“Evaluación de morteros de revestimiento con adición de LC2 en fachadas de edificaciones del malecón habanero” Autor Egly Fernández Hernández Tutor Dr. Arq. Dania Betancourt Cura , junio, 2019 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL "Evaluation of coating mortars with the addition of LC2 in facades of buildings on the Havana boardwalk" Author Egly Fernández Hernández Thesis Director Dr. Arq. Dania Betancourt Cura , june, 2019 Civil Engineering Departament Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419 III Exergo “La ciencia de hoy es la tecnología del mañana” Edward Teller IV Dedicatoria Lograr esta meta no hubiese sido posible sin el apoyo de mi familia, por eso este éxito está dedicado a ellos V Agradecimientos A mis padres por haberme apoyado para cumplir este sueño A mis hermanos que han sido mi alegría en los momentos difíciles Al resto de mi familia por la ayuda brindada a lo largo de estos años A esos buenos amigos que siempre han estado para mí en todo momento A mi tutora Dania y al profesor Martirena por ayudarme en esta investigación A Julio, Yaíma y Abdel por la excelente labor en la realización de los ensayos Al resto de profesores y técnicos que hicieron posible mi formación como ingeniera VI Resumen En la investigación realizada se evaluó el comportamiento de los morteros de albañilería fabricados con LC2. Para analizar y valorar el comportamiento que puede tener la adición LC2 en los morteros de albañilería, se confeccionó un diseño experimental en el que se consideraron las definiciones de variables dependientes, respondiendo a las propiedades de los morteros en sus diferentes estados y variables independientes, analizando factores como volumen de cemento y adición a utilizar. Se caracterizaron las materias primas y se elaboraron 36 probetas prismáticas de 40 x 40 x 160 mm para la realización de los ensayos de resistencia a flexocompresión y absorción capilar. Se realizaron ensayos de consistencia, retención de agua, densidad y adherencia a las mezclas en estado fresco. Los resultados obtenidos validaron satisfactoriamente el empleo de la adición LC2 en morteros de albañilería según las especificaciones exigidas por la normativa cubana. Palabras claves: adición puzolánica, arcilla calcinada, caliza, mortero de albañilería. VII Abstract In the research carried out, the behavior of masonry mortars made with LC2 was evaluated. To this end, a series of physical-mechanical and durability tests were carried out in accordance with the specifications established in the Cuban standard NC 175: 2002. The pozzolanic addition consists of 60% calcined clay, 40% limestone and 10% gypsum. To analyze and evaluate the behavior that the addition of LC 2 can have in masonry mortars, an experimental design was made in which the definitions of dependent variables were considered, responding to the properties of the mortars in their different states and independent variables, analyzing factors such as cement volume and addition to be used. The raw materials were characterized and 36 prismatic samples of 40 x 40 x 160 mm were prepared for the performance of the flexocompression and capillary absorption. Tests of consistency, water retention, density and adherence to mixtures in dry, fresh and hardened state were made. The results obtained satisfactorily validated the use of the LC2 addition in masonry mortars according to the specifications required by Cuban regulations. Keywords: pozzolanic addition, calcined clay, limestone, masonry mortar. VIII Índice Exergo ...................................................................................................................... III Dedicatoria ................................................................................................................ IV Agradecimientos ........................................................................................................ V Resumen .................................................................................................................. VI Abstract .................................................................................................................... VII Índice ...................................................................................................................... VIII Introducción ............................................................................................................... 1 Capítulo 1: Marco teórico y metodológico .................................................................. 5 1.1 Producción actual de cemento Portland ........................................................... 5 1.2 Medidas para mitigar el impacto ambiental de la producción de cemento ....... 5 1.2.1 Aumento de la eficiencia de los procesos .................................................. 5 1.2.2 Uso de combustibles alternativos .............................................................. 6 1.2.3 Captura y secuestro de carbono ................................................................ 6 1.2.4 Disminución del clínker .............................................................................. 7 1.3 Puzolanas......................................................................................................... 7 1.3.1 Definición ................................................................................................... 7 1.3.2 Clasificación ............................................................................................... 8 1.3.3 Actividad puzolánica .................................................................................. 8 1.3.4 Puzolanas más utilizadas en Cuba y el mundo ......................................... 8 1.3.5 Cementos puzolánicos............................................................................. 10 1.4 Arcillas calcinadas como material cementicio suplementario ......................... 11 1.4.1 Generalidades acerca de las arcillas y minerales arcillosos .................... 11 1.4.2 Activación de las arcillas .......................................................................... 11 1.4.3 Arcillas caoliníticas. Metacaolín ............................................................... 12 1.4.4 Arcillas multicomponentes ....................................................................... 13 1.5 Cemento de bajo contenido de carbono (LC3) ............................................... 13 1.5.1 Propiedades del cemento LC3 ................................................................. 13 1.5.3 Aplicaciones e importancia ...................................................................... 14 1.5.4 Antecedentes del empleo de cemento LC3 en morteros de albañilería ... 14 1.6 Morteros ......................................................................................................... 15 IX 1.6.1 Clasificación ............................................................................................. 16 1.6.3 Dosificaciones .......................................................................................... 19 1.6.4 Propiedades ............................................................................................. 21 1.6.5 Ensayos para la evaluación de morteros de albañilería .......................... 24 1.6.6 Patologías ................................................................................................ 27 1.7 Normas de especificaciones de calidad y ensayos a morteros ............... ¡Error! Marcador no definido. Normas europeas ................................................ ¡Error! Marcador no definido. Normas cubanas ............................................................................................... 55 1.7 Conclusiones parciales del capítulo ............................................................... 28 Capítulo II Empleo de la adición LC2 en morteros de albañilería ............................. 29 2.1 Generalidades ................................................................................................ 29 2.2 Diseño Experimental ...................................................................................... 29 2.3 Selección y caracterización de las materias primas ....................................... 30 2.3.1 Árido ........................................................................................................ 31 2.3.2 Cemento P-35 .......................................................................................... 32 2.3.3 Agua ........................................................................................................ 33 2.3.4 Adición de LC2 ......................................................................................... 33 2.4 Selección de las dosificaciones ...................................................................... 35 2.5 Elaboración de las mezclas de mortero ......................................................... 35 2.6 Ensayos de laboratorio ................................................................................... 36 2.6.1 Ensayo de consistencia. NC 170:2002 “Mortero fresco. Determinación de la consistencia en mesa de sacudida” .............................................................. 36 2.6.2 Ensayo de densidad. Mezcla seca y mezcla húmeda ............................. 36 2.5.3 Ensayo de capacidad de retención de agua NC 169:2002 “Mortero fresco. Capacidad de retención de agua”. .................................................................... 37 2.6.4 Ensayo de adherencia NC 172:2002 “Mortero endurecido. Determinación de la resistencia a la adherencia por tracción”.................................................. 38 2.7 Ensayos físico-mecánicos a probetas de morteros. Procedimientos ............. 39 2.7.1 Proceso de fabricación de las probetas. NC 173:2002 ............................ 39 2.7.2 Resistencia a flexión y compresión. NC 173:2002 “Mortero endurecido. Determinación de la resistencia a flexión y compresión”. ................................. 39 2.7.3 Absorción de agua por capilaridad. (NC171:2002) .................................. 41 2.6 Conclusiones del capítulo............................................................................... 41 X Capítulo III: Análisis de los resultados de los ensayos a morteros de albañilería .... 43 3.1 Análisis de resultados de ensayo de consistencia ......................................... 43 3.2 Análisis de resultados de densidad aparente ................................................. 43 3.3 Análisis de resultados de la retención de agua .............................................. 44 3.4 Análisis de resultados de la resistencia mecánica de los morteros ................ 44 3.5 Análisis de los resultados de la absorción de agua por capilaridad ............... 47 3.6 Análisis de los resultados de la resistencia a la adherencia por tracción ....... 47 3.7 Conclusiones parciales del capítulo. .............................................................. 49 Conclusiones generales ........................................................................................... 50 Recomendaciones ................................................................................................... 51 Referencias bibliográficas ........................................................................................ 52 Anexos ..................................................................................................................... 