ANALISIS DE VIABILIDAD PARA EL USO DEL MORTERO CELULAR EN COLOMBIA A PARTIR DE LA REVISION DEL ESTADO DEL ARTE. DIANA LORENA MEDINA PIZA, SHIRLEY PAOLA YAÑEZ LOPEZ PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA - DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL AREA DE CONSTRUCCION BOGOTA D.C 2014 ANALISIS DE VIABILIDAD PARA EL USO DEL MORTERO CELULAR EN COLOMBIA A PARTIR DE LA REVISION DEL ESTADO DEL ARTE. Presentado por: Diana Lorena Medina Piza C.C 1.018.433.706 Shirley Paola Yáñez López C.C 1.090.457.854 Trabajo de Grado Directora: Adriana Gómez Cabrera I.C., M.S.C Evaluadores: I.C Jesús Daniel Villalba I.C Rodrigo Salamanca Correa Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil Bogotá 2014 Dedicatoria A Dios y nuestras familias, gracias por contar con su compañía. Agradecimiento A todas aquellas personas que nos aportaron su conocimiento para el desarrollo de nuestro trabajo de grado, especialmente a la ingeniera Adriana Gómez Cabrera Tabla de Contenido Tabla de Contenido ............................................................................................... 4 Lista de Tablas ...................................................................................................... 6 Lista de Figuras ..................................................................................................... 8 Lista de Gráficas ................................................................................................. 10 1 Introducción ................................................................................................. 11 2 Generalidades .............................................................................................. 14 2.1 Descripción del mortero celular ....................................................... 14 2.2 Materiales utilizados en la producción de mortero celular ............ 17 2.2.1 Agua ................................................................................................ 17 2.2.2 Cemento .......................................................................................... 18 2.2.3 Arena ............................................................................................... 18 2.2.4 Agente espumante ........................................................................... 19 2.3 Propiedades mecánicas, durabilidad y otras características ........ 22 2.3.1 Propiedades mecánicas ................................................................... 22 2.3.1.1 Densidad y resistencia a compresión ............................................. 22 2.3.1.2 Módulo de elasticidad. .................................................................... 26 2.3.1.3 Resistencia a la flexión ................................................................... 29 2.3.2 Durabilidad ....................................................................................... 29 2.3.2.1 Permeabilidad ................................................................................. 30 2.3.2.2 Resistencia a ambientes agresivos. ............................................... 30 2.3.2.3 Resistencia al fuego. ...................................................................... 30 2.3.3 Otras características ........................................................................ 31 2.3.3.1 Aislamiento térmico ........................................................................ 31 2.3.3.2 Propiedades acústicas .................................................................... 36 2.4 Diseño de mezcla del mortero celular ............................................. 38 2.5 Tecnología y proceso de fabricación del mortero celular ............. 45 2.5.1 Tecnologías para la producción de mortero celular. ........................ 45 Máquina generadora de mortero celular ..................................................... 45 Máquina generadora de espuma ................................................................ 47 Mezcladora con bomba neumática ............................................................. 48 2.5.2 Proceso de fabricación del mortero celular ...................................... 48 2.6 Aplicaciones a nivel mundial del mortero celular .......................... 50 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 Aplicaciones geotécnicas. ................................................................ 50 Aplicaciones hidráulicas. .................................................................. 53 Aplicaciones mineras. ...................................................................... 55 Aplicaciones estructurales. .............................................................. 56 2.6.5 Aplicaciones no estructurales. ......................................................... 58 2.6.6 Aplicaciones arquitectónicas. ........................................................... 59 2.7 Métodos de colocación del mortero celular .................................... 61 2.8 Normatividad a nivel mundial aplicable para la utilización de mortero celular................................................................................................. 62 2.9 2.9.1 2.9.2 3 Ventajas y desventajas de mortero celular. .................................... 63 Ventajas ........................................................................................... 63 Desventajas ..................................................................................... 63 Análisis de viabilidad técnica ..................................................................... 65 3.1 Disponibilidad de materiales necesarios para la producción de mortero celular en Colombia. ......................................................................... 65 3.1.1 Arena. .............................................................................................. 65 3.1.2 Cemento. ......................................................................................... 73 3.1.3 Agente espumante ........................................................................... 74 3.2 Disponibilidad de tecnologías necesarias para la producción de mortero celular en Colombia .......................................................................... 75 3.3 Posibles aplicaciones en Colombia del mortero celular de acuerdo a la normatividad nacional .............................................................................. 76 4 Análisis de costos ........................................................................................ 80 4.1 Costos a nivel mundial de la tecnología necesaria para la producción de mortero celular. ...................................................................... 80 4.2 Comparación de costos con productos similares en Colombia. .. 82 5 Conclusiones y recomendaciones ............................................................. 85 6 Referencias bibliográficas........................................................................... 87 7 Anexos .......................................................................................................... 95 Lista de Tablas Tabla 1: Especificaciones para cemento portland ................................................. 18 Tabla 2. Propiedades de la arena ......................................................................... 19 Tabla 3 Especificaciones ....................................................................................... 19 Tabla 4.Componentes para los diferentes tipos de agente espumante. ................ 21 Tabla 5. Resistencia a la compresión .................................................................... 24 Tabla 6. Recopilación de esfuerzo a compresión, densidad y mezcla usada por autores. ................................................................................................................. 25 Tabla 7. Módulo de elasticidad variando su resistencia a la compresión y densidad. .............................................................................................................................. 27 Tabla 8. Ecuaciones de predicción del módulo de elasticidad para el mortero celular. ................................................................................................................... 28 Tabla 9. Relación entre resistencia a flexión y resistencia a compresión .............. 29 Tabla 10. Conductividad térmica para el mortero celular de acuerdo a su densidad. .............................................................................................................................. 36 Tabla 11: Esquema utilizado para el cálculo de la dosificación ............................. 39 Tabla 12: Dosificación de materiales para 1 m3 de mortero celular ...................... 40 Tabla 13: Dosificación del mortero celular por m3 ................................................ 40 Tabla 14. Dosificación del mortero celular por m3 para una densidad de 1500 kg/ .................................................................................................................... 41 Tabla 15. Mezcla de proporciones arena-cemento ............................................... 42 Tabla 16. Ficha técnica de máquina generadora de mortero celular, CONCELLMEX-PROF-CC-1000 ........................................................................... 46 Tabla 17. Ficha técnica máquina generadora de mortero celular, TURBOSOL-RC 800 ........................................................................................................................ 47 Tabla 18. Ficha técnica máquina generadora de espuma. .................................... 48 Tabla 19.Aplicaciones a nivel mundial del mortero celular. ................................... 60 Tabla 20. Normas para el empleo de mortero celular. .......................................... 62 Tabla 21. Especificaciones para las arenas en Colombia ..................................... 66 Tabla 22.Granulometría para una arena triturada. ................................................ 67 Tabla 23. Características de la arena triturada...................................................... 68 Tabla 24. Granulometría de arena de rio. ............................................................. 69 Tabla 25. Características de la arena de rio. ......................................................... 69 Tabla 26.Granulometría arena lavada cantera Zulia en Cúcuta. ........................... 70 Tabla 27.Características de arena lavada cantera Zulia en Cúcuta ...................... 70 Tabla 28. Granulometría arena triturada cantera Zulia en Cúcuta. ....................... 71 Tabla 29. Características arena triturada cantera Zulia en Cúcuta ....................... 71 Tabla 30. Comparación especificaciones para el cumplimiento de las arenas ..... 72 Tabla 31.Especificaciones para el cemento .......................................................... 73 Tabla 32.Especificaciones para la resistencia del mortero según las normas NTC 4050 y ASTM C91 ................................................................................................. 73 Tabla 33. Información técnica EUCOCELL 200 .................................................... 74 Tabla 34. Información técnica EUCOCELL 1000 .................................................. 74 Tabla 35.Especificaciones para aditivos incorporadores de aire para concreto. ... 75 Tabla 36. Código arancelario e impuesto de las máquinas. .................................. 76 Tabla 37.Especificaciones unidades de bloque de mortero. ................................. 77 Tabla 38. Tipos de mortero recomendados para cada una de las aplicaciones según normatividad Colombiana. .......................................................................... 77 Tabla 39.Requerimientos para el contenido de aire y resistencia para los diferentes tipos de morteros................................................................................................... 78 Tabla 40.Aplicaciones y tipos de mortero, y su resistencia mínima de acuerdo a la NTC 3329 .............................................................................................................. 79 Tabla 41.Tabla de resumen resistencias máximas según literatura. ..................... 79 Tabla 42. Precios de maquinaria y agente espumante en otros países. ............... 80 Tabla 43. Precios de maquinaria y agente espumante en Colombia. ................... 81 Tabla 44. Precio por metro cubico del mortero seco ............................................. 82 Tabla 45. Precio del mortero celular con generadora de espuma ......................... 83 Tabla 46. Precio del mortero celular con maquina generadora de mortero celular 83 Lista de Figuras Figura 1. Panteón de Agripa.................................................................................. 15 Figura 2. Sistema de poros con inclusión de aire. ................................................. 20 Figura 3. Influencia del contenido de aire en el módulo de elasticidad estático. ... 26 Figura 4. Correlación del módulo de elasticidad estático y la resistencia a compresión. ........................................................................................................... 27 Figura 5. Resistencia al fuego ............................................................................... 31 Figura 6. Aislamiento térmico ................................................................................ 32 Figura 7. Influencia del agente espumante en la conductividad térmica. .............. 33 Figura 8. Conductividad térmica del mortero normal y celular. ............................. 34 Figura 9. Relación entre la conductividad térmica y la porosidad.......................... 34 Figura 10.Efecto de la humedad en la conductividad térmica para diferentes materiales de construcción. ................................................................................... 35 Figura 11. Aislamiento acústico............................................................................. 37 Figura 12.a) Burbuja de mortero celular en condiciones adecuadas. b) Burbuja de mortero celular en malas condiciones ................................................................... 38 Figura 13. Máquina generadora de mortero celular, CONCELLMEX – PROF-CC1000 ...................................................................................................................... 45 Figura 14. Máquina generadora de mortero celular con bomba neumática, TURBOSOL– RC 800 ........................................................................................... 46 Figura 15. Máquina generadora de espuma modelo laboratorio. .......................... 48 Figura 16 Proceso de elaboración de mortero celular .......................................... 49 Figura 17. Reparación del costado derecho de un puente en Pakistán. ............... 