i

ii

iii

iv

EFECTO DEL REEMPLAZO DE CEMENTO PORTLAND POR EL DIOXIDO DE TITANIO EN LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL MORTERO

DAVID JIMENEZ CORTES JUAN JOSE MORENO BURBANO

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL E INDUSTRIAL CALI, COLOMBIA 2016

v

EFECTO DEL REEMPLAZO DE CEMENTO PORTLAND POR EL DIOXIDO DE TITANIO EN LAS PROPIEDADES MECANICAS DEL MORTERO

TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO CIVIL

AUTORES: DAVID JIMENEZ CORTES JUAN JOSE MORENO BURBANO

DIRECTOR: Ph.D ANIBAL MAURY

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL E INDUSTRIAL CALI, COLOMBIA 2016 vi

TABLA DE CONTENIDO

Pág. RESUMEN .................................................................................................................................................. xvi ABSTRACT ............................................................................................................................................... xvii INTRODUCCION .................................................................................................................................... xviii 1.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION ....................................................... 1

2.

OBJETIVOS.......................................................................................................................................... 2 2.1

OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................ 2

2.2

OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................................................ 2

3.

JUSTIFICACION Y ALCANCE .......................................................................................................... 3

4.

MARCO DE REFERENCIA ................................................................................................................ 4 4.1

5.

6.

ANTECEDENTES ........................................................................................................................ 4

MARCO TEORICO: CONCEPTOS GENERALES ............................................................................ 9 5.1

SEMICONDUCTOR..................................................................................................................... 9

5.2

FOTOCATÁLISIS ........................................................................................................................ 9

5.3

DIÓXIDO DE TITANIO .............................................................................................................. 9

5.4

MORTERO ................................................................................................................................... 9

METODOLOGIA ............................................................................................................................... 10 6.1 6.1.1

DISEÑO DE LA MEZCLA ........................................................................................................ 10 Caracterización de la Arena................................................................................................. 10

6.1.2 Caracterización del Cemento ...................................................................................................... 13 6.2

PASOS PARA EL DISEÑO DE MEZCLA ................................................................................ 15

6.2.1

Determinación del tipo de arena .......................................................................................... 15

6.2.2

Relación Agua/Cemento...................................................................................................... 15

6.2.3

Selección de la consistencia ................................................................................................ 15

6.2.4

Ensayo de consistencia a la pasta de cemento ..................................................................... 16

6.2.5

Determinación de los factores que influyen en el contenido de agua.................................. 16

6.2.6

Determinación de la proporción 1:n .................................................................................... 18

6.2.7

Cálculo del contenido de cemento ....................................................................................... 19

6.2.8

Cálculo del contenido de agua ............................................................................................. 19

vii

6.2.9

Cálculo del contenido de arena............................................................................................ 19 DIOXIDO DE TITANIO ............................................................................................................ 20

6.3 6.3.1

Caracterización del Dioxido de Titanio ............................................................................... 20

6.3.2

Contenido de Dioxido de Titanio ........................................................................................ 20

6.4

MEZCLA DEL MORTERO ....................................................................................................... 21

6.5

ENSAYO DE CONSISTENCIA................................................................................................. 22

6.6

ENSAYO DE COMPRESION .................................................................................................... 22

6.7

ENSAYO DE FLEXION ............................................................................................................ 23

6.8

DESVIACIÓN ESTANDAR Y COMPARACIÓN DE DATOS ............................................... 25

6.9

ENSAYO DE DENSIDAD Y ABSORCION ............................................................................. 25

RESULTADOS Y ANALISIS ............................................................................................................ 26

7.

CARACTERIZACION DE COMPONENTES DEL MORTERO ............................................. 26

7.1 7.1.1

Arena ................................................................................................................................... 27 DISEÑO DE LA MEZCLA ........................................................................................................ 28

7.2 7.2.1

Densidad Aparente de la Arena ........................................................................................... 29

7.2.2

Densidad especifica del cemento......................................................................................... 29

7.2.3

Fluidez del cemento............................................................................................................. 30

7.2.4

Diseño de la mezcla ............................................................................................................. 30

7.3

CANTIDAD DE DIOXIDO DE TITANIO ................................................................................ 33

7.4

CANTIDAD DE MATERIAL UTILIZADO .............................................................................. 33

7.5

ENSAYO DE CONSISTENCIA................................................................................................. 34

7.6

ENSAYO DE COMPRESION .................................................................................................... 35

7.7

ENSAYO DE FLEXION ............................................................................................................ 39

7.8

ENSAYO DE DENSIDAD Y ABSORCION ............................................................................. 40

8.

DISEÑO ESTRUCTURAL ................................................................................................................. 41

9.

ANALISIS DE COSTO ...................................................................................................................... 45

10.

CONCLUSIONES........................................................................................................................... 48

11.

RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 49

12.

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................. 51

13.

ANEXOS ......................................................................................................................................... 53

viii

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Resultados de la resistencia a la compresión ................................................................................ 5 Figura 2. Resultados resistencia a la compresión ......................................................................................... 6 Figura 3. Resultados ensayo de consistencia................................................................................................ 6 Figura 4. Morteros con cemento Siderurgico ............................................................................................... 7 Figura 5. Morteros con cemento Puzolanico ................................................................................................ 7 Figura 6. Resultados de la resistencia a compresión .................................................................................... 7 Figura 7. Resultados de la resistencia a la compresión ................................................................................ 8 Figura 8. Arena lavada del Rio Cauca (izq), Arena de trituración (derecha) ............................................. 10 Figura 9. Serie de tamices para el análisis granulométrico del agregado fino ........................................... 11 Figura 10. (Izq.) Picnómetros, (der) Pisón y Molde Cónico ...................................................................... 12 Figura 11. Balanza ...................................................................................................................................... 12 Figura 12. Cemento gris utilizado como material aglutinante en las muestras de mortero ......................... 13 Figura 13. Frascos Le Chatelier .................................................................................................................. 14 Figura 14. Mesa de flujo............................................................................................................................. 14 Figura 15. Correspondencia entre los valores de relación agua-cemento y resistencia a la compresión para morteros hechos con cemento portland y arena. ......................................................................................... 15 Figura 16. Relación entre % fluidez y relación A/C................................................................................... 17 Figura 17. Mezcladora de mortero ............................................................................................................. 21 Figura 18. Procedimiento del ensayo de fluidez del mortero ..................................................................... 22 Figura 19. Prensa Universal ....................................................................................................................... 23 Figura 20. Moldes Rilem ............................................................................................................................ 24 Figura 21. Ensayo de flexión, Maquina Universal Marshall ...................................................................... 25 Figura 22. Granulometría de la arena de la Cantera “El Chocho” y granulometrías recomendadas para morteros por la norma ASTM-144 .............................................................................................................. 27 Figura 23. Granulometría de la arena del Rio Cauca y granulometrías recomendadas para morteros por la norma ASTM C-144.................................................................................................................................... 28 Figura 24. Correspondencia entre los valores de relación agua-cemento y resistencia a la compresión para morteros hechos con cemento y arena de forma redondeada y textura lisa................................................. 31 Figura 25. Relación entre % fluidez y relación A/C .................................................................................. 31 Figura 26. Consistencia muestra patrón ..................................................................................................... 35 Figura 27. Consistencia muestra con 10% de dióxido de titanio................................................................ 35 Figura 28. Ensayo a compresión a los 7 días.............................................................................................. 36 Figura 29. Ensayo a compresión a los 14 días............................................................................................ 37 Figura 30. Ensayo a compresión a los 28 días............................................................................................ 38 Figura 31. Ensayo a flexión a los 28 días ................................................................................................... 39 Figura 32. Vista frontal del muro ............................................................................................................... 42 Figura 33. Sección A-A del muro............................................................................................................... 43 Figura 34. Detalles aceros de vigas y columnas ......................................................................................... 44 Figura 50. Relación de precios entre los 2 tipos de mortero estudiados .................................................... 46 Figura 51. Relación de precios entre los 3 tipos de morteros. .................................................................... 47 ix