56 1 Introducción El cemento Portland es el material de construcción más utilizado en todo el mundo debido a su resistencia físico-mecánica, durabilidad, versatilidad y precio de producción respecto a otros materiales. A pesar de todas las ventajas que implica su uso, el continuo crecimiento en su fabricación ha devenido en un impacto negativo en el medio ambiente, por lo cual se ha hecho necesaria la búsqueda de nuevas alternativas que permitan una producción más ecológica del mismo, sin afectar su comportamiento ante los esfuerzos y ambientes a los que será sometido. La reducción de la cantidad de clínker por el uso de materiales cementicios suplementarios es una de las alternativas más económicas y, por ende, más adaptables a la producción de cemento en Cuba. (VARELA, 2017) Entre la amplia variedad de materiales que pueden ser empleados como adiciones puzolánicas, existe creciente interés en el empleo de las arcillas activadas térmicamente, por su amplia disponibilidad al estar ampliamente diseminadas por toda la corteza terrestre, relativa facilidad de tratamiento al ser activadas mediante procesos térmicos que requieren mucho menos energía que la demandada por la elaboración del clínker y demostradas propiedades puzolánicas una vez calcinadas bajo condiciones específicas. (ALUJAS, 2010a) El LC2 es una adición conformada por arcilla calcinada+caliza+yeso, este último en pequeñas cantidades de forma que compense el incremento de aluminatos que se encuentran en el sistema a consecuencia del empleo de la arcilla y promete ser un producto independiente de bajo costo, bajo nivel de inversión, ecológico y sustentable. Se pretende utilizar esta adición tanto en hormigones como en morteros de revestimiento y colocación de ladrillos y bloques. (VARELA, 2017) Actualmente adquiere vital importancia mantener y rescatar las estructuras arquitectónicas y urbanas del pasado, bajo requerimientos presentes y principios de sostenibilidad social, económica, tecnológica, y de protección a la naturaleza. (ÁLVAREZ, 2013) El empleo del LC2 en la restauración de edificaciones expuestas a ambientes agresivos con presencia de cloruros, sulfatos y carbonatos es una de las premisas a alcanzar con este nuevo material alternativo. Situación problémica: 2 Las edificaciones patrimoniales presentes en las zonas costeras de todo el país sufren alto porcentaje de deterioro debido a la cristalización de sales, principalmente en los morteros de unión y revestimiento. Las soluciones de morteros actuales no son compatibles con los materiales originales del muro y no garantizan la durabilidad de la restauración. Interrogante científica: ¿En qué porciento se debe sustituir el cemento Portland Ordinario (CPO) por la adición de arcilla calcinada-caliza-yeso (LC2) para obtener morteros de albañilería que cumplan las especificaciones establecidas en la NC 175:2002? Hipótesis de la investigación: Si el mortero fabricado con adición de LC2 cumple con las especificaciones de las norma podrá ser utilizado como revestimiento de edificaciones patrimoniales del malecón habanero. Objetivo general: Caracterizar a nivel macro los morteros con adición de LC2 utilizados en los revestimientos de edificaciones ubicadas en el malecón habanero según la NC 175:2002. Objetivos específicos: 1. Estudiar antecedentes teóricos sobre las principales patologías que afectan a los morteros de albañilería y sobre el uso del LC2 en sustitución de una parte de cemento Portland. 2. Caracterizar morteros fabricados con adición de LC2 en estado fresco y en estado endurecido según las normativas cubanas. 3. Evaluar el comportamiento físicomecánico de las distintas dosificaciones utilizadas, de acuerdo a las especificaciones de la norma. Tareas científicas: 1. Búsqueda bibliográfica que permita conocer el estado del arte de la temática a través de la revisión de literatura actualizada sobre el tema. 2. Selección y obtención de las materias primas a emplear en la producción de morteros de albañilería. 3. Caracterización de las materias primas que se empelarán para la elaboración de los morteros 4. Fabricación de morteros con aglomerantes ya diseñados, atendiendo a los requerimientos de la NC 175:2002 Morteros de Albañilería. Especificaciones. 3 5. Preparación de muestras de morteros de albañilería con cementos P-35 y LC2 6. Realización de los ensayos de resistencia a la flexocompresión, adherencia y absorción capilar a los especímenes fabricados 7. Análisis del comportamiento de los cementos P-35 y LC2 en morteros de albañilería a partir de los resultados obtenidos mediante la realización de los ensayos realizados. Novedad científica: Se plantea una nueva alternativa para la fabricación de morteros de albañilería que permitan la sustitución de una parte de cemento portland, cumpliendo las exigencias de la NC 175:2002. Aporte Práctico: Radica en la obtención de una mezcla de mortero de revestimiento utilizando adiciones de LC2 en sustitución de un porciento de cemento. Estructura de los capítulos Capítulo 1: Marco teórico y metodológico. Se realiza una revisión y análisis de la bibliografía existente en cuanto a morteros de albañilería, tipos de morteros que existen y las posibles dosificaciones a emplear para su fabricación. Se resumen los principales problemas de durabilidad que presentan los morteros, así como las causas de estos. Se presentan además los conceptos y definiciones fundamentales referidos a las adiciones y al uso de materiales cementicios suplementarios, así como las potencialidades de los mismos en la fabricación de morteros de albañilería. Capítulo 2: Materiales y métodos. Se describe el proceso de caracterización de las materias primas y el empleo de la adición (LC2) para su utilización en morteros de albañilería. Se expone el diseño de experimentos. Concluida esta etapa se explican los principales ensayos que permiten evaluar el comportamiento físico-mecánico de los morteros elaborados con la nueva adición. Capítulo 3: Análisis de resultados de los ensayos a morteros de albañilería. Se exponen los resultados obtenidos en los ensayos físico-mecánicos, de adherencia y de absorción capilar. Se evalúa si con el empleo de la adición de arcilla calcinada-caliza-yeso (LC2) sustituida a un porciento del cemento, los morteros de albañilería cumplen las especificaciones de calidad establecidas en la norma NC 175:2002 Morteros de albañilería. Especificaciones. Se 4 comparan los resultados con los de los morteros de P-35. Luego se presentan las conclusiones, las recomendaciones, la bibliografía y los anexos del informe. 5 Capítulo 1: Marco teórico y metodológico 1.1 Producción actual de cemento Portland El descubrimiento del cemento Portland (CPO) como material cementante, patentado en el año 1824 por Joseph Aspdin, ha sido sin lugar a dudas uno de los acontecimientos más importantes en la historia de los materiales de construcción. Su uso prácticamente en todos los trabajos de la construcción, su costo relativamente bajo, la posibilidad de lograr una producción industrial masiva y los buenos resultados obtenidos en sus aplicaciones han sido la causa de que hoy en día este aglomerante haya desplazado a todos los que le antecedieron, los cuales han quedado relegados a aplicaciones menores en trabajos de albañilería (MARTIRENA, 2009). Aproximadamente el 8% de la emisión global de CO2 es generada durante la producción del cemento. El principal productor de cemento en el mundo es China (más del 50%), seguido por India y EEUU. Si se mantienen las mismas emisiones de CO2 correspondiente a la industria del cemento aumentará de 2297 millones de toneladas registradas en 2005 a 3486 millones de toneladas estimadas para el 2020 (GNCS, 2012). Se espera que el CPO permanezca como uno de los materiales de construcción más empleados. Por tanto, es necesario importantes cambios en la industria cementera para lograr un desarrollo sustentable. Ante esta problemática, la tendencia del CPO será hacia la disminución del contenido de clínker por el empleo de Materiales Cementicios Suplementarios (MCS) y al aumento del uso de combustibles alternativos para su fabricación (ATCIN, 2000). 1.2 Medidas para mitigar el impacto ambiental de la producción de cemento 1.2.1 Aumento de la eficiencia de los procesos El consumo energético de la producción de cemento está marcado por dos procesos fundamentales: la combustión de las materias primas en la obtención del clínker y el molido de este. Los procesos húmedos son menos eficientes que los semi-húmedos, semi-secos y secos, estimándose una reducción de aproximadamente 3GJ/t en la transición de un proceso 6 húmedo a uno seco, con tecnologías de hornos con pre-calentadores y pre-calcinadores. (TAYLOR, 2006), (HENDRIKS, 1998)), (WORRELL, 2008) El crecimiento de la producción de cemento de las últimas décadas ha estado sustentado en el uso de las tecnologías más modernas, aunque aún existen otras plantas en el mundo que operan a niveles inferiores de eficiencia, debido fundamentalmente a su envejecimiento. Los datos brindados por (PEKMEZCI, 2004) demuestran que desde 1990 hasta el 2006 no ha habido mejoras significativas en la eficiencia térmica para la manufactura de cemento. Solo la transición del proceso húmedo a cualquier otro proceso ofrece un cambio sustancial con respecto a las emisiones. De manera general, la implementación de esta práctica ha estado concentrada fundamentalmente en países desarrollados, pues está condicionada a la disponibilidad de desechos en las diferentes regiones, la estructura organizativa para su colección y además está sujeta a estrictas regulaciones de sanidad y manejo. (CEMBUREAU, 2009) 1.2.2 Uso de combustibles alternativos Las principales fuentes de energía utilizadas en la industria del cemento son el carbón, el fuel oil, el gas natural, la petroleumcoke –también conocida como petcoke–, y otros combustibles “alternativos” (Manufacturing Industries, 2000). La cantidad de CO2 liberado durante la calcinación depende del tipo de combustible usado, y por supuesto, de la tecnología disponible. Dado que el carbón es el combustible más contaminante de todos los mencionados (HENDRIKS, 1998), la reducción del contenido de este es la alternativa para minimizar también las emisiones de CO2. El uso de los combustibles alternativos ha devenido la mejor opción en la reducción de emisiones. Subproductos de desecho de otras industrias utilizados como combustible han reducido entre 0.1 y 0.5 toneladas de emisiones por cada tonelada de cemento producido. (DAMTOFT, ET AL 2008), (HENDRIKS, 1998), (MATHIEU, 2013). La aplicación de esta medida de reducción de emisiones está concentrada en países con alto desarrollo económico, comprometidos a través del Anexo I del Protocolo de Kioto (CSI, 2010), debido a la poca disponibilidad de desechos, la necesidad de una estructura organizativa para su colección y la gran cantidad de regulaciones dispuestas en cuanto a sanidad y manejo (CEMBUREAU, 2009). 1.2.3 Captura y secuestro de carbono También conocida como (CSC), es un set de tecnologías que consiste en la separación de los gases liberados durante el proceso de manufactura, su presurización, transporte por 7 tuberías e inyección en rocas porosas a gran profundidad de la corteza terrestre, para su posterior transformación a largo plazo en carbonatos de calcio, obteniendo como subproducto agua potable. (BARNETT, 2010), (EPA, 2013). Con la implementación de esta tecnología las emisiones por la industria cementera se reducirían en un 56% para el 2050 (IEA-WDBSC). Es evidente que esta solución, costeada entre US$ 474 y US$ 593 billones, traería costos adicionales en la producción perjudicando económicamente los países en desarrollo (DAMINELI, 2011). 1.2.4 Disminución del clínker La reducción del factor de clínker en el cemento a través del empleo de otros productos reactivos constituye una de las líneas de trabajo establecidas por la industria del cemento en su camino hacia la sostenibilidad ambiental. Se calcula que del total de emisiones de CO2, aproximadamente el 40 % proviene de la quema de combustibles y el consumo de energía eléctrica, mientras que el 60 % restante es causado por la descarbonatación de las materias primas durante el proceso de fabricación del clínker. (CSI, 2010) Normalmente se utilizan materiales cementicios suplementarios que sustituyan una parte del volumen de clínker necesario y reaccionen con el hidróxido de calcio. Estas adiciones pueden comprometer la resistencia a edades tempranas del cemento, la cinética de reacción y pueden suponer un aumento en el contenido de agua (TURANLI, 2004), (PEKMEZCI, 2004), (LAWRENCE, 2005). Por ello su utilización está restringida por la normativa europea (CEN EN 197-1, 2011) hasta un 35%, en dependencia del material cementicio suplementario (MCS) utilizado. La alternativa del uso de MCS en la fabricación de cemento es la alternativa más ambientalista de las establecidas actualmente. Su implementación, además de reducir considerablemente las emisiones de CO2, permite aumentar los volúmenes de producción a bajos costos de inversión, por lo que resulta económicamente viable para países subdesarrollados. 