51 Figura 18.Instalación de anillos de refuerzo en túneles. ....................................... 51 Figura 19. Sección trasversal de una estructura de pavimento. ............................ 52 Figura 20. Colocación capa base para la estructura de pavimento. ...................... 52 Figura 21. Relleno de muro de contención realizada por empresa Aerix ............. 53 Figura 22. Relleno de una tubería realizada por la empresa Aerix. ....................... 54 Figura 23. Canal drenaje longitudinal. ................................................................... 54 Figura 24. Recuperación de materiales. ................................................................ 55 Figura 25. Fundición de una cubierta. ................................................................... 56 Figura 26. Elaboración de bloques in situ ............................................................. 56 Figura 27.Muros de gran altura prefabricadas....................................................... 57 Figura 28. Elementos de sustitución del mortero convención con el mortero celular. .............................................................................................................................. 57 Figura 29.Mueros pantallas torres de 24 pisos...................................................... 58 Figura 30. Fachada de un conjunto de casas de vivienda de interés social. ......... 59 Figura 31. Azulejos................................................................................................ 59 Figura 32. Bombeo de mortero celular para la nivelación de pisos ....................... 61 Figura 33. Bloques prefabricados de mortero celular ............................................ 62 Lista de Gráficas Gráfica 1. Curva de reajuste de espuma en función de la densidad aparente. ..... 41 Gráfica 2. Dosificación propuesta Vs Dosificación ajustada .................................. 42 Grafica 3.Granulometría para una arena triturada................................................. 68 Grafica 4. Granulometría de arena de rio. ............................................................. 70 Grafica 5.Granulometría de arena lavada cantera Zulia en Cúcuta ...................... 71 Grafica 6. Granulometría arena triturada cantera Zulia en Cúcuta ........................ 72 1 Introducción El concreto es uno de los materiales más empleados por la industria de la construcción alrededor de todo el mundo con cerca de seis mil millones de metros cúbicos de concreto colocado cada año (Masloff & Palladino, 2012), siendo este una de las materias primas más importantes para el desarrollo de cualquier obra; por esto se han desarrollado múltiples estudios con el fin de crear nuevas mezclas capaces de mejorar el comportamiento del concreto frente a diversos factores externos que puedan afectarlo. Así mismo, a medida que surge la necesidad de optimizar los tiempos y los recursos en el sector de la construcción, este se ha visto en la obligación de crear e implementar nuevas tecnologías con el fin de facilitar procesos constructivos y a su vez efectuar el desarrollo de nuevos materiales los cuales posean propiedades específicas de acuerdo a su finalidad. Cuando se inició el año 2013, el gremio de la construcción tenía claro que este iba a ser uno de los motores más sólidos de la economía(CAMACOL, 2014, p. 6),si bien lo afirma un estudio realizado por el DANE denominado ―Avance producto interno bruto‖, en el cual se menciona que Colombia se encuentra en una etapa donde la construcción es uno de los sectores con mayor impacto, debido a que se ha convertido durante estos últimos años en una de las actividades con mayor dinamismo económico, esto gracias al hecho de que el producto interno bruto ha ganado mayor importancia después de la crisis de 1999; soportado en el hecho de que importantes cifras demuestran que desde el año 2006 el sector de la construcción no registraba crecimiento por encima del 20%(«DANE», 2013), lo que representa un aumento en la producción y el desarrollo de este sector. Sin embargo, a pesar del gran crecimiento que ha impuesto el PIB a lo largo de los últimos años, la evolución y desarrollo de nuevas tecnologías para la optimización de los tiempos empleados en los sistemas constructivos en especial los costos involucrados en este, no ha tenido un gran avance, esto debido al poco aporte que se le dan a la ciencia, la tecnología e Innovación y como consecuencia de esto el desarrollo económico avanza de manera lenta (CONSEJO PRIVADO DE COMPETITIVIDAD, 2013). Según el académico, Joseph Gyourko, profesor de Wharton Bussines School, quien estuvo en Colombia a finales del pasado mes de agosto durante el Congreso Colombiano de la Construcción, en nuestro país se evidencia un enorme mercado inmobiliario potencial. La actual escala de producción aún está por debajo de países demográficamente similares, y ,adicionalmente a eso 11 Colombia tiene características que favorecerán el consumo y garantizaran el crecimiento sectorial (CAMACOL, 2014, p. 23).El sistema de información georeferenciado de Camacol publicó las cifras sobre las ventas de vivienda en Colombia entre noviembre del 2012 y octubre del 2013, estos resultados muestran cifras históricas donde se registra un incremento del 14% frente a las ventas registradas en el mismo periodo del año anterior. Esto refleja el buen momento por el que atraviesa el gremio de la construcción, el cual espera no solo tener un crecimiento económico y generación de empleo, sino también impulsar estrategias y acciones en pro del fortalecimiento de la actividad.(CAMACOL, 2014, p. 12) Frente a todo lo expuesto anteriormente y en complemento, existen diferentes puntos de vista relacionado con las implicaciones del reciente deterioro industrial colombiano y uno de los temas de mayor trascendencia son las implicaciones que tiene el cambio tecnológico sobre el crecimiento económico (Villamil, 2003). Con respecto a la innovación y el desarrollo de morteros aligerados como lo es el mortero celular, aunque en el país este mortero no es de amplio uso, en otros países su aplicación es muy frecuente puesto que este trae consigo ventajas que comparado con los morteros convencionales utilizados en obra , podría traer una relación costo-beneficio considerable. Algunas de estas ventajas incluye la reducción de los costos indirectos al requerir menos maquinaria para la colocación, ya que este es auto-compactable por lo que no necesita ni vibrador ni compactador (LAVALLEE, 2008), si bien esta dicho que el mortero celular posee propiedades que permiten la optimización de tiempos y de costos hechos respaldados por estudios alrededor del mundo que soporten la viabilidad de este. Una característica del mortero celular es la auto-compactación, por lo tanto no es necesario el uso de vibradores y compactadores; aunque esta propiedad causa un impacto representativo en cualquier proceso constructivo. La característica principal de este tipo de mortero es su baja densidad, esto debido a la inclusión de aire que puede variar entre un 10% y un 70% de la mezcla sin embargo hay que tener en cuenta que a pesar de sus múltiples beneficios el factor mencionado con anterioridad puede llegar a comprometer variables como la resistencia a la compresión y la durabilidad.(Panesar, 2013a), por esto es necesario tener claro un diseño de mezcla dependiendo de los requerimientos de las normas para la aplicación a la cual se quiera emplear. En Colombia no es muy conocida esta tecnología, por lo que cabe preguntar ¿Por qué no implementarlo?, si a pesar de lo anterior sabemos las ventajas que traería este tipo de mortero en el proceso constructivo. Sin embargo, es importante tener 12 en cuenta las influencias que pueden tener la disminución en el rendimiento del mortero celular en algunas propiedades como la resistencia a compresión(Cellular Concrete Solution, 2014), y determinar las posibles aplicaciones que este tipo de tecnología puede tener en Colombia de acuerdo a nuestra normatividad. El propósito de este documento es el estudio de las propiedades, usos, aplicaciones y costos del mortero celular en otros países mediante el apoyo de investigaciones y así poder hacer un análisis de viabilidad de este tipo de mortero en Colombia; además de esto tener, un conocimiento aproximado de la inversión que se debe hacer para adquirir y comercializar la maquinaria y las materias primas necesarias para la producción del mortero celular. No obstante, es importante realizar una línea de investigación en este tema, que desde sus inicios remota a 1920 (Cellular Concrete Solution, 2014) y desde entonces no ha tenido un gran avance en nuestro país. 13 2 Generalidades 2.1 Descripción del mortero celular El mortero celular a nivel mundial es muy reconocido y empleado en varios tipos de obras por sus múltiples ventajas a la hora de usarlo, este se compone de cemento, agua, agregados y de espuma que se mezcla con el mortero (Panesar, 2013b). Una de las características de este tipo de mortero es que no contiene fase de agregado grueso, sin embargo, muestra gran variación en sus propiedades, las cuales dependen de su microestructura y composición, que están influenciados por el tipo de aglutinante utilizado, los métodos de formación de poros y el curado(Narayanan&Ramamurthy,2000), este a diferencia del mortero convencional posee una inclusión de espuma la cual debe ser firme y estable, de manera que resista la presión del mortero hasta que este tome su forma inicial y se forme un fuerte esqueleto de motero alrededor del vacío lleno de aire (Ramamurthy, Kunhanandan Nambiar, & Indu Siva Ranjani, 2009a). Ahora bien este tipo de mortero se ha desarrollado debido a la necesidad de buscar la reducción de peso, al hacer un estudio realizado sobre efectos del mortero celular en procesos industriales ,encontraron una forma muy eficaz de reducir el mismo mediante la introducción de huecos estables dentro de la endurecida pasta de cemento.(Doniec, 2008) Si bien se sabe que el mortero celular es de reciente conocimiento en Colombia y de amplio uso en el mundo su historia se remonta a la época de los Romanos puesto que fueron los primeros en utilizar el concepto de mortero liviano, como se puede evidenciar en la Figura 1 en Italia, el cual disminuye gradualmente de peso a medida que se incrementa su altura hasta llegar a la cúpula compuesta de cemento y piedra pómez. (Rengifo & Yupangi, 2013) 14 Figura 1. Panteón de Agripa Fuente:(Álvarez, 2007) A pesar de que el mortero celular fue desarrollado hace más de sesenta años, su impacto no fue de mayor trascendencia por la dificultad del proceso inicial y su costo. Sabiendo que los romanos fueron los primeros en emplear y desarrollar este tipo de tecnología no en muchas estructuras fueron empleadas y su continuo desarrollo se vio truncado debido a los inconvenientes que representaba su elaboración y su colocación. A pesar de que fueron pioneros en introducir el termino aligerante en su sistema constructivo el concepto de espuma no se vendría desarrollando sino hasta mediados de la década de los treinta, la escoria espumosa de los altos hornos se introdujeron en Inglaterra, desde entonces se ha usado como agregado de peso ligero. Antes de la última guerra mundial , el concreto a base de espuma se utilizaba en el Reino Unido, principalmente en la fabricación de bloques de bloques para muros que no fueran de carga.(Luzardo & Arraga, 2004) Por lo que también se sabe, el mortero celular o también conocido como mortero aireado fue desarrollado en Suecia en la primera mitad del siglo XX, más precisamente en los años 20, cuando se instaló la primera planta para producir elementos prefabricados livianos con la marca YTONG.(Silva, 2009) Las mejoras de sus propiedades condujeron al desarrollo de unidades reforzadas, hoy en día más de la mitad de la producción de concreto aireado en Suecia, se hace de esta forma. En Estados Unidos el desarrollo en gran escala del concreto ligero fue más rápido que en ninguna otra parte del mundo, debido principalmente a que el enorme 15 tamaño de este país origina altos costos de transporte para mover materiales pesados a través de grandes distancias para llegar a los sitios de obra; este factor también debe ser a los costos de la mano de obra relativamente altos.(Luzardo & Arraga, 2004) Este material ha sido usado intensamente en Europa durante los últimos 80 años, en el Medio Oriente desde hace unos 40 años, en Estados Unidos se fabrica industrialmente desde mediados de los años 90 y en Australia y Sudamérica se han instalado plantas para producir este tipo de unidades livianas de hormigón bajo licencia de las casas matrices Hebel, Celcon, Xella, etc. desde hace 20 años (Silva, 2009). En el caso de Chile este material se utilizó inicialmente en los años 50 como núcleo de paneles prefabricados, con lo cual se lograba disminuir el peso del muro y mejorar las condiciones de aislación, a su vez la primera planta de producción de hormigón celular se instaló en el año 1958 bajo la firma Sihl-Púmex, quienes fabricaban paneles prefabricados curados al vapor utilizando en su proceso de producción cemento portland, cenizas volcánicas y un agente espumógeno con el cual se obtenía la estructura celular. Posteriormente, a mediados de la década del 90 se inició la importación de unidades para albañilería y finalmente desde el año 2000 estas unidades se fabrican en el país. Actualmente existen dos plantas productoras pertenecientes a las firmas Xella (Hebel) y Celcon, las que en conjunto producen 105.000 m3/año, pero con un potencial instalado capaz de producir 200.000 m3/año (Silva, 2009). En Venezuela se emplea el mortero celular para vivienda industrializada, losas de pavimentación y rellenos, el mortero celular en el país pese a que es más económico, es vendido más costoso que el mortero convencional, ya que, son explotadas sus propiedades físicas como aislantes térmicos o acústicos y la auto nivelación. (Luzardo & Arraga, 2004) Cabe resaltar, que el mortero celular no es el único compuesto celular utilizado en la construcción. A continuación se presenta en la Figura 2 de forma esquemática la clasificación general de los concretos celulares. 16 Figura 2. Esquema de clasificación de los concretos celulares. Fuente: (Acosta López, 2003) La diferencia entre estos dos grupos de concretos celulares la define el sistema de porosidad que presentan y el tamaño de los poros. La estructura porosa de los microporitos se debe al tipo de mortero usado, el cual debe ser un material sumamente diluido y de fraguado rápido, de tal manera que el aire entre a los poros de la mezcla cuando esta empieza a fraguar. Los concretos aireados como ya se mencionó anteriormente se producen por la inclusión de burbujas microscópicas de manera manual (Acosta López, 2003). Los concretos espumosos y gaseosos se usan con este término “Concreto”, aunque en sentido estricto, este término es inadecuado ya que no presentan agregado grueso (Doniec, 2008). Por lo tanto, la forma correcta de llamar este tipo de materiales es mortero espumoso o gaseoso, y de manera general mortero celular. 