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Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles “EFECTOS DEL SULFATO DE CALCIO EN LA DURABILIDAD DE MORTERO CON ADICIÓN DE NANOMOLÉCULAS DE SÍLICE” Tesis para optar al Título de: Ingeniero Civil en Obras Civiles Profesor Patrocinante: Sr. Ernesto Zumelzu Delgado Ingeniero Civil Metalúrgico Doctor en Materiales, Energía y Medioambiente Profesor Co-Patrocinante: Sr. Carlos Cabezas Cuevas M. Sc. en Química CAROLINA PAZ VEGA MANSILLA VALDIVIA - CHILE 2010 Agradecimientos A mi familia, en especial a mis padres Patricia y Juan Carlos por su apoyo incondicional y sacrificio durante mis años de estudio. A Joaquín por su constante apoyo y compresión, pilar fundamental durante estos años. Al Dr. Ernesto Zumelzu, por su compromiso, colaboración y confianza a lo largo del desarrollo de esta tesis. Al Sr. Carlos Cabezas, por su disposición y orientación en el desarrollo de ésta investigación. Al Sr. Ricardo Silva, por su gran colaboración y disposición. A todos los profesores que participaron en mi formación. A los funcionarios del Laboratorio LEMCO y del Instituto de Materiales y Procesos Termomecánicos por toda su colaboración en el desarrollo de la parte experimental de éste trabajo. Y finalmente a mis amigos, familiares y compañeros con quienes compartí lindos momentos durante esta etapa de mi vida. Muchas Gracias ii ÍNDICE TEMÁTICO CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN ..................................................................................1 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................... 1 1.2 ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS ................................................................................... 2 1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 3 1.3.1 Objetivo general ........................................................................................................ 3 1.3.2 Objetivos específicos ................................................................................................. 3 1.4 METODOLOGÍA Y ESTRUCTURA DE TRABAJO .................................................................. 4 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES ............................................................................................. 5 CAPÍTULO II. ASPECTOS TEÓRICOS......................................................................6 2.1 HORMIGÓN ....................................................................................................................... 6 2.1.1 Generalidades............................................................................................................ 6 2.1.2 Componentes de Hormigón ....................................................................................... 7 2.1.2.1 Cemento.............................................................................................................. 7 Química del Cemento ............................................................................................. 8 Hidratación del cemento Portland ....................................................................... 13 Compuestos resultantes de la hidratación del cemento.................................. 15 2.1.2.2 Agua ................................................................................................................. 17 2.1.2.3 Agregado .......................................................................................................... 19 2.1.2.4 Aditivos ............................................................................................................ 20 2.1.3 Durabilidad del Hormigón ...................................................................................... 21 2.1.3.1 Factores que afectan la durabilidad .................................................................. 21 2.2 NANOMATERIALES .......................................................................................................... 29 2.2.1 Nanotecnología........................................................................................................ 29 2.2.2 Nanotecnología y su impacto en la construcción.................................................... 30 2.2.3 Nanosílice ................................................................................................................ 32 2.2.3 Caracterización de la nanoestructura de la nanosílice.......................................... 34 2.2.4 Mecanismo de acción de la nanosílice .................................................................... 35 2.2.5 Efectos de la nanosílice en las propiedades del hormigón ..................................... 36 2.2.5.1 Incidencia en las propiedades físicas................................................................ 36 2.2.5.2 Incidencia en las propiedades mecánicas ......................................................... 36 iii 2.2.5.3 Incidencia en la mineralogía............................................................................. 37 2.2.6 Beneficios del uso de nanosílice.............................................................................. 39 2.2.7 Aplicaciones del nanosílice ..................................................................................... 40 2.3 ATAQUE QUÍMICO PRODUCIDO POR SULFATOS .............................................................. 42 2.3.1 Origen de los Sulfatos ............................................................................................. 43 2.3.1.1 Fuentes externas ............................................................................................... 43 2.3.1.2 Fuentes internas ................................................................................................ 43 2.3.2 Factores que afectan la reacción hormigón-sulfato................................................ 44 2.3.2.1 Concentración y naturaleza del sulfato............................................................. 44 2.3.2.2 Agua ................................................................................................................. 45 2.3.2.3 Tipo de cemento ............................................................................................... 45 2.3.2.4 Calidad del hormigón ....................................................................................... 46 2.3.2.5 Acumulación de sulfatos .................................................................................. 46 2.3.3 Formas de ataque químico por sulfatos .................................................................. 47 2.3.3.1 Reacciones químicas producto del ataque por sulfatos .................................... 50 2.3.4 Sulfato de calcio ...................................................................................................... 51 2.3.5 Productos del ataque químico por sulfato de calcio ............................................... 53 2.3.5.1 Etringita ............................................................................................................ 53 2.3.5.2 Hidróxido de calcio .......................................................................................... 54 2.3.6 Caracterización del ataque por sulfatos ................................................................. 54 CAPÍTULO III. EXPERIENCIAS DE LABORATORIO ..............................................56 3.1 ELABORACIÓN DE PROBETAS DE MORTERO................................................................... 56 3.1.1 Materiales que intervienen en la fabricación del mortero ...................................... 56 3.1.2 Resultados de ensayos normalizados de caracterización de áridos para la fabricación de morteros ................................................................................................... 57 3.1.2.1 Granulometría................................................................................................... 58 3.1.2.2 Cálculo del módulo de finura ........................................................................... 59 3.1.2.3 Determinación colorimétrica de la presencia de impurezas orgánicas en las arenas para hormigones ................................................................................................ 60 3.1.2.4 Determinación del material fino menor a 0.080 mm........................................ 60 3.1.2.5 Determinación de las densidades real y neta de la absorción de agua de las arenas ............................................................................................................................ 61 iv 3.1.3 Dosificación............................................................................................................. 63 3.1.3.1 Detalle de probetas a elaborar .......................................................................... 66 3.1.4 Elaboración de mezclas en laboratorio .................................................................. 68 3.2 ENSAYO DE INMERSIÓN EN SULFATO DE CALCIO ........................................................... 71 3.2.1 Preparación de la solución ..................................................................................... 73 3.2.1.1 Materiales ......................................................................................................... 73 3.2.1.2 Preparación de la solución................................................................................ 73 3.3 ANÁLISIS PÉRDIDA DE MASA ........................................................................................... 74 3.3.1 Determinación del peso seco................................................................................... 74 3.3.1.1 Materiales ......................................................................................................... 74 3.3.1.2 Metodología...................................................................................................... 75 3.3.2 Resultados obtenidos del estudio de pérdida de masa ............................................ 76 3.3.2.1 Disminución de peso seco en función de la adición de nanosílice................... 76 3.3.2.2 Disminución de peso seco en función del tiempo ............................................ 80 3.3.3 Análisis descriptivo y discusión de los resultados .................................................. 82 3.3.3.1 Disminución de peso seco en función de la adición de nanosílice................... 82 3.3.3.2 Disminución de peso seco en función del tiempo ............................................ 88 3.4 ANÁLISIS DE LA VARIACIÓN DE PH ................................................................................. 91 3.4.1 ¿Qué es el pH? ........................................................................................................ 91 3.4.2 Determinación del pH ............................................................................................. 92 3.4.3 Resultados obtenidos de la variación de pH ........................................................... 93 3.4.4 Análisis descriptivo y discusión de los resultados .................................................. 94 3.5 ANÁLISIS MEDIANTE MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO .................................... 96 3.5.1 Microscopio electrónico de barrido ........................................................................ 96 3.5.1.1 Funcionamiento MEB ...................................................................................... 97 3.5.1.2 Preparación de las muestras.............................................................................. 98 3.5.2 Muestras caracterizadas mediante microscopía electrónica ................................ 100 3.5.2.1 Imágenes obtenidas por medio de microscopio electrónico de barrido.......... 101 3.5.2.2 Microanálisis químico por energía dispersiva de rayos X.............................. 111 3.5.2.3 Análisis descriptivo imágenes SEM ............................................................... 126 3.5.2.4 Discusión de resultados imágenes SEM......................................................... 129 3.5.2.5 Análisis descriptivo microanálisis químicos .................................................. 130 3.5.2.6 Discusión de resultados microanálisis químicos ............................................ 135 v CAPÍTULO IV. COMPARACIÓN CON INVESTIGACIONES ANTERIORES DONDE LOS MEDIOS AGRESIVOS UTILIZADOS FUERON SULFATO DE SODIO Y SULFATO DE MAGNESIO .....................................................................................136 4.1 SULFATO DE CALCIO V/S SULFATO DE SODIO ............................................................. 136 4.1.1 Consideraciones .................................................................................................... 136 4.1.2 Respecto a la pérdida de masa .............................................................................. 137 4.1.3 Respecto a la variación de pH............................................................................... 138 4.1.4 Respecto al análisis de microscopía electrónica................................................... 139 4.2 SULFATO DE CALCIO V/S SULFATO DE MAGNESIO ...................................................... 139 4.2.1 Consideraciones .................................................................................................... 139 4.2.2 Respecto a la pérdida de masa .............................................................................. 140 4.2.3 Respecto a la variación de pH............................................................................... 141 4.2.4 Respecto al análisis de microscopía electrónica................................................... 142 CAPÍTULO V. CONCLUSIONES............................................................................143 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................146 ANEXO A: TABLAS DE REGISTRO Y DISMINUCIÓN PORCENTUAL DE PESO SECO EN PROBETAS DE MORTERO, COMO CONSECUENCIA DE ENSAYO DE INMERSIÓN EN SOLUCIÓN DE SULFATO DE CALCIO. ..................................................................................................... 151 ANEXO B: EFECTOS DE LA SOLUBILIDAD DEL SULFATO DE CALCIO ................................. 156 ANEXO C: RESULTADOS OBTENIDOS EN INVESTIGACIÓN PRECEDENTE PARA SULFATO DE SODIO .................................................................................................................................. 159 ANEXO D: RESULTADOS OBTENIDOS EN INVESTIGACIÓN PRECEDENTE PARA SULFATO DE MAGNESIO ........................................................................................................................... 165 vi ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO II: ASPECTOS TEÓRICOS. Tabla 2.1: Composición química típica de un cemento Pórtland ..........................................................10 Tabla 2.2: Composición de las fases del clinker, según ASTM C150 ...................................................10 Tabla 2.3: Contenido aproximado de cada fase en cementos Portland................................................11 Tabla 2.4: Fases del clinker y sus propiedades.....................................................................................12 Tabla 2.5: Diferencias entre nanosílice y microsílice ............................................................................32 Tabla 2.6: Propiedades Gaia Nanosilice ...............................................................................................34 Tabla 2.7: Grado de solubilidad de los sulfatos.....................................................................................45 Tabla 2.8: Requisitos para concreto expuesto a soluciones con sulfato...............................................47 Tabla 2.9: Síntesis de reacciones químicas producto de ataque por sulfatos ......................................50 Tabla 2.10: Reacción química producto del ataque por sulfato de calcio .............................................52 CAPÍTULO III: EXPERIENCIAS DE LABORATORIO. Tabla 3.1: Granulometría de arena seleccionada..................................................................................58 Tabla 3.2: Tipos granulométricos de arenas .........................................................................................59 Tabla 3.3: Contenido de materia orgánica en arenas............................................................................60 Tabla 3.4: Configuración de probetas razón A/C 0.55 ..........................................................................67 Tabla 3.5: Dosificación para 8 probetas razón A/C 0.55 .......................................................................67 Tabla 3.6: Configuración de probetas razón A/C 0.65 ..........................................................................68 Tabla 3.7: Dosificación para 8 probetas razón A/C 0.55 .......................................................................68 Tabla 3.8: Duración ensayo de inmersión .............................................................................................72 Tabla 3.9: Muestras más y menos afectadas por el sulfato de calcio ...................................................90 Tabla 3.10: Registro pH probetas razón A/C 0.55.................................................................................93 Tabla 3.11: Registro pH probetas razón A/C 0.65.................................................................................93 Tabla 3.12: Muestras con mayor y menor pérdida de masa con sus respectivas muestras patrón, para análisis mediante SEM.........................................................................................................................100 Tabla 3.13: Grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características, para análisis mediante SEM. .....................................................................................................................................101 Tabla 3.14: Comparación de valores de porcentaje de peso en cada elemento químico presente en muestra control buena y control mala ..................................................................................................130 Tabla 3.15: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en muestra control buena y muestra con menor pérdida de masa...........................................................131 Tabla 3.16: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en muestra control mala y muestra con mayor pérdida de masa .............................................................132 vii Tabla 3.17: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en muestras con menor y mayor pérdida de masa...................................................................................133 Tabla 3.18: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características .........................................134 CAPÍTULO IV: COMPARACIÓN CON INVESTIGACIONES ANTERIORES DONDE LOS MEDIOS AGRESIVOS UTILIZADOS FUERON SULFATO DE SODIO Y SULFATO DE MAGNESIO. Tabla 4.1: Resultado muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de sodio ...............................................................................................................................138 Tabla 4.2: Resultados muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de calcio...............................................................................................................................138 Tabla 4.3: Resultado muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de magnesio ........................................................................................................................141 Tabla 4.4: Resultados muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de calcio...............................................................................................................................141 ANEXO A: TABLAS DE REGISTRO DE Y DISMINUCIÓN PORCENTUAL DE PESO SECO EN PROBETAS DE MOTERO, COMO CONSECUENCIA DE ENSAYO DE INMERSIÓN EN SOLUCIÓN DE SULFATO DE CALCIO. Tabla A.1: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1..................................................................................151 Tabla A.2: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2..................................................................................151 Tabla A.3: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3..................................................................................152 Tabla A.4: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T4..................................................................................152 Tabla A.5: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T5..................................................................................152 Tabla A.6: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T6..................................................................................153 Tabla A.7: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1 ................................................................................................................................153 Tabla A.8: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2 ................................................................................................................................153 viii Tabla A.9: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3 ................................................................................................................................154 Tabla A.10: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T4..................................................................................................................154 Tabla A.11: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T5..................................................................................................................154 Tabla A.12: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T6..................................................................................................................155 ANEXO C: RESULTADOS OBTENIDOS EN INVESTIGACIÓN PRECEDENTE PARA SULFATO DE SODIO. Tabla C.1: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1 (13 días). ................................................................................................................159 Tabla C.2: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2 (26 días). ................................................................................................................159 Tabla C.3: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3 (39 días). ................................................................................................................160 ANEXO D: RESULTADOS OBTENIDOS EN INVESTIGACIÓN PRECEDENTE PARA SULFATO DE MAGNESIO. Tabla D.1: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1 (7 días). ..................................................................................................................165 Tabla D.2: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2 (14 días). ................................................................................................................165 Tabla D.3: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3 (21 días). ................................................................................................................166 Tabla D.4: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T4 (28 días). ................................................................................................................166 Tabla D.5: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T5 (35 días). ................................................................................................................166 Tabla D.6: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T6 (42 días). ...................................................................................................... 