Calidad del Agua y pH en Construcción: Guía de Laboratorio

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PRÁCTICA No. 7
INFLUENCIA DE LA CALIDAD DEL AGUA Y EL pH EN LA CONSTRUCCIÓN
7.1 Objetivos
● Identificar algunos conceptos que definen la calidad del agua para la construcción,
mediante pruebas químicas de campo como dureza.
● Comprender la importancia de la medición de los parámetros de calidad del agua
potable para su consumo, determinando la concentración de cloruros y sulfatos.
● Medir el pH de una muestra de concreto empleando la metodología adecuada
para la determinación de su naturaleza básica o ácida.
● Observar y entender el efecto del fenómeno de la carbonatación en el concreto
debido a la pérdida del pH aplicando fenolftaleína.
● Manejar el concepto de pH en la aplicación ingenieril de estabilización de suelos
empleando cal.
7.2 Introducción
El agua, además de ser un líquido vital para la supervivencia de los seres vivientes, juega
un papel primordial en la industria de la construcción, donde uno de los principales
usos es en la elaboración del concreto.
Dentro de las características de este recurso no renovable, se encuentra la dureza, que
es la concentración de compuestos minerales disueltos en una determinada cantidad de
agua, como sales de magnesio, calcio, y otros metales como hierro y manganeso. Esta
propiedad varía según la geología del terreno por el cual circula el agua y se clasifica en
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función de la concentración de CaCO₃ (carbonato de calcio), según lo establecido en
la siguiente tabla.
Tabla 7.1 Niveles de dureza en agua de acuerdo a la concentración de CaCO3.
Tipos de agua
Agua blanda
Agua semi blandas
Aguas duras
Aguas muy duras
Aguas extremadamente duras
Concentración de CaCO3 en el agua
Menos de 150 mg/L
Entre 150- 200 mg/L
Entre 200- 400 mg/L
Entre 400-550 mg/L
Superior a los 550 mg/L
La dureza del agua puede determinarse fácilmente mediante métodos como la titulación
química o pruebas cualitativas basadas en la formación de espuma al añadir agentes
tensoactivos (jabón).
Es importante conocer la dureza del agua utilizada en la construcción, ya que su alta
concentración de sales puede provocar depósitos o incrustaciones de carbonatos en las
obras, afectando la durabilidad y la calidad del concreto. En este sentido, la NMX-C-122ONNCCE-2018 (Industria de la construcción - Agua para concreto - Especificaciones)
establece normas para asegurar que el agua empleada cumpla con los requisitos
adecuados para la mezcla de concreto.
La dureza del agua también puede contribuir a la corrosión del acero en el concreto.
Los iones de calcio y magnesio presentes en aguas duras pueden acelerar la corrosión
del acero en concreto armado, afectando la integridad estructural. Este fenómeno se
debe a que las sales pueden formar depósitos en los poros del concreto, favoreciendo la
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penetración de agentes corrosivos. Por ello, es esencial realizar tratamientos del agua
para reducir la dureza y evitar efectos adversos en la vida útil del concreto.
Es crucial seguir estrictamente las normativas nacionales e internacionales relacionadas
para asegurar que el agua utilizada cumpla con los estándares de pureza. El uso de agua
tratada o filtrada para la preparación de concreto ayuda a evitar la incorporación de
impurezas que puedan comprometer la resistencia y durabilidad del concreto.
Otro aspecto fundamental en la construcción es la alta alcalinidad del concreto, que
promueve la formación de una capa de óxidos pasivantes sobre el acero, protegiéndolo
de la corrosión. Esta capa se debe principalmente al hidróxido cálcico (portlandita)
formado durante la hidratación de los compuestos anhidros del cemento. El pH del
concreto suele ser entre 12.6 y 14, lo que coloca al concreto en el extremo más alcalino
de la escala de pH, garantizando la protección de las armaduras.
En el caso del concreto reforzado, si se prepara adecuadamente, el elevado pH mantiene
a las armaduras en estado pasivo, asegurando protección química y prolongando su vida
útil. Sin embargo, este proceso puede interrumpirse por la carbonatación, un fenómeno
donde el CO₂ del aire reacciona con la humedad de los poros del concreto, reduciendo
la alcalinidad y convirtiendo el hidróxido de calcio en carbonato de calcio, lo que aumenta
el riesgo de corrosión en las armaduras.
Respecto al agua potable, la NOM-127-SSA1-2021 establece los parámetros y límites
permisibles para definir la calidad del agua para consumo humano. Esta norma
determina que el agua potable debe ser libre de contaminantes químicos o biológicos y
no debe causar efectos nocivos para la salud. Entre los parámetros a evaluar se incluyen
la presencia de sulfatos y cloruros, que deben mantenerse dentro de límites seguros para
evitar efectos adversos en la salud pública.