2.2 Materiales utilizados en la producción de mortero celular 2.2.1 Agua El agua es uno de los materiales más importante para el mortero celular, la calidad y el criterio de la potabilidad de esta no es absoluto. El agua con pH de 6 a 8 que posee ligeramente ácido es inofensivo, sin embargo si contiene agua húmica u otro compuesto orgánico puede afectar negativamente el endurecimiento del hormigón, la presencia de algas en el agua de mezcla se traducirá en arrastre de aire y por consiguiente pérdida de fuerza. 17 La consistencia del agua no afecta a la eficiencia de aditivos incorporadores de aire. El uso del agua de mar como agua de mezcla debe ser considerado. El agua de mar tiene, por lo general, un total salinidad de alrededor de 3,5 por ciento. Puede causar en términos de resistencia una pérdida gradual en la resistencia. El agua de mar también contiene una gran cantidad de cloruros que puede causar la corrosión. Así que el agua de la mezcla deberá ser clara y aparentemente limpio. (Gelim & Ali, 2011) 2.2.2 Cemento Basados en las ASTM 150 el cemento portland tipo I, II, III deberá cumplir con las especificaciones designadas en la Tabla 1, donde se hace mención de las características propis para este tipo de cemento , también se permite el uso de bloques de cemento Pozzolins y materiales cementoso. Tipo I: Se emplea cuando no se requieren de propiedades específicas Tipo II: Se emplea especialmente cuando se desea resistencia moderada a los sulfatos o cuando se requiere calor moderado de hidratación. Tipo III: Se emplea cuando se requiera alta resistencia inicial. Tabla 1: Especificaciones para cemento portland Resistencia a la compresión (Mpa) 1 Día 3 Días 7 Días Tipo de cemento I II III 12.0 12.0 10.0 24.0 19.0 17.0 Fuente: (ASTM C 150, 2007) 2.2.3 Arena La calidad del diseño de mezcla depende entre otros factores de las propiedades inherentes a la arena escogida, estas a su vez dependen del lugar donde se extraiga y de las especificaciones dadas para la elaboración de la mezcla. A pesar, que para la elaboración del diseño de mezclas existen métodos estandarizados, la procedencia de los materiales involucrados en este define en gran medida el resultado final con las propiedades deseadas por lo que el volumen de cada material es variable dependiendo del lugar donde se elabore, en la Tabla 2 se muestran algunas de las características que debe tener estas arenas. 18 Tabla 2. Propiedades de la arena Tipo De rio Procedencia Densidad (kg/m3) Absorción (%) Banco "La 2580 1.6 poza" Fuente: (Acosta & González, 2003) Módulo de finura 3.14 La mezcla estará constituido por arena de rio, de mina o proveniente de piedras trituradas; puede emplearse arena de mar siempre y cuando cumpla con las especificaciones y se demuestre, en un laboratorio que los porcentajes de sales presentes no afectan la calidad del mortero ni hace incompatible la presencia de armaduras. Las arenas micáceas no son aceptables y deberán evitarse .(Luzardo & Arraga, 2004) Las arenas deben estar constituidas por granos limpios y duros, provenientes de minerales estables. La cantidad de sustancias deletéreas en el agregado no deberá exceder los límites prescritos en la Tabla 3. Tabla 3 Especificaciones Máximo porcentaje en peso de la muestra total CARACTERISTICAS Partículas desmenuzables Material más fino que tamiz 200 Mortero expuesto a abrasión Partículas en suspensión Carbón y lignito Cloruros Sulfatos Fuente: (Luzardo & Arraga, 2004) 1 3 3 3 0.5 0.1 1 Las características de la Tabla 3 están determinadas por la norma CCCA. (Comité Conjunto del Concreto Armado.).Siendo estas normas Venezolanas. 2.2.4 Agente espumante El papel de los agentes de formación de espuma en el mortero celular es crear pequeñas burbujas de aire mediante la reducción de la tensión superficial de una solución y el aumento de la estabilidad de las burbujas de aire.(Panesar, 2013b) Este es el material que hace diferente al mortero convencional, proporcionándole ligereza y aportando propiedades termo acústicas y de fuego, este agente también se le llama agente incorporador de aire. 19 Cuando los agentes espumantes son incorporados en el agua de la mezcla, este va a producir cavidades de burbujas discretas que se incorporan en la pasta de cemento. Las propiedades del hormigón espumado dependen principalmente de la calidad de la espuma y la dosis de la misma(Gelim & Ali, 2011). Existen dos tipos de agente espumante: 1. Sintético: El cual es adecuado para densidades de 1.000 kg/m3 superiores o iguales. 2. Proteína: Adecuada para densidades de 400 kg/m3 a 1.600 kg/m3. Las espumas de base de proteínas-tienen un peso equivalente alrededor de 80 g/lt. Estos agentes espumantes provienen de las proteínas animales de cuerno, la sangre, los huesos de las vacas, los cerdos y otros restos de los cadáveres de animales. Esto conduce no sólo a considerables variaciones en la calidad, debido a las diferentes materias primas empleadas, sino que también a un muy intenso hedor de esos agentes espumantes (Gelim & Ali, 2011). Ambos tipos de agentes reducen la tensión superficial de la solución, que facilita la formación de burbujas de aire estables. Los agentes espumantes sintéticos son una sustancia que son anfiprótica, defínase esta como las sustancias que poseen la capacidad de dar o recibir un protón, y además es fuertemente hidrófilo refiriéndose a este como el comportamiento de toda molécula que posee afinidad por el agua, por lo que fácilmente se disuelven en agua produciendo burbujas de aire. Sin embargo, cuando se realice la inclusión del agente sintéticos en el mortero, que es un ambiente químico complejo, la compatibilidad de tensoactivo y partículas de cemento es fundamental para arrastrar eficazmente el contenido de aire deseado y la microestructura de mortero (Panesar, 2013b) Figura 3. Sistema de poros con inclusión de aire. Fuente :(Narayanan & Ramamurthy, 2000) 20 Sin embargo, a pesar de que los dos tipos de espumas proporcionan a la mezcla las características apropiadas, se ha encontrado en los orígenes microscópicos que la estabilidad de esta es muy diferente. Para la espuma sintética, la interacción de repulsión entre las capas adsorbidas ofrece una película fina y una espuma estable, mientras que, para la espuma de proteína el mecanismo para la estabilización está relacionada con el confinamiento de los agregados dentro de las películas delgadas, atrapado allí cuando las burbujas entran en contacto (Saint-Jalmes, Peugeot, Ferraz, & Langevin, 2005). En la Tabla 4 se muestran los componentes que manejan algunos de los productos manufacturados por la empresa canadiense AERIX INDUSTRIES, estos se manejan de a acuerdo con la aplicación que se quiera realizar, esto teniendo en cuenta que pertenecen a los agentes espumantes sintéticos. Tabla 4.Componentes para los diferentes tipos de agente espumante. Producto Componentes (Aerix Industries, 2013) Water AERFLOW Sodium Alpha Olefin Sulfonate 2-Butoxyethanosl Water AQUAERIX 2-Methoxymethylethoxy propanol Propietary mixure of syntetic detergents ARXTrasnport-iX Water Hexylene Glycol Propietary mixure of syntetic detergents Wather AERLITE Propietary mixure of syntetic detergents Protein hidrolysate Hexylene Glycol Ferrous Sulfate Zinc Oxide Wather MEARLCRETE Protein hidrolysate Hexylene Glycol Inorganic salts-Mixure Ferrous Sulfate Zinc Oxide 21 2.3 Propiedades mecánicas, durabilidad y otras características A diferencia de mortero convencional, el mortero celular no puede ser sometido a ningún tipo de compactación o vibraciones puesto que esto puede afectar la densidad de diseño. Por lo tanto en estado fresco las propiedades más importantes son la fluidez y la auto compactación. Estas dos propiedades se evalúan en términos de consistencia y en términos de estabilidad del mortero celular, que se ve afectada por el contenido de agua en la base de la mezcla, cantidad de espuma añadida junto con los otros componentes de la mezcla (Kunhanandan Nambiar & Ramamurthy, 2008). La consistencia de la mezcla, definida como la relación de sólidos de agua para alcanzar la densidad de diseño, a que la cual se le añade la espuma, es un factor importante que afecta a la estabilidad de la mezcla, esta consistencia depende principalmente del tipo de relleno, por lo que la consistencia de la mezcla se reduce considerablemente cuando se añade espuma. Esta reducción en la consistencia del mortero celular es probablemente debido a la reducción de peso.(Ramamurthy et al., 2009a) 2.3.1 Propiedades mecánicas 2.3.1.1 Densidad y resistencia a compresión La resistencia a la compresión es una de las más importantes y útiles propiedades para el concreto, como material de construcción, el concreto es empleado para resistir esfuerzos a compresión. Si bien, en los lugares donde la resistencia a la tracción o la resistencia al corte son de primordial importancia, la resistencia a la compresión se utiliza para estimar y confirmar la resistencia para la cual fue estimada. (Abd elaty, 2014) Si bien, es sabido que, inmediatamente después de mezclar el cemento con el resto de materiales, el proceso de hidratación se lleva a cabo, por lo que el mortero seria el compuesto resultante de la hidratación y su proceso da al concreto su resistencia.(Gambhir, 2013) El cemento mezclado con el resto de los materiales desarrolla su resistencia con la hidratación continua a diferentes tiempos de riego. El rango en el que el mortero gana fuerza es más rápido al principio y la velocidad de ganancia de la misma disminuye con la edad.(Abd elaty, 2014) La densidad o peso específico del cemento es la relación existente entre la masa de una cantidad dada y el volumen absoluto de esa masa, en realidad el peso 22 específico del cemento no indica directamente la calidad del mismo, pero a partir de él se pueden deducir otras características cuando se analiza en conjunto con otras propiedades.(GUZMAN, 2001) El concreto celular al poseer inclusión de espuma dentro de su estructura hace que este sea liviano por lo que su densidad es más baja y varía dependiendo del porcentaje de inclusión y de la finalidad última, por lo que varios autores han examinado la resistencia a la compresión y densidad del hormigón celular. Kearsley y Wainwright estudiaron la resistencia a la compresión demostrando que esta es una función de la densidad seca y disminuye fuertemente con una disminución en la densidad. Sin embargo, Wee examinó la interacción entre el contenido de espuma, la compresión a la resistencia y densidad, y reveló que el aumento del contenido de espuma no aumenta el tamaño del vacío, pero aumenta el número de huecos por unidad de volumen, y por lo tanto disminuye la densidad sin pérdida sustancial en la resistencia a la compresión. Su trabajo propone que una vez que se sobrepasa el contenido óptimo de espuma, los espacios de aire comienzan a fusionarse y el tamaño de los vacíos aumenta, y que a su vez reduce la fuerza tensoactiva. Se encontraron además que la inclusión de vacíos de aire en el concreto de espuma tiene un efecto mayor en la compresión que en el módulo elástico.(Wee, Tiong-Huan, Tamilselvan, & Lim, 2006) Ahora bien algo más complejo que la relación fuerza-densidad del mortero celular es la implicación del calor de hidratación ya que en este influyen varios factores y se ve afectado por más parámetros, la capacidad calorífica por unidad de volumen es influenciada en gran medida por la densidad y el tipo de cantidad de agregado, este último con una variación más amplia en el mortero celular en comparación con el mortero convencional (Tarasov, Kearsley, Kolomatskiy, & Mostert, 2010). Por ende el mortero celular posee densidad variable en relación con la cantidad de agente airéate empleado y, por consiguiente, adquiere diferentes resistencias como se muestra en la Tabla 5. Y así por su ligereza, resistencia adecuada, elevado poder aislante térmico y acústico, facilidad de colocación, de cortar, es empleado para diferentes usos (Gete, 1955). 23 Tabla 5. Resistencia a la compresión Densidad (Kg/m3) 400 500 600 700 Resistencia a compresión (Mpa) 1.3 - 2.8 2.0 - 4.4 2.8 - 6.3 3.9 - 8.5 Fuente: (Narayanan & Ramamurthy, 2000) Debido a la diversidad de materiales en los diferentes países, cada uno de los materiales utilizados en las mezclas poseen diferentes propiedades lo cual varía el resultado de resistencias como se observa en la Tabla 6. 24 Tabla 6. Recopilación de esfuerzo a compresión, densidad y mezcla usada por autores. Autor Proporción de cemento (kg/m3) McCormick Tam et al. Regan y Arasteh Van Deijk ACI 523, 1r-1992 335-446 390 Hunaiti Kaersley y Booyens Durack y Weiqing Aldridge Kearsley y Wainwright Tikalsky et al. Jones y McCarthy Jones y McCarthy Nambiar y Ramamurthy Proporción W/C 0.35-0.57 0.6-0.8 0.45-0.6 S/C 0.79-2.8 1.58-1.73 0.6 F/C Cemento -arena Cemento Cemento -arena 3 Cemento- reemplazo ceniza volante 270-398 137-380 Cemento -arena Cemento- reemplazo ceniza volante 193-577 Cemento 149-420 Cemento- reemplazo ceniza volante 57-149 300 1.23-2.5 0.61-0.82 0.48-0.7 1.48-2.5 800-1800 1300-1900 800-1200 280-1200 240-640 400-560 1667 1000-1500 982-1185 541-1003 400-1600 1000-1500 Resistencia a la compresión (28 dias) 1.8 -17.6 1.81-16.72 4-16 016-10 (91 dias ) 0.48-3.1 0.9-1.72 12.11 1.8-19.9 1-6 3-15 (77 dias) 0.5-10 2-18 490-660 0.71-2.07 1230-1500 0.23-1.1 1000-1400 1000-1400 1400-1800 1400-1800 800-1350 800-1350 650-1200 1-2 3.9-7.3 10-26 20-43 1-7 2-11 4-19 Densidad kg/m3 0.6-1.17 0.4-0.45 0.5-0.57 0.5 1.11-1.56 0.3 0.65-0.83 1.83-3.17 1.22-2.11 500 1.5-2.3 500 1.15-1.77 Cemento -arena (medina ) Cemento -arena (fina) Cemento- reemplazo ceniza volante S/C: Arena - cemento , F/C: Cemento - ceniza volante ; W/c: Agua -cemento Fuente :(Ramamurthy, Kunhanandan Nambiar, & Indu Siva Ranjani, 2009b) 25 2.3.1.2 Módulo de elasticidad. El módulo de elasticidad es un parámetro fundamental en el diseño estructural de concretos para determinadas tensiones y desplazamientos. Este parámetro se mide normalmente a través de muestras sometidas a compresión uniaxial (Galobardes, Cavalaro, Aguado, & García, 2014). El módulo de elasticidad estático del mortero celular es significativamente menor que el concreto de peso normal. Los valores oscilan desde 1 a 8 Kn/mm2 para densidades entre 500 y 1500 Kg/m3, respectivamente (Ramamurthy et al., 2009b). En un estudio realizado, se fallaron dos especímenes a 7 y 28 días de edad. Se observó, como se muestra en la Figura 4, que mientras aumenta el porcentaje de aire en la mezcla el módulo de elasticidad estático disminuye debido al cambio en la densidad de este y por lo tanto de su resistencia a compresión. El módulo de elasticidad estático y la resistencia a compresión están directamente relacionados y esto lo podemos observar en la Figura 5 donde la regresión lineal de la línea de tendencia muestra que el módulo de elasticidad está relacionado con la raíz cuadrada de la resistencia a compresión del mortero celular (Panesar, 2013b). Figura 4. Influencia del contenido de aire en el módulo de elasticidad estático. Fuente: (Panesar, 2013b) 26 Figura 5. Correlación del módulo de elasticidad estático y la resistencia a compresión. Fuente: (Panesar, 2013b) Tabla 7. Módulo de elasticidad variando su resistencia a la compresión y densidad. Densidad (Kg/m3) 400 500 600 700 Resistencia a compresión (Mpa) 1.3 - 2.8 2.0 - 4.4 2.8 - 6.3 3.9 - 8.5 Módulo de elasticidad (Kn/mm2) 0.18 - 1.17 1.24 - 1.84 1.76 - 2.64 2.43 - 3.58 Fuente: (Narayanan & Ramamurthy, 2000) La mayoría de las fórmulas para calcular el módulo de elasticidad en función de la resistencia a compresión del mortero celular se encuentran resumidas en la Tabla 8, algunos valores del módulo de elasticidad del mortero celular se muestran en la Tabla 7 donde varían de acuerdo a su resistencia a compresión y densidad. 