167 ix ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO II: ASPECTOS TEÓRICOS. Figura 2.1: Micrográfica electrónica de barrido mostrando los cristales hexagonales típicos de monosulfato hidratado y cristales aciculares de etringita. .....................................................................14 Figura 2.2: Micrográfica electrónica de barrido de pasta de cemento Portland con tres días de edad mostrando los cristales de C-S-H...........................................................................................................16 Figura 2.3: Micrográfica electrónica de barrido de pasta de cemento Portland con tres días de edad mostrando grandes cristales de Ca (OH )2 y la estructura fibrosa formada por C-S-H. ......................17 Figura 2.4: Superficies de testigos que muestran bordes de reacción. ................................................25 Figura 2.5: Diferentes nanoestructuras. ................................................................................................30 Figura 2.6: Fotografía electrónica de nanosílice, partículas con rango de 100 nm. .............................33 Figura 2.7: Detalle general imagen obtenida de microscopio electrónico (TEM), donde se aprecian los distintos componentes y formas en que se encuentra la nanosílice......................................................35 Figura 2.8: Micrográfica SEM del hidróxido de calcio a 28 días: (a) sin adición; (b) 3% de nanosílice; (c) 3% de humo de sílice........................................................................................................................38 Figura 2.9: (a) concreto normal 28 días de curado; (b) concreto adicionado con nanosílice a 28 días de curado; (c) concreto normal 180 días de curado; (d) concreto adicionado con nanosílice 180 días de curado................................................................................................................................................39 Figura 2.10: Comparación de la cantidad de material necesaria al usar nanosílice o microsílice. ......40 Figura 2.11: Imagen de puntos de coalescencia producto de ataque por sulfatos. La etringita ha sustituido algunos silicatos hidratados en la pasta cemento. ................................................................48 Figura 2.12: Taumasita (color blanco) formada alrededor de agregado grueso de piedra caliza y en grietas.....................................................................................................................................................49 Figura 2.13: A) Sulfato de cálcio dihidratado. (Fuente: Wikipedia, 2009); B) Microfotografia SEM de yeso. .......................................................................................................................................................51 Figura 2.14: Etringita. ............................................................................................................................53 CAPÍTULO III: EXPERIENCIAS DE LABORATORIO. Figura 3.1: Moldes fabricados con tubos de PVC para la elaboración de probetas de mortero. .......57 Figura 3.2: Botella de nanosílice y probeta graduada utilizada para obtener el peso de nanosílice necesario para cada mezcla. ...............................................................................................................69 Figura 3.3: Recipientes metálicos utilizado para obtener las pesada requerida de arena, también se utilizó para pesar el cemento para cada mezcla. .................................................................................69 Figura 3.4: Moldes con las diferentes mezcla de mortero. .................................................................70 x Figura 3.5: Recipiente T1-0.55 y T1-0.65 completamente identificados con sus respectivas muestras durante el ensayo de inmersión. ..........................................................................................................71 Figura 3.6: Esquema de posición de las probetas de mortero durante ensayo de inmersión. ...........72 Figura 3.7: Balanza detectora de humedad; Balanza de precisión digital. ...........................................75 Figura 3.8: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T1 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra..........................................................................................................................................77 Figura 3.9: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T2 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra..........................................................................................................................................77 Figura 3.10: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T3 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. .......................................................................................................................78 Figura 3.11: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T4 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. .......................................................................................................................78 Figura 3.12: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T5 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. .......................................................................................................................79 Figura 3.13: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T6 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. .......................................................................................................................79 Figura 3.14: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras sin adición de nanosílice en función del tiempo.....................................................................................................................................................80 Figura 3.15: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras con 0.5% de adición de nanosílice en función del tiempo. .................................................................................................................................81 Figura 3.16: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras con 1.0% de adición de nanosílice en función del tiempo. .................................................................................................................................81 Figura 3.17: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras con 1.5% de adición de nanosílice en función del tiempo. .................................................................................................................................82 Figura 3.18: pHmetro, marca Hanna Instruments, modelo HI8424 New. .............................................92 Figura 3.19: Gráfico Variación de pH de la solución de sulfato de calcio en función del tiempo. .......94 Figura 3.20: Figura esquemática técnica de recubrimiento de muestras con carbono. .......................99 Figura 3.21: Figura esquemática técnica de recubrimiento de muestras con oro. .............................100 Figura 3.22: Imagen muestra con menor pérdida de masa a escala 1000x. ......................................101 Figura 3.23: Imagen muestra con menor pérdida de masa a escala 5000x. ......................................102 Figura 3.24: Imagen muestra con menor pérdida de masa a escala 12000x.....................................102 Figura 3.25: Imagen muestra control buena a escala 1000x. .............................................................103 Figura 3.26: Imagen muestra control buena a escala 5000x. .............................................................103 Figura 3.27: Imagen muestra control buena a escala 12000x. ...........................................................104 Figura 3.28: Imagen muestra con mayor pérdida de masa a escala 1000x. ......................................104 Figura 3.29: Imagen muestra con mayor pérdida de masa a escala 5000x. ......................................105 Figura 3.30: Imagen muestra con mayor pérdida de masa a escala 12000x. ....................................105 Figura 3.31: Imagen muestra control mala a escala 1000x. ...............................................................106 Figura 3.32: Imagen muestra control mala a escala 5000x. ...............................................................106 Figura 3.33: Imagen muestra control mala a escala 12000x. .............................................................107 xi Figura 3.34: Imagen muestra antecesora en el tiempo a escala 1000x. ............................................107 Figura 3.35: Imagen muestra antecesora en el tiempo a escala 5000x. ............................................108 Figura 3.36: Imagen muestra antecesora en el tiempo a escala 12000x. ..........................................108 Figura 3.37: Imagen muestra sucesora en el tiempo a escala 1000x.................................................109 Figura 3.38: Imagen muestra sucesora en el tiempo a escala 5000x.................................................110 Figura 3.39: Imagen muestra sucesora en el tiempo a escala 12000x...............................................110 Figura 3.40: Microanálisis muestra con menor pérdida de masa. ......................................................111 Figura 3.41: Linescan muestra con menor pérdida de masa..............................................................112 Figura 3.42: Distribución Mapping elementos químicos en superficie muestra con menor pérdida de masa.....................................................................................................................................................113 Figura 3.43: Microanálisis muestra control buena...............................................................................113 Figura 3.44: Linescan muestra control buena. ....................................................................................114 Figura 3.45: Mapping muestra control buena......................................................................................115 Figura 3.46: Microanálisis muestra con mayor pérdida de masa........................................................116 Figura 3.47: Linescan muestra con mayor pérdida de masa. .............................................................117 Figura 3.48: Mapping muestra con mayor pérdida de masa...............................................................118 Figura 3.49: Microanálisis muestra control mala.................................................................................118 Figura 3.50: Linescan muestra control mala. ......................................................................................119 Figura 3.51: Mapping muestra control mala........................................................................................120 Figura 3.52: Microanálisis muestra antecesora en el tiempo..............................................................121 Figura 3.53: Linescan muestra antecesora en el tiempo. ...................................................................122 Figura 3.54: Mapping muestra antecesora en el tiempo. ....................................................................123 Figura 3.55: Microanálisis muestra sucesora en el tiempo. ................................................................124 Figura 3.56: Linescan muestra sucesora en el tiempo. ......................................................................125 Figura 3.57: Mapping muestra sucesora en el tiempo. .......................................................................126 ANEXO C: RESULTADOS OBTENIDOS EN INVESTIGACIÓN PRECEDENTE PARA SULFATO DE SODIO. Figura C.1: Gráfico variación de pH de la solución de sulfato de sodio en función del tiempo .........160 Figura C.2: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “buena” con un aumento de 1000x................................................................................................................................161 Figura C.3: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “buena” con un aumento de 5000x................................................................................................................................161 Figura C.4: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “buena” con un aumento de 12000x..............................................................................................................................162 Figura C.5: Microanálisis muestra “buena” EDAX 5............................................................................162 Figura C.6: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “mala” con un aumento de 1000x................................................................................................................................163 xii Figura C.7: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “mala” con un aumento de 5000x................................................................................................................................163 Figura C.8: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “mala” con un aumento de 12000x..............................................................................................................................164 Figura C.9: Microanálisis muestra “mala” EDAX 7..............................................................................164 ANEXO D: RESULTADOS OBTENIDOS EN INVESTIGACIÓN PRECEDENTE PARA SULFATO DE MAGNESIO. Figura D.1: Gráfico variación de pH de la solución de sulfato de magnesio en función del tiempo. ..167 Figura D.2: Imagen muestra con Menor Pérdida de material a Escala 1000x.. .................................168 Figura D.3: Imagen muestra con Menor Pérdida de material a Escala 5000x. ..................................168 Figura D.4: Imagen muestra con Menor Pérdida de material a Escala 12000x. ................................169 Figura D.5: Microanálisis Muestra con Menor Pérdida de material. ...................................................169 Figura D.6: Imagen muestra con Mayor Pérdida de material a Escala 1000x....................................170 Figura D.7: Imagen muestra con Mayor Pérdida de material a Escala 5000x....................................170 Figura D.8: Imagen muestra con Mayor Pérdida de material a Escala 12000x..................................171 Figura D.9: Microanálisis Muestra con Mayor Pérdida de material.....................................................171 xiii RESUMEN El presente trabajo se encuentra relacionado con el mejoramiento de materiales de construcción utilizados actualmente en las diferentes obras de ingeniería. La búsqueda del hombre por obtener cada vez mejores materiales a menor costo nos ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías, dentro de las cuales destaca la tecnología a escala nanométrica con sus diversas aplicaciones. En ésta investigación el interés apunta al efecto en la durabilidad y propiedades del mortero con adición de nanosílice cuando es sometido a medios químicamente agresivos, específicamente sulfato de calcio. El objetivo principal es caracterizar el comportamiento del mortero bajo estas condiciones por medio de análisis físicos, químicos, superficiales y microestructurales. Para el desarrollo de éste estudio se comenzó por una exhaustiva revisión bibliográfica para luego dar paso a la parte experimental que consistió en un ensayo de inmersión de probetas de mortero en una solución de sulfato de calcio. A partir de éste ensayo se realizan diversos análisis a fin de obtener datos que permitan concluir acerca del tema. xiv SUMMARY This work is related to the improvement of construction materials currently used in various engineering works. The search of the man to obtain increasingly better materials at lower cost has led him to the development of new technologies, among which it points out the nanoscale technology with its wide range of applications. In this research, the interest focuses on the effect on durability and properties of concrete with addition of nanosilica when subjected to chemically aggressive media, specifically calcium sulfate. The main objective is to characterize the behavior of mortar under these conditions through physical, chemical, surface and microstructural analysis. For the development of this study, an extensive literature review was conducted, followed by the experimental phase consisted of an immersion trial of mortar specimens in a calcium sulfate solution. From this trial, various analyses are performed to obtain data in order to conclude about this matter. xv Capítulo I Introducción CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Planteamiento del Problema Uno de los avances tecnológicos de gran impacto en la actualidad está en marcha, la nanociencia y la nanotecnología prometen con invadir las distintas áreas de la investigación científica del siglo XXI. Motivo por el cual se han realizado numerosos estudios relacionados con los materiales de construcción, tema totalmente ligado a la ingeniería civil. Existen investigaciones acerca de las diferentes propiedades del nanosílice, pero un tema no abordado en su totalidad es la degradación del mortero con adición de nanosílice sometido a una solución químicamente agresiva, específicamente un ambiente sulfatado, el cual afecta las propiedades físico-químicas de éste y se encuentra normalmente en ambientes muy cotidianos, como por ejemplo suelos, aguas subterráneas y aguas marinas. Esta investigación se centrará en el ataque químico del sulfato de calcio. Se busca determinar la influencia de las nanomoléculas de sílice en la durabilidad de mortero sumergido en este medio. El estudio se realizará mediante ensayos de laboratorio con la finalidad de determinar el comportamiento del material sometido al sulfato. La importancia de este trabajo es que una vez realizados los ensayos y posteriormente el análisis de la recolección de datos obtenidos, será posible caracterizar los efectos físico-químicos en el mortero y se podrá establecer si la nanosílice incorporada lo protege o no frente a la acción del sulfato de calcio. 1 Capítulo I Introducción 1.2 Antecedentes Bibliográficos En la bibliografía actual se puede encontrar mucha información acerca del hormigón. Como la fabricación del cemento, las propiedades de cada uno de sus componentes (áridos, agua, cemento y aditivos), el proceso de hidratación del cemento, factores que afectan la durabilidad del concreto, ataque químico, etc., todo esto, gracias a que éste material ha sido de gran importancia a lo largo de la historia del hombre. En cuanto a los nanomateriales la información disponible es menor, debido a que la nanotecnología es un descubrimiento reciente y por consiguiente la bibliografía acerca del nanosílice también. Existen estudios acerca de las propiedades del hormigón con adición de nanopartículas de sílice, en cuanto a sus propiedades mecánicas y reológicas. Cabe mencionar que existen investigaciones acerca de mortero con adición de nanosílice expuesto a medios sulfatados de otros tipos (sulfato de sodio y sulfato de magnesio), material de gran importancia en este trabajo, pues permite seguir una línea de investigación. 2 Capítulo I Introducción 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo general Caracterizar el comportamiento de mortero que tiene incorporado nanomoléculas de sílice en un medio de sulfato de calcio, evaluándose su durabilidad mediante análisis físicos, químicos, superficiales y microestructurales por medio de experiencias en laboratorio. 1.3.2 Objetivos específicos • Evaluar la acción del sulfato de calcio sobre morteros relación agua/cemento 0.55 y 0.65, con adición de nanosílice en concentraciones 0.0%, 0.5%, 1.0% y 1.5% en relación al peso de cemento. • Inferir un mecanismo para la degradación del mortero por acción del sulfato de calcio, mediante análisis de pérdida de masa, variación de pH y microscopia electrónica de probetas previamente sometidas a un ensayo de inmersión en sulfato de calcio en solución. • Relacionar los resultados de este estudio con los informados para otros sulfatos. 3 Capítulo I Introducción 1.4 Metodología y Estructura de Trabajo Se comenzará por una completa revisión bibliográfica relacionada al tema de ésta investigación, es decir, un profundo estudio acerca del hormigón fresco y endurecido, las reacciones que ocurren durante la hidratación del cemento, la durabilidad del material y el comportamiento de éste frente a ambientes químicamente agresivos, principalmente frente a medios sulfatados. Otro tema de gran importancia para éste trabajo son el desarrollo de la nanotecnología y los nanomateriales, dentro de este contexto se estudiará en profundidad el nanoaditivo formado por nanomoléculas de sílice, el cuál es el tema central de esta investigación. Luego se procederá a confeccionar probetas de mortero con distinta relación aguacemento y % de nanosilice, las cuales se someterán a un ensayo de inmersión en una solución de sulfato de calcio de concentración establecida de acuerdo a la bibliografía. Antes de comenzar el ensayo de inmersión se secarán cuidadosamente todas las probetas con la finalidad de registrar su peso seco. Una vez sumergidas y transcurrido un tiempo determinado se retirarán muestras por grupos en seis tiempos diferentes, se volverán a secar y se registrará nuevamente su peso seco a fin de determinar la degradación del mortero a través de la pérdida de masa. Además en cada tiempo establecido se medirá el pH. Finalizada la etapa anterior se seleccionaran algunas muestras definidas a partir de los resultados anteriores para ser llevadas a microscopia electrónica, con lo cual se busca hacer un análisis morfológico y químico por energía dispersiva de rayos X. Por ultimo se compararán y discutirán los resultados para poder así elaborar las conclusiones de este trabajo. 4 Capítulo I Introducción 1.5 Alcances y Limitaciones Es importante destacar que ésta investigación se enmarca dentro de parámetros establecidos en cuanto a relación agua – cemento, adición de nanosílice y concentración de la solución químicamente agresiva. Ya que para las experiencias prácticas de este trabajo se confeccionaron probetas de mortero fabricadas en razones agua-cemento 0.55 y 0.65, ambas razones con diferentes adiciones de nanosílice en porcentajes de peso de cemento: 0.0%, 0.5%, 1.0% y 1.5%, valores preestablecidos por resultados presentados en estudios anteriores. Por lo tanto los resultados obtenidos son válidos para estos tipos de morteros sometidos a una solución de sulfato de calcio en concentración de 5000 ppm. 5 Capítulo II Aspectos Teóricos CAPITULO II ASPECTOS TEORICOS 2.1 Hormigón 2.1.1 Generalidades La historia del concreto es la historia del hombre en la búsqueda de un espacio para vivir con mayor comodidad, seguridad y protección posible. Desde que el ser humano superó la época de las cavernas, a aplicado sus mayores esfuerzos a delimitar su espacio vital, satisfaciendo primero sus necesidades de vivienda y después levantando construcciones con requerimientos específicos. El concreto es un material de construcción y estructural, cuyas propiedades pueden ser gobernadas por diseños cuidadosos y control de los materiales constituyentes. Estos materiales constituyentes son un medio o matriz de unión endurecido, formado por la reacción química entre el cemento y el agua, y el agregado al cual el cemento endurecido se adhiere en mayor o menor grado. El agregado, el cemento y el agua se mezclan todos juntos y en este estado forman una masa plástica y manejable, propiedades que permiten su moldeado en cualquier forma deseada. A pocas horas, de la preparación de la mezcla, el cemento y el agua sufren su combinación química, denominada comúnmente hidratación, de la cual resulta la solidificación de la mezcla y su endurecimiento gradual. El proceso de endurecimiento puede continuar indefinidamente bajo condiciones de humedad y temperaturas favorables, con un incremento general en la calidad del concreto. (Murdock, 1964) Si el concreto tiene que cumplir con un propósito particular es necesario seleccionar los materiales constituyentes, combinarlos y usarlos de tal manera de desarrollar las cualidades especiales requeridas y tan económicamente como sea posible. 6 Capítulo II Aspectos Teóricos El mortero es un material que viene empleándose en las construcciones desde tiempos muy remotos y para diferentes usos. En su forma más general, es decir, constituido por un árido fino y un aglomerante, ha sido usado como material para pegar bloques de piedra en la construcción de los edificios más antiguos que recuerda la historia, así como para construcciones de los primeros pavimentos de caminos. Para la fabricación de mortero se utilizan básicamente los mismos materiales que componen el hormigón, es decir, un árido, pasta de cemento y eventualmente aditivos o adiciones. (Zabaleta. et al., 1989) 2.1.2 Componentes de Hormigón 2.1.2.1 Cemento El cemento Portland está constituido principalmente por clinker, para la elaboración de éste se emplean materias primas capaces de aportar principalmente cal, sílice y accesoriamente óxido de fierro y alumina. Los materiales básicos del clinker constan de: • Materiales ricos en cal, como la piedra caliza, conchas marinas, arcilla calcárea y greda que suministran los componentes calcáreos. • Arcilla, arcilla esquistosa, pizarra, ceniza muy fina o arena para proporcionar sílice y alumina. • Mineral de hierro, costras de laminado o algún material semejante para suministrar el hierro o componente ferrífero. (Waddell. et al., 1997) 7 Capítulo II Aspectos Teóricos Una vez extraída la materia prima de canteras o minas, la homogenización de la materia prima se hace mediante dos tipos de procesos uno seco y el otro húmedo. En el proceso seco, los materiales son triturados, secados y después molidos en molinos de bolas hasta obtener un polvo, el cual se calcina seco. En el proceso húmedo, los materiales primero se trituran y después se muelen, se humedecen y se pasan al molino. Después de pasar por el molino que humedece el material y por los silos, la mezcla liquida pasa a unos tanques. De estos tanques se toman muestras de la mezcla, de tiempo en tiempo para su prueba y cualquier corrección a la composición química se hace cambiando las proporciones de los constituyentes calcáreos y arcillosos. La mezcla liquida es después bombeada al horno para la calcinación. Una vez calcinada la mezcla, en proporciones adecuadas, de las materias primas, se obtiene el clinker, el cual pasa a través de unos enfriadores y luego de ser enfriado lo suficientemente, es molido al grado requerido de finura en unos molinos de bolas. Mientras se pulveriza el clinker, se le incorpora un retardador el cual es por lo general yeso. Usualmente se añade 2 a 3% de yeso para retardar suficientemente la acción química del fraguado. De los molinos, el cemento se transporta a los silos de almacenamiento, de donde se descarga a la planta de empaque. (Murdock, 1964) Química del Cemento La química del cemento Portland es muy complicada, y es importante reconocer los constituyentes principales y la influencia de los cuatro compuestos principales sobre el proceso de fraguado y endurecimiento. • Constituyentes Principales del Cemento Portland La cal (CaO ) constituye cerca de dos terceras partes del cemento, y su proporción tiene un efecto importante en las propiedades de éste. El exceso de cal ocasiona 8 Capítulo II Aspectos Teóricos inconsistencia y desintegración del cemento después del fraguado. Un contenido alto de cal pero no lo suficiente para considerarse excesivo, tiende a retardar el fraguado, pero produce una resistencia inicial alta. Una cantidad insuficiente de cal puede producir cementos débiles, y si no fue calcinada correctamente, produce un cemento con fraguado rápido. La sílice ( SiO2 ), forma alrededor de una quinta parte, mientras que la alumina ( Al 2 O3 ) apenas llega a ser 1/20 del cemento. Un contenido alto de sílice, el cual usualmente esta acompañado de un contenido bajo de alumina produce cemento de alta resistencia, de fraguado lento y mejora la resistencia frente al ataque químico. En el caso opuesto, esto es, con un alto contenido de alumina y bajo de sílice, el cemento es de fraguado rápido y también tiene alta resistencia. El color gris del cemento se debe al óxido de fierro ( Fe2 O3 ), el cual actúa en la misma forma que la alumina. (Murdock, 1964) En cementos comerciales aparecen siempre como impurezas el óxido de magnesio ( MgO ) proveniente de la dolomita, que aparece como impureza en las rocas calcáreas, y el óxido de calcio ( CaO libre). El contenido de óxido de magnesio debe ser restringido, pues su hidratación es una reacción lenta y expansiva. Otras impurezas que siempre aparecen son los compuestos alcalinos (sodio y potasio) provenientes de la arcilla o del carbón y que pueden reaccionar con el agregado (reacciones álcali – agregado); y los sulfatos que tienen influencias en las reacciones iniciales de hidratación. (Kaefer, 2001) El contenido de azufre se calcula usualmente como anhídrido sulfúrico ( SO3 ) y se limita al 2.5 o 3%, dependiendo de que el aluminato tricálcico se encuentre en mayor o menor proporción que el 7%. Cantidades excesivas ocasionan inconsistencia. (Murdock, 1964) 9 Capítulo II Aspectos Teóricos Tabla 2.1: Composición química típica de un cemento Pórtland. Fuente: Kaefer. (2001). • Compuestos Principales del Cemento Portland El cemento Portland no se puede expresar por medio de una fórmula química, ya que es una mezcla compleja de cuatros compuestos o fases principales, conocidos como “compuestos Bogue”, calculados a partir del análisis de los óxidos del cemento Portland que, para todos los fines prácticos, representan el cemento. Los compuestos o fases del cemento se presentan en la tabla 2.2. Tabla 2.2: Composición de las fases del clinker, según ASTM C150. Fuente: Estrada, et al. (2005). 