LISTA DE TABLAS Tabla 1. Parámetros físicos Cemento Gris Topex® .................................................................................... 13 Tabla 2. Consistencias del mortero en función del porcentaje de flujo ....................................................... 16 Tabla 3. Valores de b, para arenas de forma angular y textura rugosa y para arenas de forma redondeada y textura lisa. .................................................................................................................................................. 18 Tabla 4. Características físicas del TiO2...................................................................................................... 20 Tabla 5. Porcentajes de Dióxido de titanio.................................................................................................. 20 Tabla 6. Datos del ensayo de densidad aparente seca de la arena ............................................................... 29 Tabla 7. Primera medida del Frasco Le Chatelier ....................................................................................... 29 Tabla 8. Medidas obtenidas y el volumen desplazado de cada muestra...................................................... 29 Tabla 9. Resumen de ensayos...................................................................................................................... 30 Tabla 10. Resumen de ensayos.................................................................................................................... 30 Tabla 11. Cantidad de material para 1 m3 de mortero ................................................................................. 33 Tabla 12. Cantidad requerida para porcentaje de TiO2 ............................................................................... 33 Tabla 13. Cantidad requerida para porcentaje de TiO2 ............................................................................... 33 Tabla 14. Cantidad requerida para porcentaje de TiO2 ............................................................................... 33 Tabla 15. Cantidad requerida para porcentaje de TiO2 ............................................................................... 33 Tabla 16. Cantidad de material para cubos.................................................................................................. 34 Tabla 17. Cantidad de material para viguetas.............................................................................................. 34 Tabla 18. Resultados ensayo ....................................................................................................................... 34 Tabla 19. Resultados ensayo de densidad y absorción ................................................................................ 40 Tabla 33. Costo de 0,1 m3 de mortero tradicional ...................................................................................... 45 Tabla 34. Costo de 0,1 m3 de mortero con 5% de reemplazo de TiO2 ....................................................... 45 Tabla 35. Costo del mortero de 4 mm de espesor con 5% de TiO2 ............................................................ 46 Tabla 36. Costo del mortero tradicional restante, capa de 2,1 cm de espesor ............................................. 46 Tabla 37. Granulometría de la arena de trituración de la cantera “El Chocho” .......................................... 53 Tabla 38. Granulometría de la arena del Rio Cauca ................................................................................... 53 Tabla 39. Especificaciones de la norma ASTM-C144 ................................................................................ 53 Tabla 40. Resultados ensayo a compresión día 7 (5% TiO2) ...................................................................... 54 Tabla 41. Datos de medición de cubos de mortero con 5% de TiO2 (7 días) .............................................. 54 Tabla 42. Resultados ensayo a compresión día 14 (5% TiO2).................................................................... 54 Tabla 43. Datos de medición de cubos de mortero con 5% de TiO2 (14 días) ............................................ 55 Tabla 44. Resultados ensayo a compresión día 28 (5% TiO2) .................................................................... 55 Tabla 45. Datos de medición de cubos de mortero con 5% de TiO2 (28 días) ............................................ 55 Tabla 46. Resultados ensayo a compresión día 7 (7,5% TiO2) ................................................................... 55 Tabla 47. Datos de medición de cubos de mortero con 7,5% de TiO2 (7 días) ........................................... 56 Tabla 48. Resultados ensayo a compresión día 14 (7,5% TiO2) ................................................................. 56 Tabla 49. Datos de medición de cubos de mortero con 7,5% de TiO2 (14 días) ......................................... 56 Tabla 50. Resultados ensayo a compresión día 28 (7,5% TiO2) ................................................................. 56 Tabla 51. Datos de medición de cubos de mortero con 7,5% de TiO2 (28 días) ......................................... 57 Tabla 52. Resultados ensayo a compresión día 7 (8,5% TiO2) ................................................................... 57 x

Tabla 53. Datos de medición de cubos de mortero con 8,5% de TiO2 (7 días) ........................................... 57 Tabla 54. Resultados ensayo a compresión día 14 (8,5% TiO2) ................................................................. 57 Tabla 55. Datos de medición de cubos de mortero con 8,5% de TiO2 (14 días) ......................................... 58 Tabla 56. Resultados ensayo a compresión día 28 (8,5% TiO2) ................................................................. 58 Tabla 57. Datos de medición de cubos de mortero con 8,5% de TiO2 (28 días) ......................................... 58 Tabla 58. Resultados ensayo a compresión día 7 (10% TiO2) .................................................................... 58 Tabla 59. Datos de medición de cubos de mortero con 10% de TiO2 (7 días) ............................................ 59 Tabla 60. Resultados ensayo a compresión día 14 (10% TiO2) .................................................................. 59 Tabla 61. Datos de medición de cubos de mortero con 10% de TiO2 (14 días) .......................................... 59 Tabla 62. Resultados ensayo a compresión día 28 (10% TiO2) .................................................................. 59 Tabla 63. Datos de medición de cubos de mortero con 10% de TiO2 (28 días) .......................................... 60 Tabla 64. Resultados ensayo a flexión (0% TiO2)....................................................................................... 60 Tabla 65. Datos de medición de cubos de mortero con 0% de TiO2 ........................................................... 60 Tabla 66. Resultado ensayo a flexión (5% TiO2) ........................................................................................ 61 Tabla 67. Datos de medición de cubos de mortero con 5% de TiO2 ........................................................... 61 Tabla 68. Resultado ensayo a flexión (7,5% TiO2) ..................................................................................... 61 Tabla 69. Datos de medición de cubos de mortero con 7,5% de TiO2 ........................................................ 62 Tabla 70. Resultado ensayo a flexión (8,5% TiO2) ..................................................................................... 62 Tabla 71. Datos de medición de cubos de mortero con 8,5% de TiO2 ........................................................ 62 Tabla 72. Datos de las muestras con 0% de TiO2........................................................................................ 63 Tabla 73. Resultados ensayos de densidades y absorción (0% TiO2) ......................................................... 63 Tabla 74. Datos de las muestras con 5% de TiO2........................................................................................ 63 Tabla 75. Resultados ensayos de densidades y absorción (5% TiO2) ......................................................... 64 Tabla 76. Datos de las muestras con 7,5% de TiO2..................................................................................... 64 Tabla 77. Resultados ensayos de densidades y absorción (7,5% TiO2) ...................................................... 64 Tabla 78. Datos de las muestras con 8,5% de TiO2..................................................................................... 65 Tabla 79. Resultados ensayos de densidades y absorción (8,5% TiO2) ...................................................... 65

xi

LISTA DE ECUACIONES Ecuación (1) Modulo de finura ...................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (2) Factores que determinan el contenido de agua ......................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (3) Proporción 1:n........................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (4) Contenido de cemento .............................................................. ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (5) Contenido de agua .................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (6) Contenido de arena ................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (7) Porcentaje de fluidez ................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (8) Resistencia a la compresión ...................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (9) Resistencia a la flexión ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (10) Delta de dispersión……………………………………………………………………………….. 23 Ecuación (11) Gravedad especifica bulk ........................................................ ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (12) Gravedad especifica bulk saturada y superficialmente seca ................................................ 26 Ecuación (13) Gravedad especifica aparente .............................................................................................. 26 Ecuación (14) Porcentaje de absorción ....................................................................................................... 26 Ecuación (15) Interpolación para conocer el valor de A/C ............................ ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (16) Ecuación polinomica............................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ecuación (17) Interpolación de la variable k .................................................. ¡Error! Marcador no definido.