27 Tabla 8. Ecuaciones de predicción del módulo de elasticidad para el mortero celular. Autor y año Módulo de Elasticidad Notación α - Densidad seca al horno [ la compresión [ ], S Resistencia a ] S Resistencia a la compresión [ ] Fuerza del prisma en [ (Narayanan & Ramamurthy, 2000) ] Densidad seca en [ ], Resistencia a compresion en [Mpa], k Es un coeficiente que oscila desde 1.5 a 2.0 y (ρ- son constantes, ρ Densidad seca en [ es en Mpa ], E (Tada, 1986) W Densidad desde 200 a 800 («Ratioanl Proportioning of Preformed Foam Cellular Concrete», 1967) Ecuación de Pauwn, W Densidad del mortero celular [ ] √ F´c Resistencia a la compresión [ (M, R & McCarthy, 2005) 28 ][ ] 2.3.1.3 Resistencia a la flexión La relación entre la fuerza a flexión y la fuerza a comprensión del mortero celular está entre 0.25-0.3532. Los valores de resistencia a la tracción del mortero que contiene espuma son inferiores a los morteros de peso equivalente convencional. Este aumento es atribuido al mejoramiento de la capacidad entre la partícula de arena y la fase de pasta. (M, R & McCarthy, 2005) Este ensayo, depende en gran parte del método de curado que se le realice a la muestra(Pan Pacific Engineering PTY, 2014), así como en cualquier otro ensayo el curado es de vital importancia. En algunos casos, y por la dificultad que se presenta al realizar el ensayo a flexión debido a que este es muy sensible a las condiciones de prueba, solo se realiza el ensayo compresión y con estos factores ya estudiados se determina la resistencia a flexión, en este caso, del mortero celular (Narayanan & Ramamurthy, 2000). A continuación en la Tabla 9 un resumen de las diferentes relaciones determinadas por algunos autores. Tabla 9. Relación entre resistencia a flexión y resistencia a compresión Autor Relación (Legatski, 1994) 0.1 - 0.15 (Narayanan & Ramamurthy, 2000) 0.22 - 0.27 cita 2 de la 26 0.15 - 0.35 (Pan Pacific Engineering PTY, 2014) < 0.25 Muchos códigos de diseño, usan el módulo de rotura como la resistencia a la fisuración y está en función de la resistencia a compresión del mortero celular.(Raphael, 1984) El módulo de rotura, se puede estimar aproximadamente con la fórmula:(Narayanan & Ramamurthy, 2000) Ecuación 1 Donde Fc es la resistencia a compresión en Mpa. 2.3.2 Durabilidad La durabilidad es la capacidad de un material para resistir los efectos de los agentes del medio ambiente que lo rodean (Navais & Yahia, 1988). A continuación se presentan algunas propiedades del mortero celular que permiten determinar la durabilidad de este. 29 2.3.2.1 Permeabilidad La absorción de agua del mortero celular, como en la mayoría de sus propiedades, depende directamente de la densidad de este. Mientras la densidad disminuye la absorción de agua también lo hace, esto se le atribuye a la pasta de cemento y no a la espuma, los poros artificiales generados por la inclusión de espuma no están interconectados entre sí, así que no toman parte de la absorción de agua. Por lo tanto a menor densidad, mayor cantidad de espuma y menor volumen de pasta de cemento. Esta absorción de agua, no es posible presentarla de manera porcentual para el mortero celular, debido a las grandes diferencias en los rangos de densidad. El coeficiente de permeabilidad es directamente proporcional a la unidad de peso del mortero celular e inversamente proporcional al tamaño del poro (Ramamurthy et al., 2009b). La sortividad es el transporte del agua en materiales porosos, este fenómeno se da por capilaridad y se basa en la teoría del flujo insaturado. Se ha demostrado, que la transmisión de agua en los materiales se ve mejor explicada por la sortividad que por la permeabilidad. La sortividad del mortero celular depende directamente del tipo de poros, su estructura y la permeabilidad del material (Ramamurthy et al., 2009b). 2.3.2.2 Resistencia a ambientes agresivos. El mortero celular no presenta reacción de ácidos y sulfatos durante su exposición, esto lo muestra un estudio realizado en un plazo de 12 meses en Escocia, por lo tanto el mortero celular tiene una buena resistencia a la agresividad de ataques químicos (Jones & McCarthy, 2005). Factores como la resistencia a la compresión, profundidad de la penetración inicial, absorción y velocidad de absorción son las variables importantes en la producción de mortero celular que es resistente a los ciclos de congelación y descongelación (Tikalsky, Pospisil, & MacDonald, 2004). Por este motivo, en países como Noruega y Rusia, países con fríos extremos, hacen uso de este tipo de mortero. La práctica en Suecia demuestra que el concreto celular soporta adecuadamente la lluvia aplicando solamente pintura, exceptuando algunos materiales que en condiciones extremas también fallarían (Cervantes, 2008). 2.3.2.3 Resistencia al fuego. El mortero celular se adapta bien a las aplicaciones corta fuego por ser un material incombustible y tener un bajo coeficiente de conductividad térmica (YTONG, 30 2014), como lo muestra la Figura 6. Otra de las razones por las cuales el mortero celular presenta un buen desempeño en la resistencia al fuego es porque su material es relativamente homogéneo a diferencia del concreto normal por la presencia del agregado grueso (Narayanan & Ramamurthy, 2000). Figura 6. Resistencia al fuego Fuente: (YTONG, 2014) Según Mazhar ul Haq y Alex Liew, una pared de mortero celular con una densidad de 1.100 Kg/m3 y un espesor de aproximo de 13 a 15 centímetros puede estar expuesta al fuego de 5 a 7 horas; esta misma resistencia la puede obtener una pared de mortero celular con 400 Kg/m3 con tan solo 10 centímetros de espesor (Haq & Liew, 2014). 2.3.3 Otras características 2.3.3.1 Aislamiento térmico El mortero celular tiene excelentes propiedades de aislamiento térmico debido a su microestructura celular.(Ramamurthy et al., 2009b) La acción de agente espumante en la mezcla crea un gran números de alveolos que contienen millones de micro células de aire, regularmente repartidos, no comunicados entre sí, lográndose una vez fraguado un material termoaislante diez veces mayor que el hormigos convencional (Rengifo & Yupangi, 2013). 31 Figura 7. Aislamiento térmico Fuente: (Rengifo & Yupangi, 2013) Adicionalmente, la trasmisión de calor a través del mortero celular es muy reducida, esto debido a la presencia de pequeñas y finas retículas de cemento fraguado que contienen aire encerrado en burbujas con un volumen lo suficientemente pequeño como para no se produzca transmisión de calor por convección. Así, la transmisión de calor a través de ellas ha de producirse por conducción, lo que hace que la temperatura exterior tenga que recorrer un camino muy largo y complejo a través de la matriz sólida (García, 2014). Como en la mayoría de las propiedades mecánicas y de durabilidad del mortero celular, la conductividad térmica depende de la densidad, el contenido de humedad y de los componentes del material, así como la cantidad de poros y su distribución (Bave, 1980), por lo tanto, entre más finos sean los poros mejor es el aislamiento, ya que la conductividad térmica como se mencionó anteriormente está influenciada por el contenido de humedad. Tan solo el aumento del 1% de la humedad en la masa hace que la conductividad térmica aumente en un orden aproximado del 42% a comparación de un mortero convencional.(Narayanan & Ramamurthy, 2000). Teniendo en cuenta la influencia de los parámetros se encontró la ecuación para determinar la conductividad térmica del mortero celular (Yang & Lee, 2015): Ecuación 2 = Valor de referencia de la conductividad térmica (1 W / mK) = Valor de referencia para el volumen de espuma (1000%) = Tasa de volumen de la espuma 32 = Densidad seca del mortero celular endurecido = Valor de referencia para la densidad seca del mortero celular endurecido (1000 ). El directamente encargado de variar la densidad de la matriz solida es el agente espumante, ya que la inclusión de este es el que hace la diferencia con respecto al mortero convencional. Por lo tanto, el tipo de agente espumante influye inminentemente en la conductividad térmica, esta depende de la densidad aparente de la espuma y por supuesto del mortero celular. Estas dos características son directamente proporcionales en cuanto a la relación que tienen entre ellas. A menor densidad aparente, menor es la conductividad térmica. Esto se ve reflejado en el estudio realizado por el departamento de ingeniería civil de la Universidad de Toronto Figura 8, donde las espumas sintéticas (B,C) tienen una tasa de aumento de la conductividad térmica considerablemente menor en relación a la tasa de conductividad térmica de las espumas de proteína animal (A) .(Panesar, 2013b) En relación a lo anterior, y teniendo en cuenta la temperatura de las muestras, la imagen muestra las conductividades terminas del mortero celular y el concreto convencional a diferentes temperaturas. Figura 8. Influencia del agente espumante en la conductividad térmica. Fuente: (Panesar, 2013b) 33 Figura 9. Conductividad térmica del mortero normal y celular. Fuente: (Kim, Jeon, & Lee, 2012a) Figura 10. Relación entre la conductividad térmica y la porosidad. Fuente: (Kim et al., 2012a) La porosidad de la matriz sólida, está muy relacionada con su densidad. Es evidente que el aumento de la densidad se produce por una disminución en el contenido de aire, y por lo tanto, disminución en la porosidad de la matriz sólida.(Panesar, 2013b). La conductividad térmica, disminuye linealmente mientras la porosidad aumenta 34 Figura 10, lo que afecta la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad dinámico.(Kim et al., 2012a) Figura 11.Efecto de la humedad en la conductividad térmica para diferentes materiales de construcción. Fuente :(Fraunhofer, 2001) Los procesos de transmisión del calor y humedad en los edificios suelen ser fuertemente acoplados. Esto es evidente en el efecto de la humedad sobre aislamiento térmico de los componentes de una construcción. Como se puede evidenciar en la Figura 11 esta muestra el aumento en la conductividad de calor de tres materiales de construcción diferentes dependiendo del contenido de humedad presente en cada uno de ellos. Mientras que la conductividad térmica de materiales minerales, tales como el mortero, aumenta linealmente con respecto al contenido de humedad, la conductividad térmica de la espuma de poliestileno muestra un aumento ligeramente progresiva. Sorprendentemente, sólo se necesita un contenido de humedad muy bajo para aumentar la conductividad de calor de la lana mineral. Esto es debido a la redistribución de humedad pronunciada por difusión de vapor en la lana mineral cuando se aplica un gradiente de temperatura a través de la muestra. Estos son los llamados efectos de calor latente no estacionario, debido a los cambios de fase de la humedad en el material. Estos efectos de calor latente 35 por lo general son de corta duración y sólo no tienen nada que ver con la verdadera conductividad térmica del material aislante (Fraunhofer, 2001). Para finalizar esta característica del mortero celular, se muestran algunos valores de la conductividad térmica en la Tabla 10. Tabla 10. Conductividad térmica para el mortero celular de acuerdo a su densidad . Autor y año Densidad (kg/m3) Conductividad térmica (W/m°C) (Gete, 1955) (Gete, 1955) (Gete, 1955) (Narayanan & Ramamurthy, 2000) (Gete, 1955) (Narayanan & Ramamurthy, 2000) (Gete, 1955) (Narayanan & Ramamurthy, 2000) (Gete, 1955) (Narayanan & Ramamurthy, 2000) (Gete, 1955) (Gete, 1955) (Gete, 1955) (Gete, 1955) (Gete, 1955) (Gete, 1955) 300 350 400 0.05 0.068 0.074 400 0.07 - 0.11 500 0.092 500 0.08 - 0.13 600 0.1 600 0.11 - 0.17 700 0.12 700 1.13 - 0.21 800 900 1000 1100 1200 1300 0.15 0.16 0.182 0.25 0.27 0.31 2.3.3.2 Propiedades acústicas La porosidad del mortero celular hace de este un material con buena absorción de energía acústica aparte de ser aislante acústico. Hay que tener en cuenta que no es lo mismo absorción sonora que aislante acústico, los materiales absorbentes sirven para limitar el efecto de resonancia del ruido mientras que el aislante acústico caracteriza la transmisión del ruido de un espacio a otro.(Rengifo & Yupangi, 2013) . 