1.3 Puzolanas 1.3.1 Definición La ASTM-C 608-92a define las puzolanas como materiales silíceos o aluminosos, los cuales por sí mismos poseen poco o ningún valor cementante, pero en forma finamente dividida y en presencia de humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a 8 temperaturas ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades cementicias. De modo más amplio puede agregarse, que los productos formados son silicatos y alumosilicatos hidratados, similares a los resultantes del fraguado del cemento Portland. 1.3.2 Clasificación Las puzolanas pueden clasificarse, en dependencia de su origen, en naturales o artificiales. Las puzolanas naturales son las rocas existentes en la naturaleza que no precisan para su empleo nada más que la molienda, siendo característico de ellas que en su composición química predomine la sílice, el aluminio y el hierro. Las mismas no están distribuidas uniformemente en el planeta, pero hay varias zonas donde estos materiales son abundantes, en especial en el llamado "cinturón de fuego" (MARTIRENA, 2003). Por otro lado, las puzolanas artificiales son subproductos de procesos altos consumidores de energía, ya sea por las altas temperaturas requeridas en la calcinación o combustión de materias primas, así como por el alto costo tecnológico asociado al mismo. Sus producciones principales se centran en países desarrollados, donde materiales como la ceniza volante (flyash), el humo de sílice (silica fume), las escorias de fundición (blastfurnaceslag) y arcillas calcinadas (metakaolín) se muestran como las de mayor aceptación para la producción de cementos mezclados. 1.3.3 Actividad puzolánica La reacción puzolánica se caracteriza por el consumo de hidróxido de calcio (CH) por parte de la sílice o alúmina reactiva presente en las puzolanas, para formar los hidrosilicatos de calcio (C-S-H). El contenido del gel de estos productos de reacción es generalmente incrementado, propiciando una menor porosidad capilar y por ende superior resistencia y durabilidad. (TAYLOR, 2006), (FELDMAN, 1984), (AGARWAL, 2006) 1.3.4 Puzolanas más utilizadas en Cuba y el mundo Arcillas calcinadas: Las arcillas quemadas o calcinadas fueron las primeras puzolanas que se utilizaron, en forma de polvo proveniente de la molienda de ladrillos, alfarería y tejas, que se mezclaron con cal para producir cementos para morteros. En términos generales, la mejor arcilla para las puzolanas es la plástica, que se emplea en la alfarería y en la fabricación de tejas. La temperatura óptima de calcinación es entre 700°C a 800°C con variaciones, dependiendo del tipo de arcilla (2006) 9 Cenizas volcánicas: Los depósitos de cenizas volcánicas se encuentran donde hay o recientemente hubo actividad volcánica, por ejemplo en el Mediterráneo, en el África central y oriental, y en la región del Pacifico. La forma natural de estos depósitos varía bastante al igual que su reactividad puzolánica. Normalmente no requieren calcinarse de nuevo y, si se tiene la suerte de encontrarla ya en forma de polvo, no habrá necesidad de molerla. Otros materiales volcánicos como la piedra pómez pulverizada pueden ser también puzolánicos (2006). Cenizas pulverizadas de carbón de piedra (PFA): Las cenizas pulverizadas del carbón de piedra, que es usado como combustible de plantas de producción de energía eléctrica, son el material puzolánico más usado en el mundo. Las PFA ya están en la forma de polvo fino y no necesitan proceso adicional. Su disponibilidad en forma suelta y su bajo costo, la hacen ideal para combinarla con OPC en fábricas de cemento o en grandes proyectos de Ingeniería Civil. Su reactividad no es tan alta como otras puzolanas y por esta razón no es tan usada para combinarla con la cal. (2006) Cenizas de residuos agrícolas: Muchas cenizas de plantas tienen un alto contenido de sílice por lo que son aptas como puzolanas. La cáscara del arroz ha demostrado tener la potencialidad máxima debido a que está disponible en grandes cantidades en varias partes del mundo, cuando es quemada produce bastante ceniza (una tonelada por cinco de cáscara) y contiene un 90% de sílice por lo que es una excelente puzolana. La desventaja de la cáscara de arroz consiste en que, para hacerla altamente puzolánica, es necesario tener bien controlada su quema (2006) Sílica fume: es un aditivo mineral amorfo, de gran finura que se obtiene como resultado de la reducción de cuarzo de alta pureza, con carbón de hulla y astillas de madera, en hornos de arco eléctrico durante la producción de silicio metal o ferro silicio. Debido a su extrema finura y a su alto contenido de sílica, se convierte en un material puzolánico muy efectivo. Entre los beneficios que aporta se encuentran: reducción de la segregación y exudación, reducción del calor de hidratación, aumento de la cohesión y densidad, disminución de la penetración del agua y reducción considerable de la permeabilidad a sulfatos y cloruros (2006) Ceniza de bagazo de caña: Actualmente en los ingenios azucareros existe una gran cantidad de bagazo que es utilizado como combustible para la producción de vapor de alta presión en las calderas en la obtención de energía eléctrica, de esto resulta otro residuo: las cenizas. El contenido de sílice aproximado de CBC es del 89%, y ha sido reportado como un material 10 que posee características puzolánicas apto para su utilización en mezclas con cemento (ESPINOZA, 2014) Otras Puzolanas: Otras fuentes de puzolana son la pizarra, diatomita, bauxita y escoria de hornos. La pizarra requiere un tratamiento similar al de la arcilla; la bauxita igualmente, pero a menor temperatura, la diatomita es altamente reactiva; pero su aplicación es restringida debido a la gran cantidad de agua que requiere para producir una mezcla plástica debido a que es porosa, la escoria, residuo de las fábricas de acero, tiene una reacción limitada, pero es efectiva si es mezclada con OPC (2006) Las puzolanas más abundantes en Cuba son las tobas zeolíticas. Son comunes las cenizas de la cascara de arroz y de la caña. Actualmente se les presta principal atención a las arcillas calcinadas debido a su disponibilidad y eficiencia como material cementicio suplementario. 1.3.5 Cementos puzolánicos Los cementos puzolánicos son aquellos a los cuales se les añade una parte de puzolana durante el proceso de producción. En la hidratación del cemento se produce silicatos de calcio hidratados y la portlandita que, a pesar de no aportar beneficios a la acción mecánica de la matriz, mantiene un ambiente alcalino que evita la corrosión del acero en caso de producirse carbonatación del concreto. Al adicionar puzolanas la portlandita reacciona con esta, produciendo compuestos de CSH responsables de la resistencia mecánica. (VILLAREAL, 2004) 1.3.5.1 Propiedades de los cementos puzolánicos Los hormigones producidos con cementos puzolánicos poseen mayor lentitud en alcanzar la resistencia máxima y requieren un medio húmedo para lograr una buena hidratación. Sin embargo, la resistencia que se logra con estos iguala, e incluso supera en ocasiones, la de los que no tienen sustitución. En los cementos con adiciones ocurre una disminución de la proporción de aluminato tricálcico C3A, principal responsable de la suceptibilidad del cemento a los sulfatos y mineral que más aporta calor de hidratación a este, por lo que se vuelve favorable su uso en ambientes agresivos y como vía de control de la temperatura. El hecho de que las puzolanas reaccionen con la cal derivada de las reacciones de hidratación del cemento (C3S y C2S) hace que los hormigones sean más resistentes a la 11 corrosión provocada por las aguas blandas, que se produce principalmente por la lixiviación de la portlandita por aguas con CO2 agresivo. 1.4 Arcillas calcinadas como material cementicio suplementario 1.4.1 Generalidades acerca de las arcillas y minerales arcillosos Las puzolanas naturales en forma de arcillas calcinadas mezcladas con cal han sido utilizadas como material cementante desde hace miles de años. Su empleo se remonta hasta las civilizaciones romana y griega, cuyo testimonio material es prueba de sus reconocidas propiedades de resistencia y durabilidad. (MIELENZ, 1983) Las arcillas son el producto de la disgregación parcial o total de las rocas ígneas por acción del agua, los agentes atmosféricos, la temperatura y la presión, durante muy largos períodos de tiempo. Son mezclas de diversas especies minerales, según la composición de la roca matriz y el proceso de meteorización sufrido (KINGERY, W.D. et al., 1976), (MARI E.A., 1998). Las arcillas son un grupo de minerales cuyos elementos predominantes son el Si, Al y O, y cuyas propiedades físico-químicas derivan de su composición química, su particular estructura interna en forma de capas (filosilicatos) y su tamaño de grano muy fino (ALUJAS, 2010b). Los minerales alúmino-silíceos, fuente primaria de los minerales arcillosos, constituyen el 75% de la corteza terrestre y se encuentran ampliamente diseminados por ella (TSIVILIS, 1999). Debido a su alta dispersión y abundancia en todo el planeta, el uso de las arcillas como material puzolánico puede convertirse en una solución económica y ambientalista al problema de la emisión de CO2 1.4.2 Activación de las arcillas Las arcillas en su estado natural poseen una estructura cristalina muy estable, de baja solubilidad química, lo cual reduce en gran medida la liberación de la sílice y alúmina presente, exhibiendo por tanto baja puzolanicidad. Presentan una alta capacidad para la inmovilización de agua entre las capas que componen su estructura, así como para la adsorción de iones, que influye en la composición química de las soluciones acuosas. (DANNER, 2013), (ALUJAS, 2010b) La activación se puede producir mediante procesos mecánicos, químicos y térmicos que alteran o destruyen la estructura cristalina de las arcillas (SHI, 2001), (CANTU, 2001). La 12 activación térmica a través de la deshidroxilación de los minerales componentes es la técnica más común y efectiva (VIZCAYNO, 2010), razón por la cual se dedica el análisis solamente a este método. La activación de las arcillas como material puzolánico se produce a partir de la remoción de los OHˉ estructurales, la ruptura de los enlaces químicos y la desestabilización resultante de la estructura cristalina. La pérdida de los OHˉ desestabiliza eléctricamente la estructura. Es por eso que en las arcillas calcinadas las fases de alúmina juegan un papel muy importante en la reactividad puzolánica, pues son estas zonas de la estructura las primeras en desestabilizarse durante el proceso de deshidroxilación. La desestabilización de cargas eléctricas y la ruptura de los enlaces químicos por el calentamiento provocan el colapso parcial de la estructura. (ALUJAS, 2010b). Los rangos de temperatura en que termina la deshidroxilación y comienza la recristalización están determinados por la naturaleza de la fase arcillosa. Este proceso es generalmente monitoreado por análisis térmico diferencial (ATD). Estudios realizados demuestran que la caolinita resulta ser la más activa una vez sometida a tratamiento térmico. 