CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S. C.

DEPARTAMENTO DE POSGRADO

“EFECTO DE LA CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA Y CENIZA VOLANTE EN LA TRABAJABILIDAD, PROPIEDADES MECÁNICAS Y DURABILIDAD DE CONCRETOS TERNARIOS”

Tesis que como Requisito para obtener el grado de

DOCTOR EN CIENCIA DE MATERIALES presenta:

M. C. VÍCTOR GUILLERMO JIMÉNEZ QUERO

Bajo la Dirección de: DR. JOSÉ GUADALUPE CHACÓN NAVA – Asesor Interno DR. PEDRO MONTES GARCÍA – Asesor Externo

Chihuahua, Chih.

Abril 2013

DEDICATORIA

A mí amada esposa: Paty Por todo el amor y apoyo que siempre me ha brindado

A mí hijo: Víctor David Por ser la inspiración que me impulsa a seguir adelante

A mis padres: Guillermo y Esther Por su amor y sabios consejos que forjaron la base de mi ser

A mis hermanas: Ángeles y Esther Por su apoyo y confianza que nos mantiene unidos sin importar la distancia

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AGRADECIMIENTOS A Dios, por haberme permitido recuperar mi salud y darme otra oportunidad de continuar disfrutando lo hermoso de la vida en compañía de mi esposa, hijo, familiares y amigos. A mi esposa y a mi hijo, por su gran amor y por estar conmigo, pero sobre todo por darle sentido a mi vida. A mi hermano Pedro, por creer en mí, por todos sus consejos y por su apoyo incondicional. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo económico que me brindó mediante la beca de estudios de posgrado y por el financiamiento otorgado al proyecto de investigación “Corrosión del acero en concreto ordinario y de alto desempeño conteniendo puzolanas obtenidas de desperdicios agrícolas” Clave SEP-CONACYT CIENCIA BASICA P47937-Y. Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV) por las facilidades otorgadas para la realización de mis estudios de doctorado. Al Instituto Politécnico Nacional por apoyarme en mi superación académica. A la Comisión de Operación y Fomento de Actividades Académicas del Instituto Politécnico Nacional (COFAA) por el apoyo económico otorgado para la asistencia y participación en congresos científicos para difundir los resultados obtenidos. A la Secretaría de Investigación y Posgrado del Instituto Politécnico Nacional (SIP), por el financiamiento otorgado al proyecto de investigación “Ceniza de bagazo de caña de azúcar como adición mineral para mejorar las propiedades de materiales basados en cemento y contribuir a la reducción de emisiones de CO2”, claves SIP 20110104 y 20120783. A mis directores de Tesis: Al Dr. Pedro Montes García y Dr. José Guadalupe Chacón Nava, por todo el apoyo que me han brindado, por compartir todos sus conocimientos, tiempo y paciencia; pero sobre todas las cosas por brindarme su amistad y confianza. Al comité revisor y jurado de examen. Al Dr. Facundo Almeraya Calderón, Dra. Citlalli Gaona Tiburcio, a los Maestros Víctor Manuel Orozco Carmona, Adán Borunda Terrazas, Nicte Ortiz Villanueva, a la Lic. Tania Prieto Vara y Lic. Alexis Castillo Ochoa. AL Dr. Alonso Fernández González, por aceptarme en su grupo de investigación. A mis amigos y compañeros de trabajo: Pedro, George, Venustiano, Samuel, Frank, Marco, Fernando, Jacobo, Omar, Ur, Yahir, Héctor, Laura, Elena, Aracely, Jesús, José Luis, Rafael, Herwing, Francisco, Tertuliano, Margarito y Juventino. Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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RESUMEN Se estudiaron los efectos de la combinación de ceniza de bagazo de caña (CBC) y ceniza volante (CV), como sustitutos parciales de cemento Portland (CP), en las propiedades en estado fresco y endurecido de pastas, morteros y concretos hidráulicos. Se evaluaron las propiedades reológicas de pastas y morteros, y se analizó la correlación entre los resultados de las pruebas reológicas y resultados de pruebas empíricas. Se caracterizaron mezclas de concretos modificados con CBC y CV en estado fresco mediante pruebas de revenimiento, contenido de aire, peso volumétrico y temperatura. En su estado endurecido se determinaron resistencia a la compresión, módulos de elasticidad y relación de Poisson. Finalmente, se evaluó la durabilidad de los concretos mediante pruebas de resistencia al ingreso del ión cloruro, pruebas de carbonatación acelerada y pruebas electroquímicas en concreto reforzado. Los resultados indican que la forma y el tamaño de las partículas de la CBC utilizada produjeron pastas y morteros más viscosos y plásticos que mezclas sin CBC. Cuando la concentración CBC incrementó, el esfuerzo de fluencia también incrementó linealmente. La adición de 20%CV en pastas y morteros con 10% y 20%CBC fue benéfica reduciendo los esfuerzos de fluencia. Las mediciones obtenidas con la prueba de mini-cono se correlacionan bien con los parámetros reológicos; sin embargo, se observó baja correlación entre la fluidez de los morteros y sus parámetros reológicos. Los resultados de las pruebas en concreto en estado fresco indican que al incrementar el contenido de CBC hay un ligero incremento en el contenido de aire, y reducción en la trabajabilidad y el peso volumétrico. Con respecto a las propiedades en estado endurecido, la combinación de 10%CBC+20%CV no afecta significativamente las propiedades mecánicas del concreto a edades tempranas; sin embargo, a edades tardías las reduce ligeramente. La combinación de 20%CBC+20%CV muestra una reducción de sus propiedades a edades tempranas, mientras que presentan una mejora a partir de los 90 días. Con respecto a los resultados de las pruebas de durabilidad se observó que la CV retarda el ingreso de ión cloruro y la combinación de 20%CV+10%CBC y 20%CV+20%CBC mejoran este desempeño. No obstante, en los concretos con CV y CBC la velocidad de carbonatación fue mayor que en la mezcla referencia. Los resultados de potenciales de corrosión sugieren que todas las probetas se encuentran actualmente entre riesgos intermedio y alto de corrosión, mientras que las probetas con CV y CBC+CV, después de 102 semanas de exposición al ambiente agresivo, se encuentran en la región de corrosión baja a moderada.

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ABSTRACT The effects of the combination of sugarcane bagasse ash (CBC) and fly ash (CV) as partial replacements for Portland cement (CP) on the properties of fresh and hardened pastes, mortars and concrete were studied. We evaluated the rheological properties of pastes and mortars, and analyzed the correlation between the rheological and empirical tests results. Concrete mixtures modified with CBC and CV were characterized in the fresh state by testing for slump, air content, volumetric weight and temperature. In their hardened state the mixtures were tested for compressive strength, modulus of elasticity and Poisson's ratio. Finally, the concrete durability was evaluated by testing for resistance to chloride ion ingress, accelerated carbonation and electrochemical tests in reinforced concrete. The results indicate that the shape and size of the used CBC particles produced paste and mortar mixes which are more viscous and plastic than the mixtures without CBC. When the CBC concentration was increased, the yield stress also increased linearly. The addition of 20% CV in pastes and mortars with 10% and 20%CBC was beneficial in reducing their yield stresses. The measurements obtained with the mini-cone test correlate well with the rheological parameters. However, a low correlation was observed between the mortar fluidity and the rheological parameters. The testing results from concrete in the fresh state indicate that an increase in the CBC content slightly increased the air content but reduced both the workability and the volumetric weight. Regarding to the results from tests in the hardened state, the combination of 10%CBC+20%CV does not significantly affect the mechanical properties of concrete at early ages; however, at the later edges they are slightly reduced. The combination of 20%CBC+20% CV show a reduction in mechanical properties at early ages, but show an improvement after 90 days. Results from the durability tests show that CV delay the ingress of chloride ions and the combination of 20%CV+10%CBC and 20%CV+ 20%CBC have a better performance. Nevertheless, in concretes containing CV and CBC the carbonation rate was higher than the control. The corrosion potentials suggest that all samples present an intermediate to high risk of corrosion, while the samples containing CV and CBC+CV, after 102 weeks of exposure, they present low to moderate corrosion.

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CONTENIDO Pág. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................... 2 1.2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 3 1.3 ANTECEDENTES .................................................................................................................. 5 1.4 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 9 1.5 HIPÓTESIS ......................................................................................................................... 10 1.6 MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL ...................................................................................... 11 1.6.1 Generalidades del concreto ....................................................................................... 11 1.6.2 Manufactura del cemento portland ........................................................................... 11 1.6.3 Componentes del cemento portland ......................................................................... 12 1.6.4 El fenómeno de hidratación del cemento portland ................................................... 14 1.6.5 Aditivos químicos ..................................................................................................... 15 1.6.6 Adiciones minerales ................................................................................................. 16 1.6.6.1 Materiales cementantes ................................................................................................................ 17 1.6.6.2 Materiales Puzolánicos ................................................................................................................. 17 1.6.6.3 La reacción puzolánica ................................................................................................................. 18 1.6.6.4 Índice de Actividad Puzolánica .................................................................................................... 20 1.6.6.5 Puzolanas de origen industrial ...................................................................................................... 21 1.6.6.5.1 Ceniza Volante ..................................................................................................................... 21 1.6.6.5.2 Humo de sílice ...................................................................................................................... 23 1.6.6.5.3 Escoria de altos hornos ......................................................................................................... 25 1.6.6.5.4 Metacaolín ............................................................................................................................ 26 1.6.6.6 Puzolanas de origen de desecho agrícola ..................................................................................... 28 1.6.6.6.1 Ceniza de cáscara de arroz.................................................................................................... 28 1.6.6.6.2 Ceniza de Bagazo de Caña ................................................................................................... 29

1.6.7 Caracterización de adiciones minerales .................................................................... 32 1.6.7.1 Técnica de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) .............................................................. 32 1.6.7.2 Técnica de Difracción de Rayos X (DRX) ................................................................................... 33

1.6.8 Concretos ternarios ................................................................................................... 33 1.6.9 Diseño, elaboración y control de mezclas de concreto ............................................. 35 1.6.9.1 Proporcionamiento de mezclas de concreto ................................................................................. 35 1.6.9.2 Caracterización de materiales para el diseño de mezclas ............................................................. 36 1.6.9.2.1 Granulometría ....................................................................................................................... 36 1.6.9.2.2 Peso volumétrico .................................................................................................................. 36 1.6.9.2.3 Densidad ............................................................................................................................... 37 1.6.9.2.4 Absorción y humedad superficial ......................................................................................... 37 1.6.9.3 Diseño y elaboración de mezclas de concreto .............................................................................. 38 1.6.9.3.1 Diseño................................................................................................................................... 38 1.6.9.3.2 Dosificación .......................................................................................................................... 38 1.6.9.3.3 Mezclado .............................................................................................................................. 39 1.6.9.3.4 Vibrado ................................................................................................................................. 39 1.6.9.3.5 Nivelación o enrasado .......................................................................................................... 40 1.6.9.3.6 Curado y protección ............................................................................................................. 40 1.6.9.3.7 Pruebas de control del concreto ............................................................................................ 41

1.6.10 Propiedades del concreto en estado fresco ............................................................. 41 1.6.10.1 Consistencia ............................................................................................................................... 41 1.6.10.2 Medición de temperatura ............................................................................................................ 43 1.6.10.3 Peso volumétrico y rendimiento ................................................................................................. 44

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1.6.10.4 Contenido de aire ....................................................................................................................... 45

1.6.11 Estudio de la trabajabilidad del concreto hidráulico .............................................. 46 1.6.11.1 Reología ..................................................................................................................................... 46 1.6.11.1.1 Curvas de Flujo y Viscosidad ............................................................................................. 47 1.6.11.1.2 Sistema de medición ........................................................................................................... 49 1.6.11.2 Modelo de Bingham ................................................................................................................... 52 1.6.11.3 Modelo de Hersel-Bulkey .......................................................................................................... 53 1.6.11.4 Fluidez ........................................................................................................................................ 54

1.6.12 Análisis de las propiedades mecánicas del concreto hidráulico ............................. 55 1.6.12.1 Índice de Actividad Resistente ................................................................................................... 55 1.6.12.2 Velocidad de pulso ultrasónico (VPU) ....................................................................................... 56 1.6.12.3 Resistencia a compresión ........................................................................................................... 57 1.6.12.4 Módulo de Elasticidad y relación de Poisson ............................................................................. 58

1.6.13 Durabilidad del concreto reforzado ........................................................................ 59 1.6.13.1 Difusión de cloruros en concreto ................................................................................................ 60 1.6.13.1.1 Difusión de cloruros en estado estacionario ....................................................................... 60 1.6.13. 1.2 Difusión de cloruros en estado no estacionario ................................................................. 61 1.6.13.2 Método de prueba de difusión en estado no estacionario (NT Build 443) ................................. 62 1.6.13.3 Método de prueba de migración ASTM C1202 ......................................................................... 63 1.6.13.4 Carbonatación ............................................................................................................................ 63 1.6.13.5 Potenciales de corrosión (Método de la media celda) ................................................................ 65 1.6.13.6 Resistencia a la Polarización Lineal ........................................................................................... 66 1.6.13.7 Inspección visual ........................................................................................................................ 68

CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ......................................................... 70 2.1 FASE I.- EVALUACIÓN DE LA TRABAJABILIDAD DE PASTAS Y MORTEROS .......................... 70 2.1.1 Diseño experimental ................................................................................................. 70 2.1.2 Descripción de los materiales ................................................................................... 72 2.1.3 Composición química de los materiales ................................................................... 72 2.1.4 Formas y tamaños de partículas................................................................................ 73 2.1.5 Análisis mineralógico ............................................................................................... 74 2.1.6 Preparación de mezclas (pastas y morteros) ............................................................. 75 2.1.7 Determinación del punto de saturación de superplastificante .................................. 76 2.1.8 Pruebas reológicas en pastas de cemento y morteros ............................................... 77 2.2. FASE II.- PRUEBAS MECÁNICAS EN CONCRETOS TERNARIOS ............................................ 80 2.2.1 Diseño experimental ................................................................................................. 80 2.2.2 Descripción de los materiales ................................................................................... 80 2.2.3 Preparación de probetas ............................................................................................ 82 2.2.4 Caracterización de mezclas en estado fresco ............................................................ 83 2.2.5 Caracterización de mezclas en estado endurecido .................................................... 84 2.2.5.1 Determinación de Índices de Actividad Resistente (IAR) ........................................................... 84 2.2.5.2 Resistencia a compresión ............................................................................................................. 84 2.2.5.3 Determinación de módulos de elasticidad y relaciones de Poisson .............................................. 85 2.2.5.4 Prueba de velocidad de pulso ultrasónico .................................................................................... 85 2.3. FASE III.- EVALUACIÓN DE LA DURABILIDAD DE CONCRETOS TERNARIOS ....................... 86

