UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CAMPUS XALAPA

“EVALUACIÓN MECÁNICA DE PASTAS DE CEMENTO MODIFICADAS CON ESCORIA DE HORNO DE ARCO ELÉCTRICO Y CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO CIVIL

PRESENTA

PABLO CARMONA DURÁN

DIRECTOR

DR. ERICK E. MALDONADO BANDALA

XALAPA-ENRÍQUEZ, VERACRUZ.

2011

DEDICATORIAS

A MIS PADRES Gracias por todo el apoyo que me brindaron, por la oportunidad de llegar hasta este momento, espero que se sientan tan orgullosos de mi como yo de ustedes. A MI MADRE No hay palabras que logren describir lo mucho que te admiro por la fuerza que demostraste al sacarme adelante, pese a todas las contrariedades que se presentaron , siempre estuviste cerca de mí para ayudarme, gracias mama. A MIS HERMANOS Gracias por la ayuda que día con día salió de ustedes, de ustedes estoy seguro, tome lo mejor de su experiencia para aplicarlo en mi vida y más adelante poder ser yo el ejemplo a seguir. A MIS MAESTROS Gracias por todos los conocimientos que me trasmitieron y la paciencia que me tuvieron durante todos estos años, me dieron lo más valioso de esta vida, el gusto por aprender, gracias A MIS AMIGOS Gracias por su compañía a lo largo de mi vida escolar logramos ser más que compañeros de clase y aunque algunos se quedaron en el camino, les agradezco por haberme brindado su amistad, gracias

Contenido INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................1 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................................3 GENERALIDADES ...............................................................................................................................4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................................4 OBJETIVOS ..........................................................................................................................................5 GENERAL......................................................................................................................................5 PARTICULARES: .........................................................................................................................5 HIPÓTESIS ...........................................................................................................................................5 CAPITULO 1 MARCO TEÓRICO.......................................................................................................6 1.1 LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y SUS EFECTOS ........................................6 1.2 EL CEMENTO ........................................................................................................................6 1.3 MATERIALES ALTERNATIVOS ........................................................................................15 1.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ..........................................................................................19 1.5 ESCORIA ..............................................................................................................................20 1.6 PASTAS Y MORTEROS .....................................................................................................24 CAPITULO II METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ........................................................................26 2.1 LA CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR .........................................................26 2.2 LA ESCORIA DE HORNO DE ARCO ELÉCTRICO .......................................................28 2.3 ELABORACIÓN DE LOS ESPECÍMENES ......................................................................31 2.4 DETERMINACIÓN DE LAS PROPORCIONES PARA LA ELABORACIÓN DE LOS ESPECÍMENES ..........................................................................................................................32 2.5 DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA NORMAL ..................................................34 2.6 TIEMPO DE FRAGUADO ...................................................................................................38

2.7 DETERMINACIÓN DE LA FLUIDEZ. ................................................................................40 2.8 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN ................................................................................44 3 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................................................47 3.1 FLUIDEZ ...............................................................................................................................47 3.2 TIEMPO DE FRAGUADO ...................................................................................................52 3.3 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN AXIAL ....................................................................55 CONCLUSIONES:..............................................................................................................................63 REFERENCIAS: .................................................................................................................................65 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................................67

INTRODUCCIÓN La industria de la construcción ha crecido enormemente, y los recursos con los que se cuenta cada vez son más insuficientes, De estos, el concreto es sin duda el que se utiliza con mayor frecuencia. En particular la demanda de cemento portland incrementa conforme aumenta la población mundial. Sin embargo, la industria productora de este tipo de cemento consume grandes cantidades de recursos energéticos y genera una fuerte emisión de contaminantes. Desde sus inicios, el hombre ha edificado construcciones ya sea para resguardo propio o para intereses sociales y religiosos. Han sido muchas y muy diversas las técnicas que emplearon las diferentes culturas, los egipcios por ejemplo, utilizaban el lodo del rio Nilo, no obstante las capacidades cementantes de este tipo de materiales era demasiado pobre y no tenían resistencia a la humedad. Siglos más tarde, los romanos descubrieron la tecnología de los llamados materiales puzol añicos, para producir sus cementos mezclaban cal con cenizas provenientes de un lugar llamado Pozzouli. Muestra de su avanzada tecnología son algunas de sus edificaciones que se encuentran en pie en nuestros días. Fue hasta el siglo XIX que se trabajó intensamente en muchas investigaciones enfocadas a la búsqueda de nuevos materiales para la construcción. La patente de lo que hoy conocemos como Cemento Portland le fue otorgada a J. Apsdin en 1824 en Inglaterra. El cemento es el material ligante del concreto. Está compuesto principalmente por oxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro hasta en un 95%. Las propiedades de endurecimiento

se

logran

de

la

mezcla

del

ferro

aluminio

de

calcio

(4CaO·Al2O3·Fe2O3) con el agua En los últimos 60 años se ha trabajado de manera menos empírica y más científica la fabricación y utilización del cemento. Como consecuencia de esto los procesos de producción se han mejorado, el más notable ha sido el que manejaba la materia

prima en húmedo (barbotinas) al manejo en seco, como resultado de este cambio se obtuvieron ahorros de energía arriba del 40% sin mencionar la reducción de emisión de contaminantes y el tamaño de los hornos; producir cemento es un proceso de alta demanda energética y alta emisión de contaminantes. Las restricciones ambientales impuestas a las cementeras son cada vez más estrictas lo que debería llevar a la optimización de procesos o a la búsqueda de alternativas para la solución de los diversos problemas y necesidades actuales. Para satisfacer la creciente demanda de cemento es necesario buscar esquemas alternativos de apoyo, de otra manera los costos económicos, económicos y ecológicos serían muy altos. La producción mundial de cemento es de aproximadamente 150 millones de toneladas consecuentemente la emisión de CO2 es casi la misma cantidad. México produce suficiente cemento para el consumo interno, de hecho la principal compañía nacional (CEMEX) ocupa el tercer lugar a nivel mundial. Sin embargo existe la necesidad de crear materiales de construcción de menor costo; por otro lado, la diversidad y lo extremoso del clima, en algunas regiones se requieren materiales con diversas propiedades por ejemplo térmicamente aislantes.

JUSTIFICACIÓN Los materiales alternativos tienen cabida como materias primas de remplazo parcial o total del cemento portland. Parte de la generación de CO2 proviene de la des carbonatación del CaCO3 que representa alrededor de la materia prima el uso de fuentes de CaO diferentes puede aliviar dicha situación, por otro lado es posible utilizar cenizas y escorias como materias primas. Un material adhesivo alternativo se puede definir como aquel que tiene propiedades cementantes latentes, es decir que puede emplearse como sustituto parcial o total del cemento, sin provocar los daños que éste le causa al medio ambiente. Por otra parte existen procesos industriales que al momento de llevarse a cabo producen grandes cantidades de contaminantes ocasionándole daños significativos al medio ambiente debido a que la mayoría de estos contaminantes no se desechan adecuadamente, además de que en muchos casos estos elementos son reutilizables. Este es el caso de la escoria de horno de arco eléctrico, la cual se obtiene del proceso de producción del acero mediante el horno de arco eléctrico obteniéndose por cada tonelada de acero producida, aproximadamente hasta 150 kg de escoria.

GENERALIDADES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Para la elaboración del concreto se utilizan diferentes materiales, algunos obtenidos de procesos industriales más sofisticados que otros, y por lo tanto su obtención resulta costosa, de estos el cemento llega a ocupar hasta un 80% del costo total de un m3 de concreto hidráulico dependiendo del diseño mediante el cual se elabora. En la presente investigación se han utilizado dos materiales: ceniza de bagazo de caña de azúcar y escoria de soldadura de arco eléctrico como sustitutos parciales del cemento portland con el fin de reducir el costo del concreto hidráulico, así como de utilizar este tipo de materiales, los cuales son subproductos de procesos industriales que en muchas ocasiones son desechados y se convierten en contaminantes, afectando el medio ambiente, tanto el aire, los depósitos de agua, así como el suelo. Por lo anterior expuesto y para llevar cabo el desarrollo de esta investigación se plantearon las siguientes cuestiones: ¿Qué propiedades, tanto mecánicas como físicas se alteran al sustituir a las pastas de cemento un segundo y hasta un tercer elemento? ¿Cuál sería el porcentaje óptimo de ceniza y/o escoria que se le puede sustituir a una pasta de cemento portland en sustitución de éste? ¿El beneficio económico obtenido al utilizar pastas con sustituciones de cemento por escoria y ceniza justifica la utilización de estos materiales?

OBJETIVOS GENERAL  Evaluar las características tanto físicas como mecánicas elaboradas a base de cemento portland con sustituciones parciales de EHAE y CBCA.

PARTICULARES:  Determinar el comportamiento mecánico de las pastas de cemento con diferentes porcentajes de escoria y ceniza para determinar el contenido óptimo de estos materiales.  Demostrar el beneficio ecológico y económico obtenido del uso de pastas con sustituciones de escoria y ceniza por cemento.  Determinar el porcentaje óptimo de sustitución parcial de cemento portland por ceniza de bagazo de caña de azúcar y/o escoria de soldadura de arco eléctrico para las pastas de cemento. Así como definir que tanto se afectan las propiedades físicas y mecánicas de las pastas elaboradas con este tipo de materiales.