xii

LISTA DE ANEXOS ANEXO 1 .................................................................................................................................................... 53 ANEXO 2 .................................................................................................................................................... 54 ANEXO 3 .................................................................................................................................................... 60 ANEXO 4 .................................................................................................................................................... 63

xiii

“Este trabajado de grado está dedicado a nuestros familiares, amigos y aquellas personas que cada día aportaron un grano de arena a la ejecución y culminación del mismo”. xiv

AGRADECIMIENTOS Queremos comenzar agradeciendo a dios por bendecirnos para llegar hasta donde hemos llegado, porque gracias a nuestro esfuerzo arduo estamos culminado uno de nuestros sueños anhelados. Seguidamente, agradecer a la Pontificia Universidad Javeriana Cali por darnos la oportunidad de estudiar y alcanzar el sueño de ser profesional. A nuestro director de tesis, Ph.D Aníbal Maury por su dedicación, sus conocimientos, su experiencia en el campo, su orientación en cada aspecto, su paciencia, sus críticas y excelentes comentarios los cuales han logrado en nosotros terminar con éxito nuestro trabajo de grado. También nos gustaría agradecer a nuestros docentes que durante toda la carrera profesional nos brindaron apoyo y resolvieron dudas que teníamos. Todos aportaron conocimientos y experiencias vividas. Algunos de los profesores como Iván Otalvaro, Iván Carmona, Juan Carlos García, James Cárdenas: agradecerles por sus consejos, su enseñanza y más que todo por su amistad brindada. Queremos de igual manera agradecer al laboratorista Erlo Travi por su comprensión y ayuda en todo el proceso de la elaboración de los diferentes laboratorios que realizamos a lo largo de nuestro trabajo de grado. Por último, le agradecemos a nuestras familias por apoyarnos y brindarnos aliento en todo momento de la carrera, en donde no dejaron de darnos apoyo y comprensión. Sin dejar a un lado a todas las personas que de una forma u otra aportaron para la culminación de este trabajo de grado, que da fin a un extenso camino lleno de bajas y altas en el estudio.

xv

RESUMEN El sector de la construcción, al igual que otras industrias, es responsable de diferentes problemas ambientales tales como la generación de CO2, deterioro de ecosistemas derivado de la extracción de grandes cantidades de recursos minerales, calentamiento global, efecto de isla de calor, entre otros. Por lo tanto, hacer de la construcción un proceso más amigable con el medio ambiente es un desafío actual para nuestra sociedad. En el campo de los materiales de construcción, la incorporación del fotocatalizador TiO2 resulta interesante para el desarrollo de propiedades controladas por la luz solar para generar propiedades de purificación del aire y auto-limpieza. Aunque esta tecnología ya se ha investigado desde hace algunos años, el uso a escala real aún es muy escaso. Dentro de las diferentes causas para lo anterior, se encuentran los resultados contradictorios en relación al efecto en las propiedades mecánicas derivadas del uso del TiO2. Por lo tanto, por medio de una evaluación sistemática de la resistencia a compresión y flexión de muestras de mortero que contienen 0, 5, 7.5, 8.5 y 10% TiO2 (en base al peso del cemento) se investiga el efecto del remplazo parcial de cemento por nanoparticulas de TiO2. Adicionalmente, el diseño de una barrera de ruido usando el mortero fotocatalítico investigado se incluye.

xvi

ABSTRACT The construction industry as well as other industries is responsible for different environmental problems such as CO2 generation, deterioration of ecosystems due to extraction of huge amounts of mineral resources, global warming, heat island effect and others. Therefore, making construction a more sustainable process is current challenge for our society. In the field of building materials, including TiO2 photocatalyst has become interesting for generating sun-driven properties such as air-purifying and self-cleaning properties. Although this technology has been already investigated for some years, real use of this in the construction sector is rather scarce. Among others, the contradictory results regarding the effect on mechanical properties of adding TiO2 to cementitious materials is a possible reason. Thus, by evaluating systematically the compressive and flexural strengths on mortar samples containing 0, 5, 7.5, 8.5 and 10% TiO2 (on a cement weight basis), the effect of partially replacing cement by TiO2 nanoparticles has been investigated. Moreover, the design of a noise barrier using the photocatalytic mortar has been included.

xvii

INTRODUCCION A nivel mundial el medio ambiente se encuentra en riesgo, debido a los drásticos daños sufridos por la industrialización y la explosión demográfica actual. Por tal razón, con ayuda de novedosas investigaciones se proponen establecer tecnologías para contrarrestar estos daños (Muñoz, 2010). La industria de la construcción genera un alto impacto sobre la naturaleza, esto por la extracción de grandes cantidades de minerales para uso como agregados y la fabricación del cemento Portland. Además, por la liberación de CO2 durante la producción de cemento y la generación de residuos como resultado de las actividades de demolición (Otalvaro, 2013). Una importante tecnología estudiada en los últimos años en los materiales de construcción ha sido la inclusión de semiconductores como el TiO2 en las mezclas de concreto o mortero, con el fin de eliminar contaminantes en las superficies expuestas al medio ambiente. Esta tecnología basada en la incorporación del dióxido de titanio (TiO2), mezclado en la matriz o adicionado en la superficie del concreto o mortero permite la purificación del aire y “auto-limpieza” de la superficie durante la irradiación solar (Maggos, 2013). A pesar de que la adición del dióxido de titanio en el mortero muestra una muy buena respuesta en el área de la eliminación de contaminantes a nivel de laboratorio, aún existen resultados contradictorios sobre su efecto en las propiedades mecánicas de estos materiales (Maury, 2015). Por lo tanto, en esta investigación se buscó evaluar sistemáticamente el efecto de reemplazo del cemento Portland por TiO2 en las propiedades mecánicas de los morteros. Para evaluar las propiedades mecánicas de los morteros se realizaron ensayos de laboratorio con cubos para evaluar la resistencia a la compresión y con viguetas para evaluar la resistencia a la flexión con 5 diferentes mezclas, una muestra patrón la cual no contiene TiO2, y las demás muestras con 5%, 7.5%, 8.5% y 10% de dióxido de titanio, a estas muestras también se le realizaron ensayos de absorción y densidad, por último se compararon los costos directos de las muestras con dióxido de titanio y los morteros tradicionales. En conclusión se puede decir que la muestra que mejores resultados obtuvo fue la de 5% de dióxido de titanio, ya que sus resistencias no fueron afectadas en el caso de la flexión y aumentó su resistencia a la compresión, también se evidencio que entre más dióxido de titanio fue añadido al mortero como en el caso de la muestra de 10%, esta fue menos consistente ya que empezó su proceso de fraguado muy rápido lo cual genero dificultades a la hora de colocar la mezcla dentro de los moldes, y resultó una muestra poco uniforme.

xviii

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION Actualmente el dióxido de titanio (TiO2), es aplicado de diversas formas sobre los materiales de construcción, se puede aplicar sobre superficies horizontales como pavimento rígido, adoquines, sistemas de revestimiento de carreteras o andenes y tejas, en superficies verticales se puede aplicar en pinturas de interior o exterior, revestimientos de acabados como yeso u otro material a base de cemento, bloques de mampostería, elementos de división de tráfico y mobiliarios urbanos (Van Gemert, 2011). Una característica del TiO2 fotocatalítico aplicado en materiales a base de cemento es la “autolimpieza” (Cassar, 2003). Otra aplicación del TiO2 fotocatalítico es la purificación del aire, disminuyendo considerablemente la polución producida mayormente por los vehículos (Boonen y Beeldens, 2012). A pesar de los avances en materiales fotocatalíticos, aún hay una dificultad en conocer con certeza cuál es el efecto de la adición de TiO2 en las propiedades mecánicas del mortero. Respecto a este problema se han llegado a varias conclusiones diferentes, una de ellas menciona que la adición de TiO2 en el mortero mejoro las propiedades mecánicas de este, incrementando su resistencia a la compresión (Lackhoff, 2003), otra conclusión arrojada muestra que la resistencia a la compresión se redujo cuando se aplicó TiO2 en porcentajes mayores del 4% (Nazari, Riahi, 2010). Otra investigación concluye que las propiedades mecánicas no sufren cambios considerables (Aguilar, 2013). Por lo tanto en este proyecto se busca determinar las propiedades mecánicas del mortero en reemplazo del cemento Portland por TiO2.

