Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniera

Escuela de Ingeniera Civil en Obras Civiles

DETERMINACIN DE LA INFLUENCIA DE LAS NANOMOLCULAS DE SLICE EN EL CONCRETO FRENTE

A UN FACTOR QUE AFECTA SU DURABILIDAD

Tesis para optar al ttulo de:

Ingeniero Civil en Obras Civiles Profesor Patrocinante: Sr. Ernesto Zumelzu Delgado. Ingeniero Civil Metalrgico Doctor Materiales, Energa y Medioambiente Profesor Copatrocinante: Sr. Carlos Cabezas Cuevas. M.Sc. en Qumica

REBECA PAZ AGUILAR MUNDACA VALDIVIA - CHILE

2007

AgradecimientosAgradecimientosAgradecimientosAgradecimientos

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mis amados padres Marcia y Martn, por su incondicional apoyo, proteccin y motivacin al mis amados padres Marcia y Martn, por su incondicional apoyo, proteccin y motivacin al mis amados padres Marcia y Martn, por su incondicional apoyo, proteccin y motivacin al mis amados padres Marcia y Martn, por su incondicional apoyo, proteccin y motivacin al

llllogro de mis metas. A mis hermanas,ogro de mis metas. A mis hermanas,ogro de mis metas. A mis hermanas,ogro de mis metas. A mis hermanas, por siempre estar conmigo y su preocupacin constante. por siempre estar conmigo y su preocupacin constante. por siempre estar conmigo y su preocupacin constante. por siempre estar conmigo y su preocupacin constante.

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Agradezco a Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, Agradezco a Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, Agradezco a Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, Agradezco a Don Carlos Cabezas y a Don Ernesto Zumelzu, por su gua, consejos por su gua, consejos por su gua, consejos por su gua, consejos y y y y

disposicin a lo largo de este trabajo.disposicin a lo largo de este trabajo.disposicin a lo largo de este trabajo.disposicin a lo largo de este trabajo.

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DedicatoriaDedicatoriaDedicatoriaDedicatoria

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INDICE GENERAL Temario Pgina.

CAPITULO I: ASPECTOS INTRODUCTORIOS

1.1 Planteamiento del Problema 1 1.2 Antecedentes bibliogrficos 1 1.3 Objetivos 2 1.3.1 Objetivos generales 2 1.3.2 Objetivos especficos 2 1.4 Metodologa y estructura de trabajo 2 1.5 Alcances y limitaciones 3

CAPITULO II: ASPECTOS TERICOS

2.1 Aspectos tericos referentes al concreto 5 2.1.1 Generalidades del concreto 5 2.1.2 Materiales constituyentes del concreto 6

2.1.2.1 Cemento 6 2.1.2.2 Agua de amasado 12 2.1.2.3 Hidratacin del cemento 13 2.1.2.4 ridos 15 2.1.2.5 Aditivos 17

2.2 Nanociencia y Nanotecnologa 19 2.2.1 Nanomateriales 20 2.2.2 La llegada de la nanotecnologa al concreto 23

2.2.2.1 Concreto a escala nanomtrica 23 2.2.2.2 Concreto con nanoslice 25 2.2.2.2.1 Estudios relacionados al concreto con nanopartculas de slice 25 2.2.2.2.2 Nanoslice como aditivo 27

2.3 Durabilidad del concreto 33 2.3.1 Factores que afectan la durabilidad del concreto 34

2.3.1.1 Congelamiento y deshielo 34 2.3.1.2 Abrasin 37 2.3.1.3 Reacciones qumicas en los agregados 39 2.3.1.4 Ambiente qumicamente agresivo 43

Temario Pgina.

2.4 Ataque qumico por sulfatos provenientes de fuentes externas al hormign 52 2.4.1 Qu componentes internos del concreto sean quizs inestables a la

presencia de sulfatos? 52 2.4.2 Mecanismo de reaccin 53

2.4.2.1 Caracterizacin del ataque por sulfatos 56

2.4.3 Factores que afectan la resistencia a sulfatos en el concreto 57

CAPITULO III: EXPERIENCIAS DE LABORATORIO

3.1 Descripcin general de las experiencias a realizar 61 3.2 Discos de mortero a utilizar en el ensayo 62 3.2.1 Preparacin de los discos de mortero 64

3.3 Ensayo de Inmersin Concreto en Solucin de Sulfato 65

3.3.1 Anlisis de diferencia de Peso 67 3.3.1.1 Resultados Obtenidos 69

3.3.1.2 Anlisis descriptivo y discusin de resultados 73 3.3.1.3 Comparacin de resultados con propiedades mecnicas y de trabajabilidad 78

3.3.2 Anlisis pH solucin sulfato de sodio 79

3.3.2.1 Resultados Obtenidos 81 3.3.2.2 Anlisis descriptivo y discusin de resultados 82

3.3.3 Anlisis microscopia electrnica 83 3.3.2.1 Anlisis y caracterizacin de muestras a travs de microscopia

electrnica 88

CAPITULO IV: CONCLUSIONES 107

BIBLIOGRAFIA 110

ANEXOS 113

INDICE TABLAS Tabla Pgina.

Captulo II: Aspectos tericos

Tabla 2.1: Compuestos mineralgicos principales del clinquer 7 Tabla 2.2: Secuencia de reacciones en un horno rotatorio. 8 Tabla 2.3: Proporcin de xidos en cementos Prtland 9

Tabla 2.4: Composicin media de los minerales principales en cementos

Prtland corrientes 9

Tabla 2.5: Propiedades de los minerales principales presentes en el cemento Prtland 10

Tabla 2.6: Caractersticas de los tipos de cementos Prtland (ASTM) segn su composicin de minerales principales 11

Tabla 2.7: Porcentaje de hidratacin en condiciones normales 13

Tabla 2.8: Efectos de GAIA Nanoslice en mezclas de hormign 27

Tabla 2.9: Propiedades Fsicas y Qumicas de Gaia Nanoslice 28 Tabla 2.10: Caractersticas generales de la nanoslice, microslice y slice

Precipitada 30 Tabla 2.11: Componentes silceos reactivos que pueden estar presentes en los agregados 40

Tabla 2.12: Efecto de los agentes qumicos de uso habitual en el hormign 44

Tabla 2.13: Factores que afectan el ataque del hormign por parte de los agentes

qumicos 45

Tabla 2.14: Compuestos mineralgicos del cemento Prtland 53 Tabla2.15: Requisitos para concreto expuestos a soluciones con sulfatos 60

Captulo III: Experiencias de laboratorio

Tabla 3.1: Dosificacin corregida mortero tipo A/C 0.55 63 Tabla 3.2: Dosificacin corregida mortero tipo A/C 0.65 63 Tabla 3.3: Optimas adiciones para propiedades de resistencias mecnicas,

trabajabilidad y durabilidad en relacin a la disminucin de deterioro por accin de sulfatos 79

Tabla Pgina.