HIPÓTESIS Las propiedades físicas y mecánicas de una pasta con sustitución parcial de cemento por ceniza y escoria dependen del porcentaje que se sustituye de cemento por estos materiales. El ahorro económico obtenido al usar pastas elaboradas con materiales alternativos es mayor al costo de obtención-preparación de la ceniza de bagazo de caña de azúcar y la escoria de soldadura con aro eléctrico.

CAPITULO 1 MARCO TEÓRICO 1.1 LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Y SUS EFECTOS La industria de la construcción utiliza un sinfín de materiales los cuales en su mayoría provienen de procesos industriales que al momento de realizarse producen grandes cantidades de contaminantes. Los materiales más utilizados son los siguientes:

1.2 EL CEMENTO

1.2.1 Definición El cemento puede definirse como un material con propiedades tanto adhesivas como cohesivas, las cuales le dan la capacidad de aglutinar fragmentos minerales para formar un todo compacto, sin embargo esta definición comprende una gran variedad de materiales cementantes. Para efectos de construcción el término cemento se restringe a materiales aglutinantes utilizados con piedras, arena, ladrillos etc. Estos cementos tienen la propiedad de fraguar y endurecer al contacto con el agua, en virtud de que presentan una reacción química, por lo tanto se les denomina cementos hidráulicos. El cemento es un polvo fino que se obtiene de la calcinación a 1450° c de una mezcla de piedra caliza, arcilla y mineral de hierro. De este proceso se obtiene el Clinker que es el principal ingrediente. Que al molerse con yeso y otros aditivos dan como resultado el cemento.

1.2.2 Origen El empleo de materiales cementantes es muy antiguo. En el antiguo Egipto ya se utilizaba yeso calcinado para la construcción de las estructuras que aun en nuestros días nos maravillan, los romanos y griegos utilizaban caliza calcinada.

Un mortero de cal no endurece bajo la acción del agua, por tal motivo los romanos mezclaban cal con ceniza volcánica, la sílice activa y la alúmina que se encuentran en las cenizas se combinaban con la cal para producir lo que se conoce como cemento puzolanicos, proveniente del nombre del Pozzuoli, cerca del Vesubio, sitio en donde se encontró por primera vez ceniza volcánica. En 1756 John Smeanton descubrió que se obtenía un mejor mortero si mezclaba puzolana con caliza, la cual contenía una gran cantidad de arcilla. Derivado de esto se obtuvieron otros cementos hidráulicos, hasta culminar con la patente del cemento portland obtenida en 1824 por Joseph Aspdin. Este se obtenía calentando una mezcla de arcilla finamente triturada y caliza dura en un horno hasta eliminar el CO2 sin embargo la temperatura no era lo suficientemente alta como para lograr la formación del Clinker. El nombre de cemento portland concebido originalmente debido a la semejanza de color y calidad entre el cemento fraguado y la piedra de Portland- una caliza obtenida de la cantera de Dorset- se ha conservado hasta nuestros días para describir un cemento que se obtiene de la mezcla de materiales calcáreos y arcillosos u otros materiales que contienen sílice, alumina u oxidos de fierro, quemándolos a una temperatura de formación de Clinker y mezclando el Clinker resultante. Esta es la definición actual del British Estándar (BS 12: 1978), en la cual también se estipula que ningún otro material aparte del yeso y del agua se le puede adicionar después de la calcinación.

1.2.3 Fabricación del cemento portland 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 1400°C, donde el material se sintetiza y se funde parcialmente formando bolas conocidas como Clinker. Este se enfría y tritura hasta obtener un polvo fino, después se adiciona un poco de yeso, y así finalmente se obtiene el cemento portland el cual es usado en todo el mundo.

Los siguientes son los pasos que se siguen para la fabricación del cemento: La mezcla y trituración de las materias primas se puede llevar a cabo tanto en condiciones secas como húmedas. Dependiendo de la dureza de la materia prima y de su contenido de humedad. En el proceso húmedo, cuando se emplea marga se tritura finamente y se dispersa en agua en un molino de lavado, el cual es un pozo circular con brazos revolvedores radiales con rastrillos, los cuales rompen los aglomerado de materias sólidas. La arcilla también se tritura y se mezcla con agua, por lo regular en un molino semejante al anterior. En seguida las dos mezclas se bombean mezclándolas en proporciones determinadas y pasan a través de una serie de cribas. La lechada que resulta de este proceso fluye a estanques de almacenamiento. Si se emplea caliza, esta debe barrenarse y triturarse, generalmente en dos trituradoras, y luego depositarse en un molino de bolas, con la arcilla dispersa en agua, allí se continua el molido de la caliza hasta alcanzar el grado de finura de la harina, y la lechada resultante se bombea a estanques de almacenamiento. La lechada es un líquido de consistencia cremosa, con un contenido de agua entre el 35 y 50%. Finalmente esta lechada pasa a un horno rotatorio el cual es un cilindro de acero de 7.5 mts de diámetro y una longitud que a veces llega a alcanzar hasta los 230 mts. Y una temperatura entre los 1400 y 1500°C. Para obtener estas temperaturas se utiliza carbón, alrededor de unos 190 a 350 kg de este para fabricar una tonelada de cemento. Una vez que el cemento se ha mezclado satisfactoriamente, cuando alcanza a tener hasta 1.1x1012 partículas por kilogramo, está en condiciones para empacarse en los sacos de papel que conocemos o para su transporte a granel. En el proceso seco el grano crudo, el cual contiene aproximadamente un 0.2% de humedad, se hace pasar por un precalentador, generalmente de tipo suspensión. Aquí se calienta a cerca de 800°C antes de introducirlo al horno. El tamaño de este

horno en comparación con el que se utiliza en el proceso húmedo es mucho menor debido a que no debe eliminarse la humedad del grano. Este proceso es el más grande del mundo y es el que se utiliza actualmente con el fin de reducir el consumo energético. Tradicionalmente el proceso de incineración representa el 40 o 60% del costo total de la producción mientras que la extracción de las materias primas representa alrededor del 10% del costo total del cemento.

1.2.4 Composición química El cemento portland se compone principalmente por cal, sílice, alumina y oxidos de fierro. Los cuales interactúan en el horno para alcanzar un estado de equilibrio químico. Se suelen considerar cuatro componentes principales del cemento. En la Tabla 1.1. Se pueden apreciar la composición química del cemento.

Tabla 1.1. Composición química del cemento Nombre

composición

abreviatura

Silicato tricalcico

3CaO.SiO2

C3S

Silicato dicalcico

2Cao.SiO2

C2S

Aluminato tricalcico

3CaO.Al2O3

C3A

Aluminoferrito tetracalcico

4CaO.Al2O3.Fe2O3

C4AF

Además de los componentes principales citados anteriormente en la tabla existen algunos componentes menores como el MgO, TiO2, Mn2O3, K2O

y

Na2O, que

generalmente no sobrepasan de un pequeño porcentaje del peso del cemento. Una vez que el agua y el cemento se mezclan para formar la pasta cementante, se inicia una serie de reacciones químicas que en forma global se designan como hidratación del cemento. Estas reaaciones se manifiestan en la rigidizacion gradual de la mezcla, que culmina con su fraguado y continúa para dar lugar al endurecimiento y adquisición de la resistencia mecánica del producto.

1.2.5 Tipos de cemento y denominaciones Existen diferentes clases de cementos hidráulicos con diferentes composiciones y propiedades las cuales dependen de las materias primas que se utilizan en su elaboración. En la tabla 1.2 se pueden apreciar los diferentes tipos de cemento existentes en el mercado de acuerdo a la norma mexicana NMX-C-414-2004.

Tabla 1.2 tipos de cemento según la norma mexicana NMX-C-414-2004

1.2.5.1 Cementos con Clinker portland Todos los cementos que se producen en México son elaborados a base de Clinker portland. Equivalencia a la norma mexicana NMX- ONNCCE -C-414- 2004 Cementos portland simples (ASTM C 150) tipo

Características y usos

I

Para uso en elementos que no requieren especificaciones especiales

II

Para uso en donde se requiere moderada resistencia a los sulfatos y moderado calor de hidratación

III

Para usarse cuando se desea alta resistencia inicial

IV

Para usarse cuando se desea bajo calor de hidratación

V

Para usarse cuando se desea alta resistencia a los sulfatos

Tabla 1.3 tipos de cemento portland simples.

1.2.5.2 Cementos mezclados Se obtienen de combinar el Clinker y el yeso con otro cementante, ya sea este una escoria o una puzolana. Cementos mezclados (ASTM C 595) Tipo

Características y usos

IS

Cemento portland-escoria de alto horno. Uso general

IP

Cemento portland-puzolana. uso general

P

Cemento portland-puzolana. Uso en construcciones donde se requiere resistencia a edades tempranas

S

Cemento de escoria. Uso en combinación con cemento portland para concreto o cal hidratada para mortero.