1.4.3 Arcillas caoliníticas. Metacaolín La caolinita es el material arcilloso que requiere de la menor temperatura para la deshidroxilación de su estructura, 600 ºC (FERNÁNDEZ et al., 2011), lo cual trae asociado un menor costo energético. Además, tiene la ventana térmica más amplia entre el comienzo del estado metaestable y la recristalización, lo que constituye una ventaja tecnológica. Es por ello que el estudio y empleo de arcillas calcinadas como MCS ha estado centrado en los últimos años en arcillas ricas en caolinita. El Metacaolín (MK) se define como una puzolana artificial. Es un derivado de la calcinación de arcillas caoliníticas y está constituida básicamente por compuestos a base de sílica (SiO2) y alúmina (Al2O3) en fase amorfa, proporcionando alta reactividad con el hidróxido de calcio o portlandita - Ca(OH)2-, resultante de la hidratación del cemento (SCANDIUZZI, 1986) El uso de MK como puzolana ha aportado mejoras a los hormigones como el aumento de la resistencia a edades tempranas debido al efecto filler y la acelerada hidratación del cemento, lo cual refina la estructura de poros (AGARWAL, 2006), (LAWRENCE, 2005) y la reducción de los efectos de las reacciones álcali-sílice, debido a la reacción que produce con el hidróxido de calcio, formando fases cementicias de hidrosilicatos de calcio. 13 El uso del MK tiene también sus desventajas en cuanto a la baja disponibilidad de arcillas puras en caolín, así como los altos costos de la calcinación. Una buena forma de reducir estos inconvenientes, es la utilización de arcillas menos puras. 1.4.4 Arcillas multicomponentes Estudios realizados por el CIDEM (Centro de Desarrollo de Estructuras y Materiales) en nuestro país, demostraron la reactividad puzolánica de los productos de calcinación de una arcilla cubana con bajo contenido de Caolinita y su potencial empleo como substituto parcial del CPO. En general los productos de calcinación de arcillas con bajo contenido de Caolinita han demostrado buena reactividad puzolánica en sistemas con un 30% de reemplazo del CPO, actuando como un filler que incrementa la hidratación del CPO y como un material puzolánico (ALUJAS, 2010b). 1.5 Cemento de bajo contenido de carbono (LC3) El cemento de bajo contenido de carbono (LC3) es un nuevo material aglomerante surgido en el Centro de Investigación y Desarrollo de las Estructuras y los Materiales de Construcción (CIDEM), en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV). Esta nueva tecnología es un cemento ternario. En su producción se han reducido las emisiones de CO2 hasta un 50% y muestra propiedades similares al cemento Portland. Consiste en la sustitución de parte del clínker por una combinación sinérgica de arcilla calcinada y piedra caliza, la calcinación ocurre a temperaturas más bajas que la requerida para la obtención del clínker, por lo que conlleva a ahorros de combustible. La novedad y el potencial del LC3 residen en el efecto sinérgico de arcillas calcinadas y piedra caliza en términos de resistencia a las proporciones de mezcla específicas (ALUJAS, 2010b), (CASTILLO, 2010a), (FERNÁNDEZ, 2013), (MARTIRENA, 2003), (MENA, 2013), (PÉREZ CABRERA, 2013), (SCRIVENER, 2008). La reducción del costo total de producción del cemento LC3 es del 15 % con respecto al P-35 y 5 % con respecto al PP-25 bajo las condiciones de fabricación de la fábrica Siguaney. (VIZCAÍNO, 2014) 1.5.1 Propiedades del cemento LC3 El cemento LC3, a pesar de encontrarse aún en fase de estudio, ha demostrado resultados exitosos en diversos aspectos relacionados con las propiedades físico-mecánicas. En estudios recientes se ha comprobado buen potencial en cuanto a resistencia a compresión y 14 absorción de agua en elementos como bloques, baldosas y otros componentes no estructurales (FERNÁNDEZ, 2009). Su potencial se evidencia en el efecto sinérgico entre la arcilla calcinada y la caliza que permite aumentar la actividad puzolánica y estas reaccionan con el hidróxido de calcio que se forma durante la hidratación del cemento Portland dando lugar a la formación de fases del tipo Afm (hemicarbo y monocarboaluminatos). (CASTILLO, 2010b) Estos cementos requieren mayor contenido de agua y/o aditivos superplastificantes, debido al aumento de la superficie específica que trae consigo la inclusión de arcillas finamente molidas (AGUILAR, 2015), (MARTIRENA, 2015). 1.5.3 Aplicaciones e importancia El cemento de bajo carbono producido artesanalmente tiene como ventajas el aprovechamiento de las fuentes locales de materias primas, fundamentalmente desechos de la producción de rasillas y ladrillos. La producción descentralizada, en zonas alejadas de los grandes centros industriales y grandes ciudades, así como los bajos costos de inversión inicial y recuperación rápida de esta. Este conglomerante puede ser utilizado en morteros de albañilería, estabilización de suelo en bloques prensados, producción de prefabricados ligeros de hormigón de pequeño formato y en la elaboración de hormigón masivo de baja resistencia (MARTIRENA, 2015). Según Álvarez Ibarra, 2014 se han producido en Cuba alrededor de 143 130 toneladas de LC³ y en una segunda etapa, 11 000 bloques huecos de hormigón se han producido con éxito con el empleo de este nuevo cemento. Estos bloques cumplen con las normas de resistencia y absorción de agua, por lo que se utilizarán para la construcción de estructuras con diferentes fines investigativos. 1.5.4 Antecedentes del empleo de cemento LC3 en morteros de albañilería En el trabajo de diploma de (ÁLVAREZ, 2014) se empleó en morteros de albañilería, el cemento SIG B-45 producido a escala industrial en la Fábrica de Cemento de Siguaney con un 45 % de sustitución de clínker por metacaolín y caliza (2:1). Los valores de resistencia a compresión de los morteros tipo III, según la NC 175:2002, mostraron un sobrecumplimiento en un 50% de las especificaciones establecidas en dicha norma. En estudios realizados por Rodríguez, 2014 se emplearon en morteros de albañilería, los cementos B-60 (LC3-60 (2:1) y B-75 (LC³ -75 (2:1) con 60 y 75% de sustitución de clínker por metacaolín y caliza, producidos estos a escala de laboratorio en un molino de bolas de acero MB-800 que desarrolla un mecanismo de impacto y desgaste, con el que se pueden lograr partículas con 15 tamaño de 10 μm. La finura de molienda obtenida para los cementos B-60 y B-75 semejaron las obtenidas en la Fábrica de Cemento de Siguaney, alcanzando valores de 92.8 y 91.4 % respectivamente pasado por el tamiz de 90 μm. Además, al cumplir con lo establecido en la norma cubana NC 97:2011, la norma chilena 3121/1-2010, la norma europea EN 196 y la norma guatemalteca NTG 41096, se pudieron clasificar como cementos de albañilería. La resistencia a compresión de los morteros de albañilería tipo III según la NC 175:2002, con el empleo de estos cementos superó los valores establecidos en dicha norma, aunque las absorciones de los cementos a evaluar fueron mayores que los valores obtenidos para los morteros patrón elaborados con PP-25. En el trabajo de (AGUILAR, 2015) se utilizó el cemento LC³ -50(1,5:1) empleando como adición puzolánica, rasillas de barro calcinadas y gravilla, para la fabricación de bloques huecos de hormigón hidráulico y hormigones de hasta 20 MPa. Obteniendo una finura de molienda de 91.5% pasado por el tamiz de 90 μm y la resistencia a compresión de los bloques huecos de hormigón tipo III cumplió con las resistencias mínimas a los 7 y 28 días y con el porciento de absorción máximo especificado en la (NC 247: 2010). En el trabajo de (LORENZO, 2017) se presentó la evaluación de la influencia de la adición puzolánica LC2 en el comportamiento de morteros de albañilería tipo II, para ello se realizaron una serie de ensayos físico-mecánicos y de durabilidad de acuerdo con las especificaciones establecidas en la norma cubana NC 175:2002 y se valoró el comportamiento que puede tener la adición LC2 en los morteros de albañilería, analizando factores como volumen de cemento, cal y adición a utilizar. El empleo de cementos con 50 y 60% de sustitución de P-35 muestra un excelente potencial y constituye una viable alternativa para nuestro país debido a que se puede llegar a establecer una producción comercial de cemento con menor costo, aplicable en albañilería y con una composición muy similar a la usada en aglomerantes de morteros históricos tradicionales. 1.6 Morteros El mortero es un material de construcción formado por una mezcla de conglomerante y árido fino que al adicionarle agua reacciona y adquiere resistencia. Puede estar compuesto además por aditivos químicos y adiciones que mejoran sus propiedades y le otorgan características especiales tanto en estado fresco como endurecido (BARRERA, 2002b). El desempeño fundamental de los morteros radica en el mejoramiento de retención de agua, 16 adherencia, extensibilidad y demás propiedades que se ven afectadas cuando se pone en contacto con sustratos porosos y absorbentes, lo que hace de la resistencia a compresión uno entre varios factores importantes (BARRERA, 2002b); (AGUADO, 1990). Son mezclas plásticas empleadas como material de asentamiento o unión de elementos, como material de recubrimiento o acabado de superficies y para la fabricación de piedras artificiales pero los más empleados son los de cal, de cementos y la mezcla de ambos (morteros bastardos) con arena natural (HERNBOSTEL, 2002). La norma cubana NC175, 2002 define por mortero a una mezcla de uno o varios conglomerantes, áridos, agua y a veces adiciones y/o aditivos que sirve para unir elementos como ladrillos, bloques, celosías y otros, también sirve para revestimientos de paredes y techos. 1.6.1 Clasificación Según la Asociación Nacional de Fabricantes de Mortero (AFAM), se pueden clasificar por concepto o demanda en: Mortero diseñado: Su concepción y método de fabricación son elegidos por el fabricante para obtener propiedades específicas establecidas previamente (concepto de comportamiento) (AFAM) (s.f.-b). Mortero prescrito: Es fabricado a partir de los componentes primarios en proporciones predeterminadas, cuyas propiedades dependen de las propiedades de los componentes (concepto de receta) (AFAM) (s.f.-b). Según (BLANCO, 2012), se pueden clasificar por la naturaleza del conglomerante en: Morteros de base cal: Es una mezcla compuesta de cal aérea o hidráulica, arena y agua; pueden tener hasta un 5% de cemento blanco cuando se considere necesario y aditivos para mejorar algunas propiedades (NC 556:2007). La cal aérea hidratada (apagada) amasada con agua y expuesta a la acción del aire, primeramente fragua por cristalización del hidróxido de calcio, se carbonata lentamente por la acción del CO2 atmosférico y esto forma carbonato de calcio, poco soluble en agua. El grado de carbonatación de la cal apagada de los morteros depende, además de las condiciones atmosféricas, fundamentalmente de la humedad y las condiciones en obra (CEMCO, 2007). La cal hidráulica amasada con agua forma una pasta que fragua y endurece a causa de las reacciones de hidrólisis e hidratación, lo que da lugar a la formación de silicatos cálcicos hidratados haciendo más recomendable su uso en ambientes húmedos. Las propiedades de los morteros de cal están limitadas por el proceso 17 de endurecimiento, por lo que presentan baja resistencia mecánica, elevada capacidad de deformación, elevada permeabilidad al agua y al vapor de agua, ausencia de sales solubles, fácil laborabilidad debido al lento proceso de endurecimiento, elevada retracción y baja resistencia a los ciclos hielo/deshielo (BLANCO, 2012); (PÉREZ 2008). Morteros de base cal con puzolanas: Son morteros plásticos, laborables, de porosidad media y resistencias mecánicas de baja a media. El tipo de cal y, principalmente, el tipo, fineza y actividad de la puzolana influyen en la reactividad del cemento, ya que las puzolanas naturales y artificiales están formadas por silicatos o aluminosilicatos, que por sí solos carecen de propiedades cementantes y actividad hidráulica, pero que al unirse con la cal son capaces de reaccionar en presencia de agua. Esto conlleva a la formación de productos insolubles y estables (silicatos y aluminatos cálcicos hidratados), similares a los formados en la hidratación del CPO (ÁLVAREZ, 2014). Morteros de base yeso: Sus propiedades están limitadas por el rápido proceso de endurecimiento expansivo y por ser el yeso un material ligeramente soluble en agua, razón por la que no debe emplearse en lugares expuestos a la acción de la misma. Una vez que el yeso fraguado absorbe agua a través de su red capilar experimenta una rápida pérdida de resistencia. En ocasiones, se emplean sustancias impermeabilizantes aplicadas por impregnación o se mezclan con el yeso seco o agua de amasado para atenuar la rápida pérdida de resistencia que experimenta el yeso fraguado al absorber agua a través de su red capilar (MAS, 2006). Morteros basados en ligantes hidráulicos: Se definen como productos artificiales de naturaleza inorgánica y mineral, que al ser amasados con agua forman una pasta que fragua y así se obtienen compuestos estables que endurecen en el tiempo, siendo esta su principal propiedad. La cal hidráulica es uno de los primeros ligantes hidráulicos, aunque el principal es el cemento Portland (ARRIOLA, 2009). Morteros basados en ligantes orgánicos: Las matrices orgánicas, clasificadas en termoestables y termoplásticas, son compuestos de elevado peso molecular, producto de reacciones de polimerización por adición o condensación de diferentes compuestos de base. Dentro del campo de la restauración de morteros, las matrices termoestables/termoplásticas más empleadas son las acrílicas, poliéster y epoxi que le atribuyen a los morteros elevada reversibilidad, elasticidad y resistencia ante sustancias químicas (UNE EN 998-3:2006; (MIRAVETE, 2000). 