2.3.1 Diseño experimental y descripción de los materiales ............................................... 86 2.3.2 Elaboración de probetas............................................................................................ 86 2.3.3 Pruebas de difusión de iones cloruro ........................................................................ 87 2.3.3.1 Prueba rápida de permeabilidad de cloruros (RCPT) ................................................................... 87 2.3.3.2 Prueba de penetración de cloruros (NT Build 443 y NT 208 Build) ............................................ 88

2.3.4 Pruebas de carbonatación ......................................................................................... 90 Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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2.3.5 Pruebas electroquímicas ........................................................................................... 92 2.3.5.1 Prueba de potenciales de corrosión .............................................................................................. 92 2.3.5.2 Prueba de resistencia a la polarización lineal (RPL) .................................................................... 92

2.3.6 Inspección visual ...................................................................................................... 93 CAPÍTULO 3 RESULTADOS Y ANÁLISIS ....................................................................... 95 3.1 FASE I ............................................................................................................................... 95 3.1.1Composición química de aditivos minerales ............................................................. 95 3.1.2 Morfología y distribución de tamaños de partícula .................................................. 96 3.1.3 Composición mineralógica ....................................................................................... 97 3.1.4 Reología de pastas de cemento ................................................................................. 99 3.1.4.1 Sistema simple (pastas de cemento, P) ....................................................................................... 100 3.1.4.2 Sistemas binarios (P+CV y P+CBC) .......................................................................................... 103 3.1.4.3. Sistemas ternarios (PC+CV+CBC) ........................................................................................... 107

3.1.5 Comparación entre pruebas reológicas y de minicono en pastas .......................... 108 3.1.6 Reología de morteros ............................................................................................. 109 3.1.6.1 Morteros binarios (M+CV y M+CBC) ....................................................................................... 109 3.1.6.2 Morteros ternarios (M+CV+CBC) ............................................................................................. 113

3.1.7. Comparación entre pruebas reológicas y de fluidez de morteros .......................... 114 3.2 FASE II ............................................................................................................................ 116 3.2.1 Propiedades en estado fresco de concretos ternarios .............................................. 116 3.2.2 Propiedades en estado endurecido de concretos ternarios ...................................... 117 3.2.2.1 Índice de actividad resistente (IAR) ........................................................................................... 117 3.2.2.2 Resistencia a compresión ........................................................................................................... 118 3.2.2.3 Módulo de elasticidad ................................................................................................................ 120 3.2.2.4 Relación de Poisson ................................................................................................................... 122 3.2.2.5 Velocidad de pulso ultrasónico .................................................................................................. 123 3.2.2.5.1 Análisis de la correlación entre VPU y resistencia a la compresión .................................. 125 3.2.2.5.2 Análisis de la correlación entre VPU y Módulo de elasticidad experimental ..................... 126 3.2.2.5.3 Análisis de la correlación entre VPU y Relación de Poisson. ............................................ 127 3.3 FASE III .......................................................................................................................... 128

3.3.1 Resultados de las pruebas de difusión de cloruros ................................................. 128 3.3.1.1 Prueba rápida de penetración de cloruros ................................................................................... 128 3.3.1.2 Pruebas de penetración de cloruros ............................................................................................ 130

3.3.2 Resultados de las pruebas de carbonatación ........................................................... 133 3.3.3 Resultados de las pruebas electroquímicas ............................................................. 135 3.3.3.1 Potenciales de corrosión ............................................................................................................. 135 3.3.3.2 Resistencia a la Polarización Lineal ........................................................................................... 137

3.3.4 Resultados de la Inspección visual ......................................................................... 138 CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES ........................................................................................ 142 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS POSTERIORES. ...................................... 144 REFERENCIAS .................................................................................................................... 145

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1.- Representación esquemática de la fabricación del cemento .............................................. 12 Figura 1-2.- Representación esquemática del fenómeno de hidratación del cemento portland ............. 15 Figura 1-3. - Representación esquemática del mecanismo general de hidratación en sistemas C3Spuzolana y C3A-puzolana ....................................................................................................................... 20 Figura 1-4.- Proceso de combustión del carbón y formación de ceniza volante .................................... 22 Figura 1-5.- Micrografía de una muestra de humo de sílice................................................................... 24 Figura 1-6.- Micrografía de una muestra de escoria de altos hornos ..................................................... 26 Figura 1-7.- Microfotografía de una muestra de mineral de metacaolín ................................................ 27 Figura 1-8.- Microfotografía de una muestra de ceniza de cascarilla de arroz ...................................... 29 Figura 1-9.- Microfotografía de una muestra de ceniza de bagazo de caña como se recibe de la industria ................................................................................................................................................................ 31 Figura 1-10.- Microfotografía de una muestra de ceniza de bagazo de caña molida durante 45 minutos ................................................................................................................................................................ 31 Figura 1-11.- Clasificación de fluidos basada en las características de las curvas de flujo ................... 48 Figura 1-12.- Esquema del sistema de medición de esferas integrado dentro del reómetro compacto modular Para Physica (MCR 300) ......................................................................................................... 50 Figura 1-13.- Esquema del Minicono de revenimiento .......................................................................... 54 Figura 2-1.- Fotografía de ceniza de bagazo de caña ............................................................................. 72 Figura 2-2.- Equipo utilizado para las pruebas de MEB ........................................................................ 73 Figura 2-3.- Equipo utilizado para la prueba de difracción de rayos láser ............................................. 74 Figura 2-4.- Equipo utilizado para la prueba de DRX ........................................................................... 74 Figura 2-5.- Preparación de pastas de cemento ...................................................................................... 75 Figura 2-6. - Preparación de morteros .................................................................................................... 76 Figura 2-7.- Equipo empleado para pruebas reológicas ......................................................................... 77 Figura 2-8.- Prueba de extensibilidad de pastas de cemento .................................................................. 79 Figura 2-9.- Prueba de fluidez en morteros ............................................................................................ 79 Figura 2-10.-Obtención de la densidad de la CBC ................................................................................. 81 Figura 2-11.- Curva granulométrica de la arena..................................................................................... 81 Figura 2-12.- Curva granulométrica de la grava .................................................................................... 82 Figura 2-13.- Preparación de probetas ................................................................................................... 83 Figura 2-14.- Caracterización de mezclas en estado fresco ................................................................... 83 Figura 2-15.- Ensaye de cubo para determinar índice de actividad resistente ....................................... 84 Figura 2-16.- Prueba de resistencia a compresión .................................................................................. 85 Figura 2-17.- Prueba de Módulo de elasticidad y relación de Poisson .................................................. 85 Figura 2-18.- Prueba de velocidad de pulso ultrasónico ........................................................................ 86 Figura 2-19.- Probetas prismáticas ......................................................................................................... 86 Figura 2-20.- Diagrama de probetas prismáticas para pruebas electroquímicas .................................... 87 Figura 2-21.- Prueba rápida de permeabilidad de cloruros .................................................................... 88 Figura 2-22.- Preparación de cilindros para la prueba de penetración de cloruros ................................ 89 Figura 2-23.- Extracción de polvos de concreto..................................................................................... 89 Figura 2-24. -Prueba de acuerdo al método NT Build ........................................................................... 90 Figura 2-25.- Preparación de muestras para prueba de carbonatación ................................................... 91 Figura 2-26.- Prueba de carbonatación .................................................................................................. 91 Figura 2-27.- Prueba de potenciales de corrosión .................................................................................. 92 Figura 2-28.- Esquema para mediciones de RPL ................................................................................... 93 Figura 2-29.- Prueba de resistencia a la polarización lineal ................................................................... 93 Figura 2-30.- Especímenes fuera de la solución salina antes de la inspección visual ............................ 94 Figura 3-1 .- Micrografías y curvas de distribución del tamaño de partículas ....................................... 97

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Figura 3-2 .- Difractograma del CP ........................................................................................................ 98 Figura 3-3 .- Difractograma de la CV .................................................................................................... 98 Figura 3-4 .- Difractograma de la CBC .................................................................................................. 99 Figura 3-5.- Efectos de la dosificación de superplastificante (SP) en el esfuerzo cortante de pastas con un solo ingrediente (P) ......................................................................................................................... 102 Figura 3-6.- Efectos de la dosificación de superfluidificante (SP) en la viscosidad cortante de las pastas con un solo ingrediente (P)................................................................................................................... 103 Figura 3-7.- Curvas de esfuerzo cortante y viscosidad cortante de las pastas de cemento binarias y ternarias ................................................................................................................................................ 104 Figura 3-8.- Esquemas de las estructuras internas de las pastas........................................................... 106 Figura 3-9.- Comparación entre las áreas de flujo relativas y los esfuerzos de fluencia en pastas ..... 109 Figura 3-10.- Curvas de esfuerzos cortantes y viscosidades cortantes de morteros binarios y ternarios .............................................................................................................................................................. 111 Figura 3-11.- Canal formado al inicio de la prueba en el mortero binario con 30% de CBC .............. 113 Figura 3-12.- Correlación entre fluidez y esfuerzos de fluencia en morteros ...................................... 115 Figura 3-13.- IAR a 7,14 y 28 días de la ceniza de bagazo de caña y ceniza volante .......................... 118 Figura 3-14.- Valores promedio de resistencia a compresión de las mezclas de concreto................... 119 Figura 3-15.- Valores promedio de módulo de elasticidad de las mezclas de concreto ....................... 121 Figura 3-16.- Registro de velocidades de pulso ultrasónico para todas las mezclas de concreto ........ 124 Figura 3-17.- Correlación de velocidad de pulso ultrasónico y resistencia a compresión para todas las mezclas ................................................................................................................................................. 125 Figura 3-18.- Correlación de velocidad de pulso ultrasónico y resistencia a compresión por mezcla 126 Figura 3-19.- Correlación de velocidad de pulso ultrasónico y módulo de elasticidad para todas las mezclas ................................................................................................................................................. 126 Figura 3-20.- Correlación de velocidad de pulso ultrasónico y módulo de elasticidad por mezcla ... 127 Figura 3-21.- Correlación de velocidad de pulso ultrasónico y relación de Poisson por mezcla ....... 128 Figura 3-22.- Resultados de la prueba rápida de permeabilidad de cloruros con base en los criterios de la norma ASTM C 1202-05 .................................................................................................................. 129 Figura 3-23.- Resultados de la Norma NT Build 443 a 28 días de curado........................................... 130 Figura 3-24.- Resultados de la Norma NT Build 443 a 90 días de curado........................................... 131 Figura 3-25.- Coeficientes de penetración de cloruros a 28 y 90 días ................................................. 133 Figura 3-26.- Resultados de las pruebas de carbonatación .................................................................. 133 Figura 3-27.- Probetas carbonatadas .................................................................................................... 134 Figura 3-28.- Lecturas de potenciales de corrosión de las cuatro mezclas........................................... 136 Figura 3-29.- Densidades de corrosión de las cuatro mezclas a 109 semanas ..................................... 137 Figura 3-30.- Probetas de concreto elaborados con la mezcla referencia después de ser expuestos al ambiente agresivo simulado ................................................................................................................. 139 Figura 3-31.- Probetas de concreto elaborados con la mezcla T0 después de ser expuestos al ambiente agresivo simulado................................................................................................................................. 139 Figura 3-32.- Probetas de concreto elaborados con la mezcla Ternaria T1 después de ser expuestos al ambiente agresivo simulado ................................................................................................................. 140 Figura 3-33.- Probetas de concreto elaborados con la mezcla Ternaria T2 después de ser expuestos al ambiente agresivo simulado ................................................................................................................. 140

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1-1.- Composiciones Químicas de algunas CBC ......................................................................... 30 Tabla 2-1.- Proporciones de pastas de cemento (% de peso) ................................................................. 71 Tabla 2-2.- Proporciones de morteros (% de peso) ................................................................................ 71 Tabla 2-3.- Proporcionamiento de mezclas (para 1m3 de concreto) ...................................................... 80 Tabla 2-4.- Resumen de las propiedades de los agregados .................................................................... 82 Tabla 2-5.- Características de las probetas y tiempos de prueba para la Fase II .................................... 83 Tabla 2-6.- Características de las probetas y tiempos de prueba para la Fase III ................................... 87 Tabla 2-7.- Parámetros de la cámara de carbonatación ...........................................................................90 Tabla 3-1.- Composición química de las adiciones minerales utilizadas en este estudio (wt.%) .......... 95 Tabla 3-2.- Proporciones de materiales para pastas (wt. %), parámetros Herschel-Bulkley calculados y áreas de flujo relativas obtenidos ......................................................................................................... 100 Tabla 3-3.- Proporciones para la elaboración de las mezclas de morteros (wt. %), parámetros HerschelBulkley calculados y fluidez obtenida ................................................................................................. 110 Tabla 3-4.- Resumen de propiedades en estado fresco de los concretos estudiados ............................ 117 Tabla 3-5.- Valores promedio de la relación de Poisson de las mezclas de concreto .......................... 123 Tabla 3-6.- Permeabilidad al Ion cloruro con base a la carga que pasa ............................................... 129 Tabla 3-7.- Interpretación de potenciales de corrosión para diferentes tipos de electrodos en milivolts (mV) de acuerdo a la norma ASTM C876 ........................................................................................... 135 Tabla 3-8.- Nivel de corrosión con base en lecturas de densidad de corrosión (Broomfield, 1997) .... 137

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NOMENCLATURA Nomenclatura

Significado

% ABS ACI a/c a/mc Al2O3 ASTM C CCA CaO C2S C3A C3S C4AlF Ca(OH)2 C3AH6 C3S2H3 CO2 CBC CP CV D DRX E EGAH ENH F f´c Fe Fe2O3 FeO Fe(OH)3 GE HPC HS IAP IAR LOI M MEB MF MK MPa M+0 M+CBC10 M+CBC20 M+CBC30 M+CV10 M+CV20 M+CV30 M+CV20+CBC10

