UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CHILE SEDE CONCEPCIÓN-TALCAHUANO CONCEPCIÓN-TALCAHUANO
DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE EN EL HORMIGÓN SOMETIDO A ESFUERZO DE COMPRESIÓN.
JUAN AGUSTÍN JEREZ SANCHEZ. FRANCISCO ALEJANDRO RIVAS CISTERNA.
2013.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CHILE SEDE CONCEPCIÓN-TALCAHUANO CONCEPCIÓN-TALCAHUANO
DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE EN EL HORMIGÓN SOMETIDO A ESFUERZO DE COMPRESIÓN.
JUAN AGUSTÍN JEREZ SANCHEZ. FRANCISCO ALEJANDRO RIVAS CISTERNA. Profesor: María José Bañados De la Barra
Proyecto presentado al Área Construcción de la Universidad Tecnológica de Chile INACAP Sede Concepción-Talcahuano, Concepción-Talcahuano, para optar al Título de Ingeniero Constructor y al Grado Gr ado Académico de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería en Construcción.
2013.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CHILE SEDE CONCEPCIÓN-TALCAHUANO CONCEPCIÓN-TALCAHUANO
DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE LA INFLUENCIA MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE EN EL HORMIGÓN SOMETIDO A ESFUERZO DE COMPRESIÓN.
JUAN AGUSTÍN JEREZ SANCHEZ. FRANCISCO ALEJANDRO RIVAS CISTERNA. Profesor: María José Bañados De la Barra
Proyecto presentado al Área Construcción de la Universidad Tecnológica de Chile INACAP Sede Concepción-Talcahuano, Concepción-Talcahuano, para optar al Título de Ingeniero Constructor y al Grado Gr ado Académico de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería en Construcción.
2013.
DEDICATORIA
A nuestros padres y a quienes nos apoyaron durante todo el proceso académico. Gracias Totales.
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AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a nuestros padres por el apoyo incondicional y motivación en nuestro proceso académico. También agradecemos a la empresa CROM S.A. especialmente a Pablo Ossandon y a Máximo Sabat por el recibimiento y la atención recibida además de brindarnos la información y material necesario para realizar la investigación. Muchísimas Gracias.
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RESUMEN
Desde décadas, se han investigado nuevas tecnologías que ayuden en la construcción a mejorar las condiciones de sus materiales para adecuarse a las necesidades y dilemas de la actualidad. La incorporación del microsílice en el hormigón es principalmente para el incremento a la compresión, debido a sus propiedades físico-químicas que éste le brinda. Sin embargo, el nanosílice quien tiene las mismas composiciones químicas que el microsílice, no así en las propiedades físicas por su tamaño de partícula a nivel nanométrico, es un material de innovación en el área de la construcción desde hace unos años. Sus millones de partículas a escala nanométrico confieren los incrementos de resistencia a los hormigones cubriendo las necesidades de la actualidad.
La presente investigación tiene como objetivo principal determinar la influencia del nanosílice en el hormigón en comparación al microsílice con respecto a su resistencia a la compresión. Para ello se determinan las propiedades físico-químicas de ambos materiales para entender la razón del incremento en las resistencias de los hormigones.
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ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ..................................................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................................................ iv RESUMEN ............................................................................................................................................................ v ÍNDICE GENERAL ................................................................................................................................................. vi ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................................ ix I.
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN. .....................................................................................................................1 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ..........................................................................................................1 1.2. OBJETIVOS. ...............................................................................................................................................2 1.2.1. Objetivo General. ..............................................................................................................................2 1.2.2. Objetivos Específicos. ........................................................................................................................2 1.3. JUSTIFICACIÓN. .........................................................................................................................................2
II.
CAPÍTULO II: MARCO METODOLÓGICO. ....................................................................................................3 2.1. GENERALIDADES DEL HORMIGÓN. ..........................................................................................................3 2.1.2. Materiales constituyentes del Hormigón. .........................................................................................4 2.1.2.1 Cemento. ....................................................................................................................................4 2.1.2.2. Áridos. ........................................................................................................................................5 2.1.2.3. Agua. ..........................................................................................................................................5 2.1.2.4. Aditivos. ......................................................................................................................................6 2.2. MICROSÍLICE .............................................................................................................................................6 2.2.1. Antecedentes Históricos....................................................................................................................6 2.2.2. Generalidades....................................................................................................................................7 2.2.3. Producción. ........................................................................................................................................8 2.2.4. Propiedades Físicas. ..........................................................................................................................9 2.2.4.1. Tamaño de Partícula. ..................................................................................................................9 2.2.4.2. Superficie Específica. ............................................................................................................... 10 2.2.4.3. Densidad. ................................................................................................................................ 10 2.2.5. Propiedades Químicas. ................................................................................................................... 11 2.2.5.1. Amorfo ..................................................................................................................................... 11 2.2.5.2. Dióxido de Silicio. .................................................................................................................... 11 2.2.5.3. Elementos Adicionales. ........................................................................................................... 11 vi
2.2.6. Reacción en el Hormigón................................................................................................................ 12 2.2.6.1 Contribución Física. .................................................................................................................. 12 2.2.6.2. Contribución Química. ............................................................................................................. 13 2.3. NANOSÍLICE. .......................................................................................................................................... 14 2.3.1. Antecedentes Históricos................................................................................................................. 14 2.3.2. Generalidades................................................................................................................................. 15 2.3.3. Producción. ..................................................................................................................................... 15 2.3.4. Propiedades Físicas. ....................................................................................................................... 15 2.3.4.1. Tamaño de las Partículas. ........................................................................................................ 15 2.3.4.2. Superficie específica. ............................................................................................................... 16 2.3.4.3. Densidad. ................................................................................................................................. 16 2.3.5. Propiedades Químicas. ................................................................................................................... 17 2.3.5.1. Amorfa. .................................................................................................................................... 17 2.3.5.2. Concentración de Sílica ........................................................................................................... 17 2.3.6. Reacción en el Hormigón................................................................................................................ 17 2.3.6.1. Contribución Física. ................................................................................................................. 18 2.3.6.2. Contribución Química. ............................................................................................................. 18 III. CAPÍTULO III: COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE Y SUS VENTAJAS Y DESVENTAJAS. ............................................................................................................................. 19 3.1. VENTAJAS DEL MICROSÍLICE. ................................................................................................................. 19 3.2. DESVENTAJAS DEL MICROSÍLICE. .......................................................................................................... 20 3.3. VENTAJAS DEL NANOSÍLICE. .................................................................................................................. 20 3.4. DESVENTAJAS DEL NANOSÍLICE ............................................................................................................. 20 3.5. COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE. ...................................... 21 IV.