1

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL -

Evaluar el efecto en las propiedades del mortero con reemplazo del cemento Portland por TiO2. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

-

Caracterizar los componentes de las mezclas de mortero. Determinar la resistencia a la compresión de morteros con diferentes porcentajes del TiO2. Determinar la resistencia a la flexión de morteros con diferentes porcentajes del TiO2. Conocer las propiedades físicas de los morteros (densidad y absorción) Comparar el costo entre el mortero tradicional y el mortero con reemplazo del cemento Portland por TiO2. Diseñar una estructura que contenga mortero con dióxido de titanio, la cual cumpla con los parámetros establecidos por la norma técnica sismo resistente colombiana (NSR-10).

2

3. JUSTIFICACION Y ALCANCE Dentro del ámbito mundial, se han venido desarrollando nuevas estrategias para alcanzar una disminución de los contaminantes atmosféricos del medio ambiente, con el fin de minimizar el efecto en la salud humana y los ecosistemas. Principalmente a nivel urbano, las fuentes de exposición de estos contaminantes son los vehículos y las industrias, por lo que se investiga en posibles materiales de construcción que logren minimizar dichos niveles de contaminación atmosférica urbana. La técnica más evaluada en el ámbito científico y de la ingeniería para poder alcanzar ese objetivo es la incorporación de fotocatalizadores a los materiales, dichos fotocatalizadores son materiales semiconductores de tamaño nanoscopicos los cuales presentan características de alta área superficial y propiedades eléctricas especiales que les otorgan dichas propiedades fotocataliticas. En el marco de los fotocatalizadores, el TiO2 es el más interesante, ya que posee una composición química estable, no es toxico y posee un costo menor a los diferentes óxidos metálicos existentes. De esta manera, la adición de TiO2 a los materiales de la construcción puede ayudar a la eliminación de contaminantes que se encuentran en el aire y producir efectos de auto limpieza. El proceso de fotocatálisis ha hecho posible que los materiales más usados en la construcción, como lo son el concreto, cemento, pinturas, estuco y demás materiales obtengan nuevas propiedades y diferentes usos como el de reducir la contaminación del aire en las ciudades (Maury y de Belie, 2010). Sin embargo, aunque el efecto en las nuevas propiedades es prometedor, el efecto sobre las propiedades mecánicas no es claro. Algunos estudios manifiestan mejorías en la resistencia mecánicas, mientras otros expresan lo contrario. Por lo tanto, en esta investigación se busca evaluar metodológicamente el efecto de reemplazo de cemento Portland por dióxido de titanio.

3

4. MARCO DE REFERENCIA 4.1 ANTECEDENTES El dióxido de titanio (TiO2) es un material que se ha usado durante estos últimos años en técnicas de mejoramiento del medio ambiente, estas técnicas fueron establecidas gracias a un proceso llamado fotocatálisis que consiste en la reacción de la luz solar con un catalizador en este caso el TiO2 colocado sobre una superficie expuesta al ambiente la cual permite la eliminación de contaminantes. Se puede identificar que el mortero de cemento con porcentajes de TiO2 adicionado, tiene características de auto-limpieza en ambientes de humedad y radiación solar, eliminando la contaminación presente en su superficie (Aguilar, 2013). En la construcción de la iglesia “Dives in Misericordia” en Italia se logró demostrar las capacidades “auto-limpiantes” que genera un cemento producido con porcentajes de TiO2 (Cassar, 2003). Como lo mencionan Boonen y Beeldens (2012), el proceso de fotocatálisis mostró buenos resultados en su aplicación realizada en Bélgica, la cual consistió en adicionarle TiO2 al concreto del pavimento, generando una purificación del aire considerable. Otra investigación hecha a escala real en un parqueadero de vehículos mostró buenos resultados en la eliminación de la contaminación provocada por los vehículos, esto se logró con la adición del dióxido de titanio a la pintura con la que fueron recubiertos los techos y paredes del estacionamiento (Maggos, 2013). Este tipo de proceso foto-catalítico se ha convertido en un tema de investigación profunda ya que podría ser, en un futuro, un material usado en muchos tipos de materiales de construcción. De la Hoz (2009) menciona que el material fotocatalizador en este caso el dióxido de titanio ha tenido buenos resultados como descontaminante cuando se le mezcla con mortero de cemento, el TiO2 puede actuar en suspensión en un medio acuoso, o inmovilizado dentro de una matriz, siendo en el mortero de cemento, uno de los materiales donde se fija muy bien, ya que en el proceso de fraguado queda unido a la pasta rígida, impidiendo su disolución. Las investigaciones sobre el dióxido de titanio adicionado a materiales a base de cemento han generado diferentes conclusiones acerca de su efecto sobre este material. En el caso del mortero se han obtenido resultados favorables y desfavorables: en una de estas investigaciones se logró dar a conocer que la adición de este fotocatalizador mejora las propiedades mecánicas del mortero (Lackhoff, 2003); por otra parte otro estudio logró establecer que la adición del Ti02 no cambió las propiedades del mortero (Aguilar, 2013), y al contrario de los anteriores estudios mencionados. Existe otro estudio que obtuvo resultados desfavorables al momento de la adición del material foto catalítico (Meng, 2012).

4

Cassar (2003) estableció que la cantidad de TiO2 que se debe usar en el mortero de cemento depende del tipo de contaminante que se vaya a enfrentar, en su investigación logró especificar que para limpiar la contaminación de las fachadas de los edificios se le debe adicionar al mortero, TiO2 al 5% en peso del cemento. Teniendo en cuenta estas investigaciones se espera establecer que efecto tiene la adición de este material fotocatalítico en las propiedades mecánicas. A continuación se mencionan detalladamente cada una de las investigaciones hechas en diferentes países sobre el efecto de la adición de dióxido de titanio (TiO2) en el mortero, haciendo énfasis en la prueba de resistencia a la compresión. En el 2003 se publicó una investigación que se trataba sobre la influencia de estos semiconductores en el envejecimiento del mortero, se logró concluir que la adición de este material fotocatalítico es factible y los resultados incluso muestran una mejora en las propiedades mecánicas de la matriz del mortero con un aumento casi del 20% en su resistencia a la compresión (Figura 1), también se concluyó que se pueden esperar resultados favorables respecto a la resistencia mecánica de las estructuras, sin embargo el envejecimiento puede plantear un problema (Lackhoff, 2003).

Figura 1. Resultados de la resistencia a la compresión

Recientemente en el 2012 se publicó una investigación sobre el efecto del Ti02 en las propiedades mecánicas del mortero de cemento, en esta investigación se produjeron diferentes conclusiones una de estas mostró que la resistencia a la compresión del mortero de cemento con 5% o 10% de Ti02 en 1 día, aumento en aproximadamente 45% (Figura 2). Sin embargo, la resistencia a la compresión del mortero de cemento a los 28 días se redujo en 10 % y 19%, respectivamente, y la fluidez disminuyo en un 20% y 40% (Figura 3), respectivamente, cuando el 5% y 10% del cemento fue sustituido por Ti02 (Meng, 2012).

