos:

Tabla 2-2: Límites de composición aproximados para cemento Portland Tipo I

Componente Contenido (%)

CaO 60-67

SiO2 17-25

Al2O3 3,0-8,0

Fe2O3 0,5-6,0

MgO 0,1-4,0

Álcalis 0,2-1,3

SO3 1,0-3,0

Fuente: Rivera L, 2011

Los óxidos, se combinan a altas temperaturas para formar las principales fases del Clinker,

cuya función depende de su estructura y composición. El C2S o silicato dicálcico (2CaO

SiO2), cumple una función de aporte principalmente en las resistencias tardías moderando

el calor de hidratación, el C3S o silicato tricálcico (3CaOSiO2) aporta a las resistencias

iniciales y en cierta medida a las resistencias finales, el C3A o aluminato tricálcico (3CaO

Al2O3) se hidrata para formar productos de hidratación o etringita en presencia de yeso y

su función principal es controlar la velocidad de hidratación de las demás fases, y

finalmente el C4AF o ferroaluminato tetracálcico (4CaOAl2O3Fe2O3) aporta poco al

desarrollo de resistencias, funciona como material fundente y es responsable del color gris

del cemento.




Figura 2-1: Productos de la hidratación del cemento y agregados reciclados

Fuente: (“Hydration Products of Cement | Chemical Reaction | Significance,” n.d.)

Es importante tener en cuenta que los anteriores componentes no son compuestos puros,

pues el proceso de fabricación genera la producción y mezcla de impurezas de óxidos de

diferentes estructuras cristalinas y amorfas, que pueden impactar directamente sobre las

propiedades esperadas de cada tipo de cemento (Rivera L, 2011).

Por otro lado, es importante comprender el proceso de endurecimiento del cemento y de

forma similar la ganancia de resistencia del concreto hidráulico, pues esta propiedad,

obedece al desarrollo de una serie de reacciones químicas (Abbas & Majdi, 2017), que son

fundamentales para entender el comportamiento del concreto en su estado fresco y

endurecido. Además, los reactivos propuestos en las siguientes reacciones químicas

desempeñan un rol de gran importancia a la hora de diseñar y hacer uso de aditivos

químicos que mejoren el comportamiento del concreto hidráulico.

A continuación, se muestra de manera esquemática las reacciones químicas implicadas

en cada una de las fases del Clinker que compone el cemento en su proceso de

hidratación. Para el caso de los silicatos de calcio, se muestra cómo al hidratarse generan

calor de hidratación dado el carácter exotérmico de la reacción.

▪ Nomenclatura para componentes químicos del cemento:


▪ Reacciones de hidratación y calor de reacción de las fases silicato en el cemento

portland

Por su parte, los aluminatos presentes en el cemento poseen diferentes formas de

hidratarse, ya que no solamente se desarrollan productos de hidratación convencionales

sino que se crean estructuras como la etringita y el monosulfoaluminato, responsables de

la interacción y efecto de muchos aditivos químicos en el concreto.

▪ Reacciones de hidratación de las fases aluminosas en el cemento portland

Finalmente se muestra la hidratación de las fases férricas del cemento, que

escencialmente aportan poco en el desarrollo de muchas propiedades del cemento y el

concreto hidráulico en general.

▪ Reacciones de hidratación de las fases ferroaluminosas en el cemento portland

2.1.2 El agua en el concreto

En los apartados anteriores, se describió la forma en la que el cemento y de la misma

manera el concreto adquieren propiedades de resistencia, mediante el desarrollo de

reacciones químicas de hidratación. Dichas reacciones, surgen de la presencia del agua,

que constituye otro de los componentes claves en el concreto hidráulico, pues de esta

depende el proceso de hidratación misma del cemento en donde son obtenidos los

cristales de hidratación C-S-H, que le confieren características de ligante y resistencia al

hormigón.




La naturaleza química del agua no requiere para el concreto, características especiales

más allá de no tener altos contenidos de impurezas y encontrarse en condiciones

termodinámicas aptas para ser empleada en la mezcla del concreto, es decir, tener una

temperatura apta para su inclusión. Sin embargo, debe proporcionarse adecuadamente

pues un porcentaje de ella genera productos de hidratación con los cementantes y otra

ayuda al comportamiento reológico del concreto. Este componente debe controlarse

respecto a la proporción de cementante, pues dependiendo de la relación agua cemento

se generará un resultado distinto de resistencia a la compresión y durabilidad de la

estructura.

Figura 2-2: Efecto de la adición de agua en la reología y resistencia a la compresión

del concreto

Fuente: NRMCA, 2017

2.1.3 Los polímeros polieléctricos en el concreto

Una de las mayores limitaciones en la actualidad para el uso de los policarboxilatos de

tercera generación en el concreto, es la presencia de arcillas y minerales de tipo filosilicato,

pues su actividad catiónica o morfológica, disminuye notablemente la capacidad de

dispersión y efecto estérico de este tipo de dispersantes (Chen, Lei, Du, Du, & Chen, 2018).

El efecto que generan este tipo de matrices arcillosas se muestra a continuación.


Figura 2-3: Esquematización de la absorción de los policarboxilatos por parte de las

arcillas en la arena. Ejemplo de montmorillonita.

Fuente: (Chen et al., 2018)

Como se muestra en la Figura 2-3, la estructura interna de las arcillas presentes en los

agregados finos puede poseer actividad catiónica debido a los radicales libres, que pueden

atraer directamente a los policarboxilatos debido a su composición química en términos

del grupo carboxilo.

Por lo anterior, en la actualidad se han generado formas novedosas de sintetizar moléculas

capaces de ser selectivas a la hora de generar dispersión y a su vez generar un

sostenimiento del asentamiento del concreto adecuado a pesar de la alta actividad que

presentan los agregados de mala calidad con presencia de minerales, alto contenido de

finos o incluso componentes reciclados (Woolf, 2019).

Los polímeros polielécticos, constituyen una nueva base química y una forma novedosa

de bloqueo y mitigación de los minerales y morfologías que hacen inaprovechables los

agregados de mala calidad alrededor del mundo. Su mecanismo de acción se basa en la

forma en que es sintetizado el polímero y la forma en la que se construyen sus cadenas

orgánicas, de esta forma, actúa de manera diferente a los policarboxilatos convencionales

al ser capaz de dispersar el cemento y el agua del concreto de manera independiente a la

mayoría de las arcillas y minerales micáceos que se puedan encontrar en la matriz de la

mezcla (Master Builders Solutions, 2020). Gracias a su uso reciente en países europeos,

asiáticos y recientemente latinoamericanos, es posible incrementar la sustentabilidad del

uso de materiales de construcción como la arena, mitigando los efectos de contaminación

por transporte, lavado o sobreexplotación de fuentes de agregado convencional.

Grupo Silano

en la capa de

arcilla




Figura 2-4: Esquematización del mecanismo de acción bloqueador y dispersante de

polímero polieléctrico sintetizado artificalmente para aplicación en concreto con arena de

mala calidad.

Fuente:(Master Builders Solutions, 2020)

2.1.4 Los agregados

Los agregados constituyen otro de los componentes de mayor importancia en el concreto

hidráulico. A diferencia de los demás componentes, estos poseen propiedades inherentes

de resistencia y aportan esencialmente propiedades mecánicas al concreto. Usualmente

la adición de los mismos permite generar reducción de la contracción en el concreto

además de aumentar la coherencia entre los componentes que constituyen el hormigón.

En un diseño de mezcla de concreto convencional, la proporción de agregados en volumen

es de un 60% a un 75% (Shetty, 2000), y aunque usualmente son considerados la parte

inerte del concreto, varían de manera morfológica y química en gran des rangos, lo cual

puede afectar incluso químicamente las propiedades deseables del concreto en términos

de manejabilidad, consumos de agua, aditivo e incluso en el desarrollo de patologías.


Clasificación de los agregados

Los agregados usados en el concreto hidráulico son clasificados como agregados

pesados, livianos y agregados normales. Los agregados normales, suelen clasificarse en

agregados naturales de origen industrial y reciclados como se muestra en la siguiente lista.

Además de lo anterior, los agregados pétreos y finos pueden clasificarse dependiendo de

su tamaño, su origen geológico y su textura (Shetty, 2000).

En términos de su fuente u origen, pueden ser agregados de rocas ígneas, los cuales

tienen usualmente más dureza y densidad dado que provienen de una roca en una

estructura masiva; éstas por lo general suelen ser mucho más activas químicamente y

pueden ser reactivas a largo plazo en presencia de los demás componentes del concreto

hidráulico. Los agregados de rocas sedimentarias están sujetos a rocas que han sido

expuestas al sol, lluvia y viento y que se han fragmentado o depositado en forma de

partículas ya sea en los océanos, ríos entre otras fuentes. Éstas suelen tener densidades

medias, varían de rigidez baja a media y suelen ser las de mejor comportamiento en el

concreto (Abo-El-Enein et al., 2014). Por otro lado, los agregados de rocas metamórficas

provienen de fuentes que han sido sujetas a altas presiones y temperaturas, lo cual hace

que su estructura mineralógica haya cambiado en el tiempo, de esta manera, varían

ampliamente en sus características químicas, físicas y de morfología.

Lo anterior, permite resaltar la importancia de una selección adecuada de agregados a la

hora de fabricar un hormigón, considerando los aspectos de su naturaleza química, física

y económica, pues como se evidencia en la actualidad, el agregado es una variable

adicional de gran importancia que afecta directamente el comportamiento reológico del

concreto, pues interactúa químicamente con el aditivo y el cemento de la mezcla. Esto se

Naturales

Arenas, gravas, triturados

Rocas como granito

Cuarcitas y basaltos

Areniscas

Origen Industrial

Ladrillo fracturado

Escoria enfriada al aire

Cenizas sinterizadas

Arcillas hinchadas

Reciclados

Concreto devuelto

Trituración

Vidrios reciclados




da por la presencia de impurezas en el agregado (principalmente el agregado fino), como

micas, arcillas o limos, que tienen estructuras cargadas que afectan al agua de diseño y el

aditivo químico empleado en el concreto. En capítulos posteriores se describirá en detalle

la clasificación de las arcillas en los agregados y la afectación que éstas pueden generar

en el concreto hidráulico.

2.2 Propiedades del concreto en estado fresco

La calidad del concreto hidráulico, depende ampliamente de diferentes variables, entre

ellas, sus características durante su estado plástico o semifluido. Un concreto ideal, debe

ser manejable, tener uniformidad, fluidez adecuada y debe soportar adecuadamente

tratamientos superficiales que le dan el acabado a la estructura. Por ello, con el fin de

comprender de manera adecuada cómo son controladas algunas de estas propiedades,

se ilustran a continuación, algunas de las características más importantes del concreto

hidráulico, las cuales definen el comportamiento de este material durante su estado fresco.

2.2.1 Consistencia y trabajabilidad

La consistencia del concreto constituye una de las propiedades más comunes y medidas

en la industria de la construcción desde hace muchos años, su valor, permite conocer la

fluidez relativa del hormigón dada una relación agua cemento para un diseño de mezcla

específico. Determinar, su magnitud y conocer su comportamiento en el tiempo, establecen

la manejabilidad del concreto, pues dependiendo de cómo se conserve la fluidez del

material durante su estado plástico se obtendrán buenas o malas características de

colocación.

La consistencia del concreto hidráulico se determina mediante la ASTM C143 Standard

Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete o la NTC 396 y se emplea el cono

de Abrams para concer el valor de asentamiento de la mezcla evaluada (Kosmatka &

Wilson, 2013). La esquematización de este ensayo se muestra en la Figura 2-5.


Figura 2-5: Determinación del asentamiento del hormigón mediante el cono de Abrams

Fuente: Kosmatka & Wilson, 2013

2.2.2 Tiempo de fraguado

La determinación del tiempo de fraguado permite conocer la forma en la que se desarrollan

internamente las reacciones químicas de hidratación implicadas en el proceso de

colocación del concreto, y permiten determinar el momento en el que el concreto ha pasado

del estado fresco al estado endurecido (Gómez-Zamorano, García-Guillén, & Acevedo-

Dávila, 2015). Usualmente se determina mediante el ensayo de penetración descrito por

la norma ASTM C 403 o NTC 890, pero existen también diversas metodologías analíticas

que permiten analizar de una mejor forma el endurecimiento del hormigón en el tiempo

como la calorimetría semiadiabática o isotérmica.

La forma en la que se esquematiza generalmente el ensayo de penetración para

determinar el fraguado inicial y final del concreto se muestra a continuación, y su

interpretación se relaciona directamente con el desarrollo de la resistencia a la compresión

de una mezcla de concreto a edades iniciales.




Figura 2-6: Esquematización y determinación del tiempo de fraguado inicial y final de

una mezcla de concreto hidráulico mediante penetrómetro y calorimetría isotérmica

(método indirecto).


Como se ve en la figura anterior, la calorimetría isotérmica permite relacionar de manera

comparativa el tiempo de fraguado de cada mezcla, siendo el tiempo de fraguado inicial

el primer tercio de la curva desde su periodo de aceleración y el fraguado final el tiempo

obtenido en el segundo tercio del periodo acelerado de la curva de hidratación (Hu, Ge, &

Wang, 2014).

2.3 Propiedades del concreto en estado endurecido

Aunque el concreto es un material de composición heterogénea pero que al pasar su

tiempo de endurecimiento se comporta de manera homogénea, es de gran relevancia

analizar sus características una vez se ha consolidado como un material artificial que será

sometido a diferentes esfuerzos y condiciones ambientales en las estructuras que

compone. En los siguientes apartados, se realiza una breve descripción de las principales

propiedades que describen este importante periodo en la elaboración y vida útil del

hormigón.

Resis

tencia

a la p

enetr

ació

n M

Pa

Tiempo en minutos

Fraguado final

Fraguado inicial


2.3.1 Resistencia a la compresión

La resistencia a la compresión es la característica más importante del concreto hidráulico

en su estado endurecido; su magnitud y desarrollo a diferentes edades, determina la

capacidad portante de las estructuras a la hora de ser puestas en servicio.

Los métodos más usados para su determinación en América se encuentran alrededor de

las normas ASTM, entre ellas la ASMT C 31 o ASMT C 192. En ellas, se describe la forma

en que especímenes cilíndricos o núcleos son elaborados y fallados a compresión, con el

fin de determinar un promedio que, de manera estadística, es un excelente indicador del

desarrollo de la resistencia a la compresión de la mezcla de concreto antes y después de

su colocación.

Figura 2-7: Evaluación de resistencia a la compresión en el concreto hidráulico


2.3.2 Densidad y absorción

La densidad del concreto en estado endurecido depende de diferentes variables, entre

ellas el método constructivo, el contenido de aire, la relación agua cemento entre otros.

Esta propiedad, permite generar una relación entre la densidad en estado fresco y el

endurecido, además de dar una idea relacionada con el contenido de vacíos en la muestra

y adicionalmente su resistencia a la compresión. Usualmente, puede determinarse

mediante la norma ASMC C 642 Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids

Edad del concreto en días

Resis

ten

cia

a l

a c

om

pre

sió

n a

lo

s 2

8 d

ías d

el co

ncre

to

cu

rad

o

Curado en húmedo todo el tiempo

Al aire a 7 días

Al aire a 3 días




in Hardened Concrete, y puede emplearse la ecuación 𝐷𝑆𝑆𝐷 = 𝑀1𝜌

𝑀1− 𝑀2

(2.1) para calcular su valor en condición de saturación superficialmente seco (Iffat, 2015).

𝐷𝑆𝑆𝐷 = 𝑀1𝜌

𝑀1− 𝑀2 (2.1)

Donde

𝐷𝑆𝑆𝐷 corresponde a la densidad del concreto en estado SSD

𝜌 es la densidad del agua 100 Kg/m3 (62,4 lb/ft3)

𝑀1 es la masa al aire del espécimen, Kg (lb)

𝑀2 es la masa del espécimen sumergido en Agua, Kg (lb)

Generalmente esta propiedad es el resultado de procesos de desarrollo microestructural

dados en el tiempo, por ello la porosidad de un concreto y su densidad dependerán de la

edad en la que se realice el ensayo.

La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el

concreto hidráulico

47

3. La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el concreto hidráulico

Como se mostró en el desarrollo del capítulo anterior, el concreto hidráulico, siendo el

material de construcción por excelencia, posee una gran cantidad de características y

propiedades que determinan y afectan directamente su desempeño tanto en estado fresco

como en estado endurecido. Los agregados pétreos y finos en particular tienen una

trascendencia de alto impacto dentro de la estructura del concreto, pues no solo generan

aporte a la resistencia mecánica y la coherencia del material, si no que interactúan

químicamente con los materiales cementantes y los aditivos presentes en las mezclas de

hormigón.

Para entender mejor su comportamiento y características, es importante conocer en mayor

detalle el origen y condiciones de fabricación (en caso de ser artificiales o reciclados) de

cada tipo de material, además de conocer sus particularidades en términos de impurezas

y presencias de arcillas, cuyo contenido, ha venido afectando altamente el comportamiento

adecuado de los concretos hidráulicos alrededor del mundo, debido a la sobre explotación

de los materiales pétreos que obligan a hacer uso de agregados de baja calidad en

términos de composición química y morfología.

A continuación, se describen los aspectos de mayor relevancia referentes a la clasificación

de las fuentes de material y se realiza una conceptualización detallada referente a las

impurezas de los agregados finos, en especial las arcillas.

3.1 Parámetros de agrupación de los agregados para concreto hidráulico

Los agregados pétreos y finos empleados en las mezclas de concreto hidráulico, suelen

definirse dependiendo de su origen, forma, mineralogía y textura. A continuación, se

muestran algunos de los parámetros de mayor importancia referentes a la agrupación de

diferentes tipos de agregado (Al-Neshawy, 2003).




3.1.1 Procedencia

Dentro de los parámetros de clasificación de mayor importancia para los agregados, se

encuentra su procedencia, pues de esta dependen la mayor parte de las características

principales del agregado presente en el concreto hidráulico, dependiendo si su origen es

natural o artificial, en el Anexo: Principales características de diferentes rocas que se

emplean en el sector de la construcción , se presentan algunas de las principales

características relacionadas con el método de explotación de diferentes tipos de roca y su

susceptibilidad a cambios por meteorización.

Agregados naturales

Los agregados naturales, provienen de diferentes fuentes aluviales, glaciares y canteras

que derivan de distintos tipos de roca, y constituyen la fuente de mayor importancia y grado

de explotación a nivel mundial. Poseen como característica común, el provenir de una

masa de mayor dimensiones (Rivera L, 2011), la cual es fragmentada por procesos

naturales entre los que se encuentran la abrasión, el efecto de las condiciones ambientales

o el intemperismo, y pueden ser procesadas también mediante medios artificiales de

carácter mecánico (trituración o pulverización).

Según su proceso de origen y formación geológica, los agregados naturales pueden

provenir de rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, lo cual determina de manera

general muchas de las propiedades químicas y características de desempeño del material

en el concreto hidráulico (Gutierrez, 2003). Por ejemplo, los materiales de granito de origen

ígneo, se componen principalmente de cuarzo, feldespatos, mica y otros minerales,

mientras que la mayoría de la calizas de origen sedimentario tienen proporciones altas en

calcita (CaCO3), dolomita (CaMg(CO3)2) y trazas de cuarzo y arcillas.

La forma en la que los tipos de roca se alteran, es de vital importancia al momento de

entender el comportamiento mineralógico y químico de los materiales que forman el

agregado. Por ello, a continuación, se describe en la Figura 3-1 de manera esquemática

el ciclo geológico de las rocas, donde agentes como la temperatura, la presión, la

cementación entre otros, pueden generar cambios significativos sobre el comportamiento

del agregado dependiendo de su origen.



49

Figura 3-1: Esquema general del ciclo geológico de las rocas

Fuente: Gutierrez, 2003

Donde:

M: corresponde al proceso de meteorización D: proceso de depósito Q: Calor P: Presión T: Transporte C: Proceso de cementación S: Solución de minerales o compuestos químicos

Por otro lado, los agregados empleados en la industria del hormigón a nivel mundial varían

ampliamente en términos de morfología, composición química y estado cristalino. Por ello

las técnicas como la petrografía de agregados y el uso de la caracterización por SEM, son

herramientas invaluables a la hora de conocer el origen de los materiales. Su

entendimiento, permite relacionar de una forma adecuada el desempeño de un concreto

con el tipo de agregado en términos de hidratación y pérdida de manejabilidad.




Agregados de origen ígneo

A continuación, con el fin de comprender de una manera más clara las características

químicas de los agregados, se muestra en la Figura 3-2 la serie de Bowen, la cual explica

de manera genérica los cambios generados en los agregados provenientes de rocas, de

acuerdo con fenómenos externos y adición de minerales durante el tiempo.

Figura 3-2: Serie de Bowen

Fuente: Marchena, 2019

Como se observa en el esquema anterior, la serie de Bowen permite identificar las

asociaciones minerales de rocas ígneas mediante una diferenciación en composición

química y apariencia (Gutierrez, 2003). Por ejemplo, los materiales que se encuentran en

la parte de arriba son ricos en Mg y Ca, y generalmente se caracterizan por ser de colores

oscuros; en el caso de los materiales ubicados en la parte media, se tiene por lo general

agregados de apariencia de color gris, y los de la parte interior suelen ser los que generan

mayor estabilidad química a diferencia de materiales basados en olivino, piroxeno y

anortita.



51

En el caso particular de las biotitas (resaltadas en la Figura 3-2), se encuentran minerales

altamente variables en términos de su composición química. Sin embargo, pese a su

relativamente buena estabilidad, suelen ser fácilmente exfoliables e interactúan

ampliamente con el agua incluida en el concreto, el cementante y los aditivos empleados

durante su proceso de plastificación del hormigón. En el apartado 3.2 se describen en

detalle algunas de las características de mayor importancia relacionadas con las micas,

arcillas y agregados cristalinos perjudiciales para el comportamiento del concreto

hidráulico.

A continuación, se observa el diagrama QFPA (véase Figura 3-3), el cual es una

herramienta de gran utilidad, a la hora de comprender las características mineralógicas y

químicas de un agregado, dependiendo de su contenido de Cuarzo, Feldespato,

Feldespato alcalino y plagioclasa (Gillespie & Styles, 1999). Al realizar una evaluación de

los materiales mediante petrografía, es posible conocer en qué parte del equilibrio

cuaternario se encuentra un material, y de esta forma, se puede establecer la relación de

los minerales existentes con su composición en términos de compuestos químicos.

Figura 3-3: Clasificación y nomenclatura de rocas cristalinas de grano grueso según sus

contenidos de minerales nodales

Fuente: Gillespie & Styles, 1999.




Agregados de origen sedimentario

Dentro de los agregados que provienen de rocas sedimentarias, se encuentran gran parte

de las arenas y gravas a nivel mundial. Generalmente se clasifican de acuerdo con sus

características de forma y tamaño, y dependiendo de sus características químicas, se

obtendrá un resultado de desempeño diferente en las mezclas de concreto, dependiendo

del origen del material.

Comúnmente, las los agregados provenientes de rocas sedimentarias, poseen

composiciones variables de caliza, sílice y magnesio (Yang, 2015). Su composición

química y estructura cristalina determinarán la resistencia e interacción química del

material, con el agua, los aditivos y los materiales ligantes en una mezcla de concreto.

Figura 3-4: Composición de rocas sedimentarias mostrando 7 campos de agrupación

química

Fuente: Hill, Werner, & Horton, 1997.

Entender en detalle este tipo de materiales es de gran importancia, pues el 75% de las

rocas en la superficie de la tierra son sedimentarias, entre las que hay un 46% de lutitas,

32% de areniscas y 22% de calizas (Gutierrez, 2003). Las diferencias entre ellas, generar

mayor o menor interacción química con los principales materiales que componen una

mezcla de concreto, trayendo consigo afectaciones o beneficios en términos de la reología

A. Grupo silíceo

B. Sílice mezclada y grupo de

arcillas

C. Sílice combinada y grupo

carbonato

D. Grupo de arcillas

E. Arcillas mezcladas y grupo

carbonato

F. Grupo Carbonato

F1. Carbonato común

F2. Carbonato de alta

pureza



53

y colocación de la mezcla. A continuación, se muestra como complemento de la

composición química, la clasificación de las rocas sedimentarias dependiendo de la forma

del grano y su tamaño.

Tabla 3-1: Clasificación de las rocas sedimentarias por forma y tamaño

Roca Grano Forma de grano mas

general

Tamaño del grano en

mm

Conglomerado Cantos y

gravas Redondeado 256-64

Brecha Fragmentos

Liticos Angulares 64-5

Arenisca Arena Redondeado o Angular 5-0,074

Limolita Limo Redondeado 0,074- 0,002

Arcillolita Arcilla Laminar < 0,002

Fuente: (Gutierrez, 2003)

Agregados de origen metamórfico

Este tipo de rocas genera agregados que han venido cambiando en términos de estructura

cristalina en el tiempo. Este proceso, se debe a la ocurrencia de efectos químicos y físicos

(como la presión, la temperatura o la presencia de sustancias químicas), que modifican las

propiedades activas y de composición de este tipo de materiales (Yang, 2015).

Dentro de este tipo de agregados, es indispensable considerar las variaciones de

composición química, ya que se puede presentar altos contenidos de arcillas o micas, que

como se consideró en el apartado de los agregados de rocas ígneas, pueden traer

consecuencias negativas sobre la reología y el desarrollo de resistencias del concreto.




Figura 3-5: Factores para considerar al usar agregados de origen metamórfico en la

fabricación de concreto hidráulico


Agregados artificiales o de origen industrial

Dentro del sector de la construcción, y en especial en la fabricación del concreto hidráulico,

se han venido empleando con más frecuencia los agregados artificiales o de

transformación industrial, cuyo origen proviene generalmente de materiales reciclados, o

expandidos mediante procesos industriales. Las aplicaciones de estos agregados

dependen de las propiedades específicas de desempeño para cada tipo de concreto; entre

los principales usos de estos materiales, se tiene la realización estructuras ultralivianas,

crear pavimentos permeables o altamente absorbentes, generar muros de aislamiento

para la radiación o el calor, entre muchas otras.

Las características químicas de este tipo de agregados afectan altamente el desempeño

del concreto, pues el origen del agregado se liga directamente con su composición. Ya sea

que se trate de un material a base de perlita expandida, arcilla calcinada, o concreto

demolido que se recicla con el fin de generar nuevo agregado (Yoon, Kim, Choel, Lee, &

Lee, 2015).