CAPITULO IV: EXPERIENCIA Y ENSAYOS DE LABORATORIO. .............................................................. 21
4.1. PLANIFICACIÓN DE LA EXPERIENCIA. .................................................................................................... 22 4.1.1. Esquema general. ........................................................................................................................... 22 4.1.2. Elementos Contantes. .................................................................................................................... 22 4.1.3. Elementos variables. ...................................................................................................................... 24 4.1.4 Determinación de los ensayos a realizar. ........................................................................................ 24 4.2. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS MATERIALES EMPLEADOS. ............................................................... 25 4.2.1. Cemento. ........................................................................................................................................ 25 4.2.2. Áridos.............................................................................................................................................. 25
vii
4.2.3. Aditivos. .......................................................................................................................................... 25 4.2.3.1. Superplastificante CROMPLAST 1100. ..................................................................................... 26 4.2.3.2. Microsilex. ............................................................................................................................... 26 4.2.3.3. Nanosílice CROM CS-5 ............................................................................................................. 26 4.2.4. Agua. ............................................................................................................................................... 27 4.3. PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA. ............................................................. 27 4.3.1. Preparación de las mezclas en hormigón de prueba. .................................................................... 27 4.3.2. Determinación de la trabajabilidad y docilidad del hormigón. ...................................................... 28 4.3.3. Confección y curado de las probetas de hormigón. ....................................................................... 28 4.3.4. Ensayo de resistencia a compresión de las probetas. .................................................................... 28 4.4. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA. ........................................................................................................ 28 4.4.1. Preparación de las mezclas de hormigón. ...................................................................................... 29 4.4.2. Determinación de la trabajabilidad de los hormigones. ................................................................ 31 4.5. CONFECCIÓN Y CURADO DE PROBETAS DE HORMIGÓN. ..................................................................... 32 4.8. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN. ...................................................................................... 34 4.9. RESULTADOS DE HORMIGONES DE PRUEBA. ........................................................................................ 35 V.
CAPITULO V: ANALISIS DE RESULTADOS. ................................................................................................ 36 5.1. COMPARACIÓN DE RESISTENCIAS A COMPRESIÓN. ............................................................................. 36 5.2. ANÁLISIS COSTO – BENEFICIO. .............................................................................................................. 37
VI.
CAPÍTULO VI: CONCLUSIÓN. ................................................................................................................ 40
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura II-1, Microsílice después de recogerla del horno ..........................................................................................7 Figura II-2, Esquema de la Producción de Microsílice. .............................................................................................9 Figura II-3, Comparación de partículas de cemento portland y microsílice ......................................................... 10 Figura II-4, Tabla resumen de las propiedades físicas del microsílice ................................................................... 11 Figura II-5, Representación del efecto de micro-llenado ...................................................................................... 12 Figura II-6, Formación de CHS y Ca(OH) 2 ............................................................................................................... 13 Figura II-7, Disminución de Ca(OH)2 por reacción de SiO2, Ca(OH)2 y H2O ............................................................ 14 Figura II-8, Comparación tamaño partículas de microsílice y nanosílice .............................................................. 16 Figura II-9, Tabla resumen propiedades físicas y químicas de la nanosílice según fabricante ............................. 17 Figura II-10, amplificación x250 de la interfase pasta-árido. A) Sin nanosílice y b) Con 1% de nanosílice ........... 18 Figura III-1, Tabla comparativa de las características de microsílice y nanosílice ................................................. 21 Figura IV-1, Tabla de características Superplastificante CromPlast 1100 ............................................................. 26 Figura IV-2, Tabla de dosificación recomendada por Polpaico para H20, Grava y Plastificante ........................... 29 Figura IV-3, Tabla de dosificación para muestra HP/H20 con Superplastificante ................................................. 30 Figura IV-4, Tabla de dosificación para muestra HM/H20 con Superplastificante ............................................... 30 Figura IV-5, Tabla de dosificación para muestra HN/H20 con Superplastificante ................................................ 30 Figura IV-6, Tabla resumen del total de material utilizado ................................................................................... 31 Figura IV-7, Determinación de Docilidad por cono de Abrams ............................................................................. 31 Figura IV-8, Tabla de datos de docilidad en HP/H20 con superplastificante ........................................................ 32 Figura IV-9, Tabla de datos de docilidad en HM/H20 y superplastificante ........................................................... 32 Figura IV-10, Tabla de datos de docilidad en HN/H20 y superplastificante.......................................................... 32 Figura IV-11, Compactación por medio de Vibrado .............................................................................................. 33 Figura IV-12, Muestras de Hormigón en Cajón de Curado ................................................................................... 33 Figura IV-13, Probetas de hormigón en piscina de curado ................................................................................... 34 Figura IV-14, Ensayo de resistencia a la compresión ............................................................................................ 35 Figura IV-15, Tabla de resistencias a la compresión alcanzadas por HP/H20. ...................................................... 35 Figura IV-16, Tabla de resistencias a la compresión alcanzadas por HM/H20 ...................................................... 36 Figura IV-17, Tabla de resistencias a la compresión alcanzadas por HM/H20. ..................................................... 36 Figura V-1, Gráfico de resistencias a la compresión de los hormigones de prueba H20 ...................................... 37 ix
Figura V-2, Tabla de costos de materiales ............................................................................................................. 38 Figura V-3, Tabla de costos hormigones de prueba .............................................................................................. 38 Figura V-4, Gráfico relación costo – beneficio....................................................................................................... 39
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I.
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN.
Desde décadas se ha buscado mejorar las propiedades de los materiales en el área de la construcción con el fin de adecuarlos a los distintos escenarios que presente la creación de nuevas obras. En el caso del hormigón, el uso de adiciones para alcanzar mayores resistencias mecánicas comprende de los años setenta, con la aparición del microsílice. Una adición que incrementa principalmente las resistencias a la compresión, y que ha perdurado hasta nuestros días.
Con el pasar de los años y la innovación marchando día a día, se hace necesario que las construcciones de hormigón presenten nuevas características. La utilización de aditivos y adiciones brindan las propiedades que el hormigón tradicional no puede entregar por sí solo. Hoy en día la nanotecnología aparece como un elemento tecnológico incorporado en el hormigón, principalmente por su tamaño de partículas mil veces menor al microsílice modificando la microestructura de los hormigones. Está tecnología es incorporada como un aditivo denominado nanosílice, el cual brinda mejores propiedades resistentes por su composición química bastante similar a la microsílice pero superior por el tamaño que posee. La presente investigación nace para poder comparar ambos materiales vigentes y proporcionar un análisis empírico mediante experiencias de laboratorio sobre la influencia que generan al hormigón en sus resistencias a la compresión. También se busca presentar la relación costo-beneficio de ambos materiales y determinar que el nanosílice brinda mejores resultados al ser un material mejorado del microsílice.
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Desde los años setenta el microsílice o humo de sílice ha sido utilizado como una adición que beneficie al incremento de las resistencias mecánicas en el hormigón. Sin embargo las investigaciones y avances científicos en el área de la construcción han desarrollado en los últimos años una adición revolucionaria vinculada con la nanociencia y nanotecnología, idea que se traduce en un gran desarrollo tecnológico en una serie de actividades de gran impacto para la sociedad. 1
Este material es el nanosílice que ya en el siglo XXI es estudiado en cuanto a sus características generales, como también sus propiedades físico-químicas y ha sido creada como producto para ser utilizado en el hormigón. Si bien existen nuevos avances tecnológicos que mejoran las propiedades mecánicas, como es la resistencia a la compresión que brinda la adición de nanosílice, existen escasos estudios que comparen la influencia de estos aditivos y que determinen si el incremento a la resistencia es significativo en cuanto a costo-beneficio.
1.2. OBJETIVOS.
1.2.1. Objetivo General.
Determinar la influencia del nanosílice en el hormigón en comparación al microsílice con respecto a su resistencia a la compresión por medio de experiencia en laboratorio.
1.2.2. Objetivos Específicos.
Determinar las propiedades físico-químicas del microsílice y nanosílice.
Analizar resistencias a la compresión a los 7 y 28 días.
Realizar un análisis comparativo de los resultados obtenidos mediante ensayos de laboratorio referente a estudios de resistencia a la compresión.