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Finalmente, la titulación es una técnica de análisis químico utilizada para determinar la
concentración de soluciones desconocidas mediante reacciones químicas con
soluciones patrón de concentración conocida. En este contexto, el Método de Mohr se
usa para determinar iones cloruro en soluciones. Este método consiste en una titulación
por precipitación donde ocurre la formación de un precipitado de AgCl al añadir AgNO₃
y usar K₂CrO₄ como indicador, lo que permite identificar el punto final de la titulación por
el cambio de color de amarillo a rojo ladrillo debido al Ag2CrO4 formado.
En cuanto a la estabilización de suelos arcillosos, el uso de cal ha demostrado ser
una alternativa económica frente a los métodos tradicionales, especialmente en la
construcción de carreteras y caminos. La cal reacciona con el índice de plasticidad (IP
>10) del suelo, mejorando su resistencia estructural debido a la acción puzolánica
aglomerando las partículas del suelo. La cantidad de cal a utilizar se estima entre el 2%
y el 8% del peso del suelo y depende de las propiedades del mismo, y se determina en
función del pH del suelo estabilizado, cuyo valor óptimo es cercano a 12.4 unidades,
según la norma ASTM D-6276-19.
7.3 Material, Equipo y Reactivos.
a) Experimentación laboratorio.
● 1 soporte universal
● 1 pinza doble para bureta
● Concreto molido (CaO, SiO2, Al2O3,
Fe2O3, H2O, agregados gruesos y
finos, otros).
● 1 pH metro portátil
● 1 probeta graduada de 50 mL
● Agua destilada (H2O)
● 9 recipientes de plástico de 100
mL con tapa
● Muestra de suelo
● Agua embotellada (H2O)
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1 matraz Erlenmeyer de 250 mL
1 embudo de filtración
2 pipetas Pasteur de 5 mL
1 bureta de 25 mL
5 vasos de precipitado de 50 mL
Fenolftaleína (C20H14O4)
Cloruro de bario al 5% (BaCl2)
Nitrato de plata (AgNO3) 0.02 M
Agua de la llave (H2O)
1 parrilla de agitación
1 marcador (Nota: Lo debe de traer
el estudiante)
● Indicador de cromato de potasio
(K2CrO4)
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2 pipetas graduadas de 5 mL
1 propipeta
1 probeta graduada de 100 mL
1 agitador magnético 1”
1 agitador de vidrio
Bicarbonato de sodio (NaHCO3)
1 espátula metálica
1 balanza analítica
Cal (Ca (OH)2)
1 trozo de concreto (CaO, SiO2,
Al2O3, Fe2O3, H2O, agregados
gruesos y finos, otros).
b) Experimentación en casa.
● 3 botellas de agua de 500 mL
aprox.
● Agua de la llave (H2O)
● Celular o cámara fotográfica.
●
●
●
●
Jabón lavatrastes
Sal de mesa
Agua destilada o purificada
Cuchara.
Nota: Se consideran ambas partes (Experimentación laboratorio y en casa) para
hacer las tablas de materiales, equipos y reactivos que van en el reporte, no se hacen
por separado.
7.4 Metodología.
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7.4.1 Actividad 1. Sulfatos en agua.
1. Colocar en tres vasos de precipitado de 50 mL, una muestra aproximada de 30 mL
de agua destilada, agua embotellada y agua de la llave, respectivamente.
2. Con una pipeta Pasteur, añadir gota a gota 5 mL de una solución de cloruro de bario
al 5% manteniendo una agitación constante con ayuda de un agitador de vidrio
durante un tiempo aproximado de un minuto.
3. Comparar el nivel de turbidez de todas las muestras y anotar las observaciones.
4. Disponer el contenido de los vasos de precipitado en “Sales”.
7.4.2 Actividad 2. Determinación de cloruros en agua potable.
1. Armar el soporte universal y colocar la pinza doble para bureta, ajustando la bureta de
25 mL con la llave cerrada.
2. Añadir a la bureta 25 mL de nitrato de plata 0.02 M con ayuda de un vaso de
precipitado de 50 mL y un embudo. Nota: Asegurarse que esté cerrada la llave de la
bureta antes de añadirle la solución titulante.
3. Usar la probeta para medir 80 mL de agua de la llave y colocar en un matraz
Erlenmeyer de 250 mL, el agua será nuestra muestra problema.
4. Agregar la punta de la espátula de bicarbonato de sodio y un agitador magnético,
colocar sobre la parrilla de agitación y agitar por 30 segundos.
5. Medir el pH de la solución del matraz y registrar en observaciones (debe de estar
básica la solución).
6. Adicionar en el mismo matraz, 2 mL de una solución indicadora de cromato de potasio.
7. Colocar el matraz Erlenmeyer sobre la parrilla de agitación y bajo la punta de la bureta,
iniciar una agitación media.