Tabla 3.4: Caractersticas muestras analizadas a travs del microscopio Electrnico 88

Tabla 3.5: Resumen elementos qumicos constituyentes de los cristales presentes en las muestras de concreto, en relacin al porcentaje en peso que estos tienen en cada zona analizada 104

Anexos

Tabla A.1: Granulometra de la Arena seleccionada para ensayos 113 Tabla A.2: Granulometra permitida arena incluyendo tolerancias en la banda de trabajo (NCh. 165) 114 Tabla A.3: Dosificacin corregida mortero tipo A/C 0.55 116 Tabla A.4: Dosificacin corregida mortero tipo A/C 0.65 116 Tabla B.1: Dosificacin corregida morteros de cemento para ensayo de cono

Reducido (NCh. 2257/3) 124 Tabla C.1: Tamaos de partculas y Porcentajes de vacos para diversas

adiciones de nanoslice 128 Tabla C.2: Porcentajes de vacos para diversas categoras de tamao de grano 128 Tabla C.3: Resultado ensayos de morteros de cemento con diversas adiciones

de Nanoslice a flexotraccin 128 Tabla C.4: Resultado ensayos de compresin a morteros de cemento con

adiciones de Nanoslice 128 Tabla C.5: Asentamiento instantneo de cono (reducido) para morteros de cemento en diversas configuraciones 128 Tabla C.6: Medicin previa inmersin de discos en solucin sulfato de sodio.

Peso seco para T0 129 Tabla C.7: Medicin posterior inmersin de discos en solucin sulfato de sodio.

Peso seco para TI, TII y TIII, para A/C 0,65 129 Tabla C.8: Medicin posterior inmersin de discos en solucin sulfato de sodio.

Peso seco para TI, TII y TIII, para A/C 0,55 129 Tabla C.9: Disminucin de peso seco en relacin al % de adicin de nanoslice

entre T0 y TI 129 Tabla C.10: Disminucin de peso seco en relacin al % de adicin de nanoslice

entre T0 y TII 130

Tabla Pgina.

Tabla C.11: Disminucin de peso seco en relacin al % de adicin de nanoslice entre T0 y TIII 130

Tabla C.12: Comparacin de resultados para A/C 0,65 130 Tabla C.13: Comparacin de resultados para A/C 0,55 130 Tabla C.14: Disminucin de peso seco en el tiempo para 0% de adicin 130 Tabla C.15: Disminucin de peso seco en el tiempo para 0.5% de adicin 131 Tabla C.16: Disminucin de peso seco en el tiempo para 1.0% de adicin 131 Tabla C.17: Disminucin de peso seco en el tiempo para 1.5% de adicin 131

INDICE FIGURAS Figura Pgina.

Captulo II: Aspectos tericos

Figura 2.1: Clasificacin de nanomateriales 20 Figura 2.2: Incremento en reas superficiales en materiales por la utilizacin

nanopartculas 21 Figura 2.3: Dispersiones coloidales de nanopartculas metlicas 22 Figura 2.4: Imagen del polvo de cemento dispersado en epoxi 23 Figura 2.5: Diferentes imgenes de las mismas partculas de cemento 24 Figura 2.6: Reacciones del modelo de cemento 24 Figura 2.7: Imagen TEM donde se sealan a las nanopartculas (np) 29 Figura 2.8: Detalle general imagen TEM de la Nanoslice 29 Figura 2.9: Comparacin de la cantidad de material necesario para obtener

un hormign H-70 31 Figura 2.10: Fotografa SEM de cristales de etringita 55 Figura 2.11: Efecto de cementos Prtland y contenido de cemento en la velocidad de deterioro de concreto expuesto a suelos que contienen sulfatos 58 Figura 2.12: Efecto de cementos Prtland y combinados y contenido de cemento, en la exposicin de concreto expuesto a una solucin de sulfatos 58 Figura 2.13: Efecto de la relacin agua-cemento sobre la velocidad de deterioro del concreto expuesto a sales que contienen sulfatos 59

Captulo III: Experiencias de laboratorio

Figura 3.1: Esquema ordenamiento recipientes y discos en su interior 66 Figura 3.2: Discos introducidos en sus respectivos recipientes plsticos 66 Figura 3.3: Discos introducidos en sus respectivos recipientes plsticos 66 Figura 3.4: Manchas blancas en la superficie de muestra 67 Figura 3.5: Secado discos de mortero 68 Figura 3.6: Secado discos de mortero 68 Figura 3.7: Grfico disminucin peso seco (%) entro T0 y TI en relacin al % de nanoslice de la muestra 69 Figura 3.8: Grfico disminucin peso seco (%) entro T0 y TI en relacin al % de nanoslice de la muestra 70

Figura Pgina.

Figura 3.9: Grfico disminucin peso seco (%) entro T0 y TIII en relacin al % de nanoslice de la muestra 70 Figura 3.10: Grfico comparacin de resultados para A/C 0,65 en relacin a la disminucin de peso seco entre TI, TII y TIII y T0 70 Figura 3.11: Grfico comparacin de resultados para A/C 0.55 en relacin a la disminucin de peso seco entre TI, TII y TIII y T0 71 Figura 3.12: Grfico disminucin de peso seco en el tiempo para muestras sin adicin de nanoslice 71 Figura 3.13: Grfico disminucin de peso seco en el tiempo para muestras con 0.5% de adicin de nanoslice 72 Figura 3.14: Grfico disminucin de peso seco en el tiempo para muestras con 1.0% de adicin de nanoslice 72 Figura 3.15: Grfico disminucin de peso seco en el tiempo para muestras con 1.5% de adicin de nanoslice 72 Figura 3.16: Grfico pH soluciones utilizadas en el ensayo de inmersin en

relacin al da en que fueron sacados los discos de mortero 81 Figura 3.17: Microscopio SEM, detector de electrones secundarios y rayos X 84 Figura 3.18: Diferentes volumen de interaccin microscopio SEM 85 Figura 3.19: Ejemplo de microanlisis por dispersin de rayos X 85 Figura 3.20: Tcnica de recubrimiento con oro 86 Figura 3.21: Mquina utilizada en recubrimiento de muestras con oro 87 Figura 3.22: Mquina utilizada en recubrimiento de muestras con oro 87 Figura3.23: Tcnica de recubrimiento con carbono 87 Figura 3.24: Resultado preparacin muestra con oro 87 Figura 3.25: Resultado preparacin muestra con carbn 87 Figura 3.26: Imagen muestra control buena con un aumento de 1000X 90 Figura 3.27: Imagen muestra control buena con un aumento de 5000X 90 Figura 3.28: Imagen muestra control buena con un aumento de 12000X 90 Figura 3.29: Imagen muestra buena con un aumento de 1000X 91 Figura 3.30: Imagen muestra buena con un aumento de 5000X 91 Figura 3.31: Imagen muestra buena con un aumento de 12000X 91 Figura 3.32: Imagen muestra control mala con un aumento de 1000X 92 Figura 3.33: Imagen muestra control mala con un aumento de 5000X 92 Figura 3.34: Imagen muestra control mala con un aumento de 12000X 92 Figura 3.35: Imagen muestra mala con un aumento de 1000X 93

Figura Pgina.