Demostrar que el hormigón compuesto por nanosílice posee mayor resistencia a la compresión.
1.3. JUSTIFICACIÓN.
A través de los años el mercado de la construcción ha buscado nuevos avances tecnológicos que ayuden a los materiales a mejorar las propiedades de éstos, especialmente el hormigón. Una de las maneras más comunes de dar mejoras y propiedades especiales tanto físicas como químicas al hormigón es la utilización de aditivos o adiciones. 2
Si bien, existen diferentes tipos de aditivos y/o adiciones para ciertas condiciones y/o factores, ya sea tiempo de fraguado, suplemento de cemento, entre otros, la presente investigación se enfocará en la comparación y descripción de dos aditivos en base a silicio. Por un lado se estudiará al microsílice, que ha brindado mejoras en los últimos 50 años a las propiedades del hormigón, una de ellas es el incremento a sus propiedades mecánicas, principalmente la resistencia a la compresión. Cabe destacar que el microsílice entrega más beneficios a las propiedades del hormigón (tanto fresco como endurecido) que el nombrado anteriormente, pero no se profundizará en ellos en éste estudio. Por otro lado se encuentra el nanosílice, un aditivo utilizado por primera vez en Chile en la mina el teniente para mejorar los puntos débiles del microsílice por su agresividad al medio ambiente. Éste problema ha sido solucionado por algunas empresas con la incorporación de sacos hidrosolubles que evitan la suspensión y disipación de las micropartículas al ecosistema.
Ya que ambos aditivos, a simple vista, presentan similares mejoras a las propiedades de compresión se busca un análisis empírico que determine la influencia de éstos y así concluir con una comparación científica si la nanotecnología incorporada en los hormigones convencionales podría dar resultados significativos en cuanto a costo-beneficio.
II.
CAPÍTULO II: MARCO METODOLÓGICO.
2.1. GENERALIDADES DEL HORMIGÓN.
El hormigón es el resultado de la mezcla de uno o más aglomerantes, según Zabaleta (1992:10) indica que “el hormigón es un material constituido principalmente por áridos y pasta de cemento. Eventualmente contiene también una pequeña proporción de aire y aditivos utilizados para modificar algunas de sus propiedades”.
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2.1.2. Materiales constituyentes del Hormigón.
2.1.2.1 Cemento.
El cemento se presenta en forma de polvo finísimo, de color gris que, mezclado con agua forma una pasta que endurece tanto bajo el agua como el aire. Por endurecer bajo agua y por necesitar agua para su fraguado se le define como un aglomerante hidráulico (Zabaleta, 1992).
Proceso de Fabricación
La fabricación del cemento utiliza principalmente dos materias primas, una caliza, con alto contenido de cal en forma de óxido de calcio y un componente de sílice, constituido generalmente por arcilla o por una escoria de alto horno.
Los componentes nombrados anteriormente son mezclados en proporciones adecuadas y sometidos a un proceso de fusión incipiente en un horno rotatorio, del cual se obtiene un material granular llamado clinquer, constituido por cuatro compuestos básicos:
Silicato tricálcico (3 CaO . SiO 2), designado como C3S.
Silicato Bicálcico (2 CaO . SiO 2), designado como C2S.
Aluminato tricálcico (3 CaO . Al 2O3), designado como C3A.
Ferroaluminato Tetracálcico (4 CaO .Al2O3. Fe2O3), designado como C4AF.
Estos compuestos se presentan en forma de cuatro fases mineralizadas en conjunto con una fase vítrea, integrada por los dos últimos. Estás fases representan un 95% del peso total del clinquer, siendo el 5% restante componentes menores, como el óxido de sodio, potasio, titanio, entre otros. El clinquer es sometido a molienda mediante molinos de bolas hasta convertirlo en el polvo finísimo ya mencionado, en esta etapa se adiciona un 5% de yeso del peso del clinquer, esto para regular el proceso de fraguado de la pasta de cemento, ya que en otras circunstancias endurecería de forma casi inmediata. El resultado obtenido es un cemento denominado Cemento Portland. 4
Durante la molienda es posible adicionar otros productos naturales o artificiales, constituyendo así los cementos portland con adiciones o especiales, los que, junto con mantener las propiedades típicas del portland puro (fraguado y resistencia), poseen, además, otras cualidades especialmente relacionadas con la durabilidad, resistencia química y otras. Entre las adiciones más conocidas y utilizadas están las puzolanas, las cenizas volantes y las escorias básicas granuladas de alto horno.
Estas adiciones presentan una reactividad química potencial, que se activa durante la hidratación del clinquer a temperatura ambiente. Así, las puzolanas y cenizas volantes reaccionan con la cal hidratada liberada durante el proceso de hidratación de los componentes activos del clinquer. En cambio, en el caso de las escorias este efecto se produce porque la cal hidratada liberada desencadena la reacción de los componentes de la escoria, similares a los existentes en el clinquer. (Zabaleta, 1992).
2.1.2.2. Áridos.
Por razones económicas y de estabilidad físico-químicas es conveniente que la pasta de cemento sea sustentada por un esqueleto inerte. Este papel es desempeñado por un árido, el que constituye normalmente alrededor de 65 a un 75% del volumen total del hormigón y el cual está integrado por partículas granulares de material pétreo de tamaño variable (Zabaleta, 1992). La Nch 163 of 1979 define como árido aquel material pétreo compuesto de partículas duras, de forma y tamaño estables.
Dentro de la norma ya mencionada se clasifican los áridos en dos tipos según su tamaño: Arena y grava. La arena es el árido fino que pasa por el tamiz de abertura nominal de 5 mm y es retenido en el de 0,080 mm, y la Grava es el árido grueso retenido en el tamiz de abertura nominal de 5 mm.
2.1.2.3. Agua.
El agua es un componente fundamental, ya que su presencia condiciona el desarrollo de las propiedades del hormigón, tanto en su estado fresco como endurecido. Según Zabaleta (1992:20) afirma que el agua desempeña dos roles en su calidad de componente del hormigón: 5
“Participa en el proceso de hidratación del cemento, el cual no puede desarrollarse sin su presencia.
Otorga la trabajabilidad necesaria al hormigón, siendo determinante sin definir su fluidez.”
La Nch 1498 presenta ciertas características de la calidad del agua las cuales pueden resumirse de la siguiente forma: El uso de agua potable está permitido sin necesidad de verificar su calidad. El agua de mar sólo puede utilizarse en la preparación de hormigones de resistencia especificada inferior a H15 (150 kgf/cm 2). El agua con contenido de azúcares, en forma de sacarosa o glucosa, no puede ser empleada para la preparación de hormigones y las aguas de origen desconocido deben ser sometidas a análisis químicos.
2.1.2.4. Aditivos.
Según el ACI 116.R mencionado en Laínez, Martínez y Velásquez (2012: 30), indica que:
Los aditivos son materiales distintos del agua, agregados, cemento hidráulico, y adiciones que se utilizan como ingredientes del concreto y se añaden a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado, con el objeto de modificar sus propiedades, para que se adecuen mejor a las condiciones de trabajo, haciendo posible un adecuado transporte, comportamiento durante y después de colocado o para reducir los costos de producción.