18 Según (ÁLVAREZ, 2014), se clasifican atendiendo al tipo de aplicación en: Morteros para determinar la calidad de los cementos: Empleados para evaluar la resistencia mecánica de los cementos; están formados por 4 fracciones bien definidas de una arena específica de naturaleza silícea (arena normalizada), en proporción 3:1 (arena: cemento) y relación agua/cemento igual a 0.5 (NC 506:2007). Morteros de albañilería: Son los más empleados en la colocación de elementos (ladrillos, bloques, rasillas, celosías, etc.) y en el revestimiento de edificaciones. El mortero influye en las propiedades estructurales de la mampostería, a la vez que reduce su permeabilidad. Los morteros de albañilería tienen diferencias importantes según su estado: morteros plásticos y endurecidos. En la NC 175:2002, se plantean las especificaciones que deben cumplir estos. Morteros especiales: -Cola: Constituidos por aglomerantes, generalmente cemento blanco o gris o una mezcla de ambos, áridos finos de naturaleza calcárea o silícea libres de arcillas y materias orgánicas con granulometría bien determinada y compensada, y aditivos que confieren al mortero las propiedades deseadas (NC 484:2006). -Monocapa: Se emplean como revestimiento de muros. Es colocado en varias capas sucesivas (salpicado, resano y fino) y posteriormente se aplica pintura decorativa como acabado final (LANA, 2005). -Proyectados: Son aquellos cuyo tamaño máximo de árido puede llegar hasta 8 mm. Se aplica a máquina mediante la proyección del mortero a gran velocidad sobre la superficie a través de una manguera y boquilla. En ocasiones se le adicionan fibras de refuerzo para mejorar sus propiedades. La proyección puede ser por vía seca o húmeda (ALVAREZ, 2011). - Autonivelantes: Presentan una alta fluidez con baja relación agua/cemento. Son idóneos para la colocación de pavimentos, morteros de nivelación para pre-pisos y en reparaciones especiales del hormigón (ALVAREZ, 2011). -De relleno: Generalmente no presentan retracción, e incluso algunos generan expansión durante el proceso de fraguado y endurecimiento. Se emplean en estado semi-seco en lugares donde se coloca por retacado, para rellenar las vainas de los cables de elementos postensados, relleno de bases para pernos en equipos, etc. (ANON., 2005). -Aligerados: Se emplean generalmente como material aislante térmico y acústico, niveladores de pendientes, rellenos en cubiertas antes de colocar la soladura y relleno de zanjas. Su 19 aligeramiento puede ser provocado por el empleo de áridos de baja densidad como la kerancita, arcillas expandidas y puzolanas, o por la incorporación de oclusores de aire (LANA, 2005). -Poliméricos: Se emplean como revestimiento de cualquier soporte o paramento, fachadas, zócalos, cajas de escaleras, pasillos, etc. En ellos el conglomerante cemento es sustituido parcial o totalmente por polímeros y generalmente están compuestos por el conglomerante resina (MAS, 2006). (ÁLVAREZ, 2011), los agrupa según el sistema de fabricación en: -Manual: Es la forma más rudimentaria de preparación de morteros, aunque es muy común cuando se realiza en pequeñas cantidades. Los materiales son dosificados en peso o en volumen, mezclados en seco hasta formar una mezcla homogénea, y a continuación se añade el agua requerida para alcanzar la fluidez deseada. -Mecanizados: Preparados en hormigoneras o industrialmente, estos últimos pueden ser secos o húmedos. 1.6.3 Dosificaciones El término dosificación define la proporción en volumen o en masa de los diferentes materiales que componen el mortero (aglomerante/árido/aditivo) y va a depender de la finalidad del mortero, de su composición y de la resistencia mínima deseada (RENISON, 2000). En el país quedan establecidas las dosificaciones de morteros de albañilería según la NC 175: 2002 tal y como se presenta en la Tabla 1.1, atendiendo a la resistencia mínima requerida y adherencia a 28 días de edad en curado, que deben poseer dichos morteros y según el uso de estos: exteriores, interiores, etc. Además, en la norma americana ASTM C 270-00 se establecen dosificaciones teniendo en cuenta el tipo de mortero que se quiere elaborar. Se plantean así tres tipos: mortero de cemento/cal/arena, mortero de cemento/arena y mortero con cemento de albañilería. 20 Tabla 1.1 Dosificaciones de morteros de albañilería según NC 175:2002 Tipos de morteros Rc 28d. (MPa) Adh. 28d. (MPa) Cementos Arena Hidrato de cal P-350 PP-250 Albañilería I 2,4 0,15±0,05 1 8 2 1 6 2 1 4 1,5 II 3,5 0,25±0,05 1 9 2 1 5 1 1 4 1 III 5,2 0,40±0,05 1 4 2 1 4 1 1 3 1 IV 8,9 0,50±0,05 1 4 1 1 4 0,5 1 3 0,5 V 12,4 0,65±0,05 1 3 1 1 3 0,5 1 2,5 - 21 1.6.4 Propiedades El mortero debe cumplir propiedades específicas en dependencia del uso asignado. Para lograrlas, el cemento como materia prima fundamental juega un papel esencial, de ahí la necesidad de tener presente las funciones del mortero, para la creación de cementos de albañilería capaces de afianzar dichas propiedades. El mortero es un material similar a una piedra artificial y por consiguiente sus propiedades deben ser las de esta; pero durante el período de elaboración en obras, es una masa plástica necesariamente adaptable al lugar donde se coloca. El mortero debe estar dotado de propiedades tales que produzcan la máxima eficiencia en sus diferentes estados: estado fresco y estado endurecido. (SALAZAR, 2000), (SÁNCHEZ, 2002) 1.6.4.1 Propiedades en estado fresco Esta etapa corresponde a la fase del mortero una vez mezclado y amasado. Su duración varía en correspondencia con el tiempo de fraguado, así como con las condiciones ambientales. Durante la misma el mortero es plástico y trabajable, lo que permite su puesta en obra. Superada esta fase el mortero endurece hasta consolidarse. En su estado fresco el mortero presenta una serie de propiedades que regulan su comportamiento y son de importancia e incidencia en las propiedades y características en su estado endurecido. (BARRERA, 2002a) Laborabilidad: Es la propiedad más importante del mortero fresco dada por el resultado de la lubricación de las partículas de áridos, mediante la pasta conglomerante. Un mortero laborable puede extenderse fácilmente sobre paredes y juntas de la unidad de albañilería, es capaz de soportar el peso de las unidades cuando se colocan sobre él. Es una compleja propiedad reológica y no existe un ensayo para cuantificarla por sí sola, razón por la que se emplea para su medida, la consistencia, que es el grado de fluidez del mortero fresco establecido en dependencia de la fase líquida y del contenido y características de los componentes sólidos. Se mide en el laboratorio por medio de la fluidez, la cual indica el aumento del diámetro producido en una muestra de mortero extendido en la mesa de sacudidas (NC 175:2002); (SEQUEIRA, n.d).). Según (BARRERA, 2002a) dentro de los principales factores que pueden afectar la consistencia, se destacan las características de la arena (granulometría y forma de las partículas), el contenido de cemento, el contenido de cal, cantidad de aire en la mezcla, la 22 intensidad y tiempo de mezclado, el uso de aditivos y el exceso de agua adicionada a la mezcla que puede producir la exudación. En cuanto a su relación con otras propiedades, en especial con la adherencia, es importante señalar que esta aumenta cuando el escurrimiento inicial del mortero crece, debido principalmente a un aumento de la extensión de la adherencia. Entonces una buena laborabilidad es importante para propiciar la máxima adherencia en las unidades de albañilería (SEQUEIRA, n.d) Retención de agua: Según (AFAM) (s.f.-a), es la capacidad del mortero de retener agua de amasado ante solicitaciones externas de absorción o succión por parte de las unidades de albañilería. Esto permite que el mortero mantenga su plasticidad para que las unidades puedan ser cuidadosamente alineadas y niveladas sin romper el enlace, lo que hace que la retención de agua esté íntimamente relacionada con la laborabilidad y, por tanto, que sea uno de los factores de mayor incidencia en la adherencia establecida en el sistema mortero- unidad. Contenido de aire: puede producirse por efectos mecánicos o por medio de la aplicación de aditivos incorporadores de aire. Permite explicar el comportamiento en estado fresco y endurecido del mortero. A medida que aumenta el contenido en aire (12-18%, según ASTM C-270), mejora la trabajabilidad y la resistencia a los ciclos hielo-deshielo, de forma contraria, disminuye la resistencia mecánica, la adherencia y la impermeabilidad (BARRERA, 2002b), (SEQUEIRA, n.d) Masa unitaria: Es un parámetro fundamental para determinar el contenido de aire atrapado en el mortero. Puede indicar además la resistencia: en caso de ser muy densa la mezcla es probable que la resistencia sea elevada (NC 175:2002). Tiempo de utilización: Es el tiempo durante el cual el mortero tiene suficiente laborabilidad para ser manipulado (NC 175:2002). 