Figura 3.36: Imagen muestra mala con un aumento de 5000X 93 Figura 3.37: Imagen muestra mala con un aumento de 12000X 93 Figura 3.38: Microanlisis muestra control buena EDAX 1 94 Figura 3.39: Linescan realizado a muestra control buena EDAX 2 94 Figura 3.40: Grficos elementos qumicos encontrados en EDAX 2 95 Figura 3.41: Distribucin mapping muestra control buena 95 Figura 3.42: Microanlisis muestra control mala EDAX 3 96 Figura 3.43: Linescan realizado a muestra control mala EDAX 4 96 Figura 3.44: Grficos elementos qumicos encontrados en EDAX 4 97 Figura 3.45: Distribucin mapping muestra control mala 97 Figura 3.46: Microanlisis muestra buena EDAX 5 98 Figura 3.47: Linescan realizado a muestra buena EDAX 6 98 Figura 3.48: Grficos elementos qumicos encontrados en EDAX 6 99 Figura 3.49: Distribucin mapping muestra buena 99 Figura 3.50: Microanlisis muestra mala EDAX 7 100 Figura 3.51: Linescan realizado a muestra mala EDAX 8 100 Figura 3.52: Grficos elementos qumicos encontrados en EDAX 8 101 Figura 3.53: Distribucin mapping muestra mala 101

Anexos

Figura B.1: Adicin de nanoslice v/s tamao promedio de partculas 117 Figura B.2: Adicin de nanoslice v/s Porcentaje de vaco en muestra 117 Figura B.3: Grfica tamao partculas v/s porcentaje vacos en muestra 118 Figura B.4: Resultados grficos Resistencia a Flexotraccin 120 Figura B.5: Grfico de Resultados ensayo de compresin 122 Figura B.6: Grfico de resultados de trabajabilidad 125 Figura D.1: Imagen muestra mala con un aumento de 210X 132 Figura D.2: Imagen muestra mala con un aumento de 639X 132 Figura D.3: Imagen muestra mala con un aumento de 17000X 132

INDICE ANEXOS Anexo Pgina.

ANEXO A: Ensayos normalizados de caracterizacin de ridos para

fabricacin de morteros y dosificacin de probetas 113

ANEXO B: Caracterizacin y propiedades de morteros que tienen incluidas nanomolculas de slice 117

ANEXO C: Tablas 128

ANEXO D: Microscopia electrnica de barrido (SEM) 132

RESUMEN

En los ltimos aos se han intensificado las investigaciones relacionadas con el mejoramiento de los materiales utilizados en obras de ingeniera, con el objetivo de mejorar sus propiedades y economizar su costo de fabricacin y los que su utilizacin implique. Una de las ultimas tecnologas desarrolladas con muchas aplicaciones en este campo es la nanotecnologa, que como su nombre lo indica, se desarrolla a escalas nanomtricas, en que un nanmetro es la millonsima parte de un milmetro.

Es en el marco de esta tecnologa que se desarrolla el presente trabajo, que tiene como objeto principal la determinacin de la influencia de las nanopartculas de slice en el concreto frente a la accin de agentes que son agresivos para ste que afectan su durabilidad considerando los efectos superficiales y estructurales, fsicos y qumicos, de esta accin en el concreto.

Para determinar la influencia de estas nanomolculas, se realiza un trabajo experimental que consiste en un ensayo de inmersin de pequeos discos de concreto con rido fino o mortero, con distintas adiciones de nanoslice en porcentaje de peso de cemento, en una solucin de sulfato de sodio, del que se desprenden tres tipos de anlisis:

El primero esta relacionado con la prdida o disminucin de masa de cada una de las muestras en forma posterior a su inmersin

El segundo es un anlisis del pH de la solucin utilizada en forma previa y posterior al ensayo de inmersin

Por ltimo se expone un anlisis de microscopia electrnica, en la muestra que sufri mayor deterioro y aquella que fue menos daada, producto de la accin de los sulfatos en el ensayo de inmersin.

Adems se hace una comparacin de los resultados del primer anlisis mencionado, con los de una investigacin anterior referente al estudio de resistencias mecnicas (felxotraccin y compresin) y trabajabilidad de probetas de mortero, idnticas a las utilizadas en esta investigacin.

SUMMARY

Research projects relating to the improvement of materials utilized for engineer work has intesified in the last years. The objective is to improve their characteristics and to reduce the production and implementation costs. One of the latest technologies developed with many applications in this field is the nanotechnology. As its name indicates, it uses a nanometric scale, in which a nanometer is the millionth part of a millimeter.

Its is in the framework of this technology that the present work develops. Its has as main objective the determination of the influence of the nanoparticles of silica in the concrete in front of the action of agents that are aggressive and affect its durability, considering the structural and superficial effects, chemical and physical, of this action on the concrete.

To determine the influence of these nanomolecules in the concrete, an experimental work is done that consists of a test of immersion of small concrete disks made of fine arid or mortar, with quantities of nanoslice in cement weight percentage, in a sodium sulphate solution. From this test three types of analyses are done:

The first one is related to the loss or decrease of mass in each one of the samples after their immersion

Second is an analysis of the pH of the solution utilized before and after the trial of immersion test

Finally an analysis of electron microscopy is presented, in the sample that suffered the greatest deterioration and the sample wich was least damaged, product of the action of the sulphates in the trial of immersion test.

The results of the first analysis are compared with the previous investigation relating to the study of mechanical resistances (felxotraction and compression) and workability of test tubes of mortar, identical to the samples utilized in this investigation.

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CAPITULO I

ASPECTOS INTRODUCTORIOS

1.1 Planteamiento del Problema

En el siglo XXI la ciencia se ha visto revolucionada por investigaciones relacionadas con nanociencia y nanotecnologa, conceptos que se traducen en un gran desarrollo tecnolgico en una variada gama de actividades de gran impacto para la sociedad. Una de ellas es el estudio de materiales relacionados con la ingeniera civil.