2.2. MICROSÍLICE
2.2.1. Antecedentes Históricos.
Los primeros usos reconocidos de este material en hormigones de tipo estructural fueron en Noruega en 1971. Posteriormente en Suecia, Dinamarca y Noruega las plantas de premezclado comenzaron a incorporar microsílice en sus hormigones, iniciándose trabajos sistemáticos de investigación. En E.E.U.U y Canadá las aplicaciones se iniciaron a fines de los años 70. 6
El primer intercambio oficial de información técnica se produjo en la Primera Conferencia Internacional en Cenizas Volantes, Silica Fume, Escorias de alto horno y otros subproductos de minerales en hormigón, en Canadá en 1983. (Zabaleta, 1992).
2.2.2. Generalidades.
El Instituto Americano del Hormigón define al microsílice como “sílice no cristalina (amorfa) muy fina , con
elaboración en hornos eléctricos como un subproducto de la producción de sílice o de las aleaciones elementales que contiene el silicio”. En general un polvo gris, similar al cemento portland o a algunas cenizas volantes.
(Terence, 2005).
Figura II-1, Microsílice después de recogerla del horno (Terence, 2005).
Se deben tener ciertas consideraciones cuando sea incorporada al hormigón:
La utilización de microsílice genera mayor demanda de agua en el hormigón, por lo que se ha utilizado en combinación con aditivos plastificantes o fluidificantes.
Cuando el hormigón aún se encuentra en estado fresco aumenta de manera importante la cohesión y estabilidad de la mezcla y, consecuentemente, la segregación y exudación disminuyen considerablemente. 7
Además, la mayor cohesión hace necesario una mayor cantidad de agua para obtener igual t rabajabilidad que un hormigón sin microsílice.
Al incrementar las propiedades de resistencia al hormigón en su estado endurecido, es posible reducir parte de la dosis de cemento, manteniendo la resistencia a 28 días, o bien, si se mantuviese la dosis de cemento previstas, se pueden lograr un aumento a las resistencias finales.
Es un elemento importante para confeccionar hormigones de alta resistencia, sobre 500 kgf/cm2. (Zabaleta, 1992).
Las dosis de empleo del material utilizado en la investigación, según ficha técnica, varía entre un 5% al 15% del peso del cemento.
2.2.3. Producción.
EL microsílice es un material inorgánico de forma casi esférica y de excepcional finura. Es un subproducto de la condensación de vapores de sílice que resultan en la fabricación de silicio y ferrosilicio en hornos de arco eléctrico a partir de cuarzo, hierro y carbón. Al principio el cuarzo, que posee elevada pureza, se reduce dando silicio metal y aleaciones de ferrosilicio. Los humos producidos por la evaporación son extraídos por aspiración, éstos pasan por un sistema de filtración avanzados, donde las partículas sólidas condensadas son captadas y retenidas, obteniendo un polvo gris oscuro denominado Humo de sílice o Microsílice (Bollati, Delgado, Rahhal, et al., s.f).
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Figura II-2, Esquema de la Producción de Microsílice (Terence, 2005).
2.2.4. Propiedades Físicas.
La microsílice afecta las propiedades del hormigón ya sea en estado fresco como endurecido, esto, por consecuencia de las propiedades físicas y químicas. Las características físicas del microsílice varían significativamente de los componentes del hormigón corriente, pero su composición química es bastante similar.
2.2.4.1. Tamaño de Partícula.
Las partículas de microsílice son extremadamente pequeñas, más del 95% de ellas está a menos de 1 μm. El tamaño de las partículas es de suma importancia para las contribuciones físicas y químicas del microsílice en el hormigón. La micrografía de la Figura II-3 muestra, con un mismo aumento, el tamaño de los granos de cemento portland (izquierda) y las partículas de microsílice (derecha). En el lado del microsílice aparece una línea o barra de color blanco que tiene un largo de 1 μm (Terence, 2005).
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Figura II-3, Comparación de partículas de cemento portland (izquierda) y microsílice (derecha) (Terence, 2005).
2.2.4.2. Superficie Específica.
La superficie específica es el área total de una determinada masa de un material. Debido a que las part ículas del microsílice son muy pequeñas, la superficie específica es muy grande. Sabemos que la demanda de agua por arena incrementa cuando las partículas son más pequeñas; lo mismo ocurre con las partículas de microsílice. Debido a lo anterior, es necesario utilizar microsílice con reductores de agua o con superplastificantes. Un test especial, denominado “Bet mthod” o método de la adsorción de nitrógeno podría ser usado para medir la
superficie especifica del microsílice. La determinación de la superficie específica basada en un análisis granulométrico o un test de permeabilidad al aire son innecesarios para el microsílice. (Terence, 2005).
2.2.4.3. Densidad.
Este es sólo otro término por unidad de peso. La densidad a granel del microsílice depende del metal con el que se fabricó y cómo opera el horno (Terence, 2005). En el caso del material utilizado en esta investigación, según ficha técnica, posee una densidad de 230 kg/m 3.
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Figura II-4, Tabla resumen de las propiedades físicas del microsílice (Autores).
2.2.5. Propiedades Químicas.
2.2.5.1. Amorfo
Este término simplemente significa que el microsílice no es un material cristalino. Los materiales cristalinos no se disuelven reaccionando con el hormigón. No se debe olvidar que existe un material cristalino en el hormigón que es químicamente similar al microsílice. Este material es la arena. Aunque la arena es esencialmente dióxido de silicio, ésta no reacciona, ya que es naturalmente cristalina.
2.2.5.2. Dióxido de Silicio.
Es el material reactivo del microsílice. Siendo su composición química casi únicamente de dióxido de silicio. (SiO 2), que varía desde un 92% a un 98% aproximadamente.
2.2.5.3. Elementos Adicionales.
Puede existir elementos adicionales en el microsílice, esto dependerá del metal que se haya fundido donde fueron recuperadas las partículas. Generalmente, estos materiales no tienen ningún impacto en el desempeño de la microsílice (Terence, 2005).
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2.2.6. Reacción en el Hormigón.
Los beneficios del microsílice en el hormigón son el resultado de cambiar la microestructura de éste. Estos cambios son el resultado de dos procesos diferentes pero igualmente importantes. El primero de ellos es la contribución física del microsílice y el segundo es su contribución química. A continuación una breve descripción de cada uno de ellos.
2.2.6.1 Contribución Física.
La incorporación de microsílice aporta millones y millones de pequeñísimas partículas al hormigón. Al ser un árido fino, rellena los espacios entre las partículas de cemento. Este fenómeno es denominado micro-llenado y trae significativas mejoras en la naturaleza del hormigón. (Terence, 2005).
Figura II-5, Representación del efecto de micro-llenado (Perez, M. 2008).
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2.2.6.2. Contribución Química.
El microsílice tiene, normalmente, mayor reactividad que otras adiciones a edades tempranas por su alto contenido de dióxido de silicio y también por sus partículas finas que son más pequeñas que las del de cemento (Laínez, Martínez y Velásquez, 2012).
El microsílice mejora el hormigón principalmente por medio de dos mecanismos: la r eacción puzolánica y también el micro-llenado. En el caso de cemento, cuando es incorporada el agua provoca la hidratación formándose dos productos, como se muestra en la Figura II-5.
Figura II-6, Formación de CHS y Ca(OH) 2 (Grace, 2006).
El silicato de calcio hidratado formado es el aglomerante, que conserva unido al sistema. El hidróxido de calcio más débil no contribuye como un aglomerante y puede ocupar hasta un cuarto del volumen de los productos de hidratación. Además, es posible combinar el hidróxido de calcio con el dióxido de carbono para formar una sal soluble que penetre al hormigón provocando en éste eflorescencia.