Porosidad del agregado

Resistencia a factores

climáticos como temperatura y

humedad

Contenidos de mica, arcillas,

grafitos y piritas

Bandeamiento y foliiación

Tipo de cementante y tecnología de

aditivo



55

Tabla 3-2: Morfología de agregado reciclado comparado con un agregado natural

Fuente: Yoon et al., 2015

3.1.2 Densidad

La densidad de los materiales pétreos empleados en el concreto hidráulico, influencia en

gran medida diversas propiedades como la dureza, la porosidad y el consumo de agua

para la hidratación del cementante. Por ello, se emplea una diferenciación de estos

materiales basándose en la masa que ocupa el volumen total del agregado (teniendo en

cuenta los vacíos), donde los agregados pueden ser ligeros o normales si su densidad está

entre 480-1040 Kg/m3 o entre 1300-1600 kg/m3 respectivamente.(Gutierrez, 2003)

3.1.3 Tamaño y forma

La clasificación más conocida de los agregados en la industria de la construcción es el

tamaño y forma típica de los materiales, la cual obedece a los tamaños de los materiales

desde la escala en milímetros hasta los centímetros. Esta propiedad de los materiales se

conoce como la granulometría de los agregados, y es uno de los factores de mayor

Forma trasversal de la sección

Tipo de

agregado Agregado Concreto

Agregado

Natural

(Granito)

Agregado

artificial liviano

(Ceniza

calcinada)




importancia al momento de realizar un diseño de mezcla de concreto. A continuación, se

relaciona la forma en la que pueden clasificarse los agregados dependiendo de su tamaño

de sección.

Tabla 3-3: Clasificación de los agregados según su tamaño

Tamaño en mm Denominación

más común Clasificación

Uso como agregado en

concreto

<0,002 Arcilla Fracción muy fina No recomendable

0,002-0,074 Limo Fracción fina Aplicaciones como llenante

mineral

0,074-4,76 (#200-#4) Arena Agregado fino Material apto para mortero y

concreto

4,76-19,1 (#4-3/4") Gravilla

Agregado grueso

Material apto para concreto

19,1-50,8 (3/4"-2") Grava Material apto para concreto

50,8-152,4 (2"-6") Piedra

> 152,4 (6") Rajón, Piedra bola Concreto ciclópeo

Fuente: Rivera L, 2011

Cabe subrayar que el uso de materiales más finos en el concreto trae consecuencias sobre

el desempeño reológico del concreto, pues las arcillas o arenas con impurezas impactan

altamente el uso y desempeño de los aditivos, cuya interacción química aumenta el

consumo de agua y reduce el tiempo de vida de la manejabilidad de un hormigón.

3.2 Las arcillas en los agregados

La presencia de ciertos minerales arcillosos en los agregados finos del concreto, como las

arcillas, las micas y las piritas, constituye uno de los problemas de mayor relevancia a nivel

mundial en términos de los materiales de construcción. Su actividad química y naturaleza

física son características que conducen inevitablemente al consumo excesivo de agua en

concretos hidráulicos, pérdida de trabajabilidad en poco tiempo y sobrecostos por el uso

de aditivos convencionales. Por ello, en este apartado se describe al detalle las



57

características de mayor importancia relacionadas con la mineralogía y química de estas

impurezas que causan tantas dificultades en los procesos de fabricación del concreto

hidráulico en el mundo.

3.2.1 Clasificación de los minerales de arcilla

Las arcillas, constituyen un grupo de estructuras basadas en filosilicatos en su mayor parte,

con propiedades físico-químicas de gran importancia, que dependen de su tamaño de

partícula (generalmente < 2 µ), de su formación geológica y del ambiente en donde se

encuentran (Guerra, 2014).

Las propiedades de estos minerales son de vital importancia en la formación de suelos, en

el enriquecimiento superficial de minerales, en el ciclo biogeoquímico terrestre de metales,

e incluso en procesos farmacéuticos y de catálisis industrial. Lo anterior, se debe a la

intensa reactividad que caracteriza en general este tipo de materiales, debida a la carga y

polarización de los átomos en el interior de estas estructuras. Sin embargo, dicha actividad

presente en los agregados (generalmente finos) empleados en el concreto, puede traer

una afectación en términos de durabilidad, disminución de resistencias, y principalmente,

pérdida acelerada de la manejabilidad y consumos excesivos de agua en el concreto pese

al uso de aditivos químicos (Schulze & Lafayette, 2005).

Para comprender de mejor manera, la forma en la que se encuentran compuestos estos

minerales, y a su vez, entender su interacción química con los aditivos químicos y el agua

empleada en la producción de concreto. Se muestra en la Figura 3-6 la clasificación y

principales características de las arcillas en los agregados pétreos.




Figura 3-6: Esquema de clasificación de arcillas en relación con los minerales de

silicato.

Fuente: (Brindley, 1952)

Como se observa en el diagrama anterior, las arcillas constituyen un grupo diverso de

minerales y formas cristalinas que poseen propiedades conjuntas, que se resumen

principalmente en los siguientes aspectos (Guerra, 2014):

1. Poseen un tamaño de partícula inferior a 2 µm

2. Generalmente poseen estructuras con sustituciones isomórficas, que dan lugar a

la aparición de cargas sobre las superficies laminares de las arcillas, y

adicionalmente poseen cationes en su interior, los cuales están ligados débilmente,

generando interacción con los aditivos y el agua del concreto causando bajo

desempeño.

3. Tienen una morfología interna típicamente laminar de filosilicatos que las hace

altamente activas en los agregados.



59

La sustitución isomorfa, mencionada en ítem 2, es de gran importancia en el análisis de la

actividad de las arcillas, pues se encuentra relaciona directamente con el consumo

excesivo y variable del agua por parte de estos materiales; dicha propiedad, se conoce

como la capacidad de intercambio iónico.

Capacidad de intercambio iónico CEC

La capacidad de intercambio iónico CEC Cation Exchange capacity, se define como la

habilidad de los minerales de arcilla presentes en los materiales (puede ser en los

agregados), de absorber cationes, que posteriormente interactúan y son intercambiados

fácilmente con otros iones, presentes en soluciones acuosas (Lxxi et al., 2015).

Esta propiedad, determina en gran medida el grado de absorción de agua y de otros

materiales como los aditivos químicos, por parte de las arcillas, causando efectos adversos

sobre una mezcla de concreto. La capacidad de intercambio catiónico de estos materiales

depende en gran medida de la cantidad de arcilla en las arenas y adicionalmente del área

superficial específica de cada mineral arcilloso.

Para definir este parámetro, se emplea el método de hexamida de cobalto que se

fundamenta en la determinación de la concentración de los cationes de Co [NH3]6+++, cuyo

resultado se expresa como el peso de miliequivalentes por 100 g de material. Es decir,

meq/100g o mval/100g (Lxxi et al., 2015). A continuación, se muestra la expresión

empleada para la determinación de esta propiedad.

𝐶𝐸𝐶 =100 𝑤 𝐶𝑤𝑧𝑉𝑤𝑧(1−

𝐴𝑝𝑟

𝐴𝑤𝑧)

𝑚𝑝𝑟 (3.1)

Donde:

CEC: es la capacidad de intercambio catiónico (mval/100g) W: valencia del catión indicador (w=3 para hexamida de cobalto) 𝐶𝑤𝑧 : Concentración molar de solución de hexamida de cobalto [mmol/l] 𝑉𝑤𝑧 : es el volumen de la solución de hexamida de cobalto

𝑚𝑝𝑟 : masa de la muestra (g)




𝐴𝑤𝑧 : Absorbancia de solución de hexamida de cobalto 𝐴𝑝𝑟 : Absorbancia de solución de hexamida de cobalto después de haber sido mezclada

con la muestra.

Los parámetros de carga característicos de las arcillas se pueden relacionar en gran parte

con su actividad y afectación sobre el concreto hidráulico (Ermut, 2001). Por ello, en la

Tabla 3-4 se muestran algunas de las propiedades de carga entre las capas que

constituyen los principales minerales de las arcillas.

Tabla 3-4: Carga aproximada entre capas para 2:1 filosilicatos

Mineral Carga de la capa por media

celda unitaria [O10(OH)2]

Masa molecular media

(M)2 [O10(OH)2]

CEC intercapa

cmolckg-1

Hectorita 0,20-0,25 380 50-65

Montmorillonita 0,25-0,40 360 70-110

Vermiculita 0,50-0,80 390 130-210

IIlita 0,60-0,90 385 20-40

Biotita ~1,00 450 ~220

Muscovita ~1,00 390 ~260

Fuente: Ermut, 2001

Aunque la CEC suele ser un parámetro determinado mediante métodos químicos, pueden

emplearse técnicas complementarias que permiten medir su magnitud mediante absorción

ya sea por azul de metileno como técnica indirecta o absorción de moléculas orgánicas

mediante la técnica cuantitativa y directa del TOC Total Organic Carbon (Amann-

Hildenbrand, Bertier, Busch, & Krooss, 2013).

En la siguiente sección, se describen algunos detalles relacionados con la composición

principal de las arcillas y su estructura cristalina, la cual resulta fundamental para relacionar

adecuadamente los análisis petrográficos con la estructura típicamente esperada en cada

uno de los materiales seleccionados para la fabricación de un concreto hidráulico.



61

3.2.2 Principales elementos presentes en las arcillas

Para comprender en detalle la composición química de las arcillas presentes en los

materiales del concreto. Cabe destacar la composición química de los materiales que

forman el planeta, donde se encuentra 75% de O y Si, con partes remanentes de algunos

otros elementos que van decreciendo respectivamente en abundancia como Al, Fe, Ca,

Na, K, Mg, Ti, H, P u Mn (Schulze & Lafayette, 2005).

Dichos elementos no son estables en su forma metálica, dada la presencia de altas

cantidades de O2- en forma de aniones, cuya electronegatividad, obliga a los cationes de

los elementos mencionados en el párrafo anterior, a formar óxidos y arreglos cristalinos

que comprenden estructuras de átomos empaquetados. Estos arreglos, son las principales

características que describen a las arcillas, entre las que encontramos diferentes

estructuras cristalinas, principalmente tetraédricas y octaédricas.

Estructuras en forma de hojas tetraédricas

Las capas de algunas arcillas poseen estructuras principalmente compuestas por el SiO4,

cuya estructura cristalina forma un arreglo en forma de tetraedro gracias a la presencia de

tres iones de O2-. Estos aniones, se encuentran por lo general en el mismo plano y el cuarto

anión de O2-, no comparte enlaces con los demás SiO4 de la estructura, quedando libre

para realizar enlaces con otros elementos y estructuras poliédricas (Schulze & Lafayette,

2005). Como esta estructura está cargada, permanece inestable, formando estructuras de

minerales completas, solo en presencia de los cristales octaédricos explicadas en el

siguiente apartado. En la Figura 3-7, se esquematiza la estructura de los cristales de hoja

tetraédricos.

Estructuras en forma de hojas octaédricas

En el caso de estas estructuras cristalinas, se tiene un arreglo de octaedros, donde cada

uno de ellos, comparte dos oxígenos entre sí (Barton & Karathanasis, 2002). En este caso,

el espacio entre los octaedros es ocupado por cationes típicamente trivalentes como es el

caso del Al3+, o interactuar con cationes de bajo tamaño como es el caso del hidrógeno, el




cual genera cargas de tipo aniónico en el interior de los arreglos. A continuación, se

muestra esta estructura de manera gráfica.

Figura 3-7: a. Modelo poliédrico de estructuras tetraédricas b. Modelo poliédrico de

estructuras octaédricas

a. b.

Fuente: Schulze & Lafayette, 2005

Dependiendo de la presencia de los anteriores arreglos de manera simultánea, sencilla o

combinados, se puede determinar el tipo de cationes mayoritariamente presentes en los

espacios basales de los cristales. Esta información, permite comprender la forma en la que

las arcillas interactúan ampliamente con el agua y sustancias químicas solubles al interior

de las mezclas de concreto, que emplean agregados contaminados con este tipo de

minerales.

Tabla 3-5: Cationes típicos presentes en las estructuras de filosilicatos

Tipo de estructura Catión

Solamente tetraédrica Si4+

Tetraédrica y

octaédrica Al3+, Fe3+

solamente octaédrica Mg2+, Ti4+, Fe2+, Mn2+

sitios entre capas Na+, Ca2+, K+




63

Finalmente, con el fin de comprender al detalle la forma en la que se encuentran dispuestas

a nivel químico, las principales arcillas en las arenas empleadas en mezclas de concreto

hidráulico. Se describirán de manera esquemática en el siguiente apartado, los arreglos

estructurales y atómicos típicos de las arcillas en forma de impurezas en los agregados

pétreos del hormigón.

3.2.3 Arreglos cristalinos típicos de las arcillas

Dado que actualmente, la fabricación de concretos hidráulicos hace uso de materiales finos

(arenas) con alta presencia de impurezas en forma de minerales arcillosos, comprender la

naturaleza química y estructural de las arcillas es de vital importancia a la hora de plantear

métodos de mitigación. Por ello, se esquematiza en las siguientes figuras, el detalle de las

estructuras cristalinas y el intercambio de iones posibles al interior de estos minerales.


octaedros y tetraedros a. Gibbsita b. Vermiculita

a.

b.






octaedros y tetraedros a. Caolinita b. Esmectita

a. b.


Figura 3-10: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de octaedros

y tetraedros a. Halloysita b. Hidroxi-intercapa vermiculita y esmectita

a. b.



octaedros y tetraedros a Pirofilita b. Clorita

a. b.




65

Figura 3-12: Esquema estructural de Mica (Moscovita).


Como se puede observar en las estructuras de algunas de las arcillas, la presencia, tamaño

y tipo de espacios basales y arreglo cristalino, inciden altamente en el intercambio de

cationes con sustancias presentes en los alrededores. Por ejemplo, en el caso de las

micas, existe un exceso de carga negativa en capas de 2:1, lo que genera un balanceo de

cationes monovalentes, que normalmente son tomados del entorno (como K+ y Na+). En el

caso del concreto, puede ser de los aditivos, o de los hidrógenos presentes en el agua de

mezclado (Schulze & Lafayette, 2005).

Por su parte, el grupo de minerales arcillosos como la esmectita, poseen una estructura

2:1 con una carga menor por peso en la formulación (entre 0,6 y 0,2), lo que hace que

exista una capa intermedia de cationes intercambiable idealmente con la fórmula M0,33 +

Al2 (Si 3,67Al0,33)O10(OH)2(Schulze & Lafayette, 2005). Dicho M+ representa, los cationes que

pueden ser intercambiados, principalmente constituidos por Ca2+, Mg2+ o similares, que

pueden estar presentes en la solución de poros del concreto en estado fresco.

De acuerdo con lo mencionado hasta ahora, y dado que las estructuras de los minerales

de arcilla pueden constituir estructuras simplificas como en las figuras anteriores, o incluso

combinarse para formar sistemas de intercambio iónico más complejos como es el caso

de los filosilicatos de interestratificación. El estudio de la interacción de estos materiales

en los agregados de mala calidad el concreto, con los aditivos, el cemento y el agua de las

mezclas, es imprescindible a la hora de generar mecanismos de mitigación. Para ello, se

presentan en el siguiente capítulo algunos conceptos fundamentales de la reología del

concreto, con el fin de tener una herramienta de gran utilidad en el estudio y

relacionamiento de las arcillas presentes en le concreto, con el detrimento de sus

propiedades en el estado fresco.




4. Reología de suspensiones

Desde hace muchos años, la reología como la ciencia encargada del estudio de del flujo y

la deformación de los materiales en presencia de esfuerzos, ha sido útil e importante en

distintas aplicaciones investigativas e industriales, como el desarrollo de nuevos materiales

cerámicos, el estudio de suspensiones farmacéuticas y biológicas, entre otras. El concreto

hidráulico en estado fresco, constituye una suspensión de materiales mayoritariamente

inorgánicos, cuyas particularidades e interacción química hacen necesario el uso de la

reología, para entender en mayor detalle las posibilidades de colocación de este material,

su facilidad de bombeo, su interacción con agentes químicos en forma de aditivos y su

trabajabilidad en el tiempo.

A continuación, se describirán los detalles de los conceptos fundamentales relacionados

con el estudio del flujo y la deformación de los materiales en suspensión, con el fin de

contextualizar el uso de los polímeros polieléctricos, en el mejoramiento de las

características reológicas de concretos que emplean materiales con altos contenidos de

minerales de arcilla que hacen difícil su colocación y manejo.

4.1 El flujo estacionario

Las mezclas de concreto hidráulico, poseen un comportamiento reológico de gran interés

durante su estado fresco. El esfuerzo y la deformación que recaen sobre la mezcla, son

conceptos fundamentales para poder establecer sus condiciones de bombeo, colocación

y manejabilidad.

Reología de suspensiones 67

La deformación ingenieril, es la base fundamental del estudio de la reología de las

suspensiones. Esta se define como la deformación longitudinal de un elemento debido a

una fuerza externa de tracción. La ecuación de Cauchy, relacionada con la definición de

Hencky, describe este comportamiento de cambio longitudinal en un elemento (Moreno,

2005).

𝛾𝑛 = 𝑙𝑛(1 + 𝛾𝑐) (4.1)

Donde 𝛾𝑐 corresponde a la deformación ingenieril y 𝛾𝑛 corresponde a la deformación

natural de un cuerpo elástico.

Para esquematizar de manera clara este comportamiento, se muestra en la Figura 4-1 el

esquema sobre un elemento deformado de manera extensional.

Figura 4-1: Deformación longitudinal de un cuerpo

Fuente: Rouseel, 2012.

La reología, puede afectar a un material debido a esfuerzos tangenciales o de cizalla. Por

ello, es necesario determinar exactamente el estado de tensión de un material, cuya

afectación se encuentra definida en nueve componentes cartesianos distintos, que

consideran esfuerzos σxy (Rajadell, Planelles, & Climente, 2014), referidos a la orientación

y dirección de la fuerza sobre la sustancia en estudio. A continuación, se esquematiza la

matriz y diagrama de esfuerzos en cada componente sobre un elemento finito.




Figura 4-2: Componentes cartesianos de la tensión ejercida sobre un elemento finito

b. Matriz de tensiones sobre un elemento

a. b.

Fuente: Rajadell, Planelles, & Climente, 2014

4.1.1 La elasticidad

Dentro del estudio de la reología de las suspensiones como el concreto hidráulico, es

importante definir la elasticidad, cuyo concepto muestra como un cuerpo sólido se deforma

y recupera instantáneamente su condición inicial. Normalmente este cambio ocurre en tres

estados: el reposo, la deformación instantánea mientras se encuentra presente el esfuerzo

y finalmente la recuperación.

Al analizar esto de manera gráfica, y mediante el análisis de la fuerza tangencial aplicada

sobre un área uniforme. Se puede definir la tensión o esfuerzo de cizalla en relación a la

deformación mediante la ley de Hooke (Moreno, 2005).

Figura 4-3: Respuesta de un sólido elástico ante los esfuerzos

Fuente: Moreno, 2005


𝜏 = 𝐺 𝑑𝐿

𝑑𝑦= 𝐺 𝑡𝑔𝛾 = 𝐺 𝛾 (4.2)

Donde se tiene los principales parámetros relacionados con la definición de viscosidad,

siendo:

𝜏 el esfuerzo de cizalla F/A

𝐺 el módulo de Young o de elasticidad 𝑑𝐿 corresponde a la deformación longitudinal

𝑑𝑦 corresponde a la distancia entre las láminas del flujo del fluído

𝛾 corresponde a la relación de 𝑑𝐿

𝑑𝑦 como la deformación generada por el esfuerzo

Con lo anterior, es posible identificar el comportamiento de la elasticidad en diferentes tipos

de materiales, donde es posible o nó que el cuerpo recupere su estado inicial, siendo estos

materiales con comportamiento de elasticidad lineal, elasticidad no lineal o elastoplástico.

A continuación, se esquematiza la respuesta de cada uno de estos casos.

Figura 4-4: Curvas típicas de esfuerzo deformación para un sólido.


4.1.2 La viscosidad

Comprendidos los conceptos anteriormente expuestos, es posible relacionar la definición

de la viscosidad, como la resistencia de un material a romper su estructura, al generarse

una deformación que es irreversible (Rouseel, 2012). Esta propiedad viene definida por el

gradiente de velocidad del esfuerzo que se realiza en el fluido, teniendo en cuenta la

distancia presente entre los planos paralelos, que representan las superficies en donde se

encuentra el fluido. A continuación, se esquematiza este concepto.




Figura 4-5: Flujo laminar de líquidos a bajo y alto esfuerzo de cizalla


Teniendo en cuenta esto, bajo un estado de flujo estacionario (donde la propiedad no

depende del tiempo), podemos definir la viscosidad de la siguiente manera.

𝜏 = 𝜂 �̇� (4.3)

Donde 𝜂 corresponde a el coeficiente de viscosidad o la viscosidad de un fluido, siendo

esta propiedad característica de cada tipo de material, como, por ejemplo, una mezcla de

concreto con ciertas características determinadas. �̇�, corresponde a el gradiente de

velocidad para el flujo de un fluido, de acuerdo con la siguiente expresión diferencial

(Moreno, 2005).

�̇� = 𝑑𝛾

𝑑𝑡=

𝑑𝐿𝑑𝑦⁄

𝑑𝑡 (4.4)

Entonces

𝑑𝐿𝑑𝑦⁄

𝑑𝑡=

𝑑𝐿𝑑𝑡⁄

𝑑𝑦=

𝑑𝑣

𝑑𝑦 (4.5)

Luego, para el caso de la viscosidad se tiene:

�̇� = 𝑑𝑣

𝑑𝑡 (4.6)


𝜏 = 𝜼 𝑑𝑣

𝑑𝑡 (4.7)

La viscosidad, como muchas propiedades físicas y químicas de los materiales, se ve

alterada por diferentes factores externos. Entre ellos, se tiene la velocidad de la cizalla, el

efecto de la temperatura e incluso el efecto de la presión. Cada una de estas variables,

puede alterar significativamente el comportamiento de un fluido dependiendo si este

obedece a un comportamiento newtoniano o no newtoniano.

Dado que en el caso de las mezclas de concreto hidráulico, no existe un comportamiento

newtoniano, pues su viscosidad no permanece constante en la medida que el esfuerzo de

la cizalla cambia durante el tiempo. Es necesario considerar algunos de los aspectos de

mayor importancia, relacionados con los modelos reológicos que atañen a los fluidos no

newtonianos.

4.2 Modelos reológicos para fluidos no newtonianos

Teniendo en cuenta que el concreto hidráulico es una mezcla de materiales heterogéneos,

y que sus propiedades de viscosidad dependen altamente de la relación agua cemento,

de la proporción de mezcla de agregados, aditivo, y el esfuerzo de cizalla que se ejerce

sobre la mezcla al ser transportado o bombeado; es importante describir el comportamiento

de los fluidos no newtonianos.

En este caso, los fluidos presentan una viscosidad que tiende a incrementar o a disminuir

dependiendo de la velocidad del esfuerzo aplicado a la mezcla. Cuando la viscosidad

disminuye, se tiene una fluidificación por cizalla, y en este caso se tiene un fluido con

pseudoplasticidad o plasticidad (Moreno, 2005). Para este caso, se define un punto de flujo

o esfuerzo de fluencia fijo, donde se genera un esfuerzo mínimo para que se produzca flujo

de la mezcla o sustancia de interés.

Por el contrario, en algunos casos algunas sustancias fluidas tienden a aumentar la

viscosidad por el esfuerzo de cizalla, en cuyo caso se tiene un comportamiento de




espesamiento por cizalla o de dilatancia. A continuación, se muestra el comportamiento

reológico de diferentes fluidos en donde la viscosidad depende de la velocidad de la cizalla.

Figura 4-6: a. Curvas de flujo para diferentes modelos reológicos b. Curvas de

viscosidad para distintos comportamientos reológicos

a. b.

Fuente: Moreno, 2005, Banfill, 1991

Para el caso particular de las mezclas de hormigón, existe suficiente evidencia científica,

que permite determinar que el modelo que mejor describe el comportamiento reológico del

concreto, es el flujo plástico de Bingham (Rouseel, 2012). En cuyo caso, se presenta una

viscosidad plástica y esfuerzo de fluencia constantes para cada mezcla determinada. Este

modelo, permite caracterizar de manera cuantitativa las principales variables que

determinan el comportamiento en estado fresco de una mezcla de concreto hidráulico, y

por lo general, corresponden como el modelo newtoniano a formas lineales de describir el

flujo de las mezclas.

Su ecuación característica viene definida por la siguiente expresión:

𝜏 = 𝜏𝑜 + 𝜂𝑝 �̇� (4.8)

Donde

𝜏𝑜 corresponde al esfuerzo de fluencia o punto de flujo

𝜂𝑝 es la viscosidad plástica del concreto

Cortante

Cortante espeso

Newtoniano

Pseudoplástico Esfu

erz

o d

e c

ort

e

Velocidad de corte


4.2.1 El esfuerzo de fluencia o punto de flujo

El esfuerzo de fluencia o punto de flujo, es una de los parámetros característicos en la

reología del concreto hidráulico de mayor importancia. Su definición, se refiere al punto en

el que incrementos de esfuerzos aplicados sobre una suspensión, generan un

comportamiento del material similar al que presenta un líquido (Banfill, 1991). Por el

contrario, si dicho esfuerzo es menor que el definido por el punto de flujo, el concreto

permanecerá con poca deformación acercándose más al comportamiento definido por

ciertos sólidos.

A continuación, se muestra el cambio de diferentes concretos hidráulicos en términos de

los parámetros reológicos, debidos a cambios en su composición y materiales.

Figura 4-7: Cambios en los principales parámetros reológicos de diferentes mezclas de


Fuente: Germann Instruments A/S, 2010

Los parámetros característicos mencionados anteriormente, permiten analizar en detalle

el comportamiento en estado fresco tanto de un mortero como de un concreto hidráulico.

Su variación en el tiempo permite validar el efecto de los agregados de mala calidad en el

concreto, y a su vez la eficacia de los aditivos químicos basados en polímeros

polieléctricos, para mitigar el excesivo consumo de agua y pérdida de manejabilidad de las

Microsílice

Aire

Polvo/Mod. Reológico

Polvo/Mod. Reológico +

Plastificante

Plastificante

Agua/pasta

Es

fue

rzo

de

co

rte

Viscosidad plástica




mezclas que empelan agregados con minerales arcillosos. Lo anterior, dado que el análisis

de reología de este tipo de suspensiones permite relacionar la cantidad de esfuerzo y la

deformación, con las fuerzas de interacción atractivas y repulsivas presentes en una

mezcla de hormigón.