Porcentaje de absorción Instituto Americano del Concreto Relación agua/cemento Relación agua/materiales cementantes Óxido de aluminio o alúmina Norma internacional (Sociedad Americana de pruebas y materiales) Mezcla de concreto control Ceniza de cáscara de arroz Óxido de calcio Silicato dicálcico Aluminato tricálcico Silicato tricálcico Ferroaluminato tetracálcico Hidróxido de calcio Aluminato hidratado de calcio Silicato hidratado de calcio Dióxido de carbono Ceniza de bagazo de caña Cemento portland Ceniza volante Coeficiente de difusión Difracción de rayos X Módulo de elasticidad Escoria granulada de alto horno Electrodo normal de hidrógeno Fluidez Resistencia a compresión en MPa Hierro Óxido de hierro (III) Óxido de hierro Hidróxido férrico Gravedad específica Concreto de alto comportamiento Humo de sílice Índice de actividad puzolánica Índice de actividad resistente Pérdidas por calcinación o pérdidas por ignición Torque Microscopio electrónico de barrido Módulo de finura Metacaolin Megapascal Mezcla de mortero control Mezcla de mortero binaria (90% cemento + 10% de ceniza de bagazo de caña) Mezcla de mortero binaria (80% cemento + 20% de ceniza de bagazo de caña) Mezcla de mortero binaria (70% cemento + 30% de ceniza de bagazo de caña) Mezcla de mortero binaria (90% cemento + 10% de ceniza volante) Mezcla de mortero binaria (80% cemento + 20% de ceniza volante) Mezcla de mortero binaria (70% cemento + 30% de ceniza volante) Mezcla de mortero ternaria (70% cemento + 20% de ceniza volante + 10% de ceniza de bagazo de caña) Mezcla de mortero ternaria (60% cemento + 20% de ceniza volante + 20% de

M+CV20+CBC20

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M+CV20+CBC30 Mezcla T0 Mezcla T1 Mezcla T2 mV η NaCl NaOH P+0 P+1SP P+2SP P+3SP P+4SP P+CBC10 P+CBC20 P+CBC30 P+CV10 P+CV20 P+CV30 P+CV20+CBC10 P+CV20+CBC20 P+CV20+CBC30 PUNDIT PH PVSS PVSC R2 Rad/s RPL RPM SiO2 SP SSS τ τ0

̇ μA μA/cm2 ν VPU

ceniza de bagazo de caña) Mezcla de mortero ternaria (50% cemento + 20% de ceniza volante + 30% de ceniza de bagazo de caña) Mezcla ternaria de Concreto (80 cemento +0% de ceniza de bagazo de caña+ 20 % de ceniza volante) Mezcla ternaria de Concreto (70% cemento + 10% de ceniza de bagazo de caña+ 20 % de ceniza volante) Mezcla ternaria de Concreto (60% cemento + 20% de ceniza de bagazo de caña+20 % de ceniza volante) Milivoltios Viscosidad dinámica Cloruro de sodio Hidróxido de sodio Pasta de cemento control Pasta de cemento con 6 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta de cemento con 9 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta de cemento con 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta de cemento con 14 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta binaria de cemento + 10% de ceniza de bagazo de caña y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta binaria de cemento + 20% de ceniza de bagazo de caña y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta binaria de cemento + 30% de ceniza de bagazo de caña y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta de cemento + 10% de ceniza volante y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta binaria de cemento + 20% de ceniza volante y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta binaria de cemento + 30% de ceniza volante y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta ternaria de cemento + 20% de ceniza volante + 10% de ceniza de bagazo de caña y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta ternaria de cemento + 20% de ceniza volante + 20% de ceniza de bagazo de caña y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Pasta ternaria de cemento + 20% de ceniza volante + 30% de ceniza de bagazo de caña y 12 ml de superplastificante por kilogramo de cemento Equipo portátil de ensaye ultrasónico no destructivo de indicación digital Potencial de hidrógeno Peso volumétrico seco suelto Peso volumétrico seco compacto Coeficiente de determinación (coeficiente de correlación al cuadrado) Radianes por segundo Resistencia a la polarización lineal Revoluciones por minuto Dióxido de silicio (Sílice) Superplastificante Condición saturado superficialmente seco Esfuerzo cortante Esfuerzo de fluencia Área relativa de flujo Velocidad de corte Intensidad de corrosión Densidad de corrosión (Microamperes sobre centímetro cuadrado) Módulo de Poisson Velocidad de pulso ultrasónico

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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN El concreto hidráulico reforzado es el material de construcción con mayor uso en el mundo; sin embargo, presenta problemas de durabilidad los cuales se han tratado de disminuir con el uso de adiciones minerales. La incorporación de adiciones minerales puede tener repercusiones en sus propiedades tanto en estado fresco como en estado endurecido, además, el empleo de estos materiales puede ser útil desde el punto de vista ambiental y económico. La aplicación de adiciones minerales industriales (humo de sílice, ceniza volante, escoria de alto horno) también llamadas puzolanas, tiene efectos importantes en las propiedades mecánicas y de durabilidad del concreto reforzado; su uso se ha propuesto con la finalidad de mitigar el problema de su deterioro prematuro, mejorar la trabajabilidad, reducir los costos de producción y disminuir los gases de efecto invernadero. Por razones técnicas, ambientales y económicas, el uso de las puzolanas obtenidas como subproductos (desechos) agroindustriales en las mezclas de concreto están siendo el centro de atención de nuevas investigaciones, por lo cual actualmente son escasos los trabajos reportados sobre este tema. La utilización de algunas cenizas de desechos agrícolas, proporciona ventajas al concreto tanto en estado fresco como endurecido, así como la mejora de su durabilidad. Entre las ventajas adicionales de su uso se encuentra la reducción de costos de producción

(debido a la

sustitución parcial de cemento) y reducción de los problemas ambientales que se asocian con su manejo y disposición. Es por lo anterior que en este trabajo se analizó la influencia de la combinación de ceniza de bagazo de caña (CBC) y ceniza volante (CV), en las propiedades en estado fresco y endurecido de pastas, morteros y concretos. El presente trabajo de investigación se llevó a cabo en tres fases, acorde con los procedimientos de pruebas estandarizadas. En la primera fase se caracterizaron las cenizas y el cemento a emplear por medio de análisis químico, mineralógico y morfológico, y se evaluó la reología en pastas y morteros. En la segunda fase se determinó el Índice de Actividad Resistente (IAR) de la ceniza de bagazo de caña y ceniza volante. En esta fase también se estudiaron las propiedades en estado fresco y endurecido de mezclas de concretos mediante pruebas de revenimiento, contenido de Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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aire, peso volumétrico, temperatura, resistencia a la compresión, módulos de elasticidad y relación de Poisson. En la última fase se revisó la durabilidad de concretos mediante la evaluación de la resistencia al ingreso de iones cloruro, pruebas de carbonatación acelerada, pruebas electroquímicas de potenciales de corrosión y densidad de corrosión en probetas de concreto.

1.1 Planteamiento del problema

Hasta hace algunas décadas, el concreto era considerado un material durable y con bajo costo de mantenimiento; sin embargo, en los últimos años se han presentados daños y deterioro prematuro en estructuras de concreto reforzado; el deterioro se ha manifestado por el incremento de agrietamientos y delaminaciones relacionados con la corrosión del acero de refuerzo, ya sea por carbonatación o por iones cloruro (Rebolledo y Andrade, 2008; Pérez y Savigne, 2005; Castro, 2001; y Pierre, 2001). Lo anterior ha demostrado que el concreto no ha protegido adecuadamente al refuerzo y esto ha implicado consecuencias económicas de gran magnitud (Koch, et al., 2002). El problema de la falta de durabilidad de las estructuras de concreto reforzado, se presenta en diferentes países del mundo y en distintas magnitudes; en zonas urbanas la vida útil de una estructura se ve afectada principalmente por la alta concentración de CO2 en el ambiente, en las zonas costeras cercanas al mar el problema principal es la corrosión del acero de refuerzo ocasionada por la acción del ión cloruro (Bader, 2003; Castro, et al., 2000; Troconis, et al., 2004; y Torres, et al., 2008). Para tratar de garantizar el desempeño y durabilidad de las estructuras en ambientes agresivos, los países industrializados han adoptado el uso del concreto de alto comportamiento (HPC) (Aïtcin, 2003; y Malhotra y Mehta, 2002), y concretos ternarios (Shannag, 2000; Thomas, et al., 2007; Laldji y Tagnit-Hamou, 2006). Para la elaboración de

estos concretos se utilizan adiciones minerales, los cuales son

productos de desperdicio en la industria y que pueden remplazar, en algunos casos, el uso de cemento hasta en un 50%. Las combinaciones de ingredientes más comunes mezclados con cemento Portland son las puzolanas (ceniza volante-humo de sílice, ceniza volante-escoria, o

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escoria-humo de sílice), y materiales hidráulicos latentes, tales como la escoria granulada de alto horno (Papadakis, 2000; Papadakis y Tsimas, 2002; Song y Saraswathy, 2006). Algunas adiciones minerales, solas o combinadas, pueden inducir efectos negativos o positivos al incorporarse en la elaboración las mezclas de materiales basados en cemento; estos efectos pueden presentarse en el estado fresco y/o en el estado endurecido. Los resultados de algunos estudios han establecido que adiciones minerales industriales naturales y combinaciones de ambas (Ghrici et al., 2007; Fajardo et al., 2009; Kosmatka et al., 2004; Shannag, 2000; Sabir et al., 2001) tienen una influencia benéfica en muchas propiedades en concreto fresco y endurecido. El efecto sinergístico de esas

adiciones,

proporcionan un incremento significante en el mejoramiento de las propiedades mecánicas y de durabilidad del concreto. Desafortunadamente en otros países esta solución no ha podido aplicarse principalmente porque no cuentan con la disponibilidad de los materiales puzolánicos suplementarios necesarios para la elaboración de este tipo de concreto. Hasta la fecha son pocos los estudios realizados sobre el tema de puzolanas de desperdicio agrícola y sus efectos de incorporación como material suplementario en la durabilidad de concretos ternarios para mitigar el problema del deterioro prematuro de estructuras de concreto reforzado (Saraswathy y Song, 2007; Chindaprasirt y Rukzon 2007; Jauberthine et al., 2000). Es por lo anterior que en este trabajo se evaluó el efecto de la adición de ceniza de bagazo de caña y ceniza volante, en pastas, morteros y concretos con relación a sus propiedades en estado fresco, mecánicas y de durabilidad.

1.2 Justificación

El concreto es el material de construcción más extensamente usado todo el mundo. Algunos investigadores como Clyde E. Kesler (1980), han afirmado que “el concreto como material de construcción, ha sido importante en el pasado, es útil actualmente, y se pronostica justamente que será indispensable en el futuro”. Mehta y Monteiro (1998) han declarado que el hombre no consume otro material, con la excepción del agua, en tan grandes cantidades. Sin embargo,

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la producción de cemento, materia prima del concreto, es una de las actividades que produce mayor contaminación ambiental. Si bien es cierto que el concreto reforzado, como material de construcción, presenta grandes cualidades y características importantes, también ha experimentado deterioro prematuro, principalmente causado por la corrosión en el acero de refuerzo. Este deterioro afecta su desempeño estructural con las consecuentes repercusiones económicas, sociales y ambientales. Existen actualmente varios métodos con los cuales se intentan minimizar los problemas de durabilidad de estructuras de concreto reforzado, por ejemplo, el uso de materiales suplementarios subproducto de la industria. Sin embargo, sólo algunos países disponen de estos tipos de materiales; otros cuentan con grandes áreas volcánicas de las cuales obtienen materiales puzolánicos de origen natural. En México, se cuenta con algunas puzolanas naturales pero se carece de puzolanas industriales, y éstas actualmente se importan, lo cual incrementa el costo de producción y limita su uso. Con base en lo anterior, se deduce que es necesario recurrir a otra fuente para la obtención de materiales suplementarios, tales como aquellos obtenidos de la calcinación de desechos agrícolas. La composición química de algunas cenizas, producto de la calcinación de desechos agrícolas, muestra que en mezclas de concreto hidráulico pueden reaccionar con el hidróxido de calcio y formar silicatos hidratados de calcio. Estas cenizas pueden mejorar las propiedades en concreto fresco y endurecido a través de efectos puramente físicos asociados con la presencia de partículas muy finas, o a través de efectos físico-químicos asociados con reacciones puzolánicas y cementantes. Es por lo anterior que este estudio considera emplear la Ceniza de Bagazo de Caña (CBC), desecho de la producción de azúcar, y la combinación CBC+CV (Ceniza de Bagazo de Caña más Ceniza Volante) para evaluar las propiedades mecánicas y de durabilidad de morteros y concretos ternarios durables aplicables en la construcción de estructuras en las zonas costeras de México y otros países. Los resultados de la presente investigación generarán la posibilidad de utilizar productivamente un material de desecho que habitualmente es depositado en grandes cantidades al aire libre y hacer un uso racional del cemento Portland, logrando de esta manera abatir en parte, los problemas concernientes a la contaminación del medio ambiente. Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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El remplazo del cemento portland por CBC puede traer considerables beneficios ambientales a través de: i) la destinación adecuada de un producto de desecho; ii) reducción del consumo de materias primas naturales (caliza y arcilla); iii) reducción en consumo de energía (durante la producción de cemento); iv) reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero. Hoy en día, el último punto es particularmente importante, considerando que 5% global de la emisiones antropogénicas de dióxido de carbono (CO2) son generadas durante la producción del cemento portland (Worrell, et al., 2001).