10 Capítulo II Aspectos Teóricos Tabla 2.3: Contenido aproximado de cada fase en cementos Portland. Fuente: Giraldo. (2006). Estos compuestos o “fases”, como se les llama, no son compuestos verdaderos en el sentido químico; sin embargo, las proporciones calculadas de estos compuestos proporcionan información valiosa en la predicción de las propiedades del cemento. A continuación se detalla los efectos de cada compuesto sobre el hormigón: Aluminato tricálcico (Alumina; C3 A ): Este compuesto se hidrata muy rápidamente y produce considerable cantidad de calor, ocasiona la rigidez inicial, pero contribuye muy poco a la resistencia última, es menos resistente al ataque químico, siendo particularmente vulnerable a la acción desintegrante de los sulfatos del agua del subsuelo, y posee tendencia al agrietamiento debido a sus cambios de volumen. Silicato tricálcico (Alita; C3 S ): Este compuesto gelatiniza en muy pocas horas generando considerables cantidades de calor. Tiene un marcado efecto sobre la resistencia del concreto en sus primeras etapas, principalmente en los primeros 14 días. Silicato dicálcico (Belita; C2 S ): La formación de este compuesto se desarrolla lentamente con un grado lento de evolución de calor. Es principalmente responsable del incremento progresivo de la resistencia, la cual ocurre de los 14 a los 28 días y en adelante. Los cementos en los cuales la proporción formada de silicato dicálcico 11 Capítulo II Aspectos Teóricos es alta, tiene una resistencia relativamente alta al ataque químico, y también un encogimiento por secado relativamente bajo. Ferro-Aluminato tetracálcico (Ferrita; C4 AF ): La presencia del ferro – aluminato es de poca importancia, ya que no tiene marcado efecto sobre la resistencia u otras propiedades del concreto endurecido, no obstante es necesario como fundente para bajar la temperatura de formación del clinker. (Murdock, 1964) Dependiendo de la finalidad del cemento, son aprobados limites diferenciados para sus componentes básicos ( C3 S , C2 S , C3 A y C4 AF ) y limites máximos para las impurezas. De esta forma surgen cementos con diferentes características de resistencia a los ataques químicos y resistencia mecánica. (Kaefer, 2001) A continuación en la tabla 2.4 se muestra un resumen de la influencia de los componentes del cemento sobre las propiedades del hormigón. Tabla 2.4: Fases del clinker y sus propiedades. Fuente: Estrada, et al. (2005). 12 Capítulo II Aspectos Teóricos Hidratación del cemento Portland El cemento al ser mezclado con agua forma una pasta, que tiene la propiedad de rigidizarse progresivamente hasta construir un sólido de creciente dureza y resistencia. Estas características son causadas por un proceso físico – químico derivado de la reacción química del agua con las fases mineralizadas del clinker y que en su primera etapa incluye la solución de los compuestos anhidros del cemento, formando compuestos hidratados. La hidratación del cemento es función de las reacciones entre los compuestos mineralógicos del cemento ( C3 A , C3 S , C2 S y C4 AF ) y el agua, además, de la presencia de yeso y otros aditivos. Los productos de las reacciones son principalmente silicatos de calcio hidratados, hidróxido de calcio y sulfoaluminatos de calcio hidratados La rigidez de la pasta cemento se debe a la hidratación de los aluminatos y la evolución de la resistencia (endurecimiento) es realizada por la hidratación de los silicatos. • Hidratación de los Aluminatos La reacción del aluminato tricálcico ( C3 A ) con el agua es inmediata, por esta razón se hace necesaria la adición de yeso (sulfato de calcio) en la fabricación del cemento, pues retarda el endurecimiento de la pasta. La hidratación de los aluminatos en presencia de sulfato da como resultado etringita positiva (aquella que se forma durante la hidratación del cemento) que asume formas aciculares y monosulfatos hidratados con forma de placas hexagonales delgadas. 13 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.1: Micrográfica electrónica de barrido mostrando los cristales hexagonales típicos de monosulfato hidratado y cristales aciculares de etringita. (Fuente: Kaefer, 2001). La formación de las agujas de etringita comienza unos minutos después del inicio de la hidratación, siendo responsable de la adherencia y de la resistencia inicial. Después de algunos días, dependiendo de la proporción alumina - sulfato del cemento Portland, la etringita puede tornarse inestable y descomponerse para formar monosulfato de calcio hidratado que es una forma más estable. El proceso de hidratación del ferro-aluminato tetracálcico ( C 4 AF ), genera una serie de compuestos de difícil caracterización y de poca influencia en la pasta endurecida. • Hidratación de Silicatos La hidratación de los silicatos se da algunas horas después del inicio de la hidratación del cemento. La hidratación del silicato dicálcico ( C 2 S ) y del silicato tricálcico ( C 3 S ) origina silicatos de calcio hidratados que tienen una composición química muy variada y son representados genéricamente por C-S-H (también llamado Tobermorita gel) e hidróxido de calcio ( Ca(OH ) 2 ), estos compuestos llenan el espacio ocupado por el agua y por las partículas de cemento en disolución. 14 Capítulo II Aspectos Teóricos Los cristales de C-S-H ( 2CaO.2SiO2 .3H 2 O ) son filamentos pequeños y el ( Ca(OH ) 2 ) tiene forma de grandes cristales prismáticos. Las reacciones de hidratación se pueden escribir de la siguiente manera: Como el C-S-H es el principal responsable de la resistencia de la pasta endurecida y una mayor cantidad de Ca (OH )2 disminuye la resistencia del concreto a ataques químicos, entonces, un cemento con mayor contenido de C3 S da como resultado un concreto mas sensible al ataque químico y con menor resistencia mecánica. Entretanto el C3 S se hidrata más rápidamente y es responsable de desarrollar la resistencia en el concreto a edades tempranas. Compuestos resultantes de la hidratación del cemento De acuerdo a lo señalado anteriormente, la hidratación del cemento da como resultado tres elementos principales, que caracterizan la pasta de cemento endurecida: • C-S-H Representa entre un 50% y un 60% del volumen sólido de la pasta de cemento Portland completamente hidratada. Son estos compuestos los responsables de la resistencia de la pasta frente a esfuerzos mecánicos. Su morfología va de fibras poco cristalinas a una malla reticulada. 15 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.2: Micrográfica electrónica de barrido de pasta de cemento Portland con tres días de edad mostrando los cristales de C-S-H. (Fuente: Kaefer, 2001). • Ca(OH ) 2 Ocupa de un 20% a un 25% del volumen sólido de la pasta cemento. Su morfología es bien definida, formando cristales prismáticos, el tamaño de los cristales aumenta conforme al espacio libre (mayor relación agua/cemento). El hidróxido de calcio contribuye poco a la resistencia de la pasta cemento endurecida y en virtud a su baja superficie especifica, que le confiere un bajo poder de adhesión, es fácilmente arrastrado por el agua. Aparentemente el único aspecto positivo de la presencia del hidróxido de calcio es la alcalinidad otorgada al medio, responsable de proteger las armaduras de la corrosión electroquímica en el hormigón armado. 16 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.3: Micrográfica electrónica de barrido de pasta de cemento Portland con tres días de edad mostrando grandes cristales de Ca (OH )2 y la estructura fibrosa formada por C-S-H. (Fuente: Kaefer, 2001). • Sulfoaluminato de calcio Ocupan de un 15 a un 20% del volumen sólido de la pasta cemento. Los principales compuestos son etringita positiva, es decir, aquella que se forma durante la hidratación del cemento, y monosulfato de calcio. (Kaefer, 2001) 2.1.2.2 Agua En relación con su empleo en el concreto, el agua tiene dos aplicaciones: como ingrediente en la elaboración de las mezclas y como medio de curado de las estructuras recién construidas. En el primer caso es de uso interno como agua de mezclado, y en el segundo se emplea exteriormente cuando el concreto se cura con agua. Aunque en estas aplicaciones las características del agua tienen efectos de diferente importancia sobre el concreto, es usual que se recomiende emplear agua de una sola calidad en ambos casos. 17 Capítulo II • Aspectos Teóricos Agua de Amasado Se entiende por agua de amasado la cantidad de agua total contenida en el hormigón fresco. Esta cantidad es utilizada para el cálculo de la relación agua/cemento (A/C). El agua de amasado esta compuesta por: - El agua agregada a la mezcla. - Humedad superficial de los agregados. - Una cantidad de agua proveniente de los aditivos. El agua de amasado tiene principalmente dos funciones: - Participa en las reacciones de hidratación del cemento. - Confiere al hormigón la trabajabilidad necesaria para su puesta en obra. La cantidad de agua de amasado debe limitarse, pues en exceso se evapora y crea una serie de huecos en el hormigón, disminuyendo su resistencia y en caso contrario, es decir, un déficit de agua origina masas poco trabajables y de difícil colocación en obra. • Agua de Curado Durante el proceso de fraguado y primer endurecimiento del hormigón, tiene por objeto: - Evitar la desecación. - Mejorar la hidratación del cemento. - Impedir la retracción prematura. 18 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.1.2.3 Agregado Alrededor de las tres cuartas partes del volumen del concreto convencional es ocupado por agregados que consisten en materiales como arena, grava, roca triturada o escoria de altos hornos enfriada por aire. Es inevitable que un componente que ocupa un porcentaje tan grande de la masa deba contribuir con importantes propiedades, tanto para el producto plástico como para el endurecido. Además, para desarrollar características especiales de poco peso, aislamiento térmico o de blindaje contra la radiación, a menudo se emplean agregados fabricados específicamente para obtener estas propiedades. (Waddell. et al., 1997) La mayoría de factores relacionados con depósitos de agregados están referidos a la historia geológica de la región circundante. Los procesos geológicos que originaron la formación de depósitos o sus modificaciones subsecuentes, son responsables de su tamaño, forma, localización, tipo, condición de la roca, granulometría, redondez, grado de uniformidad y muchos otros factores pertinentes para su utilización. Las arenas naturales y gravas son usualmente la fuente más económica de agregados, y se obtienen comúnmente de depósitos de corrientes y de dunas de arena a lo largo de las costas. Los depósitos de corrientes de agua son los más comunes y generalmente los más satisfactorios, porque: las piezas individuales están usualmente redondeadas, la corriente ejerce una acción separadora la cual puede mejorar la composición granulométrica y la abrasión causada por el transporte y depósito conduce a una eliminación parcial de los materiales débiles. Los depósitos glaciales, usualmente contienen material con formas y tamaños heterogéneos, variando ampliamente en calidad. Los depósitos aluviales se encuentran usualmente como planos inclinados, que se extienden desde el pie de áreas montañosas hasta los valles adyacentes. Las arenas y gravas depositadas bajo tales condiciones, son angulosas, de granulometría pobre; y el depósito es irregular. 19 Capítulo II Aspectos Teóricos En áreas donde se encuentran rocas convenientes, la piedra extraída y triturada proporciona buenos agregados gruesos, aunque el costo es mayor que el de la grava natural debido a la necesidad de volar con explosivos el material y luego triturarlo para obtener el tamaño deseado. El material fino de estas extracciones es por lo regular polvoso y sus formas angulosas hacen que la mezcla sea mas áspera que una mezcla similar conteniendo granos de arena redondeados. (Murdock, 1964) 2.1.2.4 Aditivos Los aditivos son materiales diferentes al agua, agregados y cemento Portland que se usan como ingredientes del concreto y se adicionan inmediatamente antes o durante el mezclado. Los aditivos se emplean para modificar las propiedades del concreto, como es mejorar su trabajabilidad, aumentar su resistencia, retardar o acelerar el desarrollo de la resistencia y aumentar su resistencia a la congelación. En general, un aditivo influirá sobre más de una propiedad del concreto y, en consecuencia, debe considerarse su efecto sobre todas las propiedades del concreto. Los aditivos pueden aumentar o disminuir el costo del concreto, al hacer menores los requisitos del cemento para una resistencia dada, cambiar el volumen de la mezcla o bajar el costo de las operaciones de colocado y manejo del concreto. El control del tiempo del fraguado del concreto puede dar como resultado ahorros como son disminuir el tiempo de espera para dar acabado al piso, o bien, ampliar el tiempo en el que el concreto se encuentre plástico y, de este modo eliminar divisiones y juntas de construcción. (Waddell. et al., 1997) Los aditivos se presentan en forma de polvo, liquido o pasta y la dosis varia según el producto y el efecto deseado entre un 0.1% y 5% del peso del cemento. 20 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.1.3 Durabilidad del Hormigón El ACI define la durabilidad del concreto de cemento Portland, como la habilidad para resistir la acción del intemperismo, el ataque químico, la abrasión, o cualquier otro proceso o condición de servicio de las estructuras, que produzca deterioro del concreto. La conclusión primordial que se desprende de la definición anterior, es que la durabilidad no es un concepto absoluto que dependa solo del diseño de la mezcla, sino que esta en función del ambiente de exposición y las condiciones de trabajo a las cuales lo sometamos. En este sentido, no existe un concreto durable por si mismo, ya que las características físicas, químicas y mecánicas que pudieran ser adecuadas para ciertas circunstancias no necesariamente lo habilitan para seguir siendo durable bajo condiciones diferentes. Tradicionalmente se asoció la durabilidad a las características resistentes del concreto y particularmente a su resistencia en compresión, pero las experiencias prácticas y el avance de la investigación en este campo han demostrado que es solo uno de los aspectos involucrados, pero no el único ni el suficiente para obtener un concreto durable. El problema de la durabilidad es sumamente complejo, en la medida en que cada situación de exposición y condición de servicio ameritan una especificación particular tanto para los materiales y diseño de mezcla, como para los aditivos, la técnica de producción y el proceso constructivo, por lo que es usual que en este campo las generalizaciones resulten nefastas. 2.1.3.1 Factores que afectan la durabilidad Los factores que afectan la durabilidad del concreto, son aquellos que producen el deterioro del mismo estos factores se clasifican en 5 grupos: 21 Capítulo II • Aspectos Teóricos Congelamiento y deshielo El congelamiento y deshielo, constituye un agente de deterioro que ocurre en los climas en que la temperatura desciende hasta provocar el congelamiento del agua contenida en los poros capilares del concreto. En términos generales el fenómeno se caracteriza por introducir esfuerzos internos en el concreto que pueden provocar su fisuración reiterada y la consiguiente desintegración. Este fenómeno, se da tanto a nivel de la pasta de cemento, como en los agregados de manera independiente, así como en la interacción de ambos por lo que su evaluación debe abordar cada uno de estos aspectos. • Abrasión Se define la resistencia a la abrasión como la habilidad de una superficie de concreto a ser desgatada por roce y fricción. Este fenómeno se origina de varias maneras, siendo las más comunes las atribuidas a las condiciones de servicio, como son el transito de peatones y vehículos sobre las veredas y losas, el efecto del viento cargado de partículas sólidas y el desgaste producido por el flujo continuo de agua. En la mayoría de los casos, el desgaste por abrasión no ocasiona problemas estructurales, sin embargo puede traer consecuencias en el comportamiento bajo las condiciones de servicio indirectamente propiciando el ataque de algún otro enemigo de la durabilidad, siendo esto último mas evidente en el caso de las estructuras hidráulicas. • Corrosión de metales en el concreto El concreto por ser un material con una alcalinidad muy elevada (pH >12.5), y alta resistividad eléctrica constituye uno de los medios ideales para proteger metales introducidos en su estructura, al producir en ellos una película protectora contra la corrosión. Pero si por circunstancias internas o externas se cambian estas condiciones de protección, se producen el proceso electroquímico de la corrosión 22 Capítulo II Aspectos Teóricos generándose compuestos de óxidos de hierro que llegan a triplicar el volumen original del hierro, destruyendo el concreto al hincharse y generar esfuerzos internos. En el concreto pueden incluirse una serie de metales dependiendo de la utilidad que queremos darle, pero lo real es que el acero, es el metal de mayor uso desde que se desarrolló el concreto reforzado y sus múltiples aplicaciones. • Reacciones químicas en los agregados Las reacciones químicas en los agregados que pueden producir desintegración han sido y continuaran siendo muy investigadas a nivel mundial en relación a su repercusión en el concreto. Las reacciones químicas que se presentan en los agregados están constituidos por la llamada reacción sílice – álcalis y la reacción carbonato-álcalis. Reacción sílice – álcalis En la fabricación del hormigón, la hidratación del cemento Portland da como resultado una solución intersticial que contiene hidróxidos de calcio, sodio y potasio. El hidróxido de calcio está en forma cristalizada mientras que los hidróxidos de sodio y potasio se encuentran presentes en la solución. La reacción álcali-sílice se produce cuando la disolución alcalina de los poros del hormigón y los minerales silicios de algunos áridos reaccionan para formar un gel, que al embeber agua, aumentan de volumen. (Universidad Politécnica de Catalunya, 2008) Se produce con algunos agregados del tipo ópalo, calcedonia, ciertas formas de cuarzo, andesita, dacita que reaccionan con los hidratos de calcio del cemento ocasionando compuestos expansivos. Se han desarrollado varios métodos químicos, físicos y petrográficos para estimar el riesgo potencial de la reactividad, siendo la mejor evaluación la evidencia práctica del empleo de los agregados en concreto sin problemas. 23 Capítulo II Aspectos Teóricos Una de las dificultades para evaluar el riesgo consiste en que el desarrollo del fenómeno es lento, por lo que debe existir evidencia estadística de por lo menos 5 años para poder opinar sobre la habilidad práctica de algún agregado en particular sobre el que exista duda. Es importante notar que además de la reactividad potencial que pueden tener los agregados, deben darse otras condiciones para que se produzca la reacción, como son la calidad particular del agregado en cuestión, alto contenido de álcalis del cemento (superior al 6%), humedad relativa del orden del 80% y en el caso de climas calidos con temperatura ambiente elevada, la reacción se acelera. Sin embargo se concluye que no es tan fácil que se conjuguen todos los factores a la vez, por lo que este tipo de reacciones no se dan con mucha frecuencia. (Universidad Nacional de Ingeniería, 2007) Reacción carbonatos – álcalis La reacción álcali-carbonato se da en hormigones que tienen rocas carbonatadas como áridos. Hay dos clases de reacciones álcali-carbonato: - En la primera, las rocas carbonatadas reaccionan con los álcalis presentes en los poros del hormigón produciendo expansiones y fisuraciones nocivas. - En la segunda, las zonas periféricas de las partículas de árido en contacto con la pasta de cemento, se modifican, desarrollándose bordes sobresalientes entre la partícula y la pasta alterada que la rodea. Sin embargo, esta reacción parece no ser nociva para el hormigón. Estos bordes se pueden observar en la figura 2.4. 24 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.4: Superficies de testigos que muestran bordes de reacción. (Fuente: Universidad Politécnica de Catalunya, 2008). • Ambiente químicamente agresivo El concreto es un material que en general tiene un comportamiento satisfactorio ante diversos ambientes químicamente agresivos. El concepto básico reside en que el concreto es químicamente inalterable al ataque de agentes químicos que se hallan en estado sólido. Para que exista alguna posibilidad de agresión, el agente químico debe estar en solución en una cierta concentración y además tener la opción de ingresar en la estructura de la pasta cemento durante un cierto tiempo, es decir debe haber un cierto flujo de la solución concentrada hacia el interior del concreto y este flujo debe mantenerse un tiempo suficiente para que se produzca la reacción. Este marco de referencia reduce pues las posibilidades de ataque químico externo al concreto, sin embargo existen agentes que incrementan la posibilidad de deterioro como son: las temperaturas elevadas, velocidades de flujo altas, mucha absorción y permeabilidad, el curado deficiente y los ciclos de humedecimiento y secado. Los ambientes agresivos usuales están constituidos por el aire, agua y suelos contaminados que entran en contacto con las estructuras del concreto. 25 Capítulo II Aspectos Teóricos Se puede decir pues que el concreto es uno de los materiales que demuestran mayor durabilidad frente a ambientes químicamente agresivos, ya que si se compara estadísticamente los casos de deterioro con aquellos en que mantiene sus condiciones iniciales pese a su agresividad, se concluye que estos casos son excepcionales. (Universidad Nacional de Ingeniería, 2007) Clasificación de ataques químicos Lixiviación: Causada por la disolución y lixiviación del Ca 2+ de la pasta de cemento endurecida. Cuando el agua proviene de lluvia, deshielo, condensación u otro proceso que implique la presencia de aguas puras, penetran con cierta facilidad por una estructura de hormigón provocando la lixiviación de los compuestos calcicos. Ataque ácido: Debido a la concentración de protones ( H + ) que descomponen los compuestos calcicos de la pasta, ya que el hormigón es un material altamente alcalino, que presenta un pobre desempeño frente al contacto permanente o frecuente con ambientes ácidos. Durante el ataque acido, el protón ( H + ) acelera la lixiviación del hidróxido de calcio y cuando la concentración de protones es suficientemente importante también ataca los compuestos del silicato de calcio hidratado descomponiéndolos generando un gel de sílice sin resistencia. Ataque por acido carbónico: Es un tipo especial de ataque acido provocado por el CO2 agresivo del agua. Corresponde a la acción de un acido débil que disuelve al hidróxido de calcio y forma carbonato de calcio que precipita en los poros del hormigón, dicha precipitación causa un aumento del CO2 agresivo, que por ende disuelve más hidróxido de calcio. Finalmente este proceso tiende a causar la inestabilidad del silicato de calcio hidratado perdiendo su capacidad resistente. Ataque por acción de bacteria: Es el caso donde la proliferación de colonias de bacterias en contacto con superficies de hormigón, que son capaces de secretar ácidos que disminuyen el pH y degradan la pasta de cemento. Este tipo de degradación resulta más intensa en áreas planas y climas calidos pudiendo degradar rápidamente tanques y conductos. 26 Capítulo II Aspectos Teóricos Ataque por sulfatos: En general tienen relación con la presencia de SO42 − en solución en contacto con el hormigón. Se puede producir la formación de etringita en soluciones de baja concentración de SO42 − , la generación de etringita y yeso o solamente yeso cuando la solución presenta elevada concentración de SO42 − o por ultimo, la formación de etringita, yeso y taumasita cuando en el caso anterior se adiciona la presencia de iones carbonato externos o internos. Ataque por magnesio: Una alta concentración de sales de magnesio presenta una alta agresividad hacia el hormigón cuyo mecanismo varía en función del tipo de sal: En este caso se presenta de dos tipos, primero el deterioro por MgCl2 es conocido como ataque puro por magnesio por intercambio de catión y segundo el ataque por sulfato de magnesio debido a la acción simultánea de Mg 2+ y SO42 − . Ataque por agua de mar: Es un ataque complejo que en ocasiones puede ser del tipo químico de los iones Cl − y SO42 − o físico químico dependiendo del grado de exposición indirecta o directa de la acción del mar. El hormigón en contacto con agua de mar sufre un deterioro complejo que combina efectos químicos y físicos. Los iones que se difunden en el hormigón atacan a los productos de hidratación, facilitan la reacción álcali-agregado y cristalización de sales en la zona de mojado y secado, mientras que también procesos puramente físicos como la erosión de las olas y los objetos flotantes. Varios de estos procesos pueden ocurrir en forma simultánea provocando un deterioro progresivo difícil de evitar o de reparar una vez iniciado. Ataque por carbonatación: El hormigón se carbonata superficialmente debido a la acción del CO2 atmosférico que se combina con el Ca (OH )2 de la pasta de cemento para formar carbonato de calcio. La carbonatación superficial del hormigón produce una contracción volumétrica del hormigón que generalmente produce algunos efectos beneficiosos, como el aumento de resistencia y dureza superficial del hormigón. Sin embargo, este proceso también genera una importante disminución de pH y además la carbonatación temprana puede provocar superficies porosas y poco 27 Capítulo II Aspectos Teóricos resistentes, siendo típico el caso del empolvamiento provocado en losas de piso por efecto de la exposición del hormigón fresco o muy joven a atmósferas ricas en CO2 como es el caso de algunos ambientes industriales poco ventilados o el uso de salamandras o calefactores de tiro directo en ambientes cerrados. (Brandt, 2008) 28 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.2 Nanomateriales 2.2.1 Nanotecnología Nanotecnología es el desarrollo y la aplicación práctica de estructuras y sistemas en una escala nanométrica (entre 1 y 100 nanómetros). No hay que confundirla con el término nanociencia, que no implica una aplicación práctica, pero sí el estudio científico de las propiedades del mundo nanométrico. “Nano” es un prefijo griego que significa “mil millones” (una mil millonésima parte de un metro es la unidad de medida que se usa en el ámbito de la nanotecnología). Un átomo es más pequeño que un nanómetro, pero una molécula puede ser mayor. Una dimensión de 100 nanómetros es importante para la nanotecnología ya que bajo este límite se pueden observar nuevas propiedades en la materia, principalmente debido a las leyes de la física cuántica. Hay dos tipos de nanotecnología: • Top-Down Reducción de tamaño. Literalmente desde arriba (mayor) hasta abajo (menor). Los mecanismos y las estructuras se miniaturizan a escala nanométrica. Este tipo de nanotecnología ha sido el más frecuente hasta la fecha, más concretamente en el ámbito de la electrónica donde predomina la miniaturización. • Botton-Up Auto ensamblado. Literalmente desde abajo (menor) hasta arriba (mayor). Se comienza con una estructura nanométrica como una molécula y mediante un proceso de montaje o auto ensamblado, se crea un mecanismo mayor que el mecanismo con que comenzamos. Este enfoque, que algunos consideran como el único y “verdadero” enfoque nanotecnológico, ha de permitir que la materia pueda 29 Capítulo II Aspectos Teóricos controlarse de manera extremadamente precisa. De esta manera podremos liberarnos de las limitaciones de la miniaturización, muy presente en el campo de la electrónica. (Nanovip.com, 2006) Figura 2.5: Diferentes nanoestructuras. (Fuente: Interacción Humano Maquina, 2008). 