En el caso del microsílice, este reacciona con el hidróxido de calcio y con el agua para producir más gel de silicato de calcio, mientras, simultáneamente, reduce el contenido de hidróxido de calcio como se muestra en la Figura II-6.
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Figura II-7, Disminución de Ca(OH)2 por reacción de SiO2, Ca(OH)2 y H2O (Grace, 2006).
Este aglomerante adicional (microsílice) mejora la adhesión dentro de la matriz de hormigón y ayuda a reducir la permeabilidad, mientras la reducción de hidróxido de calcio mejora la durabilidad del hormigón (Grace, 2006). Sin embargo no se profundizará sobre éstas propiedades (permeabilidad, durabilidad), ya que no es el objetivo principal de la investigación. Autores como Bollati, Delgado y Rahhal (s.f.) afirman que la adición de microsílice en una dosificación determinada de hormigón, de un 5% e n peso del cemento, incrementaría las resistencias en unos 10 Mpa a los 28 días de edad.
2.3. NANOSÍLICE.
2.3.1. Antecedentes Históricos.
Los primeros usos del nanosílice acontecen en el año 2003 en la mina el teniente, Chile, donde se buscaba un producto que pudiese reemplazar al microsílice. Esta tarea fue encomendada a la empresa Ulmen S.A. quienes sabían que la mejor opción para cambiar la microestructura del hormigón eran las nanopartículas. De esta manera nace un producto líquido, llamado nanosílice. Este producto aportaba mejores resultados que el antigüo microsílice, ya que resolvían los problemas de contaminación al medio ambiente por la suspensión de macropartículas que a la vez afectaba la salud de los operarios (Montes, E. 2012).
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2.3.2. Generalidades.
La nanosílice es una sílice coloidal que consiste en partículas de dióxido de silicio amorfo (SiO2), dispersas en el agua. El tamaño de las partículas es a nivel nanométrico, mil veces más pequeña que la microsílice. Esta selección de tamaño de partículas es la que confiere sus singulares propiedades.
La nanosílice es una modificación mejorada en relación al empleo de microsílice utilizada como adición en los hormigones, ofreciendo mayores ventajas como es la menor demanda de agua y mejor resistencia a edades tempranas.
Este producto nace ante la necesidad de la innovación, se promueve como alternativa a la microsílice que ha sido usada satisfactoriamente por décadas en los hormigones casi como producto exclusivo de adición (Perez, M. 2008).
2.3.3. Producción.
La producción del nanosílice se basa en la vaporación de sílice a temperaturas entre 1500 a 2000°C mediante la reducción de cuarzo (SiO 2) en hornos de arco eléctrico. Además, el nanosílice nace como un subproducto de la fabricación de metales de silicio y aleaciones de ferro-silicio donde se recoge por la condensación posterior a las partículas en un ciclón. El nanosílice que se consigue por este método es un polvo muy fino compuesto por partículas esféricas o microesferas con un diámetro de 150 nm con alta superficie específica (Quercia y Brouwers, 2010).
2.3.4. Propiedades Físicas.
Las propiedades son totalmente opuestas a las de la microsílice, se presenta en ellas diferencias como el color, el tamaño de partículas y el estado del material. 2.3.4.1. Tamaño de las Partículas.
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El tamaño de las partículas del nanosílice, tal como su nombre lo indica, es a nivel nanométrico, entre 3 nm y 150 nm (1 nm = 10-9m), las cuales son mucho más pequeñas que la microsílice que a la vez es 100 veces más fina que las partículas del cemento. (Perez, 2008).
En la siguiente figura se recogen dos fotografías en a) partículas de microsílice y en b) partículas de nanosílice. En ellas se puede observar a la misma escala como las partículas de nanosílice tienen el tamaño mil veces menor que la caracteriza, y a consecuencia de ello estas se encuentran más juntas y cubren mejor los espacios entre ellas.
Figura II-8, Comparación tamaño partículas de microsílice y nanosílice (Montes, E. 2012).
2.3.4.2. Superficie específica.
Como ya se conoce, la superficie específica es la relación entre el área total y la masa de un sólido. En el caso del producto en estudio, según ficha técnica de sus fabricantes la superficie específica es de 500 m 2/g. Como el tamaño de las partículas es a nivel nanométrico, la superficie específica de la nanosílice es extremadamente grande lo que entrega plasticidad a la mezcla de hormigón (Perez 2008).
2.3.4.3. Densidad. La densidad de la nanosílice utilizada en este proyecto es de 1100 kg/m3.
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2.3.5. Propiedades Químicas.
2.3.5.1. Amorfa.
Sabat define que el nanosílice no es un material cristalino, por lo que se considera un material amorfo al igual que el microsílice (Sabat, M. Comunicación personal, 27 de Septiembre de 2013).
2.3.5.2. Concentración de Sílica
Según ficha técnica Crom-C5, el nanosílice utilizado contiene un porcentaje de sílice de 15% disuelto en una solución líquida.
Figura II-9, Tabla resumen propiedades físicas y químicas de la nanosílice según fabricante (Autores).
2.3.6. Reacción en el Hormigón. Las cualidades que aporta el nanosílice son el resultado al cambiar la estructura del hormigón a nivel nanométrico, fortaleciendo a un nivel mil veces mayor que el tradicional, permitiendo un ahorro de cemento. Estos cambios se deben a dos procesos diferentes; uno dependiendo de las propiedades físicas y el otro por las propiedades químicas.
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2.3.6.1. Contribución Física.
La contribución física está relacionada al tamaño de las partículas, las nanopartículas llenan los vacíos entre los granos de cemento, lo que resulta en la inmovilización del agua libre, a lo que se denomina un efecto de llenado “filler”. A su vez las nanopartículas mejoran la estructura de la zona de contacto de los agregados lo cual genera
mejores uniones entre estos y la pasta de cemento (Cárcamo, 2006). A continuación se presenta la amplificación de la interfase pasta-árido sin nanosílice en a), y con un 1% de nanosílice en b). Se observa como la interfase donde se contiene un 1% de nanosílice es más densa y con menos espacios vacíos lo que conllevaría a una mayor densidad.
Figura II-10, amplificación x250 de la interfase pasta-árido. A) Sin nanosílice y b) Con 1% de nanosílice (Montes, E. 2012).
2.3.6.2. Contribución Química. Una contribución química importante de la nanosílice es que esta acelera el proceso de hidratación del hormigón por la razón de que las nanopartículas tienen una muy buena dispersión en la mezcla y actúan como centros de cristalización de hidratos de cementos. La nanosílice participa en las reacciones puzolánicas del cemento, lo cual tiene resultados en el consumo de hidróxido de calcio y por ende la formación de Silicato de calcio hidratado (CSH) adicional (Carcamo, 2006).
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El silicato de calcio hidratado que se forma es el pegamento aglomerante que conserva unido el sistema. A medida que el cemento se hidrata, las partículas de nanosílice se combinan con los elementos del hormigón distribuyéndose en todos los espacios que quedan entre las partículas de cemento y los agregados. De esta forma se transforma de hidróxido de calcio a nano- CSH, lo que hace que el hormigón quede más compacto, más resistente y con una estructura más homogénea en comparación al hormigón tradicional (Perez, 2008).
III.