1.3 Antecedentes Investigaciones recientes indican que es posible incrementar la trabajabilidad, resistencia y durabilidad de materiales basados en cemento con el uso de adiciones minerales tales como la ceniza volante (CV), el humo de sílice (HS), y la escoria granulada de altos hornos (EGAH) (Xianming, et al., 2011; Uysal, et al., 2011; Mucteba y Kemalettin, 2011). Por ejemplo, la ceniza volante, material de desecho generado durante la combustión del carbón para producir energía, consiste de partículas finas, predominantemente de forma esférica, sólidas o huecas, y en estado natural amorfo es un excelente material puzolánico. En México esta ceniza no está disponible comercialmente y por lo tanto para su uso se requiere importarla. Varias investigaciones han reportado los resultados de la incorporación de CV a las mezclas de adiciones minerales. Tattersall (1991) mostró que en mezclas de concreto, cuando incorporó CV como remplazo parcial de cemento, el esfuerzo de fluencia disminuyó y mientras que las propiedades mecánicas no fueron alteradas. Banfill (1994) demostró que ambos el esfuerzo de fluencia y la viscosidad plástica disminuyen con el incremento de CV. En años recientes, el uso de desechos sólidos derivados de agricultura como puzolanas en la elaboración de mezclas de mortero y concreto ha sido el enfoque de nuevas investigaciones (Martínez, 2007; Singh, et al., 2000; Biricik, et al., 1999; Demirba y Aslan, 1998). Desechos agrícolas tales como cáscara de arroz, ceniza de paja de trigo, ceniza de paja de caña de azúcar y ceniza de bagazo de caña, han sido usados como materiales puzolánicos. Algunos estudios (Morales, et al., 2008; Martirena, et al., 2006; Frías, et al., y M., 2005), han mostrado que los desechos de la industria azucarera, (ceniza de bagazo de caña de azúcar, SCBA y ceniza de paja de azúcar, SCSA) tienen actividad puzolánica adecuada cuando son Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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calcinadas a una temperatura superior a los 600 °C, lo anterior es consecuencia de su alto contenido de óxido de silicio amorfo y compuestos aluminosos que reaccionan químicamente con hidróxido de calcio en presencia de agua. La actividad puzolánica de esas cenizas depende de algunos parámetros tales como: el tamaño de la partícula, la temperatura de calcinación, naturaleza cristalina o amorfa y la composición química (Payá, et al., 2002). Cordeiro y colaboradores (2008), realizaron un estudio con la finalidad de evaluar los efectos químicos y físicos de la CBC en las propiedades de morteros. Primeramente investigaron la influencia de la distribución del tamaño de las partículas de CBC en la resistencia a compresión, índices de actividad puzolánica y densidad. También compararon el comportamiento de morteros conteniendo CBC y cuarzo triturado (considerado como un material de baja reactividad), con la misma densidad. Los resultados les permitieron establecer que existe una relación directa entre la resistencia a compresión, del mortero que contiene CBC, y la finura de la ceniza. Por otra parte, la CBC producida por molienda vibratoria proporciona la más alta densidad del mortero, lo cual genera una alta resistencia a compresión y alta actividad puzolánica. Después de los 28 días de curado, la resistencia a compresión de morteros con CBC fue 31 % más alta que la resistencia de la mezcla con cuarzo triturado. La discrepancia también se observó en la actividad puzolánica. Finalmente concluyen que esta CBC puede ser clasificada como un material puzolánico, pero que su actividad depende significativamente del tamaño y fineza de sus partículas. Ganesan y colaboradores (2007), realizaron un estudio de los efectos de remplazo parcial de cemento por CBC, en las propiedades físicas y químicas del concreto endurecido. El estudio lo realizaron en dos fases. En la primera determinaron la composición química y sus propiedades físicas de la CBC, evaluaron tiempos de fraguado inicial y final, también realizaron pruebas de resistencia a compresión de cubos de mortero. En la segunda fase realizaron pruebas de resistencia a la compresión, distribución del esfuerzo a tensión, coeficiente de absorción de agua, sorptividad, resistencia a la penetración de iones cloruro y coeficiente de migracióndifusión en especímenes de concreto. Los resultados de ese trabajo demuestran que más del 20% de cemento Portland ordinario puede ser óptimamente remplazado con CBC bien calcinada, sin ningún efecto adverso en las propiedades deseables del concreto. Las ventajas específicas que obtuvieron de tal remplazo Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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fueron: desarrollo de alta resistencia temprana, una reducción en la permeabilidad del agua, apreciable resistencia a la penetración y difusión de los cloruros. Estas ventajas tienen una acción directa sobre la durabilidad de estructuras de concreto reforzado. A pesar de los estudios y evidencias de las ventajas de usar CBC como remplazo de cemento, los mecanismos actuales que son responsables de ellos, aún no son del todo entendidos. No es claro si las ventajas de usar CBC son debido a efectos físicos o químicos. Esta dificultad es parcialmente debida al hecho de que ambos efectos están unidos para influir en los resultados de los métodos de evaluación más comúnmente usados. Otro trabajo relacionado al uso de CBC como material cementante suplementario fue realizado por Cordeiro y colaboradores (2009). Ellos consideran que para la aplicación efectiva de la CBC como material cementante suplementario en el mortero y concreto se requiere controlar los procesos de molienda y clasificación que le permitan lograr la granulometría y la homogeneidad para cumplir con los estándares de la industria. Por lo anterior, en la primer parte del trabajo investigaron la función del tipo de molino y la molienda (configuración del circuito de molienda en el laboratorio y planta piloto a escala) en los tamaños de partículas, la superficie específica y la actividad puzolánica de las CBC producidas. Con respecto a las propiedades en estado fresco, el remplazo de cemento por la ceniza ultrafinamente molida produjo un incremento en los valores de revenimiento. De hecho, a fin de mantener el valor del revenimiento, el 20% de cemento fue remplazado por CBC y con estos valores fue posible reducir en un 16% el contenido del súper plastificante en comparación con el concreto donde no se utilizó CBC. También se observó que la viscosidad plástica aumentó ligeramente como resultado de la incorporación de la CBC en la mezcla. Sin embargo, el esfuerzo de fluencia se redujo por el uso de concretos con CBC, lo que sugiere un efecto positivo de la CBC sobre la reología del concreto. Los autores afirman que aunque se produjeron diferentes distribuciones de tamaño por las diferentes configuraciones de molienda, la actividad puzolánica de las cenizas molidas se correlaciona directamente con su finura.

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Determinaron que, cenizas con una baja actividad puzolánica inferior al 50% (tal como fueron recibidas), pueden alcanzar valores por encima del 100% después de 240 minutos de molienda. En la segunda parte del trabajo, estudiaron el efecto de la incorporación de la CBC, a la que denominaron ultra-finamente molida, en propiedades físicas de concreto de alto comportamiento (en estado fresco y endurecido); la CBC fue utilizada como remplazo parcial de cemento Portland en 10%, 15% y 20% en peso. Los resultados de esta etapa demostraron que no hay cambios importantes en el comportamiento mecánico (resistencia a la compresión y módulo de elasticidad) utilizando hasta 20% de CBC, pero mejora la reología y la resistencia a la penetración de iones cloruro. En lo que respecta a la durabilidad, realizaron la prueba rápida de permeabilidad de cloruro utilizando los procedimientos descritos en la norma Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration (ASTM C 120205). Los resultados indican que la CBC permite una reducción de alrededor del 30% en la carga eléctrica que pasa a través de las muestras de concreto, en comparación con el concreto sin adición de CBC. La incorporación de la CBC ultrafina al concreto permitió cambiar su clasificación de: concreto de "baja" penetrabilidad de ión cloruro a concreto de "muy baja" penetrabilidad (ASTM C 1202-05). Recientemente, Cordeiro et al., (2012) llevaron a cabo un programa experimental para investigar la influencia de cenizas de bagazo de caña (CBC) y de cáscara de arroz (CCA) en concretos binarios y ternarios. La mezcla de concreto ternario la realizaron sustituyendo cemento portland por 20% de ceniza volante y 20% de ceniza de bagazo de caña. La combinación de ambas cenizas permitió alcanzar efectos positivos en la reología e incrementar la resistencia a compresión de las mezclas ternarias cuando se compararon con la mezcla control. Además, presentaron bajas cargas eléctricas y disminuyeron significativamente el máximo aumento de temperatura adiabática del concreto convencional. Los evidentes beneficios de la CBC que se obtuvieron en estos estudios previos se presume fueron debidos al postratamiento que recibió la CBC. Sin embargo, el proceso de molido, aunque no es tan demandante en energía como la activación térmica, requiere un alto consumo energético. Por otra parte, no se han reportado en la literatura resultados sobre pruebas de carbonatación en concretos elaborados con CBC.

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Estudios sobre métodos de postratamiento de cribado y molido de la CBC propuesta para la presente investigación muestran que para este tipo específico de CBC el tratamiento más viable es el cribado a través de la malla #200 por cuatro minutos (Hernández-Toledo, et al. 2010). Otra razón para no someter a la CBC a un proceso de molido, antes de su utilización como material suplementario, fue que esta investigación es parte un proyecto más grande en donde es de interés estudiar diferentes aplicaciones de dicha CBC (Alavez-Ramirez, et al., 2012; Maldonado-García, et al., 2012; Ríos-Parada, et al., 2012). Finalmente, el presente estudio se enfoca en el análisis de las propiedades de trabajabilidad, resistencia y durabilidad de la CBC prácticamente como es recibida del ingenio.

1.4 Objetivos

Objetivo general

Evaluar el efecto de la incorporación de ceniza de bagazo de caña y ceniza volante en la trabajabilidad, propiedades mecánicas y de durabilidad de concretos ternarios.

Objetivos específicos

1. Realizar la caracterización química y física de la CBC y CV para determinar sus propiedades como materiales suplementarios.

2. Evaluar el comportamiento reológico de pastas y morteros preparados con CBC y CV.

3. Determinar el Índice de Actividad Resistente de la CBC y CV que se utilizará como sustituto parcial del cemento Portland.

4. Evaluar el efecto de la incorporación de la CBC en las propiedades en estado fresco de concretos que contienen CV.

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5. Evaluar el efecto de la incorporación de la CBC en las propiedades en estado endurecido de concretos que contiene CV.

6. Evaluar el efecto de la incorporación de la CBC y CV en la durabilidad de probetas de concretos ternarios.

1.5 Hipótesis

1. La sustitución parcial de cemento portland por CBC+CV mejora las propiedades reológicas de pastas y morteros.

2. La sustitución parcial de cemento portland por CBC+CV influye positivamente en las propiedades en estado fresco (revenimiento, contenido de aire y peso volumétrico), y en estado endurecido (resistencia a compresión, módulo de elasticidad, relación de Poisson y durabilidad) de concretos ternarios.

3. La sustitución parcial de cemento portland por CBC+CV reduce el ingreso de iones cloruro en concreto.

4. La sustitución parcial de parcial de cemento portland por CBC+CV reduce la profundidad de carbonatación en concreto.

5. La sustitución parcial de parcial de cemento portland por CBC+CV, en las mezclas de concreto, es una opción para utilizar productivamente materiales de desecho y hacer un uso racional del cemento, logrando de esta manera abatir en parte los problemas concernientes a la contaminación del medio ambiente.

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1.6 Marco teórico y conceptual 1.6.1 Generalidades del concreto El concreto hidráulico es básicamente una mezcla de dos componentes: agregados y pasta. La pasta, compuesta de cemento Portland y agua, une los agregados, normalmente arena y grava, creando una masa similar a una roca. Esto ocurre por el endurecimiento de la pasta en consecuencia de la reacción química del cemento con el agua. Otros materiales cementantes y adiciones minerales se pueden incluir en la pasta (Kosmatka et al., 2004). 1.6.2 Manufactura del cemento portland El cemento portland está compuesto principalmente de materiales calcáreos tales como caliza, y por alúmina y sílice, que se encuentran como arcilla o pizarra. También se utiliza la marga, que es una mezcla de materiales calcáreos y arcillosos. El proceso de fabricación del cemento consiste en moler finamente la materia prima, mezclarla minuciosamente en ciertas proporciones y calcinarla en un horno rotatorio de gran dimensión a una temperatura de aproximadamente 1450 ºC, donde el material se sintetiza y se funde parcialmente, formando esferas conocidas como Clinker (Figura 1-1). El Clinker se enfría y se tritura hasta obtener un polvo fino, después se adiciona un poco de yeso, y el producto resultante es el cemento portland comercial (Neville, 1995).

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Figura 1-1. Representación esquemática de la fabricación del cemento Fuente: World Business Council for Sustainable Development (2002).

1.6.3 Componentes del cemento portland El cemento Portland no es un compuesto químico simple, sino que es una mezcla de varios compuestos. Los cuatro de ellos que conforman el 90% o más del peso del cemento Portland son: el silicato tricálcico (C3S), el silicato dicálcico (C2S), el aluminato tricálcico (C3A) y el ferroaluminato tetracálcico (C4AF) (Taylor, 2001). Silicato tricálcico o alita (C3S). Este componente se puede considerar como el principal o decisivo del Clinker, confiriendo altas resistencias iniciales al concreto, es decir, se hidrata y endurece rápidamente y es responsable en gran medida del fraguado inicial y de la resistencia temprana.

Silicato dicálcico o belita (C2S). Este componente que es metastable, da poca resistencia en los primeros días, la cual se va desarrollando progresivamente hasta alcanzar en resistencia al silicato tricálcico. Se hidrata y endurece lentamente y contribuye en gran medida al incremento de la resistencia a edades mayores de una semana. Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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Los dos silicatos de calcio, constituyen cerca del 75 % del peso del cemento Portland, reaccionan con el agua para formar dos nuevos compuestos: el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) y el silicato hidratado de calcio (C3S2H3). Ambos silicatos requieren aproximadamente la misma cantidad de agua para su hidratación, pero el C3S produce más del doble de Ca(OH)2 que el que se forma mediante la hidratación del C2S. Haciendo la suposición aproximada de que el C3S2H3 es el producto final de la hidratación de C3S, así como del C2S, las reacciones de hidratación pueden escribirse en la forma siguiente: Para C3S (

)

(

)

Para C2S

Aluminato tricálcico (C3A) o celita. El C3A actúa como fundente y, de este modo, reduce la temperatura de cocción del clinker y facilita la combinación de cal y sílice; por esta razón, el C3A es útil en la fabricación del cemento. El C3A libera una gran cantidad de calor durante los primeros días de hidratación y endurecimiento, y contribuye un poco al desarrollo de la resistencia temprana. No se recomienda la presencia de C3A en el cemento; su hidratación es muy rápida al contacto con el agua. Para retrasar su actividad se utiliza yeso que actúa como regulador de fraguado. Hay que tener presente que los clinkers que poseen un contenido alto de aluminato tricálcico dan lugar a pastas, morteros y concretos muy sensibles al ataque por sulfatos. Un efecto positivo del C3A es su capacidad para ligar cloruros, reduciendo el riesgo de corrosión en el acero de refuerzo. La principal forma de ligar los iones cloruro es por la reacción con el C3A para formar cloroaluminato de calcio (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O), también llamado sal de Friedel. Una reacción similar sucede con el Ferroaluminato tetracálcico (C4AF) que da como resultado cloroferrita de calcio (3CaO.Fe2O3.CaCl2.10H2O). Ferroaluminato tetracálcico (C4AF) o ferrita, también actúa como fundente. Sin este compuesto las reacciones en el horno avanzarían en forma mucho más lenta y, probablemente, serian incompletas. Se hidrata con cierta rapidez pero contribuye mínimamente a la resistencia. La mayoría de efectos del color gris se debe a este compuesto. El yeso no sólo reacciona con el C3A, pues con el C4AF forma sulfoferrita cálcica, al igual que sulfoaluminato cálcico, y su presencia puede acelerar la hidratación de los silicatos. La Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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cantidad de yeso añadida al Clinker de cemento debe vigilarse cuidadosamente; en particular, un exceso de yeso lleva a una expansión y al rompimiento consecuente de la pasta fraguada de cemento. El contenido óptimo de yeso se determina mediante observaciones de la generación de calor de hidratación (Kosmatka et al., 2004). 1.6.4 El fenómeno de hidratación del cemento portland El cemento portland anhidro no se une a la arena ni a la grava; adquiere la propiedad adhesiva solamente cuando se mezcla con el agua. Esto es porque la reacción química del cemento con el agua, llamada comúnmente hidratación del cemento, rinde productos que poseen características de fraguado y de endurecimiento (Mehta, 1998). Puesto que el cemento portland está formado de una mezcla heterogénea de varios compuestos, el proceso de hidratación consiste en reacciones simultáneas que ocurren de los compuestos anhidros con agua. Sin embargo, todos los compuestos no se hidratan a la misma velocidad. Se sabe que los aluminatos se hidratan más rápidamente que los silicatos y por lo tanto, es conveniente analizar separadamente las reacciones de hidratación de los aluminatos y de los silicatos (Figura 1-2).