I (PM)

Cemento portland modificado con puzolana. Para uso general

I (SM)

Cemento portland modificado con escoria. Para uso general

Tabla 1.4 tipos de cemento portland mezclados.

1.2.5.3 Cementos expansivos Los cementos expansivos se obtienen de añadir al Clinker otros componentes especiales de carácter sulfatado, cálcico y aluminoso. Cementos expansivos (ASTM C 845) tipo

Son de un solo tipo designado como E-1, y su aplicación consiste en la fabricación de concreto de contracción compensada.

clases

Existen tres clases

Clase K

Contiene aluminosulfato de calcio anhidro, sulfato de calcio y oxido

de calcio no combinado Clase M

Contiene cemento calcio aluminoso y sulfato de calcio

Clase S

Contiene aluminato tricalcico y sulfato de calcio

Tabla 1.5 tipos de cemento expansivos.

1.2.6 Otros cementos con Clinker portland 1.2.6.1 Cemento blanco Para este cemento el Clinker portland se produce seleccionando materias primas con muy pocas proporciones e incluso nulas de hierro y manganeso. En México se le fabrica normalmente conforme a la NOM-C de acuerdo a su composición química puede ser clasificado como portland tipo I o tipo II, se le destina principalmente a trabajos arquitectónicos y decorativos, en donde no se requiere grandes consumos de cemento, ya que su precio es relativamente alto.

1.2.6.2 Cemento para pozo petrolero Para este tipo de trabajos en los que las condiciones colocación, presión y temperatura son muy estrictas se utiliza un cemento que en el país se produce de acuerdo a la NOM C 315.

1.2.6.3 Cemento de mampostería El cemento de mampostería es el que se utiliza en la elaboración de morteros para aplanados, junteo de bloques, y otros trabajos similares, por cuyo motivo, también se les denomina cemento de albañilería. Este cemento se caracteriza por su plasticidad y su capacidad para retener el agua de mezclado, se elabora con materiales inertes como caliza y arcilla que pueden molerse conjuntamente o por separado con el Clinker. En México se produce un solo tipo de este cemento conforme a la norma NOM C 21.

1.2.7 Propiedades del cemento El cemento es el material de construcción más utilizado en el mundo, aporta propiedades útiles y deseables, tales como: resistencia a la compresión, durabilidad y estética, para una diversidad de aplicaciones de construcciones.

Los productos que se elaboran a base de cemento presentan ciertas propiedades, de entre las más conocidas son las siguientes:  Hidráulicas: la reacción de la hidratación entre el cemento y el agua es única. El material fragua y luego se endurece. La naturaleza hidráulica de la reacción permite que el cemento hidratado se endurezca aún bajo el agua.  Estéticas: antes de fraguar y endurecerse, el cemento hidratado presenta un comportamiento plástico. Por lo tanto, se puede vaciar en moldes de diferentes formas y figuras para generar arquitecturas estéticamente interesantes, las cuales serían difíciles de crear con otros materiales de construcción. 

Durabilidad: usado de manera correcta (por ejemplo, con buenas prácticas de diseño de mezclas de concreto) el cemento puede formar estructuras con una vida de servicio larga que soporte los cambios climáticos más extremos así como las agresiones de agentes químicos.



Acústicas: utilizándolos con un diseño adecuado y combinándolo con los materiales correctos se pueden producir estructuras que presentan un excelente aislamiento acústico como lo son los paneles utilizados en muchas de las construcciones actuales.

1.3 MATERIALES ALTERNATIVOS Existen diferentes tipos de materiales alternativos, pueden ser sintéticos o naturales, pero para clasificar de una manera más adecuada se debe involucrar su composición química y por ende el tipo de productos de hidratación que forman. Debido a esto se puede decir que existen materiales puzolanicos e hidráulicos, los cuales se pueden utilizar como remplazo parcial del cemento Portland.

1.3.1 Materiales cementantes Los materiales cementantes son sustancias que por sí solas tienen propiedades hidráulicas cementantes (fraguan y endurecen en presencia del agua). Los materiales cementantes incluyen a la escoria granulada de alto horno molida, al cemento natural, a la cal hidráulica hidratada, y a las combinaciones de estos y de otros materiales. La escoria granulada de alto horno molida fabricada a partir de la escoria de alto horno de hierro, es un producto no metálico que consiste principalmente de silicatos y aluminosilicatos de calcio y de otras bases que se desarrollan en la fundición simultáneamente con el hierro en los altos hornos. La escoria fundida a una temperatura de aproximadamente 1500°C, queda templada rápidamente al enfriarse por inmersión en agua y forma un material granular vítreo parecido a la arena. El material granular, el cual es molido a menos de 45 micras, tiene una finura Blaine de aproximadamente 400 a 600 m2/kg. Esta escoria molida áspera y angulosa al entrar en contacto con el agua y con un activador, NaOH o CaOH, ambos facilitados por el cemento portland, se hidrata y fragua de manera similar al cemento portland. La escoria enfriada al aire no tiene las propiedades hidráulicas que tiene la escoria enfriada por agua. La especificación ASTM C 989 clasifica a la escoria según su reactividad con los grados 80, 100 ó 120. El cemento natural se forma al calcinar calizas arcillosas justo debajo del punto de fusión; luego se muele el material hasta obtener un polvo muy fino.

La cal hidráulica hidratada, ASTM C 141, se obtiene calcinando calizas que contengan sílice y alúmina hasta un punto en el cual se encuentre presente suficiente óxido de calcio libre y silicatos de calcio sin hidratar para lograr las propiedades de hidratación e hidráulicas del material.

1.3.2 Materiales puzolanicos Las puzolanas son materiales naturales o artificiales que contienen sílice en una forma reactiva, o tal y como lo define la norma ASTM C 618-78, es un material silíceo o silicoaluminoso el cual tiene poco o nulo valor cementante, pero en forma muy dividida y en presencia de humedad, reaccionara químicamente con hidróxido de calcio a temperaturas normales para formar un compuesto con propiedades cementantes.

Los materiales puzolanicos son llamados así por la interacción química con los productos de hidratación del cemento, principalmente [Ca(OH) 2]; la reacción que describe tal proceso es llamada “reacción puzolanica” la cual se representa de la siguiente manera: X S de la puzolana + y CH del cemento +z H

C y· S x ·H (y+x)

Los materiales puzolanicos que encontramos frecuentemente son: ceniza volcánicala puzolana original- pumicita, esquistos de opalina, tierras diatomáceas calcinadas, arcilla quemada, etc. Al hablar de puzolanas es conveniente notar que la sílice debe ser amorfa, porque la sílice cristalina tiene reactividad muy baja.

1.3.2.1Puzolanas naturales Rocas volcánicas, en las que el constituyente amorfo es vidrio producido por enfriamiento brusco de la lava. Por ejemplo las cenizas volcánicas, las tobas, la escoria y obsidiana.

Rocas o suelos en las que el constituyente silíceo contiene ópalo, ya sea por la precipitación de la sílice de una solución o de los residuos de organismos de lo cual son ejemplos las tierras de diatomeas, o las arcillas calcinadas por vía natural a partir de calor o de un flujo de lava.

1.3.2.2 Puzolanas artificiales Cenizas volantes: las cenizas que se producen en la combustión de carbón mineral (lignito), fundamentalmente en las plantas térmicas de generación de electricidad. Arcillas activadas o calcinadas artificialmente: por ejemplo residuos de la quema de ladrillos de arcilla y otros tipos de arcilla que hayan estado sometidas a temperaturas superiores a los 800 °C. Escorias de fundición: principalmente de la fundición de aleaciones ferrosas en altos hornos. Estas escorias deben ser violentamente enfriadas para lograr que adquieran una estructura amorfa. Cenizas de residuos agrícolas: la ceniza de cascarilla de arroz, ceniza del bagazo y la paja de la caña de azúcar. Cuando son quemados convenientemente, se obtiene un residuo mineral rico en sílice y alúmina, cuya estructura depende de la temperatura de combustión.

1.3.2.3 Ceniza de bagazo de caña de azúcar De lo anterior, no es de extrañarse que desde la antigüedad se hayan utilizado la combinación de dos o más materiales, para crear compuestos que mejoren sus propiedades mecánicas, físicas y químicas, hasta alcanzar un comportamiento óptimo que no se podría alcanzar con los materiales por separado.

Las tendencias por encontrar nuevos materiales alternativos en la construcción han mostrado un amplio panorama de posibilidades, lo cual permite a los investigadores buscar opciones que reduzcan costos y que a su vez se mejoren sus propiedades, tanto físicas como mecánicas. Un ejemplo de estos materiales son los morteros o mezclas los cuales han sido tratados con varios aditivos que han servido para enriquecer sus propiedades, por lo regular estos aditivos siempre han sido productos químicos de alto costo. Dentro de los nuevos materiales que pueden contribuir en el aumento de la resistencia en los morteros; J. B. Hernández Zaragoza (s, f.) ha estudiado el uso del mucílago del nopal para la elaboración de morteros; otro ejemplo del uso de materiales compuestos, son los cementos elaborados con cascarilla de arroz incinerada, en donde con el solo hecho de mezclarla con cal o cemento portland, da como resultado un cemento de buenas condiciones.