Metodología de la investigación 75

5. Metodología de la investigación

Para el desarrollo de la presente investigación, se han planteado cinco fases conceptuales

y experimentales, en las cuales se contempla la selección de materiales, las técnicas de

caracterización, la evaluación de desempeño y el modelamiento de las mezclas de

concreto a través del mortero empleando los diferentes aditivos químicos a estudiar. En la

Figura 5-1, se muestra de manera esquemática el resumen de las etapas de la

investigación.

Figura 5-1: Esquematización de las 5 fases de la metodología experimental de la

investigación


5.1 Selección de materiales

5.1.1 Agregados finos

Para seleccionar de manera adecuada las fuentes de agregado fino, se han ubicado dos

zonas de influencia en términos de producción de concreto en el país, teniendo en cuenta

que Cundinamarca (incluido Bogotá) y Atlántico son el primer y tercer departamento

respectivamente de mayor aporte en la fabricación de concreto premezclado a nivel

nacional. Por ello, se han obtenido muestras de agregado fino ubicadas en los municipio

de Cogua para Cundinamarca y Cordobita para el caso de Atlántico (DANE, 2021). Ambas

fuentes, son ampliamente conocidas en sus respectivas zonas por presentar problemas de

Sele

cció

n d

e

mate

riale

s

Ubicación de las fuentes

Obtención de agregados y cementante

Selección de aditivos químicos

Cara

cte

rizació

n

qu

ímic

a y

min

era

lóg

ica

de

lo

s a

gre

ga

do

s

Caracterización física

Caracterización por petrografía

Caracterización química por FRX y técnicas indirectas

Dis

eñ

o d

e m

od

elo

exp

eri

men

tal

Selección de variables de impacto

Aplicación del modelo factorial rotacional

Diseños de concreto

Método de mortero equivalente

Cara

cte

rizació

n d

el

esta

do

fre

sco

Determinación de reología indirecta en mortero equivalente

Determinación de capacidad de reducción de agua

Caracterización de parámetros reológicos característicos de mezclas en mortero equivalente C

ara

cte

rizació

n d

el

esta

do

en

du

recid

o

Influencia de los polímeros polieléctricos sobre el desarrollo de resistencia a compresión

Caracterización del comportamiento de los aditivos mediante Calorimetría de alto desempeño




desempeño en términos de retención de asentamiento y altos consumos de agua y aditivo

en las mezclas.

Arena de Cogua

La razón por la que se ha seleccionado esta primera fuente se debe a que las

características litológicas de la región describen una zona abundante en arenas con

depósitos de material silíceo y arcillolitas. Adicionalmente, hay una alta presencia de

areniscas con segmentos que texturalmente corresponden a areniscas lodosas y en

algunas zonas poseen matrices arcillosas observando clorita y cemento silíceo (Montoya

& Reyes, 2003).

En la Figura 5-2, se esquematiza la petrografía obtenida para la mayor parte de las arenas

en la región, con el fin de resaltar la posibilidad de encontrar comportamientos en concreto

negativos debido a la presencia de materiales nocivos como arcillas y limolitas. Para este

caso en particular, es posible ver la presencia de cuarzoarenitas y cemento silíceo en la

matriz del agregado analizado por microscopía.

Figura 5-2: Microfotografías: a. cuarzoarenita con cemento silíceo b cuarzoarenita con

matriz

Fuente: (Montoya & Reyes, 2003)


Por otro lado, el análisis de las planchas geológicas ubicadas en las bases de datos del

servicio Geológico Colombiano, permite identificar de manera preliminar la presencia de

materiales indeseables en los agregados finos empleados en la fabricación de mezclas de

concreto. A continuación, se evidencia el análisis detallado de la zona de extracción.

Figura 5-3: Ubicación Fuente de agregado fino 1 Zona Centro Cogua

Fuente: Servicio Geológico Colombiano, 2019

Figura 5-4: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cogua. Escala

1: 100.000

Fuente: (Servicio Geológico Colombiano, 2008)

Arena de

Cogua




La zona de extracción de materiales pétreos ubicada en Cogua, posee por su naturaleza

de formación geológica materiales constituidos con componentes posiblemente arcillosos

y depósitos coluviales con influencia de óxidos de hierro (véase Figura 5-4). Por lo

anteriormente descrito, se ha seleccionado la arena de Cogua como uno de los materiales

principales del estudio propuesto en este documento.

La Figura 5-5 (Diagrama QFL) muestra que la fuente de Cogua posee una composición

elevada en términos de cuarzo. Sin embargo, la mineralogía exacta de este material puede

variar dependiendo del tramo y segmento de explotación, por lo que es importante

caracterizar el agregado mediante petrografía y rayos X.

Figura 5-5: Clasificación composicional de las areniscas en la zona de estudio Cogua.

Fuente: (Montoya & Reyes, 2003)

Arena de Cordobita

Con el fin de hacer posible la comparación del comportamiento y desempeño, de los

diferentes polímeros polieléctricos sometidos a diferentes fuentes de agregado fino, se ha

seleccionado un material representativo de la costa atlántica. La zona seleccionada para

tal fin es la región de cordobita, la cual tiene una descripción litológica que muestra una


región de extracción de arenas de grano medio y fino constituidas por cuarzos,

plagioclasas y algunos limos de diferentes tonalidades. Por otro lado, se encuentran en la

misma región materiales de origen aluvial con niveles considerables de arenas finas a

materiales arcillosos que tienden a estratificaciones ondulantes (Servicio Geológico

Colombiano, 2003). Lo anterior, sumado a los registros de arenas con concreciones

arcillosas y muchas capas de arena con bastantes micas hacen que la fuente de arena de

Cordobita, sea seleccionada para comprender el fenómeno de mitigación de los efectos

nocivos de este tipo de arenas en el concreto hidráulico.

Figura 5-6: Ubicación Fuente de agregado fino 2 Zona Norte Cordobita

Fuente: Servicio Geológico Colombiano, 2019

Figura 5-7: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cordobita.

Escala 1:100.000

Fuente: (Servicio Geológico Colombino, 2009)

Arena

Cordobita




La Figura 5-7, contrasta la posible existencia en la zona de materiales arenosos con

esquistos micáceos, ciertos tipos de arcillas y materiales ondulantes. Estos pueden

influenciar negativamente el desempeño del concreto tanto en estado fresco como

endurecido.

Para el desarrollo experimental de este estudio, se han recolectado 300 Kg de cada una

de las fuentes de arena, con el fin de mantener el mismo lote de extracción durante la

totalidad de los ensayos planteados. En el capítulo correspondiente a los análisis de

resultados se puede observar la caracterización física, química y mineralógica de cada uno

de los materiales.

5.1.2 Cemento hidráulico

Considerando que el cemento es uno de los materiales de mayor importancia en la

elaboración de morteros y concretos, se ha seleccionado cemento de tipo ART (Alta

resistencia temprana según la NTC 121) con la menor cantidad de adición posible a fin de

obtener la menor interferencia de este material en el entendimiento del comportamiento de

los polímeros polieléctricos en la matriz de la mezcla. La fuente de cemento seleccionado

proviene de la región de Antioquia y es una receta de cemento con altos contenidos de

Clinker y adiciones únicamente de caliza. Se recolectaron 200 Kg del mismo lote de

cemento para la realización de la totalidad de las pruebas.

Este cemento hidráulico seleccionado es altamente representativo para el estudio

propuesto en este documento, pues es ampliamente usado en los principales proyectos de

infraestructura y ofrece un amplio y robusto espectro de resistencias a la compresión a las

diferentes edades.


5.1.3 Aditivos para concreto base polímeros

En términos de aditivos químicos, se han seleccionado muestras suministradas por MBCC

Group- Master Builder Solutions ® , la cual es una multinacional de origen alemán experta

en la fabricación, diseño y suministro de especialidades químicas para la construcción. En

este caso en particular, se hará uso de la tecnología química ofertada por esta compañía

basada en polímeros polieléctricos de diferente naturaleza, los cuales serán referenciados

como aditivos experimentales.

A continuación, se realiza una breve descripción de cada una de las muestras

experimentales.

Todas las muestras experimentales poseen la misma cantidad de componente activo, con

el fin de poder hacer comparativos los resultados de desempeño de cada una de las

muestras de mortero equivalente evaluadas.

i. Experimental 3475 Aditivo base policarboxilatos de última generación enfocados

en la dispersión y retención de asentamiento del concreto en el tiempo.

ii. Experimental 1931-1: Aditivo base polímeros modificados y selectivos para la

mitigación e interacción con minerales nocivos presentes en la arena empleada en

la preparación del concreto hidráulico. Este polímero se encuentra alterado en su

arquitectura con el fin de poder evitar el efecto de los cationes y las cargas típicas

presentes en los minerales arcillosos o no arcillosos.

iii. Experimental 1831-5: Aditivo polimérico basado en tecnología capaz de bloquear

y dispersar adecuadamente los materiales del concreto a pesar de la presencia de

minerales retadores presentes en los agregados finos. Este polímero posee una

arquitectura que permite que sus grupos funcionales se absorban selectivamente

en las partículas del cemento y no en los agregados finos.




Figura 5-8: Muestras de polímeros y policarboxilatos experimentales empleados

durante la experimentación.

Cada una de las anteriores muestras, constituye una base química completamente

diferente, mientras la muestra experimental 3457 constituye la representación de

policarboxilatos comúnmente usados en la industrial del concreto para reducir agua y

mantener el asentamiento en el tiempo, los experimentales 1931-1 y el 1831-5 son dos

formulaciones distintas basadas en polímeros especialmente sintetizados para mitigar de

manera efectiva el efecto de los materiales adversos en las arenas, mediante el concepto

de polímero polieléctrico. Estas dos últimas referencias tienen mecanismos distintos para

atenuar o mitigar el efecto de pérdida de manejabilidad y reducción de agua que sufre el

concreto ante la presencia de minerales arcillosos o similares.

Las cantidades estimadas de cada uno de los materiales empleados en la ejecución de la

investigación se muestran a continuación.

Tabla 5-1: Cantidades de materiales para la ejecución experimental

Material Cantidad (kg)

Cemento Hidráulico

ART 200,0

Arena Cordobita 300,0

Arena de Cogua 300,0

Experimental 3475 2,0

Experimental 1931-1 2,0

Experimental 1831-5 2,0


Figura 5-9: Preparación y acopio de arena y material cementante para la fase

experimental.

5.2 Caracterización química, física y mineralógica de los

agregados

Posterior a la obtención y acopio de los materiales totales para el desarrollo de la

investigación, se realizó una caracterización completa de los agregados finos estudiados

en este documento. Tanto la arena de Cogua como la arena de Cordobita, son sometidas

a diferentes ensayos físico y químicos que permitan entender su composición y

comportamiento frente a los polímeros polieléctricos en el concreto.

5.2.1 Caracterización petrográfica

Con el fin de describir e identificar los componentes minerales potencialmente nocivos

dentro de los agregados finos, se realiza una evaluación petrográfica mediante la

metodología descrita en la ASTM C 295 y su equivalente para la norma Colombiana NTC

3733.




El análisis de caracterización petrográfica, se desarrolla de la siguiente manera:

1. Preparación de las muestras para el análisis:

En este procedimiento se realiza el cuarteo del material, teniendo en cuenta que existan

150 partículas por cada uno de los tamices seleccionados para el análisis mediante

microscopio (tamices #8, #16, #30, #50).

2. Preparación de secciones delgadas:

Para la evaluación posterior mediante petrografía, se hace necesario la elaboración de

secciones delgadas con uso de tinción para porosidad, en este caso, se plantean 2

secciones delgadas por muestra de agregado, siendo la primera la correspondiente a las

partículas del tamiz # 8 y la segunda sección de tamices #16, #30 y #50.

3. Evaluación petrográfica:

Se desarrolla la evaluación de acuerdo con la ASTM C295, enfocada en la identificación

de minerales nocivos y características claves de cada fuente como origen y forma. Para

ello se hace uso de microscopía óptica.

Para el tamiz #4 se hace uso de un estereomicroscopio marca Optiks con un aumento

progresivo de 7.5x a 45x. Para el análisis petrográfico se utiliza un microscopio marca

Olympus CX31P con objetivos de 5x, 10x, 50x y 100x. Las fotografías de este estudio son

tomadas con una cámara Sony adaptada a cada uno de estos equipos y la caracterización

porcentual de minerales se realiza de acuerdo con el área que abarca cada mineral en la

totalidad de la muestra.


Figura 5-10: A la izquierda estereomicroscopio y a la derecha microscopio CX 31P para

evaluación petrográfica

Por otro lado, para la determinación del grado de porosidad de cada una de las fracciones

evaluadas, se emplearon las guías cualitativas propuestas por (Poole & Sims, 2016) como

se muestra en la Figura 5-11a. Para los índices de redondez y esfericidad se emplea la

escala Powers (véase Figura 5-11b).

Figura 5-11: Estimación de porcentajes de porosidad e índices de redondez

Fuente: a.Poole & Sims, 2016, b.Powers, 1982.




Finalmente, para caracterizar el grado de meteorización de los agregados se emplea el

método de (ISRM, 1981) y se usa la UTS-0285 de Munsell para poder clasificar cada tipo

de suelo considerando las tonalidades de los materiales.

5.2.2 Caracterización física y química

Con el fin de poder establecer los diseños de mezcla del concreto hidráulico dentro del

diseño de experimentos, se realizó la caracterización física de cada una de las fuentes de

agregado incluyendo los gruesos y los finos. Para el caso de las gravas, se selecciona

material de tamaño nominal máximo de 19 mm (¾”) y 12,5 mm (½”) y se caracterizan por

granulometría, absorción y densidad. Por otra parte, el agregado fino fue sometido a esta

misma caracterización, añadiendo otras técnicas de caracterización que permitieron

comprender el comportamiento químico de las arenas en las mezclas de mortero

equivalente.

Como métodos experimentales complementarios en el conocimiento de cada una de las

fuentes de agregados finos, se hizo uso de las siguientes técnicas de caracterización en

términos físicos y químicos de los materiales:

i. Azul de metileno y equivalente arena: Estas técnicas descritas en la norma INVIAS

INV-E 235 y INV-E 133, permiten la identificación indirecta de la absorción activa

de arcillas presentes en los agregados finos y además establecen una relación del

porcentaje de arena presente en los agregados finos como areniscas y no como

arcillas o limos.


Figura 5-12: Evaluación de contenido y actividad de arcillas mediante azul de

metileno

Fuente: BASF, 2019

De manera complementaria, se emplearon las siguientes técnicas de

caracterización físicas y químicas directas, que permiten contrastar los resultados

obtenidos en la petrografía de los minerales y relacionar las propiedades de las

fuentes de agregado con el comportamiento obtenido tanto en el estado fresco

como endurecido.

ii. Absorción por TOC: Permite cuantificar de manera directa la cantidad de aditivo

absorbido por cada uno de los tipos de arena.

iii. Caracterización física: Empleada para la determinación de la distribución

granulométrica, absorción y densidad de cada una de las arenas (Normas NTC 77

y 237).

iv. Fluorescencia de Rayos X: Se emplea con el fin de determinar la composición

química porcentual de cada una de las fuentes de agregado en términos de sus

óxidos y relacionarlos con la presencia de materiales nocivos para el concreto.

Bajo

conte

nid

o d

e a

rcill

a

Alto c

onte

nid

o d

e a

rcill

a




5.3 Determinación del diseño de las mezclas de concreto

5.3.1 Cálculo de diseños de mezclas de concreto

Para determinar los diseños de mezcla de concretos empleados durante la fase

experimental, se empleó la metodología del cuadro de rugosidad de Shilstone, el cual

considera las propiedades de los agregados gruesos y finos en combinación. Este método

se ha seleccionado, pues es ampliamente recomendada en múltiples estados y agencias

del gobierno de Estados Unidos (Rudy & Olek, 2012). Este método, identifica bien la

ventana de aceptación para una gradación adecuada de agregados que en combinación

permiten obtener valores adecuados de rugosidad y trabajabilidad.

En la selección de la combinación adecuada de materiales, se considera la caracterización

física de los materiales áridos, tanto gruesos como finos en términos de su granulometría

(% Pasa de cada tamaño de tamiz), densidad SSS y absorción para fines de corrección

por humedad.

Como diseño base, previo a la optimización del ensamble granulométrico bajo la

metodología Shilstone, se emplea el cálculo preliminar de la ACI 211 buscando una

resistencia de diseño especificada del concreto F´c de 45 MPa. Posterior a la

determinación de la cantidad de cemento, se emplea el factor de empaquetamiento de los

agregados φ de la siguiente manera:

∅ = 𝜌𝑏𝑢𝑙𝑘

𝜌𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜=

𝑀𝑠

𝑉𝑡𝑀𝑠

𝑉𝑠

=𝑀𝑠

𝑉𝑡 .

𝑉𝑠

𝑀𝑠 =

𝑉𝑠

𝑉𝑡 (5.1)

Donde:

Ms: Masa de la muestra de agregado usado para determinado factor de empaquetamiento

de los agregados mezclados.

∅: Es la relación entre el volumen de vacíos.

Vs: Volumen de la muestra.

Vt: volumen a granel de sólidos.


Este factor de empaquetamiento, puede ser determinado de manera más precisa de la

siguiente forma:

∅ = 𝑉𝑠

𝑉𝑡=

𝑉𝑡−𝑉𝑣

𝑉𝑡= 1 −

𝑉𝑣

𝑉𝑡= 1 − 𝜀 (5.2)

Donde Vv representa el volumen de vacíos entre las partículas de agregado y 𝜀

corresponde a relación de contenido de vacíos en la mezcla.

Una vez determinado el valor del factor de empaquetamiento deseado, se puede

establecer la relación entre la cantidad de material grueso (grava de 19 mm (3/4 ”) y grava

de 12,5 mm (1/2”)) y el material fino (arena en estudio), presente en el concreto usando los

valores de %Pasa de cada tamiz resultado de la combinación de diferentes proporciones

entre los agregados.

Para llevar a cabo un estimado óptimo de las proporciones, se emplean los siguientes dos

criterios sugeridos por el método del cuadro de rugosidad de Shilstone (Rudy & Olek,

2012).

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑝𝑒𝑟𝑒𝑧𝑎 =∑ % 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑎𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 9,5 𝑚𝑚

∑ % 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑟𝑟𝑖𝑏𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 #8 ∗ 100 (5.3)

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = ∑ % 𝑃𝑎𝑠𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 # 8 (5.4)

Los anteriores parámetros, pueden ser determinados de manera experimental, tras la

caracterización adecuada de cada uno de los agregados, permitiendo generar la ubicación

de la mezcla de concreto obtenida en una región determinada de la Figura 5-13.




Figura 5-13: Diferentes combinaciones de agregados representadas en el cuadro del

factor de rugosidad de Shilstone.

Fuente:(Rudy & Olek, 2012)

Como se evidencia en la Figura 5-13, es posible obtener diseños de concreto de diferente

consistencia (definida como la propiedad del concreto para deformarse y ocupar los

espacios vacíos del molde donde se coloca). En este caso, se busca obtener un concreto

dentro de una región bien gradada para agregados gruesos de 19 mm (¾”), pues este será

un material constante durante toda la experimentación.

Los diseños de concreto mantendrán su relación agua-cemento constante durante toda la

fase experimental y se considera únicamente como variabe la cantidad de arena en cada

mezcla, con el fin de comprender el fenómeno de afectación y mejora bajo el uso de

diferentes polímeros polieléctricos. Los valores porcentuales de arena dentro de la mezcla

de concreto variarán dentro de un rango considerado de 20% a 40%, siendo este rango un

común denominador de los diferentes tipos de mezclas en la industria (Shetty, 2000).

Una vez determinados los diseños de concreto para cada una de las combinaciones a

evaluar (Arena + polímero), se ha determinado emplear el modelo del mortero equivalente,

ROCOSO

BIEN GRADADO

ARENOSO

ES

PA

CIO

DE

GR

AV

A G

RA

DA

DA

GR

AV

A

TA

MA

ÑO

DE

L

AG

RE

GA

DO

FIN

O

FACTOR DE RUGOSIDAD

FA

CT

OR

DE

TR

AB

AJA

BIL

IDA

D


el cual permite el ahorro de uso de materiales y permite realizar un mayor número de

ensayos.

A continuación, se describe la manera en la que se determinan las mezclas de mortero a

evaluar, correspondientes a cada una de las mezclas de concreto establecidas en el diseño

de experimentos.

5.3.2 Modelamiento del concreto mediante mortero equivalente

Con el fin de poder realizar el modelamiento del comportamiento de los polímeros

polieléctricos en el mejoramiento de los efectos nocivos de las arenas de mala calidad en

el concreto, se realizan todas las mezclas del concreto empleando la metodología del

mortero equivalente de concreto (Erdem, Khayat, & Yahia, 2009), el cual sugiere que

mediante el reemplazo total de los agregados gruesos por agregados finos, es posible

comprender y correlacionar la reología de un mortero con una mezcla de concreto.

Para llevar a cabo el cálculo del diseño de mortero equivalente se requiere conocer los

porcentajes pasantes entre cada uno de los tamices comprendidos entre el de 1 pulgada

y el #200. Una vez conocido este valor, junto con la masa de agregado en el concreto y su

densidad se aplica la ecuación 𝑁𝑃𝑇 =(

( 𝑃𝑃2− 𝑃𝑃1)∗𝑀𝐴𝑔𝑔

𝜌𝑎𝑔𝑔∗1000 )

𝑉𝑝 (5.5).

𝑁𝑃𝑇 =(

( 𝑃𝑃2− 𝑃𝑃1)∗𝑀𝐴𝑔𝑔

𝜌𝑎𝑔𝑔∗1000 )

𝑉𝑝 (5.5)

Donde 𝑁𝑃𝑇 es el número total de partículas existentes en un tamiz, 𝑃𝑃2 es el porcentaje

que pasa del tamaño superior para cada pareja de tamices, 𝑃𝑃1 corresponde al porcentaje

que pasa del tamaño inferior por cada pareja de tamices subsecuentes, 𝑀𝐴𝑔𝑔 es la masa

total de cada tipo de agregado para el diseño de concreto, 𝜌𝑎𝑔𝑔 es la densidad sss del

agregado y 𝑉𝑝 es el volumen promedio de partícula por cada pareja de tamices

subsecuentes.




Una vez determinado el número de partículas por tamiz, se determina el área superficial

total a reemplazar por arena de la siguiente manera:

𝐴𝑠𝑢𝑝 𝑇 = ∑ 𝑁𝑃𝑇 ∗ 𝐴𝑠𝑢𝑝 𝑎𝑔𝑔𝑎𝑔𝑔

𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧

(5.6)

Donde 𝐴sup 𝑎𝑔𝑔 es el área superficial total obtenida para cada uno de los tamices,

determinada mediante el producto del número de partículas y el área superficial promedio

entre dos tamices subsecuentes.

El área superficial entregada por cada tipo de arena y agregado grueso, son propiedades

específicas calculables para cada tipo de material, con lo anterior, es posible determinar la

cantidad de arena necesaria para reemplazar el área superficial total aportada por el resto

de los agregados restantes.

Para determinar las cantidades de agua y de cementante empleados en el mortero, se

aplica el siguiente factor de corrección, debido a las diferencias de espacios vacíos

ocupados por el agregado fino que reemplaza el agregado grueso en la mezcla de

concreto.

𝐹𝑒𝑞 =1

∑ 𝑉𝑇 𝑎𝑔𝑔

(5.7)

Donde 𝐹𝑒𝑞 es el factor de corrección equivalente empleado en los materiales del mortero

para 1m3 de volumen de mezcla y 𝑉𝑇 𝑎𝑔𝑔 corresponde al volumen total ocupado por cada

tipo de agregado grueso y fino en el diseño de mezcla de concreto.

Con lo anterior, se pueden recalcular las cantidades requeridas para cierto volumen de

mortero que represente el comportamiento reológico de cualquier diseño de mezcla de

concreto con un factor de relación de R2 superior a 0,85 (Erdem et al., 2009).


Figura 5-14: Correlación de dosis de aditivos entre mezclas de concreto y mezclas de

concreto equivalente

Fuente: (Erdem et al., 2009)

5.4 Diseño del modelo experimental

En este documento se detallan únicamente aquellos aspectos que soportan la aplicación

de los diseños factoriales a la campaña experimental realizada, con el fin de establecer el

efecto de las variables consideradas en las respuestas de interés para esta investigación.

En la literatura técnica reciente se trata con bastante profundidad el diseño factorial

aplicado a diferentes tipos de experimentación (Melo, López, y Melo, 2007).

Para poder analizar y modelar de manera adecuada el comportamiento y beneficio del uso

de los polímeros polieléctricos, en mezclas de concreto con agregados finos que contienen

arcillas o minerales nocivos, se propone en este estudio el uso de la metodología de diseño

de experimentos fraccional factorial.

La metodología propuesta, permite modelar el comportamiento de dos variables de

respuesta, dependientes de dos variables fijas (independientes entre sí) que son de gran

% d

e c

em

ento

% de cemento




impacto en el fenómeno estudiado. En este caso, se han considerado como variables de

entrada de interés el porcentaje de arena presente en la mezcla de concreto y la dosis de

los aditivos base polímeros empleados para mitigar el efecto nocivo de los agregados finos

en las mezclas.

A continuación, se muestra de manera esquemática el análisis de variables usando diseño

de experimentos (DOE), mediante el modelo factorial compuesto central rotacional DCCR

(Cavazzuti, 2013).

Figura 5-15: Ejemplo de diseño de experimento central compuesto rotacional

Fuente: Cavazzuti, 2013

El objetivo de la metodología propuesta es determinar las combinaciones de ensayos

necesarias para entender el comportamiento de las variables de respuesta en todo el rango

de variación de las variables de entrada.


Para esta investigación las variables de respuesta se han definido considerando los

aspectos de mayor relevancia del concreto en estado fresco. De esta manera, se han

considerado el esfuerzo de fluencia como medida directa de la reología del concreto, la

fluidez inicial relacionada con la capacidad de reducción de agua de cada tipo de polímero

y la retención de fluidez que corresponde al tiempo que permanece el concreto fluido desde

que hay contacto entre el agua, el cemento y los agregados. A continuación, se describe

el detalle de cada una de estas propiedades.

Esfuerzo de fluencia

Correspondiente al esfuerzo mínimo requerido en la mezcla de concreto o de mortero, para

lograr un cambio del comportamiento de la mezcla de estático a fluído. Este se define en

Pa y determina la facilidad de bombeabilidad y trabajabilidad en el tiempo. El cálculo de

este parámetro característico de la mezcla se determina caracterizando el comportamiento

reológico de la mezcla véase (Ecuación 10).