CAPÍTULO III: COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE Y SUS VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
Si bien el microsílice ha sido utilizado para brindar mayores resistencias en el hormigón, poseía una desventaja importante, la cual era la enemistad con el medio ambiente, esto, por las partículas en suspensión, como también problemas de salud a los que operaban con este material. Sin embargo existen empresas como CROM S.A. que eliminaron estos inconvenientes con la incorporación de bolsas hidrosolubles para el microsílice que son cargadas directamente en los camiones mezcladores de hormigón desintegrándose en su interior y evitando la suspensión de sus micropartículas.
A continuación se analizarán las ventajas y desventajas de este material.
3.1. VENTAJAS DEL MICROSÍLICE.
Reducción de espesores en estructuras de hormigón.
Puede suplementar las dosis de cementos y conservar las resistencias finales previstas en dosificación.
Mantener dosis de cemento e incorporar microsílice para aumentar propiedades mecánicas a edades finales.
Al ser una escoria de horno, reacciona con el hidróxido de calcio, disminuyendo éste y aumentando la fabricación del silicato de calcio (Gel CSH).
Por su tamaño de partícula, modifica la microestructura del hormigón tradicional, dando un micro-llenado que aumenta permeabilidad y adhesión entre la pasta de cemento y agregados.
En el estado fresco del hormigón, provoca mayor cohesión reduciendo exudación y segregación considerablemente. 19
Disminuye el porcentaje de aire en el hormigón.
3.2. DESVENTAJAS DEL MICROSÍLICE.
Necesidad de incorporar reductores de agua por la demanda de agua que genera.
Se requiere personal capacitado para su manejo.
Polvorienta y sensible a la humedad.
3.3. VENTAJAS DEL NANOSÍLICE. La nanosílice al tener un tamaño de partículas a nivel nanométrico otorga ventajas adicionales gracias a la estabilización y refuerzo de propiedades de la materia a un nivel mil veces más pequeño que el nivel micro.
A continuación se analizan las ventajas y desventajas de este material.
No existe contaminación por partículas sólidas.
Se puede obtener hormigones con altas resistencias iniciales y finales debido a la baja permeabilidad y porosidad y al aumento de la densidad debido a una mejora en la cohesión del hormigón.
Hormigón con buena trabajabilidad.
No requiere el uso de superplastificantes.
Reducción de espesores en estructuras de hormigón.
Acelera el proceso de hidratación del cemento.
3.4. DESVENTAJAS DEL NANOSÍLICE
Alto precio.
Se requiere personal capacitado para su manejo.
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3.5. COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL MICROSÍLICE Y NANOSÍLICE.
A continuación se procede a comparar las características de ambos materiales.
Figura III-1, Tabla comparativa de las características de microsílice y nanosílice (Autores).
IV.
CAPITULO IV: EXPERIENCIA Y ENSAYOS DE LABORATORIO.
Como ya se ha mencionado en capítulos anteriores, la microsílice ha sido utilizada por m uchos años en Chile para la confección de hormigones de altas resistencias. Pero con el pasar de los años los avances tecnológicos en el área de la construcción han evolucionado y han aparecido nuevos productos, como es el caso del nanosílice que presenta mejoras en muchas propiedades del hormigón. Cabe destacar que esta investigación sólo se enfocará en el análisis a la resistencia de compresión. 21
El objetivo experimental de esta investigación es analizar el incremento de resistencias a los 7 y 28 días al incorporar nanosílice y microsílice en la mezcla de hormigón y poderlas comparar a un hormigón convencional. Además se le incorporará un superplastificante a cada una de las muestras, esto por la razón de cumplir con una comparación justa, ya que, la demanda de agua incrementa al utilizar microsílice y éste necesita de un fluidificante, plastificante o superplastificante.
4.1. PLANIFICACIÓN DE LA EXPERIENCIA.
La planificación de la experiencia reviste gran importancia ya que en ella se determinan las pruebas y ensayos que se deberán realizar.
4.1.1. Esquema general.
Se realizarán tres tipos de hormigones grado H20 con la misma dosificación y la misma cantidad en peso de aditivos para obtener una comparación justa entre estos y poder observar de forma clara la influencia que genera la incorporación de aditivos. De esta forma se realiza un Esquema General que consiste en: Planificación de la experiencia a realizar con hormigones grado H20.
HP/H-20, Patrón, hormigón normal con superplastificante.
HM/H-20, Hormigón con incorporación de superplastificante y microsílice.
HN/H-20, Hormigón con incorporación de superplastificante y nanosílice.
4.1.2. Elementos Contantes.
Para poder comparar los resultados obtenidos de las diferentes experiencias y visualizar en forma detallada el efecto de las adiciones y aditivos en los hormigones, se mantendrán algunos componentes y condiciones constantes.
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Dosis de Cemento.
Para cada tipo de hormigón, las dosis de cemento respectivas se mantendrán constantes, con el fin de tener uniformidad en la cantidad de aglomerante de las mezclas y no influir en el efecto que pudieran tener los aditivos y adiciones en los hormigones.
Agregados.
Para todos los hormigones se usará sólo un tipo de árido con el mismo origen, que corresponde a grava rodada de 1 ½ y arena extraída del rio Bio Bio y suministrado por un solo proveedor, Maquinaria centro sur limitada (CMS LTDA.).
Dosis de Agua.
Sólo para la experiencia con los hormigones HP y HM la dosis de agua neta permanece constante. Para el caso en la dosis de agua del hormigón HN se explicará en la sección 3.1.3.
Superplastificantes.
Las muestras en estudio poseen superplastificante CromPlast 1100, esto se debe a que la muestra con microsílice necesita de algún tipo de reductor de agua por lo que al incorporárselo, se debe también aplicar a las demás muestras.
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4.1.3. Elementos variables.
Consistencia y agua de amasado.
La cantidad de agua para amasado estará limitada por la necesidad de alcanzar la trabajabilidad adecuada para cada tipo de hormigón.
Con respecto a este tema, se debe considerar, que la dosis de agua neta del hormigón HN se disminuyó con respecto a las demás muestras, ya que éste está disuelto en agua que debe ser compensada para no aumentar la razón A/C.
4.1.4 Determinación de los ensayos a realizar.
A continuación se procederá a señalar los ensayos que se realizarán a las muestras de hormigón.
Medición de la trabajabilidad y docilidad del hormigón fresco.
La determinación de la trabajabilidad del hormigón fresco se efectuará después de confeccionar las mezclas de hormigón, mediante el método de asentamiento de cono de Abrams, según la Nch 1019 of 74.
Ensayo de resistencia a compresión.
La resistencia a la compresión es puesta en marcha una vez que las probetas de hormigón cumplan con la edad requerida para su ensayo. El ensayo de compresión de las probetas cúbicas, confeccionadas según la Nch 1017 of 75, seguirá los establecido en la Nch 1037 of 77. Esta prueba se realizará, para poder determinar cuál es la diferencia del incremento de resistencia de las muestras HM y HN.
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4.2. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LOS MATERIALES EMPLEADOS.
A continuación se hace una descripción y análisis de los materiales que se utilizarán en la fabricación de dichos hormigones, ya que sus características juegan un papel muy importante en los resultados que se obtendrán en los diferentes hormigones de prueba.
4.2.1. Cemento.
El cemento utilizado en esta investigación fue Polpaico especial, el cual es un conglomerante hidráulico que se fabrica bajo la norma Nch 148. Este cemento se clasifica como un cemento Grado Corriente.
4.2.2. Áridos.