1.3.2.4 Materiales hidráulicos De estos materiales la más comúnmente empleada es la escoria granular de alto horno; sin embargo, es posible emplear escorias de otros procesos como los de acereracion, producción de fósforo, cobre, zinc y plomo. Dichos materiales se pueden considerar de origen sintético ya que se obtienen de diferentes procesos industriales. En términos generales requieren de molienda antes de poder emplearse como remplazo del cemento Portland.

1.3.2.5 Disponibilidad de los materiales Se estima que la producción nacional de escoria es de aproximadamente 1.4x10 6 toneladas anuales entre las dos principales acereras nacionales, lo cual equivale a la producción anual de una planta cementera

Existen otras fuentes de desechos, por ejemplo el yeso, que proviene de la industria de la cerámica tradicional o como subproducto de la fabricación de ácido fluorhídrico. Otros materiales de desecho que pueden ser empleados son las escorias de otras industrias metalúrgicas, así como lodos de drenaje, entre otro sin fin de desechos, sin embargo para llevar a cabo el aprovechamiento de estos elementos se requiere de un estudio a fondo.

1.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS El cemento Portland puede remplazarse por diversos materiales. En los cuales se busca mejorar las propiedades tanto de resistencia como de durabilidad, por ejemplo, con la sílice condensada y la escoria se inducen propiedades de alta resistencia mecánica. Otro ejemplo es el de la escoria de alto horno activada, en este caso no se usa cemento portland, y para llevar a cabo la hidratación se utilizan agentes alcalinos como hidróxido de sodio, silicato de sodio entre otros, las propiedades mecánicas obtenidas dependen del tipo de agente, por lo general las mejores se obtienen con el silicato de sodio y las más pobres con el hidróxido de sodio. Como usuarios de materiales para construcción, las propiedades que más nos interesan son la resistencia y la durabilidad. Al emplearse materiales alternativos en la elaboración de pastas se pueden obtener las siguientes ventajas.  Propiedades mecánicas similares y en muchos casos superiores.  Durabilidad mejorada en ambientes químicos agresivos.  Ahorro de energía y menor contaminación por requerir de una menor cantidad de cemento.  Reducción de la acumulación de desechos.  se obtiene un ahorro económico al reducirse la cantidad de cemento portland empleado.

 La mayoría de los materiales alternativos son subproductos de procesos industriales, a los cuales no se les da uso alguno, lo que conlleva a su desecho. Las desventajas son pocas en comparación con los beneficios obtenidos. Entre las más frecuentes esta la baja resistencia inicial al utilizar escorias de alto horno, de la cual las ventajas se obtienen a largo plazo, las escorias activadas presentan fluidez y tiempos de fraguado menores lo que puede representar problemas para concretos premezclados y su colado.

1.5 ESCORIA La escoria se puede definir como una fase que contiene sustancias inútiles de un mineral y que inevitablemente estará presente en cualquier operación que involucre sistemas de fundición. Se pueden considerar como una mezcla de óxidos metálicos. Aunque la escoria suele utilizarse como un mecanismo de eliminación de impurezas, también puede ayudar a otros propósitos como a controlar la temperatura y minimizar la reoxidacion del metal liquido antes de pasar al molde. El uso de cemento con escorias adicionadas proporciona un concreto con una mayor trabajabilidad esto en estado fresco y en estado endurecido se mejora las propiedades mecánicas y químicas, su resistencia a la compresión, principalmente. El uso de la escoria como material alternativo debe considerarse desde tres puntos de vista importantes: aspecto tecnológico, se mejora las propiedades del cemento y del concreto; ambiental, se genera una menor contaminación al reutilizar materiales de desecho; económico se ahorra combustible y se aumenta la capacidad de producción de cemento.

La escoria se genera en el proceso de producción del acero, básicamente existen tres procesos de fabricación: el Siemens-Martin, el convertidor al oxígeno y el horno de arco eléctrico. Un horno de arco eléctrico es cilíndrico y está cubierto de material refractario, dispone de una bóveda mediante la cual se alimentan las diferentes materias primas con la ayuda de una cesta, una compuerta utilizada durante la fusión y para desescoriar y una piquera situada en el fondo o a un costado del horno que se utiliza para colar el acero. La materia prima principal es la chatarra, junto con algunas pequeñas cantidades de mineral de hierro. Las etapas básicas de producción de acero por el método de horno de arco eléctrico son la fusión de las chatarras por medio de una corriente eléctrica y el afino posterior del baño fundido. La escoria que resulta de este proceso se conoce como escoria oxidante y es de color obscuro, aspecto poroso, morfología irregular, cubica y de fractura puntiaguda. En general se calcula que aproximadamente por cada tonelada de acero se generan entre 110 y 150 kg de escoria.

Figura 1.1 Horno de arco eléctrico.

Figura 1.2 proceso de obtención de la escoria de arco eléctrico.

1.5.1 Caracterización básica de la escoria 1.5.1.1 Características físicas En general se pueden citar las siguientes características físicas y mecánicas como las principales propiedades a ser evaluadas:

 Densidad.  Forma.  Resistencia a la fragmentación.  Absorción.  Resistencia a los ciclos de hielo-deshielo.  Estabilidad volumétrica.  Resistencia a la abrasión. De manera general la escoria presenta elevada masa específica, forma angular, textura superficial áspera, gran dureza y absorción de agua media, presenta buena resistencia a la abrasión, fragmentación y compresión.

1.5.1.2 Caracterización química de la escoria A pesar de las diferencias que existen entre las escorias de distintos hornos de arco eléctrico, la mayoría coincide en lo que se refiere a la composición química, la principal diferencia se presenta por el uso de la dolomita por la cal, lo cual produce un aumento en el valor de MgO en la escoria. En la tabla…. Se pueden observar las diferentes composiciones químicas que existen entre las escorias producidas en los hornos de los países mencionados.

Tabla 1.6 composición química de las escorias de horno de arco eléctrico

La composición mostrada en la tabla anterior varía dependiendo del tipo de acero que se esté fabricando.

1.6 PASTAS Y MORTEROS

Una pasta es una mezcla de agua más un aglomerante. Y se dice que es de consistencia normal cuando la cantidad de agua de amasado es igual a la cantidad de huecos del aglomerante suelto.

Los morteros son mezclas plásticas que se obtienen con un aglomerante, arena y agua. Y se utilizan para unir bloques y ladrillos, los cuales forman los muros de las obras civiles, o para revestirlos mediante revocos. Existen morteros de cemento, morteros de cal y morteros de yeso. Cemento

Agua

Pasta

Aditivo

Agregado fino

Agregado grueso

Mortero

Figura 1.3 pastas, morteros y concretos.

Concreto

Los morteros se pueden clasificar en hidráulicos y aéreos. Los morteros hidráulicos están constituidos por arena y un aglomerante, cal o cemento, y la principal y entre sus características se encuentra la alta resistencia mecánica y rápido endurecimiento además de que es capaz de fraguar bajo el agua su desventaja es que posee poca flexibilidad y se puede romper con facilidad. Los más comunes son los morteros de cemento-arena y yeso-arena. El mortero aéreo son los morteros aéreos todos aquellos aglomerantes que fraguan con el aire. Para este tipo de morteros se emplea oxido de calcio o más conocido como cal viva, obteniéndose de la calcinación de la cal viva a 1100° C. La acción del calor produce la descomposición del carbonato de calcio: CaCO3 + calor CaO + CO2 El CaO reacciona exotérmicamente con agua para formar hidróxido de calcio, proceso llamado apagado de la cal: CaO + H2O Ca(OH)2 + H2 El hidróxido de calcio, se lo amasa y se le da la forma deseada, para después absorber dióxido de carbono y convertirse en nuevamente en caliza, manteniendo la forma dada. Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O Este proceso se llama fraguado. Para que el fraguado sea rápido y mejor, se hace una mezcla de una parte de cal por tres de arena, haciendo la arena más permeable al aire al hidróxido de calcio. Los más comunes son los morteros de arena-cal y arena-barro.

CAPITULO II METODOLOGÍA EXPERIMENTAL La siguiente investigación se llevó a cabo en la facultad de ingeniería civil campus Xalapa de la universidad veracruzana y su realización fue posible gracias al apoyo de las dependencias abajo mencionadas. 

Laboratorio de materiales, mecánica de suelos y pavimentos de la facultad de ingeniería civil campus Xalapa, universidad Veracruzana.



Geotest. Geotecnia y supervisión técnica, S.A. de C.V.

2.1 LA CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR

2.1.1 OBTENCIÓN DE LA CENIZA El material estudiado se obtuvo de un muestreo realizado en el ingenio azucarero de Mahuixtlan, se eligió este ingenio por ser considerado el más cercano a la Facultad de Ingeniería Civil, campus Xalapa de la Universidad Veracruzana. El ingenio de Mahuixtlan se encuentra ubicado a 16 km. de la ciudad de Xalapa, por la carretera Xalapa – Coatepec, vía las trancas.