2.2.2 Nanotecnología y su impacto en la construcción La nanotecnología, que según mantienen los expertos dará pié a lo que podría suponer la cuarta revolución industrial, está ofreciendo ya innovaciones aplicables al campo de la construcción. Lo mismo que para el siglo XIX supuso la maquina de vapor. Eso es lo que puede significar la nanotecnología para el desarrollo técnico en nuestros días. Mediante esta tecnología se consigue controlar la materia hasta tamaños moleculares, incluso atómicos, con lo que se posibilita, por ejemplo, fabricar un tubo de dimensiones minúsculas (millonésimas de milímetro) en el cual cada átomo está en el lugar que el fabricante ha escogido para él. Este tipo de piezas son utilizadas para aparatos de altísima precisión. El uso de esta tecnología va mucho mas allá del simple cambio de escala de trabajo, dado que las nanopartículas no se rigen según las leyes de la física mecánica tradicional, sino según las leyes de la física cuántica. 30 Capítulo II Aspectos Teóricos Este cambio de propiedades de la materia a escala nanométrica implica, entre otras cosas, una mayor capacidad de catalización, una longitud de onda sintonizable, diferente resistencia, conductibilidad y elasticidad. Lo que a escala humana es robusto, a escala nanométrica puede dejar de serlo. Y al revés. Aprovechando el conocimiento sobre estas características, los nanomateriales ya se han utilizado para elevar prestaciones de diferentes materiales de construcción. Algunas de las sorprendentes aplicaciones de la nanotecnología en el campo de los materiales es por ejemplo, el desarrollo de una pintura con propiedades de autolimpieza y protección anti-grafiti. También existen ya recubrimientos de grosor nanométrico que protegen el acero de la corrosión, o material cerámico para tazas de W.C. que presenta superficie completamente lisa a escala nanométrica, lo cual implica que se mantiene limpio y reluciente cada vez que se presiona la bomba de la cisterna, sin necesidad de limpiezas posteriores por parte del usuario. La pequeña empresa norteamericana Ecology Coattings ha desarrollado más de doscientas patentes de todo tipo de pinturas y barnices ecológicos basadas en un sólido viscoso sin disolventes que es lo suficientemente fluido como para extenderlo por las superficies, y que se seca en tres segundos. Y además, son más baratas que las pinturas tradicionales. Algunas de las grandes empresas del ramo ya sienten la alta competencia, y todo esto, sin mencionar su pintura plastificante para papeles, que ofrece un nanorevestimiento a prueba de agua pero que permite imprimir perfectamente. Uno de los productos que está entrando con más fuerza en el mercado son los nanoaditivos para el hormigón. En este caso, no nos encontramos ante materiales controlados átomo por átomo durante el proceso de fabricación; las nuevas técnicas han sido utilizadas sólo durante la fase de desarrollo del producto. La empresa Cognoscible Technologies ha introducido en el mercado español un nuevo aditivo para el hormigón denominado Gaia, que vendría a sustituir el tradicional microsílice, y que ofrece al mismo precio múltiples ventajas frente a éste.(Cognoscible Technologies, 2007) 31 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.2.3 Nanosílice El microsílice (del orden de 0.001 mm) es uno de los productos para el hormigón más ampliamente usados en todo el mundo por más de ochenta años. Sus propiedades han permitido obtener hormigones de alta resistencia, impermeables a los ataques del agua y los agentes químicos y contribuido a muchas de las edificaciones de concreto que vemos hoy en día. Su desventaja ha sido sin embargo, su relativamente alto precio, su contaminación al medio ambiente y la salud de los operadores. Estos últimos deben tomar precauciones especiales, porque al ser material en polvo mil veces mas pequeños que el humo de cigarrillo, puede producir silicosis si las condiciones de seguridad no son optimas. A mediados del 2003, Cognoscible Technologies recibió junto con la empresa chilena de aditivos para el hormigón: Ullmen S.A. el desafío de desarrollar un producto que reemplazara los efectos contaminantes del microsílice, tuviera los mismos resultados, o incluso los mejorara, y a un precio razonable que ameritara su uso. El objetivo era una sílice que permitiera cumplir la normativa ambiental ISO14001. Tabla 2.5: Diferencias entre nanosílice y microsílice. Fuente: Ulmen. (2007). 32 Capítulo II Aspectos Teóricos Los resultados de laboratorio y en terreno demostraron que el nanosílice no solo no contaminaba, sino que además tenía mucho mejores resultados que el microsílice, y una botella del producto igualaba a un barril entero de microsílice, cemento extra y súperplastificantes. Debido a su innovación, Gaia Nanosílice fue testeada por más de un año en la mina de cobre subterránea más grande del mundo “El Teniente”, en Chile, para comprobar sus resultados a largo plazo. Figura 2.6: Fotografía electrónica de nanosílice, partículas con rango de 100 nm. (Fuente: Ulmen, 2007). 33 Capítulo II Aspectos Teóricos Tabla 2.6: Propiedades Gaia Nanosilice. Fuente: Aguilar. (2007). 2.2.3 Caracterización de la nanoestructura de la nanosílice Las nanopartículas de sílice, presentan distribuciones bastante homogéneas, son de color negro o muy oscuras, como un especie de puntos, poseen formas tetraédricas bastante bien definidas, con tamaños individuales que oscilan entre 4.74 (nm) y 14.19 (nm). Tiene tendencia a agruparse en clústeres entre 3 y 5 nanopartículas, con tamaños grupales entre 16.55 (x3) y 35.47 (x5) (nm), con formas cristalinas relativamente distorsionadas y con bordes bastante irregulares. En las figura 2.7 se aprecia en color claro a las sustancias polimétricas en las cuales se encuentran suspendidas las nanopartículas y en un tono un poco más oscuro al interior de la resina de fijación que se utiliza en el laboratorio para una observación optima de las muestras. (Aguilar, 2007) 34 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.7: Detalle general imagen obtenida de microscopio electrónico (TEM), donde se aprecian los distintos componentes y formas en que se encuentra la nanosílice (Fuente: Aguilar, 2007). 2.2.4 Mecanismo de acción de la nanosílice Las nanopartículas de sílice actúan como núcleos durante el proceso de hidratación gracias a su alta energía superficial y a la actividad de los átomos en su superficie que le permiten generar muchos más sitios de nucleación para la formación de los productos de la hidratación. Lo cual se traduce en una mejora de la adherencia del cemento hidratado y aumento en la cinética de hidratación del cemento, lo cual es muy favorable para la resistencia de los morteros. Las nanomoléculas entre los productos de hidratación pueden absorber rápidamente o reaccionar para impedir el crecimiento de los cristales, tales como Ca (OH )2 y monosulfato (AFm), que se forman especialmente en la zona de transición entre la pasta y el agregado durante el proceso de hidratación. Que estos cristales sean pequeños los hace favorable para la resistencia de las pastas de cemento. Además, la nanosílice participa en el proceso de hidratación para generar C-S-H a través de la 35 Capítulo II Aspectos Teóricos reacción con el Ca (OH )2 y del aceleramiento del proceso de hidratación, éste nanoCSH llena los espacios vacíos en la zona de transición entre la pasta y el agregado para mejorar la densidad, cohesión y la impermeabilidad. Por lo tanto la nanosílice produce nanocemento que refuerza el cemento de tamaño micrométrico formando una matriz más densa, mejorando la integración y estabilidad de los productos de la hidratación. (Restrepo et al., 2006) 2.2.5 Efectos de la nanosílice en las propiedades del hormigón 2.2.5.1 Incidencia en las propiedades físicas Se ha podido establecer que las nanopartículas de sílice aceleran el proceso de hidratación del cemento y la formación de tobermorita gel (C-S-H) gracias a su elevada energía superficial. Mediante análisis microestructurales se ha podido determinar que las nanopartículas de sílice rellenan los poros existentes en la pasta cemento, por lo tanto, el hormigón con contenido de nanosílice presenta texturas más densas y compactas, además de disminuir permeabilidad del concreto. El calor de hidratación indica la actividad puzolánica de los materiales; si el material muestra alta actividad, el calor producto de su hidratación será mayor. Al incrementar el porcentaje de nanosílice se incrementa el calor de hidratación de la mezcla como consecuencia del grado de finura de las nanopartículas. (Restrepo et al., 2006) 2.2.5.2 Incidencia en las propiedades mecánicas De acuerdo a una investigación realizada por Cárcamo (2006) se concluye que la adición de nanomoléculas de sílice mejora notoriamente las propiedades mecánicas del mortero, a pesar de ser favorable para los esfuerzos de compresión y 36 Capítulo II Aspectos Teóricos flexotracción, el uso de nanosílice resulta ser comparativamente más favorable a los esfuerzos de compresión. Las mejoras en las propiedades mecánicas del concreto con adición de nanosílice se atribuyen a la generación de nanocemento, la eliminación de vacíos y en definitiva a la homogenización de la mezcla. 2.2.5.3 Incidencia en la mineralogía Al incrementar la adición de nanosílice se reduce el numero, el grado cristalinidad y el tamaño de los cristales de portlandita. La nanosílice puede reaccionar con los cristales de hidróxido de calcio que se forman en la zona de interacción entre la pasta cemento y el agregado para producir C-S-H, es decir, una estructura más estable. Así la cantidad y Tamaño de los cristales de hidróxido de calcio (portlandita) se reducen significativamente y la resistencia se incrementa. 37 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.8: Micrográfica SEM del hidróxido de calcio a 28 días: (a) sin adición; (b) 3% de nanosílice; (c) 3% de humo de sílice (Fuente: Restrepo. et al., 2007). Además en la figura 2.9 se puede apreciar que la nanosílice puede disminuir la orientación de los cristales de hidróxido de calcio más efectivamente que el humo de sílice. La presencia de nanosílice acelera la reactividad de la ceniza volante en los concretos normales, hace al concreto más denso y compacto y desaparecen los 38 Capítulo II Aspectos Teóricos cristales grandes de hidróxido de calcio y etringita. De esta forma el material toma un aspecto más denso. (Restrepo et al., 2006) Figura 2.9: (a) concreto normal 28 días de curado; (b) concreto adicionado con nanosílice a 28 días de curado; (c) concreto normal 180 días de curado; (d) concreto adicionado con nanosílice 180 días de curado. (Fuente: Restrepo et al., 2007). 2.2.6 Beneficios del uso de nanosílice • En hormigones de alta resistencia, la adición de nanosílice tiene un 88% más de rendimiento que microsílice, cemento adicional y superplastificantes. 39 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.10: Comparación de la cantidad de material necesaria al usar nanosílice o microsílice. (Fuente: Ulmen, 2007). • Bajo costo. • Es innecesario el uso de superplastificantes, pues conserva el cono por tiempos superiores a una hora. • Alta trabajabilidad. • Fácil homogenización. Al reducir los tiempos de mezclado permites a las plantas hormigoneras aumentar su producción. • Hormigones de alta resistencia iniciales y finales. • Alta impermeabilidad. • Cumple la normativa ISO 14001 de respeto al medio ambiente y a la salud de las personas. Evita los peligros de silicosis a sus operadores y carece de contaminación al medio ambiente. 2.2.7 Aplicaciones del nanosílice • Grouts • Lechada para pernos (60-70 MPa en 24 horas) • Lechadas para pozos petroleros • Shotcrete • Hormigones autocompactantes 40 Capítulo II Aspectos Teóricos • Hormigones prefabricados (30 a 50 MPa en 6-8 horas según requerimiento) • Hormigones Fast Track (40 MPa a 4 horas) • Hormigones de alta resistencia • Hormigones de alto desempeño • Hormigones ligeros de baja densidad • Y todas las aplicaciones tradicionales del microsílice. (Ulmen, 2007) 41 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.3 Ataque químico producido por sulfatos El hormigón se comporta satisfactoriamente bajo exposiciones correspondientes a diferentes condiciones atmosféricas, a la mayoría de las aguas y suelos que contienen químicos, y bajo muchos otros tipos de exposiciones a agentes químicos. Sin embargo existen algunos ambientes químicos en los cuales, la vida útil aún del mejor hormigón será muy breve. Comprender estas condiciones permite tomar medidas para evitar el deterioro o reducir la velocidad con la cual se produce. Son escasas o nulas las circunstancias bajo las cuales el hormigón es atacado por agentes químicos sólidos secos. Para producir un ataque significativo sobre el hormigón, los químicos agresivos deben estar en solución y presentes en una concentración superior a una cierta concentración mínima. El ataque producido por sulfatos es un proceso complejo y, a pesar de que se ha investigado durante décadas, aun no existe pleno consenso sobre los mecanismos mediante los cuales se activa y desarrolla la degradación del hormigón por la acción de los sulfatos. Lo que si se reconoce con cierta fiabilidad es que este tipo de compuestos reacciona fundamentalmente con los componentes del cemento, dando lugar a una serie de nuevas sustancias cuyo volumen es en la mayoría de los casos, mayor que los productos de reacción. Este incremento de volumen provoca un hinchamiento diferencial en el seno del hormigón cuyas tensiones internas asociadas pueden superar la resistencia a tracción del material, causando fisuración del mismo. El estudio de los mecanismos de ataque del hormigón por fuentes externas de sulfatos es un tema de plena actualidad científica. La extensión del ataque depende de la cantidad de sulfato en solución que, a su vez esta relacionada con las de otros cationes y aniones. Así, la agresividad de los sulfatos es, en orden descendiente, amonio, magnesio, sodio, potasio y calcio. (Universidad Politécnica de Catalunya, 2008) 42 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.3.1 Origen de los Sulfatos 2.3.1.1 Fuentes externas • Aguas Subterráneas Los sulfatos más peligrosos se encuentran en suelos y aguas subterráneas, su concentración en suelos es habitualmente pequeña, varia entre el 0.01% y el 0.05% en peso del suelo seco. De todos los sulfatos presentes en los suelos, solamente el contenido de yeso ( CaSO4 .2 H 2O ) esta limitado por la solubilidad del mineral. Cualquiera de los cationes, principalmente sodio, potasio, magnesio y calcio pueden estar presentes en forma de sulfato. Proceden de la oxidación de sulfuros (piritas), la descomposición biológica de materia orgánica y la contaminación industrial. Como las dos primeras fuentes requieren oxigeno, las capas superiores del suelo tienen mayor concentración de sulfatos que las inferiores. También las rocas seleníticas en la cimentación pueden producir ataques por sulfatos. • Aguas Marinas La acción química del agua marina sobre el hormigón se debe principalmente al sulfato de magnesio. El sulfato de magnesio reacciona con el hidróxido de calcio de los cementos Portland para dar sulfato de calcio e hidróxido de magnesio. 2.3.1.2 Fuentes internas • Cemento Portland El cemento Portland incorpora yeso en su proceso de fabricación, como regulador del fraguado. En las normas europeas se limita el contenido de SO3 para evitar problemas de expansión posteriores. 43 Capítulo II • Aspectos Teóricos Áridos El contenido en yeso de un árido debe limitarse (recomendable 4.5% si se emplea cemento Portland normal y 6% si se emplea resistente a sulfatos) ya que si no la expansión por formación de etringita secundaria puede deteriorar el material. • Agua de Amasado Se recomienda limitar el contenido de sulfatos. (Universidad Politécnica de Catalunya, 2008) 2.3.2 Factores que afectan la reacción hormigón-sulfato 2.3.2.1 Concentración y naturaleza del sulfato La velocidad del ataque dependerá tanto de la concentración de sulfatos en medio acuoso como de la naturaleza del sulfato. La tabla 2.8 muestra los requisitos típicos para hormigón expuesto a sulfato soluble establecido en el código ACI. Los sulfatos tienen distinto grado de solubilidad, siendo el sulfato de calcio muy poco soluble. En la tabla 2.7 se puede observar el grado de solubilidad de los sulfatos más comúnmente presentes en el suelo. Debido a su baja solubilidad, la acción del sulfato de calcio sobre morteros y hormigones de baja porosidad es mucho más lenta que la de los sulfatos mencionados anteriormente, pero su efecto final es comparable al de una solución concentrada de sulfato de sodio. En morteros y hormigones con una porosidad considerable, esta acción puede ser relativamente rápida. 44 Capítulo II Aspectos Teóricos Tabla 2.7: Grado de solubilidad de los sulfatos. Fuente: Comité Interjurisdiccional Río Colorado. (2001). 2.3.2.2 Agua Para considerar la importancia del papel del agua en el ataque por sulfatos en el hormigón, hay que tener en cuenta factores como la permeabilidad del suelo, si el agua circula o está estancada, y la localización del nivel freático. La zona más atacada es la zona en la que oscila el nivel de agua, ya que se produce cristalización de las sales y esto agudiza el ataque. La circulación de agua también es más peligrosa que cuando está estancada, ya que en este caso, la renovación de sulfatos es continua. (Universidad Politécnica de Catalunya, 2008) 2.3.2.3 Tipo de cemento Existe correlación entre la resistencia al sulfato de un determinado tipo de cemento y el contenido de aluminato tricálcico. Pues es la reacción química entre el aluminato de calcio hidratado y el yeso la que forma etringita. Por lo tanto limitar el contenido de aluminato tricálcico en el cemento reduce potencialmente la formación de etringita. Se ha afirmado que el contenido de aluminato tricálcico es el factor más influyente en la resistencia del hormigón frente al sulfato, donde cuanto menor sea el contenido de aluminato tricálcico mayor es la resistencia al sulfato. 45 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.3.2.4 Calidad del hormigón En general, mientras más impermeable sea el hormigón disminuye la posibilidad de penetración de agua con contenido de sulfato. Para obtener hormigones de baja permeabilidad, éste debe ser denso, por tanto debe tener una baja relación agua/cemento. El código ACI exige utilizar bajas relaciones agua/cemento en hormigones sometidos a suelos o aguas subterráneas con sulfatos solubles. Por ejemplo, la relación agua/cemento debe ser igual o inferior a 0,45 para hormigones expuestos a sulfatos en condiciones severas o muy severas. Hay muchas otras condiciones que pueden afectar la calidad del hormigón. Por ejemplo, un hormigón con deficiencias en el curado puede dar como resultado hormigones con exceso de huecos. Otra condición es la corrosión en el refuerzo que puede producir grietas en el hormigón aumentando su permeabilidad. El agrietamiento también puede ocurrir cuando los elementos están sometidos a flexión. Por ejemplo un elemento sometido a tracción debido a un aumento de la flexión puede generar micro-grietas lo que también aumenta la permeabilidad del hormigón. (Day, 2001) 2.3.2.5 Acumulación de sulfatos Los sulfatos pertenecientes al suelo o preveniente de aguas en contacto con el hormigón se pueden depositar en las grietas que éste tenga en su superficie, provocando concentraciones de sulfato que pueden causar un deterioro acelerado de este. (Richardson, 2002) La siguiente tabla muestra los requisitos típicos para hormigón expuesto a sulfato soluble establecidos en el código ACI. 46 Capítulo II Aspectos Teóricos Tabla 2.8: Requisitos para concreto expuesto a soluciones con sulfato. Tipos de exposición a los sulfatos Sulfatos solubles en Sulfatos Tipos de Relación A/C agua (SO) presentes (SO4) en agua cemento recomendada en suelos (% en peso) ppm recomendado (concreto normal) Despreciable 0 a 0.10 0 a 150 Moderada 0.10 a 0.20 Severa Muy severa 150 a 1.500 ─ II, IP (MS), IPM (MS), I (SM)(MS) ─ 0.50 0.20 a 2.00 1.500 a 10.000 V 0.45 ≥ 0.20 ≥ 10.000 V + Puzolana 0.45 Fuente: Universidad Nacional de Ingeniería. (2007). 2.3.3 Formas de ataque químico por sulfatos • Expansión del hormigón por cristalización de sales complejas Esta forma de ataque tiene su origen en dos reacciones químicas: - Reacción con el aluminato tricálcico hidratado para formar etringita (Forma clásica de ataques por sulfato). Estudios han demostrado que ocurren dos reacciones químicas consecutivas. La primera ocurre entre el sulfato y el hidróxido de calcio (generado durante la hidratación del cemento) para formar sulfato de calcio, comúnmente conocido como yeso, debido a que al permanecer la superficie del hormigón en contacto con la solución agresiva, penetra el SO42 − (ion sulfato) por difusión limitada en la zona superficial; penetra el catión asociado y reacciona sustituyendo el Ca 2+ (ion calcio), formándose yeso. La segunda reacción es una reacción puntual entre el yeso y el C3 A (aluminato tricálcico) o el C4 AH x (aluminato cálcico hidratado) o también una reacción entre el yeso y el monosulfato, generando etringita expansiva. Este sulfoaluminato presenta un volumen 2,5 veces superior al del aluminato de partida, dando por consiguiente, a una fuerte expansión; degradando el conglomerante y dejando solo al árido. Se presenta una fisuración por presión de cristalización, acentuándose la penetración de los sulfatos por las fisuras creadas, pudiendo llegar a la destrucción más o menos completa. (Day, 2001) 47 Capítulo II Aspectos Teóricos Figura 2.11: Imagen de puntos de coalescencia producto de ataque por sulfatos. La etringita ha sustituido algunos silicatos hidratados en la pasta cemento. (Fuente: Understanding Cement, 2009). - Relación con otros componentes procedentes de la hidratación del cemento, como cal y magnesia hidratadas, para producir sulfato cálcico hidratado. La formación de yeso como resultado de las reacciones de intercambio de cationes también puede producir expansiones, aunque el deterioro del hormigón por formación de yeso se debe a un proceso que supone una reducción de la resistencia y la rigidez, seguido de expansión, fisuramiento y la transformación del material en una masa sin cohesión. • Pérdida de resistencia y de masa debido al deterioro en la cohesión de los productos de hidratación del cemento, y puede originarse por la actuación del sulfato de magnesio o bien por la formación de taumasita. (Universidad Politécnica de Catalunya, 2008) 48 Capítulo II Aspectos Teóricos La formación de taumasita es el resultado de una reacción entre los sulfatos, los silicatos de calcio del cemento y el carbonato de calcio. El carbonato puede originarse por el uso de áridos calizos, cementos con alto contenido de filler calizo y aguas subterráneas. Los sulfatos generalmente provienen de fuentes externas. Alternativamente se pueden formar a partir de la participación de una reacción entre etringita, silicatos hidratados y carbonato de calcio. Si este es el caso la formación de etringita es una condición necesaria que implica una forma clásica de ataque por sulfatos previa. La reacción inicial de la alumina es otra condición necesaria para que ocurra la reacción. La participación de los silicatos de calcio hidratados conduce a la pérdida de fuerza y cohesión en el concreto. La taumasita has sido descrita como un complejo sulfato cuya composición es CaSiO3 ⋅ CaCO3 ⋅ CaSO4 ⋅15 H 2O . Este material tiene estructura cristalina similar a la etringita, pero se encuentra en fase silicato. La formación de taumasita parece ocurrir más visiblemente en presencia de sulfatos de magnesio y sodio y menos visible en presencia de sulfato de calcio. (Richardson, 2002) Figura 2.12: Taumasita (color blanco) formada alrededor de agregado grueso de piedra caliza y en grietas. (Fuente: Understanding Cement, 2009). 49 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.3.3.1 Reacciones químicas producto del ataque por sulfatos Las reacciones destructivas en el concreto debidas a la presencia de soluciones sulfatadas son fundamentalmente tres: • Aquellas que llevan a la formación de yeso dihidratado (CaSO4 • 2 H 2O) • La que provoca la formación de etringita (3Cao • Al2O3 • 3CaSO4 • 32 H 2O) • Aquella que lleva a la formación de taumasita (CaCO3 • CaSO4 • CaSiO3 • 15 H 2O) Tabla 2.9: Síntesis de reacciones químicas producto de ataque por sulfatos. Fuente: Aguilar. (2007). De acuerdo a las reacciones mencionadas anteriormente: El hidróxido de calcio, Ca (OH )2 producto de la hidratación del silicato bicalcico del cemento, se transforma con incremento de volumen en el yeso dihidratado ( CaSO4 ⋅ 2 H 2O ) , según la reacción (I). Mayor aun es el aumento de volumen que se verifica según la reacción (II), cuando el aluminato de calcio hidratado 3CaOAl2O3 6 H 2O se transforma en etringita. 50 Capítulo II Aspectos Teóricos La formación de taumasita, reacción (III), es producto de condiciones particulares del ambiente, como puede ser la riqueza en anhídrido carbónico (CO2 ) , fuerte humedad relativa y clima frío, tiene un efecto mucho más dañino que los anteriores, llevando al concreto a un estado incoherente. (Aguilar, 2007) 2.3.4 Sulfato de calcio El yeso es un sulfato natural, que bajo ciertas condiciones de deshidratación puede transformarse en anhidrita y viceversa, bajo ciertas condiciones de hidratación la anhidrita puede trasformarse en yeso. El yeso es un sulfato de calcio hidratado ( CaSO4 ⋅ 2 H 2O ) teóricamente compuesto por CaO (32.5%), SO3 (46.6%) y H 2O (20.9%). La Anhidrita ( CaSO4 ) está compuesta por CaO (41.2%) y SO3 (58.6%). Figura 2.13: A) Sulfato de cálcio dihidratado. (Fuente: Wikipedia, 2009); B) Microfotografia SEM de yeso. (Fuente: Algiss, 2008). 51 Capítulo II Aspectos Teóricos El sulfato de calcio ( CaSO4 ⋅ 2 H 2O ) no es muy soluble en agua, de hecho su grado de solubilidad es significativamente menor que otros sulfatos, como se señaló anteriormente en la tabla 4.1. El ataque químico producto del sulfato de calcio sobre hormigón en contacto con suelos que lo contienen, puede variar de insignificante a severo, dependiendo de la cantidad de yeso disuelto en agua en contacto con el hormigón. En concentraciones cercanas a la saturación, el sulfato de calcio comienza a reaccionar con el aluminato de calcio hidratado (4CaO ⋅ Al2O3 ⋅19 H 2O) , el principal producto de hidratación de la fase aluminato de calcio del cemento Portland. (Klieger, 1994) La reacción entre el sulfato de calcio y el aluminato de calcio hidratado se describe a continuación: Tabla 2.10: Reacción química producto del ataque por sulfato de calcio. Fuente: Aguilar. (2007). A diferencia de otros sulfatos, el sulfato de calcio reacciona directamente con el aluminato de calcio hidratado. Por ejemplo la acción del sulfato de sodio es doble, reacciona primero con el hidróxido de calcio generado durante la hidratación del cemento, formando sulfato de calcio e hidróxido de sodio y a su vez el sulfato de calcio ataca al aluminato tricálcico hidratado. El sulfato de magnesio es el que produce mayor daño, ya que actúa en todas las fases de la pasta cemento, incluso en las fases silicato mediante una serie de acciones complejas que modifican el pH de la pasta cemento. La reacción inicial se presenta entre el sulfato de magnesio y el aluminato de calcio hidratado produciendo etringita e hidróxido de magnesio y otra reacción entre el sulfato de magnesio y el hidróxido de calcio para dar como 52 Capítulo II Aspectos Teóricos resultado sulfato de calcio e hidróxido de magnesio, produciéndose así, al igual que en el caso del sulfato de sodio, ataque por sulfato de calcio. (Aguilar, 2007) 2.3.5 Productos del ataque químico por sulfato de calcio 2.3.5.1 Etringita Es un sulfoaluminato de calcio con un alto contenido de sulfato, se da en la naturaleza o se forma por el ataque del sulfato sobre mortero u hormigón. Este compuesto es muy poco soluble en agua y produce un gran aumento de volumen respecto a los compuestos iniciales aproximadamente 250%. (ACI 116, 1990) La formación de etringita produce una expansión de la pasta de cemento, generando, en estado endurecido, deformaciones y tensiones de tracción incompatibles con el material y produciendo un estado de fisuración que degrada el material progresivamente. Generalmente se encuentra en las fisuras del concreto dañado, alrededor de las partículas de agregado o en microfisuras de la pasta cemento. (Giraldo et al., 2006). Figura 2.14: Etringita. (Fuente: Soriano. et al., 2005). 