Para este ensayo no se realizaron pruebas de granulometría ni se determinó el aporte de humedad y absorción de los áridos, debido a que se utilizó dosis recomendadas por cementos Polpaico para un hormigón grado H20 con grava-arena con adición de aditivos la que se explica en la sección 3.4.1.
4.2.3. Aditivos.
En general el uso de aditivos superplastificantes es de empleo universal, siendo adecuado para la mayor parte de los hormigones. Su finalidad es mejorar la docilidad de las mezclas lo que permite disminuir la razón agua/cemento, produciendo un aumento de la compacidad. La disminución de los huecos en el interior de las masas de la mezcla, beneficiará la impermeabilidad y la resistencia de los hormigones.
En las tres experiencias a realizar, tanto para el hormigón patrón y hormigón con adición de microsílice y nanosílice, se utiliza el mismo aditivo, el cual se describirá a continuación:
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4.2.3.1. Superplastificante CROMPLAST 1100.
Es un aditivo líquido, sin cloruros agregados, para uso en hormigón. Permite una mezcla de mayor docilidad para una cantidad de agua de amasado constante, o bien, reduce la cantidad de agua de amasado para una docilidad constante, entregando mayores resistencias mecánicas a edades iniciales y finales para una misma cantidad de cemento.
Figura IV-1, Tabla de características Superplastificante CromPlast 1100 (Autores).
4.2.3.2. Microsilex.
Es un producto basado en sílice natural con propiedades puzolánicas el cual, puede mejorar el desempeño y durabilidad del hormigón. La dosis de empleo, según fabricante va desde un 5 a un 15% del peso del cemento.
4.2.3.3. Nanosílice CROM CS-5
Es una sílice coloidal inorgánica, altamente reactiva, estabilizada en medio acuoso. Se recomienda en dosis entre 0,3 y 2,0 % con respecto del peso del cemento (270 a 1800 ml. por cada 100 kg de cemento).
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4.2.4. Agua.
El agua no tiene mayor problemática en su utilización, la condición mínima que se debe cumplir en la confección de hormigones, es utilizar agua que sea potable, condición que se adoptó en la realización de estas pruebas según Nch 1498 Of 92.
4.3. PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA.
A continuación se dará a conocer la descripción de los procedimientos según normativa, que se utilizarán en la fabricación de las mezclas de hormigón, confección de probetas, almacenamientos de ellas y ensayos de resistencia a la compresión. Con esto se podrá determinar la influencia que podría tener la incorporación de adiciones y aditivos.
En general todo el procedimiento realizado en los ensayos de las mezclas de hormigón, se basarán en los procedimientos y metodologías previamente establecidas en las normas respectivas, estas serán identificas en cada experiencia.
4.3.1. Preparación de las mezclas en hormigón de prueba.
Para la incorporación de Nanosílice, al ser un aditivo líquido, será considerado dentro del agua para el amasado de los hormigones de muestra.
Para las muestras HM y HN, las adiciones se emplearán en dosis de 2.5% del peso del cemento. Además se le incorporará un superplastificante a cada una de las muestras, esto, por la razón de cumplir con una comparación justa, ya que la demanda de agua incrementa al utilizar microsílice. El mezclado del hormigón se realizará preferentemente por mezclado mecánico según Nch 1018 of 77.
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4.3.2. Determinación de la trabajabilidad y docilidad del hormigón.
La determinación de la trabajabilidad del hormigón se lleva a cabo mediante el método de asentamiento de cono de Abrams, cuyos procedimientos se encuentran en la norma Nch 1019 of 74.
El método de asentamiento de cono de Abrams, determina la docilidad del hormigón fresco por la disminución de altura que experimenta el tronco de cono moldeado de hormigón fresco.
4.3.3. Confección y curado de las probetas de hormigón.
Cuando se requieran probetas para ensayos de compresión se confeccionarán y curarán de acuerdo con los procedimientos establecidos en la Nch 1017 of. 75. La compactación de las probetas, se basará en el asentamiento del cono de Abrams, de acuerdo con la tabla 3 de la Nch 1017 of. 75.
4.3.4. Ensayo de resistencia a compresión de las probetas.
El ensayo de rotura por compresión de las probetas cúbicas, confeccionadas según la norma Nch 1017 of 75, siguiendo lo establecido en la norma 1037 Of 77. la cual menciona el método para realizar este ensayo.
4.4. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA.
A continuación se describirá la forma en que se realizaron los hormigones de prueba. En general toda la operatoria utilizada en este capítulo, se basará en los procedimientos y metodologías previamente señalados en el capítulo anterior.
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4.4.1. Preparación de las mezclas de hormigón.
El mezclado del hormigón se efectuó en forma mecánica, en una mezcladora normalizada (Betonera) de eje inclinado, con capacidad de 90 lts. de rendimiento efectivo.
Cabe destacar que al momento de hacer el último hormigón con adición de nanosílice la betonera sufrió un inconveniente, el que no nos permitió el confeccionamiento correcto del hormigón con adición de Nanosílice. Debido a esto se optó por la solución de hacer la revuelta manualmente.
Se realizaron 3 amasadas de 0,05 m3, tres probetas cúbicas de 20 centímetros de aristas. Para el ensayo de resistencia a la compresión a los 7 días, se confeccionaron una muestra por cada tipo de hormigón (3 Probetas) y para medir la resistencia a los 28 días, se usaron 2 probetas para cada tipo de hormigón (6 probetas). Para la dosificación del hormigón se utilizó recomendaciones que entrega Polpaico, las cuales fueron:
Hormigón H-20.
Docilidad: Cono 5±1.
Grava Rodada.
Con aditivo Plastificante.
Figura IV-2, Tabla de dosificación recomendada por Polpaico para H20, Grava y Plastificante (Autores).
Para efecto de análisis comparativo entre los aditivos Microsílice y Nanosílice, la tabla anterior fue adecuada a nuestras necesidades (véase tabla III-3). Para está investigación se requería 50 lts de hormigón, donde fue 29
considerado también para determinar ensayo de docilidad. Las siguientes tablas muestran la dosificación de las muestras HP/H20, HM/H20 y HN/H20 todas con aditivo superplastificante y resumen del material utilizado para la confección de las muestras.
Figura IV-3, Tabla de dosificación para muestra HP/H20 con Superplastificante (Autores).
Figura IV-4, Tabla de dosificación para muestra HM/H20 con Superplastificante (Autores).
Figura IV-5, Tabla de dosificación para muestra HN/H20 con Superplastificante (Autores).
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Figura IV-6, Tabla resumen del total de material utilizado (Autores).
4.4.2. Determinación de la trabajabilidad de los hormigones.
Para la determinación de la docilidad de los hormigones se buscó la trabajabilidad deseada 5±1 en la cual, la dosis de agua se mantuvo constante para las muestras HP y HM. En el caso de la muestra HN, la razón A/C cambio por motivos mencionados en la Sección 3.1.3.
Figura IV-7, Determinación de Docilidad por cono de Abrams (Autores).
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Figura IV-8, Tabla de datos de docilidad en HP/H20 con superplastificante (Autores).
Figura IV-9, Tabla de datos de docilidad en HM/H20 y superplastificante (Autores).
Figura IV-10, Tabla de datos de docilidad en HN/H20 y superplastificante (Autores).
4.5. CONFECCIÓN Y CURADO DE PROBETAS DE HORMIGÓN.
Previa a colocación de mezcla en las probetas, se aplicó desmoldante para prevenir la adherencia de los componentes del hormigón con el molde (metálico). Se utilizaron moldes cúbicos de 20 centímetros de aristas, vaciando el hormigón cuidadosamente dentro de los moldes en dos capas para evitar segregación.