8. Abrir la llave de la bureta y adicionar 2 mL de nitrato de plata 0.02 M y registrar las
observaciones.
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9. Abrir nuevamente la llave de la bureta para adicionar otros 2 mL de nitrato de plata
0.02 M y registrar las observaciones.
10.
Añadir nuevamente la llave de la bureta para adicionar otros 2 mL de nitrato de
plata 0.02 M y registrar las observaciones.
11. Abrir la llave de la bureta, pero ahora gota a gota, hasta que aparezca una coloración
rojo ladrillo y medir su pH (debe de mantenerse básico).
12. Importante: Tomar el dato exacto de volumen donde ocurrió el cambio de coloración
de amarillo a naranja rojizo (rojo ladrillo).
13. Detener la agitación y disponer los residuos en el contenedor de “Sales”.
7.4.3 Actividad 3. Medición de pH en concreto.
1. En un vaso de precipitado de 50 mL, pesar 4 g de concreto previamente triturado y
tamizado.
2. Añadir con una probeta, 30 mL de agua destilada al vaso de precipitado, agitar y dejar
reposar durante 2 minutos.
3. Medir el valor de pH de la solución y registrar el valor obtenido.
4. Disponer los residuos en el contenedor de “Cemento”.
7.4.4 Actividad 4. Carbonatación de concreto
1. El maestro instructor colocará un trozo de concreto sobre el papel secante.
2. Se procederá a rociar fenolftaleína en el centro del material.
3. Anotar las observaciones y discutir sobre el fenómeno de la carbonatación.
7.4.5 Actividad 5. Estimación del porcentaje de cal para estabilización del suelo a
partir del pH.
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1. Medir una muestra de 200 g de suelo previamente secado y tamizado (No. malla 40
- 0.425 mm) y con las características apropiadas.
2. Marcar 7 recipientes de plástico de 100 mL, con los porcentajes de 3%, 4% 5%, 6%,
7%, 8%, 9%, identificar dos recipientes adicionales, uno como “cal” y otro como
“suelo”.
3. Añadir 25 g de suelo a todos los recipientes (excepto el que dice cal) y tapar bien.
4. Considerar la tabla 7.2 para pesar y adicionar en cada recipiente las cantidades de
cal (que cumpla con las especificaciones C-977) correspondientes.
Tabla 7.2 Gramos de cal correspondientes a los porcentajes utilizados.
% de cal
Cantidad cal (g)
3
0.75
4
1
5
1.25
6
1.5
7
1.75
8
2
9
2.25
Nota: El rango de porcentajes de cal para mezclas de suelo-cal puede ajustarse para
cumplir con los requisitos.
5. En el recipiente identificado como “cal”, añadir 2 g de cal (la cual representa una
solución saturada de este material) y tapar bien.
6. Con una probeta, agregar 100 mL de agua destilada a cada uno de los 9 recipientes.
7. Tapar los recipientes y agitar cada una de las mezclas por 30 segundos. Continuar
agitando las muestras durante 30 s cada 10 minutos hasta completar 40 minutos,
asegurándonos de tener temperatura de 25°C.
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8. Dentro de los minutos posteriores al final del período de agitación de 40 minutos,
determinar el pH de cada muestra y registrarlo en observaciones.
9. Disponer los residuos en el contenedor de “Cemento”.
7.4.6 Actividad asíncrona (experimento en casa).
1. Identificar una primera botella como agua de la llave, otra segunda botella como
agua destilada (o purificada según sea el caso) y la tercera botella como agua con
sal.
2. Rellenar la primera botella con agua de la llave y la segunda y tercera botella con
agua destilada o purificada, cada una. Es importante que las botellas sean del
mismo tamaño y tengan el mismo nivel de agua.
3. Agregar una cucharada grande de sal de mesa a la tercera botella y agitar hasta
disolver completamente.
4. Agregar media cucharada de jabón lavatrastes en cada botella.
5. Cerrar muy bien cada botella y agitarlas vigorosamente por 10 segundos.
6. Observar y comparar la formación de espuma en cada botella y anotar las
observaciones
7. No olvides tomar una fotografía como evidencia de que realizaste el experimento
(deberá de aparecer el alumno y el material utilizado).
8. Disponer los residuos en la tarja de tu casa.
7.5 Cálculos numéricos.
En tu reporte, recuerda que es importante no modificar el orden y anotar las instrucciones
de cada una de las preguntas, antes de responder a lo cuestionado
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1. Investiga las dos reacciones involucradas en el método de Mohr por medio de sus
ecuaciones químicas completas, incluyendo sus estados de agregación (2
puntos).
2. Con ayuda de las ecuaciones químicas del punto 1, determina la concentración de
cloruros en la muestra de agua potable tomada (Actividad 2) expresándola en
unidades de mg/L (ppm) y realizar una comparación con lo establecido en la norma
para agua potable NOM-127-SSA1-1994 (7 puntos).