36 La pérdida de transmisión (TL) del sonido transmitido por el aire, depende de la ley de masas, esta depende de la frecuencia y la densidad superficial del componente (Narayanan & Ramamurthy, 2000). Es decir, la pérdida de transmisión acústica se ve afectada por el gama de frecuencias y la masa del material (Kim et al., 2012a). Una manera de estimar la pérdida de transmisión acústica es: Ecuación 3 Siendo f la frecuencia y m la masa (Kim, Jeon, & Lee, 2012b). De acuerdo con la Ecuación 3, la reducción del 50% de la densidad del mortero puede lograr una disminución de la perdida de transmisión acústica de 6 decibeles. Sin embargo, este valor puede no ser tomado en cuenta si la masa por unidad de área (m) es lo suficientemente alta comparada con el valor absoluto de la transmisión acústica. Además, debido al alto espesor de las probetas, la absorción de energía acústica debe tenerse en cuenta, y por lo tanto, la ecuación x no sería útil (Kim et al., 2012b). Figura 12. Aislamiento acústico Fuente: (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013) Para que esta propiedad sea efectiva es necesario que la inclusión del agente espumante se realice de manera correcta y de esta forma asegurar que la burbuja sea de buena calidad y se cumpla con las especificaciones necesarias de lo contrario como se observa en la Figura 13 el 40% de las burbujas están rotas, deformes y de tamaño heterogéneo, si la propiedad tensoactiva no es la especificada se formaran burbujas que al romperse conformaran un conglomerado 37 de cemento con grandes oclusiones de aire, perdiéndose la absorción de las ondas (García, 2014). La primera consecuencia de lo anterior es que el mortero se decanta hacia el fondo, resultando un mortero heterogéneo, con densidad y propiedades discontinuas entre la superficie y el fondo, es decir, habrá una cantidad de mortero en el fondo y poca superficie, por lo que además supone un elevado consumo del cemento (García, 2014). Figura 13.a) Burbuja de mortero celular en condiciones adecuadas. b) Burbuja de mortero celular en malas condiciones Fuente: (García, 2014) 2.4 Diseño de mezcla del mortero celular Hasta ahora, solo se ha hablado de las características del mortero celular y sus materiales. Si bien ya se mencionó anteriormente, el mortero celular es un mal llamado concreto celular, debido a su composición, este se conforma de agua, cemento, agregado fino y aire (Doniec, 2008). Diferentes estudios realizados a lo largo de su historia han dado a conocer que se puede obtener un mortero celular variando la cantidad de aire en la mezcla (Al Bakri Abdullah et al., 2012). El diseño de mezcla se realiza por el método gravimétrico (ASTM C138, 2014), llamado así ya que este se enfoca en el peso específico inicial del mortero y no en la dosificación de cada uno de sus componentes (Rengifo & Yupangi, 2013). Este se realiza, calculando la cantidad de mortero convencional y respectivamente la cantidad de espuma para un diseño de 1 de mortero celular, con diferentes masas unitarias.(Acosta López, 2003) Es decir, el cálculo se hace con respecto a 38 la masa unitaria del mortero convencional que es en promedio .(Acosta López, 2003) A continuación se muestra la dosificación del mortero celular con una densidad de . , de mortero convencional. , de mortero celular. Ecuación 4 Ecuación 5 Según lo anterior, se calcula el volumen de mortero convencional necesario para 1 de mortero celular y a su vez el volumen de espuma necesaria dependiendo de la densidad requerida. Tabla 11: Esquema utilizado para el cálculo de la dosificación Mortero Convencional 0.667 Relleno (Espuma) 0.333 Fuente: (Acosta López, 2003) Para determinar las cantidades de los materiales del mortero convencional se realizaron los siguientes cálculos: 39 Para realizar la corrección del agua, se tiene en cuenta el tipo de arena con la que se está trabajando (Tabla X). En este caso la arena tiene una absorción de 1.6 %. Para finalizar, se calcula la cantidad de espuma de acuerdo a la dosificación realizada, del tipo y por supuesto la densidad de esta. Este tipo de aditivo espumante con densidad de 90 proviene de los cuernos y las patas de la ternera, es una proteína animal que se da mediante la hidrolización (aguaproteína) de los restos animales. Aunque este tipo de espuma suene extraña, no causa ninguna reacción química en el concreto, es biodegradable y no es tóxica.(Acosta López, 2003) El resumen de las proporciones teóricas de los materiales se muestra en la Tabla 12. Tabla 12: Dosificación de materiales para 1 m3 de mortero celular Masa Unitaria (Kg/m3) Cemento (Kg) Agua (Lt) Arena (Kg) Espuma (Kg) 800 400 94 311 58 1200 400 144 667 42 1500 400 182 933 30 1800 400 219 1200 18 2200 400 270 1555 2 Fuente:(Acosta López, 2003) Los diseños de mezclas están sujetos a muchas variables como la densidad del mortero celular, la relación agua-cemento, la relación arena- cemento, y las características de los materiales como la densidad de la espuma. Un diseño de mezcla realizado en el año 2003, muestra las dosificaciones ya corregidas y hace una comparación importante de la variabilidad entre los datos teóricos y los experimentales (Rengifo & Yupangi, 2013). Con el fin de relacionar el diseño de mezcla anterior, se va mantener la densidad requerida del mortero celular ( para esta dosificación. Tabla 13: Dosificación del mortero celular por m3 Material Dosificación 40 320.9 Lt 447.4 Kg 894.7 Kg 210.3 Lt Espuma Cemento Arena Agua Agua/cemento C Arena Espuma 1.85 1 2 1.09 Fuente:(Rengifo & Yupangi, 2013) Teniendo en cuenta que todas las cantidades consideradas en el diseño de mezcla son teóricas es necesario hacer una corrección en el volumen de la espuma. Según estudios realizados teórica y experimentalmente la espuma sufre un cambio volumétrico debido a que producir este tipo de mortero el cemento sufre una serie de cambios químicos adicionales al mortero convencional y está sujeto a muchos agentes externos como su manipulación, medio ambiente, entre otros.(Rengifo & Yupangi, 2013) Esta corrección se muestra en la Gráfica 1. Gráfica 1. Curva de reajuste de espuma en función de la densidad aparente. Reajuste de espuma 120 y = 0,0003x2 - 0,6573x + 365,2 100 % Espuma 80 60 40 20 0 1000 1200 1400 1600 1800 Densidad aparente [kg/m3] Fuente: (Rengifo & Yupangi, 2013) Comparando la dosificación del mortero celular sin ajustar con la dosificación modificada por la curva de reajuste en función a la densidad Gráfica 2 se obtiene la Tabla 14. Tabla 14. Dosificación del mortero celular por m3 para una densidad de 1500 kg/ Material Dosificación Propuesta Dosificación ajustada Espuma 320.9 Lt 41 487.8 Lt 447.4 Kg 894.7 Kg 210.3 Lt Fuente: (Rengifo & Yupangi, 2013) Cemento Arena Agua 447.4 Kg 894.7 Kg 241.8 Lt Gráfica 2. Dosificación propuesta Vs Dosificación ajustada 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Dosificación Propuesta Dosificación Ajustada Espuma 320,9 487,8 Cemento 447,4 447,4 Arena 894,7 894,7 Agua 210,3 241,8 Fuente : (Rengifo & Yupangi, 2013) La empresa LiteBuilt, como distribuidor de la maquina generadora de espuma y a su vez de tal aditivo, nos muestra específicamente las cantidades necesarias de arena, cemento y agua que se deben usar para 1 m3 de mortero celular. Los cálculos de la Tabla 15 se realizaron teniendo en cuenta una relación agua/ cemento aproximada entre 0.4 y 0.5 (Pan Pacific Engineering PTY, 2014). Tabla 15. Mezcla de proporciones arena-cemento 3:01 2:01 1:01 42 Densidad Kg/m3 Arena Kg Cemento Kg Arena Kg Cemento Kg 1600 1148 383 1400 1005 335 1200 861 287 756 378 1100 790 263 693 347 900 630 315 800 567 284 Arena Kg Cemento Kg Solo Cemento Kg 412 412 700 366 366 581 600 320 320 498 500 275 275 415 400 332 300 249 Fuente: (Pan Pacific Engineering PTY, 2014) 43 Tabla. Dosificación para 1 de mortero celular Autor y año Densidad ( ) Cemento Agua Arena Espuma a/c (Tikalsky et al., 2004) 497 311 141 - 44.3 0.45 (Tikalsky et al., 2004) 629 420 168 - 39.4 0.4 (Tikalsky et al., 2004) 631 411 186 - 38.5 0.44 (Tikalsky et al., 2004) 678 149 190 - 35.8 0.42 (Acosta & González, 2003) 800 400 94 311 58 0.23 (Jones & McCarthy, 2005) 1000 300 150 550 24.9 0.5 (Acosta & González, 2003) 1200 400 144 667 42 0.36 (Jones & McCarthy, 2005) 1200 300 150 750 21.1 0.5 (Jones & McCarthy, 2005) 1400 300 150 950 17.7 0.5 (Acosta & González, 2003) 1500 400 182 933 30 0.45 (Acosta & González, 2003) 1800 400 219 1200 18 0.54 (Acosta & González, 2003) 2200 400 270 1555 2 0.67 44 2.5 Tecnología y proceso de fabricación del mortero celular 2.5.1 Tecnologías para la producción de mortero celular. Las máquinas generadoras de mortero celular o de espuma varían sus características entre uno y otro fabricante. A continuación se va a mostrar la maquinaria necesaria para generar mortero celular ya sea en obra o en laboratorio. Máquina generadora de mortero celular La generadora de mortero celular de alta productividad Figura 14 es una maquina diseñada para la producción de mortero celular mezclando cemento, agua, arena y espuma. El sistema consiste en un generador de espuma y una mezcladora montados en una base de acero. El mecanismo de mezclado consiste en tornillos multidireccionales que se encargan de mezclar uniformemente el mortero y la espuma en un tiempo aproximado de 4 a 6 minutos.(CONCELLMEX, 2014) Este equipo tiene una ventaja y es que permite con un solo ajuste en el indicador digital, automatizar la densidad del mortero celular requerida.(CONCELLMEX, 2014) Como ya se comentó, la productividad de estas máquinas puede variar dependiendo de su fabricante y el tamaño de la misma. Figura 14. Máquina generadora de mortero celular, CONCELLMEX – PROF-CC-1000 Fuente: (CONCELLMEX, 2014) 45 Tabla 16. Ficha técnica de máquina generadora de mortero celular, CONCELLMEX-PROFCC-1000 Generador de mortero 900 Kg Peso 1.7 m (Altura) 2.5 m (Largo) Medidas 1.2 m (Prof.) 2 -3 m3/hr Capacidad de concreto celular 1000 Lt Volumen operativo del mezclador 0.8 atmosferas Presión de aire operativa en el mezclador 6 atmosferas Presión de aire operativa en el generador de espuma 220 V Voltaje 350-1200 kg/m3 Rango de densidad del mortero celular obtenido 20-200 gr/litro Rango de ajuste de la densidad de la espuma Fuente : (CONCELLMEX, 2014) La máquina generadora de mortero celular, en algunos casos, y depende de los fabricantes, no solo elaborar mortero celular sino también bombearlo, facilitando así la colocación. En la Figura 15 se presenta un equipo de avanzada tecnología, fabricado en Italia, que genera y bombea mortero celular o liviano.(Gete, 1955) Figura 15. Máquina generadora de mortero celular con bomba neumática, TURBOSOL– RC 800 Fuente: (Gete, 1955) 46 Tabla 17. Ficha técnica máquina generadora de mortero celular, TURBOSOL-RC 800 Generador de mortero 780 Kg Peso 1.5 m (Altura) 2 m (Largo) 1m Medidas (Prof.) 10 m3/hr Capacidad de concreto celular 1000 Lt /m3 Capacidad Útil 14 KW Potencia Horizontal 80 m Vertical 20 m Distancia de Bombeo Fuente: (Gete, 1955) Máquina generadora de espuma La máquina generadora de espuma con ayuda del compresor se encarga de inyectar presión de manera que el aire comprimido actúe con la mezcla produciendo así la espuma.(Rengifo & Yupangi, 2013) En ella se coloca agua y el aditivo espumante en las proporciones que el distribuidor o bajo normas se permita. Este equipo modelo laboratorio Figura 16 es autosuficiente, móvil y solo necesita de un operario, es fácil de manejar y su diseño es versátil. Una característica de este equipo es la productividad que oscila entre 3 y 4 m3/h de espuma (Concretos Celulares Ltda, 2014), la cual puede ser un factor importante a la hora de escoger esta maquinaria ya que de esto depende también la producción del mortero celular. Es importante aclarar que para la producción de este tipo de mortero esta máquina es indispensable, la inclusión de la espuma a la mezcla de mortero convencional es la que hace la diferencia de esta nueva tecnología. Es decir, se puede producir un mortero celular en obra o en laboratorio con un mortero convencional y una maquina generadora de espuma. 47 Figura 16. Máquina generadora de espuma modelo laboratorio. Fuente : (Concretos Celulares Ltda, 2014) Tabla 18. Ficha técnica máquina generadora de espuma. Generador de Laboratorio 150 Kg Peso 1.5 m (Altura) 1 m (Largo) 0.6 m (Prof.) Medidas 220 Trifásica 220 Monofásica Energía 200 Lt Volumen del tanque aditivos 200 Litros 400 Litros Utilizar con mezclador 3-4 m3 xHora Producción 1 año Garantía Fuente: (Concretos Celulares Ltda, 2014) Mezcladora con bomba neumática La mezcladora con bomba neumática es una mezcladora de eje horizontal con una capacidad de 400 litros de mezcla, la cual es capaz de bombear el mortero celular con una densidad máxima de 1.200 kg/m3 hasta una altura de 20 m y una distancia de 80 metros en dirección horizontal.(Concretos Celulares Ltda, 2014) 2.5.2 Proceso de fabricación del mortero celular La producción de mortero celular se hace por medio de la inclusión de cierto porcentaje de aire a la mezcla de mortero convencional. Este puede ser comprado y colocado por contratistas especializados (Cellular Concrete Solution, 2014) , o 48 producido en obra por medio de una maquina generadora de espuma y el mortero convencional. Determinar la densidad aparente del mortero celular, dependiendo del uso que se le quiera dar (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013), que puede estar en el rango de 160 -1600 kg/m3 según diferentes autores («Cellular Concrete, LLC; Patent Issued for Lightweight Drainable Cellular Concrete», 2014). Elegir de tipo de cemento a usar, dependiendo del uso, agresividad del medio y condiciones climáticas (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013). Determinar la relación agua/ cemento, teniendo en cuenta la manejabilidad de la mezcla y el tipo de arena a usar. Establecer la cantidad o porcentaje de arena por medio de la corrección de la curva granulométrica (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013). Calcular las cantidades de agua, cemento, arena y espuma, esto se realiza para un metro cubico de mortero celular. Mezclar hasta producir el mortero convencional, posteriormente se incluye la espuma en la mezcla, Se funde la probeta para el laboratorio o se coloca según su aplicación en obra. Para ensayos de laboratorio se curan las probetas como es convencional. En el proceso de fabricación hay que tener en cuenta la calidad del agente espumante, ya que se corre el riesgo de debilitar las paredes de las burbujas de aire y a la hora de bombear la espuma esta puede ser muy inestable (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013). A continuación se presenta el proceso de producción del mortero celular para muestras de laboratorio. Figura 17 Proceso de elaboración de mortero celular Fuente: (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013) En la figura se muestra de manera resumida el proceso de producción y los materiales requeridos para el mortero celular. 49 Figura 18. Materiales y producción del mortero celular. Fuente: (Gelim & Ali, 2011) 2.6 Aplicaciones a nivel mundial del mortero celular 2.6.1 Aplicaciones geotécnicas. Relleno de zanjas y excavaciones sin requerimiento de equipo de compactación o rellenos fluidos de densidad y resistencia controlada (Luzardo & Arraga, 2004). Fundamentos para las carreteras y aceras (Haq & Liew, 2014). Cama para detención de aviones (Haq & Liew, 2014). Reparación de puentes como se observa en la Figura 19 se evidencia la el uso de este material para un puente en Pakistán.(Haq & Liew, 2014). 