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El procedimiento de compactación del hormigón se realizó mediante el método de vibrado (véase Figura III-2) según Nch 1017 Of 75. El asentamiento de cono cumplió con la dosificación recomendada por Polpaico, utilizada en esta investigación.
Figura IV-11, Compactación por medio de Vibrado (Autores).
Terminada la confección de probetas se ingresan a un cajón de curado, con el cual se evita la perdida de humedad por evaporación.
Figura IV-12, Muestras de Hormigón en Cajón de Curado (Autores).
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Después de 20 horas las probetas fueron desmoldadas e ingresadas a piscina de curado hasta cumplir la edad para ser ensayadas. Las condiciones del agua en la piscina de curado fueron temperaturas alrededor de 19°C a 21°C aproximadamente, cumpliendo con la norma Nch 1017 of 75.
Figura IV-13, Probetas de hormigón en piscina de curado (Autores).
4.8. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN.
De cada amasada se obtuvieron 3 muestras, donde 3 muestras fueron ensayadas a los 7 días y 6 muestras a los 28 días, totalizando 9 ensayos.
Los ensayos fueron realizados por laboratorio IDIEM, ubicado en Hualpén, quienes nos entregaron los resultados en un informe de autocontrol.
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Figura IV-14, Ensayo de resistencia a la compresión (Autores).
4.9. RESULTADOS DE HORMIGONES DE PRUEBA.
Una vez que las probetas alcanzaron la edad correspondiente, estas fueron ensayadas, lográndose los siguientes resultados de resistencia media a la compresión a los 7 y 28 días.
Resistencia alcanzada por HP/H20 (Kgf/cm 2)
Figura IV-15, Tabla de resistencias a la compresión alcanzadas por HP/H20 (Autores).
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Resistencia alcanzada por HM/H20 (Kgf/cm 2)
Figura IV-16, Tabla de resistencias a la compresión alcanzadas por HM/H20 (Autores).
Resistencia alcanzada por HN/H20 (Kgf/cm 2)
Figura IV-17, Tabla de resistencias a la compresión alcanzadas por HM/H20 (Autores).
V.
CAPITULO V: ANALISIS DE RESULTADOS.
5.1. COMPARACIÓN DE RESISTENCIAS A COMPRESIÓN.
A continuación se presenta un gráfico, con las curvas de evolución de resistencias a la compresión para los hormigones HP/H20, HM/H20 Y HN/H20. Para ello, se ensayaron probetas a los 7 y 28 días de edad. El grafico muestra la influencia de la edad en la resistencia para los hormigones señalados.
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RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN 300 250 200 ) ² m c / f 150 g k ( c R 100
HP HM HN
50 0 0
7
28
Tiempo (Días)
Figura V-1, Gráfico de resistencias a la compresión de los hormigones de prueba H20 (Autores).
Al observar de forma general el gráfico IV-1, se aprecia superioridad por parte de los hormigones de prueba HN/H20 Y HM/H20, superando la resistencia base esperada a los 28 días (200kgf/cm2). Sin embargo, el hormigón de prueba HN/H20, tiene un comportamiento bastante deficiente, entregando resistencias de un 30,75% por debajo de la resistencia base esperada, encontrándose en todas las edades inferior al hormigón patrón. Esto es principalmente influenciado por la confección de amasado.
Por otro lado, el HM/H20 es el hormigón de prueba que sostuvo sus resistencias en todas las edades por encima de las demás muestras. Sin embargo su incremento no fue considerable, esto se debe a que las dosis recomendadas de este material son entre el 5% y 15% y las dosis utilizadas en este ensayo fueron de 2.5%, esto para realizar una comparación justa con respecto al nanosílice que no puede superar más del 2%.
5.2. ANÁLISIS COSTO – BENEFICIO.
Como ya sabemos, las características químicas de la nanosílice y microsílice son similares y otorgan las mismas propiedades. Sin embargo el tamaño de partículas y el estado del material es lo que principalmente los diferencia, y hace que una sea más efectiva que la otra. Es por ello que en el presente capítulo se realizará un análisis costos - beneficio para determinar el material más eficiente 37
Antes de comenzar con el análisis se presentarán los costos del mercado de los diferentes materiales empleados en esta investigación (véase Tabla V-1).
Figura V-2, Tabla de costos de materiales (Autores).
Visto lo anterior se procede a cuantificar el costo total de cada muestra. Esto, para determinar la diferencia de precios para cada hormigón de prueba y, posteriormente, realizar una relación versus la resistencia final alcanzada por cada una de las muestras.
Figura V-3, Tabla de costos hormigones de prueba (Autores).
Como se puede apreciar en la tabla anterior, el hormigón con incorporación de nanosílice es el que posee mayor costo de fabricación superando en un 59% el costo del hormigón con adición de microsílice y en un 61% mayor al hormigón patrón.
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Para poder analizar de forma clara el costo - beneficio de los hormigones fabricados en este proyecto, se procederá a graficar su resistencia con respecto al costo de su fabricación.
Figura V-4, Gráfico relación costo – beneficio (Autores).
Si bien, el gráfico anterior muestra un incremento en los precios del hormigón con nanosílice, con respecto a los demás, la resistencia final es considerablemente menor con un 30,75% inferior al hormigón patrón. Por otro lado, el comportamiento que muestra el hormigón con adición de microsílice en cuanto a costo con respecto al hormigón patrón no varía de manera significativa (5,3%), no en el caso de su resistencia final, la cual incrementa en un 19,2% con respecto al hormigón de diseño.
Con respecto al análisis de costo - beneficio podemos determinar que la influencia del microsílice incrementa las resistencias a la compresión de los hormigones, teniendo en cuenta que en esta investigación se utilizó dosis de empleo de 2,5% con respecto al peso del cemento, la cual no es la recomendada por los fabricantes (5% a 15%). Esto es debido principalmente al objetivo de esta investigación la que consiste en realizar un análisis comparativo de ambos materiales, donde el nanosílice tiene una dosis de empleo del orden de 0,3% a 2,0%. Por esta razón, es imposible utilizar para ambos casos una dosis de empleo recomendada por fabricantes ya que ambas no coinciden.
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VI.
CAPÍTULO VI: CONCLUSIÓN.
De acuerdo a los objetivos del presente proyecto de titulación podemos establecer que el beneficio de la investigación radica en que ésta da un conocimiento de las principales diferencia de la microsílice y nanosílice tanto físicas y químicas, gracias a esto podemos entender cómo es que influyen cada uno de estos aditivos en el hormigón a esfuerzo a compresión. La microsílice tiene una gran influencia en el hormigón por su contribución física y química, así queda demostrado en nuestros ensayos de resistencia a compresión, donde se observa que esta adición siempre tuvo un mayor comportamiento con respecto a las demás muestras. Dado los resultados determinados en el análisis de costo para la fabricación de la muestra con microsílice, estos no son significativo en relación al incremento de resistencia a compresión que produce sobre el mismo. Por otro lado, los valores entregados en la relación costo y beneficio por parte del nanosílice, se puede determinar que este material no presenta una ventaja en el aspecto económico. Sin embargo no se puede descartar la posibilidad del beneficio en el aspecto práctico ya que la aplicación del aditivo no se realizó en condiciones óptimas o iguales con respecto a las muestras con microsílice y de referencia.
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