El abastecimiento de la caña al ingenio Mahuixtlan es proporcionado por ejidatarios y pequeños propietarios en un 95 por ciento y un cinco por ciento respectivamente. Con corte manual en un 100 por ciento, se tiene conocimiento que el 46 por ciento de la superficie se riega por sistema rodado (gravedad) y en el resto de la superficie el riego es de temporal. La superficie para abastecer es de 3,180 hectáreas, las cuales se encuentran entre 600 m.s.n.m y hasta 1,100 m.s.n.m, Predominan las tierras arcillo-arenosas, franco-arenosas y las arcillas. Las cenizas que se estudiaron en esta investigación, fueron muestreadas de la caldera bagacera número dos. La cual es una caldera Babcock Wilcox que está diseñada para alimentarla con combustóleo y/o bagazo. Actualmente solo opera

mediante bagazo. Su capacidad nominal es de 3,248 caballos caldera. El horno es del tipo Ward, al cual se le suministra aire caliente lateralmente y por abajo mediante una placa con rejillas. Previo al muestreo de las cenizas, se hizo una visita al área de limpieza que son los ceniceros y las tolvas y ciclones para observar las operaciones de limpieza de las calderas y así mismo establecer una estrategia de muestreo Para la presente investigación no se profundiza en las características y especificaciones de la ceniza de bagazo de caña de azúcar debido a que se utilizó el material existente de la investigación realizada por el M.C. Héctor Eduardo Hernández Martínez.

3.1.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA

La caracterización química de la ceniza del bagazo de la caña de azúcar fue realizada por el Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional, Unidad Saltillo, Coahuila; por medio de un análisis de Fluorescencia de Rayos X. El Espectrómetro de Fluorescencia de Rayos X, realiza un análisis cuantitativo: y hace la determinación de elementos mayoritarios en perla, expresados como óxidos: %SiO2, %Al2O3, %CaO, %MgO, %Fe2O3, %P2O5, %Cr2O3, %Na2O, %K2O, %TiO2, %SO3, así como la pérdida por calcinación. La técnica de Fluorescencia de Rayos X consiste en la excitación de una muestra por una fuente de rayos X. Esta fuente excita los electrones de los elementos que constituyen la muestra de tal manera que algunos de ellos abandonan sus niveles orbitales originales. Posteriormente, otros electrones ocuparán los lugares dejados por aquellos, emitiéndose un fotón con una energía característica para cada elemento. La concentración de cada elemento se detecta midiendo la intensidad de la energía asociada a cada transición electrónica.

3.1.2 DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA DE LAS CENIZAS

La separación de materiales sólidos por su tamaño es importante para la producción de diferentes productos (ej. arenas sílices). Además de lo anterior, se utiliza para el análisis granulométrico de los productos de los molinos para observar la eficiencia de éstos y para control de molienda de diversos productos o materias primas (cemento, caliza, arcilla, etc.). El tamiz consiste de una superficie con perforaciones uniformes por donde pasará parte del material y el resto será retenido por él. Para llevar a cabo el tamizado es requisito que exista vibración para permitir que el material más fino traspase el tamiz. El tamaño de partícula es especificado por la medida reportada en malla por la que pasa o bien por la que queda retenida. De esta manera se puede tener el perfil de distribución de los gránulos en el tamizador de manera gráfica, que generalmente es la más usada.

2.2 LA ESCORIA DE HORNO DE ARCO ELÉCTRICO

2.2.1 MOLIENDA DE LA ESCORIA El termino molienda se refiere a la pulverización y a la desintegración del material sólido, específicamente se refiere a la reducción del tamaño de partículas blandas débilmente ligadas entre sí, lo cual implica que no se produce ningún cambio en el tamaño de las partículas fundamentales de la mezcla. La molienda es una operación unitaria que reduce el volumen promedio de las partículas de una muestra sólida en la que mediante métodos mecánicos se va reduciendo o dividiendo la muestra hasta obtener el tamaño deseado.

Una vez reunida la cantidad suficiente de escoria se procedió a molerla en la máquina de los ángeles a 8000 revoluciones con el fin de que se obtuviera material de tamaño adecuado para la elaboración de las pastas.

Después de moler el material se le realizo un ensaye de granulometría, de la cual se obtuvieron los siguientes resultados:

100.000 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000

despues del desgaste d

40.000

a 8000 angeles revoluciones

30.000 20.000

10.000 0.000

Tamices

Como se puede observar en la gráfica mostrada del total de escoria que se obtuvo solo el 10% pasa la malla no. 100, este es el material que se utilizó para la elaboración de las pastas. El material restante aunque no se utilizó en esta investigación no se desechó debido a que por las propiedades y características ya mencionadas puede ser empleado en la elaboración de concreto como sustituto de uno de los agregados.

Dicho material se almaceno en recipientes perfectamente sellados para evitar que se humedeciera y se alteraran sus características tanto físicas como mecánicas.

2.3 ELABORACIÓN DE LOS ESPECÍMENES

2.3.1 CEMENTO UTILIZADO El cemento que se utilizó para esta investigación fue el cemento portland compuesto CPC 30 R marca Holcim Apasco por ser una de las marcas más comerciales. El cual es recomendable para uso en cualquier tipo de obra y elementos tales como:  Pisos.  Losas.  Columnas.  Trabes. Este cemento cumple ampliamente con los requisitos de calidad estipulados por la norma mexicana NMX-C-414-ONNCCE. Según los estudios realizados por el fabricante este producto presenta la siguiente resistencia.

2.4 DETERMINACIÓN DE LAS PROPORCIONES PARA LA ELABORACIÓN DE LOS ESPECÍMENES Para llevar a cabo la elaboración de los especímenes con ceniza de bagazo de caña de azúcar y escoria de arco eléctrico se seleccionaron diferentes porcentajes, para después poder determinar cuál es el porcentaje óptimo de sustitución, así como evaluar las propiedades de los especímenes y la variación que presentan con cada porcentaje de los materiales sustitutos que se emplearon. Para la presente investigación

se elaboraron mezclas binarias, compuestas de

cemento y EHAE en porcentajes desde 5% hasta 15%.

También se utilizaron

mezclas binarias a base de cemento y CBCA. Dichas combinaciones se pueden observar en la siguiente tabla.

Tabla 2.1 denominación especímenes de mezclas binarias a base de CP-EHAE

Tabla 2.2 denominación de los especímenes elaborados con mezclas binarias a base de CPCBCA.

Por otra parte se elaboraron mezclas ternarias a base de CP-EHAE-CBCA, con el fin de evaluar las propiedades que se obtienen al trabajar conjuntamente con ambos materiales.

Tabla 2.3 denominación de los especímenes de mezclas ternarias a base de CP-EHAECBCA

Una mezcla binaria es aquella que se compone de dos elementos, las mezclas ternarias se componen de tres elementos los cuales participan en diferentes proporciones para formar un todo.

2.5 DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA NORMAL La relación de agua cemento que se utilizó para la elaboración de todos los especímenes fue de 0.485 de acuerdo a como lo establece la norma mexicana NMXC-061-ONNCCE-2001, que determina la resistencia a la compresión de cementantes hidráulicos Antes de determinar los tiempos de fraguado de las pastas, se realizaron mezclas para determinar la consistencia normal de la pasta. Se considera que la pasta tiene una consistencia normal cuando la barra con el extremo libre (sin la aguja), baje 10 mm. ± 1 mm. A partir de la superficie original en un intervalo de 30 segundos contados desde el instante en que se soltó dicha barra. Al respecto se indica que se deben hacer varias pruebas con distinto porcentajes de agua hasta que se obtenga la consistencia normal. Una vez que se determinó la consistencia normal se procedió a realizar la elaboración de los especímenes. Esta se llevó a cabo de acuerdo al procedimiento indicado en la norma NMX-C-085-1982.

2.5.1 Aparatos e instrumentos 2.5.1.1 Mezcladora Es una maquina impulsada eléctricamente que imparte un movimiento orbital y de rotación a una paleta colocada en posición vertical dentro de la olla.

Figura 2.1 mezcladora de pastas y morteros.

Debe contar con un mínimo de dos velocidades distintas, una baja que debe rotar a 140 rpm ± 5rpm aproximadamente, y la alta a 285 rpm ± 10 rpm aproximadamente .

2.5.1.2 Paleta Debe ser de acero inoxidable y fácilmente desmontable de la flecha motriz de la mezcladora la cual debe estar constituida y con las medidas que se indican en la figura.

Figura 2.2 paleta de la mezcladora de pastas y morteros

2.5.1.3 Olla de mezclado Debe ser desmontable de la mezcladora y tener una capacidad de 4.73 lts. Fabricada de acero inoxidable de acuerdo a las dimensiones mostradas en el esquema siguiente.

Figura 2.3 olla de mezclado

2.5.1.4 Espátula Debe ser de hule semiduro provista de un mango de 200 mm de longitud. La espátula en si debe tener unos 100 mm de largo por unos 50 mm de ancho .