1.6.4.2 Propiedades en estado endurecido Retracción: producida por reacciones químicas de hidratación de la pasta, sobre todo con una alta relación agua-cemento, donde el agua de mezclado tiende a evaporarse produciendo tensiones internas en el mortero dando lugar a los cambios de volumen y el peligro de agrietamiento. La retracción depende fundamentalmente de la relación agua/cemento, a mayor valor de la misma y mayor finura del cemento se obtienen mayores cambios de volúmenes, y es proporcional además al espesor de la capa de mortero y a la 23 composición química del cemento (COURARD, 2003). Se distinguen, según (AFAM), tres tipos de retracción: plástica, hidráulica o de secado y térmica. Adherencia: es la propiedad que poseen los morteros de adherirse a los materiales con los cuales están en contacto (piedras, ladrillos, acero, etc.). La adherencia del mortero depende de todas las características de este y de la superficie y naturaleza del material al que se adhiere. Esta es la capacidad que tiene el mortero de absorber tensiones normales y tangenciales a la superficie que lo une con la estructura. Esta propiedad afecta en gran forma la permeabilidad y la resistencia a la flexión (ARRIOLA, 2009), (MORANTE, 2008). Existen dos tipos de adherencia según (MORANTE, 2008): química, basada en los enlaces, y física, fundamentada en el anclaje mecánico entre las piezas (adhesión). Resistencia a flexión y compresión: es la propiedad empleada para añadir elementos de forma resistente, pues el mortero debe poseer una resistencia acorde con los elementos que debe unir. Se requiere una alta resistencia a la compresión cuando el mortero soporte cargas altas y sucesivas, siendo éstas un indicio de las resistencias a tensiones de corte y a tensiones de tracción (COURARD, 2003). La resistencia a la compresión aumenta con el incremento del contenido de cemento y disminuye con el aumento de la cal, arena, agua y contenido de aire. Medida a los 28 días es generalmente usada como criterio principal para seleccionar el tipo de mortero, ya que es relativamente fácil de medir y comúnmente se relaciona con otras propiedades, como la adherencia y absorción del mortero (NC 175:2002). Durabilidad: es la condición por la cual estos deben mantener sus propiedades a través del tiempo y de resistir las acciones destructivas provocadas por los agentes externos como las bajas temperaturas, la penetración del agua, desgaste por abrasión, retracción al secado, eflorescencias, agentes corrosivos, o choques térmicos, entre otros, sin deterioro de sus condiciones físico-químicas con el tiempo. La durabilidad resulta muy afectada por un exceso de arena y un retemplado del mortero así como por el uso de unidades de albañilería de alta absorción (BLANCO, 2012), (NC175, 2002), (SEQUEIRA, n.d) Permeabilidad: es la propiedad del mortero que permite el paso de agua a través de su estructura interna por medio de dos mecanismos: presión hidrostática o capilaridad. Los morteros trabajables y uniformes pueden hacer que la mampostería sea más resistente a la permeabilidad de agua. Esta propiedad se ve afectada por factores como la adherencia entre el mortero y las unidades de mampostería (BARRERA, 2002a), (SALAZAR, 2000). 24 Absorción de agua: Esta propiedad depende de la estructura capilar del material, por cuanto más compacto sea un mortero, menor será la red capilar y menor absorción presentará y su importancia radica en que la absorción determina la permeabilidad del mortero, de forma tal que si el mortero es permeable al agua, se transmite esta hacia su interior originando la aparición de humedades por filtración. Con la succión del agua exterior se favorece el tránsito de partículas o componentes no deseables para la durabilidad del conjunto constructivo. (AFAM) 1.6.5 Ensayos para la evaluación de morteros de albañilería La evaluación del comportamiento de las propiedades de los morteros se realiza mediante ensayos físicos, mecánicos y de durabilidad en relación con el estado del mortero: estado fresco y estado endurecido. Las propiedades específicas que deben cumplir los morteros de albañilería se establecen en las normas vigentes de cada país, a continuación, se explican cuáles son los métodos y ensayos utilizados para su determinación y evaluación. Densidad aparente: Se determina a los morteros de albañilería en varios estados: polvo seco, fresco y endurecido. En estado de polvo seco la densidad (ρm), en kg/m³ de un mortero seco es el cociente de la masa (m) en kg y el volumen (Vv) en m³, que ocupa un mortero, cuando se introduce no compactado en un recipiente de una capacidad dada (NC 567:2007). En morteros frescos, se determina su densidad aparente dividiendo su masa por el volumen que ocupa cuando se introduce, o se introduce y compacta, de una manera prescrita en un recipiente de medida con capacidad dada (NC601, 2008). En estado endurecido, se divide la masa de una probeta en seco, ya sacado de la estufa, por el volumen que ocupa cuando se sumerge en agua en estado saturado. Las probetas con mayor densidad real y menor densidad aparente son las que tienen mayor volumen de porosidad y mayor intercomunicación entre poros (NC-EN1015-10:2008). Fluidez: La fluidez está estrechamente ligada con la laborabilidad, consistencia, plasticidad y es una forma de medir las condiciones que debe poseer un mortero para su utilización en obra. La laborabilidad se mide en el laboratorio por medio de la fluidez, la cual indica el aumento del diámetro producido en una muestra de mortero fresco moldeado en un molde tronco-cónico de dimensiones determinadas, cuando la mesa de sacudidas se eleva y se deja caer desde una altura de 12,7 mm 25 veces en 15 segundos, girando la manivela con una velocidad constante. La fluidez recomendada para los morteros de albañilería y determinada por la norma cubana NC 170:2002 y la norma europea UNE 83-811:1992, será de 190 mm ± 5 mm de diámetro (NC 175:2002). 25 Retención de agua: La capacidad de retención de agua de una muestra se determina por la cantidad de agua retenida en el mismo después de la succión; se expresa en el porcentaje de agua retenida en el mortero. El método para determinar la retención de agua se basa en someter la masa de mortero fresco a un tratamiento de succión, empleando papel de filtro como sustrato. Los métodos de referencia para determinar la capacidad de retención de agua de los morteros en sus diferentes estados se establecen en la NC 169:2002, y su valor no será menor del 90 % (NC 175:2002). Resultados obtenidos en laboratorios demuestran que la retención de agua se incrementa con la adición de cal, la incorporación de aire, la adición de arena fina y utilizando aditivos retenedores de agua. Resistencias mecánicas: Con el ensayo de resistencia mecánica se determinan las resistencias que son necesarias para juntas de colocación y revestimientos, además de ser utilizado como patrón de la resistencia a la adherencia, ya que ambas son relativamente proporcionales. Los ensayos mecánicos se realizan por la norma cubana NC 173:2002 y la norma europea UNE-EN 1015-11:1999 y tienen como principio del método la determinación de la resistencia a flexión y compresión en probetas prismáticas de (40x40x160 mm). De acuerdo a los cinco tipos de morteros según la norma cubana NC175, 2002, la resistencia a compresión a 28 días de edad exige valores mínimos que oscilan entre 2,4 - 12,4 MPa. Absorción capilar: Los ensayos de absorción capilar se realizan por la NC 171:2002 y también por la norma europea UNE-EN 1015-18:1999. Consiste en medir el aumento de peso por unidad de superficie que experimentan las probetas con dimensiones de 40 x 40 x 160 mm por efecto del agua absorbida por capilaridad cuando se sumergen por una de sus bases menores de 40x40 mm hasta la altura de 5 ± 1 mm. Adherencia: Se presenta en los morteros tanto en estado fresco como endurecido. La adherencia en estado fresco se debe a las propiedades reológicas de la pasta de cemento y/o cal; se puede comprobar aplicando mortero entre dos elementos a unir (ladrillos, bloques, etc.) y separándolos al cabo de cierto tiempo. Si el mortero permanece adherido a las dos superficies, existe buena adherencia, si se desprende con facilidad y no deja apenas señales en ambas bases, la adherencia es mala. En estado endurecido, se define como la resistencia a tracción máxima de la unión entre un mortero y un soporte definido; se determina por un ensayo de arrancamiento directo perpendicular a la superficie del mortero. La fuerza de tracción se aplica por medio de una chapilla de arrancamiento unida al área de ensayo de la superficie del mortero (NC 172:2002). 26 Estabilidad de volumen (retracción): La determinación de la retracción consiste en medir mediante un pie de rey, en mm, la disminución de volumen que ha tenido lugar entre el amoldado del mortero en las probetas y el final de fraguado, también se puede determinar por la norma UNE 80-112-89 y ASTM C 490-83a. Según las normas mencionadas establece que es el proyectista quien fija los requisitos de contracción del mortero en función a las condiciones de ejecución de las albañilerías y de exposición durante su vida útil estableciendo si es necesario la realización de ensayos de cambio de longitud (SÁNCHEZ, 1997). Permeabilidad al agua: El método para su evaluación se puede determinar tanto en laboratorio como in situ, permite caracterizar el material y por comparación apreciar modificaciones o alteraciones superficiales que modifican la absorción de agua sobre el nivel superficial; define el efecto sobre el tratamiento de impregnación cambiando la permeabilidad superficial; caracteriza el efecto de la intemperie, además aprecia el efecto del tiempo natural o artificial (aparato simulador) por una impermeabilidad o tratamiento impermeable o por tratamiento de impregnación (ÁLVAREZ, 2011). La literatura técnica indica que existen diversos ensayos que pueden realizarse para este objetivo, entre los cuales los más importantes y eficaces son: el ensayo normalizado en la norma ASTM E 514-90, que mide la penetración de agua a un caudal y presión constantes aplicados por medio de una cámara en la superficie del muro; el ensayo de aspersión directa basado en la norma ISSO 335-3931, y por las indicaciones de la norma europea UNE-EN 101519:1999. Permeabilidad al aire: Para su medición se emplea el “Método Torrens”, método no destructivo creado hace alrededor de 18 años e incluido como norma suiza en 2003, para medir la calidad de los hormigones sin afectar la integridad de las estructuras, pero es aplicable a morteros de albañilería. En este método la geometría del problema está definida mediante un modelo teórico que hace el cálculo del coeficiente de permeabilidad (kt). Se clasifica así la permeabilidad al aire del hormigón o mortero en dependencia del valor que tome kt en muy baja, baja, moderada, alta y muy alta (PERAZA, 2014), (TORRENS, 1995) Porosidad abierta: La porosidad abierta define el porcentaje del volumen de huecos intercomunicados con respecto al volumen total de la roca. El ensayo se realiza según la recomendación (RILEM-I1, 1980). Es una propiedad fundamental de las rocas y materiales de construcción, que influye en su durabilidad. Las probetas se colocan en un recipiente y se vierte agua destilada a temperatura ambiente, que se añadirá lentamente para que las probetas no queden completamente sumergidas antes de 15 minutos. Numerosos procesos 27 de alteración dan lugar a un aumento de la porosidad del material, mientras que los tratamientos de impregnación la reducen (MAS, 2006). Durabilidad: Existen varios métodos para evaluar la durabilidad, aunque en general están diseñados para hormigones y no específicamente para morteros de albañilería según la norma cubana (NC 175:2002). Una de las formas de evaluar la durabilidad es mediante el ensayo de intemperismo, por medio del cual, se mide la acción combinada de todos los elementos de la naturaleza que afectan al mortero y que pueden llegar a destruirlo a largo plazo (ÁLVAREZ, 2011). 1.6.6 Patologías El primer paso para mejorar las superficies de concreto es la identificación de las patologías que presentan, para luego analizar sus posibles causas y soluciones. Según (EIA, 2008) las patologías se pueden clasificar en: Superficiales: Hormiguero (honeycomb): Exposición del agregado grueso y vacíos irregulares en la superficie de concreto cuando el mortero presente en la mezcla no logra cubrir todo el espacio alrededor de los agregados. Variación del color (color variation): vetas de color presentes en la superficie del concreto. Pueden presentarse debido a deficiencias en la mezcla o manifestarse en forma de manchas, humedad, ensuciamiento, oxidación, eflorescencias o contaminación. Fuga de lechada (slurryflow): mancha blancuzca en forma de reguero de agua que se presenta en el concreto por el exceso de agua en la lechada. Rebaba (fin): proyección delgada y lineal de concreto que se presenta entre los espacios y uniones de formaletas cuando parte del mortero presente en la mezcla logra pasar a través de estas. 