50 Figura 19. Reparación del costado derecho de un puente en Pakistán. Fuente: (Haq & Liew, 2014) Rellenos para los anillos de los túneles. El material de mortero celular es de peso ligero y altamente fluido, permitiendo de esta manera que el material para llenar completamente el espacio anular sea fácilmente bombeado a bajas presiones (Aerix Industries, 2014). El material ligero tiene potencial reducido para dañar el forro de revestimiento deslizante. La fuerza y la densidad del mortero celular puede ser personalizado para satisfacer los requisitos del proyecto, y el material tiene una contracción de menos de 0,3%. El uso de este para llenar el espacio anular puede acomodarse a cualquier diámetro de una tubería, y la instalación es rápida, fácil y segura para el medio ambiente como se muestra en la Figura 20 (Aerix Industries, 2014) Figura 20.Instalación de anillos de refuerzo en túneles. Fuente: (Aerix Industries, 2014) 51 Modificación de la Sub-rasante. El uso del mortero celular es apropiado para la modificación de la subrasantes cuando los suelos existentes son indeseables para la construcción ver estructura mostrada en la Figura 21. Como una alternativa más de excavación y sustitución de suelos pobres con mejores suelos, una capa de mortero celular se coloca sobre los suelos pobres y de esta forma se reducirán las cargas muertas verticales, y aumentara la capacidad de soporte y la estabilidad con la adición de un peso mínimo. La capa de mortero celular también mejora la estabilidad en las zonas sísmicas, y ofrece cualidades aislantes (Aerix Industries, 2014). Como capa de base de soporte en pavimentos y áreas deportivas sobre suelos de baja capacidad portante (Luzardo & Arraga, 2004). Figura 21. Sección trasversal de una estructura de pavimento. Fuente: (LAVALLEE, 2008) Figura 22. Colocación capa base para la estructura de pavimento. Fuente: (Aerix Industries, 2014) 52 Approach de puentes y deslizamientos de tierra El mortero celular es ideal para la construcción o rehabilitación de approach puentes. El uso de este material como una sub-base permanente reduce la carga en este La facilidad de colocación, durabilidad y longevidad del material hace que sea una gran alternativa para los suelos compactados u otros métodos de construcción tradicionales (Aerix Industries, 2014). Rellenos de muros de contención La colocación de hormigón celular detrás de un muro de contención reducirá la carga lateral en la pared en comparación con materiales de relleno alternativos. El relleno puede ser diseñado para la permeabilidad deseada como se muestra en la Figura 23 (Aerix Industries, 2014). La reducción de las cargas laterales y alturas de colocación permite a los ingenieros de diseño a ser más agresivo, mientras que el mantenimiento de un factor de seguridad satisfactorio (Aerix Industries, 2014). Figura 23. Relleno de muro de contención realizada por empresa Aerix Figura: (Aerix Industries, 2014) 2.6.2 Aplicaciones hidráulicas. Relleno de tuberías y tanques de almacenamiento enterrados o en desuso ver Figura 24 una aplicación de la empresa Canadiense (Luzardo & Arraga, 2004). 53 Figura 24. Relleno de una tubería realizada por la empresa Aerix. Fuente: (Aerix Industries, 2014) Zanjas de drenaje La construcción de trincheras de drenaje es muy común en piedra y mortero convencional por lo que es lenta y el trabajo es intenso. Sin embargo con el sistema y la implementación de mortero celular la forma seria sencilla, la inclinación se trabajaría con tres metros de pendiente trabajada a lo largo de la excavación del canal .por lo que se trabajaría con una fuerza y densidad especificada, derramado el material alrededor de las inclinaciones y dejando endurecer como se muestra en la Figura 25 (Zhang & Gjvorv, 1991). Figura 25. Canal drenaje longitudinal. Fuente: (Zhang & Gjvorv, 1991) 54 2.6.3 Aplicaciones mineras. Transporte de materiales sólidos, tales como colas de minas, minerales finos, arenas y residuos triturados. El proceso ofrece una alternativa menos costosa y ambientalmente segura de los métodos de transporte tradicionales. Ya sea por medio de tubería o al vacío este sistema de transporte utiliza hasta un 95% menos de agua y suspende las partículas del tizón durante el transporte sin ninguna segregación, lo que resulta una velocidad más baja, menos abrasión y desperdicio mínimo, por lo que a velocidades más bajas, el patrón de flujo cambia de turbulento a flujo laminar que reduce la demanda de energía y permite una gama más amplia de bombas que pueden ser utilizados para el transporte de los residuos (Aerix Industries, 2014). Recuperación de suelo explotado Para entregar cementada o compactada de relleno en los huecos de subsidencia y otras aberturas relacionados con minas activas y abandonadas. Agujeros de barrenas, grietas, cuevas de intersección, ejes, portales y socavaciones se pueden llenar con colas de hormigón ligero celular que incorporan, multas trituradora, cenizas volantes, y los materiales gruesos de hasta 3/4 ". Las tuberías, líneas de decantación y alcantarillas, tanques y galerías transportadoras y tubos también se pueden llenar de forma rápida y económicamente (Aerix Industries, 2014). Figura 26. Recuperación de materiales. Fuente: (Aerix Industries, 2014) 55 2.6.4 Aplicaciones estructurales. Realización de cubiertas y cielo rasos. En la Figura 27 se muestra que este material se puede aplicar sobre membranas de techo existentes, galvanizado ventilado o no ventilada cubierta de acero, hormigón prefabricado o colado in situ u hormigón estructural, mejorar el diafragma de cizalla que proporciona resistencia adicional a las fuerzas de cizallamiento resultantes del viento o de la actividad sísmica. Puede ser bombeada a más de 500 pies verticalmente y más de 1.000 pies horizontalmente (Aerix Industries, 2014). Figura 27. Fundición de una cubierta. Fuente: (Aerix Industries, 2014) Bloques ligeros para edificios de gran altura ver Figura 28 (Haq & Liew, 2014). Figura 28. Elaboración de bloques in situ Fuente: (Haq & Liew, 2014) 56 Paneles y paredes divisorias de diversas dimensiones, ya sea prefabricado o vertido en el lugar ver Figura 29 (Haq & Liew, 2014). Figura 29.Muros de gran altura prefabricadas. Fuente: (Haq & Liew, 2014) Sustitución de láminas de metal en el exterior en edificios de metal (Zhang & Gjvorv, 1991). Figura 30. Elementos de sustitución del mortero convención con el mortero celular. Fuente: (Zhang & Gjvorv, 1991) La Figura 30 representa un proceso binario, en el cual el más delgado de 7,62 mm [3/8 "] acabado de color contendría una densidad en el intervalo de 1522 kg / m a 57 1762 kg / m [95 libras / pie a 110 lb / ft]. Y la segunda densidad después de la primera sería una 1041 kg / m [65 libras / pies] de densidad térmica. Dos ventajas principales con sistema están [1] Ahorro en la coloración, ya que sólo se encapsula en esta área delgada, y no a través de toda la mezcla. [2] La conductividad térmica a través de los dos miembros de reducir los costos para calentar o enfriar dentro de la estructura. El sistema binario reduce el peso del material además de la disminución del peso estructural todavía el mantenimiento de media o alta Mpa [psi] (Zhang & Gjvorv, 1991). Secciones de relleno vacío y relleno entre las vigas de pisos suspendidos (Haq & Liew, 2014). Muros pantalla para edificaciones de gran altura (Haq & Liew, 2014). Figura 31.Mueros pantallas torres de 24 pisos. Fuente: (Haq & Liew, 2014) 2.6.5 Aplicaciones no estructurales. Aplicaciones de insonorización (Haq & Liew, 2014). Barreras de sonido en las carreteras (Haq & Liew, 2014). Pre-fundido / fachadas de paredes exteriores in situ para todos los tamaños de edificios (Haq & Liew, 2014). 58 Figura 32. Fachada de un conjunto de casas de vivienda de interés social. Fuente: (Haq & Liew, 2014) 2.6.6 Aplicaciones arquitectónicas. Azulejos. Unidades de junta. Mortero decorativo. Figura 33. Azulejos. Fuente: (Haq & Liew, 2014) 59 En la Tabla 19 , se muestra de manera resumida cada una de las aplicaciones que puede tener el mortero celular dependiendo del campo en el cual se quiera ser empleado. Tabla 19.Aplicaciones a nivel mundial del mortero celular. Campo Geotécnicas Hidráulicas Mineras Estructurales No estructurales Arquitectónicas Aplicaciones Relleno de zanjas y excavaciones sin requerir equipo de compactación o rellenos fluidos de densidad y resistencia controlada. Fundamentos para las carreteras y aceras. Cama para detención de aviones. Reparación de puentes. Rellenos para los anillos de los túneles. Modificación de la subrasante. Como capa de base de soporte en pavimentos y áreas deportivas sobre suelos de baja capacidad portante. Approach de puentes y deslizamientos de tierra. Rellenos de muros de contención. Relleno de tuberías y tanques de almacenamiento enterrados en desuso. Zanjas de drenaje. Transporte de materiales sólidos. Recuperación. Techos. Bloques ligeros para edificios de gran altura Paneles y paredes divisorias de diversas dimensiones, ya sea prefabricado o vertido en el lugar. Sustitución de láminas de metal en el exterior en edificios de metal. Secciones de relleno vacío y relleno entre las vigas de pisos suspendidos. Muros pantalla para edificaciones de gran altura. Aplicaciones de insonorización. Barreras de sonido en las carreteras. Pre-fundido / fachadas de paredes exteriores in situ para todos los tamaños de edificios. Azulejos. Unidades de junta. Mortero decorativo. 60 2.7 Métodos de colocación del mortero celular El mortero celular se instala generalmente por bombeo Figura 34. La estructura celular inteligente del concentrado de espuma no se ven afectados a la hora de bombear el mortero (Cellular Concrete Solution, 2014), la alta estabilidad y rigidez de la estructura de la espuma no permite que esta se desintegre (Haq & Liew, 2014). El bombeo puede realizarse con éxito hasta 152 metros en sentido vertical y 1524 metros en sentido horizontal Cellular Concrete Solution, 2014), estas distancias están en función de las características técnicas de la bomba neumática, ya sea independiente o adherida a la maquina generadora de mortero celular. Figura 34. Bombeo de mortero celular para la nivelación de pisos Fuente: (Turbosol, 2014) El método de colocación del mortero celular depende directamente de las aplicaciones que se le vayan a dar a este. Si se quiere realizar un elemento prefabricado tal y como se muestra en la Figura 35, no es necesario hacer la instalación por bombeo y por lo tanto no es indispensable la bomba neumática en la máquina generadora de concreto celular. 61 Figura 35. Bloques prefabricados de mortero celular Fuente: (Turbosol, 2014) Esta tecnología no se limita a algún método de instalación ya que por su alta manejabilidad el mortero celular permite adecuarse a cualquier otro tipo de colocación que se realice con el mortero convencional. 2.8 Normatividad a nivel mundial aplicable para la utilización de mortero celular En la Tabla 20 se muestra las normas bajo las cuales el mortero celular se estandariza. Tabla 20. Normas para el empleo de mortero celular. NORMA ASTM 495 TITULO Standard Test Method for Compressive Strength of Lightweight Insulating Concrete. ASTM 796 Standard Test Method for Foaming Agents for use in Producing Cellular Concrete Using Preformed Foam. Standard Specification for Foaming Agents Used in Making Preformed Foam for Cellular Concrete. Standard method for density (Unit Weight), yield, and air content (Gravimetric) of concrete. ASTM C869 ASTM C138 62 2.9 Ventajas y desventajas de mortero celular. 2.9.1 Ventajas No es tóxico y es biodegradable (LAVALLEE, 2008). Generalmente de menor costo que otros métodos de reducción de carga (LAVALLEE, 2008) Fácil colocación por bomba o gravedad (LAVALLEE, 2008). Duradero y no corrosivo (LAVALLEE, 2008) Resistencia al fuego (Haq & Liew, 2014). Nivelación automática (LAVALLEE, 2008) Absorbe las ondas de choque (LAVALLEE, 2008) Puede tener una amplia gama de densidades (LAVALLEE, 2008). Alta resistencia al congelamiento y descongelamiento (LAVALLEE, 2008). Cien por ciento de compactación para llenar los espacios totalmente sin contracción (LAVALLEE, 2008). Más ligero y más fuerte que suelo compactado (Anderson, Bartlett, Dickerson, & Poepsel, 2014). Efectos de la inercia sísmica se reduce debido a la disminución de peso, así como la estabilidad sísmica mejorada debido al comportamiento de bloque de la estructura de retención compactado (Anderson et al., 2014). Prevé reducir enormemente los asentamientos, especialmente en combinación con la mejora del suelo superficial. Ahorro de costes de hasta un 30% con respecto al convencional colado en sitio las paredes con tirantes y el suelo (Anderson et al., 2014). Posee excelente trabajabilidad (Haq & Liew, 2014). Proporciona un excelente aislamiento para el calor y el sonido (Haq & Liew, 2014). Se puede aplicar con todos los acabados de superficie: pintura, mosaicos, membranas bituminosas, alfombras, etc (Haq & Liew, 2014). 2.9.2 Desventajas Se requiere que el curado del mortero celular sea en cámaras herméticas muy resistentes y de elevado precio, especialmente si se trata de fabricar elementos de grandes dimensiones (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013). Es necesario establecer un sistema de producción más regularizado, ya que cualquier otro factor influye en las propiedades físicas y mecánicas del producto final (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013). 63 El mortero celular produce mayor deformación que el mortero convencional, esto se debe a que presentan módulos de elasticidad bajos (Rengifo Cuenca & Yupangui Cushicondor, 2013). 64 3 Análisis de viabilidad técnica 3.1 Disponibilidad de materiales necesarios para la producción de mortero celular en Colombia. 3.1.1 Arena. Bogotá por su área de trabajo y por su localización, se constituye en una zona de intereses para la exploración y explotación de materiales de construcción como arenas, gravas, arcillas y materiales de recebo (Montoya & Reyes, 2005). Por lo que es necesario resaltar el tipo de arenas con la que se cuenta en Bogotá, las arenas son extraídas de las formaciones Tierna, Cacho, Regadera y Tilatá. Se pueden separar 4 zonas con gran aporte de arenas y relacionadas a unidades lito estratigráficas diferentes: La primera está en el flanco occidental del sinclinal de Checua, donde se explotan arenas de la Formación Cacho, en al menos 9 canteras; la segunda en los alrededores de Chocontá y Villapinzón con 16 canteras en la Formación Tilatá y 3 en la Formación Regadera; la tercera, al oriente del Municipio de Gachancipá sobre la Formación Arenisca Tierna, con explotaciones en 19 canteras y la cuarta, al sur-occidente de Bogotá, en el sector de Mondoñedo (Formación Tierna) y Sibaté-Soacha (Formación Tierna y Arenisca la Guía de la Formación Guaduas)(Montoya & Reyes, 2005). Estas son algunas de las arenas que se pueden encontrar en Bogotá, según la Tabla 22 y la Tabla 24 son arenas trituradas y de rio respectivamente cuyos límites de granulométricos cumplen con las especificaciones de la norma técnica Colombiana NTC 174 en el segundo caso, la norma que rige los limites es la ET 600-05 especificaciones para pavimentos de losas de concreto hidráulico del IDU, puesto que está destinada para el uso de subrasante. Todas las características de las arenas presentadas en la Tabla 23, en la Tabla 25, en la Tabla 27 y por último en la Tabla 29, cumplen de la misma forma con las especificaciones mostradas en la Tabla 21 correspondiente a la NTC 174 en la cual se establecen los requisitos de gradación y de calidad para los agregados finos. De igual manera se puede decir que las Gráfica 3, la Gráfica 4, la Gráfica 5, y la Gráfica 6, cumplen con los límites de granulometría presentadas en la NTC 174. Cabe resaltar que esta norma es adecuada para asegurar materiales satisfactorios para uso en la mayoría de concretos, sin embargo se pueden necesitar mayores o menores restricciones para ciertas obras o regiones (NTC 174, 2000). 