2.5.2 Procedimiento para el mezclado de pastas. Se coloca la olla y la paleta perfectamente limpias y secas en la mezcladora, en posición de mezclado, se vierten los materiales necesarios para la cantidad estipulada de mezcla en la olla y se mezclan ejecutando la operación en la siguiente forma:

 Se vierte el agua.  Se agrega el cemento ya mezclado con el % de escoria correspondiente, se deja reposar por 30 segundos con el fin de que se absorba el agua  Se pone en marcha la mezcladora a velocidad baja durante 30 segundos (140 rpm ± 5rpm).  Se detiene la mezcladora y con la espátula se desprende rápidamente hacia abajo toda la pasta Que se haya adherido a las paredes de la olla. Dicha operación no debe tomar más de 15 segundos  Se vuelve a poner en marcha la mezcladora a velocidad alta (285 rpm ± 10 rpm) y se mezcla la pasta durante 1 minuto.

Figura 2.4 elaboración de las pastas de cemento

2.6 TIEMPO DE FRAGUADO

2.6.1 DEFINICIÓN El fraguado es el término utilizado para describir la rigidez de la pasta del cemento, aun cuando la definición de rigidez de la pasta puede considerarse un poco arbitraria. En términos generales el fraguado se refiere a un cambio del estado fluido al rígido. Aunque durante el fraguado la pasta adquiere cierta resistencia, para efectos prácticos es conveniente distinguir el fraguado del endurecimiento, pues este último término se refiere al incremento de resistencia de una pasta de cemento fraguada. En la práctica se usan los términos fraguado inicial y fraguado final para describir etapas de fraguado elegidas arbitrariamente, el método para determinar estos tiempos de fraguado se conoce como tiempo de fraguado. El proceso de fraguado va acompañado de cambios de temperatura en la pasta, el fraguado inicial corresponde a un rápido aumento de temperatura y el final al máximo de temperatura. En este momento también se produce una fuerte caída en la conductividad eléctrica, por lo que se han realizado algunos intentos de medir el fraguado por medios eléctricos.

2.6.2 FRAGUADO FALSO Se da el nombre de fraguado falso a una rigidez prematura y anormal del cemento, que se presenta dentro de los primeros minutos de haberse mezclado con el agua, este fenómeno se puede distinguir porque en el no se despide calor de manera apreciable, y si se vuelve a mezclar la pasta de cemento sin añadirle agua, se restablece su plasticidad y fragua normalmente sin pérdida de resistencia.

2.6.3 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE FRAGUADO. Para llevar

a cabo la determinación del tiempo de fraguado se siguió el

procedimiento establecido en la norma mexicana

NMX-C-059-ONNCCE-2006.

Determinación del tiempo de fraguado de cementantes hidráulicos.

2.6.3.1 APARATOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS Una vez que se elaboró la pasta se continuó con la determinación del tiempo de fraguado para ello se utilizaron los siguientes materiales e instrumentos:  Balanza.  Pesas.  Probetas.  Aparato de Vicat.  Moldes. Los cuales son unos anillos cónicos de una altura de 40 mm + 1mm y una base de plato removible.  Cuchara plana.

2.6.3.2 PROCEDIMIENTO Una vez que se elaboró la pasta y se colocó en la probeta, se colocó inmediatamente en el gabinete húmedo y permaneció ahí por 30 min. Posteriormente se determinó la penetración de la aguja del aparato de Vicat de 1 mm de diámetro, después se repitió este ensaye cada 15 minutos. Con los resultados obtenidos en cada uno de las penetraciones se determinó el tiempo de fraguado inicial. Este se obtiene hasta que se presente una penetración de 25 mm o menor. Por lo general se obtiene por interpolación.

Figuras 2.5 y 2.6 determinación del tiempo de fraguado

Este procedimiento se repitió tres veces para obtener una pasta con el 5%, 10% y 15% respectivamente de escoria. Así como otros tres ensayes para las mezclas con los mismos porcentajes de ceniza, y otras para las mezclas en las cuales se utilizó 2.5% de escoria y 2.5% de ceniza.

2.7 DETERMINACIÓN DE LA FLUIDEZ. La fluidez de un mortero o una pasta se relaciona directamente con la trabajabilidad que dicha mezcla posee la cual tiene que ver con la facilidad con que el albañil puede manejar la mezcla sin que se produzcan problemas de segregación, el tiempo en el que la mezcla se puede trabajar sin que se fragüe o se seque, la facilidad de colocación y la capacidad que posee la mezcla para retener el agua en contacto con superficies absorbentes como los tabiques u otro elementos constructivos. La fluidez de una pasta o mortero se determina mediante la mesa de fluidez de acuerdo al procedimiento indicado en la norma NMX-C-144-ONNCCE-2002

Para realizar este ensaye se utilizó el siguiente equipo:  Marco.  Mesa de fluidez.- plato metálico circular

con una flecha perpendicular

atornillada al centro que sirve para expandir un cono de mortero mediante un numero de caídas dadas sobre el marco.  Pedestal  Molde troncocónico  Vernier  apisonador

2.7.1 LLENADO DEL MOLDE Una vez que se ha preparado la pasta se procede a llenar el molde troncocónico de la siguiente manera: Se lubrica completamente para evitar que se adhiera la pasta a las paredes del molde Y se coloca en el pedestal el cual debe estar completamente limpio. Se coloca la pasta en una capa de 25 mm aproximadamente y se apisona con 20 golpes del apisonador, uniformemente distribuidos, con una segunda capa de pasta se llena completamente el molde y se apisona de la misma manera que la primera, se retira el exceso de pasta de la capa superior y se alisa la superficie con ayuda de la espátula.

Figuras 2.7, 2.8 llenado del molde con una primera capa

Figuras 2.9 y 2.10: llenado del molde y compactación de la pasta.

2.7.2 ENSAYO Después de que se ha llenado el molde y transcurrido 1 minuto, este se retira levantándolo de manera vertical, e inmediatamente después se deja caer la mesa de flujo desde una altura de 12.7 mm 25 veces en 15 segundos.

Figuras 2.11.-aspecto del molde completamente lleno, 2.12.- retiro del molde, 2.13.-aspecto de las pasta una vez que se le han aplicado las 25 caídas.

Terminada la operación anterior se procede a medir el diámetro de la muestra por lo menos en cuatro puntos equidistantes para determinar un diámetro por promedio, y proceder al cálculo de acuerdo a la siguiente formula:

% DE FLUIDEZ=

DIÁMETRO PROMEDIO-101.6mm 101.6mm

X 100

2.8 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

2.8.1 ELABORACIÓN DE LOS ESPECÍMENES Una vez realizadas las pruebas anteriores la pasta se colocó en los moldes que previamente fueron lubricados con aceite requemado para facilitar el desmolde de los especímenes. Los cuales se dejaron durante 24 horas en el gabinete húmedo y posteriormente fueron colocados en un tanque de curado para permanecer ahí durante 28 días y posteriormente ensayarlos en la máquina de compresión para determinar su resistencia.

Figura 2.14 y 2.15 colocación de las pastas en cada uno de los moldes

Una vez cumplida la edad de prueba, los especímenes fueron retirados del tanque de curado para su ensayo inmediato. Debido a que en las instalaciones de la facultad de ingeniería civil no se contaba con el equipo adecuado para realizar la prueba, los especímenes fueron transportados a las instalaciones de GEOTEST. Para llevar a cabo esta operación y evitar que los especímenes perdieran hidratación ya que se retiraron al mismo tiempo varios de estos, y en virtud de hasta el momento de la prueba los especímenes deben permanecer en un recipiente con agua cubiertos completamente, en el cual la temperatura debe ser de 23°C + 2°C. Por tal motivo los recipientes se transportaron en un recipiente hasta las instalaciones del laboratorio antes mencionado.

Ya en las instalaciones del laboratorio, personal de este sitio de trabajo brindo el apoyo necesario para llevar a cabo las pruebas necesarias tomando en cuenta las siguientes recomendaciones. Figura 2.16 especímenes en el tanque de curado

Para obtener resultados confiables de las pruebas realizadas es necesario que las caras de los especímenes que se ensayen sean superficies planas, y se encuentren completamente limpios. Cada espécimen fue secado cuidadosamente se le retiro cualquier tipo de irregularidad como los granos de arena que se le adhirieron durante el proceso de curado. La cara sobre la cual se le aplico la carga fue aquella que tuvo contacto con la pared del molde esto con el fin de asegurar que la cara se encontrara completamente plana.

Para el cálculo de la resistencia a la compresión se tomó como superficie de contacto 25cm2.

3 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 FLUIDEZ Con los ensayes que se le realizaron a las pastas tanto de mezclas binarias de CPEHAE las de CP-CBCA, así como de las mezclas ternarias a base de CP-EHAECBCA se obtuvieron los resultados mostrados en las gráficas y tablas siguientes. Tabla 3.1 CON 5% ESCORIA

DIÁMETRO mm

d1=

194

d2= d3=

191 198

d4= PROMEDIO

189 193

En las tablas 3.1, 3.2 y 3.3 se observan los diferentes diámetros que se obtuvieron al momento de ensayar las

Tabla 3.2

pastas a base de CP-EHAE

CON 10% ESCORIA

DIÁMETRO mm

d1=

198

d2=

200

de cada una se determinó el

d3=

197

promedio

d4=

199

resultados que se presenten

PROMEDIO

198.5

con

5%,10%

CON 15% ESCORIA

DIÁMETRO mm

d1=

216

d2=

210

d3=

215

d4= PROMEDIO

218 214.75

15%

respectivamente, de la cual

tengan

para que los

una

confiabilidad.