1.6.6.1 Cristalización de sales La disgregación de materiales pétreos empleados en la arquitectura debido a la cristalización de sales conlleva serios efects económicos y es capaz de dañar irreparablemente objetos artísticos y materiales históricos (RUIZ, 2007). Las fuentes de procedencia de sales que provocan deterioro en los materiales pueden ser muy diversas (LOPEZ-ARCE, 2008). Por ejemplo, en zonas costeras las sales procedentes del spray marino pueden llegar a erosionar los materiales causando procesos de alveolización en los mismos. En áreas con terrenos 28 muy salinos, agua cargada en sales solubles al ascender por capilaridad penetra en los poros de los materiales y al evaporar puede causar su disgregación. (LOPEZ-ARCE, 2011) 1.6.6.1.1 Ensayos de laboratorio para el análisis de la cristalización de sales. En un edificio podemos encontrar las sales en forma de eflorescencias sobre la superficie de los materiales o en forma de sub-eflorescencias a pocos milímetros bajo los mismos. En ambos casos, durante el muestreo es muy importante guardar herméticamentelas muestras para evitar transformaciones de fase (en caso de sales hidratadas) durante el traslado y análisis en el laboratorio. El registro de las condiciones de la zona de muestreo también es muy importante. (LOPEZ-ARCE, 2011) El deterioro causado por sales se puede evaluar mediante Microscopía Óptica Polarización, de Fluorescencia o Electrónica de Barrido. La tomografía Computarizada de Rayos X también permite observar el interior de las muestras y el desarrollo de poros o fisurascausados por la cristalizaci{on de sales. Mediante la Porosimetría de Intrusión de mercurio se puede obtener la porosidad total y la distribución del tamaño de poros en la muestra, lo que permite evaluar la modificación del sistema poroso causada por la cristalización de sales. Otra forma de evaluar la resistencia o durabilidad de un material a la cristalización de sales es mediante el ensayo según la norma UNE-EN 12370:1999.( LOPEZ-ARCE, 2011) 1.7 Conclusiones parciales del capítulo 1- Debido al aumento de la producción de cemento a nivel mundial se hace necesaria la búsqueda de nuevas alternativas de fabricación que sean más ecológicas, económicas y con propiedades similares a las actuales. 2- La adición de puzolanas se alza como la alternativa más viable en la disminución de las emisiones de CO2. 3- Los cementos puzolánicos tienen ventajas como: mayor durabilidad, menor permeabilidad, aumento de la resistencia mecánica y la reducción del costo del producto final. 4-Las arcillas calcinadas cubanas en forma de Metacaolín han demostrado tener excelente reactividad puzolánica debido a su composición química, estructura amorfa y alta superficie específica. 5-La contribución de los cementos LC2, con sustituciones de clínker por una mezcla de arcilla calcinada y caliza, en la producción de morteros de albañilería reduce los niveles de emisiones de CO2 a la atmósfera y los consumos energéticos de la producción del CPO. 29 Capítulo II Empleo de la adición LC2 en morteros de albañilería 2.1 Generalidades En este capítulo se muestran las características de las materias primas empleadas para la fabricación de morteros de albañilería mediante ensayos realizados a cada una de forma independiente. El proceso de fabricación de los morteros se realiza según la NC 175:2002 Morteros de albañilería. Especificaciones, con el empleo de la adición LC2 en sustitución de un porciento de cemento, teniendo como patrón de comparación morteros confeccionados con el cemento P-35. Además, se describen y realizan los ensayos físico-mecánicos a los morteros para la posterior evaluación del comportamiento de la adición. Teniendo en cuenta las dosificaciones, se diseñaron dos series de morteros incluyendo las mezclas con cemento P-35, lo que arrojó un total de 36 probetas. 2.2 Diseño Experimental El diseño de experimento se realizó con el fin de evaluar la influencia de la adición LC2 (arcilla calcinada-caliza-yeso) a morteros de albañilería sin presencia de cal, siguiendo los criterios establecidos en la NC 175:2002. Metodología del diseño experimental: 1) Realización de los ensayos de caracterización a las materias primas: árido, cemento Portland y LC2. 2) Fabricación de morteros de albañilería tipo III, fijando la fluidez y atendiendo a las dosificaciones y parámetros establecidos en la NC 175:2002. 3) Elaboración de 36 probetas de 40 x 40 x 160 mm, para la realización de los siguientes ensayos: - Resistencia mecánica a flexo-compresión a los 3 días, (6 ensayos por serie de mortero). - Resistencia mecánica a flexo-compresión a los 7 días, (6 ensayos por serie de mortero). - Resistencia mecánica a flexo-compresión a los 28 días, (6 ensayos por serie de mortero). - Absorción de agua por capilaridad a los 28 días, (3 ensayos por serie de mortero). 30 - Adherencia a la tracción a los 28 días, (5 ensayos por serie de mortero) 4) Determinación de los valores físico-mecánicos para cada serie de morteros. Declaración de variables: Las variables dependientes están en correspondencia con las propiedades a analizar de morteros de albañilería en estado fresco: reología de morteros (mesa de sacudidas), retención de agua, densidad; y endurecido: resistencia mecánica a flexo-compresión, absorción de agua por capilaridad y adherencia a la tracción. Las variables independientes están en correspondencia con los factores que intervienen y de los niveles de variación de estos: cemento con 3 niveles de variación y adición LC2 con 2 niveles de variación. 2.3 Selección y caracterización de las materias primas Por razones logísticas y decisión de la oficina de inversiones del Malecón Tradicional y la brigada constructora asignada por la empresa Puerto Carenas, se sustituye la arena por árido ligero (polvo de piedra) para la fabricación del mortero de revestimiento para terminación superficial (fino), al ser la arena de granulometría homogénea y perderse mucho material durante el tamizado. Según información brindada por los almacenes que abastecen las obras correspondientes a la Oficina para la Rehabilitación del Malecón Tradicional, el cemento P-35 proviene de la fábrica “René Arcay” de Mariel y el polvo de piedra de “Cantera Blanca” de Bauta, ambas en Artemisa. El LC2 se produce actualmente de manera experimental en la fábrica Siguaney en la provincia Sancti Spíritus. (Figura 2.1 y Tabla 2.1) Figura 2.1 Materiales utilizados 31 Tabla 2.1 Propiedades de los materiales utilizados Material Peso volumétrico (g/cm3) Peso específico (g/cm3) Fracción Cemento P-35 1,28 3,17 - LC2 1,16 2,71 - Polvo de piedra 1,601 2,622 ≤ 1,19mm 2.3.1 Árido El árido tipo polvo de piedra proviene de “Cantera Blanca”, municipio Bauta, Artemisa. Fue caracterizado en el laboratorio del Centro de Investigación y Desarrollo de la Construcción (CIDC), en el reparto Casablanca del municipio Regla de La Habana, según los requisitos exigidos en las normas cubanas: NC 175:2002 Morteros de albañilería. Especificaciones y la NC 657:2008 Áridos para morteros. Especificaciones. La muestra fue seleccionada en el proceso de cuarteo normado. Para la colocación de morteros de revestimiento a frota se recomienda un árido fino que cumpla con las especificaciones de la NC 657:2008 Áridos para morteros. Especificaciones Tabla 2.2 Resultados granulométricos Tamices % Pasado Especificaciones NC 657:2008 No. mm 4 4,76 100 100 8 2,38 99 100 16 1,19 89 100 30 0,59 81 50-80 50 0,297 65 30-50 100 0,149 32 0-20 1 El peso volumétrico del polvo de piedra se calculó luego de tamizado, esto trae como resultado que sea mayor que el peso volumétrico real del material que llega de las canteras. 2 Se consideran valores medios teniendo en cuenta el planteamiento anterior. 32 Figura 2.2 Curvas granulométricas El árido tipo polvo de piedra no cumple con las especificaciones de la norma en cuanto a granulometría. 2.3.2 Cemento P-35 El cemento utilizado para producir el mortero fue el P-35, procedente de la fábrica “René Arcay” del Mariel según la NC 95-2011 “Cemento Portland. Especificaciones”. Figura 2.3 Composición química del cemento P-35 0 20 40 60 80 100 120 4,76 2,38 1,19 0,59 0,297 0,149 % P as ad o Tamices (mm) % Pasado del árido % máximo normado % mínimo normado 33 2.3.3 Agua Para la realización de los ensayos se utilizó agua potable del servicio público, como lo especifica la norma NC 353: “Aguas para el amasado y curado del hormigón y los morteros – Especificaciones” 2.3.4 Adición de LC2 Para la producción de la adición LC2 se utilizó arcilla proveniente de Yaguajay que fue calcinada a 800⁰C, yeso y caliza, utilizando la proporción 60% de arcilla calcinada, 30% de caliza y 10% de yeso. Los materiales fueron secados en la estufa a 109⁰C durante 24 horas para eliminar la humedad que pudieran presentar y posteriormente se inició un proceso de molienda) que duró alrededor de dos horas, tiempo en el que la adición alcanzó la finura requerida, tomándose como criterio de molienda un 10% de retenido en el tamiz de 90 μm, criterio similar al empleado a escala industrial en la obtención de Cemento Portland según la NC 980:2013 Determinación de la finura y la superficie específica. La molienda de los materiales se realizó mediante el uso de un molino de bolas de acero MB- 600 que desarrolla un mecanismo de impacto y desgaste, con el cual se pueden lograr partículas con tamaño de 10 μm. Obtenida la adición, la misma fue sometida a dos ensayos que permitieron su aprobación: Resistencia por la NC 506:2013 Determinación de la resistencia mecánica y finura por la NC 980:2013 Determinación de la finura y la superficie específica cumpliendo satisfactoriamente con las especificaciones establecidas en ambas normas. 2.3.4.1 Caliza La piedra caliza que se emplea en la producción a escala industrial en la fábrica de Siguaney, proviene de Guayos, municipio de Sancti Spíritus. La caracterización de la misma se muestra en la en la Tabla 2.3 Tabla 2.3: Composición química de la Caliza Compuesto SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 CaCO3 Porciento 4,12 1,15 0,64 51,59 1,21 40,92 92 34 2.3.4.2 Yeso El yeso empleado es proveniente de Punta Alegre, fue tomado en forma de roca del almacenamiento en la fábrica de Siguaney, y se caracterizó en el laboratorio de la misma, su composición química se muestra en la Tabla 2.4 Tabla 2.4: Composición química del Yeso Compuesto SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 PPI RI Porciento 5,24 4,7 3,38 30,36 1,96 31,95 21,67 9,07 2.3.4.3 Arcilla Caracterización del yacimiento Yaguajay Este yacimiento se identifica como Manifestación Yaguajay, y forma parte de la secuencia arcillosa denominada como Arcillas Bamburanao que se distribuye en la zona Norte de los municipios Remedios, Yaguajay y Chambas. El grado de accesibilidad es satisfactorio por su cercana ubicación a Yaguajay y red vial bien desarrollada y en buen estado. Por la porción occidental del área, atraviesa la llamada Carretera Sancti Spíritus-Yaguajay y por la porción norte el denominado Circuito Norte, con dirección a Chambas. La industria minera está representada por la Cantera El Yigre perteneciente a la Industria de Materiales de la Construcción, localizada 1.5 km al sur del área. Caracterización químico-mineralógica de las arcillas La composición química de las arcillas mediante análisis por FRX se muestra en la tabla 2.5. Los altos contenidos de Fe2O3 reportados se asocian en primer lugar a la presencia de óxidos e hidróxidos de hierro, que se evidencia en el color pardo-rojizo de las muestras, aunque no se descarta cierto grado de sustitución isomórfica del Al por el Fe en la capa octaédrica de los minerales arcillosos. La arcilla proveniente de Yaguajay también presenta un contenido de elementos alcalino-térreos relativamente alto (CaO + MgO = 3,68), que puede ser un indicio probable de la presencia de calcita o minerales similares. 