Hidratación de los aluminatos

La reacción del C3A con el agua es inmediata, a menos que la rápida reacción de la hidratación del C3A no fuera disminuida por algunos medios, el cemento portland sería inútil para la mayoría de los objetivos de la construcción. La disminución de la reacción se logra generalmente agregando yeso, puesto que el yeso y los álcalis entran rápidamente en solución, y la solubilidad del C3A se deprime en presencia de iones de hidróxido, de álcalis y de sulfatos. En soluciones saturadas con iones de calcio y de hidróxido, el yeso se cristaliza formando agujas cortas prismáticas denominadas etringita.

Hidratación de los silicatos

La hidratación del C3S y C2S en el cemento portland produce una familia de hidratos de silicatos de calcio que son estructuralmente similares, pero varían ampliamente en la relación Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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calcio/sílice y en el contenido de agua químicamente combinada. Puesto que la estructura determina las propiedades, las diferencias de composición entre los silicatos hidratados de calcio tienen poco efecto en sus características físicas. Este material es pobremente cristalino y forma un sólido poroso que exhibe características de un gel rígido llamado gel de tobermorita, según un mineral que ocurre en la naturaleza o de una estructura aparentemente similar (Mehta, 1998).

Figura 1-2. Representación esquemática del fenómeno de hidratación del cemento portland Fuente: Young et al., 1998. 1.6.5 Aditivos químicos Los aditivos son aquellos ingredientes del concreto que además del cemento portland, del agua y de los agregados, se adicionan a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado. Los aditivos se pueden clasificar según sus funciones, como sigue (Kosmatka et al., 2004): 

Aditivos incorporadores de aire (inclusores de aire)



Aditivos reductores de agua

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

Plastificantes (fluidificantes)



Aditivos aceleradores



Aditivos retardadores



Aditivos de control de la hidratación



Inhibidores de corrosión



Reductores de retracción



Inhibidores de reacción álcali-agregado



Aditivos colorantes



Aditivos diversos, tales como aditivos para mejorar la trabajabilidad, para mejorar la adherencia, a prueba de humedad, impermeabilizantes, para lechadas, formadores de gas, anti-deslave, espumante y auxiliares de bombeo.

Las razones principales para el uso de aditivos son las que se muestran a continuación (Kosmatka et al., 2004): 

Reducción del costo de la construcción de concreto



Obtención de propiedades en el concreto más efectivas que otras



Manutención de la calidad del concreto durante las etapas de mezclado, transporte, colado y curado en condiciones de clima adverso



Superación de ciertas emergencias durante las operaciones de mezclado, transporte, colocación y curado.

1.6.6 Adiciones minerales Las adiciones minerales son materiales de sílice finamente divididos que se agregan al concreto en cantidades relativamente grandes, generalmente en el rango de 20 a 50 % por peso de cemento portland. Aunque las puzolanas en estado natural o después de una activación térmica se han estado usando en algunas partes del mundo; debido a razones de economía muchos subproductos industriales se están volviendo rápidamente la fuente principal de aditivos minerales en el concreto. Los beneficios de estos materiales incluyen una resistencia mejorada al agrietamiento térmico debido al menor calor de hidratación, una mejoría de la resistencia última, y la impermeabilidad debido al refinamiento de los poros y una mejor

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16

durabilidad contra los ataques químicos como son los del agua sulfatada y contra la expansión de la reacción álcali-agregado (Mehta, 1998). Los aditivos minerales pueden ser materiales cementantes, puzolánicos y cementantespuzolánicos. Estos materiales se han dividido en dos grupos: 1. Materiales naturales: son aquéllos que han sido procesados para el solo propósito de producir una puzolana, ejemplo de ellos son los vidrios volcánicos, turbas volcánicas, arcillas calcinadas o lutitas y tierra diatomácea. 2. Materiales de subproductos: son aquellos materiales que no son los productos primarios de la industria que los produce. Como son la ceniza volante, escoria de alto horno, humo de sílice, ceniza de cáscara de arroz.

1.6.6.1 Materiales cementantes Se conoce que los materiales cementantes usados en la antigüedad eran el yeso y la cal, estos se obtenían mediante la calcinación de rocas de yeso y calizas. Los materiales cementantes son sustancias que por sí solas tienen propiedades hidráulicas cementantes, es decir, fraguan y endurecen en presencia del agua. Actualmente, dentro de los principales materiales cementantes se tienen al cemento Portland, la cal hidráulica hidratada, la escoria de alto horno y a las combinaciones de éstos y de otros materiales (Núñez, 2005). 1.6.6.2 Materiales Puzolánicos La norma ASTM (1992), en la definición 618-78, especifica a las puzolanas como: “materiales silíceos o alumino-silíceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes”. En este caso se aprovecha el alto contenido de sílice y alúmina que caracteriza la composición de estos materiales, para formar compuestos cementantes al combinarse con la cal que se genera durante el proceso de hidratación del cemento. Esta cualidad permite sustituir, en elementos de concreto, ciertas cantidades de cemento por puzolana sin afectar o incluso mejorar su resistencia mecánica, entre otras propiedades. Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

17

1.6.6.3 La reacción puzolánica Cuando el cemento y una puzolana se mezclan con el agua la hidratación del cemento ocurre rápidamente. Los principales productos de hidratación son: silicato hidratado de calcio (C3S2H3), aluminato hidratado de calcio (C3AH6) e hidróxido de calcio Ca(OH)2. Los dos primeros son los principales productos que se forman. El tercero, hidróxido de calcio, se deposita en forma separada como un sólido cristalino. Estas partículas de Ca(OH)2 se unen a los granos de cemento adyacentes durante el endurecimiento y forman una matriz endurecida que rodea a las partículas de la puzolana inalteradas. Los silicatos y los aluminatos son internamente mezclados, probablemente ninguno es completamente cristalino. Parte del Ca(OH)2 también puede ser mezclado con otras fases hidratadas ya que sólo es parcialmente cristalino. La reacción del silicato tricálcico que producen los productos principales de hidratación es (Mohamed, 1998): (

) (

)

Además, la hidratación del cemento conduce a un aumento en el valor de pH del agua de los poros. Las bases fuertes disuelven la sílice y alúmina tanto de los minerales de la puzolana y materiales amorfos sobre la superficie de las partículas de la puzolana. La sílice y alúmina hidratada poco a poco reaccionan con los iones de calcio liberados de la hidrólisis del cemento para formar compuestos insolubles (productos secundarios de hidratación). Esta reacción secundaria es conocida como la reacción puzolánica (Figura 1-3). Las reacciones puzolánicas que toman lugar en la estabilización de puzolana-cemento, para producir productos secundarios de hidratación se dan como: ( ( (

) )

)

( ( (

) ) )

La solubilidad de los minerales de la puzolana es igualmente afectada por las impurezas presentes, el grado cristalino de los materiales presentes, el tamaño de grano, etc. Por encima de las ecuaciones, la fuerza de cementación de los productos primarios de hidratación es Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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mucho más fuerte que la de los secundarios. La hidratación del cemento y las reacciones puzolánicas pueden durar meses, o incluso años después del mezclado, y así la resistencia de los productos de la reacción de la puzolana y el cemento se espera que aumente con el tiempo. Una gran cantidad de calor se libera cuando la cal viva (CaO) se mezcla con la puzolana. Esto se debe a la hidratación de la cal con el agua de los poros de la puzolana. El aumento de la temperatura puede ser suficientemente alta para hacer que el agua en los poros hierva. La reacción viene dada por: (

El hidróxido de calcio,

(

)

(

)

) , resultante de la hidratación de la cal o el uso de hidróxido de

calcio como estabilizador, se disocia con el agua, dada por la siguiente ecuación donde la concentración de calcio y el pH del agua de los poros se incrementa, y el

y

de las

partículas de la puzolana se disuelven. (

)

(

)

El aumento de la resistencia del concreto se debe principalmente a las reacciones puzolánicas. El hidróxido de calcio, el agua que contienen las partículas de la puzolana, los silicatos y aluminatos, forman materiales cementantes o aglutinantes. Los iones de calcio reaccionan con el

y el

disueltos para formar geles hidratados de silicatos hidratados de calcio

(CSH) y aluminatos hidratados de calcio (CAH), respectivamente. Estos geles se unen a las partículas de la puzolana de una forma similar a la producida por la hidratación del cemento portland. Sin embargo, el proceso del enlace de la cal es mucho más lento que el del proceso del cemento (Mohamed, 1998).

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Figura 1-3. Representación esquemática del mecanismo general de hidratación en sistemas C3S-puzolana y C3A-puzolana Fuente: Takemoto y Uchikawa (1980)

1.6.6.4 Índice de Actividad Puzolánica Para evaluar la actividad puzolánica de un material se pueden aplicar métodos químicos, físicos y mecánicos. Los más conocidos y aplicados en ingeniería son estos últimos. Con los métodos mecánicos se evalúa la contribución de la reacción puzolánica en el desarrollo de la resistencia a compresión de morteros y concretos que las contienen. Al valor que representa el desempeño de la puzolana en términos de desarrollo de resistencia por efecto de la reacción puzolánica se le llama Índice de Actividad Resistente (IAR). A nivel general se establecen una serie de parámetros para evaluar el IAR de un material: relación agua/cemento, relación agregado/cementante, tiempo de curado, temperatura de curado, proporción de puzolana y tipo de cemento, entre otros. Para poder interpretar los datos mecánicos obtenidos se sugiere que al menos estos parámetros deben fijarse (Páya et al., 2002). A nivel de normas, la ASTM C311-04 “Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete” fija todos los factores mencionados Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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anteriormente con excepción de la relación agua/cemento, que es uno de los más importantes por estar vinculado directamente con el desarrollo de la resistencia a la compresión. A pesar de que esta norma propone una relación agua/cemento fija, ésta se modifica por considerar el efecto demandante o reductor de agua de la puzolana en cuestión y así mantener una fluidez determinada en la mezcla. 1.6.6.5 Puzolanas de origen industrial Las puzolanas artificiales, son subproductos de procesos industriales y requieren por consiguiente equipo para su disposición. En algunos casos se requiere un tratamiento para obtener la mayor reactividad de éstas, entre otras puzolanas artificiales pueden citar a la ceniza volante, el humo de sílice y las escorias de fundición (Valdez, 2002).

1.6.6.5.1 Ceniza Volante La ceniza volante es un subproducto de la combustión del carbón pulverizado en plantas generadoras de electricidad (Figura 1-4). La cenizas volantes Clase F y Clase C de la ASTM C 618 se emplean comúnmente como aditivos puzolánicos en concretos. Los materiales de Clase F son normalmente cenizas volantes con bajo contenido de calcio (menos del 10% de CaO) y contenido de carbón menor que 5%, pero algunas pueden contener hasta 10%. Los materiales de la Clase C normalmente presentan alto contenido de calcio (del 10% al 30% de CaO) y contenido de carbón- menor que 2% (Kosmatka et al., 2004). La ceniza volante en el concreto presenta beneficios cuando hay una preocupación por el agrietamiento térmico, el ataque de sulfatos, y la reacción álcali-agregado; sin embargo, la proporción de ceniza volante necesaria para este fin suele ser de 25 a 30% en la masa del material cementante. Tales porcentajes altos de ceniza volante en el concreto no son fácilmente aceptados por la industria de la construcción, debido a que puede disminuir la resistencia en edades tempranas. El sistema de Alto Volumen de Ceniza Volante (HVFA) en el concreto que contiene 50% o más de ceniza volante, supera este problema al permitir la reducción drástica de la relación agua-material cementante utilizando un superplastificante en combinación con altos volúmenes de ceniza volante (Malhotra, 2002).

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Figura 1-4. Proceso de combustión del carbón y formación de ceniza volante Combustión del carbón (a), muestra de ceniza volátil (b) Fuente: Helmut, 1997

El papel principal de la CV en concreto consta de tres aspectos, a menudo llamados efecto morfológico, efecto de micro agregado y efecto puzolánico. El efecto morfológico indica que la CV tiene microesferas y cuando se incorpora en el concreto fresco trabajan como ''esferas lubricantes'', por lo que es benéfico para la fluidez. El efecto de micro agregado establece que las microesferas de la CV puede dispersarse bien en concreto y combinarse firmemente con el gel producido por la hidratación del cemento, y promover así la densificación del concreto. El efecto puzolánico es el principal beneficio de la CV, establece que los compuestos de Al2O3 y SiO2 en la CV pueden ser activados por el Ca(OH)2, producto de la hidratación del cemento y producir más gel hidratado. Dado que el gel producido a partir de la acción puzolánica puede llenar los poros capilares del concreto, en la práctica la resistencia del concreto aumenta (Caoa et al., 2000). La utilización de ceniza volante en la industria de la construcción se basa, en parte, por razones económicas como puzolana para la sustitución parcial de cemento, y en parte por sus efectos benéficos, tales como, la demanda inferior de agua para facilitar su mezclado, Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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sangrado reducido y menor desprendimiento de calor. Se ha utilizado en particular en aplicaciones de concreto en masa y colocación de grandes volúmenes para controlar la expansión debido al calor de hidratación y contribuir también en la reducción de agrietamiento a edades tempranas. Mejora la trabajabilidad sin comprometer la resistencia, reduce el costo de la construcción y proporciona cobertura protectora resistente y estable para el acero contra la acción del medio ambiente (Ahmaruzzaman, 2010). Las cenizas volantes clase C y F pueden sustituir parcialmente al cemento para elaborar concretos resistentes a los sulfatos; además las mezclas con CV clase C presentan una mayor resistencia a la compresión que las mezclas con ceniza volante clase F (Mansur, 2012). La incorporación de 30% de CV, mejora la resistencia a compresión y flexión de mezclas de concreto y mortero (elaboradas con relaciones agua/materiales cementantes de 0.30 a 0.42) a edades tardías (56 y 90 días), debido principalmente a la edad de curado y la reacción puzolánica. Con lo anterior es posible establecer que la cantidad óptima de ceniza volante no es constante pero depende de la relación agua materiales cementantes en la mezcla (Zhenshuang, 2011). 1.6.6.5.2 Humo de sílice El humo de sílice (HS) está formado por nanocristales muy finos de sílice y es producido en hornos de arco eléctrico como subproducto de la producción de silicio elemental o aleaciones que contengan silicio, también es conocido como humo de sílice condensado o microsílica (ACI 116R). El humo de sílice está constituido por partículas esféricas muy pequeñas, de superficie lisa, sin bordes afilados o hendiduras, el tamaño de partícula tiene un rango de 30 a 300 nm, el diámetro promedio es de 100nm, (Figura 1-5). El HS puede actuar como un microfiller ideal en la interface entre el agregado y la pasta de cemento o en los poros de la pasta. El HS puede sustituir de 20 a 25% de la masa de cemento portland. Los beneficios adicionales del remplazo por HS son: reducción del sangrado, mayor cohesividad de la mezcla, principalmente alta resistencia temprana y baja permeabilidad. Existe un efecto físico de la capacidad de las partículas extremadamente finas de HS para estar localizadas en proximidad muy estrecha con las partículas de agregados, en la interface de la

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pasta de cemento y agregado. Este se denomina el efecto pared, el cual impide que las partículas de cemento Portland se empaquen estrechamente contra la superficie del agregado. Comparado con otros materiales cementantes suplementarios, las características peculiares que hace que el humo se sílice sea un material puzolánico muy reactivo son su alto contenido de SiO2, su estado amorfo, y su fineza extrema. Los efectos benéficos del HS en la microestructura y propiedades mecánicas del concreto son debidas no solamente a la rápida reacción puzolánica, sino también al efecto físico de las partículas, el cual el conocido como el “filler effect” (Aïtcin, 1998). El concreto que contiene HS puede tener muy alta resistencia y puede ser muy durable.