65 Tabla 21. Especificaciones para las arenas en Colombia Partículas deleznables 3 (%) Pasa tamiz 200 5 Módulo de finura 3.1>M.F>2.3 Material orgánico MO<5 Fuente: (NTC 174, 2000) 66 Tabla 22.Granulometría para una arena triturada. Masa seca total de muestra (g) N° TAMIZ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2155 Tamiz Tamiz (mm) 3" 75 2 1/2 " 63 2" 50 1 1/2 " 37 1" 25 3/4" 19 1/2" 12.5 3/8" 9.5 1/4" 6.3 N°4 4.75 N°8 2.36 N°10 2 N°16 1.18 N°30 0.6 N°40 0.425 N°50 0.3 N°80 0.18 N°100 0.15 N°200 0.075 FONDO Masa seca final después de la gradación(g) Masa seca inicial después de la lavada./Tamiz N°200 (g) Masa retenida (g) 269.1 591.6 371.7 196.4 227.4 103.2 107.6 0.4 2067.4 Fuente: (Agea, 2014) 67 % Retenido 12.5 27.5 17.2 9.1 10.6 14.1 5 % Acumulado 12.5 39.9 39.9 57.2 66.3 66.3 76.9 76.9 90.9 95.9 Gráfica 3.Granulometría para una arena triturada 120 Porcentaje que pasa (%) 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Tamiz PORCENTAJE QUE PASA 7 8 Fuente: (Agea, 2014) Tabla 23. Características de la arena triturada. MÓDULO DE FINURA 3.44 Equivalente de arena 66% Perdida de agregado fino 4.2 Absorción 2.99 Vacíos suelto (%) 44.04 Vacíos compactado (%) 35.01 Materia Orgánica 1 Índice azul metileno 5 Partículas deleznables (%) 0.136 Pasa tamiz 200 4.1 Fuente: (Agea, 2014) 68 9 Tabla 24. Granulometría de arena de rio. CRITERIO ET 600-05 N° TAMIZ 1 2 3 4 5 6 7 8 Tamiz Tamiz (mm) 6" 5" 4" 3" 2 1/2 " 2" 1 1/2 " 1" 3/4" 1/2" 3/8" 1/4" N°4 N°8 N°16 N°30 N°50 N°100 N°200 FONDO 150 125 100 75 63 50 37 25 19 12.5 9.5 6.3 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 - Masa % % Retenido retenida (g) Acumulado 31.3 3.2 3.2 156.9 15.9 19.1 187.1 18.9 38.0 203.4 20.6 58.6 264.5 26.8 85.4 111.6 11.3 96.7 25.2 2.5 99.2 0.1 0.0 99.2 Fuente: (Agea, 2014) Tabla 25. Características de la arena de rio. MÓDULO DE FINURA 3.01 Pasa tamiz 200 0.8 Fuente: (Agea, 2014) 69 % Pasa % Máximo % Mínimo 100 96.8 80.9 62.0 41.4 14.6 3.3 0.8 100 100 80.0 65.0 55.0 35.0 20.0 5.0 100 85.0 60.0 45.0 30.0 15.0 2.0 0.0 Gráfica 4. Granulometría de arena de rio. 120 Porcentaje que pasa (%) 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 Porcentaje que pasa 4 5 Tamiz Limite maximo 6 7 8 9 Limite minimo Fuente: (Agea, 2014) N° TAMIZ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tabla 26.Granulometría arena lavada cantera Zulia en Cúcuta. ABERTURA DEL Porcentaje Masa Porcentaje TAMIZ retenido Porcentaje retenida retenido acumulado pasa (%) (g) (%) TAMIZ (mm) (%) 1/2" 12.5 0 0 0 100 3/8" 9.5 2 0.2 0.2 99.8 N°4 4.76 138 14.7 14.9 85.1 N°8 2.38 130 13.8 28.7 71.3 N°10 1.19 138 14.7 43.4 56.6 N°30 0.6 162 17.2 60.6 39.4 N°50 0.3 154 16.4 77 23 N°100 0.15 116 12.3 89.3 10.7 N°200 0.075 80 8.5 97.8 2.2 FONDO 20 2.1 100 0 Fuente:(CTZ, 2014) Tabla 27.Características de arena lavada cantera Zulia en Cúcuta Módulo de finura 3.1 Materia orgánica 3 Humedad (%) 6.38 PH 6 Pasa tamiz 200 2.1 Fuente:(CTZ, 2014) 70 NORMA LIMITES Inferior Superior 100 95 85 70 50 25 8 1 0 100 100 100 97 85 63 32 11 5 Gráfica 5.Granulometría de arena lavada cantera Zulia en Cúcuta 120 Porcentaje (%) 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 LIMITE INFERIOR 4 Tamiz5 6 7 PORCENTAJE QUE PASA 8 9 10 LIMITE SUPERIOR Fuente:(CTZ, 2014) Tabla 28. Granulometría arena triturada cantera Zulia en Cúcuta. ABERTURA DEL TAMIZ N° TAMIZ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TAMIZ (mm) 1/2" 3/8" N°4 N°8 N°10 N°30 N°50 N°100 N°200 FONDO 12.5 9.5 4.76 2.38 1.19 0.6 0.3 0.15 0.075 Masa retenida (g) 0 0 122 140 144 164 158 136 44 62 Porcentaje retenido acumulado (%) 0 0 0 0 12.6 12.6 14.44 27.0 14.83 41.9 16.9 58.8 16.3 75.1 14 89.1 4.5 93.6 6.4 100 Fuente:(CTZ, 2014) Porcentaje retenido (%) NORMA Porcentaje pasa (%) Límite Límite Inferior superior 100 100 100 100.0 95 100 87.4 85 100 73.0 70 97 58.1 50 85 41.2 25 63 24.9 8 32 10.9 1 11 6.4 0 5 0 Tabla 29. Características arena triturada cantera Zulia en Cúcuta Módulo de finura 3 Materia orgánica 3 Humedad (%) 3.09 PH 6 Pasa tamiz 200 6.4 Fuente:(CTZ, 2014) 71 Gráfica 6. Granulometría arena triturada cantera Zulia en Cúcuta 120 Porcentaje (%) 100 80 60 40 20 0 0 2 POECENTAJE QUE PASA 4 6 Tamiz LIMITE SUPERIOR 8 10 LIMITE INFERIOR Fuente:(CTZ, 2014) Tabla 30. Comparación especificaciones para el cumplimiento de las arenas ESPECIFICACIONES ESPECIFICACIONES NTC174 AST C33 Partículas deleznables (%) Pasa tamiz 200 Módulo de finura Material orgánico 3 3 5 3.1>M.F>2.3 MO<5 5-3 3.1>M.F>2.3 Las normas técnicas Colombianas (NTC) están hechas en base con las normas publicadas por la American Society for Testing and Materials (ASTM) por lo que las especificaciones para los materiales son similares, en la Tabla 30 los estándares para que cumplan las normas para las arenas son iguales en el caso del porcentaje de material pasa tamiz 200 la norma ASTM permite que si no se da el dato o si no se dispone de él, se le aplique el 3%. Por lo anterior y teniendo en cuenta la comparación de las características de las arenas presentadas con anterioridad frente a las especificaciones dadas por la normatividad Colombiana y la normatividad Americana la cual es bajo la que se rige la elaboración del mortero celular se puede decir que Colombia si posee arenas con las características apropiadas para la elaboración de la misma. 72 3.1.2 Cemento. Para la elaboración del mortero celular se permite el uso del cemento portland cuyas especificaciones se encuentran y se explican en la Tabla 31. Tabla 31.Especificaciones para el cemento NTC 121 Fraguado inicial, mínimo (min) Fraguado final , máximo (min) Expansión en Autoclave (%) Expansión en agua (%) Resistencia a la compresión a los 3 días (Mpa) Resistencia a la compresión a los 7 días (Mpa) Resistencia a la compresión a los 28 días (Mpa) ARGOS CEMEX 45 480 0.8 8 ASTM C1157 45 420 0.8 0.02 10 70 330 0.8 0.02 21 100-180 180-260 0-0.2 12.75 - 18.63 15 17 28 16.67 - 23.54 24 28 36 24.02 - 29.42 En la Tabla 31, por un lado se muestran las especificaciones que posee el cemento para la elaboración del mortero celular según la normatividad Americana ASTM C1157. Standard Performance Specification for Hydraulic Cement, simultáneamente se presenta la comparación de las especificaciones que tiene la norma Colombiana para este mismo tipo de cemento, en este caso la estandariza la NTC 121. Especificación de desempeño para cemento hidráulico, para los dos tipos de cementos presentados tanto el de Argos como el de Cemex, los cementos cumplen con las especificaciones mostradas en las dos normas. En la Tabla 32 se muestran las especificaciones que debe tener el mortero, tanto para las normas americanas como para las normas colombianas, esto sujeto a la aplicación para la cual se quiera emplear. Tabla 32.Especificaciones para la resistencia del mortero según las normas NTC 4050 y ASTM C91 Resistencia a la compresión a los 7 días (Mpa) Resistencia a la compresión a los 28 días (Mpa) N 3.5 S 9 M 12.5 6.2 14.5 20 Fuente: (NTC 4050, 1996) Para el caso de la NTC 4050 la norma aplica para los tres tipos de cementos empleados para la preparación del cemento para mampostería 73 3.1.3 Agente espumante Para el caso del agente espumante en Colombia, no existe normatividad única que estandarice la producción ni las especificaciones con las propiedades físicas y químicas. Sin embargo, existen empresas que proveen del producto basándose en las especificaciones de la normatividad Americana ASTM C796 Standard test method for foaming agents for use in producing celular concrete using preformed foam, En Colombia una de las principales empresas que distribuyen este tipo de agente espumante es la empresa Euclid Chemical Toxement, esta maneja dos tipos de agentes espumantes. El primero se denomina EUCOCELL 1000: Más que una espuma es un aditivo líquido diseñado para la fabricación de morteros fluidos, con altos contenidos de aire, baja densidad y resistencia a la compresión (Toxement, 2014), en la Tabla 33 se encuentran algunas de las propiedades que maneja Toxement para este producto. El segundo se denomina EUCOCELL 200. Este a diferencia del primero, está diseñado para la fabricación de mezclas cementicias fluidas, con contenidos de aire ocluidos estabilizados, de baja densidad y resistencia a la compresión (Toxement, 2014), en la Tabla 34 se encuentran algunas de las propiedades que maneja Toxement para este producto. Tabla 33. Información técnica EUCOCELL 200 Apariencia Color Densidad (Kg/l) Contenido de cloruros Contenido de azucares Liquido Rojo 1.05 +/0.005 Ninguno Ninguno Fuente: (Toxement, 2014) Tabla 34. Información técnica EUCOCELL 1000 Apariencia Color Densidad (Kg/l) PH Contenido de cloruros Liquido Transparente 1.04 +/- 0.01 7 +/- 1 Ninguno Fuente: (Toxement, 2014) 74 A pesar de que Colombia no maneja una norma específica para este tipo de aditivos, si existe una bajo la cual están normalizados los aditivos incorporados en el concreto, en la Tabla 35 se muestran las condiciones que debe cumplir un concreto con algún tipo de aditivo incorporador de aire. Tabla 35.Especificaciones para aditivos incorporadores de aire para concreto. Exudación No debe exceder la del concreto preparado con el aditivo de referencia en más del 2% Tiempo de fraguado No debe diferir en +/- 1h y 15min del concreto preparado con el aditivo de referencia. Resistencia a la compresión No debe ser menor que el 90 % de la un concreto similar, esto aplica para un concreto de cualquier edad. Fuente: (NTC 3502, 1993) Es importante aclarar que el agente espumante que se emplea en Colombia es sintético y que no se aplica de forma directa sobre la mezcla, este necesita obligatoriamente de la máquina para generar la espuma y de esta forma ser incluido a la mezcla. 3.2 Disponibilidad de tecnologías necesarias para la producción de mortero celular en Colombia De acuerdo a la tecnología necesaria para la producción de mortero celular, se presentan algunos equipos como la maquina generadora de mortero celular, máquina generadora de espuma y mezcladora con bomba neumática. Para esta investigación se tienen disponibles cinco proveedores de diferentes países los cuales nos presentan los equipos que en el momento tienen disponibles, su ficha técnica y precios. La máquina generadora de espuma la cual es indispensable para la producción de mortero celular no existe actualmente en el mercado nacional, por lo tanto para implementar esta tecnología en Colombia es necesario importarla, al igual que las otras máquinas que hacen parte del proceso de producción de este tipo de 75 mortero, como lo es la maquina generadora de mortero celular y la mezcladora con bomba neumática. En términos generales gran parte de la maquinaria necesaria para fabricar mortero celular tiene que ser importada de países como México, Argentina, Brasil e Italia, y según el tipo de proveedor depende el acuerdo de compra que se realice, es decir, si el precio de la maquina incluye el traslado a donde se requiera la maquina en Colombia y la nacionalización de la misma. En el caso en que el proveedor de la maquinaria no se encargue de ingresarla y legalizarla en el país (Colombia), se debe identificar el tipo de aranceles e impuestos de importación que sean pertinentes, lo cuales se clasifican principalmente en el tipo de maquinaria y los acuerdos o tratados de importación que Colombia tenga con el país de origen de la maquinaria. A continuación en la Tabla 36 se muestran los códigos arancelarios para cada equipo y sus respectivos impuestos. Tabla 36. Código arancelario e impuesto de las máquinas. Maquina Código arancelario Arancel IVA Maquina generadora de mortero celular 84.74.31.10 0% 16% Maquina generadora de espuma 84.14.30.99 0% 16% Mezcladora con bomba neumática 84.13.19.00 0% 16% Nota: datos suministrados por la empresa SERINCE S.A 3.3 Posibles aplicaciones en Colombia del mortero celular de acuerdo a la normatividad nacional En Colombia es muy limitado el uso que se le ha dado al mortero celular debido al poco conocimiento sobre este y, mayormente como adaptar este tipo de mortero a las especificaciones Colombianas para sus diversos usos. En la Tabla 37 se encuentran las resistencias que deben tener los bloques de mortero según la NTC 3356, esto dada las recomendaciones para la elaboración de casas establecidos en la NSR -10 en el titulo D. 76 Tabla 37.Especificaciones unidades de bloque de mortero. TIPO DE MORTERO M S N RESISTENCIA A LA COMPRESION (Mpa) 17.5 12.5 7.5 RETENCION MINIMA DE AGUA (%) 75 75 75 Fuente: (NTC 3356, 2000) En la Tabla 38 y en la Tabla 39 se muestra según la normatividad Colombiana las condiciones bajo las cuales deben clasificar los morteros para cumplir con los usos establecidos en ella, esto teniendo en cuenta que cada área de la construcción está bajo modificaciones según la necesidad de resistencia que se requiera para cierto tipo de obras especiales. Tabla 38. Tipos de mortero recomendados para cada una de las aplicaciones según normatividad Colombiana. LOCALIZACION Exterior , arriba del nivel de terreno Exterior, a nivel o por debajo del nivel de terreno Interior Interior o exterior PARTE DE LA CONSTRUCCION Muro portante Muro no portante Antepecho Muro de fundación Muro de contención Pozos de inspección Pavimentos Caminos y patios. Muro de carga tabiques no portantes Tabiques no portantes Reparación o acabado TIPO DE MORTERO RECOMENDAD ALTERNATIV O A N SoM O (B) NoS N S S (C ) M o N (C ) N SoM O N Fuente: (NTC 3329, 2004) B: El mortero tipo O es recomendado para ser usado cuando la mampostería no tiene riesgos de congelamientos, cuando se satura o cuando no va a estar sujeto a fuertes vientos o a otras cargas laterales significativas. El mortero tipo N o S debe ser usado en otros casos. C: La mampostería expuesta a condiciones ambientales en usan superficie nominal horizontal extremadamente vulnerable a la alteración por exposición a la intemperie. El mortero para dicha mampostería debe ser seleccionado con debida precaución. 