Para determinar el esfuerzo de fluencia se calcula inicialmente la viscosidad plástica de

la siguiente manera:

𝜂𝑝 =𝜏2− 𝜏1

�̇�2− �̇�1 (5.8)

Con esta variable característica, se procede a realizar el cálculo del esfuerzo de fluencia

de la mezcla en un tiempo determinado.

𝜏𝑜 = 𝜏𝑖 − 𝜂𝑝�̇�𝑖 (5.9)

El parámetro anteriormente mencionado se midió experimentalmente a los 0 minutos y a

los 30 minutos con el fin de comprender la capacidad de retención de flujo de los polímeros

ante la presencia de agregados nocivos en el agregado fino.

Para la investigación, se usó un viscosímetro rotacional de amplio espectro mostrado en

la Figura 5-16, el cual puede ser usado para caracterizar la reología de mezclas de mortero

y pastas de cemento de manera directa. El equipo posee medidores de esfuerzo cortante




y temperatura, y además cuenta con la posibilidad de ser configurado mediante el Software

Rheowin ® el cual asigna una rutina de mediciones que permite caracterizar las mezclas

por su esfuerzo de fluencia y viscosidad plástica.

Figura 5-17: Viscosímetro y montaje experimental empleado para caracterización del

esfuerzo de fluencia de las mezclas de mortero equivalente

Flujo inicial

Representa el flujo diametral obtenido en mm para cada una de las mezclas en el tiempo

inicial para diferentes dosis de polímero y diferentes contenidos de arena. Esta variable

permite relacionar de manera indirecta el comportamiento reológico de las mezclas y a su

vez determinar la capacidad de reducción de agua y de plasticidad de las mezclas bajo

diferentes condiciones y se denota como 𝐹𝑙𝑜.

Retención de flujo

Es otra medida indirecta del comportamiento reológico de la mezcla, cuya relación consiste

en el flujo obtenido al finalizar 90 minutos en milímetros frente al flujo de partida de la

mezcla también en mm. Este parámetro permite determinar la capacidad de retención de

flujo de los polímeros frente a diferentes cantidades de arena con minerales nocivos. La

determinación del valor de esta variable se realiza de la siguiente manera:


% 𝑅𝐹 = (𝐹𝑙𝑓

𝐹𝑙𝑜) (5.10)

Donde %RF es la capacidad de retención de flujo de cada polímero, 𝐹𝑙𝑓 es el flujo final de

la mezcla a los 90 minutos en mm y 𝐹𝑙𝑜 el flujo inicial de la mezcla en un tiempo 0 de

reposo.

Una vez fijadas las variables de entrada y de salida para el diseño de experimentos. Se

procede con el cálculo de los valores intermedios de cada una de las variables de entrada

(cantidad de arena en el diseño y dosis de polímero polieléctrico). Para ello, se establecen

los valores límite de cada una de las variables. Es decir, los valores máximos y mínimos

en los que se realizará la medición (Padilla, 2011). La metodología DOE bajo el modelo

fraccional rotacional, permite la determinación del número de ensayos a realizar y la

combinación de variables de entrada requeridas para modelar las variables de salida. Al

emplear 2 variables de entrada, se requieren 11 ensayos totales para ejecutar el

modelamiento completo (Dean, 2017), y para determinar el valor de cada variable de

entrada en el diseño de experimentos, se emplea la ecuación (5.11):

α = (2𝑘) 1/4 (5.11)

Donde

α = factor de corrección para cada valor que tomará la variable de entrada dentro de sus

límites máximo y mínimo

k = número de variables de entrada de interés para el presente estudio.

Con lo anterior, se obtiene la matriz de ensayos mostrada en la Tabla 5-2, considerando

las variables de entradas seleccionadas, Porcentaje de arena en el diseño de concreto y

porcentaje de aditivo polimérico en la mezcla.




Tabla 5-2: Diseño de experimentos con 2 variables de entrada para análisis de

superficie de respuesta

Diseño de experimentos método factorial rotacional

Número de variables 2

𝛼 1,4142

Variable 1 % Arena en concreto

Variable 2 % Dosis polímero PE

Ensayo % Arena en concreto % Dosis polímero PE

1 1- 1-

2 1- 1+

3 1+ 1-

4 1+ 1+

5 o 𝛼-

6 o 𝛼+

7 𝛼- o

8 𝛼+ o

9 o o

10 o o

11 o o

Para la determinación de los puntos intermedios se aplica el siguiente cálculo:

1−= o −1∗(o−α−)

𝛼 (5.12)

o =α−+ α+

2 (5.13)

1+= o +1∗(o−α−)

𝛼 (5.14)

Donde α + y α − corresponden al valor máximo y mínimo que puede tomar cada variable

de entrada respectivamente. En el caso de este estudio, dichos valores son determinados

mediante el diseño de mezcla de concreto para el contenido de arena en el concreto y

𝛼 = (2𝑘)14


mediante valores razonables y medibles para el caso de las dosis de aditivo polimérico

para cada mezcla.

Cabe aclarar, que las variables del diseño de experimentos son completamente

independientes entre sí. La arena en el mortero no depende de forma alguna de la dosis

del aditivo base polímero polieléctrico, pues este se dosifica con respecto a la cantidad del

cemento presente en la mezcla, que permanece constante para los diseños de concreto y

mortero equivalente planteados.

Adicionalmente, los diseños de concreto y de mortero equivalente tienen una relación agua

cemento constante y han sido ajustados desde sus ensambles granulométricos y

cantidades en masa para completar un volumen constante durante las mediciones

experimentales.

Por lo anteriormente mencionado, los resultados de las variables de salida serán el

resultado del azar, asegurando combinaciones de comportamientos aleatorios dentro de

rangos medibles y representativos tanto para la cantidad de arena en el concreto y el

mortero, como para la dosis del aditivo polimérico (que depende del cemento y no de la

arena dentro de la mezcla). De esta manera, se tendrán escenarios donde se encuentren

altas cantidades de arena de mala calidad con bajos contenidos de polímero, bajas

cantidades de arena con alto contenido de polímero, altas cantidades de arena con alta

cantidad de polímero y bajas cantidades de arena con baja cantidad de polímero. Esto

permite generar un espectro de resultados que representa de forma representativa el

comportamiento de las mezclas de manera aleatoria.

La Tabla 5-2 muestra los ensayos que se deben realizar para cada tipo de aditivo

polimérico y cada tipo de arena. Es decir, para las arenas de Cordobita y Cogua y los

aditivos experimentales 3457, 1931-1 y 1831-5.

Para el modelamiento y análisis de los datos experimentales, se empleó un software

estadístico capaz de modelar de manera predictiva, el comportamiento de cada variable

de salida en todo el rango de variación de los parámetros de entrada. En el caso de este

documento se emplea el sofware estadístico Minitab 19.




5.5 Caracterización del estado fresco de las mezclas de

mortero

En esta sección, se describe el detalle de los ensayos y métodos empleados para la

caracterización del estado fresco de cada una de las mezclas de mortero equivalente. El

objetivo principal, es comprender el efecto generado por el uso de polímeros polieléctricos

en mezclas de concreto (simuladas a través de mortero equivalente) preparados con

arenas que tienen contenidos altos de minerales arcillosos o nocivos.

Determinación de parámetros reológicos indirectos

Como primera etapa de evaluación, se realiza la preparación de los morteros equivalentes

empleando las cantidades descritas por el diseño de concreto, ensamblando los valores

de dicho diseño al modelo del mortero equivalente. Una vez se realiza dicho ensamble,

se emplea una forma de mezclado estándar descrita en el siguiente diagrama:

Figura 5-18: Metodología de mezclado para morteros equivalente con aditivos químicos


Tiempo 60 s: Velocidad 2

Tiempo 75 s: Reposo



Tiempo 30 s: Valocidad 1

tiempo 0 s Adición de 100% Arena

Adición del 90% del agua

Adición del cementanteAdición del aditivo químico con

10% de agua restante

Fluidificación de la mezcla

Reposo de la mezcla

Mezcla final, redispersión de aditivo

Homogenización de material en el recipiente


Para realizar el mezclado y preparación de los morteros se emplea una mezcladora marca

Hobart de capacidad de 5 litros con 3 velocidades; este equipo se usa para la medición

directa e indirecta de la reología de las mezclas a través del tiempo. Por otro lado, se

consideran 30 s de mezclado adicional a velocidad 2, cada vez que transcurren 30 minutos

de haber iniciado la mezcla (contacto del agua con el material cementante).

Con la preparación de los morteros, se procede con la determinación de los principales

factores característicos que permiten medir cuantitativamente el desempeño de los

diferentes polímeros, en el mejoramiento del comportamiento de los morteros (con arenas

nocivas) en estado fresco. Para ello, se realiza la determinación del flujo mediante el

ensayo descrito por la norma ASTM C 230, cuya medida permite relacionar el flujo obtenido

con la capacidad de reducción de agua de cada polímero.

Figura 5-19: Equipo para determinación de flujo de morteros ASMT C 230

Para la determinación de los valores de plasticidad de cada mortero y a su vez la capacidad

de reducción de agua, se toma el valor obtenido para el diámetro del mortero expandido

en la mesa de flujo tras 25 golpes. Dicha determinación se realiza en 4 puntos

equidistantes respecto a la circunferencia generada por la mezcla y se hace el respectivo

registro. Este proceso se repite cada 30 minutos hasta llegar a los 90 minutos (1 hora y

media) con el fin de determinar de manera adicional la capacidad de retención de

asentamiento del mortero en el tiempo.

Una vez registrados los datos, se procede a realizar esta medición de estado fresco con

cada uno de los ensayos planteados en el diseño de experimentos por cada tipo de arena




en combinación con cada tipo de aditivo químico, permitiendo así la caracterización del

desempeño por polímero frente a su capacidad de reducción de agua y retención de flujo,

propiedades de vital importancia en términos de colocación y transporte del concreto

hidráulico.

Determinación de parámetros reológicos directos

Con el fin de poder caracterizar el desempeño de cada una de las mezclas establecidas

en el diseño de experimentos, mediante su comportamiento reológico, se plantea el uso

de un reómetro HAAKE™ Viscotester™ E, el cual posee las siguientes características:

▪ Cumple con la ASTM C 1749 para la determinación de reología en mezclas de

pastas de cemento.

▪ Control de torque y velocidad de rotación

▪ Instrumentación para diagnóstico de propiedades reológicas

▪ Control de temperatura durante las mediciones (20°C)

Figura 5-20: Montaje de Viscosímetro E para caracterización reológica de las muestras

de mortero y montaje de muestras para preparación de mezclas de mortero.

Para emplear el equipo de manera adecuada, se hace uso del software Rheowin versión

4.8, el cual permite realizar el control del equipo mediante una rutina de mediciones


previamente establecida para cada medición. Para definir dicha rutina, se requiere de la

realización de varios ensayos en los valores límite de arena y dosis de aditivo, con el fin

de asegurar que las mediciones de los parámetros reológicos en el tiempo sean

representativas.

La rutina empleada para caracterizar la reología de los morteros requiere de la definición

de un proceso escalonado donde la velocidad de giro del husillo va desde el reposo a un

punto máximo, se mantiene constante en el valor máximo por una franja de tiempo y

posteriormente sufre un descenso escalonado hasta llegar al reposo.

Para definir dicha metodología, se ha hecho uso de referencias de la literatura, cuyo

enfoque de estudio es el entendimiento de la reología de morteros (Cardoso, John, Pileggi,

& Banfill, 2014). En el ejemplo ilustrado a continuación, se muestra el estudio de la

manejabilidad de morteros empleando diferentes productos industriales.

Figura 5-21: Esquematización del montaje reómetro b. Torque vs tiempo para morteros

tras 55 minutos de preparación

a b

Fuente: (Cardoso et al., 2014)

Como se ilustra en la

Figura 5-21b, el incremento de la velocidad del husillo en el tiempo es paulatino y llega a

un máximo constante para luego reversar el incremento de velocidad hasta llegar al

reposo. Para el estudio desarrollado en este documento, se han definido los siguientes




parámetros y procedimiento en la rutina de medición para la caracterización reológica de

las mezclas, empleando el software Rheowin 4.8.

El software Rheowin versión 4.8 es un programa de ThermoFisher Scientific ® de

evaluación de la reología de mezclas, que permite establecer rutinas de medición para

diferentes tipos de fluidos. En este caso, el programa se empleó para medir la reología de

los morteros equivalente y se preparó una rutina de medición que permitió determinar el

esfuerzo de fluencia y la viscosidad plástica de cada una de las mezclas a los 0 y 30

minutos.

1. Para iniciar el proceso de medición, se selecciona dentro del módulo de opciones

de medición el botón de avance en escalera, el cual permite generar un incremento

paulatino y escalonado de la velocidad de corte durante el tiempo desde 10,0 1/s

hasta 180 1/s (Thermo Fisher Scientific, 2020). Al finalizar la configuración de la

rutina de mediciones, se obtiene un esquema de procesos como se muestra en la

Figura 5-22.


las mezclas de mortero


2. Una vez seleccionado el método de incremento escalonado de velocidad de corte,

se realiza la configuración de la rotación; para ello, se ingresa en la configuración

de medición, seleccionado el modo CR (modo de velocidad de corte controlada con

esfuerzo constante), se ingresa el valor de la frecuencia de rotación inicial del

husillo en 10,0 1/s y la rotación final con un valor de 180 1/s. Para realizar este

procedimiento, se selecciona una distribución incremental que se lleva a cabo en 5

pasos como se ve en la Figura 5-23. Finalmente, en la configuración de la

adquisición, se selecciona una duración por escalón de 15 s y un tiempo de

integración de 3 segundos.

Figura 5-23: Configuración inicial de la rutina de medición de parámetros reológicos de

las mezclas de mortero




3. Posterior al incremento paulatino de la velocidad de corte, es necesario continuar

la configuración de la rutina; para ello se ingresa en el módulo de medición

constante, donde se selecciona nuevamente el modo CR y se toma el valor de la

velocidad de corte como el valor final de este parámetro en la última medición antes

de llegar a la rotación constante (véase Figura 5-24). Para este caso será 180 1/s

y esta configuración de la rotación se mantendrá por 30 s. Se tomarán 100 datos

en esta parte de la medición de la reología y el tiempo de distribución lineal será de

0,15 s.

Figura 5-24: Configuración intermedia de la rutina de medición de parámetros

reológicos de las mezclas de mortero, tramo de rotación constante.


4. Finalmente, se configura la parte final de la rutina, generando un proceso

escalonado de descenso, iniciando con la velocidad máxima constante del paso

anterior (180 1/s) y llegando en 5 pasos hasta una velocidad de 10 1/s hasta quedar

finalmente en el reposo. Para esta parte de la rutina se selecciona nuevamente el

modo CR, una duración de 15 s para cada escalón y un tiempo de integración e 3

segundos para finalizar el proceso de caracterización reológica.


las mezclas de mortero, tramo de rotación en descenso




Una vez definida la rutina de medición, se emplea el software como controlador del

viscosímetro para realizar la totalidad de los ensayos planteados por el diseño de

experimentos. La caracterización reológica permite determinar el valor del esfuerzo de

fluencia y viscosidad plástica en el tiempo, para ello se hacen mediciones en el tiempo cero

de manejabilidad de la mezcla y a los 30 minutos de su realización. El husillo empleado

para todas las mezclas es el número 6 recomendado para mezclas pastosas y morteros

fluidos (Feys et al., 2017).

Figura 5-26: Detalle del montaje para caracterización reológica y configuración de la

medición con husillo # 6 para mezclas pastosas y de mortero

La elaboración de los morteros empleados para la caracterización del comportamiento de

cada arena y cada tipo de polímero se realiza con arena 100% seca. Es decir, cero

humedad libre y cero humedad ligada con el fin de asegurar una relación agua cemento

constante; adicionalmente se realiza un tamizado de todo el material por la malla # 4 con

el fin de asegurar una granulometría constante y distribución de partículas equivalente.

5.6 Caracterización del estado endurecido

La influencia de los aditivos químicos empleados (base polímeros convencionales y

polímeros polieléctricos) en las mezclas de mortero, no solo pueden impactar el

comportamiento en el estado fresco, sino que también pueden generar efectos sobre el


endurecimiento y proceso de hidratación del mortero y el concreto. Por lo anterior, se

propone la caracterización del desarrollo de resistencias a compresión a todas las edades

del mortero y la caracterización por calorimetría de alto desempeño para validar el

fenómeno de hidratación de cada una de las mezclas.

Resistencia a compresión

Para la caracterización del comportamiento en estado endurecido, se realizan

especímenes cúbicos de cada mortero dentro de la matriz de diseño de experimentos. El

procedimiento de mezclado y preparación de los cubos se realiza acorde con lo descrito

por la ASTM C 109 Método de Prueba Estándar para la Resistencia a la Compresión de

Morteros de Cemento Hidráulico. Se realizan 2 cubos para cada una de las edades

características, las cuales son 1, 3, 7 y 28 días.

Para cada espécimen se lleva a cabo un curado en inmersión en agua saturada con cal

apagada a 23 °C y se falla a compresión mediante una prensa hidráulica de alta precisión.

Cinética de hidratación del cemento en el mortero

Posterior a la ejecución de la totalidad de los ensayos propuesto en el diseño de

experimentos para el estado fresco y endurecido, se procede con la realización de

calorimetrías isotérmicas. Las calorimetrías se llevan a cabo para puntos intermedios de la

matriz del diseño de experimentos, el ensayo se realiza directamente sobre el mortero y

no sobre la pasta de cemento, pues se busca comprender la influencia de los polímeros y

las arenas nocivas sobre la hidratación del cemento en términos de fraguados y desarrollo

de resistencias tempranas. A continuación, se esquematiza el equipo empleado para tal

fin (un High precision calorimeter) el cual cumple con la norma ASTM C 1679. El ensayo

se realiza durante 36 horas con el fin de validar los efectos sobre el fraguado que puede

generar el polímero sobre la mezcla.




Figura 5-27: a. Calorímetro HPC utilizado para caracterización de cinética de hidratación

del cemento b. Análisis de tiempos de fraguado y simulación de resistencias por método

integrado

a b

Fuente: (Gómez-Zamorano et al., 2015)

El software empleado para la caracterización por calorimetría de cada una de las mezclas

se muestra en la Figura 5-28. Este software permite simular el desarrollo de resistencias

a compresión y caracterizar las mezclas por su desarrollo de fraguados durante el tiempo

en función de las propiedades termodinámicas de la mezcla.

Figura 5-28: Software Calcommander para análisis cuantitativo de mezclas de mortero y

de cemento mediante calorimetría de alta precisión

Resultados y análisis 111

6. Resultados y análisis

Para comprender el efecto generado por cada uno de los polímeros seleccionados en la

mitigación del efecto nocivo de ciertos minerales presentes en los agregados finos para las

mezclas de concreto, en este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la

aplicación de la metodología propuesta. En primer lugar, se realiza el proceso completo de

caracterización de los agregados finos y gruesos para cada una de las fuentes de material

empleadas en este estudio, mediante análisis físicos, químicos y mineralógicos.

Posteriormente se presentan los resultados del diseño experimental de las mezclas de

morteros equivalentes para cada uno de los mejoramientos considerados y, finalmente, se

incluyen los resultados de la caracterización respectiva tanto en estado fresco, como

endurecido.




6.1 Caracterización de agregados finos y gruesos

Para conocer en detalle los componentes químicos presentes en las arenas, que pueden

afectar significativamente el desempeño reológico de las mezclas de concreto, se realiza

la caracterización inicial morfológica de los agregados, estableciendo su distribución

granulométrica, absorción y densidad.

6.1.1 Propiedades físicas y distribución de tamaño de partícula

Se realizó la caracterización de cada uno de los parámetros anteriormente descritos

obteniendo los siguientes resultados.

Agregados gruesos

En la Tabla 6-1 y Tabla 6-2 se presentan los resultados de las gradaciones efectuadas

sobre las gravas de las fuentes La Calera, con tamaños máximos de ¾” y ½”

respectivamente.

La caracterización de la grava de ¾” permite evidenciar un comportamiento ideal en

términos de distribución de tamaño de partícula, pues se encuentra en la totalidad de los

tamaños de tamices dentro de los rangos límite sugeridos por la norma técnica colombiana

NTC 77. De esta forma, el material posee una cantidad adecuada de granos de tamaño

grandes y medios, lo que permite generar una gradación continua que facilite el diseño y

estabilidad de la mezcla de concreto.

Por otra parte, en términos de densidad, un valor de 2,56 g/cm3 refleja un comportamiento

normal en términos de volumen frente a su masa unitaria (Tobón & Sánchez, 2014). Por

otro lado, la absorción de tan solo 0,47% constituye un valor que no influenciará en gran

medida el comportamiento final de las mezclas de concreto.


Tabla 6-1: Granulometría, absorción y densidad grava de 3/4" origen la Calera

Tamiz (in) Tamiz (mm) Masa retenida (g) % Retenido % Retenido

acumulado % Pasa Mínimo Máximo

1-1/2" 37,5 0 0% 0% 100,0% 100% 100%

1" 25 0,00 0% 0% 100,0% 95% 100%

3/4" 19 616,68 9% 9% 91,0% 78% 95%

1/2" 12,5 3151,92 46% 55% 45,0% 25% 60%

3/8" 9,5 2466,72 36% 91% 9,0% 10% 40%

No 4 4,75 548,16 8% 99% 1,0% 0% 10%

No 8 2,36 2946,36 43% 98% 2,0% 0% 5%

No 16 1,18 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%

No 30 0,6 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%

No 50 0,3 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%

No 100 0,15 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%

No 200 0,075 123,34 2% 100% 0,2% 0% 0%

Fondo - 14,20 - - - - -

Total - 6852,00 - - - - -

Masa Inicial (g) 6861,00 Absorción (%) 0,47

Densidad Nominal (g/ cm³) 2,56

Por su parte, la grava de ½” seleccionada para mejorar el comportamiento de la mezcla de

concreto en términos de diseño de la mezcla (ensamble granulométrico), tiene una

densidad de 2,66 g/cm3 junto con una absorción de 1,61. Al igual que la grava de mayor

tamaño genera un comportamiento inocuo en términos de manejabilidad y desempeño y

favorece la coherencia de las partículas de la mezcla. Ambos materiales cumplen con los

criterios fijados por la norma NTC 77 y los valores recomendados para densidad y

absorción (Tobón & Sánchez, 2014).

En la Figura 6-1, se puede evidenciar el comportamiento continuo e ideal de cada material

grueso en términos de granulometría, lo cual favorece la realización del ensamble

granulométrico de las mezclas de concreto y no genera interferencia negativa en el

entendimiento del comportamiento de las arenas en el concreto.




Tabla 6-2: Granulometría, absorción y densidad grava de 1/2" origen la Calera



3/4" 19 0 0% 0% 100,0% 100% 100%

1/2" 12,5 1055,70 15% 15% 84,7% 90% 100%

3/8" 9,5 1721,55 25% 40% 59,8% 40% 70%

No 4 4,75 3322,35 48% 88% 11,6% 0% 15%

No 8 2,36 421,59 6% 95% 5,5% 0% 5%

No 16 1,18 26,91 0% 95% 5,1% 0% 0%

No 30 0,6 21,39 0% 95% 4,8% 0% 0%

No 50 0,3 8,28 0% 95% 4,7% 0% 0%

No 100 0,15 44,85 1% 96% 4,0% 0% 0%

No 200 0,075 20,01 0% 96% 3,7% 0% 0%

Fondo - 14,20 - - - - -

Total - 6900,00 - - - - -

Masa Inicial (g) 6910,00 Absorción (%) 1,61

Densidad Nominal (g/ cm³) 2,66




partícula. a. Grava de ¾ la Calera b. Grava de ½ la Calera.

a.

b.






partícula. a. Arena de Cogua b. Arena de Cordobita.

a.

b.

Agregados finos

La fuente de agregado de la región norte del país (Cordobita), posee una distribución de

tamaño de partícula relativamente gruesa (véase Tabla 6-3), cuyo comportamiento está

ligeramente por encima del valor máximo limite recomendado para este tipo de materiales;

su módulo de finura de 3,38 puede generar problemas desde el punto de vista de

segregación o apariencia, la densidad por su parte de 2,59 g/cm3 se encuentra de los

valores normales y una absorción de 1,80 implicará una absorción de agua libre menor, lo


cual no genera influencia alguna sobre el comportamiento del estado fresco de las

mezclas. Por lo anterior, el comportamiento nocivo de este tipo de arenas obedece a su

composición química, capacidad de absorción de aditivos y gradación relativamente

gruesa, lo que puede alterar propiedades como reducción de agua, aspecto, manejabilidad

e incluso el desarrollo de resistencia a compresión. Este comportamiento es contrastado

en la fase experimental y análisis de la reología y composición química y mineralógica del

material.

Tabla 6-3: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cordobita



3/8" 9,5 0 0% 0% 100,0% 100% 100%

No 4 4,75 76,80 4% 4% 96,0% 95% 100%

No 8 2,36 460,80 24% 28% 72,0% 80% 100%

No 16 1,18 460,80 24% 52% 48,0% 50% 85%

No 30 0,6 384,00 20% 72% 28,0% 25% 60%

No 50 0,3 268,80 14% 86% 14,0% 5% 30%

No 100 0,15 192,00 10% 96% 4,0% 0% 10%

No 200 0,075 76,80 4% 100% 0,0% 0% 3%

Fondo - 14,20 - Pasa Tamiz 200 2,63% - -

Total - 1920,00 - - - - -

Masa Inicial (g) 1923,00 Modulo de finura 3,38

Peso Picnómetro (g) 161,51 Peso Seco Material (g) 484,63

Peso Picnómetro+Agua (g) 660,82 Densidad Aparente(g/ cm³) 2,52

Peso Pic+Agua+Material (g) 958,26 Densidad Nominal (g/ cm³) 2,59

Peso SSS Material (g) 493,35 Absorción (%) 1,80

Por otro lado, como se observa en la Tabla 6-4 la segunda fuente seleccionada para el

estudio, es decir, la fuente de Cogua, posee una granulometría equilibrada en términos de

partículas finas y gruesas, lo que facilita ampliamente el comportamiento de la mezcla en

el diseño y genera baja tendencia a la segregación. Respecto a su módulo de finura, esta

arena presenta un valor de 2,67 el cual es acorde con el ideal promedio requerido por la

industria del concreto en un amplio espectro de diseños de mezcla. Frente a su absorción

de 2,53% , se espera que la absorción de agua se encuentre dentro de los parámetros

normales de mezclas de concreto. Por lo anteriormente mencionado, esta fuente de arena

no presenta anomalías en términos de gradación, absorción o densidad, lo que hace que




su afectación al estado fresco de las mezclas de concreto obedezca a aspectos

morfológicos internos o a la composición química activa del agregado.