Figura 1-5. Micrografía de una muestra de humo de sílice Fuente: Chaipanich, 2007

Dentro de las principales aplicaciones del HS en la industria de la construcción se tiene lo siguiente: concreto de alto comportamiento (HPC) que se utiliza para construir puentes vehiculares, plataformas y pisos de estacionamientos, estructuras marinas y en cubiertas de puentes. Se emplea HS en concreto lanzado para su uso en la estabilización de rocas, revestimientos de túneles de minas y para la rehabilitación de puentes, columnas y pilotes marinos deteriorados (Siddique, 2011). La incorporación de altas cantidades de HS (10 y 15%) en mezclas de concreto de alto comportamiento (relación a/mc de 0.35), tienden a requerir altas dosificaciones de superplastificante. La alta demanda de superplastificante se atribuye al tamaño de partícula muy fino del HS que causa que parte del superplastificante sea absorbido en su superficie. En Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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este tipo de mezclas, el HS contribuye al incremento de la resistencia a compresión en 21% con respecto al control, a la edad de 28 días, sin embargo, el desarrollo de resistencia de las mezclas con HS es despreciable después de 90 días de edad (Mazloom, et al., 2004). En concretos elaborados con 10 y 15% de HS y agregados gruesos de baja calidad como: caliza, dolomita, piedra caliza, cuarcita y escoria de acero, la resistencia a compresión incrementa con la edad en todos los concretos. Esta resistencia es proporcional al contenido de HS: la resistencia a compresión más alta se presenta en los especímenes de concreto que contienen 15% de HS (54 MPa) seguido por aquellos preparados con 10% de HS (52 MPa) y por los de concreto simple (49 MPa). Esta diferencia importante puede ser atribuida a la reacción del HS con el hidróxido de calcio liberado durante la hidratación del cemento (Almusallam, et al., 2004). 1.6.6.5.3 Escoria de altos hornos Cuando el hierro se fabrica en altos hornos, los hornos son cargados continuamente desde la parte superior con los óxidos, material fundente y combustible. En la parte inferior de la chimenea se colectan dos productos: la escoria y el hierro. La escoria fundida flota en la parte superior del hierro fundido, ambos son colectados por separado. Esta actividad puede ser realizada de dos maneras diferentes: primero, puede permitirse que se enfríe lentamente y así se cristaliza principalmente en la forma de melilita. Cuando se colecta de esta forma, la escoria de alto horno prácticamente no tiene un valor hidráulico y no puede ser usada como material cementante suplementario; sin embargo, puede ser usada como agregado en concreto. Por otra parte, si la escoria es enfriada bruscamente cuando sale del horno, se solidifica en una forma vidriosa, y puede entonces desarrollar propiedades cementantes si se gradúa adecuadamente (Aïtcin, 1998). Sus partículas son angulares y con aristas afiladas (Figura 1-6) De acuerdo con la norma ASTM C989, la escoria granulada de alto horno (EGAH) tiene tres grados de resistencia que están determinadas por su respectiva resistencia del mortero cuando se mezclan con igual masa de cemento portland. Los tres grados, 80, 100, y 120, se clasifican de acuerdo a su índice de actividad de la escoria. La escoria granulada de alto horno ha sido usada por muchos años como material cementante suplementario en concretos de cemento Portland, ya sea como un aditivo mineral o como un componente del cemento (Shi y Qian, 2000). Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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El uso de EGAH en concreto aumenta la trabajabilidad, reduce el sangrado de concreto o mortero. Mejora la resistencia (a edades tardías), mejora la microestructura y durabilidad del concreto endurecido significativamente, reduce el calor de hidratación, reduce la permeabilidad y la porosidad (Sakai, et al; Aldea et al., 2000). Concretos con EGAH en diferentes cantidades sometidos a pruebas de resistencia a compresión, densidad y velocidad de pulso ultrasónico a 1, 3, 7 y 28 días, muestran que a mayor grado de hidratación, el efecto físico de las partículas EGAH conduce a un aumento en la densidad, la homogeneidad microestructural y resistencia a la compresión de los concretos que contenían hasta 60% de EGAH (Chidiac y Panesar, 2008).

Figura 1-6. Micrografía de una muestra de escoria de altos hornos Fuente: Alhozaimy, 2012

1.6.6.5.4 Metacaolín El tratamiento térmico de la caolinita (arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de porcelanas) da lugar a transformaciones estructurales que llevan a la obtención de metacaolín (2SiO2·Al2O3) o mullita (3Al2O3·2SiO2). De estos productos se obtiene el metacaolín (MK). El 99.9 % de partículas del MK son σ0}

[Pa]

(1.15)

en donde: ηpl es el coeficiente de modelo de viscosidad plástica, y ̇ es la velocidad de corte. σ0 es la constante la cual es interpretada como el esfuerzo de fluencia, y la cual frecuentemente es referida como el esfuerzo de fluencia de Bingham o simplemente el esfuerzo de fluencia del material. El modelo de Bingham puede representar las características de viscosidad de un fluido con esfuerzo de fluencia cuya viscosidad es independiente de la velocidad de corte. Por lo tanto el modelo plástico de Bingham no tiene la habilidad para representar las características de adelgazamiento por corte de fluidos generales no Newtonianos. Para pastas de cemento, hay desacuerdos en cuanto a cual modelo describe mejor el comportamiento del flujo del material. Esos tipos de suspensiones altamente concentradas, incorporan una alta relación de partículas coloidales, tienden a mostrar más comportamiento pseudo-plástico y de adelgazamiento por cortante. El modelo de Bingham es más adecuado para pastas de cemento con altas relaciones agua/cemento (a/c) que para aquellas con baja a/c (Sping, 2007). 1.6.11.3 Modelo de Hersel-Bulkey El modelo de Hershel-Bulkley es un modelo de tres parámetros usado para describir materiales viscoplásticos que exhiben un esfuerzo de respuesta con una relación adelgazamiento por cortante sobre el esfuerzo de fluencia. Este modelo es similar al de Bingham, excepto por la adición de índice de potencia para la velocidad de corte. El modelo puede representarse como una combinación de los modelos de Potencia y Bingham: ̇ Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

(1.16) 53

en donde: τ es el esfuerzo cortante (Pa), τ0 es el esfuerzo de fluencia aparente, K es el coeficiente de consistencia (Pa.Sn) (viscosidad aparente), ̇ es la velocidad de corte (s-1) y n es el índice de comportamiento de flujo (adimensional). El esfuerzo de fluencia es el esfuerzo cortante requerido por material viscoelástico para iniciar una deformación plástica. Por debajo del esfuerzo de fluencia, el material presenta características de material sólido, es decir, almacena energía en pequeñas deformaciones y no se estabilizará bajo la influencia de la gravedad para formar una superficie plana. Esta ecuación describe un fluido con un esfuerzo de fluencia y una relación no lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Cuando (n) es menor que o más grande que 1, el fluido exhibe comportamiento de adelgazamiento por cortante o comportamiento de espesamiento respectivamente. Cuando n = 1, el modelo de HershelBulkley se reduce al modelo de Bingham. El modelo de Hershel-Bulkley tiende a dar una predicción más realista del flujo sobre un rango más amplio de condiciones que el modelo de Bingham (Yahia y Khayat, 2003).

1.6.11.4 Fluidez La fluidez o trabajabilidad de las pastas de cemento puede evaluarse por medio de un método empírico que emplea un minicono de revenimiento, Figura 1-13.

Figura 1-13.- Esquema del Minicono de revenimiento Fuente: Okamura y Ouchi, 2003.

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El método del minicono de revenimiento se utiliza para la evaluación de la extensión del flujo de pastas de cemento con combinación de adiciones (Okamura, 1993). El cono se coloca en el centro de una pieza cuadrada de vidrio en el cual se trazan líneas diagonales. La pasta de cemento se deposita en el cono hasta llenarlo. Inmediatamente después el cono se levanta, la pasta se extiende sobre la pieza de vidrio y se registran los diámetros (d1, d2). El área relativa de flujo (Гm) se calcula usando la ecuación propuesta por Okamura y Ouchi (2003) (Ecuación 1.14): (

)

(1.17)

en donde: d0 es el diámetro del molde, d1 y d2 son los diámetros obtenidos de la prueba. La prueba de la mesa de fluidez o prueba de consistencia es ampliamente usada para evaluar las propiedades de morteros en estado fresco. Es simple de realizar, emplea equipo sencillo de manipulación y permite una evaluación guiada de la influencia de la adición de materiales finos. Esta prueba se realiza en lugar de la de revenimiento que se realiza en concreto con la intensión de medir la trabajabilidad del mortero. Se ha logrado evaluar de manera indirecta la trabajabilidad de una mezcla de mortero por medio de la prueba de fluidez que se relaciona más concretamente con que tanto puede extenderse la mezcla (Senff et al. 2009). La prueba está reglamentada por la norma ASTM 1437-01. El flujo es el aumento resultante en el diámetro de la base promedio de la masa de mortero, expresado como un porcentaje del diámetro de la base original. La ecuación que se emplea para calcularlo es la siguiente: (1.18)

en donde: F es el flujo, D0 es el diámetro del molde, D1 es el diámetro promedio de la extensión alcanzada por el mortero.

1.6.12 Análisis de las propiedades mecánicas del concreto hidráulico 1.6.12.1 Índice de Actividad Resistente

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El IAR es la relación de la resistencia a compresión promedio a una misma edad del mortero con puzolana y el mortero control expresada en porcentaje (ASTM C311-04); puede calcularse con la expresión siguiente: (1.19)

Dónde: IAR= Índice de Actividad Resistente (%). RMP = Resistencia a la compresión del mortero cemento-puzolana: arena (Mpa- kg/cm2). RMC = Resistencia a la compresión del mortero cemento: arena (Mpa-kg/cm2). 1.6.12.2 Velocidad de pulso ultrasónico (VPU) La técnica de VPU tiene como base teórica la ecuación de onda. La ecuación de onda describe fenómenos ondulatorios: propagación del sonido, propagación de ondas electromagnéticas, vibración de cuerdas, barras y membranas, vibraciones producidas por terremotos, oscilaciones de péndulos y muelles, etc. La ecuación general de onda en una sola dimensión se muestra a continuación:

(1.20)

Donde

/

es el desplazamiento con respecto al tiempo,

/

es el desplazamiento

con respecto a un espacio y v es la velocidad. La VPU que viaja en un material sólido depende de la densidad y de las propiedades elásticas de dicho material (Neville, 2000). En el presente trabajo se utilizará un equipo que indicará el tiempo de tránsito del pulso ultrasónico (t) a través de un espécimen de longitud conocida (d). La velocidad (V) de VPU se obtendrá utilizando la ecuación siguiente:

(1.21)

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56

El método de velocidad de pulso ultrasónico puede ser usado en el concreto, mortero y pastas de cemento para determinar: su homogeneidad; la presencia de vacíos, grietas y otras imperfecciones; cambios que ocurren a través del tiempo (por ejemplo la hidratación del cemento); su calidad en relación a los requerimientos de normas, y curvas de calibración para estimar la resistencia a compresión. La velocidad de pulso ultrasónico es afectada por factores, tales como la humedad del concreto, la temperatura, la armadura de refuerzo y las microgrietas (CNS Electronics).

1.6.12.3 Resistencia a compresión La prueba de resistencia a compresión es la más común de todas las pruebas del concreto endurecido, particularmente porque es una prueba fácil de realizar y porque muchas, aunque no todas, las características deseables del concreto son relacionadas cuantitativamente a su resistencia. Aunque en muchos casos prácticos, otras características tales como la durabilidad o la permeabilidad pueden ser más importantes. La resistencia suele dar una imagen general de la calidad del concreto por estar directamente relacionada con la estructura de la pasta de cemento hidratada. La resistencia del concreto es, casi invariablemente, un elemento vital del diseño estructural y se especifica con fines de cumplimiento (Neville, 2000).

La fórmula para el esfuerzo normal en un miembro sometido a carga axial se muestra a continuación (Beer y Johnston, 2001):

(1.22)

Debe notarse que en la fórmula anterior,

se obtiene dividiendo la magnitud P, de la

resultante de las fuerzas internas distribuidas en la sección transversal, por el área A de dicha sección. Representa entonces el valor medio del esfuerzo sobre la sección, más que el valor del esfuerzo en un punto específico de la sección transversal. Los ensayos de resistencia a compresión del concreto endurecido para especímenes curados y moldeados se realizan de acuerdo con la norma ASTM C 31. Los especímenes se deben pulir o cabecear de acuerdo con los requisitos de ASTM C 617 o ASTM C 1231. O también la Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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ASTM C 1231 describe el uso de las almohadillas de neopreno, sin adherencia o unión con las extremidades de los especímenes. El contenido de humedad del espécimen tiene un gran efecto sobre los resultados de resistencia. Un espécimen saturado presentará resistencia a compresión menor que los especímenes ensayados en condición seca (Kosmatka et al., 2004).