En relacin al nanoslice en los ltimos aos se ha estudiado sus caractersticas generales (tamao de la partcula, rea especfica de superficie, apariencia, etc.), como tambin sus propiedades fsicas y qumicas (densidad, ph, viscosidad, etc.) y ha sido creada como un producto para ser usado en el concreto u hormign. En cuanto al concreto que tiene incorporado nanomolculas de slice en su estructura, en la actualidad se han realizado estudios para determinar, sus propiedades mecnicas de resistencia, rugosidad superficial, anlisis microscpico y sus propiedades reolgicas de plasticidad y autocompactacin.

Esta investigacin se centrar en un tema an no abordado en las investigaciones realizadas hasta ahora, que es la determinacin de la influencia de las nanomolculas de slice en el concreto frente a un agente o medio que afecta la durabilidad de ste, el cual se desarrollar a travs de un ensayo en laboratorio del cual se desprendern una serie de anlisis (fsicos y qumicos), con los que se estudiar el comportamiento de muestras fabricadas con este nanomaterial, sometido a ciertas condiciones desfavorables que se definirn a futuro en esta investigacin.

La importancia de este trabajo es que realizando este ensayo y los anlisis que se desprenden de l, se podr caracterizar los efectos fsicos y qumicos, superficiales y microestructurales, en el concreto producto del medio agresivo y establecer si la incorporacin de las nanomolculas de slice favorece la disminucin de stos.

1.2 Antecedentes bibliogrficos

Existe un conocimiento profundo del concreto o mortero en la mayora de sus aspectos, pero cuando este concepto se traslada al rea de los nanomateriales, este conocimiento comienza a decaer.

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Hasta el momento se han desarrollado investigaciones en cuanto a las propiedades mecnicas y reolgicas de diversos concretos con nanomolculas de slice, as como tambin de la nanoslice por s sola, pero en general el conocimiento que existe en esta rea es escaso y no hay una gran cantidad de informacin.

1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo general:

Determinar la influencia de las nanopartculas de slice en el concreto, en presencia de un agente que afecta la durabilidad de ste, realizando anlisis fsicos y qumicos, superficiales y microestructurales, por medio de experiencias en laboratorio.

1.3.2 Objetivos especficos: Estudiar cual es el efecto de las nanomolculas de slice en el concreto, como

elemento que le otorga durabilidad, en cuanto a la resistencia al deterioro. Analizar como es el mecanismo fsico-qumico de degradacin del concreto que

tiene incorporado estas nanomolculas. Estudiar como se caracteriza el dao por efecto del agente agresivo a nivel

estructural y superficial. Demostrar que un concreto compuesto por nanomolculas de slice se comporta

mejor frente a ambientes adversos que un concreto convencional. Realizar un anlisis comparativo de los resultados obtenidos en esta

investigacin con los resultados de una investigacin anterior referente al estudio de propiedades mecnicas (flexo-traccin y compresin) y trabajabilidad, examinando si los resultados de la presente investigacin son coherentes y estn relacionados a los de la investigacin previa.

1.4 Metodologa y estructura de trabajo

Con el objetivo de recopilar el material que sea necesario para la realizacin de esta investigacin, se comenzar con una fase exploratoria, en la cual se realizar un minucioso anlisis de la literatura existente, comenzando con la recopilacin de bibliografa relacionada al concreto, mortero, la nanociencia y nanotecnologa, su grado de desarrollo, los nanomateriales, profundizando en el nanoslice, material base de esta investigacin. Se estudiar informacin respecto de los factores principales que afectan

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la durabilidad del concreto, de los cuales se seleccionar uno de ellos para realizar la parte experimental de esta investigacin.

Una vez conocido el agente agresivo a utilizar en la experimentacin, se definen el tipo de ensayo, procedimientos y anlisis a realizar en el laboratorio, para lo cual es necesario realizar una planificacin de estos de acuerdo a los objetivos que se quiere alcanzar en esta investigacin, ya que por medio de estos ensayos se expondr el concreto con nanomolculas de slice a este agente y se analizarn los efectos producidos en l.

Se proceder a la preparacin de probetas que sern utilizadas en el ensayo y los anlisis acordes con la investigacin. Se realiza un ensayo de inmersin de pequeos discos de concreto con rido fino (mortero), los cuales se sumergen en una solucin de sulfato, de tipo y concertacin determinada.

En forma previa se realiza un secado especial, obteniendo el peso seco de cada una de ellas. Una vez sumergidas y transcurrido un tiempo determinado, las muestras se sacaran de la solucin por grupos en tres tiempos diferentes, se volvern a secar y pesar en estado seco, por lo que se estudiar la degradacin en cuanto a la diferencia de peso (prdida de masa).

Cuando halla finalizado este proceso se proceder a analizar la estructura de las probetas por medio de microscopa realizando un anlisis morfolgico y otro qumico por energa dispersiva de rayos X, en la muestra que resulto mas afectada y aquella que resulto menos afectada por la accin del agente agresivo, de acuerdo a los resultados del anlisis anterior. Tambin se analizar el PH de las soluciones posterior retiro de las muestras.

As, por medio del ensayo de inmersin de probetas en solucin de sulfato, se realizarn los siguientes anlisis:

Anlisis de prdida de masa Anlisis del PH de la solucin Anlisis microscopa electrnica

Luego de realizado los anlisis se deber hacer una acabada discusin y comparacin de los resultados, para poder elaborar las conclusiones de esta investigacin.

1.5 Alcances y limitaciones

La influencia de las nanopartculas de slice en el concreto frente a la accin de agentes que afectan la durabilidad de ste, es determinada para mortero de

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especificaciones descritas en el anexo A de este trabajo, con diferentes adiciones de nanoslice en porcentaje de peso de cemento: 0%, 0.5%, 1.0% y 1.5%. Por lo que los resultados obtenidos y su anlisis son vlidos para estos tipos de concreto, que se sometieron al tipo de ataque, correspondiente a un agente qumicamente agresivo, con solucin de sulfato de sodio de concertacin tambin especificada.

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CAPITULO II

ASPECTOS TEORICOS

2.1 Aspectos tericos referentes al concreto

2.1.1 Generalidades del concreto

Qu se entiende por concreto u hormign? El concreto u hormign es el resultado de la mezcla de uno o ms

conglomerantes, que pueden ser de tipo calcreo, bituminoso, etc., ridos fino o grueso (grava, gravilla y arena), agua, aire, posibles aditivos (colorantes, aceleradores, retardadores de fraguado, fluidificantes, impermeabilizantes, etc.) y adiciones. El cemento se hidrata en contacto con el agua, inicindose complejas reacciones qumicas que derivan en el fraguado y endurecimiento de la mezcla, obtenindose al final del proceso un material con consistencia ptrea.