5

Figura 2. Resultados resistencia a la compresión

Figura 3. Resultados ensayo de consistencia

Otra investigación hecha en 2013 arrojó los siguientes resultados de resistencia a la compresión a los 28 días de muestras de 2 tipos de cemento (siderúrgico y puzolanico) los cuales fueron divididos en muestras de 5%, 10% y 15% de Ti02 (P-25). El mortero con cemento siderúrgico (Figura 4) mostró una reducción del 7% cuando se le adicionó TiO2 en porcentajes de 5% y 10%, por otro lado mostró una reducción del 31% en la muestra que contenía el 15% de adición de TiO2, además de presentar una disminución en su fluidez de hasta un 52%. Por otra parte, el mortero de cemento Puzolanico (Figura 5) mostro una reducción en la resistencia de 6% cuando se le adicionó 5% de TiO2, asimismo la muestra que contenía el 10% de TiO2 mostró una reducción del 9% en su resistencia respecto a la muestra patrón, y por último la muestra con 15% de TiO2 obtuvo una mayor reducción en la resistencia llegando a un 39%, además obtuvo una disminución en su fluidez de hasta 52%. De esta manera se concluyó que estas propiedades se ven poco afectadas ya que no sufren cambios considerables (Aguilar, 2013).

6

Figura 4. Morteros con cemento Siderurgico

Figura 5. Morteros con cemento Puzolanico

A continuación en la Figura 6 se presentaran los resultados del ensayo a compresión a los 28 días, cabe resaltar que para este ensayo “Se confeccionaron 2 moldes con el mismo mortero c/u (un total de 6), con el fin de ser ensayados 3 probetas a los 7 días y 3 a los 28 días”.

Figura 6. Resultados de la resistencia a compresión

En Colombia una investigación afirmó que la adición de TiO2 debe ser mayor al 3% en peso del cemento ya que inferior a este porcentaje las partículas no presentan actividad fotocatalítica significativa. En esta investigación se usaron tres tipos de TiO2 los cuales fueron, TiO2 (Anatasa), TiO2 (Rutilo) y TiO2 (P25), a estos morteros adicionados con los respectivos Ti02 con un porcentaje de 3% mostraron un aumento de 3% en la resistencia a los 7 días, y posteriormente a los 28 días aumentaron su resistencia en aproximadamente 6% (Figura 7), estos resultados nos muestran que no hubo diferencias significativas entre la muestra patrón sin adición de TiO2 y las demás probetas. Por lo tanto, se puede concluir que un 3% de adición de nanopartículas de TiO2 no afecta las propiedades mecánicas de los morteros a edades de 7 y 28 días (Cárdenas Ramírez, 2012). 7

Figura 7. Resultados de la resistencia a la compresión

Ez-zaki (2012) realizó una investigación sobre el efecto de la adición de minerales colorantes (rojo, azul, amarillo) a morteros arquitectónicos con TiO2 en porcentajes de 1% y 3%, los resultados de resistencia a la compresión de esta investigación a los 28 días mostraron que el mortero con el mineral de color rojo mejoró la resistencia a la compresión en un 20% y 19% cuando se le adicionó TiO2 en porcentajes de 1% y 3% respectivamente, en morteros con minerales de color azul y porcentajes de 1% y 3% de TiO2 aumentó la resistencia en un 8% y 9% respectivamente, y por último en los morteros con minerales de color amarillo y porcentajes de 1% y 3% de TiO2 aumento 24% y 22% respectivamente. De esta manera se concluyó que la incorporación de colorantes con pequeñas cantidades de TiO2, mejora las propiedades del mortero (Ez-zaki, 2012). Otra investigación hecha en Chile, especificó que para un canal de regadío con recubrimiento de mortero de cemento se necesitó una dosificación del 10% de TiO2 en peso del cemento para eliminar un 90% de bacterias E.Coli presentes en el agua de este canal (De la Hoz, 2009). Además de investigaciones sobre el mortero, también existen antecedentes de estudios hechos sobre el concreto como el publicado en el 2010, en el que se obtuvieron se obtuvieron resultados acerca del aumento de la resistencia a la compresión cuando se adiciona el dióxido de titanio (Ti02) hasta en un 4%. Se concluyó que esto fue debido a la mayor formación de productos hidratados en presencia del dióxido de titanio (Ti02) (Nazari y Riahi, 2010).

8

5. MARCO TEORICO: CONCEPTOS GENERALES 5.1 SEMICONDUCTOR Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge), el selenio (Se) y el dióxido de titanio (TiO2), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica (semi-conductor). Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital. El investigador Akira Fujishima (1999), publicóó un libro denominado “TiO2 photocatalysis”, donde presenta un estudio de las propiedades fotocataliticas del dióxido de titanio. Desde ahí en adelante se generaron una serie de investigaciones en donde posición al dióxido de titanio (TiO2) como material semiconductor que reacciona con la acción de la luz ultra violeta para degradar contaminantes que están presentes en el medio ambiente (A. Costa, 2011). 5.2 FOTOCATÁLISIS El proceso de fotocatálisis se basa en la transferencia de carga a través de la interfaz entre el semiconductor y el contaminante, este proceso se basa en una reacción fotoquímica que convierte la energía solar en energía química en la superficie de un catalizador o sustrato, consistente en el material semiconductor que acelera la velocidad de reacción. Durante el proceso tienen lugar reacciones tanto de oxidación como de reducción, de esta forma se promueve la eliminación de la mayor parte de los contaminantes presentes en el ambiente (AIF, 2010). 5.3 DIÓXIDO DE TITANIO El dióxido de titano (TiO2) se presenta en la naturaleza en varias formas: rutilo (estructura tetragonal), anatasa (estructura octahédrica) y brookita (estructura ortorómbica). El dióxido de titanio rutilo y el dióxido de titanio anatasa se producen industrialmente en grandes cantidades en países como Rusia, India y en países de Sudamérica. Se utilizan como pigmentos y catalizadores y en la producción de materiales cerámicos. El dióxido de titanio tiene gran importancia como pigmento blanco por sus propiedades de dispersión, su estabilidad química y su no toxicidad. El dióxido de titanio es el pigmento inorgánico más importante en términos de producción mundial (QuimiNet, 2006).

5.4 MORTERO El mortero es una combinación de arena, agua y cemento. Es destacado por su empleo en mamposterías, aplanados, recubrimientos y pegado de piezas diversas.

9

6. METODOLOGIA La evaluación de las propiedades mecánicas del mortero con reemplazo de dióxido de titanio se llevó a cabo por medio de mezclas de mortero conformado por cemento gris, agua, arena debidamente seleccionada y porcentajes de dióxido de titanio reemplazado en el cemento. Las características mecánicas de dichos morteros fueron comparadas con el mortero sin adición que fue usado como referencia. Los ensayos a realizar se desarrollaron en el laboratorio de materiales de la Pontificia Universidad Javeriana Cali siguiendo el procedimiento establecido en cada una de las normas establecidas para cada uno de las respectivas pruebas. 6.1 DISEÑO DE LA MEZCLA Se realizó el diseño de la mezcla del mortero, teniendo en cuenta el procedimiento establecido por Sánchez de Guzmán (2001). El diseño que se realizó es para un mortero de 21 MPa. A continuación se relacionan los ensayos que se realizaron para la ejecución del diseño. 6.1.1

Caracterización de la Arena

6.1.1.1 Granulometría y ensayo de módulo de finura

Para la elección de la arena se establecieron criterios de módulo de finura y los requisitos de granulometría del agregado fino para morteros que indica la norma ASTM – C144. Para establecer este módulo se hizo la evaluación de dos tipos, arena lavada del Rio Cauca (Figura 8) y arena de trituración de la cantera “El Chocho”, se compararon con el fin de escoger el mejor material para realizar la mezcla.