Tabla 3.3

y

mayor

Tabla 3.4 DIÁMETRO mm CON 5% CENIZA d1=

159

d2=

154

d3=

153

d4=

156

PROMEDIO

155.5

En las tablas 3.4, 3.5 y 3.6 se observan los diferentes diámetros que se obtuvieron al momento de ensayar las pastas a base de CPCBCA

Tabla 3.5

con

5%,10%

y

15%

respectivamente, de la cual de

CON 10% CENIZA

DIÁMETRO mm

d1=

156

promedio para que los resultados

d2=

160

que se presenten tengan una

d3=

161

mayor confiabilidad.

d4=

159

Como se puede observar los

PROMEDIO

159

diámetros que se obtuvieron son

cada

una

se

determinó

el

relativamente menores que los que se obtuvieron con las pastas

Tabla 3.6 CON 15% CENIZA

DIÁMETRO mm

d1=

175

d2=

182

d3=

174

d4=

169

PROMEDIO

175

de CP-EHAE.

Tabla 3.7 CON ESCORIA Y CENIZA AL 2.5 % RESPECTIVAMENTE

DIÁMETRO mm

d1=

155

d2=

154

d3=

151

d4=

155

PROMEDIO

153.75

En las tablas 3.7, 3.8 y 3.9 se observan los diferentes diámetros

Tabla 3.8 CON ESCORIA Y CENIZA AL 5% RESPECTIVAMENTE

DIÁMETRO mm

EHAE-CBCA con 5%,10% y 15%

d1=

159

respectivamente, de la cual de

d2=

160

cada

d3=

158

promedio para que los resultados

d4=

158

que se presenten tengan una

PROMEDIO

158.75

que se obtuvieron al momento de ensayar las pastas a base de CP-

una

se

determinó

el

mayor confiabilidad. Al igual que en las dos series de

Tabla 3.9 CON ESCORIA Y CENIZA AL 7.5% RESPECTIVAMENTE

DIÁMETRO mm

d1=

178

d2=

180

d3=

184

d4=

180

PROMEDIO

180.5

tablas mostradas anteriormente se puede observar que los valores de los diámetros siguen siendo más bajos.

Con los resultados anteriores se pudo elaborar unas graficas en las cuales se puede observar con mayor facilidad la variación que presentan, en cuanto a la fluidez se refiere, las pastas con los diferentes porcentajes de escoria de horno de arco eléctrico y ceniza de bagazo de caña de azúcar.

Resultados obtenidos de los especímenes elaborados con cemento y escoria en los porcentajes mencionados

Resultados obtenidos de los especímenes elaborados con cemento y ceniza en los porcentajes mencionados

Resultados obtenidos de los especímenes elaborados con cemento, escoria y ceniza en los porcentajes mencionados

3.2 TIEMPO DE FRAGUADO Para el caso del tiempo de fraguado, se obtuvieron los siguientes resultados:

TIEMPO DE FRAGUADO MIN.

% DE EHAE

% DE CBCA

69

5.00

0.00

78

10.00

0.00

85

15.00

0.00

Tiempo en minutos

% DE ESCORIA

TIEMPO DE FRAGUADO MIN.

% DE EHAE

% DE CBCA

73

0.00

5.00

79.5

0.00

10.00

88

0.00

15.00

Tiempo en minutos

% DE CENIZA

TIEMPO DE FRAGUADO MIN.

% DE EHAE

% DE CBCA

68

2.50

2.50

72

5.00

5.00

78

7.50

7.50

Tiempo en minutos

% DE CENIZA % DE ESCORIA

3.3 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN AXIAL

nombre de espécimen

cantidad de escoria %

SERIE-1 SERIE-1 SERIE-1 SERIE-1 SERIE-2 SERIE-2 SERIE-2 SERIE-2 SERIE-3 SERIE-3 SERIE-3 SERIE-3 SERIE-4 SERIE-4 SERIE-4 SERIE-4 SERIE-5 SERIE-5 SERIE-5 SERIE-5 SERIE-6 SERIE-6 SERIE-6 SERIE-6 SERIE-7 SERIE-7 SERIE-7 SERIE-7 SERIE-8 SERIE-8 SERIE-8 SERIE-8 SERIE-9 SERIE-9 SERIE-9 SERIE-9

cantidad de ceniza carga q resistió %

5% 5% 5% 5% 10% 10% 10% 10% 15% 15% 15% 15% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 2.50% 2.50% 2.50% 2.50% 5% 5% 5% 5% 7.50% 7.50% 7.50% 7.50%

kg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5% 5% 5% 0.05 10% 10% 10% 0.1 15% 15% 15% 0.15 2.50% 2.50% 2.50% 0.025 5% 5% 5% 0.05 7.50% 7.50% 7.50% 0.075

área cm

capacidad de carga

2

kg/cm2

12360 10980 9990

25 25 25

11070 12620 10630

25 25 25

11810 11970 12640

25 25 25

9820 10020 9870

25 25 25

13630 11080 10660

25 25 25

11440 11670 12410

25 25 25

11180 11900 13650

25 25 25

12670 13240 11590

25 25 25

14770 13860 10630

25 25 25

494.40 439.20 399.60 444.40 442.80 504.80 425.20 457.60 472.40 478.80 505.60 485.60 392.80 400.80 394.80 396.13 545.20 443.20 426.40 471.60 457.60 466.80 496.40 473.60 447.20 476.00 546.00 489.73 506.80 529.60 463.60 500.00 590.80 554.40 425.20 523.47

nombre de espécimen SERIE-1 SERIE-1 SERIE-1 SERIE-1 SERIE-2 SERIE-2 SERIE-2 SERIE-2 SERIE-3 SERIE-3 SERIE-3 SERIE-3 SERIE-4 SERIE-4 SERIE-4 SERIE-4 SERIE-5 SERIE-5 SERIE-5 SERIE-5 SERIE-6 SERIE-6 SERIE-6 SERIE-6 SERIE-7 SERIE-7 SERIE-7 SERIE-7 SERIE-8 SERIE-8 SERIE-8 SERIE-8 SERIE-9 SERIE-9 SERIE-9 SERIE-9

cantidad de escoria cantidad de ceniza 5% 0 5% 0 5% 0 5% 0 10% 0 10% 0 10% 0 10% 0 15% 0 15% 0 15% 0 15% 0 0% 5% 0% 5% 0% 5% 0% 0.05 0% 10% 0% 10% 0% 10% 0% 0.1 0% 15% 0% 15% 0% 15% 0% 0.15 2.50% 2.50% 2.50% 2.50% 2.50% 2.50% 2.50% 0.025 5% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 0.05 7.50% 7.50% 7.50% 7.50% 7.50% 7.50% 7.50% 0.075

10550 8960 10880

25 25 25

10860 10410 10870

25 25 25

11180 11390 11710

25 25 25

8820 9060 7560

25 25 25

9350 8890 9190

25 25 25

10530 10660 11380

25 25 25

9430 10810 9620

25 25 25

9900 9290 10820

25 25 25

10930 10150 10690

25 25 25

422.00 358.40 435.20 405.20 434.40 416.40 434.80 428.53 447.20 455.60 468.40 457.07 352.80 362.40 302.40 339.20 374.00 355.60 367.60 365.73 421.20 426.40 455.20 434.27 377.20 432.40 384.80 398.13 396.00 371.60 432.80 400.13 437.20 406.00 427.60 423.60