53 Capítulo II Aspectos Teóricos 2.3.5.2 Hidróxido de calcio También conocido como Portlandita es un compuesto altamente soluble en agua y fácilmente lixiviable por disolución; puede reaccionar con sulfatos y cristalizar como dihidrato dando lugar a procesos de expansión y ruptura y posteriormente a la formación de etringita. El hidróxido de calcio también tiene efectos positivos en tanto que es el encargado de mantener el pH de la pasta en valores altos (12-13) pues actúa como una “reserva alcalina”, mantiene a los hormigones protegidos contra la corrosión electroquímica. En el microscopio electrónico la portlandita se presenta normalmente en forma de plaquetas hexagonales delgadas, a menudo de décimas de micrómetros de ancho como se mostró anteriormente en la figura 2.3. (Giraldo et al., 2006) 2.3.6 Caracterización del ataque por sulfatos El ataque por sulfatos se caracteriza por: • Cambio de coloración en la superficie, pues el cemento va perdiendo su carácter conglomerante quedando los áridos libres de la unión que les proporciona la pasta. Inicialmente suele presentar un aspecto poroso, cambio de color y eflorescencias o manchas. • Aumento de volumen, provocando una fuerte expansión, degradando el conglomerante y dejando solo al árido. • Aparición de fisuras entrecruzadas cuyo espesor va en aumento dando como resultado una fisuración irregular, causadas por las tensiones que se generan producto de la expansión. Además la aparición de fisuras facilita la 54 Capítulo II Aspectos Teóricos penetración de más sustancias nocivas a medida que progresa la degradación. • De manera simultanea a la fisuración se va produciendo delaminación, con una curvatura de las capas externas del concreto. • Pérdida de adherencia entre la pasta cemento y los agregados. • Degradación del concreto en la matriz cementicia, transformándose en un material blando y sin cohesión. • Desintegración de la masa de concreto. (Aguilar, 2007) Por lo tanto estos cambios de fases debieran implicar a su vez cambios en las propiedades estructurales del material, lo que traería como consecuencia una disminución del desempeño de éste. 55 Capítulo III Experiencias de Laboratorio CAPITULO III EXPERIENCIAS DE LABORATORIO 3.1 Elaboración de probetas de mortero 3.1.1 Materiales que intervienen en la fabricación del mortero Los materiales a utilizar para las muestras de prueba son: • Cemento El cemento utilizado para la fabricación de las probetas de mortero fue cemento Melón Especial, grado corriente, el cual es elaborado sobre la base de clinker, puzolana y yeso. De acuerdo a la norma NCh 148 Of 68, se clasifica según su composición y resistencia como cemento clase puzolánico, grado corriente. Y de acuerdo a sus propiedades se clasifica como tipo HS (High Sulfate Resistance) según la norma ASTM– 1157. • Áridos Como ya sabemos el mortero está constituido por un aglomerante, agua y árido fino, por ende, para la elaboración de las probetas de mortero el árido utilizado fue arena, la cual debe cumplir con los requerimientos establecidos en la norma NCh 163 Of 79. • Agua El agua es un componente fundamental al momento de fabricar el hormigón, ya que su presencia determina tanto el desarrollo de las propiedades en su estado fresco como en la etapa de endurecimiento. En la elaboración de las probetas de mortero se utilizó agua potable, por lo que no es necesario comprobar su calidad ya que cumple con los requisitos establecidos en la norma NCh 1498 Of 82. 56 Capítulo III • Experiencias de Laboratorio Aditivo El aditivo utilizado para la confección de las probetas de mortero y tema central de ésta investigación son las nanomoléculas de sílice, cuyo nombre comercial es Gaia Nanosílice, el cual se adicionó a la mezcla en distintas concentraciones 0.0%, 0.5%, 1.0% y 1.5% del peso de cemento dosificado. • Moldaje Se elaboraron 64 moldes de forma cilíndrica con una altura de 18 mm y 25 mm de diámetro. Los materiales utilizados fueron: tubería de pvc de 25 mm de diámetro, pegamento para pvc y una plancha de pvc proveniente de una tubería de mayor diámetro, la cual fue estirada con calor. Se cortó la tubería de pvc en 64 cilindros de altura 1.8 cm, luego la plancha estirada se cortó en tapas cuadradas de lado 4 cm que se adhirieron con pegamento para pvc a los cilindros, de esta forma las tapas sirvieron de base para los moldes. Figura 3.1: Moldes fabricados con tubos de PVC para la elaboración de probetas de mortero. (Fuente: Elaboración propia). 3.1.2 Resultados de ensayos normalizados de caracterización de áridos para la fabricación de morteros 57 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Para la fabricación de las probetas de mortero, fue necesario caracterizar la arena con la finalidad de asegurar una calidad óptima del árido. Los ensayos de carácter obligatorio establecidos por la normativa chilena son: - Granulometría, según NCh 165 Of 77 - Determinación colorimétrica de la presencia de impurezas orgánicas en las arenas para hormigones, según NCh 166 Of 52 - Determinación del material fino menor a 0.080 mm, según NCh 1223 Of 77 - Determinación de las densidades real y neta de la absorción de agua de las arenas, según NCh 1239 Of 77. 3.1.2.1 Granulometría Se refiere al estudio de los tamaños y proporciones que constituyen un árido, lo cual tendrá gran incidencia en la propiedades tanto del hormigón fresco como endurecido. Tabla 3.1: Granulometría de arena seleccionada. Fuente: Elaboración Propia. 58 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.1.2.2 Cálculo del módulo de finura De acuerdo a lo establecido en NCh 165 Of. 77, debido a que en el tamiz de 5 mm queda retenido un cierto porcentaje de la muestra, el modulo de finura se calcula de la siguiente manera: Tabla 3.2: Tipos granulométricos de arenas. Fuente: INN. De acuerdo al tipo granulométrico puede ser considerada arena normal, con algunos rasgos de arena fina. 59 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.1.2.3 Determinación colorimétrica de la presencia de impurezas orgánicas en las arenas para hormigones Los áridos naturales, por razón de su origen, suelen contener impurezas que cuando son inocuas, o siendo nocivas lo están en muy débil proporción, se permiten mientras no rebasen ciertos límites que, de ser superados, pueden afectar la durabilidad del hormigón. La presencia de impurezas orgánicas en un árido puede modificar las reacciones químicas del cemento con el agua, alterando el correcto fraguado y puede retardar el endurecimiento. Al comparar la muestra ensayada con el patrón colorimétrico, el resultado obtenido fue nivel Nº 2, lo cual indica, según tabla 3.3, un nivel aceptable de materia orgánica. Tabla 3.3: Contenido de materia orgánica en arenas. Fuente: Kehr. (2008). 3.1.2.4 Determinación del material fino menor a 0.080 mm. Estas partículas recubren los granos de los áridos formando películas que desmejoran la adherencia cemento-árido y afectan la resistencia del hormigón. El exceso de finos produce hormigones fisurables y de baja resistencia a la abrasión. Por otra parte el exceso de finos mejora la trabajabilidad y la impermeabilidad de los hormigones. 60 Capítulo III Experiencias de Laboratorio De acuerdo a lo establecido en NCh 1223 Of 77 el contenido de finos se calculó mediante la siguiente expresión: En que: A = Contenido de material fino inferior a 0,080 mm (%). B = Masa inicial de la muestra de ensayo seca (g). C = Masa de la muestra de ensayo lavada y seca (g). El resultado obtenido cumple con lo establecido en NCh 163, ya que el límite aceptable de material fino menor a 0.080 mm para arena presente en hormigones sometidos a desgaste es 3% y para todo otro tipo de hormigón es un 5%. 3.1.2.5 Determinación de las densidades real y neta de la absorción de agua de las arenas Las densidades real y neta de los áridos permiten conocer sus volúmenes compactos con el fin de dosificar morteros y hormigones. Relacionado con la densidad aparente, puede determinarse la compacidad del árido. La absorción esta íntimamente vinculada con la porosidad interna de los granos de árido y con la permeabilidad de los morteros y hormigones. Se calcularon las densidades y absorción de agua utilizando los siguientes datos: ms = 95.47 g. msss = 97.914 g. 61 Capítulo III Ma = 661.87 g. Mm = 722.46 g. Experiencias de Laboratorio Donde: ms = Masa de la muestra seca, g. msss = Masa de la muestra saturada superficialmente seca, g. Ma = Masa del matraz con agua hasta la marca de calibración, g. Mm = Masa del matraz con la muestra más agua hasta la marca de calibración, g. • Densidad real del árido saturado superficialmente seco ( ρ Rsss ) : • Densidad real del árido seco ( ρ Rs ) : • Densidad neta ( ρ N ) : 62 Capítulo III • Experiencias de Laboratorio Absorción de agua (α ) : La norma NCh 163 establece que el limite máximo de absorción de agua para las arenas es 3%, por lo tanto el resultado obtenido se encuentra dentro del rango aceptable. 3.1.3 Dosificación La dosificación del mortero se realizo según razón A/C basándose en “Manual del mortero”, capítulo 7.4 titulado “Dosificación de morteros para cumplir requisitos especificados”. • Razón A/C 0.55 Se tiene: Proporción cal/cemento =0 Grado de fluidez = Media Módulo de finura = 2.34 Tamaño máximo arena = 5 mm 63 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Mediante interpolación se obtiene: - Dosis de agua (A) = 311.6 l/m3 - Dosis de aire (H) = 30 l/m3 Cálculo dosis de cemento: Si A/C= 0.55 ⇒ C/A= 1.818 C = C ( A + H ) A C = 1.818 (311.6+30)= 621.029 Kg/m3 - Dosis de cemento (C) = 621 Kg/m3 Cálculo dosis de arena: ( ) F = pf 1000 − A − H − C pc Donde: C = dosis de cemento Kg F = dosis de arena Kg A = dosis de agua L H = dosis de aire L pf = peso específico real de la arena Kg/L pc = peso específico real del cemento Kg/L C = 621 Kg/ m3 A = 311.6 L/m3 H = 30 L/m3 pf = 2.6 Kg/L pc = 3.0 Kg/L 64 Capítulo III Experiencias de Laboratorio F= 2.6 (1000 – 311.6 – 30 – (621/3)) = 1173. 6 Kg/m3 - Dosis de arena (F) = 1173.6 Dosificación para un m3 de mortero, razón A/C 0.55: • - Agua = 311.6 L - Arena = 1173.6 Kg - Cemento = 621 Kg Razón A/C 0.65 Se tiene: Proporción cal/cemento =0 Grado de fluidez = Media Módulo de finura = 2.34 Tamaño máximo arena = 5 mm Mediante interpolación se obtiene: - Dosis de agua (A) = 311.6 l/m3 - Dosis de aire (H) = 30 l/m3 Cálculo dosis de cemento: Si A/C= 0.65 ⇒ C/A= 1.538 C = C ( A + H ) A C = 1.538 (311.6+30)= 525.381 Kg/m3 - Dosis de cemento (C) = 525 Kg/m3 65 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Cálculo dosis de arena: ( ) F = pf 1000 − A − H − C pc Donde: C = dosis de cemento Kg F = dosis de arena Kg A = dosis de agua L H = dosis de aire L pf = peso específico real de la arena Kg/L pc = peso específico real del cemento Kg/L C = 525 Kg/ m3 A = 311.6 L/m3 H = 30 L/m3 pf = 2.6 Kg/L pc = 3.0 Kg/L F= 2.6 (1000 – 311.6 – 30 – (525/3)) = 1256.51 Kg/m3 - Dosis de arena (F) = 1256.51 Kg/m3 Dosificación para un m3 de mortero, razón A/C 0.65: - Agua = 311.6 L - Arena = 1256.5 Kg - Cemento = 525.38 Kg 3.1.3.1 Detalle de probetas a elaborar • Razón A/C 0.55 66 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Se confeccionaron 32 probetas de mortero razón A/C 0.55, las distintas adiciones de nanosílice, las cuales fueron establecidas de acuerdo a una investigación anterior realizada por Brandt (2008), se calculan como porcentaje en peso del cemento dosificado. En la tabla 3.4 se detalla la cantidad de muestras elaboradas para la razón A/C 0.55. Tabla 3.4: Configuración de probetas razón A/C 0.55. Fuente: Elaboración propia. La fabricación de las muestras se hizo realizando 4 mezclas distintas, es decir, una mezcla para cada adición de nanosílice (0.0%, 0.5%, 1.0% y 1.5%). Para cubrir el volumen de 8 probetas por mezcla, cada una de ellas fue de 200 cc de mortero. Tabla 3.5: Dosificación para 8 probetas razón A/C 0.55. Fuente: Elaboración propia. • Razón A/C 0.65 Se confeccionaron 32 probetas de mortero razón A/C 0.65, con las mismas adiciones de nanosílice que en el caso anterior. En la tabla 3.6 se detalla la cantidad de muestras elaboradas para la razón A/C 0.65. 67 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Tabla 3.6: Configuración de probetas razón A/C 0.65. Fuente: Elaboración propia. Al igual que para las muestras con razón A/C 0.55, la fabricación de las muestras se hizo realizando 4 mezclas distintas, es decir, una mezcla para cada adición de nanosílice (0.0%, 0.5%, 1.0% y 1.5%). Para cubrir el volumen de 8 probetas por mezcla, cada una de ellas fue de 200 cc de mortero. Tabla 3.7: Dosificación para 8 probetas razón A/C 0.55. Fuente: Elaboración propia. 3.1.4 Elaboración de mezclas en laboratorio En primer lugar cabe señalar que se trabajó con áridos secos, por lo tanto no fue necesario hacer la corrección por humedad en la dosificación. Luego se procedió a pesar cada uno de los componentes del mortero para las 8 mezclas. Con ayuda de una pipeta se registraron los pesos de nanosílice para las 6 mezclas que contienen el aditivo (0.5%, 1.0% y 1.5% del peso del cemento dosificado). En recipientes metálicos se registró las cantidades de arena y cemento para cada una de las mezclas. 68 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.2: Botella de nanosílice y pipeta graduada utilizada para obtener el peso de nanosílice necesario para cada mezcla. (Fuente: Elaboración propia). Figura 3.3: Recipientes metálicos utilizado para obtener las pesada requerida de arena, también se utilizó para pesar el cemento para cada mezcla. (Fuente: Elaboración propia). 69 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Con una probeta graduada se midió el volumen de agua requerido para cada mezcla, el cual se mezcló con el aditivo Gaia Nanosílice registrado anteriormente para las 6 mezclas que contienen el aditivo. Antes de proceder a mezclar los componentes del mortero se aplicó desmoldante a cada uno de los moldes de las probetas a fin de facilitar el desmolde a los 28 días de curado. Una vez hecha cada mezcla se procedió a rellenar los moldes dando una serie de pequeños golpes con la finalidad de obtener un mortero compacto con la menor cantidad vacíos en su interior. Para asegurar un buen curado inicial se utilizó una lámina de nylon sobre las probetas de hormigón fresco, para luego pasarlas a la piscina de curado durante 28 días. Figura 3.4: Moldes con las diferentes mezcla de mortero. (Fuente: Elaboración propia). 70 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.2 Ensayo de inmersión en sulfato de calcio El procedimiento consistió en la inmersión de los discos de mortero en una solución con sulfato de calcio para una concentración de 5000 ppm. Esta se considera una exposición del tipo severa según el código ACI. Previa inmersión de los discos, éstos se secaron hasta obtener masa constante; uno de los objetivos del ensayo es determinar la degradación del mortero mediante el análisis de pérdida de masa. La distribución de las probetas se hizo en 12 recipientes debidamente tapados, para así evitar la evaporación de la solución y conservar la concentración inicial del sulfato. Se destinaron 6 recipientes para cada razón A/C y en cada uno de ellos se sumergieron 4 discos con distinta adición de nanosílice (0%, 0.5%, 1.0% y 1,5%). Cada recipiente se marco con plumón permanente indicando: razon A/C, tiempo, ubicación de las muestras y nivel de la solución. Figura 3.5: Recipiente T1-0.55 y T1-0.65 completamente identificados con sus respectivas muestras durante el ensayo de inmersión. (Fuente: Elaboración propia). 71 Capítulo III Experiencias de Laboratorio El ensayo de inmersión tuvo una duración total de 42 días. Los discos fueron retirados de la solución en 6 intervalos de tiempo. Éstos fueron establecidos como se señala en la tabla 3.8, con la finalidad de acortar los intervalos de medición en comparación a los utilizados para sulfato de sodio y así poder realizar una mejor caracterización de las probetas de mortero Tabla 3.8: Duración ensayo de inmersión. Fuente: Elaboración propia. Figura 3.6: Esquema de posición de las probetas de mortero durante ensayo de inmersión. (Fuente: Elaboración propia). 72 Capítulo III Experiencias de Laboratorio El procedimiento de inmersión de los discos de mortero busca caracterizar el deterioro del material frente al ataque por sulfato de calcio. Los análisis considerados son los siguientes: • Pérdida de masa • Variación de pH • Cambios en la morfología superficial 3.2.1 Preparación de la solución 3.2.1.1 Materiales - Agua des - ionizada - Sulfato de calcio dihidratado Marca: Riedel – de Haën Concentración: 5000 ppm Peso molecular: 172,17 grs./mol - Matraz aforado 2 Lts. - Varilla de vidrio - Balanza digital de precisión 3.2.1.2 Preparación de la solución Se preparó una solución de concentración 5000 ppm, es decir, por cada litro de agua des – ionizada se debe agregar 5 grs. de sulfato de calcio. El código ACI establece que una concentración severa de sulfatos va desde 1500 ppm a 10000 ppm. El sulfato de calcio tiene un coeficiente de solubilidad muy bajo, por lo tanto se asume que solo un porcentaje de sulfato adicionado a la solución se encuentra disuelto y por ende genera daño en el mortero. Debido al grado de solubilidad de 73 Capítulo III Experiencias de Laboratorio éste sulfato la bibliografía señala que es el tercer sulfato más dañino para el concreto después del sulfato de sodio y magnesio. 3.3 Análisis pérdida de masa Una forma de estudiar la degradación del mortero producto del sulfato de calcio en disolución es por medio de la diferencia de masa de las muestras. Para esto se determinó el peso seco de cada probeta antes y después de ser sumergidas en la solución reactiva, a fin de comparar ambos pesajes e inferir acerca del daño. 3.3.1 Determinación del peso seco La determinación del peso seco se realizó de igual forma antes y después del ensayo de inmersión. 3.3.1.1 Materiales - Pinzas - Balanza de precisión digital Marca: Swiss Quality Modelo: Precisa 310 M Unidad de medida: gramos con exactitud 3 decimales Capacidad máxima: 310 g. - Balanza detectora de humedad Marca: OHAUS Modelo: 6010 H Unidad de medida: gramos Capacidad máxima: 10 g 74 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.3.1.2 Metodología Las probetas se sometieron a un proceso de secado utilizando balanza detectora de humedad, la cual mediante una lámpara de gran potencia logra la evaporación de la humedad presente en las muestras. Es importante señalar que la capacidad máxima de la balanza detectora es de 10 gramos y cada probeta pesa alrededor de 20 gramos, por lo tanto, no fue posible utilizar la balanza detectora de humedad para registrar los pesos. Se utilizó una balanza de precisión digital. Figura 3.7: Balanza detectora de humedad; Balanza de precisión digital. (Fuente: Elaboración propia). Primero se realizó un registro de cada disco de acuerdo a sus características, es decir, relación agua- cemento, porcentaje de adición de nanosílice y tiempo en que será retirado de la solución. Luego se pesó cada disco en la balanza de precisión decimal, registrando el peso de cada uno de ellos en el tiempo t 0 = 0 , antes de ser sometidos a la balanza detectora de humedad. Las probetas se secaron en grupos de cuatro, ubicándolas correctamente identificadas, en el plato de la balanza detectora de humedad. Las mediciones se hicieron de acuerdo a los siguientes intervalos de tiempo: 75 Capítulo III Experiencias de Laboratorio t 0 = 0 min t1 = 20 min ∆t1 = 20 min t 2 = 40 min ∆t 2 = 20 min t 3 = 50 min ∆t 3 = 10 min t4 =60 min ∆t 4 =10 min t 5 = 65 min ∆t 5 = 5 min t 6 = 70 min ∆t 6 = 5 min… : : : : tn ∆t n Este procedimiento se concluyó cuando se obtuvo 3 pesadas consecutivas exactamente iguales, lo que indica 0% de humedad presente en los discos. Las tablas con los registros de pesos secos de cada disco (antes y después del ensayo de inmersión) se encuentran en el Anexo A. 3.3.2 Resultados obtenidos del estudio de pérdida de masa 3.3.2.1 Disminución de peso seco en función de la adición de nanosílice A continuación se muestras los resultados obtenidos, mediante gráficos. Los gráficos indican la disminución porcentual en peso seco de cada muestra para cada adición de nanosílice en un intervalo de tiempo determinado. Es importante señalar que los gráficos que se muestran a continuación corresponden a las regresiones lineales obtenidas a partir de los puntos obtenidos en cada registro, los cuales se pueden apreciar en el mismo gráfico simbolizados por pequeñas circunferencias. La disminución porcentual en peso seco se calculó de la siguiente manera: mi − mf Disminución % parcial en peso seco = mi ⋅ 100(%) 76 Capítulo III • Experiencias de Laboratorio Intervalo T0 – T1 Figura 3.8: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T1 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. (Fuente: Elaboración propia). • Intervalo T0 – T2 Figura 3.9: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T2 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. (Fuente: Elaboración propia). 77 Capítulo III Experiencias de Laboratorio • Intervalo T0 – T3 Figura 3.10: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T3 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. (Fuente: Elaboración propia). • Intervalo T0 – T4 Figura 3.11: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T4 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. (Fuente: Elaboración propia). 78 Capítulo III Experiencias de Laboratorio • Intervalo T0 – T5 Figura 3.12: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T5 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. (Fuente: Elaboración propia). • Intervalo T0 – T6 Figura 3.13: Grafico Disminución Peso Seco (%) entre T0 Y T6 en relación al porcentaje de nanosílice de la muestra. (Fuente: Elaboración propia). 79 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.3.2.2 Disminución de peso seco en función del tiempo A continuación se muestras los resultados obtenidos, mediante gráficos. Los gráficos indican la disminución porcentual en peso seco de cada adición de nanosílice a lo largo de tiempo. Al igual que en el punto 3.3.2.1 es importante señalar que los gráficos que se muestran a continuación corresponden a las regresiones lineales obtenidas a partir de los puntos obtenidos en cada registro, los cuales se pueden apreciar en el mismo gráfico simbolizados por pequeñas circunferencias. La disminución porcentual en peso seco se calculó de la misma forma mencionada anteriormente. • 0.0% de adición de nanosílice Figura 3.14: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras sin adición de nanosílice en función del tiempo. (Fuente: Elaboración propia). 80 Capítulo III • Experiencias de Laboratorio 0.5% de adición de nanosílice Figura 3.15: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras con 0.5% de adición de nanosílice en función del tiempo. (Fuente: Elaboración propia). • 1.0% de adición de nanosílice Figura 3.16: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras con 1.0% de adición de nanosílice en función del tiempo. (Fuente: Elaboración propia). 81 Capítulo III • Experiencias de Laboratorio 1.5% de adición de nanosílice Figura 3.17: Gráfico Disminución Peso Seco (%) de muestras con 1.5% de adición de nanosílice en función del tiempo. (Fuente: Elaboración propia). 3.3.3 Análisis descriptivo y discusión de los resultados En este ítem se hizo un análisis de las curvas y de los puntos obtenidos en cada medición, presentados en los gráficos anteriores. 3.3.3.1 Disminución de peso seco en función de la adición de nanosílice Diferencia de peso seco entre T0 (previo a ensayo de inmersión) y T1 (7 días) • Razón A/C 0.55 Si observamos los puntos aislados se puede apreciar que la muestra con menor pérdida de masa contiene una adición de nanosílice de 1.5% y la más afectada fue la probeta sin adición del aditivo. 82 Capítulo III Experiencias de Laboratorio En cuanto a la regresión lineal se tiene que la pendiente de la recta es negativa, con un valor igual a -0.0016 lo que indica que para este caso las muestras con mayor adición de nanosílice tienen un mejor comportamiento frente al sulfato de calcio en solución. • Razón A/C 0.65 En este caso podemos observar que la muestra que tuvo mejor comportamiento, es decir, menor pérdida de masa fue la muestra con 0.5% de adición de nanosílice y la probeta con mayor pérdida se registró con 1.0% de adición. Respecto a la regresión lineal, la pendiente de la recta obtenida también tiene un valor negativo igual a -0.0071, por lo tanto, en este caso a mayor adición de nanosílice menor pérdida de masa. Diferencia de peso seco entre T0 (previo a ensayo de inmersión) y T2 (14 días) • Razón A/C 0.55 Al observar los registros parciales obtenidos se tiene que la muestra con menor pérdida de masa se obtuvo con una adición de 1.5% de nanosílice y el caso contrario se registró con una adición de 1.0%. En cuanto a la pendiente de la recta obtenida mediante regresión lineal observamos un valor igual a 0.0002, lo cual es aproximadamente cero. En este caso no se observa una tendencia clara de la aproximación. • Razón A/C 0.65 La muestra con menor pérdida de masa se registró con 0.5% de adición del aditivo y la muestra con mayor pérdida se registró en la muestra sin adición de éste. 83 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Al igual que para las probetas razón A/C 0.55, la pendiente de la recta obtenida es aproximadamente cero con un valor igual a 0.0004, por lo que no se visualiza una tendencia clara en el intervalo de tiempo T0 – T2. Diferencia de peso seco entre T0 (previo a ensayo de inmersión) y T3 (21 días) • Razón A/C 0.55 Para éste intervalo de tiempo observamos que la muestra que tuvo menor pérdida de masa fue la probeta sin adición de nanosílice y la muestra más afectada contiene 1.5% de adición del aditivo. En cuanto a la pendiente obtenida se visualiza una pendiente claramente positiva con un valor igual a 0.0131, lo que indica una pérdida de material progresiva, es decir, en este caso con el aumento la adición de nanosílice no se obtuvo menores pérdidas de masa. • Razón A/C 0.65 Al observar los puntos aislados en el gráfico se visualiza que la muestra con menor pérdida de masa fue la que contiene 1.5% de adición de nanosílice y la probeta con mayor pérdida de masa, que además fue la más afectada de la totalidad de las probetas, se registró con una adición de 0.5% de adición. La pendiente de la recta obtenida a partir de la regresión lineal tiene un valor negativo igual a -0.0276, lo que indica que en este caso la pérdida de masa disminuye con el aumento en la adición del nanoaditivo. Diferencia de peso seco entre T0 (previo a ensayo de inmersión) y T4 (28 días) • Razón A/C 0.55 84 Capítulo III Experiencias de Laboratorio En este caso la muestra con menor pérdida de masa se registró en la muestra con 1.0% de adición de nanosílice, la cual fue la muestra menos afectada de todas las probetas ensayadas. La muestra con mayor pérdida de masa se obtuvo con 0.5% de adición del aditivo. Respecto a la aproximación lineal, la pendiente de la recta obtenida es aproximadamente cero con un valor igual a 0.0003, por lo tanto, en este caso no se visualiza una tendencia clara. • Razón A/C 0.65 La muestra con menor pérdida de material se registró con una adición de nanosílice de 1.5% y el caso contrario se obtuvo en la muestra que contenía 0.5% de adición del aditivo. La pendiente de la recta obtenida mediante regresión lineal es negativa con un valor igual a -0.0147, lo que indica que en este caso la tendencia es que la pérdida de masa disminuye con el aumento en la adición de nanosílice. Diferencia de peso seco entre T0 (previo a ensayo de inmersión) y T5 (35 días) • Razón A/C 0.55 En este caso la muestra que registró menor pérdida de masa fue la que no contiene adición de nanosílice y la probeta con mayor pérdida de masa contiene 0.5% de adición de aditivo. En cuanto a la regresión lineal, la pendiente de la recta obtenida es aproximadamente cero con un valor igual a 0.0008 por lo que no se visualiza una tendencia clara de la curva para este intervalo de tiempo. 