Mortero Cuando se habla de mortero, se esta haciendo referencia a un tipo de concreto

fabricado especficamente con rido fino (arena) de tamao mximo igual o inferior a 5mm o que pasa por una abertura nominal de 5 mm. y es retenido en el 0.080 mm. con tolerancias establecidas en la Nch163, junto a los dems componentes mencionados anteriormente. Dependiendo del tipo de conglomerante que se utilice los morteros se clasifican en:

- Mortero de cemento: se compone de una mezcla en la que el conglomerante es cemento. Su principal ventaja respecto a otros tipos de argamasa es su gran resistencia y la rapidez con la que se seca y endurece. Sin embargo, como es poco flexible, es fcil que se resquebraje. - Mortero de cal: el conglomerante en el que se amasa este producto es cal,

tiene la gran ventaja de que es fcil de aplicar, y es flexible y untuoso. No obstante, es menos resistente e impermeable que el mortero de cemento. - Mortero mixto: donde el conglomerante esta compuesto por cemento y cal, que

ana las cualidades de los dos anteriores. Si en la masa se pone ms cemento que cal ser ms resistente y si la cantidad de cal es mayor ser ms flexible.

Usos del mortero

- Como mortero de junta, para la adherencia de unidades de albailera.

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- Como mortero de estuco, para recubrimiento de superficies de albailera u hormign. - Como mortero de pega para unir piezas de revestimiento prefabricadas

(baldosas, pastelones, elementos cermicos, etc.). - Como mortero de relleno en unidades de albailera armada o placas de

fundacin de estructuras metlicas o equipos. - Como mortero proyectado para el recubrimiento y sustentacin de superficies

de suelo, roca, hormign u otros materiales. - Como mortero de inyeccin de fisuras y grietas en elementos de hormign,

roca u otros.

- Como material de reparacin, especialmente en obras de hormign. - Como recubrimiento interior de tubos metlicos. - Como morteros de tratamiento de juntas de hormigonado.

2.1.2 Materiales constituyentes del concreto

2.1.2.1 Cemento

El cemento se presenta en forma de polvo finsimo, de color gris, que mezclado con agua forma una pasta que endurece tanto bajo el agua como el aire. Por endurecer bajo el agua y por necesitar agua para su fraguado se le define como un aglomerante hidrulico.

Proceso de fabricacin del cemento El componente principal del cemento es el clinquer, el cual esta compuesto por

materias primas: calizos y arcillosos. Como materiales calizos: contienen principalmente carbonato clcico, pueden usarse calizas, margas, conchas marinas, etc. Como materiales arcillosos: contienen principalmente xidos de silicio o slice de aluminio o almina, y de hierro, con una cierta cantidad de agua libre y de agua de cristalizacin, arcillas, pizarras, esquistos, escoria de alto horno, etc.

Algunos de estos materiales, por ejemplo las margas y la escoria, son a su vez calcreos y arcillosos. Adems hay impurezas, tales como carbonato de magnesio que lleva a veces la caliza y otros elementos Na, K, P, etc., estos en pequeas cantidades.

La parte esencial de la fabricacin del cemento es la calcinacin, que consiste proceso de fusin incipiente en un horno rotatorio de las materias antes mencionadas, previa reduccin y dosificacin de estas. Lo primero, consiste en la reduccin de estos a granos muy finos, con el fin de aumentar su superficie especfica, de manera que puedan tener lugar en el horno las reacciones buscadas. Este proceso de reduccin

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de tamao de las materias primas se puede hacer bsicamente por dos procedimientos diferentes, que son el de va seca y el de va hmeda.

- Proceso de va seca: la reduccin de tamao se hace por una serie de chancadoras y Molinos en los que - se trituran y desmenuzan los materiales en seco. Si inicialmente las materias

primas no estn lo bastante secas, deben someterse a un pre-secamiento. - Proceso de va hmeda: se deslan los materiales en agua formando una

suspensin que se espesa y eventualmente se le disminuye el contenido de agua por filtros al vaco antes de entrar en el horno. Esta va necesita menos gastos de energa mecnica en la reduccin de tamao, pero mayores gastos trmicos, ya que es necesario evaporar en el horno una cantidad de agua mayor.

El emplear una va u otra depende del tipo de materias primas. El segundo proceso previo consiste en la dosificacin necesaria para que las

materias primas calcreas y arcillosas estn en la proporcin necesaria para obtener el clinquer de la composicin requerida.

Mediante el tratamiento trmico, la mezcla cruda finamente molida de los materiales naturales no hidrulicos, calcita, cuarzo, arcillas y feldespatos, es transformada en una mezcla ntima de cuatro minerales principales hidrulicamente activos que se aprecian en la siguiente tabla.

Tabla 2.1: Compuestos mineralgicos principales del clinquer

Denominacin

Mineral

Formula Qumica

Abreviaturas

Silicato Triclcico

Alita 3 Ca O . SiO2

C3S

Silicato Diclcico Belita 2 Ca O . SiO2

C2S

Aluminato Triclcico

Alumina 3 Ca O . Al2O3 C3A

Ferro-Aluminato Tetraclcico

Ferrita 4 Ca O . Al2O3 . Fe2O3

C4AF

Fuente: Glvez, et al. (2007)

El tratamiento trmico de calentamiento y enfriamiento responsable para esta transformacin se denomina clinquerizacin. En el proceso de formacin de clinquer ocurre una serie de complejas reacciones en un rango amplio de temperaturas y durante el mismo coexisten frecuentemente mezclas complejas de productos reactantes

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intermedios y finales. An despus de alcanzada la temperatura mxima de aproximadamente 1.450C, debe transcurrir un cierto tiempo antes que se produzca clinquer de una calidad aceptable.

Tabla 2.2: Secuencia de reacciones en un horno rotatorio.

Rango de Temperatura (C)

Tipo de reaccin

Calentamiento : 20 100 Evaporacin de H2O libre 100-300 Perdida del agua fsicamente absorbida 400-900 Remocin de H2O estructural (grupos H2O y OH) de los

minerales de arcilla >500 Cambio de estructura en los minerales de slice

600-900 Disociacin de los carbonatos >800 Formacin de belita, productos intermedios

>1.250 Formacin de alita >1.260 Formacin de fase liquida (caldo de aluminato y ferrita)

Aprox. 1.450 Se completa la reaccin y recristalizacin de alita y belita

Enfriamiento: 1.300-1.240 Cristalizacin de fase liquida

Fuente: Glvez, et al. (2007)

Es importante el balance trmico del horno para obtener el mejor aprovechamiento del calor. Para ello, el aire para la combustin se pasa por el clinquer caliente con lo que se consigue la doble finalidad de aprovechar el calor y enfriar el clinquer. En la parte inicial del horno se ponen dispositivos para favorecer la transmisin trmica de los gases a la mezcla cruda. Adems, los gases de escape se aprovechan incluso para calentar las materias primas antes de entrar en el horno. El clinquer sale formando bolitas de 3 a 29 mm. de dimetro y es necesario pulverizarlo.