1.6.12.4 Módulo de Elasticidad y relación de Poisson El módulo de elasticidad estático secante es la relación que existe entre el esfuerzo y la deformación unitaria axial, al estar sometido el concreto a esfuerzos de compresión dentro del comportamiento elástico. Es la pendiente de la secante definida por dos puntos de la curva del esfuerzo-deformación, dentro de ésta zona elástica (ASTM C 469-02). La mayor parte de las estructuras se diseñan para sufrir

pequeñas deformaciones, que

involucran sólo la parte lineal de un diagrama esfuerzo-deformación. Para la parte inicial del diagrama, el esfuerzo

es directamente proporcional a la deformación

y puede describirse

(Beer y Johnston, 2001): (1.23)

Esta relación es la ley de Hooke, llamada así en honor del matemático inglés Robert Hooke (1635-1703). El coeficiente E se denomina módulo de elasticidad del material o también módulo de Young en honor del científico inglés Thomas Young (1773-1829).

Factores que afectan el módulo de Elasticidad del concreto (Mehta, 1998): Edad: A edades tardías, el módulo de elasticidad se incrementa a una velocidad mayor que la resistencia a la compresión. Relación a/c: Relaciones a/c bajas ocasionan un incremento en el módulo de elasticidad del concreto. Contenido de agregado: Puesto que los agregados densos tienen un módulo de elasticidad alto, en general, cuanto mayor sea la cantidad de agregado grueso con un módulo de elasticidad alto en una mezcla de concreto, mayor será el módulo de elasticidad del concreto.

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Humedad libre: Los especímenes de concreto que son probados en condiciones húmedas, muestran aproximadamente 15% de módulo de elasticidad más alto que los correspondientes especímenes probados en condiciones secas. Resistencia: Con una resistencia a compresión alta se obtiene un módulo de elasticidad alto. La relación de Poisson es la relación entre las deformaciones transversal y longitudinal al estar sometido el concreto a esfuerzos de compresión dentro del comportamiento elástico (ASTM C 469-02). Debido a que el concreto se considera un material homogéneo e isotrópico, la deformación debe tener el mismo valor en cualquier dirección transversal:

. Este valor es la

deformación lateral y el valor absoluto de la relación entre la deformación lateral y la axial es el módulo de Poisson, llamado así en honor del matemático francés Siméon Denis Poisson (1781-1840) y se le denota por la letra griega

(nu), se tiene (Beer y Johnston, 2001):

|

|

(1.24)

(1.25)

1.6.13 Durabilidad del concreto reforzado Ningún material es inherentemente durable; como resultado de las interacciones del medio ambiente, la microestructura y, consecuentemente, las propiedades del material cambian con el tiempo. Se supone que un material llega al final de su vida útil cuando sus propiedades en determinadas condiciones de uso se han deteriorado a un grado que continuar con su uso resulta inseguro y antieconómico (Metha y Monteiro, 2006). De acuerdo con el Comité 201 del ACI, la durabilidad del concreto elaborado con cemento Portland se define

como: “la capacidad para resistir la acción del tiempo, los ataques

químicos, la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro; es decir, el concreto durable mantendrá su forma original, calidad y servicio cuando se exponga a esos ambientes”.

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59

Es conocido que el origen del problema en ambientes marinos es debido a la penetración de agentes agresivos (agua, oxígeno, dióxido de carbono, sulfatos y en particular los cloruros) a través de la red de poros presentes en el recubrimiento del concreto (Carpio et al., 1999). La durabilidad de una estructura de concreto armado depende tanto de las características del concreto, como del acero y la relación entre ellos y su deterioro es atribuible al efecto combinado de más de una causa; sin embargo, la corrosión del metal embebido es invariablemente una de las causas principales (Metha y Monteiro, 2006). La corrosión es un proceso de deterioro que puede presentarse en cualquier material, identificándose más ampliamente en los metales y se define como: “La reacción química o electroquímica entre un material, usualmente un metal, y su medio ambiente que produce un deterioro del material y sus propiedades” (ASTM G15-04). Los iones cloruro no son consumidos por las reacciones catalíticas electroquímicas pero siguen estando disponibles para prolongar y causar graves problemas de corrosión (Huang, et al., 1996). Por lo tanto es importante evaluar las propiedades de durabilidad de las estructuras de concreto tales como la difusión de cloruros y su resistencia a la corrosión. 1.6.13.1 Difusión de cloruros en concreto En elementos de concreto se presenta el transporte de gases o líquidos a través de los poros y grietas presentes en la pasta cementante, esto ocurre debido al fenómeno de la difusión. La difusión es el flujo o movimiento de las sustancias gaseosas o líquidas a través de un material, estas sustancias se mueven de forma predecible tratando de eliminar diferencias de concentración para producir una composición homogénea (Donal, 1998).

1.6.13.1.1 Difusión de cloruros en estado estacionario Microscópicamente la difusión es un proceso que depende del tiempo, es decir, la cantidad de un cierto elemento transportado dentro de otro es función del tiempo, o velocidad de transferencia de masa, a lo que se le denomina Flujo de difusión (J) que se define como el número de átomos que pasa a través de un plano sólido por unidad de tiempo (William, 2009). La primera Ley de Fick determina el flujo neto de átomos para el estado estacionario, es decir no hay cambio en el sistema con el tiempo (William y Javad, 2006), esta ley se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera: Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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(1.26) Dónde: J = flujo de difusión, (átomos/m2-s) D = Coeficiente de difusión (m2/s) dC/dx = gradiente de concentración (átomos/m3-cm)

El signo negativo de la expresión anterior indica que la dirección de difusión es contraria al gradiente de concentración, es decir, que va desde rangos elevados de concentración hasta rangos bajos de concentración (William, 2009). En cuanto al gradiente de concentración, este muestra cómo la composición del material varía conforme la distancia cambia, lo que indica que dC es la diferencia en concentración a lo largo de una distancia dx (Donal, 2008). 1.6.13. 1.2 Difusión de cloruros en estado no estacionario En la ingeniería de los materiales es muy común que en la mayoría de los casos se tenga difusión pero en estado no estacionario, en el cual la concentración del soluto varía con respecto al tiempo de un punto a otro del material. Para estos casos se utiliza la segunda ley de Fick aplicada a la difusión (William y Javad, 2006), la cual describe el estado dinámico de la difusión de los átomos y permite calcular la concentración de iones difundidos cerca de la superficie del material en función del tiempo y distancia, mientras que el coeficiente de difusión (D) permanezca constante (Donald, 1998). Lo anterior se adecua para entender el fenómeno de difusión de iones cloruro en concretos y morteros. La segunda ley de Fick para un estado no estacionario o de transición se define matemáticamente como: (1.27) Dónde: D = coeficiente de difusión (cm2/s) t = tiempo de difusión c = concentración de cloruros en los poros x = distancia en la cual se mide la concentración Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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Si durante todo el tiempo que dura la exposición, existe materia a difundir en la superficie de la muestra, “fuente infinita”, la distribución del material dentro de la muestra luego de un tiempo t, a una temperatura T, estará representada por la solución de la segunda ley de Fick conocida como “función error (erf)” y es (Bockris y Reddy, 1979):

(

)

[

(

√

(1.28)

)]

Dónde: erf = Función error. t = Tiempo de exposición (s). D = Coeficiente de difusión (cm2/s). x = distancia en la cual se mide la concentración (cm). C(x,t) = concentración de cloruros medida en un intervalo de profundidad x en un determinado tiempo de exposición t. Con base en ciertas hipótesis simplificadoras es posible modelar con una buena aproximación el fenómeno de difusión en el concreto con la 2ª ley de difusión de Fick (Castro, 2001). El coeficiente obtenido mediante la segunda ley de difusión de Fick es aparente debido entre otras cosas a que en esta ecuación no se toma en cuenta la variación de la concentración en la superficie y el cambio del coeficiente de difusión con respecto al tiempo. Sin embargo la ecuación representa en forma realista el fenómeno difusivo en concreto, por lo que se emplea en la mayoría de las normas internacionales.

1.6.13.2 Método de prueba de difusión en estado no estacionario (NT Build 443) Para el método de prueba en estado no estacionario (también llamado de acumulación o pruebas de inmersión), una superficie de un espécimen usualmente está en contacto con una solución

de

cloruros,

las

demás

superficies

permanecen

controladas

mediante

impermeabilización para asegurar una difusión unidimensional. Después de un cierto periodo de tiempo, se determina el contenido de iones cloruro del concreto a diferentes profundidades desde la superficie de exposición, y el perfil de iones cloruros del espécimen de concreto es establecido. El coeficiente de difusión “D” es calculado con base en el perfil de iones cloruro, Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

62

por medio de la solución propuesta por Crank a la segunda ley de difusión de Fick (Jiang et al., 2004).

1.6.13.3 Método de prueba de migración ASTM C1202 Para determinar la resistencia del concreto al ingreso de iones cloruro más rápidamente, se desarrolló un método de prueba (AASHTO) también llamada prueba rápida de permeabilidad de cloruros, el cual ha ganado considerable aceptación en U.S.A. y desde entonces se han desarrollado varios otros métodos bajo el mismo principio de prueba. El principio de la prueba de migración es el movimiento acelerado de los iones cloruro por el uso de un campo eléctrico aplicado externamente (Jiang et al., 2004). Se usa para evaluar la resistencia del concreto a la penetración de iones cloruros. Este método de prueba mide la cantidad de carga eléctrica que ha pasado a través de un disco del espécimen de concreto saturado. La celda de origen es llenada con 3% de solución de NaCl y la celda colectora de cloruros es llenada con una solución de 0.3 NaOH. Una diferencia de potencial de 60 V de corriente directa se mantiene atravesando el espécimen por seis horas. Se calcula el total de carga que pasó, en coulombs. Los principales defectos de este método son: Es sensible a la diferencia química de la solución de poro, y por lo tanto puede exagerar la eficacia de materiales cementantes suplementarios en la reducción de la permeabilidad. No hay una correlación directa entre la carga acumulada que pasa a través del espécimen y el comportamiento de transporte de cloruros. Un voltaje aplicado constantemente de 60 V puede producir una variación en la cantidad de calor dentro del espécimen y por lo tanto afectar los resultados de la prueba. Sin embargo los resultados de la prueba son razonablemente reproducibles y rápidos (Jiang et al., 2004).

1.6.13.4 Carbonatación La carbonatación es un proceso de neutralización, una reacción química de Ca(OH)2 y silicato hidratado de calcio (C-S-H) con CO2 para formar CaCO3 y agua (Johannesson y Utgenannt, 2001). La carbonatación es uno de los principales riesgos del concreto reforzado. Es sabido que el CO2 al combinarse con el agua forma el ácido carbónico, el cual baja el pH a valores cercanos a 6.0 y al entrar en contacto con la superficie del concreto provoca una reacción lenta Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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de neutralización (Metha et al., 2006). Esto ocasiona que el ambiente propicio para la estabilidad termodinámica del acero de refuerzo sea modificado y la protección química que el concreto le confiere al acero desaparezca. El mecanismo de carbonatación consiste de una difusión gaseosa combinada con una reacción química; el dióxido de carbono de la atmósfera se difunde a través de los poros vacíos del concreto y en presencia de humedad reacciona con los productos de hidratación. Desde el punto de vista químico, la carbonatación del concreto origina la disminución de pH que ocurre cuando el CO2 del medio ambiente penetra por la red de poros capilares reaccionando con la humedad presente y convirtiendo el hidróxido de calcio (de pH elevado) a carbonatos, reduciendo por consiguiente, la alcalinidad del concreto (Sisomphon y Franke 2007). La corrosión debida a carbonatación ocurre normalmente en estructuras de concreto reforzado especialmente en áreas urbanas las cuales usualmente tienen una alta concentración de dióxido de carbono, emitida de vehículos o industrias, en la atmósfera. En el diseño de estructuras de concreto, la carbonatación es uno de los principales factores que determina la vida de servicio de la estructura. El proceso de carbonatación bajo condiciones naturales es bastante lento debido a la baja concentración de dióxido de carbono en el ambiente el cual es de sólo 0.03-0.04% por volumen. El proceso puede durar más de varias decenas de años en un concreto de buena calidad. En trabajos experimentales, es deseable acelerar el proceso para reducir la duración de la prueba y predecir el comportamiento a largo plazo bajo condiciones naturales (Sisomphon y Franke, 2007). La rapidez de carbonatación más alta ocurre a una humedad relativa cuyo valor se ubica entre 50 y 70%. En condiciones higrométricas constantes, la profundidad de carbonatación aumenta en proporción con la raíz cuadrada del tiempo, lo cual es característico de la absorción más bien que la difusión, pero la carbonatación comprende la acción recíproca entre el CO2 y el sistema de poros. Es posible expresar la profundidad de carbonatación, D, en milímetros como

(1.29) Donde K= coeficiente de carbonatación en mm/año0.5, y t= tiempo de exposición en años. Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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Los valores de K son con frecuencia más de 3 o 4

mm/año0.5 para concretos de baja

resistencia. Otra manera de dar una idea amplia es decir que, en concreto con una relación agua cemento de 0.6, una profundidad de carbonatación de 15 mm se alcanzaría después de 15 años, pero con una relación agua cemento de 0.45, sólo después de 100 años. En la literatura, no hay un acuerdo general entre los investigadores en cuanto a si el uso de CV en el concreto tiende a disminuir la velocidad de carbonatación, de hecho hay informes contradictorios con respecto a este tema. Por ejemplo, algunos trabajos han encontrado que concretos elaborados con CV presentan mayores velocidades de carbonatación en comparación con las velocidades presentadas en concretos simples (Ho y Lewis ,1983 y Byfors 1985). Otros trabajos han concluido que el coeficiente de carbonatación aumenta con un aumento en la sustitución de CV (Ogha y Nagataki, 1989). Sin embargo Atis (2002) reporta que 50% de remplazo de cemento por ceniza volante produce concretos con menor carbonatación que el concreto elaborado únicamente con cemento Portland. Por otra parte, es importante destacar que no se encontraron en la literatura resultados sobre pruebas de carbonatación en concretos elaborados con CBC.