𝑝𝑝𝑚 𝑑𝑒 𝐶𝑙 =
𝑚𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑙
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑙𝑒𝑚𝑎
3. En base a los valores de pH obtenidos en la Actividad 5 responde: ¿Se logró la
estabilización de la muestra de suelo con cal?, en caso de ser positiva la respuesta
¿Cuál consideras que es el porcentaje óptimo de cal para estabilizar el suelo
ensayado?, en caso de ser negativa, explica por qué no se logró la estabilización.
No olvides justificar tus respuestas (3 puntos).
4. Menciona los tipos de suelos que existen según su textura, los materiales más
comunes que se emplean en la estabilización de suelos y las características con
las que debe de contar el suelo para emplear la cal como materia prima en este
proceso (5 puntos).
5. ¿Cuál es la diferencia entre cal viva y cal apagada?, ¿Qué tipo de cal es más
efectiva para usarla en la estabilización de suelos? y ¿Qué características debe de
cumplir la cal que será utilizada en la estabilización de suelos? (3 puntos).
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6. Describe las 3 reacciones químicas que ocurren en la estabilización de suelos
arcillosos con cal (3 puntos).
7. Describir los efectos del fenómeno de la carbonatación en el concreto reforzado (2
puntos).
8. Actividad asíncrona (Experimento en casa): Colocar una fotografía donde se
aprecie el alumno realizando el experimento como en el ejemplo mostrado y
agregar un comentario personal de la actividad realizada en donde se explique la
diferencia en la formación de espuma en cada botella relacionándolo con la dureza
del agua (10 puntos).
Figura 7.1 Ejemplo de fotografía solicitada.
7.5 Temas por desarrollar para la aplicación.
En tu reporte, deben de abordarse cada uno de los temas mencionados abajo,
referenciando entre corchetes y dentro del párrafo el número o números relacionados,
de acuerdo con lo indicado en la sesión introductoria. Nota: Para esta práctica, la
aplicación debe de ser de 1 1/2 cuartillas, máximo de 2 cuartillas.
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1. Investiga sobre la relación que existe entre la preparación del concreto y la calidad
del agua, enfocándose particularmente en la dureza de ésta.
2. Realiza una tabla con al menos ocho parámetros y/o compuestos donde incluyas los
valores máximos permitidos de acuerdo con la norma de agua para consumo
humano, comenta al respecto.
3. Realiza una tabla con al menos cinco parámetros y/o compuestos donde incluya los
valores máximos permitidos de acuerdo con la norma de agua para su utilización en
la construcción, comenta al respecto.
4. Explica las principales afectaciones a la salud, debido a las altas concentraciones de
sulfatos en el consumo de agua potable.
7.6
Puntos clave para redactar la conclusión.
En tu reporte, deben de abordarse cada uno de los temas mencionados abajo,
referenciando entre corchetes y dentro del párrafo el número o números relacionados,
de acuerdo con lo indicado en la sesión introductoria.
1. Importancia de evaluar la calidad del agua antes de su uso tanto en proyectos de
construcción como para el consumo humano, y qué factores deben considerarse para
asegurar que cumpla con los estándares de calidad.
2. Efectos negativos que pueden surgir si el agua utilizada en la construcción o el
consumo humano no cumple con los parámetros establecidos por las normativas de
calidad.
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3. Efecto del medio básico al concreto, especialmente en términos de protección de las
armaduras e indica las consecuencias de la pérdida de pH en el concreto debido a la
carbonatación u otros factores.
4. Indica la relación que existe entre la evaluación del pH en suelos arcillosos y su
estabilización, y su mejora en la resistencia y durabilidad de estos suelos cuando se
estabilizan.
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SECCIONES/CONTENIDO
Sección
Ponderación(puntos)
Carátula
0*
Instructivo
0*
Título
0*
Objetivos
0*
Introducción
10
Materiales, equipos y reactivos
5
Metodología
5
Registros de Laboratorio
5
Cálculos numéricos
35
Aplicación
15
Conclusión
20
Referencias bibliográficas
5
Puntos obtenidos
PUNTOS OBTENIDOS POR CONTENIDO
FORMATO/PRESENTACIÓN (Art. 38)
Penalización
Ortografía
1%
2%
3%
4%
5%
Limpieza
1%
2%
3%
4%
5%
Márgenes, interlineado y justificado
1%
2%
3%
4%
5%
Numeración
1%
2%
3%
4%
5%
Mal orden de secciones (Art. 21)
20 puntos
PUNTOS PENALIZADOS POR FORMATO
CALIFICACIÓN REPORTE ESCRITO
*Si no se incluyen estas secciones se penaliza con -5 puntos.