85 Capítulo III • Experiencias de Laboratorio Razón A/C 0.65 Al observar los registros parciales se tiene que la muestra con menor pérdida de masa se obtuvo en la probeta sin adición de nanosílice y el caso opuesto se registró en el disco con 1.5% de adición. Respecto a la pendiente de la recta obtenida mediante regresión lineal se puede ver que la pendiente es positiva con un valor igual a 0.0603, por lo tanto, en este caso en particular la tendencia no indica que a mayor adición del nanoaditivo es menor la pérdida de masa. Diferencia de peso seco entre T0 (previo a ensayo de inmersión) y T6 (42 días) • Razón A/C 0.55 Para este intervalo de tiempo la muestra con menor pérdida de masa se registró con un 0.5% de adición de nanosílice y la muestra con mayor pérdida de masa se obtuvo con 1.0% de adición de aditivo. En este caso la pendiente obtenida fue positiva con un valor igual a 0.0198 por lo que no es posible afirmar para este intervalo de tiempo que a mayor adición de nanosilice es menor la pérdida de masa registrada. • Razón A/C 0.65 La muestra con menor pérdida de masa se registró en la muestra sin adición de nanosílice y la muestra con mayor pérdida de masa se obtuvo en la probeta con 1.0% de adición. La pendiente obtenida mediante regresión lineal es positiva por lo tanto para este intervalo no se visualiza un comportamiento mejorado al aumentar la adición de nanosílice. 86 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Comparación de los resultados anteriores para cada razón A/C Con la finalidad de establecer ciertas similitudes en el comportamiento de mortero de una misma razón A/C, a continuación se hace una comparación de todas las gráficas que tienen como variable independiente la adición de nanosílice para cada intervalo de tiempo. • Razón A/C 0.55 En el caso de las muestras razón A/C 0.55 la información entregada es muy poco clara, pues la tendencia de las curvas presentadas en los intervalos T0 – T2, T0 – T4 y T0 – T5 no aportan mucha información pues las pendientes de las curvas son aproximadamente cero. El único intervalo que muestra el comportamiento esperado es T0 – T1, ya que en este caso la pendiente es negativa e indica que a mayor adición de nanosílice es menor la pérdida de material. En cuanto a las similitudes que se aprecian entre estos intervalos se visualiza que para los intervalos T0 – T4 y T0 – T5 las probetas que registraron mayor pérdida de masa fueron las que contienen 0.5% de adición de nanosílice y el caso contrario, es decir, las probetas que tuvieron menor perdida de material se registraron en los intervalos T0 – T1 y T0 - T2 con 1.5% de adición de nanosílice. En los resultados obtenidos para los intervalos T0 – T3 y T0.- T6, la tendencia de las curvas no muestran un comportamiento mejorado del mortero producto de la adición del nanoaditivo. Esto se puede atribuir al comportamiento errático del material, pues hay diversos parámetros que no se consideraron dentro del diseño experimental, pues no eran de interés para esta investigación, como por ejemplo el coeficiente de permeabilidad, por lo tanto no hay control de la porosidad de cada muestra en particular. • Razón A/C 0.65 Si observamos los intervalos de tiempo T0 –T1, T0 – T3 y T0 – T4 se aprecia que la aproximaciones lineales obtenidas poseen pendientes negativas, es decir la 87 Capítulo III Experiencias de Laboratorio tendencia en esto tres casos y con esta razón A/C sería que a mayor adición de nanosílice las pérdidas de masa disminuyen. Además, al comparar las muestras con mayor y menor pérdida de masa de cada intervalos se tiene que los intervalos T0 T3 y T0 – T4 coinciden, la probeta más afectada se obtuvo con 0.5% de adición de nanosílice y la menos afectadas con una adición de 1.5%. El intervalo T0 – T2 no indica una tendencia clara, pues la pendiente de la curva es aproximadamente cero. En los intervalos T0 – T5 y T0 – T6 se muestra un comportamiento contrario, la tendencia de las curvas obtenidas mediante regresión lineal no indican un comportamiento mejorado del mortero producto de la adición del nanoaditivo. Esto se puede atribuir al comportamiento errático del material, pues hay diversos parámetros que no se consideraron dentro del diseño experimental, pues no eran de interés esta investigación, como por ejemplo el coeficiente de permeabilidad y la absorción e cada muestra en particular. 3.3.3.2 Disminución de peso seco en función del tiempo Disminución peso seco en muestras con 0.0% adición de nanosílice • Razón A/C 0.55 Si observamos los puntos aislados en el gráfico, la muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 7 días de ensayo y la muestra con menor pérdida se registró a los 28 días. • Razón A/C 0.65 La muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 21 días de ensayo y la muestra con menor pérdida se registró a los 42 días. Se puede observar que las pérdidas de masa van en aumento desde los 0 días de ensayo hasta los 21 días. 88 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Al comparar las curvas obtenidas mediante regresión lineal se observa que en ambos casos la pendiente es positiva, lo que indica que la tendencia es que a medida que transcurre el tiempo las pérdidas de masa van en aumento. Disminución peso seco en muestras con 0.5% adición de nanosílice • Razón A/C 0.55 La muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 28 días de ensayo y la muestra con menor pérdida de masa se registró a los 42 días. • Razón A/C 0.65 La muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 21 días de ensayo y la muestra con menor pérdida de masa se registró a los 14 días. En cuanto a las regresiones lineales, se puede ver que las rectas presentan pendientes positivas lo que indica que la tendencia es que a mayor tiempo de inmersión las probetas registran mayor pérdida de material. Disminución peso seco en muestras con 1.0% adición de nanosílice • Razón A/C 0.55 La muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 42 días de ensayo y la menor pérdida de masa se registró a los 28 días. • Razón A/C 0.65 La muestra con mayor pérdida de masa se registro a los 21 días de ensayo y la muestra con menor pérdida de masa se registró a los 28 días. Al igual que en los casos anteriores se observa que las pendientes de las curvas tiene un valor positivo, por ende, a medida que transcurre el tiempo la tendencia es que las pérdidas de masa vayan en aumento. 89 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Disminución peso seco en muestras con 1.5% adición de nanosílice • Razón A/C 0.55 La muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 21 días de ensayo y la muestra con menor pérdida de masa se registró a los 14 días. • Razón A/C 0.65 La muestra con mayor pérdida de masa se registró a los 35 días de ensayo y la menor pérdida de masa se registró a los 7 días. Las pérdidas de masa van en aumento desde los 0 días de ensayo hasta los 21 días. Si observamos las curvas de tendencia se observan pendientes positivas, por lo tanto, ocurre el mismo fenómeno que en los casos anteriores. Tabla 3.9: Muestras más y menos afectadas por el sulfato de calcio. Razón Tiempo de A/C Inmersión (días) Muestra Con Mayor Pérdida de Masa 0.65 21 Con Menor Pérdida de Masa 0.55 28 Fuente: Elaboración propia. Adición de nanosílice (%) 0.5% 1.0% Es importante señalar que las pérdidas de masa son evidentemente superiores para las muestras razón A/C 0.65, esto se atribuye la permeabilidad del material ya que a mayor razón A/C se obtiene un material más poroso. La probetas razón A/C 0.55 son menos propensas al ingreso del agente químico agresivo, pues es más compacto. 90 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.4 Análisis de la variación de pH 3.4.1 ¿Qué es el pH? El pH es una medida utilizada en la química para evaluar la acidez o alcalinidad de una sustancia por lo general en su estado líquido. Se entiende por la acidez la capacidad de una sustancia para aportar a una disolución acuosa iones de [ ] [ ] hidrógeno H + al medio. La alcalinidad o base aporta hidroxilo OH − al medio. Por lo tanto, el pH mide la concentración de iones hidrogeno de una sustancia. Como cualquier medida, el pH posee una escala que indica con exactitud un valor. Ésta es una tabla que va del número cero al catorce. Si el pH es de cero a seis, la solución se considera ácida; por el contrario, si el pH es de ocho a catorce, la solución se considera alcalina. Si la solución posee un pH siete, es considerada neutra. Los valores de la escala de pH se obtienen mediante una conversión matemática de [ ] concentraciones de iones hidrógeno H + a unidades de pH con la ecuación: [ ] pH = − log H + [ ] Donde H + es la concentración de iones H + en moles por litro (Hein. et al., 2001). La manera más exacta de medir el pH, es utilizando un pHmetro y dos electrodos uno de referencia y otro de cristal. Un pHmetro es un voltímetro que junto con los electrodos, al ser sumergidos en una sustancia, generan una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica dependerá de la concentración de iones hidrógeno que presente la solución. El pHmetro mide la diferencia de potencial entre el electrodo de referencia y el de cristal que es sensible a los iones de hidrógeno. Para obtener con exactitud el pH de una sustancia, se debe calibrar el pH con soluciones de valores de pH llamadas buffer que resisten los cambios experimentados por el pH y tiene un valor de pH específico. (Mis respuestas.com, 2009) 91 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.4.2 Determinación del pH Instrumento de medición Para la medición de pH de la solución de sulfato de calcio se utilizó un pHmetro modelo HI 8424 New de Hanna Instruments. El cuál consta de un aparato de medición digital, electrodo, sensor de temperatura y 2 buffer (pH 4.01 y pH 7.01) utilizados para la calibración del pHmetro. Figura 3.18: pHmetro, marca Hanna Instruments, modelo HI8424 New. (Fuente: Brandt, 2008). Metodología Para la utilización del pHmetro, éste debe ser calibrado previo lavado del electrodo medidor de pH, la calibración se hace utilizando los buffers pH 4.01 y pH 7.01. De ésta forma podemos asegurar mediciones confiables. Una vez calibrado el instrumento se procede a realizar las mediciones sumergiendo el electrodo y el sensor de temperatura en la solución, luego se debe agitar el electrodo hasta obtener un valor de pH constante en la pantalla del equipo. En total se registraron 7 mediciones de pH para cada razón A/C, una previa al ensayo de inmersión y 6 mediciones posteriores una vez finalizado cada intervalo de tiempo y extraídas de la solución las probetas correspondientes a cada recipiente herméticamente tapado. 92 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.4.3 Resultados obtenidos de la variación de pH En las siguientes tablas se puede observar los datos registrados por el pHmetro para cada razón A/C durante el ensayo de inmersión. Tabla 3.10: Registro pH probetas razón A/C 0.55. Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.11: Registro pH probetas razón A/C 0.65. Fuente: Elaboración propia. A continuación se observa la gráfica obtenida a partir de los datos presentados en las tablas 3.10 y 3.11. 93 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Variación de pH de la solución de sulfato de calcio en función del tiempo 14 pH 12 10 A/C 0.65 A/C 0.55 8 6 4 0 7 14 21 28 35 42 Tiempo (días) Figura 3.19: Gráfico Variación de pH de la solución de sulfato de calcio en función del tiempo. (Fuente: Elaboración propia). 3.4.4 Análisis descriptivo y discusión de los resultados En la figura 3.21 se puede observar la variación de pH experimentada por la solución de sulfato de calcio a lo largo del ensayo de inmersión. Es posible apreciar que para ambas razones A/C el cambio de pH fue muy brusco transcurrido el primer intervalo de tiempo. En los dos casos se comienza con un pH ácido de 5.1 y luego, al poner en contacto la solución de sulfato de calcio con las probetas de mortero durante 7 días, el pH pasa a ser básico. Los pH registrados posteriormente aumentan suavemente a lo largo del tiempo. La variación de pH ocurrida durante el ensayo de inmersión indica que se produce una reacción química entre la solución de sulfato de calcio y las probetas de mortero debido a que la reacción genera nuevos compuestos que modifican el pH de la solución. De acuerdo a la teoría revisada anteriormente se tiene que la reacción entre el sulfato de calcio en disolución y el mortero es la siguiente: 94 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Fuente: Aguilar. (2007) El sulfato de calcio reacciona con el aluminato tricalcico hidratado para formar etringita e hidróxido de calcio. A su vez, aunque no fue mencionado anteriormente, la formación de yeso es constante, pues el hidróxido de calcio generado durante la hidratación del silicato bicalcico del cemento y también el hidróxido generado producto de la interacción del sulfato con el mortero, reacciona con el sulfato de calcio generando más yeso e hidróxido de calcio. Finalmente los productos de la reacción son etringita, yeso e hidróxido de calcio. La obtención de pH tan elevados se atribuye a la formación de hidróxido de calcio, ya que es un compuesto es bastante alcalino, presenta un pH de 12.5 aproximadamente. Los valores de pH registrados para las probetas razón A/C 0.55 son siempre inferiores a los valores registrados para las probetas razón A/C 0.65. Esto tiene su explicación en la cantidad de agua aplicada a cada mezcla, ya que al utilizar una razón A/C más alta indica mayor cantidad de agua, lo que se traduce en hormigones permeables, es decir, se hace más fácil la entrada del agente agresivo para las muestras razón A/C 0.65, pues el hormigón es más poroso. Es importante destacar que las variaciones de pH no afecta la concentración de la solución de sulfato de calcio, pudiéndose establecer que se mantiene constante, ya que la máxima variación asociada al mayor valor de pH alcanzado es despreciable. Esto se encuentra desarrollado detalladamente en Anexo B. 95 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.5 Análisis mediante microscopia electrónica de barrido 3.5.1 Microscopio electrónico de barrido El microscopio electrónico de barrido (MEB) es un instrumento para obtener fotografías tridimensionales debido a que tiene una alta resolución y una gran profundidad de campo. En las fotografías se puede apreciar la ultraestructura de muestras microscópicas detallando de manera extraordinaria, sus características morfológicas y topográficas. También se puede observar cualquier tipo de espécimen o de materiales orgánicos (crustáceos, plantas, parásitos, hongos, invertebrados, placton, protozoarios, bacterias, tejidos, músculo, células, neuronas, cabello, etc.) y materiales inorgánicos (industria petroquímica, biodeterioro, de obras y artes, pintura, papel, enlatados, balística, material geológico, material de electrónica y computación, metales, aleaciones, plásticos, vidrios, etc.). Un instrumento que se ha desarrollado para el análisis de muestras a través del microscopio electrónico de barrido es el EDS (espectro de dispersión de energía) de rayos X el cual identifica la distribución cuantitativa y cualitativa de elementos químicos que se encuentran presentes en la muestra, mostrando gráficas e imágenes relacionadas con esa distribución. Es pertinente señalar que el analizador EDS de rayos X identifica y evalúa el contenido de elementos químicos desde el carbono al uranio en superficies planas o secciones finas de las muestras en todo tipo de material (biológico e inerte) Además de la obtención de un espectro químico en un punto concreto de la muestra, existen dos formas gráficas de obtener información de la señal de rayos X: a) los perfiles de línea que permiten identificar gráficamente la variación de la concentración de uno a varios elementos entre dos puntos; b) los mapas de RX que sirven para ver gráficamente la distribución de los elementos en la zona seleccionada, asignando un color diferente a cada uno. Los mapas RX también ofrecen imágenes semicuantitativas de la concentración de los elementos mediante la densidad de puntos en un determinado color de la zona. . (Adabache et al., 2009) 96 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.5.1.1 Funcionamiento MEB El MEB está compuesto por tres detectores que se clasifican en imágenes de electrones secundarios, imágenes de electrones de retrodispersión y analizador EDS de rayos X, los cuales están instalados dentro de la cámara de vacío. La muestra se coloca en el portamuestras de la cámara de vacío del microscopio, en donde es escaneada por medio de un haz de luz de electrones, convirtiendo las señales eléctricas en una imagen tridimensional que se observa en el monitor de las computadoras. Electrones secundarios: La señal de los electrones secundarios es la que se emplea normalmente para obtener una imagen de la muestra. Es la señal que nos proporciona una imagen más real de la superficie que estemos estudiando, se considera un electrón secundario aquel que emerge de la superficie de la muestra con un energía inferior a 50 eV (electrovolts). Electrones retrodispersados: La señal de los electrones retrodispersados está compuesta por aquellos electrones que emergen de la muestra con una energía superior a 50 eV (electrovolts). Estos electrones proceden en su mayoría del haz incidente que rebota en el material después de diferentes interacciones. La intensidad de la señal de retrodispersados, para una energía dada del haz, depende del número atómico del material (a mayor número atómico, mayor intensidad). Este hecho permite distinguir fases de un material de diferente composición química. Las zonas con menor Z se verán más oscuras que las zonas que tienen mayor número atómico. Esta es la aplicación principal de la señal de retrodispersados. Analizador EDS de rayos X: Se realizan diversos análisis representados con histogramas e imágenes de distribución de los elementos presentes en la muestra. La formación de un espectro EDS de rayos X se obtiene mediante un software que recoge durante un determinado periodo de tiempo (minutos) los fotones emitidos por la muestra, clasificándolos según su energía. El espectro se presenta como un histograma en donde el eje de las X tiene unidades de energía (kiloelectrovolts) y el 97 Capítulo III Experiencias de Laboratorio eje de las Y el número de cuentas o intensidad. En el espectro se realiza de forma automática la identificación y el análisis cualitativo y cuantitativo de los diferentes elementos a través de picos en la campana de Gauss observados en el histograma. En una muestra se eligen uno o varios sitios de interés para ver si toda la muestra contiene los mismos elementos o hay variación de estos en un cm 2 . 3.5.1.2 Preparación de las muestras En general, la preparación de las muestras es sencilla y los requisitos que deben cumplirse son: fijación, deshidratación y secado; además, la superficie debe ser conductora de la corriente eléctrica. Este último requisito se cumple en los metales, pero en nuestro caso, el mortero es un material no conductor, por lo que este tipo de muestras se deben recubrir con una capa de carbón o de oro, según las condiciones en las que se trabaje la muestra y el objeto del estudio, es decir, para ser analizadas por EDS o para ser vistas al microscopio. Técnica de recubrimiento con carbono En el caso de precisarse un análisis elemental en una muestra no conductora es necesario recubrir la superficie de un elemento lo más transparente posible a los RX. Este elemento es el carbono. Uno de los tipos de metalizadores de carbono consiste en dos electrodos conectados a una fuente de corriente alterna de bajo voltaje y alta intensidad entre los que se intercala una barra de carbono terminada en una punta afilada. Al pasar la corriente, la punta de la barra se va evaporando, de forma que rocía la muestra con una fina capa de carbono. La punta va acoplada a un muelle que la mantiene en todo momento en contacto con el otro electrodo. Todo el conjunto está encerrado en vacío con el fin de facilitar la deposición de la película de carbono sobre la muestra. 98 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.20: Figura esquemática técnica de recubrimiento de muestras con carbono. (Fuente: Tecnológico de Monterrey, 2009). Técnica de recubrimiento con oro Cuando el propósito de análisis de una muestra no incluye la obtención de espectro de RX, un elemento que se utiliza frecuentemente para recubrir la superficie es el oro. Para este tipo de recubrimiento se utiliza un sputtering” que consiste en una fuente de alimentación en corriente continua regulable de 1 a 3KV conectada por una parte a una tarjeta de oro u oro-paladio y por otra parte al portamuestras. El conjunto va acoplado a una bomba de vacío. La introducción de un gas tal como el argon en la campana de vacío provoca que los átomos de argón impacten en la tarjeta de oro y se desprendan átomos de dicha tarjeta que son atraídos hacia la muestra en la cual que dan depositados proporcionando un espesor de recubrimiento que dependo del tiempo de exposición.(Tecnológico de Monterrey, 2009) 99 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.21: Figura esquemática técnica de recubrimiento de muestras con oro. (Fuente: Tecnológico de Monterrey, 2009). 3.5.2 Muestras caracterizadas mediante microscopía electrónica Del total de muestras sometidas al ensayo de inmersión en solución de sulfato de calcio, se seleccionaron 6 muestras para ser analizadas mediante microscopía electrónica. A cada una de las muestras seleccionadas se le realizó toma de imágenes y microanálisis químico. Las muestras seleccionadas son las siguientes: - Muestra con mayor pérdida de masa y su respectiva muestra patrón denominada “Muestra control mala”. - Muestra con menor pérdida de masa y su respectiva muestra patrón denominada “ Muestra control buena”. - Muestra antecesora y sucesora en el tiempo de la muestra con menor pérdida de masa con iguales características de razón A/C y adición de nanosílice. Tabla 3.12: Muestras con mayor y menor pérdida de masa con sus respectivas muestras patrón, para análisis mediante SEM. CLASIFICACIÓN Razón A/C % Nanosílice Muestra con mayor pérdida de masa 0.65 Muestra control mala 0.65 Muestra con menor pérdida de masa 0.55 Muestra control buena 0.55 Fuente: Elaboración propia. 0.5 0.5 1.0 1.0 Intervalo de tiempo T0-T3 T0-T0 T0-T4 T0-T0 100 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Tabla 3.13: Grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características, para análisis mediante SEM. CLASIFICACIÓN Razón A/C % Nanosílice Muestra antecesora en el tiempo 0.55 1.0 Muestra con menor pérdida de masa 0.55 1.0 Muestra sucesora en el tiempo 0.55 1.0 Fuente: Elaboración propia. Intervalo de tiempo T0-T3 T0-T4 T0-T5 3.5.2.1 Imágenes obtenidas por medio de microscopio electrónico de barrido Muestra con menor pérdida de masa: A/C 0.55, 1.0%, T0-T4, Disminución peso seco= 0.013% Figura 3.22: Imagen muestra con menor pérdida de masa a escala 1000x. Se observa una fina dispersión de partículas, etringita y pequeños cristales fase calcio y aluminios. La morfología es heterogénea, poco alterada superficialmente. (Fuente: Elaboración propia) 101 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.23: Imagen muestra con menor pérdida de masa a escala 5000x. Zonas ricas en calcio, formando largos depósitos entre bordes de los cristales del material. (Fuente: Elaboración propia) Figura 3.24: Imagen muestra con menor pérdida de masa a escala 12000x. A mayor acercamiento, se observa fina etringita, sulfato de calcio y material particulado de disolución química del ensayo (Fuente: Elaboración propia) 102 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Muestra control buena: A/C 0.55, 1.0% Figura 3.25: Imagen muestra control buena a escala 1000x. En la superficie de la muestra se presenta una distribución heterogénea de fases, rica en carbonatos, lo cual es típico de un mortero. Solo se observan finas partículas de silicio en el lado superior izquierdo, en forma aglomerada. (Fuente: Elaboración propia) Figura 3.26: Imagen muestra control buena a escala 5000x. Zonas ricas en sílice, calcio y oxigeno distribuidas en toda la superficie de la muestra. Finas partículas dispersas y aglomeradas formando pequeñas hileras de nanosílice. (Fuente: Elaboración propia). 103 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.27: Imagen muestra control buena a escala 12000x. A mayor aumento se puede observar aglomeraciones de nanosílice principalmente entre las fases ricas en Silicio, Calcio y Oxigeno de la muestra. (Fuente: Elaboración propia) Muestra con mayor pérdida de masa: A/C 0.65, 0.5%, T0-T3, Disminución peso seco= 0.457% Figura 3.28: Imagen muestra con mayor pérdida de masa a escala 1000x. Zona central con microestructura fina y particulada respecto a zonas más oscuras que evidencian falta de sustrato superficial. (Fuente: Elaboración propia) 104 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.29: Imagen muestra con mayor pérdida de masa a escala 5000x. Desagregación de partículas en la superficie. Se observan cristales de etringita, partículas muy pequeñas de sulfato de calcio y deposición de partículas adheridas a los sustratos. (Fuente: Elaboración propia) Figura 3.30: Imagen muestra con mayor pérdida de masa a escala 12000x. A mayor resolución se evidencia la presencia de etringita, algunos finos cristales de monosulfato hidratado y grandes cristales de hidróxido de calcio (borde derecho de la imagen). (Fuente: Elaboración propia) 105 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Muestra control mala: A/C 0.65, 0.5% Figura 3.31: Imagen muestra control mala a escala 1000x. Microfotografía con fina dispersión de etringita y pequeñas partículas de sulfato de calcio. Distribución heterogénea de fases a nivel superficial. (Fuente: Elaboración propia) Figura 3.32: Imagen muestra control mala a escala 5000x. Se observan finas partículas aglomeradas. Fases con cristales desagregados a la izquierda de la imagen y cristales continuos a la derecha. (Fuente: Elaboración propia) 106 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.33: Imagen muestra control mala a escala 12000x. A mayor aumento la muestra control mala evidencia cristales de sulfato de calcio e hidróxido de calcio. (Fuente: Elaboración propia) Grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características 1° Muestra: A/C 0.55, 1.0%, T0-T3, Disminución peso seco= 0.044% Figura 3.34: Imagen muestra antecesora en el tiempo a escala 1000x. Microestructura con distribución homogénea, con textura fina y fases ricas en calcio, silicio y oxigeno. (Fuente: Elaboración propia) 107 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.35: Imagen muestra antecesora en el tiempo a escala 5000x. Superficie presenta fina dispersión de partículas aglomeradas. Se observan cristales de hidróxido de calcio en el centro de la muestra. Zona derecha presenta mayor desagregación de fases producto de la interacción con el sulfato de calcio. (Fuente: Elaboración propia) Figura 3.36: Imagen muestra antecesora en el tiempo a escala 12000x. Al ampliar la imagen anterior se aprecian fases de etringita, sulfato de calcio e hidróxido de calcio. Además observa etringita fina dispersa. (Fuente: Elaboración propia) 108 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 2° Muestra: A/C 0.55, 1.0%, T0-T4, Disminución peso seco= 0.013% Muestra con menor pérdida de masa. Imágenes presentadas anteriormente. 