RESISTENCIAS OBTENIDAS A LA EDAD DE 28 DÍAS

NOMBRE DEL ESPECIMEN

CANTIDAD DE ESCORIA

RESISTENCIA KG/CM2

SERIE 1 SERIE 2 SERIE 3

5% 10% 15%

444.40 457.60 485.60

NOMBRE DEL ESPECIMEN

E4 E5 E6

CANTIDAD DE ESCORIA

RESISTENCIA KG/CM2

5% 10% 15%

396.13 471.60 473.60

NOMBRE DEL ESPECIMEN

E7 E8 E9

CANTIDAD DE ESCORIA

RESISTENCIA KG/CM2

5% 10% 15%

489.73 500.00 523.47

RESISTENCIAS OBTENIDAS A LA EDAD DE 14 DÍAS

NOMBRE DEL ESPECIMEN

CANTIDAD DE ESCORIA

RESISTENCIA KG/CM2

E1 E2 E3

5% 10% 15%

405.20 428.53 457.07

NOMBRE DEL ESPECIMEN

E4 E5 E6

CANTIDAD DE ESCORIA

RESISTENCIA KG/CM2

5% 10% 15%

339.20 365.73 434.27

NOMBRE DEL ESPECIMEN

E7 E8 E9

CANTIDAD DE ESCORIA

RESISTENCIA KG/CM2

5% 10% 15%

398.13 400.13 423.60

CONCLUSIONES: Una vez realizadas las pruebas que se mencionaron en esta presentación y obtenidos los resultados mostrados, fue posible llegar a las siguientes conclusiones: 1.- para el caso de la fluidez, se modifica de gran manera esta propiedad con la adición de escoria de horno de arco eléctrico, provocando que la pasta adquiera una mayor trabajabilidad, lo que repercute en una mayor facilidad de colocación y una mayor capacidad para retener el agua. En el caso de los especímenes elaborados con cemento y ceniza de bagazo de caña de azúcar se logró observar que la fluidez no aumenta considerablemente, presentándose esta mismo efecto en las pastas de cemento-escoria-ceniza, por lo cual se concluye que en este tipo de mezclas el material que rige es la ceniza, y por lo tanto no se considera factible el uso de ambos materiales si lo que se busca es aumentar la fluidez de una pasta. 2.-para el caso del tiempo de fraguado se aprecian resultados similares, tanto en las pastas de cemento-escoria, como en las que se constituían de cemento-ceniza, teniendo resultados que van desde los 70 minutos con 5% de escoria de horno de arco eléctrico y 72 minutos en las que contenían un 5% de ceniza de bagazo de caña de azúcar, hasta los 90 minutos tanto con el 15% de escoria como de ceniza. Al momento de trabajar conjuntamente la escoria de horno de arco eléctrico con la ceniza de bagazo de caña de azúcar, se observó que los tiempos se reducen, desde los 68 minutos con un contenido de 2.5% de escoria y 2.5% de ceniza hasta los 78 minutos en las pastas que contenían escoria y ceniza en un porcentaje de 7.5% respectivamente. En concretos premezclados se requiere que el tiempo de fraguado sea alargado debido a que este se debe transportar a distancias muy grandes por periodos de tiempo alargados, también es necesario que el tiempo de fraguado de un concreto se retardado en zonas calurosas con el fin de que el concreto se pueda trabajar sin la presión de rápido fraguado.

Por el contrario se requiere de un tiempo de fraguado corto cuando se requiere un descimbrado rápido por ejemplo en el colado de losas de edificios o puentes y pavimentos de concreto hidráulico en los cuales se requiere dar paso lo antes posible. Esta es una alternativa al uso de aditivos. 3.-en cuanto a las propiedades mecánicas, la resistencia se ve mejorada ampliamente con el uso de escorias, obteniéndose resistencias desde los 440 kg/cm2 con un 5% de escoria a la edad de 38 días. Para las pastas hechas a base de cemento y ceniza se observa que aunque existe una elevada resistencia a la compresión, ésta no varía considerablemente con los porcentajes de 10 % 15%, por lo tanto aun agregando un mayor porcentaje de este material no se obtendrán mejoras significativas. En la tercera propuesta, las pastas hechas a base de cemento-escoria-ceniza la resistencia aumenta desde la edad de 14 días, sin embargo a la edad de 28 días se observa que existe una diferencia de apenas 60 kg/cm2 entre las pastas con un contenido de 7.5% de escoria de horno de arco eléctrico y 7.5% de ceniza de bagazo de caña de azúcar, y aquellas que se elaboraron con un contenido de 2.5% respectivamente de ambos materiales. Determinándose que el aumento obtenido en la capacidad de carga se debió a la escoria.

REFERENCIAS:  Tecnología del concreto, INSTITUTO MEXICANO DEL CEMENTO Y DEL CONCRETO A.C. 1992  Manual de tecnología del concreto, comisión federal de electricidad sección 1  Diseño y control de mezclas de concreto.  A.M. Neville, tecnología del concreto, tomo 1, 1988 Pág. 110  Hernández Zaragoza J.B., (s/fecha), “Piedra Pómez – Cemento Portland”, Apuntes de la materia de Materiales, de la Maestría en Construcción, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Veracruzana, Campus Xalapa.  Zucarmex, “Datos del ingenio azucarero de Mahuixtlan”, [http://www.zucarmex.com/ mahu_ubi.htm], Agosto 2007.  Utilización de la ceniza de bagazo de caña de azúcar como

sustituto

parcial

del

cemento

Hernández Martínez Héctor Eduardo, 2007.

en

morteros,

 Centro

de

Cantabria,

Desarrollo

Tecnológico,

“Fluorescencia

de

Universidad

de

Rayos

X”,

[http://www.cdtuc.com/EquipaLabXRF.htm], marzo 2007.  Revista del instituto de investigación FIGMMG, Vol. 7, N° 13, 26-30 (2004) universidad nacional de san marcos ISSN: 1561-0888

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Aditivos.- sustancia que se añade a un producto con la finalidad de mejorar o aumentar una o varias de sus características o propiedades. Alúmina.- es el óxido aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el componente más importante en la constitución de las arcillas y los esmaltes, confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración. Aparato de Vicat.- instrumento utilizado en la determinación del tiempo de fraguado, consiste de una estructura metálica con una barra deslizante

y un indicador

ajustable que se mueve sobre una escala, a este indicador se le coloca una aguja de 1 mm de diámetro la cual se hace penetrar en la pasta de cemento. Chatarra.- conjunto de trozos de metal de desecho, principalmente hierro. La chatarra de hierro es utilizada en la producción de acero, cubriendo un 40% de las necesidades mundiales. El porcentaje de uso varía según el proceso de fabricación utilizado, siendo un 20% en la producción de acero por convertidor LD y llegando al 100% en el proceso de fabricación por horno eléctrico Arcilla.-

La arcilla está

de silicatos de aluminio, hidratados,

constituida procedentes

de

por

agregados

la

descomposición

de minerales de aluminio. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura. Surge de la descomposición de rocas que contienen feldespato, originada en un proceso natural que dura decenas de miles de años. Caliza.- La caliza es una roca sedimentaria que se compone sobre todo de carbonato de calcio (en forma de calcita mineral), que se extrae en canteras. Se usa como piedra para la construcción, en fundición, en fabricación de cemento,... etc. La caliza calcinada (óxido de calcio e hidróxido de calcio) se denomina Cal.

Concreto.- es el resultado de la mezcla de algún material aglutinante (cemento por lo general), algún material árido (arena, grava, gravilla, etc.) y agua. Consistencia normal.- es un estado de fluidez alcanzado por la pasta de cemento que tiene una propiedad optima de hidratación. Se expresa como un porcentaje en peso o volumen de agua con relación al peso seco del cemento. Escoria.- subproducto de la fundición de la mena para purificar los metales. Se pueden considerar como una mezcla de óxidos metálicos; sin embargo, pueden contener sulfuros de metal y átomos de metal en forma de elemento. Aunque la escoria suele utilizarse como un mecanismo de eliminación de residuos en la fundición del metal, también pueden servir para otros propósitos, como ayudar en el control de la temperatura durante la fundición y minimizar la reoxidación del metal líquido final antes de pasar al molde. Fluidez.- La trabajabilidad de una mezcla de mortero tiene que ver con: la facilidad con que el albañil puede manejar la mezcla sin que se produzcan problemas de segregación, el tiempo en que la mezcla se puede trabajar sin que fragüe o se seque, la facilidad de colocación y la capacidad que posee la mezcla para retener el agua aun estando en contacto con superficies absorbentes como los tabiques u otros elementos constructivos. Fraguado.- Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química exotérmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en el cual la consistencia ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se denomina fraguado final.

Gabinete húmedo.- Compartimiento de dimensiones moderadas, donde se tiene controlada la temperatura y la humedad relativa. Es utilizado para almacenar especímenes de prueba. Granulometría.-

Se denomina clasificación granulométrica o granulometría, a la

medición y gradación que se lleva a cabo de los granos de una formación sedimentaria, de los materiales sedimentarios, así como de los suelos, con fines de análisis, tanto de su origen como de sus propiedades mecánicas, y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica Hidratación del cemento.- reacción química mediante la cual se lleva a cabo la formación de nuevos componentes al momento de entrar en contacto el agua con el cemento. Horno de arco eléctrico.- Un horno de arco eléctrico (siglas en inglés: EAF ('Electric Arc Furnace')) es un horno que se calienta por medio de un arco eléctrico. Los tamaños de un horno de arco eléctrico van desde la tonelada de capacidad (utilizado en fundiciones) hasta las 400 toneladas de capacidad utilizado en la industria metalúrgica.

Además,

existen

hornos

de

laboratorio

y

usados

por dentistas que tienen una capacidad de apenas doce gramos. La temperatura en el interior de un horno de arco eléctrico puede alcanzar los 1800 grados Celsius.

Lechada.- Mortero de cemento que contiene una gran cantidad de agua que le da la consistencia de un líquido viscoso y permite ser utilizado para rellenar cavidades y juntas entre materiales adyacentes. Tanque de curado.- Es un recipiente o pileta con agua a temperatura controlada y de dimensiones tales que permita el almacenamiento de especímenes totalmente sumergidos en agua.