Figura 8. Arena lavada del Rio Cauca (izq), Arena de trituración (derecha) Fuente: www.webstore.ec/catalogo/arena-no-lavada (derecha)

El ensayo de módulo de finura se realizó con base a la norma ASTM – C136, de la cual se seleccionaron muestras representativas de 500 g de cada material y se pasaron por los tamices No. 4, 8, 16, 30, 50 y 100 (Figura 9), de esta forma determinando el % retenido y el % retenido acumulado, para el cálculo del módulo de finura se establece la siguiente ecuación:

10

=

∑(%



)

(1)

Figura 9. Serie de tamices para el análisis granulométrico del agregado fino

6.1.1.2 Densidad Aparente Seca de la arena (ASTM C128) En este ensayo se siguió el procedimiento establecido en la norma ASTM C128. Los equipos usados para la realización de este ensayo fueron los siguientes: -

Picnómetro (Figura 10) Molde cónico (Figura 10) Pisón (Figura 10) Balanza (Figura 11)

11

Figura 10. (Izq.) Picnómetros, (der) Pisón y Molde Cónico

Figura 11. Balanza

12

6.1.2 Caracterización del Cemento 6.1.2.1 Propiedades físicas

Se eligió el cemento gris Topex (Figura 12) para la respectiva realización de este proyecto ya que su presentación en bolsas plásticas de 5 kg permitía el adecuado almacenamiento sin llegar a dañarse, en la siguiente Tabla se presentan los parámetros de fabricación que contiene Topex® Cemento Gris: Tabla 1. Parámetros físicos Cemento Gris Topex® Parámetros físicos Fraguado inicial, mínimo Fraguado final, máximo Expansión autoclave, máximo Expansión de agua, máximo Resistencia a 1 día, mínimo Resistencia a 3 días, mínimo Resistencia a 28 días, mínimo

90 min 360 min 0,8 0,02 12 MPa 24 MPa 43,4 MPa

Figura 12. Cemento gris utilizado como material aglutinante en las muestras de mortero

En el ensayo de peso específico del cemento se siguió el procedimiento establecido en la norma ASTM C188. Los equipos usados para la realización de este ensayo fueron los siguientes: -

Frasco patrón de Le Chatelier (Figura 13) Balanza

13

Figura 13. Frascos Le Chatelier

6.1.2.2 Fluidez del cemento (ASTM C1437) Para la realización de este ensayo se prepararon 5 muestras de pasta de cemento, a estas muestras se les realizó el ensayo de fluidez en la mesa de flujo. Los equipos usados fueron: -

Mesa de flujo (Figura 14) Mezcladora Balanza

Figura 14. Mesa de flujo

14

6.2 PASOS PARA EL DISEÑO DE MEZCLA 6.2.1

Determinación del tipo de arena

Depende de la disponibilidad de depósitos de la zona, se debe conocer sus propiedades granulométricas y módulo de finura. 6.2.2

Relación Agua/Cemento

Se determinó esta relación teniendo en cuenta el módulo de finura de la arena (Figura 15).

Figura 15. Correspondencia entre los valores de relación agua-cemento y resistencia a la compresión para morteros hechos con cemento portland y arena. Fuente: “Tecnología del concreto y del mortero”, Diego Sánchez de Guzmán (2001)

6.2.3

Selección de la consistencia

De acuerdo con los requerimientos deseados se escoge la consistencia con base en la consistencia del mortero en función del porcentaje de flujo (Tabla 2).

15

Tabla 2. Consistencias del mortero en función del porcentaje de flujo Fuente: “Tecnología del concreto y del mortero”, Diego Sánchez de Guzmán (2001)

6.2.4

Consistencia

% de flujo

Seca

90

Plástica

110

Fluida

130

Ensayo de consistencia a la pasta de cemento

Se debe realizar la prueba de consistencia de la pasta de cemento con diferentes valores de relación agua – cemento, este procedimiento se debe realizar con la metodología descrita en la norma ASTM C305 “Mezcla de mortero y pasta de cemento”, la mezcla se debe realizar de la siguiente manera: Coloque toda el agua en el recipiente de la mezcladora. Agregue el cemento a el recipiente con agua y dejar reposar 30 s para que absorba adecuadamente. Iniciar el mezclado a velocidad baja (140 6 5 r / min) por 30 s. Parar el mezclado durante 15 s y durante este tiempo raspar rápidamente hacia abajo en el recipiente para recoger la pasta que haya quedado en los bordes. Iniciar la mezcla a velocidad media (285 + ó – 10 r / min) por 60 s. 6.2.5

Determinación de los factores que influyen en el contenido de agua

Se determina el valor de la relación agua-cemento para la consistencia requerida en términos de fluidez requerida (k) (Figura 16), para este procedimiento se debe construir la gráfica con los valores de porcentaje de fluidez adquiridos en la prueba de consistencia de la pasta de cemento, posterior se le coloca la ecuación que mejor represente a los resultados.

16

Figura 16. Relación entre % fluidez y relación A/C Fuente: “Tecnología del concreto y del mortero”, Diego Sánchez de Guzmán (2001)

Posterior a esto se despeja la variable k de la siguiente ecuación.

=



(2)

Dónde: A/C: relación agua-cemento n: proporción de la mezcla b: factor que relaciona la consistencia requerida, módulo de finura, forma y textura de la arena e: base de logaritmos = 2,718 El valor de b se extrae de la siguiente Tabla:

17

Tabla 3. Valores de b, para arenas de forma angular y textura rugosa y para arenas de forma redondeada y textura lisa. Fuente: “Tecnología del concreto y del mortero”, Diego Sánchez de Guzmán (2001)

Consistencia

Seca (90%)

Plástica (110%)

Fluida (130%)

6.2.6

Módulo de finura

Arena de granos redondos y lisos

Arena de granos angulares y rugosos

1,7

0,3293

0,3215

2,2

0,3110

0,3028

2,7

0,2772

0,2930

3,2

0,2394

0,2494

1,7

0,3242

0,3238

2,2

0,3033

0,2947

2,7

0,2734

0,2879

3,2

0,2368

0,2477

1,7

0,3172

0,3216

2,2

0,2927

0,3003

2,7

0,2687

0,2949

3,2

0,2340

0,2629

Determinación de la proporción 1:n

Se determina el valor de n mediante la siguiente ecuación:

=

!" ( #) $

(3)

18

6.2.7

Cálculo del contenido de cemento

Se determina el contenido de cemento mediante la siguiente ecuación.

% =

&'(&)(* + . ( ( ,- ,/

(4)

Dónde: Vc+Va+A = 1000 L Gc: Densidad especifica del cemento Ga: Densidad aparente seca de la arena 6.2.8

Cálculo del contenido de agua

Se determina el contenido de agua con la siguiente ecuación.

0123 =

* 4

!∗%

(5)

Dónde: A/C: Relación agua/ cemento C: Contenido de cemento

6.2.9

Cálculo del contenido de arena

Se determina el contenido de arena con la siguiente ecuación.