1.6.13.5 Potenciales de corrosión (Método de la media celda) El uso de técnicas electroquímicas es una opción para el estudio de la condición del acero de refuerzo embebido en concreto mediante señales eléctricas y el análisis de la respuesta del sistema. La rapidez de medición y sensibilidad son algunas ventajas de esas técnicas, además de ser pruebas no destructivas (Carino 1997, Trethewey y Chamberlain 1988). Por varias décadas se han establecido parámetros de potenciales de media celda para evaluar la magnitud de un problema de corrosión en estructuras de concreto reforzado localizadas en ambientes agresivos. Mientras que con ciertos cuidados, esta técnica puede ser utilizada con bastante éxito para identificar las regiones de la estructura que pueden sufrir ataque por corrosión, no da información exacta de la velocidad con que puede ocurrir este fenómeno (Millard et al. 2001). La actividad de corrosión del acero de refuerzo en el concreto está asociada con el potencial de corrosión definido en la norma ASTM C876. El método de la media celda estima la

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probabilidad de corrosión del acero de refuerzo en concreto interpretando su potencial de corrosión (Ecorr) y se relaciona con el potencial electroquímico de cada material, es decir: El potencial electroquímico de un metal corresponde al potencial eléctrico generado cuando se sumerge éste en una solución estándar (1M) que contenga sus propios iones, a una temperatura de 25 °C y a una presión de 1 atmósfera. Al estar en contacto el metal con el electrolito se produce, por un lado, una tendencia a disolverse, quedando cargado positivamente, mientras que por otro los iones del electrolito se depositan sobre el metal. Sin embargo este potencial no puede ser medido directamente, pues al intentarlo se requiere una segunda terminal cuyo potencial absoluto se desconoce. Por esta razón, se adopta el electrodo normal de hidrógeno (ENH) al cual se le asigna un valor de 0 volts. En estos términos el ENH resulta ser un electrodo de referencia, para lo cual su potencial de equilibrio en la reacción oxido-reducción debe ser constante (Broomfield, 1997). La media celda se compone de una fracción de metal en una solución de sus propios iones que si se conecta a otros metales, que también estén en una solución de sus propios iones (tal como hierro en hidróxido férrico (Fe(OH)3) se puede determinar la diferencia de potencial entre las dos medias celdas. Haciendo lo anterior se construye una batería, la cual genera un voltaje debido a la diferente posición de los metales en la serie electroquímica. Esta es una celda galvánica en que la corrosión entre diferentes metales se conoce como acción galvánica (Guzmán, 2006; Ping y Beaudonin 1998). Este método ha sido ampliamente utilizado para monitorear la corrosión del refuerzo en las estructuras de concreto (Huang et al. 1996). Son numerosos los electrodos patrones o de referencia utilizados en la práctica y se adaptan a las diferentes necesidades experimentales que surgen en el laboratorio y en el campo (Otero, 1997). Los resultados de potenciales de corrosión pueden interpretarse de acuerdo a la norma ASTM C876, y con esa interpretación es posible establecer la probabilidad de corrosión existente en diferentes elementos de la estructura en estudio.

1.6.13.6 Resistencia a la Polarización Lineal Para superar una desventaja importante del método de la media celda, es decir, que no indica directamente la cinética del proceso o velocidad de corrosión (solo nos da información sobre la tendencia termodinámica de un metal o aleación a sufrir corrosión), varios planteamientos Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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han sido investigados para la medición de la velocidad de corrosión en sitio (Rodríguez et al., 1994). Entre esos métodos, uno de los más utilizados es el método de resistencia a la polarización lineal (RPL) (Flis et al., 1992). La técnica de RPL requiere que se polarice el metal en estudio con la aplicación de una pequeña corriente eléctrica y se monitoree el efecto en el potencial de corrosión o viceversa. Cuando se aplica una corriente y se monitorea el potencial de corrosión se dice que la prueba es “galvanostática”, y cuando se aplica un potencial y se monitorea el cambio en la corriente, la prueba es “potenciostática”. La pendiente creada por la gráfica de estas dos variables es la resistencia a la polarización (Rp), con la cual se calcula la densidad de corrosión (Icorr). Esta técnica electroquímica que se ha empleado para determinar (Icorr) en sistemas tan diversos como el concreto, fue propuesta y difundida por Stern y Geary en 1957 con la siguiente fórmula: , donde:

( (

) (

,

)

(1.30)

(1.31)

En donde: B es una constante de proporcionalidad, Rp es la resistencia a la polarización, ba y bc son las pendientes de Tafel anódica y catódica, respectivamente (Stern y Geary, 1957). En la ecuación 1.30 se establece la relación entre la densidad de corriente de corrosión con la resistencia a la polarización. El método de resistencia a la polarización lineal está basado en la observación de la polarización lineal cerca del ECorr; es decir, la pendiente (E/I) de las curvas de polarización alrededor del Ecorr. La constante B en la ecuación 1.30 presenta una relación entre las pendientes de Tafel y sirve para pasar de la proporcionalidad a la igualdad. Comúnmente se adoptan valores de B de 26 mV para acero en condición activa de corrosión y 52 mV en condición pasiva. El método de RPL usa una pequeña excitación del potencial (ΔE10%) podría ser responsable por el comportamiento reológico observado en las pastas binarias que contienen CBC. Este efecto puede asumirse debido a que un alto contenido de LOI puede ser considerado como indicativo de altos niveles de carbón. Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV

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Por ejemplo, Chandara et., al. (2010) encontró que cuando se tienen altos niveles de carbón en la adición aumenta el requerimiento de agua y dosis de superfluidificante (SP), ya que el SP es absorbido por las partículas de carbón. Debido a que los valores de viscosidad en las pastas binarias que contenían CBC fueron mayores que aquellos de las pastas binarias con 20% de CV y de la pasta control P+3SP, en la Figura 3-8 se intenta representar como influyen la CV y CBC en las propiedades reológicas de las pastas binarias. La forma esférica de la CV reduce las fuerzas de fricción entre las partículas angulares de CP debido al efecto “cojinete” (Termkhajornkit et al. 2001). Este efecto es más pronunciado en razones bajas de deformación porque en estas condiciones las partículas de CV llenan los espacios dejados por partículas más grandes de cemento y disminuyen las fuerzas de fricción entre partículas mejorando en empacamiento reduciendo el esfuerzo de fluencia. En el caso de la CBC; no obstante, parte del SP adicionado a la mezcla puede ser adsorbido por la superficie de las partículas de CBC. Las partículas de carbón demandan más agua y una mayor cantidad de SP para tener un comportamiento reológico similar al de la pasta P+3SP. Por lo tanto, la separación entre partículas adyacentes se reduce y la interacción física entre ellas aumenta.

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Figura 3-8.- Esquemas de las estructuras internas de las pastas Figuras 3.5-A y 3.5-C pastas que contienen partículas de cemento portland, CBC y CV en mezclas binarias; 3.5-B comportamiento de las mezclas ternarias. Fuente: Elaboración propia

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Esto significa que la proximidad de partículas origina fuertes interacciones y produce una red tridimensional en la suspensión, la cual resulta en un incremento del empacamiento de las partículas. Esto ocurre porque en la dispersión de un sólido en un líquido la proximidad de las partículas origina fuertes interacciones, y la resistencia de tales interacciones depende de la forma de las partículas, la distribución de tamaños, la concentración, las propiedades superficiales y la composición del líquido (Banfill 2003). 3.1.4.3. Sistemas ternarios (PC+CV+CBC) Los resultados de las pruebas reológicas en pastas para sistemas ternarios se muestran también en la Tabla 3.2. El esfuerzo de fluencia obtenido (τ0) para el sistema con 10% de CBC fue menor que el obtenido para la pasta P+3SP; sin embargo, al incrementar la cantidad de CBC de 10 al 20% el valor del esfuerzo de fluencia se duplicó. Al incrementar la CBC de 10% a 30%, el esfuerzo requerido para hacer la pasta fluir fue 15 veces más alto. En la Figura 3-7 se observa que cuando la cantidad de CBC se incrementó, la tendencia al engrosamiento por cortante se intensificó también. El cambio en el comportamiento reológico puede haberse producido por una alta concentración de partículas de CBC en la suspensión debido a que estas partículas pueden adsorber más agua y SP. En velocidades de corte bajas, el líquido lubrica el movimiento de cada partícula, y los esfuerzos resultantes son consecuentemente menores; sin embargo, en velocidades de corte altas el material se expande o dilata ligeramente, así que no hay suficiente líquido para llenar los poros generados y para prevenir el contacto directo sólido-sólido lo que resulta en un incremento entre la fricción de partículas y esfuerzos cortantes más altos (Fung y Kwan, 2010). El sistema ternario con 10% de CBC mostró mejores propiedades reológicas que los sistemas binarios P+CBC and P+CV. El sistema ternario con 20% de CBC presentó mejores propiedades de flujo que el sistema binario con solamente 20% de CBC. El beneficio de usar CV en el sistema ternario se muestra en la Figura 3-8. El sistema ternario se beneficia con el uso de la CV y produce un valor de esfuerzo de fluencia más bajo en comparación con el sistema binario con CBC. Este comportamiento ocurre porque la forma y tamaño de la CV juegan un importante rol en la lubricación reduciendo la tendencia de las partículas de CBC a ocasionar bloqueo entre ellas. Este fenómeno se ha reportado

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cuando se utilizan partículas finas con forma esférica (Choo 2003). En velocidades de deformación bajas, las partículas de CV se ubican entre las de CBC y cemento. 3.1.5 Comparación entre pruebas reológicas y de minicono en pastas En las pastas de cemento, las mezclas P+3SP y P+4SP tuvieron valores idénticos de esfuerzo de fluencia pero diferentes valores de áreas de flujo relativo (Tabla 3.2). Esto fue ocasionado porque en la mezcla P+4SP la cantidad de SP adicionado excedió el punto de saturación, y se experimentaron efectos negativos tales como segregación y sangrado. Como se esperaba, en los sistemas binarios con CV, cuando se incrementó el porcentaje de CV, los esfuerzos de fluencia disminuyeron y se obtuvieron mayores áreas de flujo relativo. En el caso de pastas con CBC, cuando se incrementó la cantidad de CBC, se obtuvieron incrementos en los esfuerzos de fluencia y áreas de flujo relativo bajas. En pastas ternarias, cuando se incrementó el contenido de CBC en los sistemas binarios con 20%CV, se observó que el esfuerzo de fluencia incrementó y las áreas de flujo relativo fueron menores. La comparación entre las pastas binarias y ternarias muestra que las áreas de flujo relativo son similares en las pastas con 10% y 20% de CBC; sin embargo, las pastas ternarias con 20% de CBC tuvieron valores de esfuerzo de fluencia más bajos. Este resultado corrobora lo mencionado anteriormente en este estudio acerca del beneficio de usar CV en el sistema. El comportamiento reológico de mezclas ternarias que contenían 10% y 20% de CBC fue mejorado con la adición de 20% de CV; sin embargo, esto no ocurrió en la mezcla ternaria con 30% de CBC. Lo anterior se atribuye al hecho de que al incrementar el contenido de CBC incrementó el contenido de partículas de carbón, y estas partículas afectaron adversamente la demanda de agua y SP (Yosuke and Toyoharu 2003, Batra et al. 2008). Además, al incrementar el contenido de CBC se incrementa el área superficial de la ceniza y la fricción entre partículas, lo cual ocasiona un incremento en la demanda de agua y SP para alcanzar una consistencia dada. Los resultados sugieren que existe una relación inversa entre los esfuerzos de fluencia (τ0) y las áreas de flujo relativo de las pastas, es decir, valores altos de τ0 están asociados con valores bajos de áreas de flujo relativo obtenidos de la prueba de minicono (Figura 3-9).

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Figura 3-9.- Comparación entre las áreas de flujo relativas y los esfuerzos de fluencia en pastas Fuente: Elaboración propia

3.1.6 Reología de morteros En esta sección se presentan los resultados de las pruebas del comportamiento reológico de mezclas de morteros de cemento, binarios y ternarios; además se incluye la comparación de estos resultados con los resultados obtenidos de las pruebas con la mesa de fluidez. De los resultados de las pruebas reológicas a la mezcla de mortero control se obtuvo un esfuerzo de fluencia (τ0) de 87.9 Pa y un coeficiente de consistencia (K) de 5.07 (Pa.sn). Como se explicó en la sección 2.1.1 (Diseño experimental) esta mezcla no requirió aditivo superplastificante para cumplir con la fluidez de 110 ± 5 %. 3.1.6.1 Morteros binarios (M+CV y M+CBC) Los parámetros reológicos de esfuerzo de fluencia y coeficiente de consistencia de las mezclas de morteros: simple, binarias y ternarias, se muestran en la Tabla 3-3. El esfuerzo de fluencia describe el esfuerzo cortante para iniciar el flujo de los morteros, mientras que el coeficiente de consistencia describe que tan fácilmente el mortero fluye (Senff et al. 2009).

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Tabla 3-3.- Proporciones para la elaboración de las mezclas de morteros (wt. %), parámetros Herschel-Bulkley calculados y fluidez obtenida Mezcla

Simple Binaria

Ternaria

Designación

CM+0 M+CV10 M+CV20 M+CV30 M+CBC10 M+CBC20 M+CBC30 M+CV20+CBC10 M+CV20+CBC20 M+CV20+CBC30

PC %

100 90 80 70 90 80 70 70 60 50

CBC %

CV %

SP (ml/ kg de cemento)

10 20 30 10 6 20 6 30 15 10 20 6 20 20 6 30 20 15 Fuente: Elaboración propia

Parámetros de Herschel Bulkley τ0 (Pa) 87.995 81.667 77.378 58.743 135.04 155.21 390.00 88.36 143.57 125.58

K (Pa.sn) 5.079 6.456 4.981 7.717 10.47 28.14 188.5 115.2 45.03 68.50

Fluidez

n

r2

(%)

0.947 0.887 0.914 0.847 0.839 0.630 1.355 0.306 0.657 0.668

0.999 0.998 0.998 0.999 0.998 0.980 0.999 0.977 0.998 0.990

107 113 115 129 133 115 64 126 103 71

Los resultados muestran que el incremento en la cantidad de CV redujo el esfuerzo de fluencia de los morteros binarios; por lo tanto, la tendencia fue similar a la observada en las pastas. Por ejemplo, la mezcla de mortero con 30% de CV presentó un esfuerzo de fluencia de 33.3% menor que el mortero con solo cemento. Una explicación de este comportamiento es que cuando se sustituye parcialmente el cemento por CV resulta en un mayor volumen de pasta debido a la menor densidad de la CV y este incremento en el volumen de la pasta reduce la fricción en la interface agregado fino-pasta. Este efecto mejora la plasticidad y cohesividad de la mezcla reduciendo el esfuerzo de fluencia y en consecuencia se incrementa la trabajabilidad de las mezclas (Paiva et al. 2006, Myers and Montgomery 1996). Otra explicación de este comportamiento es el efecto de la forma esférica de las partículas de CV reduciendo la fricción en la interface agregado-pasta y produciendo el efecto “cojinete” en los puntos de contacto (Wei et al. 2003). Todas las mezclas tuvieron un comportamiento de “adelgazamiento por cortante” (n4000 2000-4000 1000-2000 100-1000 -200

>-106

>+116

>-126

Bajo (10% riesgo de corrosión).

-200 a -300

-106 a -256

+116 a -34

-126 a -276

Intermedio riesgo de corrosión.