Cemento Prtland. Una vez ya formado el clinquer este se pulveriza mediante molinos de bola hasta

convertirlo en polvo finsimo, adicionndole en esta etapa yeso CaSO4 (yeso o anhidrita) de alrededor de un 5% de su peso. As el producto obtenido se denomina Cemento Prtland, que es el tipo de cemento ms utilizado como ligante para la preparacin de concreto. Es importante destacar que sino se le adicionara yeso al clinquer, el cemento, tendra un fraguado muy rpido, de esta manera el yeso se utiliza como regulador del fraguado. Los cementos Prtland son de composicin variable, pero comprendida entre ciertos lmites. El anlisis qumico de un cemento se expresa por sus

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xidos. Sus proporciones en los cementos Prtland corrientes suelen ser las que se indican en la Tabla2.3.

Tabla 2.3: Proporcin de xidos en cementos Prtland.

Fuente: Glvez, et al. (2007)

En la tabla anterior se encuentran los componentes principales de que hemos hablado: cal, slice, almina, xido de hierro. Estos componentes constituyen, en la composicin media, el 94% del total. La magnesia (xido de magnesia) no es un componente favorable, pero proviene de impurezas de algunas calizas. El SO3 es del yeso que se aadi al clinquer. Adems de los xidos citados, hay otros como Mn2O3, Na2O, K2O, TiO2, etc., en proporciones menores. El significado de la prdida por calcinacin y del residuo insoluble se explicar ms adelante.

Como ya se ha visto, estos xidos que da el anlisis qumico no se hallan libres, sino combinados en virtud de las reacciones producidas en el horno. Los cuatro xidos principales forman los compuestos C3S, C2S, C3A, C4AF. De la composicin expresada por los xidos y teniendo en cuenta sus pesos moleculares, se puede deducir la composicin potencial de los cuatro minerales que constituyen principalmente el cemento Prtland. Desde luego, estas proporciones son diferentes en cada cemento particular.

Tabla 2.4: Composicin media de los minerales principales en cementos Prtland corrientesMineral %

C3S 48 C2S 28 C3A 12

C4AF 8 Fuente: Glvez, et al. (2007)

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Estos cuatro compuestos son identificables al microscopio como cuatro fases diferentes. Tienen distintas propiedades y de su proporcin dependen por tanto las caractersticas principales de un cemento Prtland. Los cuatro compuestos podran considerarse aisladamente como cuatro cementos diferentes, pues todos ellos tienen la virtud de fraguar y endurecerse; pero esto lo hacen a distintas velocidad y alcanzando diferentes valores de resistencia.

Propiedades de los minerales presentes en el cemento Prtland Como el fraguado y endurecimiento se producen por reacciones con el agua, que

son exotrmicas, su distinta velocidad est relacionada directamente con el calor de hidratacin liberado.

El aluminato triclcico tiene mucho calor de fraguado, es de reaccin rpida. De l depende la resistencia del hormign a un da. Es atacable por los sulfatos y de su mayor proporcin depende que el cemento sea ms vulnerable a ese ataque qumico, por ejemplo, por el agua de mar. El silicato triclcico le sigue en rapidez. De l principalmente depende la resistencia de 3 a 28 das. Calor de hidratacin alto, pero no tanto como el C3A.

El silicato diclcico es ms lento que los anteriores y tiene menos calor de hidratacin. El C4AF tiene dbiles propiedades aglomerantes.

Tabla 2.5: Propiedades de los minerales principales presentes en el cemento Prtland

Minerales Principales

C3S

C2S

C3A

C4AF

Velocidad de reaccin

Media Lenta Rpida Lenta

Calor liberado

Medio Poco Mucho Poco

Valor conglomerante

inicial Bueno Pobre Bueno Pobre

Final Bueno Bueno Pobre Pobre

Reaccin con sulfatos

No No Si No

Fuente: Glvez, et al. (2007)

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Propiedades de un cemento Prtland conocida su composicin mineralgica Segn su composicin mineralgica se clasifican los cementos Prtland

norteamericanos en cinco tipos con las caractersticas y composicin media que se indican a continuacin, en porcentaje.

Tabla 2.6: Caractersticas de los tipos de cementos Prtland (ASTM) segn su composicin de minerales principales

I Corriente

II Moderado

Calor

III Alta Resist.

Inicial

IV Bajo calor

V Resist. A los

sulfatos

C3S 48 43 57 20 39 C2S 28 30 20 52 33 C3A 12 7.5 11 6 4.5

C4AF 8 12 7 14 16 Fuente: Glvez, et al. (2007)

Obsrvese, por ejemplo, que el cemento resistente a los sulfatos es el que tiene menos C3A. El de bajo calor, es el que tiene menos C3S y poco C3A; y el de resistencia inicial, el que tiene ms C3S y una cantidad no reducida de C3A. Otro factor que influye extraordinariamente en la velocidad de endurecimiento y en el calor de hidratacin es la finura del cemento. En cuanto a la velocidad del fraguado, est siempre regulada por el yeso, debindose aadir ms en los cementos ms finos. El Fe2O3 es responsable del tono gris del cemento. Por eso cuando se quiere fabricar cemento blanco hay que buscar materias primas que tengan muy poco Fe2O3 y en lo posible tambin poco MgO. La magnesia (MgO), el SO3 y la cal libre pueden producir expansiones diferidas que, al ocurrir en el hormign ya endurecido, ocasionan su agrietamiento. Por tal razn se limita en las normas su contenido mximo y adems se hace con el cemento un ensayo acelerado de expansin

El xido de magnesio da el tono verdoso de algunos cementos. Por cal libre se entiende CaO que no ha reaccionado en la clinquerizacin. Esa cal se encuentra confinada dentro de una estructura mineral compacta lo que hace que no reaccione inmediatamente con el agua al mezclar el hormign. Su hidratacin se produce muy posteriormente, con el consiguiente aumento de volumen y el peligro de agrietamiento a que nos hemos referido. Los xidos alcalinos Na2O y K2O se encuentran en proporcin

total de 0,4% a 1,3%; con todo, pueden tener gran trascendencia en el comportamiento del cemento, ya que reaccionan con ciertos ridos produciendo expansiones y grietas en el hormign. Por eso se recomienda que su proporcin total, expresada como Na2O, sea menor que 0,6%. La reaccin lcali-rido ms conocida es la lcali-slice, entre los

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lcalis del hormign lcalis (sodio y potasio) y ciertas rocas silceas o minerales presentes en algunos ridos.