Tabla 6-4: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cogua



3/8" 9,5 0 0% 0% 100,0% 100% 100%

No 4 4,75 64,41 4% 4% 96,5% 95% 100%

No 8 2,36 404,87 22% 26% 74,5% 80% 100%

No 16 1,18 257,64 14% 40% 60,5% 50% 85%

No 30 0,6 169,31 9% 49% 51,3% 25% 60%

No 50 0,3 283,41 15% 64% 35,9% 5% 30%

No 100 0,15 404,87 22% 86% 13,9% 0% 10%

No 200 0,075 189,55 10% 96% 3,6% 0% 3%

Fondo - 14,20 - Pasa Tamiz 200 3,68% - -

Total - 1840,30 - - - - -

Masa Inicial (g) 1843,00 Modulo de finura 2,67

Peso Picnómetro (g) 161,51 Peso Seco Material (g) 481,18

Peso Picnómetro+Agua (g) 660,82 Densidad Aparente(g/ cm³) 2,54

Peso Pic+Agua+Material (g) 960,02 Densidad Nominal (g/ cm³) 2,64

Peso SSS Material (g) 493,35 Absorción (%) 2,53

Los anteriores resultados, permiten ver que la mayor parte de los agregados poseen

condiciones normales de granulometría, densidad, absorción y módulo de finura,

exceptuando la fuente de Cordobita, la cual tiene una distribución de tamaño de partícula

ligeramente gruesa, lo cual puede reflejarse en segregación en algunas de las mezclas de

mortero realizadas en la fase del diseño de experimentos que se detallará en una sección

posterior de los resultados.

De esta forma, no se encuentra dentro de la caracterización física, ningún parámetro por

fuera de las condiciones normales de los agregados convencionales que son inocuos en

el comportamiento del concreto, por ello se realiza el análisis del comportamiento de

características adicionales de los agregados finos que puedan relacionarse con

afectaciones en el desempeño de las mezclas estudiadas.


6.1.2 Azul de metileno y equivalente de arena

Para determinar de manera indirecta otros posibles factores en los agregados finos, que

afecten el comportamiento físico y químico de las mezclas de concreto, se ha realizado la

medición del equivalente de arena y la absorción del azul de metileno de cada arena. Los

resultados han sido medidos por triplicado y se muestran a continuación.

Tabla 6-5: Valores experimentales de equivalente de arena para fuentes de Cordobita

y Cogua

Arena Cordobita Arena Cogua

Repetición 1 2 3 1 2 3

Lectura de

Arcilla (mm) 94 105 99

100 91 100

Lectura de

Arena (mm) 78 83 80

76 68 79

Equivalente de

Arena % 83,0 79,0 80,8

76,0 74,7 79,0

Promedio 80,9 76,6

Como se evidencia en la Tabla 6-5, la arena de cordobita presenta un valor de equivalente

de arena alto de 80,9, lo cual es un buen indicador en términos generales de la calidad del

agregado, al menos en términos del contenido de arena total de la fuente. Sin embargo,

con los resultados posteriores de caracterización se puede evidenciar más factores que

hacen a este agregado nocivo para el comportamiento del estado fresco del concreto. Por

su lado, la fuente de arena de Cogua presenta un valor de equivalente de arena de 76,6 ,

lo cual cumple con los requisitos exigidos por varias normas internacionales y locales

referente a los contenidos mínimos de equivalente arena en un agregado fino para la

elaboración de concreto hidráulico cuyo valor debe ser mayor a 70 (Nikolaides, A.,

Manthos, E., Sarafidou, 2007).

Respecto a la capacidad de absorción de azul de metileno de cada una de las fuentes de

agregado fino, se puede evidenciar que el comportamiento de ambas fuentes no es ideal

en términos de absorción, pues la arena de Cordobita y Cogua presentan valores de 6,67

y 5,0 respectivamente. Estos valores corresponden a un desempeño de agregado fino




pobre para el concreto en la escala sugerida por diversas normativas internacionales como

la especificación francesa NF XP P18-540, la ISSA TB 145 de estados unidos y las

especificaciones europeas como la EOAE (Nikolaides, A., Manthos, E., Sarafidou, 2007).

Tabla 6-6: Valores experimentales de absorción de azul de metileno para fuentes de

Cordobita y Cogua

Cordobita Cogua

Azul de Metileno (gotas) 8 6

W (g) 30 30

Concentración (mg/ml) 5 5

Volumen (ml) 40 30

VA (mg/g) 6,67 5,00

Como se evidencia en ambas fuentes de agregado, a pesar de que los valores de

equivalente de arena son altos y cumplen con el estándar de una arena de calidad

adecuada, sus valores de azul de metileno son relativamente altos. Lo anterior puede

generar efectos significativos sobre el comportamiento de los morteros en su estado fresco.

Por otro lado, el azul de metileno constituye una molécula aromática de cloruro de

metiltionina, la cual posee un grupo funcional aniónico que puede ser atraído de manera

selectiva por cierto tipo de arcillas o minerales en los agregados finos (NIST, 2021). En el

caso de las fuentes de agregado de Cordobita y Cogua puede haber afectación por su

composición química; sin embargo, existen muchos minerales arcillosos y nocivos que no

interactúan con este tipo de material debido a su tamaño de molécula. A diferencia de los

policarboxilatos convencionales presentes en los aditivos, el azul de metileno no puede

llegar a la totalidad de las arcillas y minerales silíceos potencialmente nocivos en el

comportamiento de las mezclas de concreto, por lo que esta medida constituye un

resultado parcial e indirecto que será complementado con un análisis químico, petrográfico

y de absorción química directa de cada uno de los agregados finos.


6.1.3 Análisis petrográfico de los agregados finos

Debido a que el foco del estudio de este documento es el uso de polímeros polieléctricos

como mitigadores de los efectos de las arenas de mala calidad en el concreto, se hace

indispensable la caracterización detallada de cada una de las fuentes seleccionadas.

Por lo anterior, se realizó un análisis de petrografía que permite conocer en detalle la

composición de cada uno de los tamices de las arenas Cordobita y Cogua.

Para cada tipo de arena se ha establecido como criterio de caracterización, la porosidad

del agregado por tamiz para relacionar este parámetro con la absorción de agua y

polímeros en la mezcla, la composición química en términos de minerales, la meteorización

y el grado de redondez y esfericidad de las partículas.

Para la caracterización mediante porosidad, se han empleado patrones ópticos

comparativos que permiten definir el rango de porosidad como muy baja, baja, media, alta

y muy alta dependiendo del resultado por cada tamiz representativo por tamaño de

partícula (Poole & Sims, 2016).

Arena Cordobita

Los tamices analizados para tener un espectro completo de información son los #8, #4,

#16, #30 y #50. Los resultados de la caracterización se muestran a continuación.

Tabla 6-7: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cordobita

Tamiz #4 #8 #16 #30 #50

Categoría Tipo % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio

<4% Muy baja 91,30% 1,6 42,90% 2,1 35,40% 2,1 66,70% 1,6 87,70% 1,8

4% a 8% Baja 6,70% 5,1 32,10% 5,6 33,90% 5,7 28,10% 5,7 9,30% 5,3

9% a 16% Media 2,00% 10 19,60% 11,7 18,90% 11,6 2,60% 11 2,50% 11,3

17% a 32% Alta 0,00% 0 5,40% 20,3 10,20% 22,3 2,60% 22,5 0,60% 20

>32% Muy alta 0,00% 0 0,00% 0 1,60% 47,5 0,00% 0 0,00% 0




Como se evidencia en la Tabla 6-7, todas las fracciones analizadas presentan valores de

porosidad muy bajos, pues más del 80% de las partículas evaluadas en cada fracción

presentan porosidades menores al 4% (correspondiente a la categoría muy baja). Por su

parte, algunos tamices intermedios como el #16, presentan un 10,2% de porosidad media.

Sin embargo, este valor es poco representativo para todo el espectro de partículas

analizadas. De esta manera, se puede determinar que no existe una influencia

representativa por parte de la morfología del agregado en términos de absorción para

generar efectos nocivos en términos de rápida absorción de aditivos o consumos excesivos

de agua en las mezclas de concreto. Este resultado es congruente con el valor obtenido

por la caracterización física, donde el valor de la absorción (determinación convencional),

arrojó un valor de 1,80% siendo una cifra baja en la escala de las arenas empleadas en el

concreto (Ara Jeknavorian & Koehler, 2010).

Para la determinación de la composición mineralógica y química de cada una de las

fracciones, se realizaron secciones delgadas con tinción y se obtienen los siguientes

resultados de evaluación mediante microscopía.

Figura 6-3: a. Sección delgada retenido en tamiz #8 b. Sección delgada retenidos en

tamices #16, #30 y # 50

a b


Como se muestra en el siguiente apartado, es posible identificar las asociaciones

mineralógicas características de cada roca y entre dichas asociaciones reconocer qué

componentes pueden ser nocivos para el concreto en términos de absorción de aditivos,

pérdida de manejabilidad o resistencia.

Figura 6-4: a. Fragmentos de tonalita meteorizada (I), roca en estado fresco con

cristales de plagioclasa, hornblenda b. tonalita meteorizada (II) con óxidos y cuarzos

microcristalinos. c. Dacita con tonalita con efectos de cloración. d. Metatonalita

a b c d

Tamiz #8

Para el la fracción retenida del tamiz #8, es posible identificar las características litológicas

del material. Para este caso, se presentan tonalitas en un 58% y estas tienen la misma

composición que las dacitas cuya asociación permite la identificación de plagioclasas

cálcicas, cuarzos y biotitas (véase

Figura 6-5). Estas últimas son estructuras de filosilicatos de hierro y aluminio

características del grupo de las micas que pueden ser altamente absorbentes frente

aditivos convencionales base policarboxilatos de éteres o sus derivados, pues son

altamente catiónicos.

Otros minerales de alteración identificados se relacionan con sericita que constituye una

mica de alteración a partir de plagioclasas y de alta actividad en presencia de compuestos

como el agua o aditivos por sus componentes iónicos de magnesio y hierro.




Figura 6-5: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X tonalita compuesta por plagioclasa

(Plg) b. Presencia de cuarzo QX, Plagioclasa Plg y Hornblenda. c. Biotitas deformadas d.

Biotitas y Plagioclasas

a b c d

La Granodiorita se identifica en un 15,2% teniendo una asociación muy similar a la tonalita

con presencia de cuarzos microcristalinos y minerales de feldespatos potásicos KAlSi3O8,

cuya composición química pertenece a los tectosilicatos o estructuras de silicato estables

que pueden presentar o no actividad frente a diferentes tipos de polímeros dependiendo

de su grado de actividad catiónica por los iones de K y Na.

El granito, la metatonalita y el monomineral se presentan en porcentajes de 2,7%, 2,7% y

20,5% respectivamente. Estos minerales se relacionan con Plagioclasas y feldespatos

potásico. Sin embargo, es importante resaltar la composición química de tamices más

pequeños para comprender de mejor manera el efecto de este tipo de minerales en el

concreto frente a aditivos convencionales y polímeros polieléctricos selectivos.

Tamiz # 16.

Al realizar el análisis experimental del retenido en el tamiz #16, se encuentra una fracción

de partículas donde el 47,2% corresponden a un mineral compuesto de cuarzo, biotita,

plagioclasa y feldespatos. El 37,8% de esta fracción de tamaño de partícula corresponde

principalmente a tonalita. De otro lado, se puede evidenciar que posiblemente durnte el

proceso de triturado de la arena, se generan fracturas entre diferentes tipos de minerales,

lo que genera que la presencia de otros minerales que abundan en mayor medida en los

tamaños más finos.


En la Tabla 6-8, es posible evidenciar la totalidad de la composición mineralógica de

cada una de las fracciones de tamaño de partícula analizadas mediante microscopía y

petrografía.


Cordobita

Tamiz #4 Tamiz #8 Tamiz #16 Tamiz #30 Tamiz #50

Tipo de roca Origen %

Tonalita ígneo 85,30% 58,00% 37,80% 20,30% 5,60%

Dacita ígneo 7,30% 0,90% 3,90% 5,20% 1,20%

Metatonalita Metamórfico 3,30%

Monomineral ígneo 2,70% 20,50% 47,20%

Granodiorita ígneo 0,70% 11,60% 9,40% 4,00%

Riolita ígneo 0,70%

Diorita ígneo 3,60%

Granito ígneo 2,70% 1,70%

Brecha Metamórfico 2,70%

Plagioclasa ígneo 32,00% 18,50%

Feldespato ígneo 9,80% 9,30%

Biotita ígneo 6,50% 16,70%

Cuarzo ígneo 16,30% 15,40%

Óxidos de hierro ígneo

6,20%

Hornblenda ígneo 5,90% 27,10%

En cuanto a la porosidad que presenta el material, se puede evidenciar que se tiene un

70% partículas que corresponden a niveles bajos y muy bajos. Esto es congruente con el

comportamiento del tamiz superior al #16.




Figura 6-6: . Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del rentenido en el

tamiz #16 con presencia de plagioclasas alteradas a siricita

Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S

En términos de morfología, se evidencia que la redondez de las partículas va de angular a

subredondeado y en esfericidad de subdiscoidal a subprismal. Este tipo de formas son las

más abundantes en este tamiz, lo que muestra que los porcentajes de partículas

redondeadas son menores y esto puede generar un factor clave en términos de la

coherencia entre partículas en el concreto y de pérdida anticipada de manejabilidad. Sin

embargo, como se evidencia en el análisis los factores químicos en términos de presencias

de biotitas, cuarzos ondulantes o sericitas pueden afectar en mayor medida el uso de

aditivos convencionales en el comportamiento del estado fresco del concreto.

Los datos de redondez para cada uno de los tamices y cada una de las fuentes de

agregado se presentan en el Anexo: Clasificación de formas de partículas por tamiz y

fuente de agregado.

Tamiz #30

En este tamiz, al igual que en las anteriores fracciones retenidas, abunda en gran medida

la plagioclasa con un 32% de la composición, y tonalitas en un 20,3%. Sin embargo, a

diferencia de los otros tamaños de partícula, el tamiz # 30 presenta componentes más


agresivos y activos en términos de minerales como lo son cuarzos ondulantes, alteraciones

de sericitas y hornblendas con halos de oxidación y cloritas, cuyo comportamiento es

altamente activo ante la presencia de policarboxilatos o aditivos convencionales.

Figura 6-7: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del tamiz #30 con

presencia de tonalitas, biotitas y minerales oxidados con adiciones de cloritas


Adicionalmente, en términos de redondez, se encuentran partículas angulares y

subredondeadas y en cuanto a esfericidad, se determina una alta presencia de partículas

entre sub discoidales y sub prismoidales. Este comportamiento es congruente con el resto

de los tamices y podría significar un reto técnico para el concreto en términos del diseño

de mezcla y de reología.

La porosidad predominante en la muestra es muy baja con un 66,7 % de las partículas

seguida por un comportamiento en escala baja. De manera adicional, el grado de

meteorización en la muestra es bajo y solo un 1,3% de la muestra está fuertemente

meteorizada, lo que genera alta estabilidad en los minerales presentes en este agregado

(véase Tabla 6-9).





agregado fino Cordobita

Tamiz

Grado de

meteorización #4 #8 #16 #30 #50

I 83,30% 56,30% 78,70% 93,40% 92,00%

II 16,00% 41,10% 18,90% 5,30% 8,00%

III 0,70% 2,70% 2,40% 1,30% 0,00%

Tamiz #50

En este tamaño de partícula del agregado de Cordobita, se encuentran minerales

compuestos por hornblenda, plagioclasas y biotitas en un 27,2%, 18,5% y 16,7%

respectivamente. Es importante resaltar, que, dentro de este tamiz, es posible identificar

con claridad hidróxidos de hierro los cuales se relacionan con minerales ferrosos presentes

en las alteraciones de la hornblenda. Lo anterior, también puede generar un

comportamiento indeseable por parte del agregado en términos de absorción de agua o

de policarboxilatos altamente activos.

En la Figura 6-8, se esquematizan los hallazgos en términos de los óxidos y partículas de

biotita que constituyen estructuras laminares que pueden ser activas por su composición

en cationes de Fe y Mn.


Figura 6-8: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 20X cuarzos (Qz) b. Presencia

Hornblenda (Hbl). c. Cristales individuales de Biotita (Bt) d. Partículas de Plagioclasa (Plg).

Muestra de arena Cordobita, tamiz #50.

a b c d


Figura 6-9: Microfotografía PPL. XPL aumento 20X partículas de hidróxido de hierro

(HxFe) resultado de minerales con alteración para arena Cordobita.


En términos de porosidad, se identifica un 87,7% muy baja, seguida de un 9,3% de baja.

Este resultado es consistente en todos los tamices, por lo que no se evidencia ninguna

influencia de esta propiedad en el comportamiento negativo de la reología del concreto que

emplee este tipo de arena (fuente Cordobita véase Tabla 6-7).




Minerales potencialmente nocivos dentro de la fuente de Cordobita

Dentro de los componentes y minerales encontrados en cada una de las fracciones de

tamices estudiadas mediante petrografía para la arena de Cordobita, se han encontrado

componentes correspondientes a cuarzos ondulantes en 8,9% con presencia de vidrio

volcánico y matrices de dacita. Los cuarzos ondulantes son capaces de absorber tintas,

por lo cual puede asociarse su comportamiento con alta actividad catiónica dentro de la

matriz del agregado (Universidad Autónoma de Madrid, 2021). Por otro lado, se tiene la

presencia de algunos tipos de micas como la biotita y la sericita, las cuales tienen

estructuras laminares comúnmente asociadas a comportamientos negativos en las

propiedades reológicas del concreto en el tiempo (Goven, 2001). A continuación, en la

Tabla 6-10, se muestra la composición de los principales minerales y materiales que

pueden generar un comportamiento adverso de la arena Cordobita frente a absorción de

agua, policarboxilatos o aditivos convencionales.


para Arena de Cordobita

#4 #8 #16 #30 #50 Promedio

Cuarzo

microcristalino 0,7 7,1 2,4 0 0 2,04

Vidrio volcánico 7,3 1,8 2,4 0 1,2 2,54

Cuarzos ondulantes 2 12,4 7,9 13,1 9,3 8,94

Micas

(Sericita+biotita) 96 74,3 40,2 19,6 22,2 50,46

Arena de Cogua

Al igual que en la fuente de agregado presentada anteriormente, se realizó un estudio

petrográfico completo para la arena de Cogua, en este caso se analizan las fracciones

retenidas en los tamices #4, #8, #16, #30 y #50 desde una perspectiva física y de una

perspectiva química y mineralógica. Los resultados en términos de porosidad se miden

empleando la misma referencia de patrones de la arena de Cordobita (Poole & Sims,

2016). A continuación, se muestran los resultados.


Tabla 6-11: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cogua

Tamiz #4 #8 #16 #30 #50

Categoría Tipo % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio

<4% Muy baja 38,70% 2,1 55,00% 1,8 74,50% 1,6 96,30% 1,4 100,00% 1,2

4% a 8% Baja 28,00% 5,5 29,50% 6 20,50% 5,3 3,10% 5,4 0,00% 0

9% a 16% Media 27,30% 12,1 7,80% 12,3 3,10% 11,8 0,60% 13 0,00% 0

17% a 32% Alta 6,00% 19,9 6,20% 18,8 1,90% 18,7 0,00% 0 0,00% 0

>32% Muy alta 0,00% 0 1,60% 43,5 0,00% 0 0,00% 0 0,00% 0

Como se evidencia en la Tabla 6-11, la mayoría de las partículas que componen el sistema

poseen una porosidad baja. Las partículas de tamaños un poco más grandes tienden a

tener porosidades bajas, como es el caso del tamiz #4 que posee un 28% de partículas en

la escala baja y 27,3% de porosidad media (siendo el único caso con más de un 8% de

porosidad media). Por su parte, mientras más pequeñas se comienzan a hacer las

partículas, las porosidades tienden a disminuir reduciendo el porcentaje de partículas de

porosidad media a 0,0 % como es el caso del tamiz #50 y los valores de porosidad muy

baja abundan en gran medida en el resto de los tamices evaluados, como es el caso de

los tamices #16, #30 y #50 con escalas muy bajas en un 74,5%, 96,3% y 100,0%

respectivamente.

El anterior comportamiento, permite demostrar que no existe un efecto negativo por parte

de la porosidad el agregado en términos de absorción de agua de la mezcla de concreto

en los poros del agregado, o un posible alto consumo de aditivos químicos, pues la

porosidad de las partículas es considerablemente muy baja. Por su parte, se puede

contrastar el resultado de la caracterización física en donde la absorción de este material

tuvo un resultado del 2,53% generando un valor típico para los agregados finos (Ara

Jeknavorian & Koehler, 2010) y que obedece principalmente a la porosidad media que

presentan los tamices más grandes de las partículas de arena evaluadas para la fuente de

Cogua.

El análisis químico y mineralógico de esta fuente se realiza mediante microscopía y

petrografía con ayuda de secciones delgadas tratadas mediante tinción como se muestra

a continuación.




Figura 6-10: a. Sección delgada retenida en tamiz #8 arena Cogua b. Sección delgada

retenida en tamices #16, #30 y # 50 arena Cogua

a b

Tamiz # 4

El análisis estereomicroscópico permite destacar la presencia de lodolitas y limolitas, rocas

que dependiendo de su tamaño y composición específica pueden alterar negativamente el

comportamiento del concreto dadas sus características de absorción e interacción química

con cierto tipo de aditivos (Gök & Kılınç, 2016). Por otro lado, se resalta la presencia de

cuarzoarenizca y chert (véase figura a continuación).

Figura 6-11: a. Fragmentos de cuarzoarenizca en arena Cogua b. Fragmento de Lodolita

c. Fragmento de Chert. d. Fragmento de Limolita

a b c d


En términos de composición química, se puede destacar la presencia de cuarzoarenizca

en un 32,7% seguido de un chert en un 24,0%. Por otro lado, se presentan minerales como

limolita silícea y arcillosa en un 14,0% y 9,3% respectivamente acompañados por

cuarzoarenizcas arcillosas en un 10,7%, estos minerales pueden incidir en el desempeño

en estado fresco del concreto. Sin embargo, el tamaño de agregado aún es relativamente

grande por lo que se hace necesario evaluar en detalle los tamices consecuentes con

tamaños de partículas más pequeños. La composición litológica de cada uno de los

tamices se muestra en la Tabla 6-12.


Cogua

Tamiz #4 Tamiz #8 Tamiz #16 Tamiz #30 Tamiz #50

Tipo de roca Origen %

Cuarzoarenisca Sedimentario 32,70% 14,00% 10,60% 14,20% 9,10%

Chert Sedimentario 24,00% 30,20% 46,00% 43,80% 22,80%

Limolita silícea Sedimentario 14,00% 7,80% 5,00% 4,30% 4,50%

Cuarzoarenisca

arcillosa Sedimentario 10,70% 6,20% 1,70% 0,60%

Limolita arcillosa Sedimentario 9,30% 9,30% 13,70% 16,70% 7,40%

Lodolita Sedimentario 8,00% 14,70% 14,90% 7,40% 10,80%

Lodolita oxidada Sedimentario 1,30% 10,90%

Lodolita micácea Sedimentario 6,20% 8,10% 7,40% 4,50%

Limolita calcárea Sedimentario 0,70%

Cuarzo ígneo 5,60% 40,90%

Tamiz #8

La composición litológica de este tamaño de partícula coincide en términos de análisis

macroscópico y microscópico. En este caso se identifica un 30,2% de Chert de grano muy

fino compuesto de sílice microcristalina y carbonatos en su matriz, algunas de las

partículas contienen materia organiza y presencia de fósiles (véase Figura 6-12).




Figura 6-12: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X con fragmentos de chert y

fósiles recristalizados en calcedonia. c. y d. Fragmentos de Chert con presencia de materia

orgánica representada con puntos negros.

a b c d


Por otra parte, se tiene una composición de lodolita, lodolita micácea y lodolita oxidada en

un 14,7%, 6,2% y 10,9% respectivamente. Estas rocas son de un tamaño de grano menor

(0,0039mm) y de tienen un tamaño de grano de arcilla significativamente similar. Las

lodolitas poseen una proporción de 2:3 de arcilla sobre limo, es decir su característica

predominante es una matriz arcillosa como se ve en la Figura 6-13. Adicionalmente, se

observan granos de cuarzo muy finos de tamaño limo y la lodolita micácea presenta

cristales de moscovita acompañados de lodolitas oxidadas de coloración rojiza. Este

aspecto se considera como altamente activo en términos de absorción de aditivos base

policarboxilato o altos consumos de agua que incluso pueden traer afectación sobre el

desempeño del concreto en el estado endurecido (Ngugi et al., 2014). Lo anterior, puede

afectar significativamente la eficiencia de dosis de aditivo en este tipo de concretos y de

pérdidas de manejabilidad anticipadas en el tiempo (Chen et al., 2018).


Figura 6-13: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Lodolitas con alta porosidad.

c. y d. Fragmentos de lodolitas micáceas (Mic).

a b c d

Figura 6-14: Fragmentos de lodolitas oxidadas (Ox).


Con respecto a la composición adicional de este tamiz, se han encontrado cuarzoareniscas

en 14,0% y cuarzoareniscas arcillosas en 6,2% cuya composición es de cementante silíceo

y una matriz que une granos de cuarzo con minerales arcillosos como se muestra en

Figura 6-15. Las limolitas de otra parte se encuentran en tipo arcilloso, silíceo y calcáreo

en 9,3%, 7,8% y 0,8% respectivamente. Estas son rocas sedimentarias principalmente de

grano limo y se diferencian entre sí por su composición arcillosa. La limoarcilla tiene un

porcentaje limo: arcilla de 3:1 y los granos son de cuarzo principalmente. La limolita silícea

se caracteriza por su cementante y sus granos de tipo silíceo; la calcárea se cementa en

granos de cuarzo.