3=

∗%

(6)

Dónde: n: Valor de la proporción n C: Contenido de cemento

19

6.3 DIOXIDO DE TITANIO 6.3.1

Caracterización del Dioxido de Titanio

El dióxido de titanio (TiO2) fue suministrado por la empresa CRISTAL Pigment UK Limited. Por otra parte, con el ánimo de usar un TiO2 con gran potencial de uso en morteros por su alta eficiencia foto catalítica se seleccionó el PC105 Dry Powder. A continuación en la Tabla 4 se muestran las características físicas del material: Tabla 4. Características físicas del TiO2 Característica Estado Apariencia Forma cristalina Área superficial Granulometría Gravedad especifica Olor pH Densidad relativa

6.3.2

Valor Sólido, polvo fino Blanco Anatase 90m2/g Partículas de 50nm 3.8 g/cm3 N/A 3.5 - 5.5 0.540 kg/L

Contenido de Dioxido de Titanio

Para la realización de este proyecto se establecieron ciertos porcentajes de reemplazo de cemento Portland por dióxido de titanio a la mezcla del mortero, este porcentaje fue incluido en reemplazo al contenido del cemento, a continuación en la Tabla 5 se presentan los porcentajes de dióxido de titanio que se usaron para realizar las muestras. Tabla 5. Porcentajes de Dióxido de titanio

Muestra 1 2 3 4 5

Porcentaje de TiO2 0% 5% 7.5% 8.5% 10%

20

6.4 MEZCLA DEL MORTERO La mezcla del mortero se realizó con base en la norma ASTM C305-13, la cual indica el procedimiento para la mezcla de pasta de cemento y mortero. A continuación se presenta el procedimiento para el mezclado del mortero. 1. Coloque toda el agua de la mezcla en el recipiente (Figura 17). 2. Añadir el cemento al agua; a continuación, iniciar el mezclador y mezclar a la velocidad lenta (140 6 5 r / min) durante 30 s. 3. Añadir toda la cantidad de arena lentamente durante un periodo de 30 s, mientras se mezclaba a velocidad lenta. 4. Detener el mezclador, cambie a velocidad media (285 + ó – 10 r / min), y se mezcla durante 30 s. 5. Detener el mezclador y dejar que el soporte de mortero durante 90 s. Durante los primeros 15 s de este intervalo, raspar rápidamente hacia abajo en el lote cualquier mortero que pueda haber recogido en el lado de la tazón; luego para el resto de este intervalo, cerrar el mezclador recinto o cubrir el recipiente con la tapa. 6. Finalizar mezclando durante 60 s a velocidad media (285 + ó – 10 r / min). Según la norma, para añadir otros materiales a la mezcla, en este caso el dióxido de titanio (TiO2), se debe adicionar en el numeral 3 junto con la cantidad de arena.

Figura 17. Mezcladora de mortero

21

6.5 ENSAYO DE CONSISTENCIA El ensayo de consistencia o fluidez del mortero se realizó en base a la norma ASTM – C230, según la norma el ensayo debe hacerse sobre una mesa de flujo (Figura 18) la cual debe calibrarse para dejarse caer 25 veces de una altura determinada por la plataforma donde se ubica previamente la mezcla del mortero con un molde especifico. A continuación se presenta el procedimiento para la realización de este ensayo:

Figura 18. Procedimiento del ensayo de fluidez del mortero

Para el cálculo del porcentaje de fluidez se tuvo en cuenta la siguiente formula.

%

6 =

∅ 8

∅

(

)"∅

9

:

9

:





(



)

(

)

∗

(7)

6.6 ENSAYO DE COMPRESION Este ensayo se realizó en base a la norma ASTM – C109, la compresión se midió sobre cubos de 50 mm o (2”) compactados en dos (2) capas, para la realización de este ensayo fueron necesarios 45 cubos. Los cubos fueron curados un día en los moldes y se desmoldaron e ingresaron a la cámara húmeda hasta el día del ensayo. Los ensayos de compresión se realizaron a los 7, 14 y 28 días de curado de la muestra, se ensayaron 9 cubos de cada porcentaje de TiO2 presente en la muestra, 3 para cada día de curado. Según Rivera (2010), los morteros a los 7 días de curado alcanzan aproximadamente el 70% de su resistencia de diseño y para los 14 días alcanza el 90% de su resistencia, este criterio se tuvo en cuenta para comparar las resistencias obtenidas por cada muestra de mortero. La resistencia a la compresión se determinó por medio de la prensa universal (Figura 19). De las 9 muestras de cada porcentaje de TiO2 se tomaron las medidas de cada cara del cubo obteniendo un promedio de ellas. Posteriormente se fallaron y se determinaron las resistencias promedio. Al final se calculó la resistencia a la compresión con la siguiente ecuación:

22

;< =

=

*

(8)

Dónde: fm= resistencia a la compresión (MPa) P= carga máxima total registrada por la prensa universal (N). A= área de la superficie cargada (mm2)

Figura 19. Prensa Universal

6.7 ENSAYO DE FLEXION Este ensayo fue realizado con base en la norma ASTM – C348-97, la flexión se midió sobre 12 viguetas 40 x 40 x 160 mm (figura 20). Las viguetas fueron preparadas en dos capas y luego curadas en la cámara húmeda hasta que fueron ensayadas a flexión aplicando carga en el punto central. El ensayo de flexión se realizó a los 28 días de curado de la muestra, se ensayaron 3 viguetas de cada porcentaje de TiO2 presente en la muestra.

23

La resistencia a la flexión también se determinó por medio de la Prensa Universal (Figura 21), de las 3 muestras de cada porcentaje de TiO2 se tomaron las medidas de cara uno de los lados de la vigueta obteniendo así un promedio de ellas, posteriormente se fallaron y se determinaron las resistencias promedio.

Figura 20. Moldes Rilem

Al final se calculó la resistencia a la flexión con la siguiente ecuación: >? = 0.0028D

(9)

Dónde: Sf = resistencia a la flexión (MPa). P = carga máxima total (N).

24

Figura 21. Ensayo de flexión, Maquina Universal Marshall

6.8 DESVIACIÓN ESTANDAR Y COMPARACIÓN DE DATOS A cada resultado de compresión y flexión se le calculó la desviación estándar para conocer qué tanto se dispersan los resultados de una misma muestra, este cálculo se presentará gráficamente mediante las barras de error, también se usó la siguiente ecuación para comparar y conocer que tanto se alejan las muestras con los diferentes porcentajes de dióxido de titanio respecto a la muestra que no posee TiO2 (M0%).

∆=

FG "FH FH

I 100

(10)

6.9 ENSAYO DE DENSIDAD Y ABSORCION Este ensayo fue realizado con base en la norma ASTM – C127, la cual determina la gravedad específica bulk, bulk saturada y superficialmente seca y aparente, así como la absorción, después de que la muestra estuvo sumergida en agua durante 24 horas. El ensayo de absorción se realizó con cada una de las muestras ya falladas de los ensayos de compresión y flexión, inicialmente se introdujeron las muestras al horno durante 24 horas posterior a esto se pesaron las muestras para obtener el peso seco, y el peso sumergido. Después cada una 25

de las muestras fueron saturadas en agua durante 24 horas, luego de esto se pesaron las muestras obtenido así el peso húmedo. Al final se calcula la gravedad específica bulk, bulk saturada con superficie seca y aparente, así como la absorción, por medio de las siguientes ecuaciones: Gravedad especifica bulk

KLM =

*

(11)

N"4

Gravedad especifica bulk saturada y superficialmente seca

KLM LLL =

N

N"4

(12)

Gravedad especifica aparente

KL3 =

*

(13)

*"4

Porcentaje de absorción

%0ML =

N"* *

I 100

(14)

Dónde: A = masa en el aire de la muestra seca (g). B = masa en el aire de la muestra saturada con superficie seca (g). C = masa sumergida en agua de la muestra saturada (g). 7. RESULTADOS Y ANALISIS 7.1 CARACTERIZACION DE COMPONENTES DEL MORTERO A continuación se presenta la caracterización de cada uno de los materiales que se necesitó para la realización de los morteros con reemplazo de cemento portland por dióxido de titanio. En general un mortero se compone por arena, cemento y agua, pero adicionalmente para esta investigación se utilizaron diferentes porcentajes de dióxido de titanio en reemplazo del cemento portland a la mezcla. 26

7.1.1

Arena

La arena que se usó para la realización de las muestras de mortero, se escogió teniendo en cuenta el módulo de finura y los requisitos de granulometría del agregado fino para morteros de la norma ASTM –C144. Para establecer este módulo se hizo la prueba para dos tipos de arena (arena lavada del Rio Cauca y la arena de trituración de la cantera “El Chocho”). En el Anexo 1, en las Tablas 24 y 25 se presenta el proceso que finalizó con la elección de la arena de rio, lo primero fue establecer la granulometría de los dos tipos de arena. Estas granulometrías y los estándares requeridos se pueden observar en las Figuras 22 y 23. El resultado obtenido por la granulometría de la arena de trituración fue de 3.9, lo cual indica que es una arena muy gruesa; por otro lado el módulo de finura que se obtuvo de la granulometría de la arena del Rio Cauca fue de 2.1, lo cual indica que es una arena más fina. Teniendo en cuenta los datos anteriores, la arena del Rio Cauca es la más adecuada para la realización de los morteros. Para determinar esto se siguió los requisitos de granulometría del agregado fino para mortero que menciona la norma ASTM-C144, la cual establece unos límites por donde debe pasar la arena, dichos límites se pueden observar en las Figuras 22 y 23. A continuación se presentan los resultados gráficos de la arena del Rio Cauca y la arena de trituración de la cantera “El Chocho” con los requerimientos de la norma ASTM –144.