Prdida por calcinacin y residuo insoluble La prdida por calcinacin o prdida al fuego es la disminucin relativa de peso

del cemento al calentarlo a 1000C. En ese calentamiento se desprende principalmente agua y CO2. El agua proviene de varios orgenes: En primer lugar en las fbricas a veces se roca el clinquer con agua para enfriarlo, lo que le produce una muy pequea hidratacin superficial. En segundo lugar, la humedad del aire absorbida por el mismo clinquer. En tercer lugar, el agua que lleva el yeso, ya que ste no pasa por el horno en la fbrica de cemento, y lleva agua de cristalizacin, y posiblemente humedad.

El CO2 proviene de absorcin del aire. La prdida por calcinacin puede servir adems como ndice del estado de un cemento del cual se dude por haber tenido un almacenamiento inadecuado.

El residuo insoluble se refiere a la parte que no se disuelve en cido clorhdrico. Los componentes de la porcin arcillosa del crudo son insolubles en HCI, pero pasan a ser solubles despus de haber reaccionado en el horno. Por lo tanto, el residuo insoluble es un ndice para saber si la clinquerizacin ha sido completa o no.

2.1.2.2 Agua de amasado

El agua desempea dos roles en su calidad de componente del concreto, el primero es que participa en el proceso de hidratacin del cemento, la cual no puede tener lugar sin su presencia y luego otorga la trabajabilidad necesaria del concreto siendo determinante para definir su fluidez. En consecuencia, es un componente fundamental del concreto, ya que su presencia condiciona tanto el desarrollo de las propiedades en estado fresco, como en la etapa de endurecimiento (porosidad, retraccin y resistencia)

Condiciones de calidad

Para su incorporacin en el concreto, el agua debe presentar ciertas caractersticas de calidad, las cuales aparecen definidas en la NCh. 1498 y pueden resumirse en la forma siguiente:

- El uso de agua potable esta permitido sin necesidad de verificar su calidad. - El agua de mar solo puede usarse en la preparacin de hormigones de

resistencia especificada inferior a 150 kg/cm2.

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- El agua contenida de azucares, en forma de sacarosa o glucosa, no puede ser empleada para la preparacin de hormigones.

Las aguas de origen desconocido deben ser sometidas a anlisis qumico, debiendo atenerse su composicin a los lmites sealados en la norma respectiva. Generalmente se investiga lo siguiente:

a) Origen: No son recomendables las aguas procedentes de desages, relaves de minas, de alta montaa, de mar, residuales de industrias de azcar o similares, de aceite, de cidos, lcalis o cualquier agua que tenga olor o sabor desagradables. b) Contenidos en suspensin: No son recomendables las aguas que arrastran abundante material en suspensin, como pueden ser las aguas de canales o de pozo. Si no contienen exceso de sales disueltas, podrn emplearse si se adopta algn sistema de decantacin que permita obtener agua sin turbidez. c) Contenidos disueltos: No son recomendables las aguas con gusto salobre o azucarado. Cuando se desconozca o se tenga dudas sobre aguas que tengan contenidos peligrosos de sales disueltas, deber recurrirse a anlisis en laboratorios especializados.

En resumen, el agua debe estar libre de sales, impurezas, slidos en suspensin y materias orgnicas.

2.1.2.3 Hidratacin del cemento

El fraguado y el endurecimiento del cemento se basan en la reaccin de los compuestos anhidros del cemento con el agua. En el hormign, el agente conglomerante no es el cemento en s, sino la mezcla de cemento y agua. Las reacciones de hidratacin ya empiezan a ocurrir durante el almacenamiento de clinquer, durante la molienda del clinquer con yeso y durante el almacenamiento del cemento. Esta hidratacin incipiente puede inclusive cambiar las caractersticas fsicas del cemento. La hidratacin a gran escala y con cambios significativos en las caractersticas fsicas se lleva a cabo durante la reaccin del cemento con el agua en la mezcla del hormign.

Tabla 2.7: Porcentaje de hidratacin en condiciones normales Almacenamiento del clinquer 0-1% Molienda de cemento 0-1% Almacenamiento de cemento y transporte 0-10% Mezcla de hormign 0-100%

Fuente: Glvez (2007).

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Los compuestos del cemento se hidratan a distinta velocidad, inicindose con el C3A y continuando posteriormente con C4AF, C3S y C2S. A partir de ese momento el proceso no es cabalmente conocido, existiendo teoras que suponen la precipitacin de los compuestos hidratados, con la formacin de cristales entreverados entre si que desarrollen fuerzas de adherencia, las que producen el endurecimiento de la pasta (Teora cristaloidal de Le Chatelier) o alternativamente por el endurecimiento superficial de un gel formado a partir de dichos compuestos hidratados (Teora coloidal de Michaelis), estimndose actualmente que el proceso presenta caractersticas mixtas.

La hidratacin del cemento Prtland es principalmente una hidrlisis de silicatos, que produce un hidrato de silicato de calcio liberando cal que se separa bajo la forma de hidrxido de calcio. Las reacciones ms importantes son las de los silicatos triclcico y diclcico.

2 (3 CaO Si O2) + 6 H2O 3 Ca O 2 Si O2 3 H2O + 3 Ca (OH)2 2 (2 CaO Si O2) + 4 H2O 3 Ca O 2 SiO2 3 H2O + Ca (OH)2

3CaO Si O2 3H2O = Tobermorita = CSHgel

No se han considerado las reacciones del C3A, C4AF y del yeso. En ellas la cantidad de agua necesaria es, en proporcin, mayor que en las reacciones citadas; pero como esos componentes se hallan en menor cantidad que los silicatos, no influye considerablemente en la demanda de agua del cemento, que va a ser como mximo 28 1C .

Esta es el agua que se combina qumicamente; desde luego el concreto necesita una relacin agua/cemento mayor que 0.28, pero ello es debido a la necesidad de darle trabajabilidad.

En el caso de los cementos puzolnicos, la cal Ca (OH)2, liberada en las reacciones anotadas, reacciona a su vez con la puzolana formando compuestos con propiedades conglomerantes. Adems, la puzolana, al consumir la cal, desequilibra las reacciones anotadas y hace que se incline ms la reaccin hacia la derecha, formndose ms tobermorita (CSH gel).