Figura 6-15: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 10X cuarzoareniscas de grano medio.

b. Cuarzoareniscas de grano fino con matriz arcillosa.

a b


Finalmente, en términos de porosidad, se puede resaltar para este tamiz un porcentaje de

muy bajo de 55% y un contenido de porosidad bajo con 29,5%. La meteorización de estas

partículas es inalterada (véase Tabla 6-13) y en su mayoría se encuentran partículas de

forma subangular y redondeada. En general, el análisis mineralógico realizado sobre las

partículas de este tamiz, indica alta probabilidad de interacción química por parte de

matrices arcillosas hacia los aditivos químicos que puedan usarse en el concreto,

especialmente si se trata de policarboxilatos plastificantes convencionales.

Figura 6-16: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Limolita arcillosa con granos de

cuarzo embebidos en una matriz arcillosa. b. Limolita silícea compuesta por granos de

cuarzo y cemento silíceo.

a b



Figura 6-17: Microfotografía PPL. XPL aumento 10X limolita calcárea, los colores que

rodean los granos de cuarzo son carbonatos que componen la matriz de la roca.

Tamiz # 16

En este tamiz, se evidencia una alta cantidad de partículas de chert y lodolitas con

porcentajes de composición del 46,0% y 14,9% respectivamente, esto indica un tamaño

de roca menor promedio menor a 0,0039 mm y una granulometría muy fina. En esta parte

de la evaluación se evidencia una composición de sílice importante que puede ser

microsílice o sílice criptocristalina que puede atribuirse a comportamientos indeseables en

el estado fresco y endurecido por parte del concreto, debido a que estos minerales

interactúan activamente con el agua de los poros durante el tiempo de hidratación de la

mezcla.


agregado fino Cogua

Tamiz

Grado de

meteorización #4 #8 #16 #30 #50

I 87,30% 82,20% 89,40% 80,20% 84,10%

II 12,70% 17,10% 9,90% 19,80% 15,90%

III 0,00% 0,80% 0,60% 0,00% 0,00%





tamiz # 16.

En términos de morfología se encuentra que las partículas son angulares y redondeadas

con un porcentaje de 74,5% en la escala de muy baja respecto a su porosidad. Esto podría

representar una ventaja en términos de facilidad de colocación y ensamble granulométrico

a la hora de obtener las mezclas de concreto.

Tamiz # 30

De manera congruente con el tamiz #16, se evidencia presencia en la mayoría de las

partículas de Chert con un 43,8% seguido de una matriz de limolita arcillosa con un 16,7%,

eso genera de manera consistente la presencia de este tipo de materiales en los diferentes

tamaños de partícula analizados para esta fuente de agregado, lo cual puede reflejarse en

posibles aumentos de consumo de agua del concreto y pérdidas de manejabilidad

asociadas a la absorción de estos minerales frente a los polímeros en la mezcla de

concreto.


tamiz # 30.



En cuanto a la morfología de esta fracción, se encuentra redondez subangular y

redondeada y diferentes formas de esfericidad, la porosidad por su cuenta es de manera

consistente muy baja con un 96,3% y el grado de meteorización de la mayor parte de los

tamices como se evidencia en la Tabla 6-13 es de grado I, lo que indica un bajo grado de

alteración mineral y permite evidenciar que se trabaja con una fuente de agregado basado

en roca fresca.

Tamiz #50

En las partículas de menor tamaño que se han evaluado mediante petrografía, se

encuentran cuarzos tipo monomineral con 40,9% de la composición que pueden venir de

fragmentos de cuarzoareniscas de tamaño más grueso de tamices de mayor tamaño. Por

otro lado, el Chert sigue siendo un componente de gran importancia con un 22,7% y las

lodolitas de diferentes tipos como arcillosas micáceas y silíceas componen juntas un 16,4%

de esta zona evaluada.

En cuanto a los aspectos de forma encontrados en este tamiz, se destaca que la mayor

parte de las partículas posee esfericidad entre discoidal y subprismoidal, por otro lado,

existe un 100% de porosidad de tipo muy baja y gran porcentaje de partículas redondeadas

con un grado de meteorización muy bajo (84,1%).


tamiz # 50.





Minerales potencialmente nocivos dentro de la fuente de Cogua

Al igual que el análisis realizado para la fuente de Cordobita, en la arena de Cogua se han

identificado de manera continua, y en los diferentes tamices analizados, la presencia de

chert que puede generar problemas tanto en el estado fresco con el estado endurecido.

Este mineral, puede ser nocivo en la mezcla de concreto y alterar su comportamiento en

el estado fresco debido a que no solo es un grano muy fino compuesto de sílice que puede

variar de micro a criptocristalina, sino que además tiene materia orgánica en diversas

cantidades que puede tender a generar oxidación y compuestos altamente activos. Por

otro lado, la presencia en las diferentes fracciones analizadas de diferentes tipos de

minerales de arcilla puede generar problemas en el concreto ya que al tratarse de una roca

sedimentaria, donde predomina el material de granulometría fina, se espera que los

contendidos de arcilla sean elevados. Para comprobar este hecho, se realizó como

complemento de esta caracterización la fluorescencia de rayos X.


para Arena de Cogua

#4 #4 #8 #16 #30 #50 Promedio

Chert 0,7 24 30,2 46 43,8 22,7 27,9

Minerales arcillosos 7,3 29,3 47,3 38,5 32,1 22,7 33,98

6.1.4 Análisis químico

FRX de los agregados finos

Con el fin de comprender la composición de los agregados finos en términos cuantitativos

y directos, se ha empleado la técnica de caracterización de fluorescencia de rayos X. Los

óxidos identificados para cada una de las fuentes problema de agregado se muestran en

la Tabla 6-15.


Tabla 6-15: Fluorescencia de rayos X para arena Cordobita y Cogua

Óxidos Cordobita Cogua

LE 3,56 3,32

MgO 5,09 0,01

Al2O3 12,56 6,97

SiO2 67,23 85,07

SO3 0,12 2,77

K2O 1,01 0,40

CaO 3,60 0,01

TiO2 0,67 0,23

MnO 0,10 0,01

Fe2O3 5,92 1,17

La caracterización química de la fuente Cordobita, permite identificar óxidos de magnesio

en 5,09% usualmente relacionados con la presencia de sericita, los cuales son minerales

micáceos similares a la moscovita. Este hecho fue contrastado en los hallazgos de la

petrografía y pueden ser los responsables de efectos negativos en el concreto en términos

de sus propiedades en el estado fresco (Madero et al., 2014). Por otra parte, en los

elementos livianos es posible identificar un porcentaje 3,56% relacionados con la presencia

de cuarzos microcristalinos y ondulantes de alta finura.

De manera adicional, cabe destacar la presencia de óxidos de aluminio Al2O3 en un 12,56%

los cuales confirman la presencia de hornblenda, aluminosilicatos y cloritas altamente

activas en términos iónicos, pudiendo afectar la eficiencia de dosificación de aditivos en

concretos que empleen estos materiales (MacÍas-Quiroga, Giraldo-Gómez, & Sanabria-

González, 2018). Por su parte, se destaca la presencia de biotitas que constituyen

filosilicatos con altos contenidos de finos al observar una alta presencia de Fe2O3 y

finalmente, los álcalis y el CaO muestran la presencia de dacitas y tonalitas en la muestra

de arena de Cordobita. La comparación en términos de composición de cada una de las

arenas se esquematiza de manera comparativa en la Figura 6-21.




Figura 6-21: FRX muestra de arena Cordobita y Cogua

Por su parte, la muestra de arena de Cogua muestra un elevado contenido de óxido de

sílice en comparación con la muestra de Cordobita, esto se debe a la alta presencia de

Chert y arcillolitas silíceas, que pueden tener alta finura y afectar el desempeño de los

aditivos. Sin embargo, los componentes que más destacan en las afecciones químicas

dentro de la matriz de la arena hacia altos consumos de agua, pérdidas de manejabilidad

y baja eficiencia de dosis de aditivos son las limolitas arcillosas y las micas presentes en

forma de óxidos de azufre (Ochieng, 2016) y las arcillas y materiales oxidados de arcilla

resaltados en las formas de Fe2O3 identificadas en la muestra. Cabe resaltar, que parte de

las arcillas identificadas mediante petrografía pueden estar inmersas en el contenido total

de SiO2 determinado por FRX, pero esta técnica por sí sola no permite identificar

específicamente el aporte de las arcillas al valor de 85,07% mostrado en la Tabla 6-15.

TOC por tipo de arena

Tras la realización del tratamiento químico y la ejecución del ensayo para determinación

del carbono orgánico total absorbido por cada una de las muestras, se tienen los resultados

mostrados en la Tabla 6-16.

Tabla 6-16: Resultados evaluación de absorción por TOC

Fuente (%) TOC

Arena Cordobita 78,50%

Arena Cogua 66,20%


Como se muestra en los resultados anteriores, existe una mayor capacidad de absorción

de polímeros convencionales por parte de la fuente de Cordobita respecto a la fuente de

Cogua. Esto hace que esta fuente de agregado sea más nociva en términos de dosificación

de polímeros y de consumos de agua iniciales. Sin embargo, los resultados de afectación

a la trabajabilidad se analizan en la sección próxima de la reología de las mezclas.

Los anteriores valores permiten relacionar la capacidad de atracción de los minerales de

cada una de las fuentes hacia los polímeros que se emplean normalmente en las mezclas

de concreto para fluidificar y mantener el asentamiento o flujo de concreto en el tiempo,

siendo mucho más probable la pérdida de manejabilidad por parte de la fuente de

Cordobita que la de Cogua.

6.2 Obtención de diseños de mezcla de concreto y

mortero

6.2.1 Ensamble granulométrico y modelamiento gráfico por

método de Shilstone

Con la realización de la caracterización física de los agregados en términos de

granulometría, densidad y absorción (véase Tabla 6-3 y Tabla 6-4), es posible emplear el

modelo del factor de manejabilidad sugerido por Shilstone (Rudy & Olek, 2012) descrito en

la metodología de la investigación (numeral 5.3.1), y de esta manera realizar un proceso

iterativo hasta obtener un concreto dentro de una región correctamente gradada para el

tamaño nominal máximo empleado en la experimentación ( grava de ¾”). De esta manera,

al reemplazar los valores en el modelo, se obtiene una combinación de agregados gruesos

y finos en una relación de 42%:58% arena: grava. El contenido de cemento es constante

para todo el diseño de experimentos planteado (400 Kg/m3 de mezcla de concreto) y una

relación agua cementante de 0,4875. Estos valores se han seleccionado con el fin de

modelar un concreto hidráulico bombeable con un alto desarrollo de resistencia a

compresión a edades iniciales y finales.




Los resultados del ensamble obtenido para la arena de Cogua se muestran en la Figura

6-22

Figura 6-22: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cogua con método

gráfico de Shilstone.

El punto indicado en la figura anterior permite observar que el diseño generado encaja

dentro de la una región correctamente gradada; esto con el fin de obtener una reología

estable en términos de flujo inicial y evitar efectos de segregación que puedan distorsionar

el efecto de interacción entre los minerales de las arenas y los polímeros convencionales

y polieléctricos.

Los resultados para los diseños de mezcla de concreto con la arena de Cogua bajo el

anterior modelo se muestran en la Tabla 6-17. Como se evidencia el contenido de agua

con relación al cementante total es constante y la única variable que se considera para

aplicar el modelo DOE fraccional rotacional es la cantidad de arena de la mezcla y la

(19 mm)

(19 mm)


dosificación del aditivo base polímero polieléctrico. Lo anterior, debido a que se busca

evitar distorsionar el desempeño reológico de la mezcla por factores distintos a los

minerales en las arenas y los aditivos químicos.

Tabla 6-17: Características de diseños de mezcla de concreto para arena Cogua

Material

Arena en diseño

(Kg) 23,06%

(51,67%)

Arena en diseño

(Kg) 25,34%

(53,86%)

Arena en diseño

(Kg) 30,86%

(58,82%)

Arena en diseño

(Kg) 36,37%

(63,37%)

Arena en diseño

(Kg) 38,65%

(65,16%)

Cemento tipo ART 400 400 400 400 400

H2O 195 195 195 195 195

Arena Cogua 478 541,44 711,75 911,56 1005

Grava 3/4" 570 570 570 570 570

Grava 1/2" 430 430 430 430 430

Total diseño de concreto 2073 2136,44 2306,75 2506,56 2600

%Cemento 19,30% 18,72% 17,34% 15,96% 15,38%

Relación (AF/MT) 23,06% 25,34% 30,86% 36,37% 38,65%

Relación (A/MC) 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875

Diseño en mortero equivalente Cemento Agua Arena Cogua Agua lib por abs Relación A/MC

23,06% 598,95 316,70 978,85 -24,72 0,4875

25,34% 574,33 305,93 1027,46 -25,94 0,4875

30,86% 517,25 280,95 1140,15 -28,79 0,4875

36,37% 463,24 257,31 1246,79 -31,48 0,4875

38,65% 441,67 247,87 1289,37 -32,56 0,4875

Teniendo en cuenta que la granulometría de la fuente de arena de Cordobita es

significativamente similar a la de la fuente de Cogua, al aplicar el modelo gráfico de diseño

de mezclas de Shilstone, se puede identificar que las cantidades del concreto pueden

permanecer constantes sin afectar la reología esperada de la mezcla. Este hecho es

altamente favorable para el análisis del DOE, pues se pueden relacionar más fácilmente

los efectos generados por cada fuente de agregad y cada tipo de polímero. Los resultados

gráficos del cálculo se muestran en la Figura 6-23 junto con los valores numéricos para

cada mezcla de concreto.




Figura 6-23: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cordobita con

método gráfico de Shilstone.

Tabla 6-18: Características de diseños de mezcla de concreto para arena Cordobita

Material

Arena en diseño

(Kg) 23,06%

(59,24%)

Arena en diseño

(Kg) 25,34%

(60,82%)

Arena en diseño

(Kg) 30,86%

(64,5%)

Arena en diseño

(Kg) 36,37%

(67,99%)

Arena en diseño

(Kg) 38,65%

(69,38%)

Cemento tipo ART 400 400 400 400 400

H2O 195 195 195 195 195

Arena Cordobita 478 541,44 711,75 911,56 1005

Grava 3/4" 570 570 570 570 570

Grava 1/2" 430 430 430 430 430

Total diseño 2073 2136,44 2306,75 2506,56 2600

Cemento (%) 19,30% 18,72% 17,34% 15,96% 15,38%

Relación (AF/MT) 23,06% 25,34% 30,86% 36,37% 38,65%

Relación (A/MC) 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875

Diseño equivalente

en mortero Cemento Agua Arena Cordobita Agua lib por abs Relación A/MC

23,06% 527,36 278,16 1170,66 -21,07 0,4875

25,34% 505,59 268,10 1201,10 -21,62 0,4875

30,86% 455,15 244,78 1271,64 -22,89 0,4875

36,37% 407,46 222,73 1338,33 -24,09 0,4875

38,65% 388,43 213,93 1364,95 -24,57 0,4875

(19 mm)

(19 mm)


6.2.2 Modelamiento de morteros equivalentes

Para poder modelar adecuadamente las cantidades obtenidas en el diseño de concreto,

se ha implementado la metodología de cálculo del mortero equivalente, en este se realiza

el cálculo de área superficial total en términos de agregados gruesos y finos y se reemplaza

en su totalidad por la arena necesaria para suplir esta misma área.

Dado que el volumen total disminuye por cada m3 de concreto, se hace necesario aplicar

el factor de corrección a la mezcla como se ha explicado en la metodología de la

investigación y se obtienen las cantidades de cada material del mortero para cada diseño

de concreto. En este caso, se obtienen 5 diferentes morteros que modelan cada diseño de

mezcla propuesto anteriormente. Los resultados del cálculo del área superficial y la

determinación de la cantidad de los componentes para cada tipo de arena se muestran a

continuación.

Tabla 6-19: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cogua

Material

Cantidad

en el

diseño

(Kg)

Densidad

(g/l) Absorción del

material (%)

Volumen

total

(m3)

Área de

material

equivalente

(cm2)

Diseño de mortero equivalente

Cemento tipo ART 400 3,00 0,133 Cemento tipo ART (g) 441,67

H2O 195 1,00 0,195 H2O (g) 247,87

Arena Cogua 1005 2,61 2,53% 0,386 79678790,20 Arena Cogua (g) 1289,37

Grava 3/4" 570 2,56 0,47% 0,223 3844467,36 H2O lib arena1 (g) -32,56

Grava 1/2" 430 2,66 1,61% 0,162 11395148,54 Relación (A/MC) 0,488

Total masa (Kg) 2600 1,098 94918406,09 Volumen de la mezcla (ml)

869,60

Relación (AG/AT) 0,499 Relación (A/MC) 0,488

Tabla 6-20: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cordobita

Material Cantidad

en el diseño

(Kg)

Densidad

(g/l) Absorción del

material (%)

Volumen

total (m3)

Área de

material

equivalente

(cm2)

Diseño de mortero equivalente

Cemento tipo ART 400 3,00 0,133 Cemento tipo ART (g) 388,43

H2O 195 1,00 0,195 H2O (g) 213,93

Arena Cordobita 1005 2,59 1,80% 0,388 35959940,30 Arena Cordobita (g) 1364,95

Grava 3/4" 570 2,56 0,47% 0,223 3844467,36 H2O lib arena1 (g) -24,57

Grava 1/2" 430 2,66 1,61% 0,162 11395148,54 Relación (A/MC) 0,488

Total masa (Kg) 2600 1,101 51199556,19 Volumen de la mezcla (ml)

855,33

Relación (AG/AT) 0,499 Relación (A/MC) 0,488




Como se evidencia en la Tabla 6-19 y la Tabla 6-20, el modelo considera un cálculo de

mortero equivalente para cada cantidad de arena en el concreto. En el caso anterior, se

modelan los concretos con mayor cantidad de arena, es decir, 1005 Kg de arena por m3

de concreto. Con las variaciones obtenidas del DOE (Design Of Experiments) fraccional

rotacional se tienen concretos con un contenido de arena que va desde el 23,06% hasta

el 38,65% del total de materiales en la mezcla, valores que son normales en diferentes

tipos de mezcla de concreto usados en la industria (Gutierrez, 2003). Para cada uno de

estos diseños el contenido de cemento cambia, disminuyendo en la medida que aumenta

la arena para mantener el volumen del m3 de concreto. De esta manera se tienen mezclas

con mucha cantidad de arena y poca pasta y mezclas menos difíciles desde el punto de

vista reológico, pues hay mucha pasta de cemento (aglutinante) y poca cantidad de arena

con minerales nocivos (véase Tabla 6-17 y Tabla 6-18).

6.3 Análisis del estado fresco y endurecido

Para el análisis del comportamiento y desempeño de los polímeros polieléctricos en

presencia de las arenas con arcillas y minerales nocivos que se han caracterizado con

anterioridad (fuentes de Cogua y Cordobita), se emplearon técnicas de caracterización de

la reología de mezclas de morteros equivalentes de manera directa e indirecta y se

elaboraron especímenes en cubos de 5mm X 5mm de acuerdo con la ASTM C 109 con el

fin de caracterizar el estado endurecido, acompañado de la caracterización de la cinética

de hidratación en diferentes condiciones. Los resultados de este plan experimental se

muestran a continuación.

6.3.1 Análisis de reología indirecta

Los parámetros evaluados en términos de reología indirecta son el flujo libre y la retención

de flujo en el tiempo a 90 minutos. El flujo libre, constituye una característica que se

relaciona con la capacidad de reducción de agua del aditivo y por ende permite en la

práctica la reducción de cementante de la mezcla, mejorando los costos de producción del

concreto y la retención de flujo en el tiempo; constituye el factor clave que permite

transportar y colocar el concreto adecuadamente en proyectos de construcción. Los

parámetros anteriormente mencionados fueron caracterizados para ambos tipos de arena


y para cada polímero: un policarboxilato convencional y dos polímeros polieléctricos. El

número de ensayos se determinó mediante la aplicación del DOE factorial rotacional con

2 variables: una, la dosis del aditivo y la otra, la cantidad de arena dentro del diseño de

concreto y a su vez el diseño de mortero equivalente.

La Tabla 6-21, muestra los resultados experimentales para el aditivo base policarboxilato

EXP 3457 con el uso de la arena Cordobita. Como se evidencia, para 2 variables se

requiere un total de 11 ensayos que permiten modelar la totalidad del comportamiento de

las variables dentro de los rangos seleccionados para la cantidad de arena en la mezcla y

la dosis del polímero.


experimental 3457 y arena de Cordobita

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el concreto

% aditivo polímérico

Flujo inicial (mm)

30 min

60 min

90 min

% Retención

de flujo

1 1- 1- 25,34% 0,39% 222 184 154 140 62,84%

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 240 135 105 100 41,67%

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 171 133 119 110 64,29%

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 201 153 124 111 55,33%

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 221 167 154 138 62,21%

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 230 179 155 136 59,11%

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 215 140 110 100 46,51%

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 165 121 112 106 64,20%

9 o o 30,86% 0,50% 227 184 168 149 65,47%

10 o o 30,86% 0,50% 224 180 154 139 61,82%

11 o o 30,86% 0,50% 227 185 167 151 66,37%

La dosis de los polímeros en forma de aditivos se ha variado entre 0,35% y 0,65%, pues

son valores usados ampliamente en la industria del concreto para diferentes tipos de

diseño de mezcla. Adicionalmente, estas dosis fueron determinadas posteriores a la

realización de varios ensayos de calibración que permitieran obtener mezclas estables, es

decir, sin segregación o exudación y también una condición fluida que permita medir la

reología indirecta y la directa mediante el viscosímetro.




Los resultados de los aditivos experimentales 1931-1 y 1831-5 en las diferentes

combinaciones de dosis y cantidad de arena de la fuente de Cordobita, se muestran a

continuación.

Tabla 6-22: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero polieléctrico

experimental 1931-1 y arena de Cordobita

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo



Flujo inicial (mm)

30 min

60 min

90 min

% Retención

de flujo

1 1- 1- 25,34% 0,39% 239 222 183 156 65,33%

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 230 240 105 99 43,04%

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 176 166 131 122 69,55%

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 219 196 168 144 65,73%

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 194 182 160 145 74,51%

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 219 249 205 156 71,30%

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 220 250 150 115 52,27%

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 154 134 112 107 69,73%

9 o o 30,86% 0,50% 219 249 201 199 90,87%

10 o o 30,86% 0,50% 209 210 175 148 70,78%

11 o o 30,86% 0,50% 219 249 202 201 91,80%


experimental 1831-5 y arena de Cordobita

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo



Flujo inicial (mm)

30 min

60 min

90 min

% Retención

de flujo

1 1- 1- 25,34% 0,39% 217 195 172 159 73,24%

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 195 155 120 110 56,41%

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 210 179 149 135 64,08%

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 230 210 180 143 62,22%

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 223 208 173 162 72,60%

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 232 207 196 170 73,57%

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 205 160 135 112 54,63%

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 159 128 115 115 72,44%

9 o o 30,86% 0,50% 249 245 215 197 79,10%

10 o o 30,86% 0,50% 236 221 200 179 75,76%

11 o o 30,86% 0,50% 249 246 213 199 79,92%


Para el caso de los resultados empleando la fuente de arena de Cogua, se tienen los

siguientes valores.


experimental 3457 y arena de Cogua.

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo



Flujo inicial (mm)

30 Min

60Min 90

Min

% Retención

de flujo

1 1- 1- 25,34% 0,39% 235 200 155 140 59,57%

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 300 255 215 190 63,33%

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 230 207 182 117 51,10%

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 205 125 110 85 41,46%

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 160 120 100 70 43,75%

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 290 195 150 115 39,66%

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 300 260 215 170 56,67%

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 221 189 161 133 60,09%

9 o o 30,86% 0,50% 205 160 140 95 46,34%

10 o o 30,86% 0,50% 200 155 115 100 50,00%

11 o o 30,86% 0,50% 200 155 140 100 50,00%


experimental 1931-1 y arena de Cogua.

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo



Flujo inicial (mm)

30 Min

60Min 90

Min

% Retención

de flujo

1 1- 1- 25,34% 0,39% 290 275 245 180 62,07%

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 285 280 280 275 96,49%

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 232 225 209 186 80,18%

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 235 215 185 145 61,70%

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 240 200 130 95 39,58%

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 280 255 260 250 89,29%

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 300 300 290 280 93,33%

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 240 209 189 163 68,09%

9 o o 30,86% 0,50% 245 240 205 155 63,27%

10 o o 30,86% 0,50% 265 269 200 154 58,11%

11 o o 30,86% 0,50% 255 250 210 160 62,75%





experimental 1831-5 y arena de Cogua.

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo



Flujo inicial (mm)

30 Min

60Min 90

Min

% Retención

de flujo

1 1- 1- 25,34% 0,39% 175 135 125 110 62,86%

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 195 145 135 115 58,97%

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 212 211 195 179 84,43%

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 190 165 141 133 70,00%

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 120 95 80 70 58,33%

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 160 105 90 80 50,00%

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 205 150 135 130 63,41%

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 207 192 182 164 79,23%

9 o o 30,86% 0,50% 140 110 95 75 53,57%

10 o o 30,86% 0,50% 130 100 90 70 53,85%

11 o o 30,86% 0,50% 150 110 100 80 53,33%

Para el análisis de los resultados experimentales se ha empleado el software estadístico

Minitab 19. En este, se han ingresado los datos y se ha realizado el modelamiento

mediante la regresión de parámetros de superficie de respuesta. Para ello, se deben

ingresar los datos con las variables de entrada y las variables de respuesta. Para este

caso, las variables de respuesta son el flujo inicial y el porcentaje de retención de flujo.

Figura 6-24: Modelamiento estadístico de superficies de respuesta en Minitab 19


Como se evidencia en la Figura 6-24, para modelar adecuadamente las variables de

respuesta, se ha seleccionado un modelo de ecuación de regresión con alto grado de

interacción entre variables. Para el caso ilustrado anteriormente, se tiene una alta

interacción entre las variables % de arena en el concreto y % de aditivo polimérico. De esta

manera, es posible seleccionar el modelo que simula de mejor manera los datos,

obteniendo el valor de R2 más alto posible, para el ejemplo ilustrado anteriormente, se

tiene un R2 de 82,48% el cual es altamente significativo en términos de predicción del

comportamiento de las variables de respuesta en el rango de las variables de entrada.

Figura 6-25: Modelamiento de efectos estandarizados entre variables para selección del

modelo estadístico

La modelación de las superficies de respuesta y de las gráficas de contorno para todas las

variables de respuesta, requieren un análisis de interacción entre variables para determinar

la mejor ecuación predictiva del comportamiento de cada aditivo frente a cada tipo de arena

(Del Vecchio, 2007). En la Figura 6-25 se evidencia una alta interacción cuadrática entre

el porcentaje de la arena del concreto y el porcentaje de aditivo polimérico en la mezcla, la

modelación obtenida bajo estos parámetros permite la construcción de las siguientes

gráficas de superficie.