77 Tabla 39.Requerimientos para el contenido de aire y resistencia para los diferentes tipos de morteros. MORTERO Tipo Resistencia a la compresión (Mpa) Mínimo de retención de agua (%) Cemento - cal M S N O M S N O M S N O 17.2 12.4 5.2 2.4 17.2 12.4 5.2 2.4 17.2 12.4 5.2 2.4 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 Mortero Cemento de mampostería Máximo aire contenido (%) 12 12 14 ( C) 14 ( C) 12 12 14 ( C) 14 ( C) 18 18 20(D) 20(D) Fuente: (NTC 3329, 2004) C: Cuando el refuerzo estructural esta embebido a un mortero de cemento-cal, el máximo contenido de aire debe ser 12%. D: Cuando el refuerzo estructural esta embebido en un mortero de cemento con mampostería, el máximo contenido de aire debe ser 18%. En la Tabla 39, según la normatividad Colombia se muestran las especificaciones que debe tener un mortero que dentro de sus materiales contenga aditivos incorporadores de aire, sin embargo para la comparación del mortero celular frente a las especificaciones Colombianas es permitido realizarlo directamente con el del cemento según sus aplicaciones. 78 Tabla 40.Aplicaciones y tipos de mortero, y su resistencia mínima de acuerdo a la NTC 3329 Aplicación Tipo de cemento Muro portante Muro no portante Antepecho Muro de fundación Muro de contención |Pozos de inspección Pavimentos Caminos y patios. Muro de carga tabiques no portantes Tabiques no portantes N O (B) N S (C ) S (C ) S (C ) S (C ) S (C ) N Max resistencia a la compresión (Mpa) 5.2 2.4 5.2 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4 5.2 O 2.4 Tabla 41.Tabla de resumen resistencias máximas según literatura. Autor Max resistencia a la compresión (Mpa) Narayanan & Ramamurthy McCormick Tam et al. Regan y Arasteh Hunaiti Kaersley y Booyens Jones y McCarthy 8.5 1.8 -17.6 1.81-16.72 4-16 12.11 1.8-19.9 20-43 En la Tabla 41 se muestra de manera resumida las resistencias que deben ser adquiridas por el mortero según sea el uso que se le valla a dar, esto teniendo en cuenta la norma NSR-10 y las especificaciones para los morteros de la NTC 3329, en la Tabla 41 se muestra un resumen a lo largo de toda literatura investigada de las resistencias más altas a las que puede ser diseñado el mortero celular , esto con el fin de compararlo con las resistencias exigidas en Colombia y realizar el comprobante de que se puede emplear esta tecnología como material para las aplicaciones presentadas en la Tabla 40. 79 4 Análisis de costos 4.1 Costos a nivel mundial de la tecnología necesaria para la producción de mortero celular. Al generar una comunicación directa con los fabricantes de las máquinas necesarias para la producción de mortero celular, se lograron evidenciar los diferentes precios para la máquina generadora de mortero celular, máquina generadora de espuma, mezcladora con bomba neumática y el agente espumante. La máquina generadora de mortero celular se encuentra en un rango de precio entre $ 43’750.000 COP y $ 106’570.816 COP, la maquina generadora de espuma con un valor de $ 20’000.000 COP, la mezcladora con bomba neumática con un precio de $ 34’500.000 COP, estos dos últimos precios según Grupo Concretos Celulares como única empresa cotizada para estos equipos, por último el agente espumante que varía en su precio desde $ 3.000 COP hasta $ 20.000 COP. Hay que tener en cuenta que los precios de todas estas maquinarias a excepción de los equipos de GRUPOS CONCRETOS CELULARES son en sus respectivos países, es decir, no está incluido el flete de la maquinaria e impuestos de importación. La Tabla 42 muestra en resumen los precios de las máquinas y el agente espumante con sus respectivas empresas y país de procedencia. Tabla 42. Precios de maquinaria y agente espumante en otros países. Maquina Maquina Mezcladora con generadora de Agente Empresa País generadora de bomba neumática mortero celular espumante espuma [und] [und] [und] Grupo Concretos $ 20.000 Brasil $ 20'000.000 $ 34'500.000 Celulares [Kg] Brasil $ 50'045.277 Concellmex México $ 9'128.272 $ 9.600 [Lt] $ 82'513.867 Laston Italiana SPA Italia $ 47'217.591 Turbosol Argentina $ 112'293.340 [Incluye bomba neumática] $ 3.300 [Kg] 80 Nota: la tasa representativa del mercado usada para calcular los precios de la tabla anterior fue de $ 2165.15, la cual corresponde a la proyección de la primera semana de diciembre. Según la agencia de aduanas SERINCE S.A, los precios de la maquinaria y el agente espumante en Colombia son los mostrados en la Tabla 43. Los precios fueron calculados teniendo en cuenta diferentes factores como impuestos, gastos logísticos, agente de aduana, acarreos internos e imprevistos. Empresa Tabla 43. Precios de maquinaria y agente espumante en Colombia. Maquina Maquina Mezcladora con generadora de Agente Pais generadora de bomba mortero celular espumante espuma [und] neumática [und] [und] Grupo Concretos Celulares Brasil Brasil Concellmex México $ 20'000.000 $ 68'908.273 $ 13'073.199 $ 34'500.000 $ 20.000 [Kg] $ 16.410 [Lt] $ 112'355.729 Laston Italiana SPA Italia $ 66'695.112 Turbosol Argentina $155'142.877 [Incluye bomba neumática] $ 7.130 [Kg] Nota: la tasa representativa del mercado usada para calcular los precios de la tabla anterior fue de $ 2165.15, la cual corresponde a la proyección de la primera semana de diciembre. Lo primero que se debe evaluar para determinar la maquinaria necesaria para elaborar mortero celular es la demanda de este material, es decir, si se conoce la cantidad de mortero celular requerido, se logra establecer puntualmente las especificaciones técnicas que deben tener los equipos involucrados en la elaboración de este tipo de mortero, de tal manera que no se generen sobrecostos en el metro cubico de mortero celular producido. En base a lo anteriormente explicado, es importante para la elaboración del presente documento determinar la diferencia de costos entre las diferentes maquinas presentadas en la Tabla 43, ya que dependiendo del país de origen de 81 cada equipo el costo del mismo puede presentar variaciones. Situación similar ocurre con las especificaciones técnicas de los equipos, debido a que si el equipo es más sofisticado y productivo el valor tiende a ser superior. Por ejemplo, la maquina generadora de espuma como se muestra en X presenta una diferencia aproximada de $ 7’000.000 COP, lo cual se debe a que el equipo de menor precio proveniente de México no posee el compresor de aire que requiere para trabajar mientras que la maquina proveniente de Brasil si cuenta con este equipo. Por otra parte, la maquina generadora de mortero celular presenta una diferencia considerable en su precio de aproximadamente $ 86’000.000 COP. El precio de la maquina está sujeto a la productividad y dimensiones de la misma, como se mencionó la maquina generadora de mortero celular cuenta con el generador de espuma y la mezcladora, ya que la maquina se encarga directamente de dosificar los materiales. La gran brecha que presenta el costo de la maquina generadora de mortero celular se debe a que el equipo proveniente de Argentina tiene un costo de $ 155’142.877 COP, esta cuenta con una bomba neumática la cual facilita la colocación del mortero celular en obra. 4.2 Comparación de costos con productos similares en Colombia. El objetivo de este subcapítulo es determinar aproximadamente el precio por metro cubico del mortero celular en Colombia, teniendo en cuenta los diseños de mezcla establecidos en el numeral 2.4 del presente documento. Para esto se investigaron los precios de productos similares al mortero celular los cuales este podría reemplazar. En la Tabla 44 se muestra el precio del mortero seco por metro cubico, el cual varia respecto a su resistencia a compresión. Tabla 44. Precio por metro cubico del mortero seco Empresa Cemex Colombia Resistencia a compresión [Mpa] Precio por metro cubico 7.35 $ 296.475 12.26 $ 315.534 17.16 $ 332.475 82 Tabla 45. Precio del mortero celular con generadora de espuma Resistencia a compresión [Mpa] Precio por metro cubico 7.35 $270.573 12.26 $346.019 17.16 $366.574 Tabla 46. Precio del mortero celular con maquina generadora de mortero celular Resistencia a compresión [Mpa] Precio por metro cubico 7.35 $259.087 12.26 $334.533 17.16 $355.088 Teniendo en cuenta que el precio por metro cubico del mortero celular varía de acuerdo a su resistencia, se estimaron los precios para este produciéndolo por medio de la maquina generadora de espuma y la maquina generadora de mortero celular. En el primer caso, para el precio del mortero celular teniendo en cuenta la maquina generadora de espuma como se muestra en la Tabla 45 se tuvieron en cuenta ítems como materiales necesarios (cemento, agua, arena y espuma), mezcladora, maquina generadora de espuma, oficial y ayudante. Para el segundo caso visto en la Tabla 46, se tuvieron en cuenta los mismos materiales pero ya que la maquina generadora de mortero celular incluye el generador de espuma y se dosifica de acuerdo a la densidad requerida solo es necesario que participe un operario. Los precios utilizados para el cálculo fueron obtenidos de Construdata. El comportamiento de precios para el mortero celular se debe a la cantidad de materiales usados para cada resistencia, es decir, a mayor resistencia, mayor densidad y por lo tanto aumenta la cantidad de cemento, arena y agua, también a este se le atribuye la inversión de la maquinaria usada, para la maquina generadora de espuma se tuvo en cuenta $ 1.000 COP por metro cubico y para la maquina generadora de mortero celular $ 4.000 COP. Para observar de manera más clara la diferencia en el costo del mortero celular para diferentes resistencias se muestra la Grafica 7. A pesar de que el costo del mortero celular está por encima del mortero convencional para algunas resistencias es importante resaltar que este material debido a su auto compactación no requiere de un personal que al colocarlo lo nivele o lo compacte mientras que el mortero convencional a pesar de su menor precio si requiere de una cuadrilla adicional para su instalación. 83 Grafica 7. Comparación de precios del mortero celular. Mortero convencional Mortero Celular-Generador de espuma Mortero celular - Maquina generadora de mortero celular $400.000 PRECIO [COP] $350.000 $300.000 $250.000 $200.000 $150.000 $100.000 0 2 4 6 8 10 12 RESISTENCIA [MPA] 84 14 16 18 20 5 Conclusiones y recomendaciones La construcción es uno de los principales sectores contribuyentes al producto interno bruto del país, sin embargo de acuerdo con lo establecido a lo largo del documento, todavía existen limitantes para el desarrollo de innovaciones en el sector como por ejemplo nuevos materiales que mejoren la eficiencia de los sistemas constructivos. Ahora bien como el objetivo principal de este trabajo de grado es analizar la viabilidad del uso de mortero celular en Colombia a partir de la revisión del estado del arte, se tuvieron en cuenta factores que determinarán la viabilidad de esta tecnología en Colombia como lo son los costos involucrados para el proceso de elaboración y colocación, así como la normatividad y las especificaciones necesarias para las diferentes aplicaciones. Con base en los resultados obtenidos se logró determinar que es viable el uso de mortero celular en Colombia debido a que su precio no varía considerablemente en cuanto al convencional pero si son muchas las ventajas que este traería al gremio constructor. Aunque en este estudio no se tuvo en cuenta la mano de obra requerida para esta actividad, de acuerdo con lo establecido en el estado del arte es posible concluir, que no representa valores altos ya que el mortero celular es autocompactante y no requiere una nivelación posterior a su colocación. Además de esto, puede representar ventajas adicionales como son reducir el peso muerto de la estructura debido a su baja densidad. En cuanto a la disponibilidad de materiales necesarios para la fabricación de mortero celular descritos con anterioridad en el capítulo 3.1, es posible concluir que en Colombia se encuentra la arena, el cemento y el agente espumante, cumpliendo los anteriores con las especificaciones descritas en las normas técnicas colombianas (NTC) analizadas con anterioridad en el capítulo correspondiente. Por otra parte la revisión del estado el arte incluye diferentes diseños de mezcla para el mortero celular en los cuales no es muy clara la dosificación de la espuma debido a que no se ha establecido de manera puntual la cantidad que produce cierta cantidad de aditivo, como recomendación se plantea un estudio que muestre de manera precisa la cantidad de aditivo que se debe usar por metro cúbico de mortero celular de acuerdo a la cantidad de espuma que se requiera para obtener una densidad específica. En el presente estudio este agente espumante se cuantificó de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. 85 Para hacer posible la producción del material es necesaria la máquina generadora de espuma o bien sea la máquina generadora de mortero celular, la cual actualmente no es comercializada en Colombia pero es posible su importación, para esto se recomienda hacer un estudio detallado de la demanda de mortero celular para así poder determinar qué tipo de maquinaria se requiere teniendo en cuenta su productividad sin generar sobrecostos, ya que como se estableció en el documento dependiendo de las especificaciones técnicas del equipo el precio de este podría variar considerablemente. De igual forma en el capítulo 3.3 Posibles aplicaciones en Colombia del mortero celular de acuerdo a la normatividad nacional, múltiples aplicaciones encontradas en el estudio del estado arte son viables en Colombia, cabe resaltar que existen normas específicas para ciertos tipos de áreas en la construcción diferentes a la NTC, por ejemplo, las especificaciones para el área de pavimentos son las normas del Instituto de desarrollo urbano (IDU), las especificaciones para el diseño de acueducto y alcantarillado según la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá (EAAB) son las normas sistec (NS), en las cuales se es flexible o en su defecto no posee restricción alguna para las resistencias solicitadas para cada aplicación en específico descritas en el capítulo 2.6, estas son directamente responsabilidad del criterio del ingeniero a cargo del proyecto, como recomendación sería conveniente elaborar ensayos de laboratorio previos a la implementación de mortero celular en diferentes obras para confirmar que este material si cumple los requisitos técnicos teniendo en cuenta nuestra normatividad. 86 6 Referencias bibliográficas Abd elaty Metwally. 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