3° Muestra: A/C 0.55, 1.0%, T0-T5, Disminución peso seco= 0.053% Figura 3.37: Imagen muestra sucesora en el tiempo a escala 1000x. Superficie con fina dispersión de partículas. No se observa una degradación significativa, solo acciones puntuales (zonas oscuras). (Fuente: Elaboración propia) 109 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.38: Imagen muestra sucesora en el tiempo a escala 5000x. Distribución regularmente uniforme en la superficie. Se observan cristales finos de etringita bajo cristales de sulfato de calcio e hidróxido de calcio. (Fuente: Elaboración propia) Figura 3.39: Imagen muestra sucesora en el tiempo a escala 12000x. Se destacan claramente la etringita acicular y aglomeraciones de carbonato entre el monosulfato de calcio. La nanosilice aglomerada se distribuye principalmente entre los cristales. (Fuente: Elaboración propia) 110 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.5.2.2 Microanálisis químico por energía dispersiva de rayos X Muestra con menor pérdida de masa: A/C 0.55, 1.0%, T0-T4, Disminución peso seco= 0.013% Microanálisis Figura 3.40: Microanálisis muestra con menor pérdida de masa. Se presenta cuantitativamente la composición química de la muestra. En éste caso predomina la presencia de calcio, silicio y aluminio. (Fuente: Elaboración propia) Linescan 111 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.41: Linescan muestra con menor pérdida de masa. Colores indican distribución de fases y constituyentes encontrados en línea trazada sobre la superficie de la muestra. Además se presentan los gráficos correspondientes a cada elemento detectado, lo cual presenta correlación con el microanálisis, pues los elementos detectados en mayor cantidad son calcio y silicio. (Fuente: Elaboración propia) Mapping 112 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.42: Distribución Mapping elementos químicos en superficie muestra con menor pérdida de masa. Se caracteriza por presentar superficialmente fases ricas en calcio, silicatos y aluminio. El azufre se distribuye en toda la superficie de la muestra. (Fuente: Elaboración propia) Muestra control buena: A/C 0.55, 1.0% Microanálisis Figura 3.43: Microanálisis muestra control buena. Destaca la presencia de calcio y silicio.(Fuente: Elaboración propia) 113 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Linescan Figura 3.44: Linescan muestra control buena. El análisis químico a lo largo de la muestra evidencia zonas ricas en calcio, aluminio y silicio. El azufre está presente en un pequeño porcentaje. (Fuente: Elaboración propia) 114 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Mapping Figura 3.45: Mapping muestra control buena. Se evidencia cristales ricos en aluminio en la zona inferior izquierda de la imagen. El calcio se concentra en las zonas más claras, con distribución de azufre y silicio en toda la superficie de la muestra. (Fuente: Elaboración propia) 115 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Muestra con mayor pérdida de masa: A/C 0.65, 0.5%, T0-T3, Disminución peso seco= 0.457% Microanálisis Figura 3.46: Microanálisis muestra con mayor pérdida de masa. Los elementos que se presentan en mayor cantidad son calcio, silicio y azufre. (Fuente: Elaboración propia) Linescan 116 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.47: Linescan muestra con mayor pérdida de masa. Registra en mayor cantidad calcio, silicio y azufre. La distribución de calcio es continua a lo largo de toda la muestra al igual que aluminio y fierro. El azufre se fija en el centro a 100 µm .aproximadamente del borde izquierdo de la imagen. (Fuente: Elaboración propia) Mapping 117 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.48: Mapping muestra con mayor pérdida de masa. El azufre se distribuye en toda la superficie de la muestra, a diferencia del calcio, silicio y aluminio que se encuentran localizados. (Fuente: Elaboración propia) Muestra control mala: A/C 0.65, 0.5% Microanálisis Figura 3.49: Microanálisis muestra control mala. Se observa en mayor cantidad la presencia de calcio, silicio y aluminio (Fuente: Elaboración propia) 118 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Linescan Figura 3.50: Linescan muestra control mala. En mayor proporción encontramos calcio y silicio. El azufre se encuentra distribuido en un pequeño porcentaje al igual que aluminio y fierro. (Fuente: Elaboración propia) 119 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Mapping Figura 3.51: Mapping muestra control mala. Las líneas blancas de la fotografía son ricas en Calcio – Oxigeno, mientras que muestra presenta una distribución uniforme de azufre y silicio. (Fuente: Elaboración propia) 120 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características 1° Muestra: A/C 0.55, 1.0%, T0-T3, Disminución peso seco= 0.044% Microanálisis Figura 3.52: Microanálisis muestra antecesora en el tiempo. Predomina la presencia calcio, silicio y aluminio. (Fuente: Elaboración propia) Linescan 121 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.53: Linescan muestra antecesora en el tiempo. Se evidencia una mayor cantidad de calcio y silicio, en menor proporción se observa fierro y aluminio. El azufre es homogéneo a lo largo de la línea. La zona izquierda de la imagen (hasta 100 µm ) es rica en calcio, oxigeno aluminio y silicio. (Fuente: Elaboración propia) Mapping 122 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.54: Mapping muestra antecesora en el tiempo. Se observan cristales ricos en calcio y silicio. El azufre está distribuido en forma homogénea en toda la muestra (Fuente: Elaboración propia) 2° Muestra: A/C 0.55, 1.0%, T0-T4, Disminución peso seco= 0.013% Muestra con menor pérdida de masa. Microanálisis presentado anteriormente. 123 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3° Muestra: A/C 0.55, 1.0%, T0-T5, Disminución peso seco= 0.053% Microanálisis Figura 3.55: Microanálisis muestra sucesora en el tiempo. Se observa en mayor cantidad calcio, silicio y aluminio. (Fuente: Elaboración propia) Linescan 124 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.56: Linescan muestra sucesora en el tiempo. Se manifiesta en mayor cantidad calcio y silicio. Tanto el aluminio como el azufre están en menor proporción. Los cristales blancos con partículas aglomeradas corresponden a calcio, silicio, aluminio y oxigeno. El azufre se distingue en forma homogénea en pequeño porcentaje (Fuente: Elaboración propia) Mapping 125 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Figura 3.57: Mapping muestra sucesora en el tiempo. La muestra evidencia cristales de sulfato de calcio en la zona derecha. El azufre y el silicio se encuentran uniformemente distribuidos en la superficie de la muestra, el aluminio se encuentra más concentrado en la zona izquierda de la imagen. (Fuente: Elaboración propia) 3.5.2.3 Análisis descriptivo imágenes SEM Muestra control buena (A/C 0.55, 1.0%) y muestra control mala (A/C 0.65, 0.5) Las muestras control son aquellas que no fueron sometidas al ensayo de inmersión, de ésta forma, es posible comparar las muestras más y menos afectadas por el sulfato de calcio con muestras de iguales características, pero sin daño. La muestra control buena se compara con la muestra con menor pérdida de masa y la muestra control mala se compara con la muestra con mayor pérdida de masa. Si comparamos las muestras control, se tiene que la muestra control buena posee menor razón A/C, por lo tanto contiene mayor cantidad de cemento generando menos porosidad en el mortero. Además ésta muestra contiene mayor porcentaje de 126 Capítulo III Experiencias de Laboratorio adición de nanosílice, la cual produce nanocemento que rellena los poros existentes impidiendo el paso de la solución agresiva. A través de las imágenes obtenidas por SEM se busca visualizar los cambios en la morfología del material producto del ataque químico. Muestra con menor pérdida de masa (A/C 0.55, 1.0%, T0-T4) y muestra con mayor pérdida de masa (A/C 0.65, 0.5%, T0-T3) La muestra con menor pérdida de masa sólo registró una pérdida de 0.013% de material, la que se presentó a los 28 días de inmersión en sulfato de calcio. A través de las imágenes SEM se observa una distribución heterogénea de partículas, la superficie se ve poco alterada, con finos cristales de etringita, sulfato de calcio y material particulado de disolución química. La muestra con mayor pérdida de masa registró una pérdida de 0.457%, de material la que se presentó a los 21 días de inmersión en sulfato de calcio. De acuerdo a las microfotografías se observan distintas microestructuras y partículas desagregadas, algunas zonas evidencian falta de sustrato superficial. Se pueden apreciar partículas muy pequeñas de sulfato de calcio (2 - 5 µm ), cristales de etringita, finos cristales de monosulfato hidratado y grandes cristales de hidróxido de calcio. Si comparamos ambas muestras, se visualiza que la muestra con menor pérdida de masa posee una superficie menos alterada, observándose la aparición de pequeños cristales de etringita; a diferencia de la muestra con mayor pérdida, la que evidencia el deterioro profundo producto del sulfato de calcio. Esta última presenta una superficie bastante irregular con evidente presencia de etringita en distintos grados de crecimiento, además de presentar grandes cristales de hidróxido de calcio. Si comparamos las muestras ensayadas con sus respectivas muestras controles, observamos que la muestra con menor pérdida de masa presenta desagregación de partículas, lo que genera vacíos en la superficie de la muestra. En comparación con 127 Capítulo III Experiencias de Laboratorio su correspondiente muestra control, esta presenta una incipiente aparición de etringita prácticamente en la totalidad de la superficie. Por otro lado, en la muestra con mayor pérdida de masa, se aprecia la segregación de microconstituyentes del mortero, con una notable aparición de etringita secundaria en distintos grados de crecimiento prácticamente en la totalidad de la superficie. Se observa un cambio drástico en la morfología de la muestra en comparación con su respectiva muestra control. Grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características Se consideraron 3 muestras consecutivas en el tiempo razón A/C 0.55, adición de nanosílice 1.0%, correspondientes a los intervalos de tiempo T0-T3 (21 días), T0-T4 (28 días) y T0-T5 (35 días). La finalidad de considerar éstas muestras es realizar un análisis a lo largo del tiempo, pues no presentan una tendencia clara; no hay un daño creciente o decreciente a medida que transcurre el tiempo, el objetivo es entender porqué la tendencia es poco definida. Las pérdidas de masa registradas para cada muestra son: - Muestra 1, (A/C 0.55, 1.0% T0-T3)= 0.044% - Muestra 2, (A/C 0.55, 1.0% T0-T4)=0.013% - Muestra 3, (A/C 0.55, 1.0% T0-T5)= 0.053% En la muestra 1 se observa una morfología con distribución homogénea de fases, con presencia de hidróxido de calcio, etringita con distintos grados de crecimiento, además de sulfato de calcio. La zona con mayor desagregación presenta cristales de etringita de mayor tamaño. En la muestra 2 se visualiza una superficie menos deteriorada, con presencia de finos cristales de etringita y sulfato de calcio. En la muestra 3 se observan cristales de etringita bajo cristales de sulfato de calcio e hidróxido de calcio distribuidos uniformemente sobre la superficie (5000x), a mayor resolución destaca la etringita acicular con cristales de mayor tamaño que las otras dos muestras. 128 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.5.2.4 Discusión de resultados imágenes SEM Al revisar las imágenes obtenidas mediante SEM y comparar las muestras sometidas al ensayo de inmersión con las muestras controles queda en evidencia el cambio morfológico de las superficies de cada muestra ensayada, lo cual corrobora que la reacción química entre sulfato de calcio en disolución y concreto ocurre de acuerdo a lo señalado en la literatura existente. Los productos de reacción son etringita secundaria e hidróxido de calcio. La muestra con menor pérdida de material contiene mayor cantidad de cemento y mayor cantidad de nanosílice, lo que se traduce en un material compacto, con menos vacíos y por ende, menos permeable frente a agentes químicos en disolución. El nanocemento rellena los vacíos minimizando la cantidad de poros e impidiendo el paso del sulfato de calcio. De acuerdo a esto se puede establecer que la presencia de nanosílice en el mortero genera un material más resistente al ataque químico. La muestra con mayor pérdida de masa contiene menos adición de nanosílice (0.5%) y mayor razón A/C, lo que da como resultado un material mucho más permeable, pues contiene menos cemento y nanocemento. Esto se ve reflejado en las microfotografías pues se distingue la formación masiva de etringita, lo que origina desagregación de partículas y provoca desmoronamiento del material. En cuanto al grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características, podemos afirmar que a mayor pérdida de masa se aprecia mayor cantidad de etringita, confirmando lo descrito por la teoría, que indica que la pérdida de material se produce por la formación de etringita en los poros existentes del material. Respecto a la tendencia poco clara de la secuencia de intervalos de tiempo, es decir, el daño no es creciente ni decreciente. Esto se puede atribuir a la acumulación de sulfato, puesto que debido a la baja solubilidad del sulfato de calcio en la solución utilizada, parte de éste no fue disuelto quedando partículas de éste en suspensión, por lo tanto, es muy probable que partículas de sulfato hallan quedado acumuladas en la superficie de cada probeta, provocando un deterioro acelerado de la zona. 129 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.5.2.5 Análisis descriptivo microanálisis químicos A través del microanálisis químico realizado a cada muestra, se puede establecer la presencia de elementos de manera cuantitativa (porcentaje en peso) y de manera cualitativa (linescan y mapping). Es importante señalar que para establecer comparaciones sólo se consideraron los elementos de interés para esta investigación, estos son: calcio, silicio, aluminio, azufre y fierro. Pero además de éstos se encontró, aunque en menor cantidad: sodio, magnesio, oxigeno, potasio y titanio. Muestra control buena (A/C 0.55, 1.0%) y muestra control mala (A/C 0.65, 0.5) Cabe recordar que estas muestras no fueron sometidas al ensayo de inmersión, por lo tanto, a través de ellas se puede conocer la composición química inicial de las muestras que sí fueron sometidas a la agresión química. Tabla 3.14: Comparación de valores de porcentaje de peso en cada elemento químico presente en muestra control buena y control mala. Elemento Al Si S Ca Fe Control Buena Peso (%) 4.8 20 1.8 70 2.9 Control Mala Peso (%) 5.13 26.70 2.07 63.55 2.56 Total 100 100 Fuente: Elaboración propia. En la tabla 3.14 se aprecia la composición química inicial de las muestras control de mortero. Al comparar ambas muestras se observan concentraciones elevadas de calcio y silicio, esto se atribuye al silicato de calcio hidratado (50% - 60% del volumen sólido de la pasta cemento), e hidróxido de calcio (20% - 25% del volumen 130 Capítulo III Experiencias de Laboratorio sólido de la pasta cemento), productos resultantes de la hidratación del silicato bicálcico y tricálcico. La presencia de aluminio se atribuye a la hidratación del aluminato tricálcico que da como resultado etringita positiva y monosulfatos hidratados (15% - 20% del volumen sólido de la pasta cemento). El azufre presente está asociado a la etringita positiva y monosulfatos hidratados y finalmente el fierro se atribuye a la presencia de ferro-aluminato tetracálcico. Se evidencia mayor cantidad de calcio en la muestra control buena y mayor cantidad de silicio en la muestra control mala. El resto de los elementos se encuentran en concentraciones muy similares. Muestra control buena (A/C 0.55, 1.0%) y muestra con menor pérdida de masa (A/C 0.55, 1.0%, T0-T4) Tabla 3.15: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en muestra control buena y muestra con menor pérdida de masa Elemento Al Si S Ca Fe Control Buena Peso (%) 4.8 20 1.8 70 2.9 Menor Pérdida de Masa Peso (%) 4.53 18.39 1.16 73.44 2.48 Total 100 100 Fuente: Elaboración propia Al comparar ambas muestras se observa una leve disminución de silicio a nivel superficial, disminuye la cantidad de azufre y se incrementa levemente la cantidad de calcio. En general los cambios son pequeños. 131 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Muestra control mala (A/C 0.65, 0.5) y muestra con mayor pérdida de masa (A/C 0.65, 0.5%, T0-T3) Tabla 3.16: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en muestra control mala y muestra con mayor pérdida de masa. Elemento Al Si S Ca Fe Control Mala Peso (%) 5.13 26.70 2.07 63.55 2.56 Mayor Pérdida de Masa Peso (%) 4.52 13.61 4.31 76.09 1.47 Total 100 100 Fuente: Elaboración propia. Al comparar ambas muestras, se observa una notoria disminución de silicio en la muestra con mayor pérdida de masa, lo que evidencia el ataque químico, ya que el silicio es uno de los constituyentes principales del mortero y probablemente sufrió desintegración. El calcio y azufre aumentan en la muestra con mayor pérdida de masa, esto se puede atribuir a la formación de etringita e hidróxido de calcio que son los compuestos resultantes del ataque químico por sulfato de calcio. 132 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Muestra con menor pérdida de masa (A/C 0.55, 1.0%, T0-T4) y muestra con mayor pérdida de masa (A/C 0.65, 0.5%, T0-T3) Tabla 3.17: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en muestras con menor y mayor pérdida de masa. Elemento Al Si S Ca Fe Menor Pérdida de Masa Peso (%) 4.53 18.39 1.16 73.44 2.48 Mayor Pérdida de Masa Peso (%) 4.52 13.61 4.31 76.09 1.47 Total 100 100 Fuente: Elaboración propia Al compara las ambas muestras se aprecia un aumento en la concentración de calcio y azufre en la probeta con mayor pérdida de material, esto se atribuye a la formación de etringita secundaria e hidróxido de calcio, además de los posibles cristales de sulfato de calcio provenientes de la acumulación de éste, producto de su limitada solubilidad. La disminución de silicio tiene su explicación en la desintegración de los silicatos de calcio hidratados producto del ataque químico. La presencia de aluminio se mantiene prácticamente constante. 133 Capítulo III Experiencias de Laboratorio Grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características Tabla 3.18: Comparación de valores de porcentaje en peso de cada elemento químico presente en grupo de muestras consecutivas en el tiempo con iguales características. Elemento Intervalo Al Si S Ca Fe Total Muestra Antecesora Menor en el Pérdida de Tiempo Masa (T0-T3) (T0-T4) Peso (%) Peso (%) 5.25 4.53 21.97 18.39 2.48 1.16 68.08 73.44 2.22 2.48 100 100 Fuente: Elaboración propia. Muestra Sucesora en el Tiempo (T0-T5) Peso (%) 3.58 12.60 3.50 78.60 1.73 100 En la tabla 3.18 se aprecia que la muestra más afectada es la que posee menor cantidad de silicio y mayor cantidad de calcio. En cuanto a la presencia de azufre hay una correlación entre las pérdidas de masa y la concentración de éste, pues a mayor pérdida de material, encontramos mayor cantidad de azufre en la superficie del mortero. Los linescan realizados muestran que los elementos presentes en mayor cantidad son calcio y silicio. Al comparar la muestra con mayor pérdida de masa con su respectiva muestra control se aprecia un aumento considerable de calcio en la muestra ensayada. En todas las muestras hay presencia de azufre, aluminio y fierro, siendo este el más insignificante. En los mapping realizados se observa en mayor cantidad calcio y silicio, siendo el calcio el elemento predominante. Además se puede apreciar, aunque en menor cantidad, una distribución uniforme de azufre y fierro, siendo predominante entre ambos el azufre. 134 Capítulo III Experiencias de Laboratorio 3.5.2.6 Discusión de resultados microanálisis químicos Los cambios ocurridos en las muestras ensayadas obedecen a la siguiente reacción: Fuente: Aguilar. (2007) El sulfato de calcio ataca al aluminato tricálcico formando etringita e hidróxido de calcio, compuestos con alto contenido de calcio, éste hecho explica el aumento de la concentración de este elemento en las muestras ensayadas lo cual tiene correlación con las pérdidas de masa, pues la formación de etringita provoca el deterioro del mortero, generando microfisuras en el material y por ende, desmoronamiento del mismo. El aluminio se asocia a la formación de etringita, ésta puede permanecer en el concreto o desmoronarse dependiendo del grado de crecimiento de los cristales. La disminución de silice se puede asociar al deterioro del mortero producto de la reacción química, pues el ataque químico puede generar disolución o desprendimiento de los microconstituyentes del material. El azufre presenta una disminución en la muestra con menor pérdida de masa y un aumento en la muestra con mayor pérdida, en el primer caso esto se puede atribuir al desprendimiento de cristales de etringita ya que el azufre esta directamente asociado a ésta. Y el aumento en la concentración de azufre en la muestra con mayor pérdida de masa se asocia a la formación de etringita que permanece adherida al mortero y a la posible acumulación de sulfato que podría provocar un deterioro acelerado. La presencia de fierro no presenta cambios significativos. 135 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores CAPITULO IV COMPARACIÓN CON INVESTIGACIONES ANTERIORES DONDE LOS MEDIOS AGRESIVOS UTILIZADOS FUERON SULFATO DE SODIO Y SULFATO DE MAGNESIO 4.1 Sulfato de calcio V/S Sulfato de sodio 4.1.1 Consideraciones Para comparar ésta investigación con el trabajo realizado anteriormente por Aguilar (2007), donde el agente agresivo utilizado fue sulfato de sodio, se debe considerar las similitudes y diferencias en el desarrollo experimental de ambas investigaciones. Es importante destacar que se duplicó el número de probetas ensayadas, se sometieron 48 discos de mortero al ensayo de inmersión en sulfato de calcio, en el caso anterior sólo fueron sometidas 24 probetas. Así aumentando el número de probetas fue posible aumentar el número de mediciones, en éste caso los registros se tomaron para 6 intervalos de tiempo (7, 14, 21, 28, 35 y 42 días), a diferencia del caso anterior donde sólo se consideraron 3 intervalos (13, 26 y 39 días). En ambos trabajos se utilizó las mismas razones A/C (0.55 y 0.65) y adiciones de nanosílice (0.0%, 0.5%, 1.0% y 1.5% del peso de cemento dosificado). En cuanto a la concentración de sulfato ocurre un hecho particular, pues la concentración de sulfato de calcio esperada en ésta investigación era de 5000 ppm al igual que para el caso del sulfato de sodio, pero por efecto de la solubilidad del sulfato de calcio la concentración obtenida fue inferior a 5000 ppm (Ver Anexo B). 136 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores 4.1.2 Respecto a la pérdida de masa Al analizar las pérdidas de masa registradas para ambos sulfatos, se observa que las probetas de mortero razón A/C 0.55 presentan menores pérdidas de masa que las muestras razón A/C 0.65. Lo cual reafirma lo expresado anteriormente, en cuanto a la porosidad del material, es decir, a menor razón A/C se obtiene un hormigón menos permeable, lo que dificulta el paso del agente agresivo previniendo el ataque químico. Si comparamos las muestras con mayor pérdida de masa se observa que coinciden en razón A/C, adición de nanosílice y son muy similares en cuanto al tiempo que las probetas estuvieron sometidas al ensayo de inmersión en su respectivo sulfato, para el caso del sulfato de sodio la mayor pérdida de material se registró a los 26 días y para el sulfato de calcio a los 21 días. En cuanto a la magnitud de la pérdida de masa se puede ver que el deterioro producido por el sulfato de sodio es notoriamente superior al provocado por el sulfato de calcio. Si comparamos las muestras con menor pérdida de masa se observa que coinciden en razón A/C y son muy similares en cuanto al tiempo que las probetas estuvieron sumergidas en su respectivo sulfato, para el caso del sulfato de sodio la menor pérdida de masa se registró a los 26 días y para el sulfato de calcio a los 28 días. Se presenta diferencia en cuanto a la adición de nanosílice, ya que para el sulfato de sodio la menor pérdida de masa se registró con 1.5% de adición y para el sulfato de calcio ésta se presentó con 1.0% de adición del aditivo. En cuanto a la magnitud de la pérdida de masa, se puede ver que el daño producido por el sulfato de sodio es notoriamente superior al provocado por el sulfato de calcio. 137 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores Tabla 4.1: Resultado muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de sodio. Muestra Con Mayor Pérdida de Masa Con Menor Pérdida de Masa Razón A/C Tiempo de Inmersión (días) Adición de nanosílice (%) Disminución Peso Seco (%) 0.65 26 0.5% 0.931 0.55 26 Fuente: Aguilar. (2007). 1.5% 0.036 Tabla 4.2: Resultados muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de calcio. Muestra Con Mayor Pérdida de Masa Con Menor Pérdida de Masa Razón A/C Tiempo de Inmersión (días) Adición de nanosílice (%) Disminución Peso Seco (%) 0.65 21 0.5% 0.457 1.0% 0.013 0.55 28 Fuente: Elaboración propia. Si observamos la totalidad de las muestras ensayadas en cada investigación, se puede concluir que el sulfato de sodio es un agente mucho más dañino para el mortero, pues la pérdida de masa es en promedio un 75% mayor para el caso del sulfato de sodio. Los registros de valores de pérdida de masa se encuentran en Anexo A, para el sulfato de calcio y en Anexo B, para sulfato de sodio. . 