Arena de Cordobita


frente a arena Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero polieléctrico

EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.

a

b

c

Como se evidencia en la figura anterior, es posible visualizar el efecto generado al emplear

cada una de las moléculas frente a la fuente de agregado de Cordoita. En la Figura 6-26a,

es posible observar que con el aditivo base policarboxilato EXP 3457 se generan valores

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

931-1

EX

P 1

831-5


de fluidez medianamente altos para escenarios donde la cantidad de arena varía de baja

a media. Es decir, desde el 30 al 32.5% de arena en el concreto, es posible obtener una

fluidez aceptable y elevada de 210 a 225 mm, mientras que, con valores de arena

superiores a dicho porcentaje, pese a que se incrementa el aditivo, la fluidez no logra

superar los 150 o 165 mm. Esto es un indicador importante, pues la capacidad de

reducción de agua del aditivo base policarboxilato convencional se ve altamente limitada

al contenido de arena con presencia de arcillas en la mezcla.

Por su parte, la Figura 6-26b muestra una capacidad de reducción de agua mucho más

alta por parte del aditivo base polímero polieléctrico EXP 1931-1 respecto al EXP 3457,

pues es posible obtener en la mayor parte del espectro evaluado valores de fluidez que

van de 200 mm a casi 250 mm, esto representa un aumento del 67% de la capacidad de

la reducción de agua del polímero polieléctrico frente a la tecnología de policarboxilatos

convencionales. Adicionalmente, en términos de tolerancia a la cantidad de arena de mala

calidad, es posible evidenciar un desempeño superior por parte de este polímero incluso

en alto contenidos de arena, donde en valores cercanos al 40% se pueden obtener altas

reducciones de agua incrementando la dos del aditivo a 0,5%.

Finalmente, la Figura 6-26c muestra un desplazamiento de la tendencia del aditivo EXP

1831-5 en donde su capacidad de reducción se hace máxima en valore intermedio de dosis

de aditivo y de cantidad de arena en la mezcla de concreto. Como se observa en la

superficie de respuesta, los valores superiores de fluidez a 240 mm son obtenidos con

contenidos medios de arena de mala calidad de Cordobita (30%) y dosis de aditivo de

0,5%, esto se debe a que a diferencia del aditivo EXP 1931-1, el polímero EXP 1831-5 no

bloquea completamente los minerales del agregado, sino que permanece en suspensión,

hecho que afecta ligeramente el consumo inicial del agua en valores de baja dosis de

aditivo o de alto contenido de arena. Sin embargo, este polímero también es superior en

términos de reducción de agua y robustez frente al policarboxilato evaluado EXP 3457.




Arena de Cogua


frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero polieléctrico


a

b

c

En el caso de la arena de Cogua, es posible evidenciar cómo el policarboxilato

convencional EXP 3457 genera altos valores de reducción de agua con 320 mm o más de

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5


flujo inicial, en condiciones donde la cantidad de arena es mínima y la cantidad de aditivo

es máxima. Es decir, para un valor de 22% de arena en el concreto y 0,65% de aditivo. Sin

embargo, al aumenta la cantidad de arena el flujo de salida decrece y se requiere de dosis

máximas de aditivo (0,65%) para alcanzar una fluidez de 240 a 260 mm, lo cual demuestra

que la capacidad de reducción de agua del policarboxilato se ve afectada por la alta

absorción de los minerales de la arena hacia el agua de la mezcla y el policarboxilato

mismo (véase Figura 6-27a).

El aditivo base polímero polieléctrico de base mixta, es decir el EXP 1931-1, presenta un

comportamiento mucho más estable en todas las condiciones de prueba. Es decir, a

valores de bajo y medio contenido de arena es capaz de reducir agua y generar flujos altos

que van desde 240 mm a 300 mm. Adicionalmente, en los valores más altos de contenido

de arena de Cogua en las mezclas de mortero equivalente, se obtienen flujos de cerca de

240 mm lo cual es un excelente indicador en términos de tolerancia del polímero a la

presencia de las arcillas en esta fuente de agregado fino. Este efecto generado por el

polímero de tipo mixto se debe a que parte de sus cadenas son capaces de mitigar y

reaccionar de manera inmediata con las arcillas y otra parte de las cadenas de la misma

molécula continúan con su generación de efecto dispersante en la mezcla, este efecto

combinado es capaz de generar un excelente desempeño de reducción de agua en

escenarios donde existe poca o mucha arena de Cogua con altos contenidos de arcillas y

limolitas arcillosas (véase desempeño del polímero en la Figura 6-27b).

Por otro lado, el polímero polieléctrico EXP 1831-5 presenta un excelente desempeño en

condiciones donde la arena de Cogua se encuentra en proporciones bajas y proporciones

muy altas. De este modo y como se demuestra en la gráfica de superficie y contorno de la

Figura 6-27c , la capacidad de reducción de agua del polímero se maximiza cuando el

contenido de arena es muy alto ya que con valores de arena de más del 40% se pueden

generar flujos iniciales de más de 250 mm. De otra parte, es importante resaltar que en los

valores medios de arena con alto contenido de chert y arcillas, el polímero reduce agua en

menor medida que los demás aditivos. Su condición en puntos medios puede generar una

disminución en el flujo inicial de hasta 33,34% en comparación a los policarboxilatos

convencionales. Sin embargo, este efecto es mitigado al incrementar la dosis del polímero

EXP 1831-5 a valores de 0,55%. Por lo anterior, los polímeros polieléctricos siguen

teniendo más robustez ante el contenido de minerales nocivos en las arenas como es el




caso de Cordobita y Cogua, pues en las condiciones más extremas de contenido de arena

de mala calidad en la mezcla, los polímeros son capaces de mitigar el efecto negativo de

absorción de agua de las arenas con bajas dosis de aditivo.

Retención de flujo arena Cordobita

La retención del flujo en el tiempo por parte de un aditivo es un factor clave dentro de las

propiedades del transporte del concreto, pues esto viabiliza económicamente el uso de

ciertos tipos de arena de mala calidad (Liu et al., 2017). Por lo anterior, al analizar la Figura

6-28, es posible identificar diferencias marcadas entre el desempeño generado por el

policarboxilato convencional EXP 3457 y los dos polímeros polieléctricos EXP 1931-1 y

EXP 1831-5, donde el primero de ellos es capaz de generar su mejor desempeño en

condiciones donde la arena de Cordobita se encuentra en un contenido entre el 30,0% y

el 34,0% con dosis de aditivo relativamente bajas. Sin embargo, hay que resaltar que el

desempeño de este policarboxilato es inferior al obtenido por los polímeros polieléctricos,

pues la retención de flujo máxima llega a valores del 65%, mientras que los experimentales

1931-1 y 1831-5 pueden generar retenciones de flujo del 80% y 75% respectivamente.

Adicionalmente, como se puede ver en las Figura 6-28a, Figura 6-28b y Figura 6-28c,

la región de color verde sobre las gráficas de contorno es mucho más amplia para los

polímeros polieléctricos que para el policarboxilato convencional. Esto muestra que la

capacidad de retener el flujo de los polímeros polieléctricos es mayor comparado con el

EXP 3457.

Finalmente, se puede evidenciar que con la arena de Cordobita, el mejor resultado de

retención de flujo se presenta en cantidades medias de arena y aditivos

independientemente de la referencia. Esta tendencia obedece a fenómenos que se

relacionan con el diseño de concreto modelado, pues los valores intermedios de arena y

aditivo mitigan efectos de segregación que pueden ser altamente afectados por la

interacción entre el agregado y el aditivo químico.



frente a arena de Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero

polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.

a

b

c

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5




Retención de flujo arena Cogua

En el caso de la tendencia de la arena de Cogua, se observa un comportamiento

dependiente del tipo de polímero. En la Figura 6-29a, se evidencia que el policarboxilato

experimental 3457 presenta una retención de flujo cercana al 60% en la región de bajo

contenido de arena con alta cantidad de dosis. Sin embargo, se puede notar que el

policarboxilato no es capaz por sí mismo de retener asentamiento o flujo en el tiempo en

las regiones donde la arena va de 27,5% a 35,0%. Este hecho muestra un alto grado de

absorción por parte de la arena hacia el polímero, de modo que las cadenas laterales son

atrapadas por las arcillas y limolitas arcillosas causando una pérdida de manejabilidad

acelerada en la mayor parte de las regiones evaluadas y modeladas.

Por otro lado, en la Figura 6-29b, se observa que la tendencia del polímero polieléctrico

EXP 1931-1 genera porcentajes de retención de flujo que llegan a cerca del 100% siendo

este un resultado altamente satisfactorio en las aplicaciones de concreto en términos de

transporte y facilidad de colocación. Como se puede visualizar en el gráfico, la retención

de asentamiento disminuye ligeramente en la medida que la cantidad de arena de Cogua

en la mezcla se incrementa, sin embargo, esto solamente sucede en los valores de dosis

de aditivo más bajas. Para dosificaciones superiores a 0,45% se obtiene una mejora de

entre el 60 y el 70% en términos de desempeño comparando el aditivo convencional base

policarboxilato y el polímero polieléctrico EXP 1931-1.

Para el caso del aditivo base polímeros polieléctricos EXP 1831-5, se puede ver que en

todo el espectro de la experimentación permite retenciones de asentamiento superiores al

60%, marcando una diferencia amplia frente al policarboxilato convencional.

Adicionalmente, es posible evidenciar que los valores de retención del asentamiento o flujo

llegan a ser de más del 80% para cualquier dosis de aditivo en la región de mayor contenido

de arena de Cogua, lo que indica mayor tolerancia y selectividad a la atracción de las

arcillas presentes en la matriz del mortero equivalente.



frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero polieléctrico


a

b

c Con los resultados anteriormente presentados, se puede evidenciar que el polímero

polieléctrico EXP 1831-5 es el que mejor logra mitigar los efectos nocivos no solamente de

las arcillas presentes en la fuente de Cogua sino también el comportamiento negativo

generado por los cuarzos ondulantes de la fuente de Cordobita. Por otra parte, la reducción

de agua inicial de los morteros evaluados mejora ampliamente en para los altos contenido

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5




de arenas de mala calidad tanto con el uso del polímero EXP 1931-1, como con el polímero

EXP 1831-5.

Adicionalmente, la retención de flujo que generan los polímeros polieléctricos puede

superar el 90% para ambas fuentes de agregado, propiedad que se ve altamente afectada

al usar policarboxilatos convencionales como el EXP 3457.

6.3.2 Análisis de reología directa

Para la caracterización reológica de las mezclas propuestas en el diseño de experimentos,

se emplea el software especializado Rheowin para determinar el esfuerzo de fluencia de

cada una de las mezclas. Para llevar a cabo el cálculo de cada uno de los parámetros

reológicos, se hace uso de las ecuaciones descritas en la metodología de la investigación

en el apartado: Caracterización del estado fresco de las mezclas de mortero.

Debido a que el software emplea el 100% de los datos de la rutina para el cálculo por

defecto, se hace necesario emplear un factor de corrección en donde solo se consideran

los datos de esfuerzo de corte y velocidad de la cizalla en el último de los tramos

establecidos en la rutina de medición. Es decir, después de los 30 segundos a velocidad

constante a 180s-1. Esto debido a que hay que considerar que el proceso solamente logra

un tramo estable en términos de reología, una vez se ha logrado vencer la inercia del

reposo de las partículas suspendidas en la mezcla de mortero (Banfill, 1991). De lo

contrario, la medición sería imprecisa y no podría considerarse valores estables y

representativos.

A continuación, se muestran a manera de ejemplo 6 de las 132 modelaciones que se

realizaron en el software Rheowin ® para obtener la viscosidad plástica y el esfuerzo de

fluencia para cada una de las mezclas establecidas en el DOE, por cada tipo de aditivo

polimérico y cada tipo de arena, tanto para el estado inicial como para 30 minutos después

de iniciada la mezcla.



Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base policarboxilato EXP 3457





Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1931-1



Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1831-5.




Los resultados de los valores de los parámetros reológicos para todas las mezclas

modeladas se muestran en el Anexo: Parámetros reológicos de las mezclas de mortero

equivalente por arena y tipo de polímero.

Esfuerzo de fluencia inicial arena Cordobita

El esfuerzo de fluencia en Pascales (Pa) o punto de flujo es uno de los indicadores directos

de la reología del concreto, su valor, está relacionado con la facilidad que tendrá la mezcla

de concreto para bombearse y a su vez para colocarse, al ser determinada y monitoreada

en el tiempo, se puede visualizar el mejoramiento o detrimento de sus propiedades como

fluido no newtoniano, de esta forma, mientras más alto sea el valor del esfuerzo de fluencia,

más aspera será la mezcla y habrá perdido manejabilidad.

En la Figura 6-33a, puede observarse que el policarboxilato convencional EXP 3457

genera valores en general más altos para el esfuerzo de fluencia inicial si es comparado

con los demás polímeros polieléctricos ensayados. Esto indica que el diseño de mezcla

será menos manejable y a su vez tendrá altas posibilidades de pérdida de manejabilidad

acelerada.

Aunque en contraste a esta propiedad, este policarboxilato genera valores de reducción

de agua aceptables, los valores del esfuerzo de fluencia permiten dilucidar que parte del

agua y de la pasta ingresa a los poros activos de los minerales activos de la fuente de

Cordobita, haciendo más difícil el movimiento de este fluido en una condición de colocación

real (Ara Jeknavorian & Koehler, 2010). De otro lado, es posible ver que los valores de

fluencia más altos se generan en la región de menor cantidad de arena y mayor cantidad

de aditivo, por efecto de segregación de la mezcla y en la región de mayor arena y menor

aditivo por efectos de la alta absorción de la arena de mala calidad hacia el policarboxilato

EXP 3457.





a

b

c En contraste al anterior comportamiento, el polímero polieléctrico EXP 1931-1 muestra un

excelente comporamiento en términos del esfuerzo de fluencia generado, pues su valor no

supera los 26 MPa incluso en las condiciones de mayor dificultad de la mezcla donde hay

alto contenido de arena Cordobita. En la Figura 6-33b, se puede observar que los valores

más elevados de esfuerzo de fluencia para este polímero son los puntos de menor cantidad

de arena y mayor cantidad de aditivo (por efecto de segregación y exceso de aditivo) y los

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5




puntos de mayor cantidad de arena (40%) y menor cantidad de aditivo. Sin embargo, el

uso de una dosis de 0,5% permite obtener valores satisfactorios y menores en un 27%

frente a la tecnología de policarboxilato expuesta por la Figura 6-33.

Para el caso del EXP 1831-5, es posible ver en la Figura 6-33c , una tendencia similar en

los puntos extremos de la superficie de respuesta, donde los esfuerzos de fluencia tienden

a ser mayores. Sin embargo, este polímero es altamente estable en comparación a los

demás, pues la mayor parte de su contorno genera valores menores a 24 Pa en términos

de esfuerzo de fluencia. Este punto demuestra la diferencia entre la interacción química de

cada una de las moléculas siendo ésta la menos afectada por la arena Cordobita en un

tiempo de 0 minutos.

Esfuerzo de fluencia final arena Cordobita

El esfuerzo de fluencia a los 30 minutos es un factor fundamental para entender la

estabilidad de la mezcla y la absorción de los polímeros y el agua de la mezcla que

permiten tener una fluidez estable en el tiempo. Por ello, en la Figura 6-34a se puede

visualizar que la tendencia de la superficie en el tiempo es similar a la obtenida en el tiempo

0 de las mezclas. Sin embargo, los valores de esfuerzo de fluencia se incrementan en más

del doble llegando a tener puntos con más de 80 Pa en el punto de más difícil manejo para

las mezclas que es un contenido alto de arena de Cordobita y un bajo contenido de

policarboxilato convencional EXP 3457, este incremento del 128% se relaciona

directamente con la pérdida de manejabilidad vista en las gráficas de superficie de

capacidad de retención de flujo (véase Figura 6-28a).





a

b

c

La Figura 6-34b, muestra incrementos del esfuerzo de fluencia por parte del EXP 1931-1

usado con la arena de Cordobita de menor magnitud frente al policarboxilato convencional

EXP 3457. Adicionalmente, las demás regiones de la superficie y el contorno muestran

una estabilidad excelente en términos del valor del esfuerzo de fluencia, lo que permite

evidenciar la liberación controlada del polímero que es capaz de mitigar el efecto catiónico

de las micas y arcillas presentes en la fuente de Cordobita.

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5




Finalmente, la Figura 6-34c, muestra como el esfuerzo de fluencia final de las mezclas

para el polímero EXP 1831.5 tiende a estabilizarse de manera constante y a disminuir en

los puntos más críticos. Esto contrasta el hecho de tener altos valores para la capacidad

de retención de flujo y además demuestra un desempeño superior en términos del

mejoramiento del comportamiento de estas mezclas de mortero equivalente, que

contrastan los diseños de concreto originalmente planteados.

Esfuerzo de fluencia inicial arena Cogua

Para la fuente de Cogua, el comportamiento de los diferentes aditivos empleados es similar

a la arena de Cordobita en términos del incremento del esfuerzo de fluencia inicial para

una condición de alto contenido de arena y bajo contenido de aditivo polimérico. Sin

emabargo, a diferencia de la fuente de Cordobita, el efecto de la segregación en zonas con

baja cantidad de arena y alto contenido de aditivo es mínimo.

La Figura 6-35a, permite ver que el policarboxilato convencional EXP 3457 genera valores

de más de 20 y 30 Pa en la mayor parte de la superficie modelada, esto muestra la rápida

absorción que tiene el aditivo por parte de las arcillolitas y limolitas arcillosas en la matriz

del mortero que se ven reflejadas en rápidas pérdidas de manejabilidad en el tiempo.

Por otro lado, el aditivo polimérico EXP 1931-1 tiende a tener valores menores a 20 Pa y

10 Pa en la mayor parte de la superficie modelada, lo que muestra la tolerancia de este

polímero a la actividad catiónica de la fuente de Cogua. Sin embargo, es importante

resaltar que en la zona de alto contenido de arena y bajo contenido de polímero, no se

logra la mitigación exitosa esperada, pues el valor del esfuerzo de fluencia es 16,67% más

alto que el del policarboxilato convencional EXP 3457, esto refleja el hecho de que este

aditivo posea una reducción de agua menor en estas zonas sin que esto afecte

necesariamente su capacidad de sostener el flujo en el tiempo (véase Figura 6-35b).

El polímero EXP 1831-5 por su parte, como en el caso de la arena de Cordobita, muestra

una alta tolerancia a las arcillas presentes en el agregado de Cogua (materiales oxidados,


arcillolitas y limolitas), pues es el aditivo que genera una zona de contorno con menor

esfuerzo de fluencia a diferentes condiciones. Sin embargo, al igual que el aditivo EXP

1931-1 puede no reducir agua en los niveles esperados en la condición de alto contenido

de arena con bajo contenido de polímero en la mezcla (véase Figura 6-35c).




a

b

c

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5




Esfuerzo de fluencia final arena Cogua

Al transcurrir 30 minutos, se puede observar que la tendencia general por parte de todos

los polímeros frente a la fuente de Cogua permanece constante. El aditivo EXP 3457 base

policarboxilatos convencionales mantiene su tendencia de esfuerzos de fluencia elevados

para casi toda la superficie de respuesta, y como se ve en el contorno mostrado en la

Figura 6-36a, únicamente se generan valores aceptables de esfuerzo de fluencia en la

región de poca arena con una alta cantidad de dosis de aditivo (0,65%), esto demuestra

que no es posible obtener mezclas manejables y estables en el tiempo cuando se emplea

este tipo de agregados pues la manejabilidad se perderá rápidamente debido al efecto de

absorción severo de los minerales en la fuente de agregado fino.

En contraste, el polímero polieléctrico EXP 1931-1 solo genera un incremento del 25% de

su esfuerzo de fluencia en la región de mayor exigencia de las mezclas cuya característica

corresponde a altos contenido de arena de Cogua. Sin embargo, como se ve en la Figura

6-36b, es posible identifica una zona más amplia para valores de esfuerzo de fluencia entre

10 Pa y 20 Pa, lo cual es altamente beneficioso para el manejo de mezclas de concreto

con este tipo de agregados.

El polímero EXP 1831-5 es por su cuenta el más eficiente de los aditivos probados con la

arena de Cogua en términos de esfuerzo de fluencia, pues genera la región más grande

sobre la superficie de respuesta con valores de esfuerzos de fluencia menores a 20Pa

Figura 6-36c. Esto refleja una menor cantidad de polímero absorbido por las arcillas en el

material y a su vez una mayor capacidad de retención de propiedades reológicas en el

tiempo de la mezcla de mortero y de concreto con este tipo de materiales.





a

b

c Al igual que en la evaluación de los parámetros reológicos indirectos de las mezclas con

arena de Cogua y Cordobita, el polímero polieléctrico EXP 1831-5 muestra un beneficio

significativo en términos de generar valores de esfuerzos de fluencia menores para las

mezclas en toda condición de contenido de área incluso con bajos porcentajes de dosis de

aditivo. Lo anterior, genera un beneficio en costos y colocación de concretos, pues la

bombeabilidad de los mismos se facilita por su buena manejabilidad en el tiempo y la

EXP 3457

EX

P 3

457

EXP 1931-1

EX

P 1

931-1

EXP 1831-5

EX

P 1

831-5




cohesividad menor que pueden tener las mezclas que emplean arenas nocivas en sus

diseños de mezcla.

Por su parte, el polímero EXP 1931-1 reduce significativamente el esfuerzo de fluencia de

las mezclas con arena de Cordbita y de Cogua principalmente cuando los diseños de

mezcla poseen altos contenido de arena, esto demuestra la efectividad del desempeño del

aditivo químico como bloqueador de minerales nocivos en las arcillas comparado con el

desempeño inferior obtenido por el policaboxilato convencional EXP 3457.

6.3.3 Desarrollo de propiedades en estado endurecido

Resistencia a compresión

Debido a que la presencia de minerales arcillosos como las micas y algunos filosilicatos

pueden afectar negativamente el desarrollo de la resistencia a compresión del mortero y a

su vez del concreto (Hasdemir, Tuʇrul, & Yilmaz, 2016). Se muestran en la Figura 6-37 los

efectos de emplear polímeros polieléctricos en las mezclas de mortero equivalente y se

realiza la comparación con el policarboxilato convencional EXP 3457.


polieléctricos a 1 día a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua

a b Como se observa en la Figura 6-37a, el desarrollo de resistencia a compresión a edades

tempranas depende en gran medida de la cantidad de arena en la mezcla y la cantidad de

aditivo empleado. En general, un alto contenido de arena de Cordobita con presencia de


cuarzos ondulantes y micas afecta el desarrollo de resistencia del mortero con el uso del

EXP 3457, pues los valores de resistencia a compresión se afectan en cerca de 30% a

38% dependiendo del contenido de arena que puede variar de 36,36% a 38,65%. Por su

parte se puede evidenciar que el polímero polielécrito EXP 1931-1 presenta un buen

desarrollo de resistencias a compresión donde los contenidos de arena son de más de

36,6% al igual que el aditivo base polímero EXP 1831-5.

Por otro lado, con la fuente de Cordobita el EXP 1831-5 es el más afectado en desarrollo

de resistencias a 1 día, pues sus valores se reducen en cerca de 40% cuando se tienen

altos contenidos de aditivo y bajas dosis de arena. Este efecto puede generarse por la

sobresaturación de aditivo en la mezcla que puede generar efectos de segregación

afectando el desarrollo de resistencias.

Respecto a la fuente de arena de Cogua, es posible evidenciar que, a diferencia de

Cordobita, el polímero EXP 1931-1 genera el mejor desarrollo de resistencias a 1 día en

todas las condiciones evaluadas y el EXP 1831-5 es superior en generar al policarboxilato

convencional. Esto se debe a que posiblemente el agua absorbida en las arcillas

permanece en los poros de estos minerales afectando la forma en la que se genera la

hidratación al interior de la matriz de cada uno de los morteros evaluados (véase Figura

6-37b).


polieléctricos a 3 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua

a b En cuanto al desarrollo de resistencias a 3 días, se puede observar en la Figura 6-38a,

que la tendencia de desempeño del aditivo polieléctrico EXP 1831-5 permaneces a la baja

en las muestras que fueron sobresaturadas con exceso de aditivo y que el policarboxilato




convencional mejora el desarrollo de las resistencias en la condición de más contenido de

arena.

Por otra parte, se puede ver que para la arena de Cogua (véase Figura 6-38b) no existen

diferencias siginificativas en términos de desarrollo de resistencias pues en la mayor parte

de los ensayos todos los aditivos poseen un incremento similar. Sin embargo, cabe resaltar

que el EXP 1831-5 genera una disminución de la resistencia en cerca de 20% para las

condiciones de bajo contenido de arena (cerca del 25,34%).



a b

En el caso del desarrollo de resistencias finales, es posible visualizar en la Figura 6-39a

que para la arena de Cordobita existe un comportamiento similar entre todas las

referencias de polímeros para los diferentes ensayos realizados. Sin embargo, el EXP

1931-1 es el que mejor desempeño presenta seguido del EXP 3457 base policarboxilato

convencional y finalmente el EXP 1831-5 presenta una diferencia en desempeño del 5 al

8% a la baja a 7 días de la evaluación de los especímenes de 5mmX5mm bajo el método

de la ASTM C 109 modificado.

Por su parte, la fuente de arena de Cogua muestra un desarrollo de resistencias

equivalente entre el aditivo experimental base policarboxilato EXP 3457 y el polímero

polieléctrico EXP 1931-1. El polímero EXP 1831-5 por su parte genera incremento de 10

al 12% de resistencia en la mayor parte de los ensayos para 7 días de edad de los

especímenes.


Como es de esperarse y de manera general las resistencias a compresión de los

especímenes en especial a edades tardías tienden a tener valores similares, pues la

relación agua cemento empleada en la totalidad de los ensayos permanece constante para

la matriz DOE factorial rotacional (0,4875).



a b

Finalmente, al observar el comportamiento de la resistencia a la compresión a 28 días de

cada uno de los especímenes evaluados, es posible evidenciar que la tendencia entre

polímeros se hace más cercana entre los diferentes ensayos planteados por el DOE

factorial rotacional. Por otro lado, como se puede ver en la Figura 6-40a, la resistencia a

compresión para todos los escenarios de contenido de arena de Cordobita bajos es

equivalente, siendo las diferencias menores a un 4,25% y en cuanto a los morteros con

altos contenidos de arena se evidencia un desempeño superior por parte de ambos

polímeros polieléctricos. Es decir, los EXP 1931-1 y EXP 1831-5. Sin embargo, las

diferencias de resistencias son 2 MPa a 5 MPa lo cual no es altamente significativo al

tratarse de evaluaciones en mortero y no concreto, pues la microestructura de los morteros

es mucho más consolidada que la del concreto lo que genera resultados a compresión

más elevados.