120 100

Tamiz

80 60

Limite Inferior

40

Limite Superior Arena Triturada

20 0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Porcentaje que pasa

Figura 22. Granulometría de la arena de la Cantera “El Chocho” y granulometrías recomendadas para morteros por la norma ASTM-144

27

120 100

Tamiz

80 Limite Inferior

60

Limite Superior

40

Arena del Rio

20 0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Porcentaje que pasa

Figura 23. Granulometría de la arena del Rio Cauca y granulometrías recomendadas para morteros por la norma ASTM C-144

Como se observa en las gráficas anteriores la arena de trituración de la cantera “El Chocho” no cumple con los requerimientos para agregados finos de la norma mencionada anteriormente; ya que está totalmente por fuera de los rangos explícitos en dicha norma. Por otro lado, en el caso de la arena del Rio Cauca se observa que cumple con los rangos establecidos en la norma, solo tiene una pequeña variación (4,7%) en el tamiz No. 30, pero se determinó que este es el material más adecuado para la realización de los morteros, ya que cumple con los rangos expuestos anteriormente y su módulo de finura es adecuado. 7.2 DISEÑO DE LA MEZCLA Como se concluyó en el ítem anterior, la arena que se va a usar es arena del “Rio Cauca”, la cual tiene un módulo de finura de 2.1. Ahora para establecer el diseño de la mezcla fue necesario realizar los siguientes ensayos en el laboratorio a dicha arena. -

Densidad Aparente Seca de la arena (ASTM C128) Densidad Especifica del cemento (ASTM C188) Fluidez del cemento (ASTM C1437)

28

7.2.1

Densidad Aparente de la Arena

A continuación en la Tabla 6, se presentan los datos arrojados de 3 muestras ensayadas. Tabla 6. Datos del ensayo de densidad aparente seca de la arena

Datos Masa al aire de la muestra seca al horno A (g) Masa del Picnómetro aforado lleno de agua B (g) Masa total del picnómetro aforado (Muestra + Agua) C (g)

Muestra 1 492,1 644,5 955,6

Muestra 2 491,9 645,1 956,6

Muestra 3 491,9 644,7 956

Con los datos anteriores y la ecuación 13 se calculó la densidad aparente seca de la arena la cual tuvo un valor de 2.7 g/cm3. 7.2.2

Densidad especifica del cemento

Para realizar este ensayo se usaron 64 gr de Cemento Gris Topex ® para cada uno de los frascos Le Chatelier. A continuación en la Tabla 7, se muestran los datos de la primera medida del frasco (sin adicionar cemento): Tabla 7. Primera medida del Frasco Le Chatelier Muestra Primer Medida 20° (ml)

1 0,5

2 0,4

3 0

Posteriormente se agregó el cemento en las cantidades dichas anteriormente a cada frasco y arrojo las siguientes medidas presentadas a continuación en la Tabla 8: Tabla 8. Medidas obtenidas y el volumen desplazado de cada muestra. Muestra + Cemento Medida 1 (20°) (ml) Medida 2 (20°) (ml) Medida 3 (20°) (ml) Promedio (ml) Volumen Desplazado (ml)

1 20,5 20 20 20,167 19,667

2 20,5 20,3 20,3 20,367 19,967

3 20,7 20,5 20,5 20,567 20,567

El volumen desplazado promedio fue de 20,067 ml, dividiendo la masa de cemento contenida en cada frasco (64 g) sobre este volumen, se obtuvo la densidad del cemento que tuvo un valor de 3,189 g/cm3.

29

7.2.3

Fluidez del cemento

Se realizó el ensayo con la metodología descrita en el ítem 6.2.4, en la Tabla 9 que se presenta a continuación se encuentra el resumen de los datos arrojados por la prueba: Tabla 9. Resumen de ensayos Fluidez (%) 17 80 105 118 142

A/C 25 30 35 40 45

A continuación (Tabla 10) se presenta el resumen de los datos arrojados por los ensayos anteriores. Tabla 10. Resumen de ensayos

7.2.4

Peso específico (Cemento) (g/cm3)

Peso específico (Arena) (g/cm3)

Consistencia plástica (%)

3,189

2,72

110

Diseño de la mezcla

Ya realizados los ensayos, se procedió a calcular las cantidades de material que se requerían para hacer 1 m3 de mortero, como se especifica en la metodología en el ítem 6.2.5, se determinó la relación agua cemento de la siguiente manera. Se realizó interpolación para conocer el valor A/C con la siguiente ecuación, teniendo en cuenta los valores de módulo de finura (Figura 24) y la resistencia de diseño: O,O"Q,R O,Q"Q,R

=

S,RO"S,TU V"S,TU

(15)

Despejando x, la relación A/C dio como resultado 0,714.

30

Figura 24. Correspondencia entre los valores de relación agua-cemento y resistencia a la compresión para morteros hechos con cemento y arena de forma redondeada y textura lisa. Fuente: “Tecnología del concreto y del mortero”, Diego Sánchez de Guzmán (2001)

Junto con este proceso, se eligió un porcentaje de fluidez del 110% indicando una consistencia plástica. Siguiendo la metodología, se construyó la gráfica % fluidez vs A/C (Figura 25) con los valores de porcentaje de fluidez obtenidos de la prueba con la pasta de cemento resumido en el numeral anterior. 160 140

% fluidez

120 100 80 60 y = -0,2571x2 + 23,76x - 411,34 R² = 0,9736

40 20 0 20

25

30

35

40

45

50

Relación Agua - Cemento

Figura 25. Relación entre % fluidez y relación A/C Fuente: “Tecnología del concreto y del mortero” 31

La ecuación que mejor se acomodó a los resultados fue la polinomica presentada a continuación: W = −0,2571I O + 23,76I − 411,34 (R2 = 0,9736)

(16)

Se reemplaza el valor de “y” con el porcentaje de fluidez de diseño el cual fue de 110%, y se despeja “x” de la ecuación, este valor de “x” se llama variable k, esta variable tuvo como resultado 0,3584. Posterior a esto tal como se indica en el ítem 6.2.6 se debe encontrar el valor de b, el cual se halla con la Tabla 3, como el módulo de finura de la arena resulto ser 2.1, se interpoló con los valores de la tabla y se halló el valor de b mediante la siguiente ecuación: Q,R"O,O O,Q"O,O

=

S,_O`O"S,_S__ V"S,_S__

(17)

Despejando el valor de x obtenemos el valor de b el cual es igual a 0,3074. Posterior a esto se pasa al numeral 6.2.6 d, el cual consiste en hallar la proporción 1:n, esta proporción se determinó con la ecuación (3):

=

(S,RQ`)" ( S,_ab`) S,_SR`

= 2,24

Siguiendo la metodología se halla el contenido del cemento con la Ecuación (4) expuesta en el ítem 6.2.7:

% = % =

&'(&)(* + . ( ( ,- ,/

QSSS

+ f,fg ( (S,RQ` c,+de f,hf

% = 540,21 i1/k