4.1.3 Respecto a la variación de pH En ambos trabajos se observa que el pH aumenta notablemente a lo largo del ensayo de inmersión, partiendo de un pH ácido y pasando rápidamente a un pH básico una vez transcurrido el primer intervalo de tiempo (7 días para el sulfato de calcio y 13 días para el sulfato de sodio). El pH inicial registrado para el caso del sulfato de sodio fue de 5.92 y para el sulfato de calcio fue de 5.1, ésta diferencia se atribuye a la hidrólisis del calcio, la cual 138 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores genera una disminución del pH inicial del sulfato de calcio. El registro de pH al finalizar el primer intervalo de tiempo, para ambas razones A/C fue de 9.4 aproximadamente para el sulfato de sodio y para el sulfato de calcio el registro fue 11.68 en muestras razón A/C 0.55 y 12.13 en muestras razón A/C 0.65. Luego la variación de pH continúa, pero de manera gradual obteniéndose finalmente para el sulfato de sodio un pH de 10.15 en muestras razón A/C 0.55 y 11.42 en muestras razón A/C 0.65 y para el sulfato de calcio el registro de pH final fue de 12.22 en muestras razón A/C 0.55 y 12.42 en muestras razón A/C 0.65. La considerable variación de pH se explica por que se produce un aumento en los iones hidroxilo presentes en cada solución. En el caso del sulfato de sodio se genera hidróxido de sodio y en el caso de sulfato de calcio se genera hidróxido de calcio. 4.1.4 Respecto al análisis de microscopía electrónica Al comparar ambos trabajos se observa el daño producido por el sulfato, se aprecian cambios químicos y físicos en la morfología superficial de las muestras ensayadas. Al observar las microfotografías es posible visualizar la remoción de microconstituyentes y la aparición de etringita secundaria y al revisar los datos entregados por el microanálisis químico se puede cuantificar las variaciones de los diferentes elementos presentes en el mortero (Ver anexo C). En cuanto a los elementos químicos predominantes se aprecia que en ambos trabajos que el calcio y silicio son los que se encuentran en mayor cantidad. Además es posible apreciar que en las zonas deterioradas se evidencia mayor presencia de calcio y menos de silicio. 4.2 Sulfato de calcio V/S Sulfato de magnesio 4.2.1 Consideraciones 139 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores Sí comparamos el desarrollo experimental de ésta investigación con el trabajo realizado por Brandt (2008), donde el medio agresivo utilizado fue sulfato de magnesio, se tiene que la única diferencia es la concentración de sulfato, pues en el caso anterior la concentración de sulfato de magnesio fue de 5000 ppm y de acuerdo a la solubilidad del sulfato de calcio se obtiene una concentración inferior a ésta. (Ver Anexo B). Los parámetros que se consideraron de igual forma para ambos trabajos fueron: número de probetas, número de mediciones, razones A/C y adición de nanosílice. 4.2.2 Respecto a la pérdida de masa Al igual que en la comparación anterior , se observa que las pérdidas de masa registradas para ambos sulfatos (magnesio y calcio) presentan menor pérdida de material con una razón A/C 0.55, pues como ya se mencionó, hormigones menos porosos son hormigones menos permeables, por lo tanto, el material tiene un mejor comportamiento frente agentes agresivos en disolución. Si comparamos las muestras con mayor pérdida de masa se observa que coinciden en razón A/C y adición de nanosílice. Difieren en el tiempo de inmersión en su respectivo sulfato, para el sulfato de magnesio la mayor pérdida se registró a los 42 días y para el sulfato de calcio a los 21 días. En cuanto a la magnitud de la pérdida de masa se puede ver que el deterioro producido por el sulfato de magnesio es muy superior al provocado por el sulfato de calcio. Si comparamos las muestras con menor pérdida de masa se observa que coinciden en razón A/C y en el tiempo de inmersión en su respectivo sulfato, en ambos casos la menor pérdida de masa se registró a los 28 días. Se presenta diferencia en cuanto a la adición de nanosílice, ya que para el sulfato de magnesio la menor pérdida de masa se registró con 1.5% de adición y para el sulfato de calcio ésta se presentó con 1.0% de adición del aditivo. En cuanto a la magnitud de la pérdida de masa, se puede ver que el daño producido por el sulfato de magnesio es muy superior al provocado por el sulfato de calcio. 140 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores Tabla 4.3: Resultado muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de magnesio. Muestra Con Mayor Pérdida de Masa Con Menor Pérdida de Masa Razón A/C Tiempo de Inmersión (días) Adición de nanosílice (%) Disminución Peso Seco (%) 0.65 42 0.5% 0.985 0.55 28 1.5% 0.06 Tabla 4.4: Resultados muestras con mayor y menor pérdida de masa posterior a ensayo de inmersión en sulfato de calcio. Muestra Con Mayor Pérdida de Masa Con Menor Pérdida de Masa Razón A/C Tiempo de Inmersión (días) Adición de nanosílice (%) Disminución Peso Seco (%) 0.65 21 0.5% 0.457 0.55 28 1.0% 0.013 Si observamos la totalidad de las muestras ensayadas en cada investigación, es posible inferir que el sulfato de magnesio es un agente mucho más agresivo para el mortero, pues la pérdida de masa provocada por éste es en promedio un 77% mayor que las pérdidas ocasionadas por el sulfato de calcio. Los registros de valores de pérdida de masa se encuentran en Anexo A, para el sulfato de calcio y en Anexo C, para sulfato de magnesio. . 4.2.3 Respecto a la variación de pH Al igual que en la comparación anterior, se observa que el pH aumenta notablemente a lo largo del ensayo de inmersión, partiendo de un pH ácido y pasando rápidamente a un pH básico una vez transcurrido el primer intervalo de tiempo (7 días). El pH inicial registrado para el caso del sulfato de magnesio fue de 5.6 y para el sulfato de calcio fue de 5.1, como ya se mencionó anteriormente ésta diferencia se 141 Capítulo IV Comparación con Investigaciones Anteriores atribuye a la hidrólisis del calcio. El registro de pH al finalizar el primer intervalo de tiempo, para ambas razones A/C fue de 8.3 para el sulfato de magnesio y para el sulfato de calcio el registro fue 11.68 en muestras razón A/C 0.55 y 12.13 en muestras razón A/C 0.65. Luego la variación de pH continúa, pero de manera gradual obteniéndose finalmente para el sulfato de magnesio un pH de 9.4 en muestras razón A/C 0.55 y 9.7 en muestras razón A/C 0.65 y para el sulfato de calcio el registro de pH final fue de 12.22 en muestras razón A/C 0.55 y 12.42 en muestras razón A/C 0.65. La considerable variación de pH se explica por que se produce un aumento en los iones hidroxilo presentes en cada solución. En el caso del sulfato de magnesio se genera hidróxido de magnesio y en el caso de sulfato de calcio se genera hidróxido de calcio. 4.2.4 Respecto al análisis de microscopía electrónica En cuanto a las microfotografías el daño producto de los sulfatos es evidente. Al igual que en la comparación anterior se visualizan cambios químicos y físicos en la morfología superficial de las probetas ensayadas (Ver anexo D) Respecto a los elementos cuantificados mediante microanálisis en la investigación realizada con solución de sulfato de magnesio se aprecia que en las probetas más dañadas aumenta la concentración de magnesio y disminuye la de silicio. Para el estudio realizado con sulfato de calcio se aprecia que en las zonas más dañadas aumenta la presencia de calcio y disminuye la de silicio. 142 Capítulo V Conclusiones CAPITULO V CONCLUSIONES A partir de la presente investigación se concluye que efectivamente las probetas de mortero han experimentado cambios físico-químicos producto del deterioro del material al entrar en contacto con sulfato de calcio en disolución, es decir, los mecanismos de acción y reacciones químicas se han desarrollado de acuerdo a la literatura expuesta. Esto se puede avalar mediante la variación de pH que indica que la reacción química ocurre, pues el hidróxido de calcio producto de la reacción eleva el pH pasando rápidamente de ácido a básico y aumentando paulatinamente en el tiempo. El efecto del sulfato de calcio se puede atenuar gracias a los efectos de la nanosílice, pues obstaculiza el ingreso del agente agresivo rellenando los vacíos, generando un material más compacto y resistente a los mecanismos de infiltración. De acuerdo al análisis de pérdida de masa podemos observar que si bien el comportamiento de las probetas de mortero es errático en algunos casos, lo cual se atribuye al hecho de que hubo parámetros, como la permeabilidad y absorción, que no se controlaron, pues no eran de interés en esta investigación. En general se obtuvo resultados que indican que el mortero con adición de nanosílice tiene un comportamiento mejorado en comparación al material sin la adición de éste. El comportamiento de las muestras razón A/C 0.55 es irregular en comparación a las probetas razón A/C 0.65. Esto se atribuye a que al tener mayor cantidad de cemento incorporado se obtiene un material menos poroso, por ende, se dificulta la entrada del agente químico en disolución, de tal forma el ataque disminuye notablemente. Lo mencionado anteriormente puede explicar el hecho de que las pérdidas de masa son muy superiores en el caso de las muestras razón A/C 0.65. En las probetas razón A/C 0.65 el comportamiento del material es más regular, se visualiza que a mayor adición de nanosílice las pérdidas de masa en general 143 Capítulo V Conclusiones disminuyen, esto se debe a que al combinarse la nanosílice con los demás constituyentes del mortero se genera mayor cohesión y por ende un material más compacto y resistente a las agresiones del medio. Si observamos el comportamiento de las muestras a lo largo del tiempo, la tendencia es que a medida que aumenta el tiempo de inmersión en solución de sulfato de calcio las pérdidas de masa aumentan. En las muestras razón A/C 0.65 la mayor pérdida de masa se registró a los 21 días para las muestras con 0.0%, 0.5% y 1.0% de adición de nanosílice. En las muestras razón A/C 0.55 el comportamiento es más irregular las muestras con mayor pérdida de masa se registraron en distintos intervalos de tiempo, este comportamiento tiene su explicación en que el daño es menor debido a la menor cantidad de vacíos presentes en el material. Al comparar el comportamiento del mortero frente a los distintos sulfatos estudiados tenemos que el sulfato de magnesio y sulfato de sodio son compuestos más perjudiciales, pues las pérdidas de masa registradas en ambas investigaciones son respectivamente 77% y 75% mayor que las pérdidas obtenidas para sulfato de calcio. Es importante tener en cuenta la naturaleza del sulfato de calcio, ya que como se mencionó en el anexo B, la concentración esperada no fue posible debido a la baja solubilidad del compuesto, esto hecho tiene influencia directa en que las pérdidas registradas sean notablemente menores en este caso y además se presenten comportamientos irregulares en algunas probetas, pues debido a la baja solubilidad se produjo acumulación de sulfato en la superficie del mortero lo que ocasionó un deterioro acelerado en dichos puntos. Para recomendar una determinada adición de nanosílice, en el caso de las probetas razón A/C 0.65 se puede establecer que a mayor adición de nanosílice mejora el comportamiento del mortero, es decir, se recomienda utilizar concentraciones superiores a 0.5% considerándose como optima 1.5% de adición. Para las muestras razón A/C 0.55 no es posible determinar una concentración óptima, pues los datos son bastante irregulares y no confirman una tendencia clara. 144 Capítulo V Conclusiones En cuanto al análisis realizado mediante microscopia electrónica, efectivamente se aprecia el daño producto del ataque químico por sulfato de calcio. Este deterioro de se caracteriza por cambios físico – químicos en la muestras ensayadas, se observan superficies irregulares con evidente desprendimiento de material, modificaciones en los microconstituyentes del mortero, siendo bastante notorio el aumento de calcio y disminución de silicio en las zonas más afectadas, y la formación de etringita secundaria con cristales en diferente grado de crecimiento. Además es importante destacar que los cambios mencionados anteriormente se atenúan a medida que aumenta la adición de nanosílice y disminuye la razón A/C, ya que ambos efectos combinados impiden el ingreso del sulfato de calcio en disolución generando un material más resistente al ataque químico por sulfatos. Otro aspecto que es importante mencionar son las propiedades del mortero expuesto a medios sulfatados que se verían beneficiadas con el uso de la nanosílice, pues evidentemente al tener un material más resistente al ataque químico, aumenta su durabilidad y por ende es capaz de conservar por más tiempo propiedades como resistencia a la compresión y flexotracción, permeabilidad, y rugosidad superficial. Como sugerencia para investigaciones posteriores utilizando sulfatos como un agente químicamente agresivo para el hormigón, sería interesante estudiar el daño en hormigones armados producto de soluciones sulfatadas a fin de caracterizar el daño en el hormigón y en las armaduras producto de ambos ataques químicos simultáneos. También sería interesante ampliar la línea de investigación a otros agentes químicamente agresivos como son los ácidos, los cloruros y otros compuestos de uso habitual en el hormigón establecidos en el código ACI. 145 Bibliografía BIBLIOGRAFIA ADABACHE, A.; M. Silva; R. Galán. 2009. El microscopio electrónico de barrido un instrumento útil para Departamento la ciencia. de México. Universidad Biología. de Aguascalientes. (Disponible en: http://www.amemi.org/Docs/simposia_materiales/carteles/151_El_Microscopio_electr onico_de_barrido_un_instrumento_%C3%BAt.pdf . Consultado en Octubre de 2009) AGUILAR, R. 2007. 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Santiago, Chile. 95 paginas. 150 Anexo A Tablas de Registro y Disminución Porcentual de Peso Seco en Probetas de Mortero ANEXO A: Tablas de registro y disminución porcentual de peso seco en probetas de mortero, como consecuencia de ensayo de inmersión en solución de sulfato de calcio. Tabla A.1: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Peso seco Peso seco Nanosílice previo (g) posterior (g) 0 21,735 21,724 0.5 23,209 23,202 1.0 23,504 23,496 1.5 22,979 22,973 0 22,445 22,427 0.5 22,452 22,447 1.0 22,769 22,737 1.5 23,015 23,007 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.2: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Peso seco Peso seco Nanosílice previo (g) posterior (g) 0 22.148 22.143 0.5 21.257 21.251 1.0 22.714 22.703 1.5 23.609 23.605 0 22.034 22.015 0.5 22.374 22.370 1.0 23.075 23.061 1.5 23.317 23.300 Fuente: Elaboración propia. 151 Anexo A Tablas de Registro y Disminución Porcentual de Peso Seco en Probetas de Mortero Tabla A.3: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Peso seco Peso seco Nanosílice previo (g) posterior (g) 0 22.321 22.313 0.5 22.247 22.235 1.0 22.541 22.531 1.5 22.777 22.758 0 22.162 22.131 0.5 22.535 22.432 1.0 22.616 22.546 1.5 22.650 22.628 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.4: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T4. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Peso seco Peso seco Nanosílice previo (g) posterior (g) 0 21.896 21.893 0.5 22.295 22.282 1.0 22.952 22.949 1.5 23.303 23.296 0 22.876 22.865 0.5 22.853 22.815 1.0 22.523 22.512 1.5 23.517 23.508 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.5: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T5. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Peso seco Peso seco Nanosílice previo (g) posterior (g) 0 21.744 21.738 0.5 22.310 22.298 1.0 22.815 22.803 1.5 22.904 22.897 0 22.275 22.255 0.5 22.616 22.558 1.0 22.654 22.613 1.5 22.803 22.731 Fuente: Elaboración propia. 152 Anexo A Tablas de Registro y Disminución Porcentual de Peso Seco en Probetas de Mortero Tabla A.6: Registro peso seco previo y posterior a ensayo inmersión de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T6. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Peso seco Peso seco Nanosílice previo (g) posterior (g) 0 21.698 21.691 0.5 22.036 22.030 1.0 22.607 22.573 1.5 22.946 22.933 0 21.997 21.991 0.5 22.078 22.069 1.0 22.743 22.689 1.5 24.123 24.079 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.7: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.051 0.5 0.030 1.0 0.034 1.5 0.026 0 0.080 0.5 0.022 1.0 0.141 1.5 0.035 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.8: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.023 0.5 0.028 1.0 0.048 1.5 0.017 0 0.086 0.5 0.018 1.0 0.061 1.5 0.073 Fuente: Elaboración propia. 153 Anexo A Tablas de Registro y Disminución Porcentual de Peso Seco en Probetas de Mortero Tabla A.9: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.036 0.5 0.054 1.0 0.044 1.5 0.083 0 0.140 0.5 0.457 1.0 0.310 1.5 0.097 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.10: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T4. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.014 0.5 0.058 1.0 0.013 1.5 0.030 0 0.048 0.5 0.166 1.0 0.049 1.5 0.038 Fuente: Elaboración propia. Tabla A.11: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T5. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.028 0.5 0.054 1.0 0.053 1.5 0.031 0 0.090 0.5 0.256 1.0 0.181 1.5 0.316 Fuente: Elaboración propia. 154 Anexo A Tablas de Registro y Disminución Porcentual de Peso Seco en Probetas de Mortero Tabla A.12: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T6. Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.032 0.5 0.027 1.0 0.150 1.5 0.057 0 0.027 0.5 0.041 1.0 0.237 1.5 0.182 Fuente: Elaboración propia. 155 Anexo B Efectos de la Solubilidad del Sulfato de Calcio ANEXO B: Efectos de la solubilidad del sulfato de calcio Considerando la naturaleza del medio al cual fueron sometidas las probetas de mortero, se entiende que la baja solubilidad del sulfato de calcio genera una concentración inferior a la esperada, es decir, inferior a 5000 ppm. De acuerdo a ésto estimaremos la concertación real a la que fueron expuestas las probetas. • Concentración esperada 5000 ppm ⇒ 5 grs. de sulfato de calcio / Litro de agua Concentración molar esperada del sulfato de calcio - Peso atómico de cada elemento: Ca = 40.08 S = 32.06 O = 16 × 4 = 64 - Peso molecular del compuesto PM _ CaSO4 = 136.14 g mol Utilizando el peso molecular del compuesto se tiene que la concentración molar esperada del reactivo es: Concentración _ Molar _ Esperada = 5g L g 136.14 = 3.67 × 10 − 2 mol L mol 156 Anexo B • Efectos de la Solubilidad del Sulfato de Calcio Concentración real Para conocer que parte del reactivo realmente se encuentra disuelto utilizamos el producto de solubilidad del sulfato de calcio, el cual indica que se establece un equilibrio dinámico en la reacción, es decir, la velocidad de disolución de los iones de sólido iguala a la velocidad de precipitación de la solución saturada. - Equilibrio dinámico CaSO4 (s ) ⇔ Ca 2+ (ac ) + SO4 −2 (ac ) - Cuya expresión de equilibrio es: [ ][ K PS = Ca 2+ SO2 2− ] = 2.4 × 10 −5 Donde: K PS = producto de solubilidad de CaSO4 −2 Como no conocemos la solubilidad del sólido, se supone que se disuelven x moles de sólido, así la estequiometria de la reacción queda: xCaSO4 ( s ) → xCa 2+ + xSO4 −2 En el equilibrio: [Ca ] = x Y [SO ] = x 2− 2+ 4 Así: [ ][ K PS = 2.4 × 10 −5 = Ca 2+ SO2 2− ] = [x][x] = x 2 157 Anexo B Efectos de la Solubilidad del Sulfato de Calcio Despejando x: x = (2.4 × 10 −5 ) = 4.89 × 10 −3 mol Por lo tanto la solubilidad del CaSO4 es 4.89 × 10 −3 mol L L o 665 ppm. De acuerdo a Lo establecido por el código ACI (ver tabla 2.8) esta concertación considera un tipo de exposición a sulfatos disueltos en agua “moderado” 158 Anexo C Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Sodio ANEXO C: Resultados obtenidos en investigación precedente para sulfato de sodio A) Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero, posterior a ensayo de inmersión en sulfato de sodio Tabla C.1: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1 (13 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.169 0.5 0.126 1.0 0.510 1.5 0.241 0 0.196 0.5 0.356 1.0 0.617 1.5 0.669 Fuente: Aguilar. (2007). Tabla C.2: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2 (26 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.266 0.5 0.301 1.0 0.080 1.5 0.036 0 0.401 0.5 0.931 1.0 0.866 1.5 0.575 Fuente: Aguilar. (2007). 159 Anexo C Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Sodio Tabla C.3: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3 (39 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.138 0.5 0.147 1.0 0.059 1.5 0.045 0 0.445 0.5 0.607 1.0 0.377 1.5 0.247 Fuente: Aguilar. (2007) B) Variación de pH durante ensayo de inmersión en solución de sulfato de sodio Figura C.1: Gráfico variación de pH de la solución de sulfato de sodio en función del tiempo (Fuente: Aguilar, 2007) C) Microscopía electrónica de probetas sometidas a la acción de sulfato de sodio Imágenes 160 Anexo C • Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Sodio Muestra sometida a la acción de sulfato de sodio: “Buena” (A/C 0.55 1.5% - T2 (26 días)) Figura C.2: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “buena” con un aumento de 1000x. Superficie con perfil de topografía irregular. Zonas más densas en gránulos, depresiones y desadherencias de sustratos superficiales. (Fuente: Aguilar, 2007). Figura C.3: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “buena” con un aumento de 5000x. Muestra poco atacada superficialmente, cristales pierden forma en bordes. Gránulos dispersos. (Fuente: Aguilar, 2007). 161 Anexo C Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Sodio Figura C.4: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “buena” con un aumento de 12000x. Detalle de superficie, se ven desahderencias entre granos, deterioro puntual zonas oscuras (parte superior) con cambio de coloración gris por efecto de solución y aparición incipiente de etringita en bordes de granos (marcada con círculos). (Fuente: Aguilar, 2007). Microanálisis Figura C.5: Microanálisis muestra “buena” EDAX 5. Concreto caracterizado por cristales constituidos químicamente por Mg, Al, Si, K, Ca, Ti y Fe. Por acción del medio se tiene Na, S y Cl. (Fuente: Aguilar, 2007). 162 Anexo C • Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Sodio Muestra sometida a la acción de sulfato de sodio: “Mala” (A/C 0.65 0.5% - T2 (26 días)) Figura C.6: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “mala” con un aumento de 1000x. Detalle ataque por sulfatos, con acción en profundidad, remoción de microconstituyentes, cristales sin forma y cubiertos por partículas. (Fuente: Aguilar, 2007). Figura C.7: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “mala” con un aumento de 5000x.Presencia de etringita no en forma continua ni uniforme, con distintos grados de crecimiento. (Fuente: Aguilar, 2007). 163 Anexo C Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Sodio Figura C.8: Imagen muestra sometida a la acción de solución de sulfato de sodio: “mala” con un aumento de 12000x. Detalle imagen anterior con etringita que cubre la mayor parte de la superficie en distintos sustratos. (Fuente: Aguilar, 2007). Microanálisis Figura C.9: Microanálisis muestra “mala” EDAX 7. (Fuente: Aguilar, 2007). 164 Anexo D Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio ANEXO D: Resultados obtenidos en investigación precedente para sulfato de magnesio A) Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero, posterior a ensayo de inmersión en sulfato de magnesio Tabla D.1: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T1 (7 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.257 0.5 0.072 1.0 0.390 1.5 0.080 0 0.160 0.5 0.298 1.0 0.210 1.5 0.065 Fuente: Brandt. (2008). Tabla D.2: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T2 (14 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.324 0.5 0.163 1.0 0.550 1.5 0.198 0 0.408 0.5 0.316 1.0 0.613 1.5 0.652 Fuente: Brandt. (2008). 165 Anexo D Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio Tabla D.3: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T3 (21 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.184 0.5 0.200 1.0 0.570 1.5 0.083 0 0.450 0.5 0.520 1.0 0.680 1.5 0.672 Fuente: Brandt. (2008). Tabla D.4: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T4 (28 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.280 0.5 0.311 1.0 0.193 1.5 0.060 0 0.480 0.5 0.820 1.0 0.720 1.5 0.516 Fuente: Brandt. (2008). Tabla D.5: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T5 (35 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.250 0.5 0.296 1.0 0.095 1.5 0.073 0 0.517 0.5 0.733 1.0 0.531 1.5 0.385 Fuente: Brandt. (2008). 166 Anexo D Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio Tabla D.6: Disminución porcentual en peso seco de probetas de mortero correspondientes a intervalo de tiempo T0 – T6 (42 días). Razón A/C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65 0.65 % Disminución Nanosílice peso seco (%) 0 0.158 0.5 0.176 1.0 0.070 1.5 0.097 0 0.580 0.5 0.985 1.0 0.450 1.5 0.323 Fuente: Brandt. (2008). B) Variación de pH durante ensayo de inmersión en solución de sulfato de magnesio Figura D.1: Gráfico variación de pH de la solución de sulfato de magnesio en función del tiempo (Fuente: Brandt, 2008). 167 Anexo D Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio C) Microscopía electrónica de probetas sometidas a la acción de sulfato de magnesio • Muestra con Menor pérdida de material: A/C 0.55 1.5% T4 (28 días) Imágenes Figura D.2: Imagen muestra con Menor Pérdida de material a Escala 1000x. Superficie en gran parte homogénea en distribución partículas que cubren incluso límites de grano. (Fuente: Brandt, 2008). Figura D.3: Imagen muestra con Menor Pérdida de material a Escala 5000x. Mayor detalle de la morfología expuesta en la imagen anterior, con las distintas fases del concreto y distribución de partículas. (Fuente: Brandt, 2008) 168 Anexo D Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio Figura D.4: Imagen muestra con Menor Pérdida de material a Escala 12000x. Zona con detalle de formación de Etringita en la muestra de concreto, crecimiento y distribución homogénea. (Fuente: Brandt, 2008). Microanálisis Figura D.5: Microanálisis Muestra con Menor Pérdida de material. Indica la composición química de la muestra, los elementos detectados en mayor cantidad son Calcio, Silicio y Aluminio. (Fuente: Brandt, 2008) 169 Anexo D • Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio Muestra con Menor pérdida de material: A/C 0.55 1.5% T4 (28 días) Muestra con Mayor pérdida de material: A/C 0.65 0.5% T6 Imagenes Figura D.6: Imagen muestra con Mayor Pérdida de material a Escala 1000x.Distribución Heterogénea de partículas en la muestra con zonas sin cubrir debido a textura y topografía de cristales del material. (Fuente: Brandt, 2008). Figura D.7: Imagen muestra con Mayor Pérdida de material a Escala 5000x.Detalle de morfología de partículas y cristales de concreto, con sustratos y fases intermedias bajo las partículas. (Fuente: Brandt, 2008). 170 Anexo D Resultados Obtenidos en Investigación Precedente para Sulfato de Magnesio Figura D.8: Imagen muestra con Mayor Pérdida de material a Escala 12000x.Desagregación de partículas en la superficie con distintos tamaños de aglomeración. (Fuente: Brandt, 2008). Microanálisis Figura D.9: Microanálisis Muestra con Mayor Pérdida de material. Mayor detección de Magnesio y Calcio. Hay presencia de cloro que puede provenir del agua utilizada en el ensayo o del agua de la mezcla del concreto. (Fuente: Brandt, 2008). 171