Por otro lado, es posible evidenciar una tendencia en desempeño muy similar entre el

policarboxilato convencional EXP 3457 y el polímero polieléctrico EXP 1831-5 para la




arena de Cogua, pues sus diferencias en términos de resistencia a compresión son

menores al 5% con un valor promedio de compresión para ambos casos entre 68,9 MPa y

70,0 MPa. Por su parte, el EXP 1931-1 genera mejores resistencias a edades finales y en

general en todas las edades evaluadas para ambos tipos de arena (véase Figura 6-40b).

Esto obedece a su formulación y efecto de bloqueador de sacrificio parcial, el cual mitiga

parcialmente la absorción de agua anticipada por parte de las arcillas y minerales nocivos,

lo que facilita el crecimiento de los cristales de CSH en la matriz del concreto.

Adicionalmente, es posible evidenciar un comportamiento de resistencia a compresión más

elevado por parte de la arena de Cogua frente a la Arena de Cordobita. Esto puede

obedecer a su composición mineralógica y su grado de meteorización, pues como se

mostró anteriormente, la arena de Cogua constituye una roca mucho más fresca que la de

Cordobita.

Calorimetría Isotérmica

Respecto al análisis de la afectación de la cinética y velocidad de hidratación del

cementante en la mezcla, ante la presencia de los diferentes polímeros experimentales

propuestos, se puede evidenciar que no existe ninguna afectación significativa entre los

diferentes policarboxilatos convencionales y polímeros polieléctricos tanto en condiciones

de alto y bajo contenido de aditivo.

Como se ve en la Figura 6-41a, las diferencias en términos de fraguado inicial y final del

mortero equivalente con la arena de Cordobita son menores a los 20 minutos, lo cual es

poco representativo en términos de desarrollo de la hidratación del cemento en la mezcla.

Por otro lado, en términos de desarrollo de resistencias iniciales, como se ven la Figura

6-41b, existen diferencias menores entre los diferentes tipos de polímeros probados con

la arena de Cordobita a diferentes dosificaciones. Esto puede diferir de algunos valores

experimentales a dosis altas obtenidas en los ensayos a compresión debido a efectos de

segregación que no interfieren en el análisis de resistencias por vía de calor de hidratación.

De este modo, se puede verificar que los polímeros polieléctricos no afectan

negativamente el desarrollo de resistencias de la fuente de Cordobita en comparación al

policarboxilato convencional evaluado.



Arena de Cordobita a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de

resistencias.

a b





Arena de Cogua a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de resistencias.

a b

De otro lado, la arena de Cogua presenta ligeras diferencias en términos de fraguado inicial

y final siendo el EXP 1831-5 el que más desplaza el fraguado inicial con una afectación de

entre 40 minutos y 50 minutos (véase Figura 6-42a). Lo anterior, es congruente con el

comportamiento de las resistencias a compresión simulado por la Figura 6-42b, en donde

se puede evidenciar un desarrollo de resistencias a compresión del mortero mejorado por

parte de los EXP 1931-1 y EXP 3457, junto con ello, se puede resaltar que al incrementar

la dosis de todos los aditivos el desarrollo de resistencias iniciales se ve afectado


considerablemente. Esto es congruente con los resultados obtenidos de resistencia a

compresión, por lo que puede demostrarse que teniendo este tipo de arena si puede haber

mayor afectación y dispersión de desempeño en términos de desarrollo de resistencias

iniciales. Dicho comportamiento obedece a la mayor presencia de arcillas en comparación

con la fuente de Cordobita, así la presencia de filosilicatos puede afectar negativamente la

adherencia entre la pasta de cemento y el agregado dependiendo de la condición reológica

del mortero.

Adicionalmente, al comparar la fuente de Cordobita y de Cogua en términos de cinética de

hidratación, se puede observar que existe un tiempo de fraguado inicial más largo por parte

de la fuente de Cogua debido al efecto generado por su matriz arcillosa en algunas

partículas. Sin embargo, como se ve en la Figura 6-42b, el desarrollo de resistencias a

compresión al pasar las 20 horas es superior al de la fuente de Cordobita, lo cual es

congruente con los resultados obtenidos por el análisis de resistencia a la compresión.

Por último, al concatenar los resultados obtenidos en el estado fresco y endurecido de

cada una de las fuentes de agregado, es posible evidenciar que la fuente de Cordobita

tiene una absorción de cadenas poliméricas 18,58% mayor respecto a la fuente de Cogua,

lo que ocasiona que la reducción de agua sea significativamente menor para este tipo de

arena y en adición su desarrollo de resistencias sea en general entre 10% y 20% menor

que el de la fuente de la zona central del país, es decir, Cogua. Este efecto obedece a la

composición mineralógica del material en donde se encontraron cuarzos ondulantes,

algunos óxidos inestables y micas, que en comparación a las arcillas identificadas en el

agregado de Cogua pueden tener mayor afinidad catiónica hacia los policarboxilatos

convencionales y polímeros que las arcillas, limolitas arcillosas y óxidos presentes en la

arena de Cogua.

En términos de reología, se evidencia que el polímero polieléctrico EXP 1831-5 presenta

mejor capacidad de retención de flujo y genera menores valores de esfuerzo de fluencia

en el tiempo tanto para el agregado de Cordobita como el agregado de Cogua, este

desempeño es seguido de los beneficios obtenidos por el otro polímero polieléctrico

evaluado EXP 1931-1, que mostró un mejoramiento no solo en la capacidad de reducción

de agua en ambas fuentes sino que también en el aporte de resistencias iniciales y finales.




La alternativa de este tipo de moléculas genera una nueva ventana a las posibles

soluciones y alternativas ante el uso de agregados de mala calidad en el concreto por su

composición química y mineralógica. Finalmente, es importante resaltar que con el

presente estudio no se logra la identificación completa del tipo de arcillas afectadas y no

se generaron efectos negativos significativos debido a la morfología de los materiales. Por

ello, se hace necesario el uso de técnicas complementarias como XRD selectivo y el

estudio de fuentes de agregado adicionales que incluyan otros minerales nocivos y

morfologías retadoras, para poder continuar explorando la tecnología de los polímeros

poliélectricos como una alternativa de mitigación química ante los problemas de

desempeño que en la actualidad enfrentan innumerables productores de concretos que

utilizan agregados finos de mala calidad en sus diseños de mezcla en diferentes zonas de

Colombia.

7. Conclusiones y recomendaciones

7.1 Conclusiones

Mediante la realización del fuerte análisis experimental de esta investigación, fue posible

poner en evidencia los beneficios técnicos del uso de los polímeros polieléctricos como

una alternativa en el mejoramiento del comportamiento en estado fresco y endurecido de

mezclas de concreto, que utilicen altos porcentajes de arenas de mala calidad (entre el

32,5% y el 40% del peso de la mezcla) compuestas por minerales arcillosos, matrices

limolíticas arcillosas, cuarzos ondulantes, micas y óxidos activos.

Los beneficios obtenidos por este tipo de aditivos químicos obedecen al mejoramiento de

la capacidad de reducción de agua (entre el 15,38% y el 25,00%) y el sostenimiento de la

fluidez en el tiempo (entre el 25,00% y el 90,00%), propiedades que no son posibles de

obtener con el uso de la tecnología de los policarboxilatos convecionales. Este hecho,

genera la posibilidad del uso, en altos porcentajes, de arenas que no cumplen

especificaciones de calidad, como son la fuente de Cordobita (de la zona de la costa

atlántica del país) y la fuente Cogua (de la zona central del país), sin tener efectos sobre

las propiedades de transporte y colocación del concreto, y generando beneficios

sustentables con costos razonables y sin detrimento sensible de las propiedades de las

mezclas en estado endurecido.

La caracterización química, física y mineralógica de las fuentes de agregado fino de

Cordobita y Cogua permitieron identificar bajos valores de porosidad y una granulometría

adecuada con desviaciones que no representan un efecto negativo para el desempeño del

concreto en estado fresco y endurecido.

Se identificó la existencia de minerales nocivos como micas de sericita y biotita en un

50,46% de las partículas analizadas para la arena de Cordobita y materiales arcillosos en




un 33,98% para las partículas estudiadas de la arena de Cogua, que afectan el desempeño

del mortero en el estado fresco y endurecido. Estas arcillas y materiales micáceos son

bloqueados de manera efectiva por la actividad selectiva de las cadenas de los polímeros

polieléctricos EXP 1931-1 y EXP 1831-5 (empleados entre un 0,35% y un 0,60% del

cementante de la mezcla) ante la actividad catiónica de los minerales nocivos relacionada

con su caracterización por absorción en TOC en más del 66,0% para ambas fuentes

estudiadas.

La composición química de los agregados finos de Cordobita y Cogua en términos de

cuarzos ondulantes, Chert, arcillolitas y biotita no afecta de manera significativa el

desempeño del mortero equivalente y por ende del concreto, ante altos contenidos de

arena cuando el aditivo de polímero polieléctrico EXP 1831-5 es usado en dosis de más

del 0,40%, pues las reducciones de agua son estables (de más de 200 mm de flujo inicial),

la retención de flujo es superior a un 75% y el esfuerzo de fluencia en el tiempo se reduce

en el tiempo o genera incrementos que no superan el 20% respecto a sus valores iniciales,

lo que genera beneficios de trabajabilidad, bombeabilidad y colocación del concreto.

La mineralogía, la composición química y la absorción (medida mediante azul de metileno

de manera indirecta y mediante TOC de manera directa), son características que

influencian directamente el comportamiento de los parámetros reológicos de las mezclas

de morteros equivalentes y concretos en el tiempo, pues en la medida que la presencia de

agregados altamente activos como es el caso de la fuente de Cordobita aumenta, el

esfuerzo de fluencia se incrementa considerablemente (entre dos y tres veces más en

términos de Pa). Adicionalmente, agregados activos en términos de arcillas, pero con

menos valor de TOC, presentan esfuerzos de fluencia mayores para el caso de los

policarboxilatos convencionales (EXP 3457) y valores menores y más estables en el tiempo

para el caso de los polímeros polieléctricos (EXP 1931-1 y EXP 1831-5) que son capaces

de bloquear la carga activa de las arcillas y las micas, dispersando correctamente la matriz

fluida del concreto.

Aunque los polímeros polieléctricos estudiados generan una mitigación efectiva de los

efectos negativos del estado fresco que generan las cargas químicas de los minerales

Conclusiones y recomendaciones 185

nocivos identificados en las fuentes de agregado fino, no se evidencia una mejora

significativa en términos de desarrollo de resistencias iniciales para la fuente de Cordobita.

Por su parte, la fuente de agregado de Cogua presenta un mejor desarrollo de resistencia

a compresión a todas las edades (entre un 15% y un 25%) respecto a la fuente de

Cordobita pues el bloqueo efectivo de las arcillas mediante las moléculas seleccionadas,

en especial el polímero polieléctrico EXP 1931-1.

La tecnología de polímeros polieléctricos demostró ser una alternativa efectiva en el

mejoramiento de las propiedades físicas y químicas de las arenas de mala calidad para su

utilización en el concreto y en morteros con altos contenidos de este tipo de materiales.

Esta investigación demostró un mejor comportamiento de las mezclas de mortero

equivalente en términos de la capacidad de reducción de agua por parte de los aditivos, la

eficiencia de dosis de los aditivos químicos (que implican un mejoramiento de costos

aplicados por m3), la reducción y estabilidad del esfuerzo de fluencia en el tiempo

(relacionado con la bombeabilidad del concreto) y el incremento de resistencias a

compresión ante altos contenidos de arenas nocivas.

Esta tecnología, es de origen europeo y se encuentra disponible en varios continentes del

mundo bajo nombres comerciales distintos, su precio por Kilogramo es similar al de los

policarboxilatos convencionales de manejabilidad extendida.

Los polímeros polieléctricos presentan beneficios financieros y de sostenibilidad para los

productores de concreto, pues se generan ahorros por m3 de concreto producido y se

permite el uso de fuentes de arenas locales de baja calidad que usualmente tienen un

menor costo por Kilogramo que las arenas de mayor calidad.

7.2 Recomendaciones

Considerando el alcance y los resultados de esta investigación, es necesario ampliar el

espectro del estudio de los polímeros polieléctricos para comprender mejor su aporte en

el mejoramiento del comportamiento del concreto hidráulico que emplea agregados finos

de mala calidad en su diseño, pues existen un gran número de variables que afectan su

desempeño como la mineralogía, morfología y absorción del agregado así como las




características químicas y de diseño de cada tipo de molécula de polímero. Por lo anterior,

se sugieren las siguientes investigaciones futuras:

▪ Ampliar el espectro de las fuentes sometidas al estudio en donde se consideren

arenas con altos con altos contenidos de arcillas activas (como montmorillonita y

esmectica), altos contenidos de finos, agregados reciclados y agregados de

trituración, con el fin de comprender la robustez de la tecnología de polímeros

polieléctricos en diferentes escenarios de materiales finos de baja calidad.

▪ Generar una caracterización adicional de las arcillas mediante el uso de difracción

de rayos X con tratamientos químicos previos, con el fin de identificar sus

componentes principales y dilucidar cada tipo de arcilla para relacionar su

comportamiento frente a los polímeros polieléctricos.

▪ Generar un DOE Desing Of Experiments empleando otros tipos de policarboxilatos

y polímeros polieléctricos con el fin de identificar las principales fortalezas y

debilidades de cada uno a nivel técnico para cada tipo de fuente de agregado

evaluado. Es decir, se sugiere la construcción de ensayos adicionales que permitan

relacionar el desempeño de cada polímero por cada fuente de agregado con algún

tipo de característica de mala calidad específico.

▪ Realizar pruebas con microscopía SEM para cada tipo arena con el fin de entender

no solamente sus características químicas sino también su morfología y relacionar

esta con su desempeño en estado fresco y endurecido.

▪ Caracterizar los parámetros reológicos de mezclas de mortero a 60 y 90 minutos

con el fin de entender de mejor manera el alcance de la dispersión de los polímeros

y su liberación en el tiempo ante agregados finos de mala calidad en el concreto.

▪ Medir la reología del concreto para un número selecto de mezclas en los puntos

más importantes en términos de contenido de agregado fino y polícarboxilato o

polímero polieléctrico.

187

▪ Realizar pruebas industriales con la tecnología de polímeros polieléctricos como

los EXP 1931-1 y EXP 1831-5 con el fin de visualizar la repetitividad de lo explorado

por la investigación actual.




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A. Anexo: Principales características de diferentes rocas que se emplean en el sector de la construcción

Roca Método de excavación

requerido Fragmentación

Susceptibilidad a la

meteorización

Granito Explosivos

Fragmentos

irregulares que

dependen del uso de

explosivos

Probablemente

resistente

Diorita

Basalto Explosivos

Fragmentos

irregulares que

dependen de las

juntas y grietas

Probablemente

resistente

Toba Equipo o Explosivos

Fragmentos

irregulares muchas

veces con finos en

exceso

Algunas variedades se

deterioran rápidamente

Arenisca Equipo o Explosivos En lajas, dependiendo

de la estratificación

Según la naturaleza del

cementante

Conglomerado Equipo o Explosivos

Exceso de finos

dependiendo del

cementante

Algunas se alteran para

formar arenas limosas

Limonita

Equipo Desde pequeños

bloques o lajas

Muchas se desintegran

rápidamente para

formar arcilla Lutita

Caliza Explosivos

Fragmentos

irregulares muchas

veces lajas

Las vetas pizarrosas se

deterioran, pero las

otras son resistentes




Masiva

Cuarcita Explosivos

Fragmentos

irregulares muy

angulosos

Probablemente

resistente

Pizarras Explosivos/ Esquisto

Fragmentos

irregulares o ajados

según la foliación

Algunas se deterioran

con procesos de

humedecimiento y

secado

Gnesis Explosivos

Fragmentos

irregulares muchas

veces alargados

Probablemente

resistente

Desechos industriales o

de mina Equipo

Depende del material,

pero en la mayoría de

casos es irregular

La mayoría de las

variedades (Excepto

ígneas de mina) deben

considerarse

deteriorables

Fuente: Gutierrez, 2003

B. Anexo: Clasificación de formas de partículas por tamiz y fuente de agregado

Agregado fino de Cordobita

Tamiz #4

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,00% 2,00% 2,00% 1,30% 0,00% 0,00%

Subdiscoidal 1,30% 5,30% 8,00% 10,00% 1,30% 0,00%

Esférica 2,00% 12,00% 16,70% 1,30% 0,00% 0,00%

Subprismoid

al 0,70% 6,00% 16,00% 10,70% 0,00% 0,00%

Prismoidal 0,00% 0,00% 3,30% 0,00% 0,00% 0,00%

Tamiz #8

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,90% 2,70% 4,50% 0,90% 1,80% 0,00%

Subdiscoidal 0,00% 0,00% 2,70% 6,30% 0,90% 0,00%

Esférica 0,00% 4,50% 9,80% 11,60% 1,80% 0,00%

Subprismoid

al 6,30% 9,80% 13,40% 12,50% 3,60% 0,00%




Prismoidal 5,40% 5,40% 0,90% 0,00% 0,00% 0,00%

Tamiz #16

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,80% 1,60% 3,10% 1,60% 3,10% 0,00%

Subdiscoidal 0,80% 1,60% 3,90% 6,30% 1,60% 0,00%

Esférica 2,40% 5,50% 16,50% 6,30% 0,00% 0,00%

Subprismoid

al 0,00% 3,90% 16,50% 12,60% 7,10% 0,00%

Prismoidal 0,00% 3,90% 0,80% 0,00% 0,00% 0,00%

Tamiz #30

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,70% 2,00% 5,20% 6,50% 0,70% 0,00%

Subdiscoidal 2,00% 4,60% 7,80% 5,90% 0,00% 0,00%

Esférica 0,00% 5,90% 9,20% 10,50% 0,00% 0,00%

Subprismoid

al 0,00% 6,50% 7,20% 7,80% 4,60% 0,00%

Prismoidal 1,30% 5,20% 3,30% 2,00% 1,30% 0,00%

Tamiz #50

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

fe

ric

id

ad

Discoidal 1,90% 3,10% 1,90% 2,50% 1,20% 0,00%

Anexo B. Nombrar el anexo B de acuerdo con su contenido 201

Subdiscoidal 1,90% 6,20% 4,90% 4,30% 0,00% 0,00%

Esférica 1,90% 6,80% 5,60% 4,90% 0,60% 0,00%

Subprismoid

al 3,10% 2,50% 3,70% 3,70% 3,10% 0,00%

Prismoidal 1,90% 12,30% 7,40% 9,90% 4,90% 0,00%

Agregado fino de Cogua

Tamiz #4

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 1,30% 0,00% 6,00% 6,70% 1,30% 0,00%

Subdiscoidal 1,30% 4,00% 7,30% 8,00% 4,70% 0,70%

Esférica 1,30% 6,00% 15,30% 5,30% 2,70% 0,00%

Subprismoid

al 0,00% 3,30% 8,70% 10,70% 1,30% 0,00%

Prismoidal 0,00% 0,70% 2,00% 1,30% 0,00% 0,00%

Tamiz #8

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,00% 4,70% 2,30% 7,00% 5,40% 0,00%

Subdiscoidal 0,80% 2,30% 2,30% 7,00% 4,70% 0,80%

Esférica 0,80% 0,00% 1,60% 0,80% 1,60% 0,00%

Subprismoid

al 0,00% 4,70% 9,30% 12,40% 8,50% 3,10%

Prismoidal 0,80% 2,30% 3,10% 7,80% 5,40% 0,80%




Tamiz #16

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,60% 6,20% 8,70% 2,50% 3,10% 0,00%

Subdiscoidal 1,20% 0,00% 5,60% 5,60% 2,50% 0,00%

Esférica 0,60% 6,80% 7,50% 3,10% 1,20% 0,00%

Subprismoid

al 0,00% 0,60% 9,30% 9,30% 6,20% 1,20%

Prismoidal 0,60% 5,00% 5,60% 3,70% 3,10% 0,00%

Tamiz #30

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 1,20% 4,90% 4,30% 3,70% 4,30% 0,60%

Subdiscoidal 0,00% 4,30% 4,30% 2,50% 0,60% 0,00%

Esférica 0,60% 5,60% 9,90% 9,30% 1,20% 0,00%

Subprismoid

al 0,00% 1,90% 4,90% 6,80% 4,90% 0,00%

Prismoidal 0,00% 1,90% 6,20% 7,40% 7,40% 1,20%

Tamiz #50

Redondez

Muy

Angular

Angula

r

Sub

Angular

Sub

redondeado

Redondead

o

Bien

redondeado

Es

feri

cid

ad

Discoidal 0,00% 4,00% 5,70% 3,40% 0,60% 0,00%

Subdiscoidal 0,00% 4,00% 6,30% 6,30% 1,10% 1,10%

Esférica 0,00% 9,10% 10,80% 5,70% 0,60% 0,60%


Subprismoid

al 0,60% 2,80% 8,50% 9,70% 4,50% 2,30%

Prismoidal 0,00% 0,60% 4,50% 5,10% 2,30% 0,00%




C. Anexo: Parámetros reológicos de las mezclas de mortero equivalente por arena y tipo de polímero

Arena Cordobita + EXP 3457

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el

concreto


τo Esfuerzo

de fluencia 0 min

ή viscosidad

0 min

τo Esfuerzo

de fluencia 30 min

ή viscosidad

30 min

1 1- 1- 25,34% 0,39% 23,78 0,73 19,07 1,00

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 31,87 0,42 22,23 0,80

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 31,94 0,99 35,13 0,99

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 33,54 0,99 67,57 0,92

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 21,96 0,67 33,63 1,10

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 25,66 0,56 42,91 0,77

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 23,68 1,18 38,18 1,37

9 o o 30,86% 0,50% 27,95 0,86 30,18 1,26

10 o o 30,86% 0,50% 25,23 0,92 29,82 1,32

11 o o 30,86% 0,50% 26,59 0,70 30,00 0,86

Arena Cordobita + EXP 1931-1

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el

concreto


τo Esfuerzo

de fluencia 0 min

ή viscosidad

0 min

τo Esfuerzo

de fluencia 30 min

ή viscosidad

30 min

1 1- 1- 25,34% 0,39% 15,52 0,94 14,26 1,16

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 22,11 0,68 15,11 0,81

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 24,03 1,12 26,43 1,14

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 19,62 1,02 51,17 1,04

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 16,78 0,75 23,63 0,82

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 21,10 0,67 29,71 0,77

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 21,5 1,14 26,7 0,99


9 o o 30,86% 0,50% 14,55 1,03 25,25 1,13

10 o o 30,86% 0,50% 20,74 1,10 23,38 1,61

11 o o 30,86% 0,50% 17,645 1,04 24,32 1,09

Arena Cordobita + EXP 1831-5

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el

concreto


τo Esfuerzo

de fluencia 0 min

ή viscosidad

0 min

τo Esfuerzo

de fluencia 30 min

ή viscosidad

30 min

1 1- 1- 25,34% 0,39% 15,19 0,82 28,06 0,87

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 19,98 0,94 27,36 0,91

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 24,19 1,12 26,61 1,15

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 26,21 0,91 32,42 1,02

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 20,29 1,02 19,18 1,00

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 17,99 0,74 18,76 0,84

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 20,3 0,67 21,2 0,70

9 o o 30,86% 0,50% 17,78 0,93 26,69 1,10

10 o o 30,86% 0,50% 16,35 1,04 25,26 1,07

11 o o 30,86% 0,50% 17,065 1,03 25,98 1,12

Arena Cogua + EXP 3457

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el

concreto


τo Esfuerzo

de fluencia 0 min

ή viscosidad

0 min

τo Esfuerzo

de fluencia 30 min

ή viscosidad

30 min

1 1- 1- 25,34% 0,39% 20,13 0,45 40,19 0,34

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 7,622 0,34 10,9 0,45

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 35,09 0,79 43,28 1,02

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 39,16 0,70 47,29 1,13

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 13,96 0,54 27,71 0,63

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 18,45 0,32 20,62 0,38

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 11,57 0,23 13,05 0,39

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 25,37 0,61 44,78 0,97

9 o o 30,86% 0,50% 28,48 0,35 35,3 0,51

10 o o 30,86% 0,50% 23,54 0,68 34,9 0,85

11 o o 30,86% 0,50% 26,01 0,56 35,10 0,58




Arena Cogua + EXP 1931-1

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el

concreto


τo Esfuerzo

de fluencia 0 min

ή viscosidad

0 min

τo Esfuerzo

de fluencia 30 min

ή viscosidad

30 min

1 1- 1- 25,34% 0,39% 15,49 0,63 18,3 0,73

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 6,567 0,40 9,462 0,38

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 23,02 0,86 31,29 1,08

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 27,57 0,93 46,37 1,21

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 20,37 0,77 29,46 0,93

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 9,051 0,50 9,881 0,57

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 5,83 0,37 6,851 0,42

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 28,67 1,03 36,47 1,05

9 o o 30,86% 0,50% 8,65 0,77 18,5 0,92

10 o o 30,86% 0,50% 6,884 0,70 12,17 0,64

11 o o 30,86% 0,50% 7,767 0,71 15,34 0,75

Arena Cogua + 1831-5

Ensayo % Arena

en concreto

% Dosis aditivo

%Arena en el

concreto


τo Esfuerzo

de fluencia 0 min

ή viscosidad

0 min

τo Esfuerzo

de fluencia 30 min

ή viscosidad

30 min

1 1- 1- 25,34% 0,39% 20,04 0,59 18,69 0,75

2 1- 1+ 25,34% 0,61% 9,388 0,50 12,02 0,63

3 1+ 1- 36,37% 0,39% 37,14 0,94 40,67 0,83

4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 15,64 0,82 26,50 1,10

5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 20,54 0,88 28,54 1,00

6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 9,125 0,63 17,48 0,73

7 𝛼- o 23,06% 0,50% 9,45 0,41 14,45 0,48

8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 27,21 0,87 41,74 1,24

9 o o 30,86% 0,50% 17,68 0,66 22,24 0,91

10 o o 30,86% 0,50% 14,88 0,64 16,89 0,75

11 o o 30,86% 0,50% 16,28 0,61 19,57 0,81

Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las ...

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