35 Tabla 2.5 Composición química de las arcillas caoliníticas SiO2 AlO3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O TiO2 P2O5 Mn2O3 Otros PPI YG 46,58 20,06 14,41 2,94 0,74 0,04 0,11 0,06 1,12 0,13 0,73 0,14 12,74 2.4 Selección de las dosificaciones Para la propuesta de dosificaciones se tuvieron en cuenta las características de ambiente costero donde se colocarán y la disponibilidad de materiales en la constructora que desarrollará la restauración. Se tomó como base para las dosificaciones el mortero de tipo III, por ser uno de los más recomendados para revestimientos exteriores. Para determinar los porcientos de adición de LC2 se tuvieron en cuenta los criterios de especialistas del Centro de Investigación y Desarrollo de Estructuras y Materiales (CIDEM), y los resultados de otras investigaciones que evalúan los distintos porcientos de sustitución de clínker. Se determinó el uso de una dosificación con 50% de cemento P-35 y 50% de LC2, y otra con 33% de P-35 y 67% de LC2. (Tabla 2.6) Tabla 2.6: Dosificaciones seleccionadas. No. Nomenclatura Tipo % P-35 % LC2 Cemento Árido 1 PP III Mod. 100 0 1 4 2 LC2-50 III Mod. 50 50 1 4 3 LC2-67 III Mod. 33 67 1 4 2.5 Elaboración de las mezclas de mortero Las mezclas de morteros de albañilería fueron elaboradas en el laboratorio del Centro de Investigación y Desarrollo de la Construcción, del reparto Casablanca, municipio Regla, provincia La Habana y los ensayos de resistencia físco-mecánica se realizaron en el Centro de Estudios de Construcciones y Arquitectura Tropical (CECAT) del Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” (CUJAE). Se utilizaron los mismos materiales empleados en obra, teniendo en cuenta su uso generalizado en las acciones de mantenimiento en edificaciones de Malecón Tradicional. Para realizar la evaluación del comportamiento de los morteros se fabricó una muestra patrón sin adición de LC2 para cada ensayo. 36 2.6 Ensayos de laboratorio 2.6.1 Ensayo de consistencia. NC 170:2002 “Mortero fresco. Determinación de la consistencia en mesa de sacudida” La consistencia se determinó midiendo el escurrimiento dentro de una muestra del mortero fresco. Para ello se llenó el molde tronco-cónico situado en una mesa circular de sacudidas y una vez retirado el molde, la mesa de sacudidas se eleva al girar la manivela y se deja caer desde una altura de 12,7 mm 25 veces en 15 segundos, el giro debe ser realizado con una velocidad constante. Por último, se mide el diámetro (o radio) que ha alcanzado el mortero fresco (Figura 2.4). Figura 2.4 Mesa de sacudidas En este caso se busca alcanzar una consistencia correspondiente a un mortero entre plástico y fluido, con un escurrimiento de 190mm±5mm de diámetro, teniendo en cuenta que la buena laborabilidad es una de las propiedades más necesarias en los morteros de revestimiento. 2.6.2 Ensayo de densidad. Mezcla seca y mezcla húmeda La densidad aparente se determina a los morteros de albañilería en varios estados: polvo seco, fresco y endurecido. En el laboratorio se realizaron los ensayos para las muestras en estado seco y fresco. En estado de polvo seco la densidad se determinó según la NC 567:2007 vertiendo de manera controlada la mezcla en un recipiente de volumen normada para la determinación de su peso y posteriormente la densidad. En morteros frescos, se determina su densidad aparente dividiendo su masa por el volumen que ocupa cuando se introduce, o se introduce y compacta, de una manera prescrita en un recipiente de medida con capacidad dada, como lo establece la NC 601:2008. (Figura 2.5) 37 Figura 2.5 Determinación de la densidad en estado a) seco y b) fresco 2.5.3 Ensayo de capacidad de retención de agua NC 169:2002 “Mortero fresco. Capacidad de retención de agua”. Este ensayo se realiza para asegurar que los morteros retengan la cantidad de agua suficiente para garantizar la hidratación del cemento. Se considera aceptable la capacidad de retención de agua ≥ 90%. La masa de mortero fresco, con una consistencia determinada, se somete a un tratamiento de succión, empleando un papel de filtro especificado como substrato. La capacidad de retención de agua de una muestra se determina por la cantidad de agua retenida en el mismo después de la succión, y se expresa en porciento de agua retenida en el mortero (Figura 2.6) Figura 2.6 Ensayo de retención de agua 38 2.6.4 Ensayo de adherencia NC 172:2002 “Mortero endurecido. Determinación de la resistencia a la adherencia por tracción”. La adherencia se define como la resistencia a tracción máxima de la unión entre un mortero y un soporte definido. Es la propiedad individual más importante en los morteros de albañilería. Una mayor adherencia se relaciona directamente con una buena laborabilidad y la rugosidad de las superficies de contacto. La presencia de unidades de albañilería con buena capacidad de retención de agua, como la cal, tiende a mejorar la adherencia. En el caso de los morteros de revestimiento es la propiedad fundamental. Esta propiedad se determina por un ensayo de arrancamiento directo perpendicular a la superficie del mortero. La fuerza de tracción se aplica por medio de una chapilla de arrancamiento unida al área de ensayo de la superficie del mortero, y la adherencia o resistencia de unión se determina dividiendo la carga máxima obtenida entre el área de ensayo.(2002). El ensayo de resistencia a la adherencia por tracción fue realizado después de los 28 días de curado; para el mismo se colocó cada serie de mortero sobre cuatro losas que funcionan como soporte. Se realizaron cinco muestras por ensayo separadas a 70 mm (Figura 2.7). Figura 2.7 Ensayo de resistencia a la adherencia por tracción 39 2.7 Ensayos físico-mecánicos a probetas de morteros. Procedimientos 2.7.1 Proceso de fabricación de las probetas. NC 173:2002 Para la elaboración de las probetas se limpiaron, engrasaron y armaron los moldes a utilizar según las especificaciones de la norma NC 173:2002. Se vertió una porción representativa de la muestra de aproximadamente 300 g de mortero en cada compartimento del molde, para formar una primera capa que se compactó en toda su superficie con 25 golpes suaves y homogéneos. Se vertió el resto del material y se repitió la operación de apisonado. Luego se eliminaron los espacios vacíos que quedaron en la superficie de los tres compartimentos. Cuando el mortero comenzó a endurecer, se enrasó el molde con una superficie metálica. Después de 24 horas de elaboradas las probetas se desmoldaron, se marcaron y se sometieron al proceso de curado en un ambiente con humedad relativa de aproximadamente un 90 %. Por cada muestra se fabricaron 3 moldes de probetas prismáticas de 40 x 40 x 160 mm para la realización de los ensayos programados en el diseño de experimento. 2.7.2 Resistencia a flexión y compresión. NC 173:2002 “Mortero endurecido. Determinación de la resistencia a flexión y compresión”. El ensayo de la resistencia a flexo-compresión se ejecutó siguiendo los pasos según la normativa NC 173:2002. El procedimiento para su cálculo se establece en la norma cubana de cemento NC 506:2007 Cemento Hidráulico-Método de ensayo-Determinación de la resistencia mecánica. Las pruebas de resistencia se realizaron a las edades de 3, 7 y 28 días 40 Figura 2.8 Proceso de ensayos de resistencia mecánica. a) Preparación de las probetas, b) Desmolde de probetas, c) Curado en cámara húmeda, d) Ensayo de resistencia mecánica a flexión, e) Ensayo de resistencia mecánica a compresión, f) Probetas ensayadas Para el ensayo de flexión se colocaron las probetas en una prensa y se apoyó sobre la cara opuesta de la probeta ejerciendo una carga P verticalmente y creciendo progresivamente. El ensayo de compresión se realizó utilizando las mitades que resultaron del ensayo a flexión, en este se ejerció un esfuerzo a través de dos placas de acero sobre la sección de 40 x 40 mm de la probeta hasta que llegó a la deformación de esta. Se tomó, en ese momento, la carga de rotura. Luego de la rotura se calcularon los valores de resistencia por los parámetros de la norma según las ecuaciones 2.1 y 2.2 y se tomaron los resultados medios de los valores alcanzados. Rf=0,0234Q………………………………………………………………Ecuación2.1 Rc=Q/1600….…...……………………………………………………….Ecuación2.2 Donde: Q, es la carga de rotura en cada ensayo (N). Rf, es la resistencia a flexión (MPa). Rc, es la resistencia a compresión (MPa) 41 2.7.3 Absorción de agua por capilaridad. (NC171:2002) Para este ensayo se colocaron en absorción 9 probetas prismáticas, 3 por cada serie de mortero, a la edad de 28 días. Las probetas luego de sacadas del curado se ubicaron en la estufa por 24 horas, posteriormente se dejaron enfriar, se pesaron y se situaron en posición vertical sobre un lecho de arena de aproximadamente 10 mm de espesor en una bandeja que contenía 5 mm de agua por encima del lecho de arena. Para mantener la altura del agua se utilizó un recipiente con agua y se colocó en posición invertida dentro de la bandeja a 5 mm (ver Figura 2.9). A las edades de 4 h; 8 h; 1; 3; 5 y 7 días a partir que comienza el ensayo se retiraron del recipiente y se pesaron anotando así los aumentos de peso que experimentaron las probetas. Los parámetros para el cálculo de la absorción se determinaron según la norma antes mencionada, mediante la ecuación 2.3. Figura 2.9 Ensayo de absorción capilar 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟=𝑃𝑒𝑠𝑜𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙−𝑃𝑒𝑠𝑜𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙16 (𝑔/𝑐𝑚2)………………………...Ecuación 2.3 2.6 Conclusiones del capítulo 1. El diseño de experimento además de brindar una secuencia de pasos lógicos que guíen la investigación, permite realizar un análisis estadístico de gran validez. 2. Las materias primas utilizadas en el la fabricación de las mezclas fueron caracterizadas, detectándose una no conformidad en el árido disponible tipo polvo de piedra, debido a la mala granulometría y el alto porcentaje de partículas finas que presenta. 3. Los resultados a obtener con los ensayos de consistencia, densidad, capacidad de retención de agua, adherencia a la tracción, resistencia a flexocompresión y absorción de 42 agua por capilaridad permitirán realizar la evaluación de las propiedades de los morteros de albañilería con el empleo de la adición LC2. 5. Tanto el proceso de fabricación de probetas, como los ensayos físico-mecánicos realizados a estas, se llevaron a cabo siguiendo lo establecido en las normas cubanas vigentes. 43 Capítulo III: Análisis de los resultados de los ensayos a morteros de albañilería En este capítulo se evalúan las propiedades y características de los morteros con el uso de la adición puzolánica LC2 mediante la exposición y análisis de los resultados de los ensayos físico-mecánicos realizados según el diseño experimental, así como su comparación con el cemento Portland P-35 y con las normativas nacionales vigentes. Para un mejor análisis en los anexos se presenta el análisis estadístico descriptivo realizado a las muestras de cada ensayo. 3.1 Análisis de resultados de ensayo de consistencia Tabla 3.1 Consistencia y relación agua-cemento Nomenclatura Polvo de piedra (g) Cemento P-35 (g) LC2 (g) Total de cemento (g) Agua (ml) Relación A/C PP 1600 320 X 320 350 1,09 LC2-50 1600 160 145 305 375 1,23 LC2-67 1600 105 195 300 385 1,28 Los resultados obtenidos en los ensayos de consistencia muestran que, a medida que se aumenta la proporción de adición, aumenta también la relación agua-cemento. 3.2 Análisis de resultados de densidad aparente Tabla 3.2 Densidad para mezcla seca y fresca Nomenclatura Densidad de mezcla seca (g/L) Densidad de mezcla fresca (g/L) PP 1033,50 1996,00 LC2-50 1142,50 2000,00 LC2-67 1201,00 2005,00 44 La densidad, tanto en las mezclas en estado de polvo seco como en las de estado fresco, aumenta a medida que se incrementa el contenido de LC2 . 3.3 Análisis de resultados de la retención de agua Tabla 3.3 Porciento de retención de agua Muestra Polvo de piedra (g) Cemento P-35 (g) LC2 (g) Cemento (g) Agua (ml) Retención (%) PP 1600 320 X 320 350 91,97 LC3-50 1600 160 145 305 375 90,07 LC3-67 1600 105 195 300 385 91,21 Figura 3.1 Gráfico de retención de agua En los ensayos de retención de agua se obtuvieron porcientos superiores al 90%, que es el establecido como mínimo por la NC 175:2002, para todas las dosificaciones de morteros. 3.4 Análisis de resultados de la resistencia mecánica de los morteros La resi