Aparte del CSH gel, el hidrxido de calcio es el componente principal del cemento hidratado. Se cree que el Ca (OH)2 no contribuye a la resistencia y siendo una base fuerte, en el sentido qumico de la palabra, protege al acero contra la corrosin electroqumica en los hormigones armados.

El hidrxido de calcio es ligeramente soluble en agua y puede ser sacado de la estructura si se mantiene el hormign en contacto permanente con H2O corriente; esto aumenta la porosidad y reduce su resistencia.

El hidrxido de calcio reacciona lentamente con el CO2 del aire para formar CaCO3. De este modo se destruye el efecto protector contra la corrosin del acero de

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refuerzo. Este fenmeno se llama "carbonatacin" y su importancia depende del contenido de cemento, relacin agua / cemento y condiciones climatolgicas. Si se incrementa la velocidad de hidratacin, sube el desarrollo de la resistencia a temprana edad, pero se perjudica la resistencia final. La hidratacin lenta y retardada permite la formacin de una estructura microcristalina (gel) de gran superficie, que da como resultado una buena resistencia. La reaccin de hidratacin es un proceso exotrmico, es decir, durante la reaccin del cemento con el agua se libera calor. La cantidad de calor liberada es bastante importante y se llama "calor de hidratacin". Debido a la baja conductibilidad del hormign, ste funciona como aislante y dentro de una gran masa de hormign la hidratacin produce un gran aumento de la temperatura, hasta 50C.

La gradiente de temperatura que se produce como consecuencia de este fenmeno puede ser causante de la formacin de grietas en el hormign.

2.1.2.4 ridos

Los ridos son materiales ptreos, compuestos de partculas duras de forma y tamao estables, que pueden ser de origen gneo, sedimentario o metamrfico o artificial como escorias y arcillas expandidas.

Es el componente inerte del concreto, que representa entre un 65% y un 80% de su volumen y tiene dos funciones principales:

- Proveer una masa de partculas aptas para resistir la accin de cargas aplicadas, la abrasin, el paso de la humedad y la accin climtica. - Resistir los cambios de volumen resultantes de los procesos de fraguado y

endurecimiento y los cambios de humedad de la pasta de cemento.

Debe darse una gran atencin a la eleccin y control ya que de sus caractersticas depende:

a) Docilidad del concreto u hormign fresco b) Resistencia del concreto u hormign endurecido c) Durabilidad de las estructuras d) La economa de las mezclas

Los requisitos generales que deben cumplir los ridos para la fabricacin de concreto u hormign estn contenidos en la norma chilena NCh 163. Of79. Aspectos que se deben tener en cuenta en el estudio de los ridos son:

- sus propiedades internas

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- cualidades de la superficie - propiedades en conjunto Adems se deben tener en cuenta condiciones que deben cumplir para una

buena integracin en el hormign como son:

- condiciones de trabajabilidad - condiciones de resistencia propia - condiciones de estabilidad fsico-qumicas.

La granulometra de los ridos tiene una gran influencia sobre las propiedades del hormign fresco y endurecido. Para obtener la misma trabajabilidad, un rido de granulometra fina necesitar, por lo general, una mayor proporcin de agua que uno de granulometra gruesa. El tamao mximo del rido grueso estar de acuerdo con la naturaleza del trabajo.

En los ridos la forma de las partculas y su textura superficial influencian ms a las propiedades del hormign fresco que a las propiedades del hormign endurecido. Las partculas de textura spera o partculas alargadas y laminadas requieren ms agua para producir un hormign trabajable, que los ridos redondos o cbicos.

En algunas reas, los ridos con ciertos constituyentes qumicos reaccionan con los lcalis del cemento. Esta reaccin de rido-lcali (Reaccin ASR), puede causar una expansin anormal y grietas en el hormign. Es necesario que sean qumicamente estables.

ridos para morteros

Los morteros estn compuestos normalmente por un solo tipo de rido fino, o arena, de tamao mximo no superior a 5 (mm.) En algunos casos especiales, la arena se utiliza separada en dos fracciones: una de granulometra gruesa y otra ms fina.

En el caso de los morteros, la aplicacin de los principios que rigen a los ridos no puede hacerse en forma discriminada y debe ser analizada con cuidado, tomando en cuenta dos consideraciones claves que distinguen a los morteros de los hormigones: - La relacin rido fino/cemento es generalmente distinta a la de los hormigones,

lo cual implica que, especialmente en lo que concierne a los constituyentes aportados por el rido fino (por ejemplo granos finos de tamao inferior a 0.080 (mm.), sales solubles), los valores normalizados para los hormigones pueden no ser aplicables. Constituyen en consecuencia, un punto de investigacin futura.

- Las caractersticas del rido influyen significativamente en las caractersticas del mortero y, en consecuencia, dependen en forma importante de la funcin que ste vaya a desempear. (Crcamo, 2006).

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2.1.2.5 Aditivos

Segn ASTM. aditivo es el material, adems del cemento, agua y ridos, que se aade al hormign o mortero inmediatamente antes o durante el mezclado.

El objeto de aadir aditivos es el de modificar, acentuar o conferir alguna propiedad que de por s la mezcla no posee, y hacerla temporal o permanente durante su estado fresco o endurecido.

Se presenta en forma de polvo o liquido. Los aditivos lquidos se emplean diluidos en agua y los aditivos en polvo se prefiere sean agregados directamente al cemento. Se aplican en dosis pequesimas que varan de entre un 0,1% y un 5% del peso del cemento y su efecto es de ndole fsico, qumico o fsico-qumico. Esta dosis empleada tiene directa relacin con la magnitud del efecto, debindose en todo caso respetar los limites recomendados por el fabricante y el aporte de sustancias dainas en el hormign. Los aditivos se pueden clasificar como:

- Aditivos incorporadores de aire - Aditivos plastificantes (reductores de agua) - Aditivos retardadores - Aditivos aceleradores - Aditivos impermeabilizantes - Aditivos expansivos. - Miscelneos (agentes para lechadas de sellado y agentes formadores de gas).

El uso de aditivos esta condicionado a: a) Que se obtenga el resultado sin tener que variar sustancialmente la

dosificacin bsica. b) Que el aditivo no tenga efectos negativos en otras propiedades del concreto. c) Que un anlisis de esto justifique su empleo

El hormign debe ser trabajable, terminable, resistente, durable, impermeable y resistente al desgaste. Estas cualidades se pueden obtener a menudo ms conveniente y econmicamente por medio del clculo apropiado de la mezcla y la seleccin de materiales adecuados sin recurrir a aditivos, con excepcin de los agentes incorporadores de aire cuando sean necesarios. Sin embargo, puede haber casos en que se requieran ciertas propiedades especiales, tales como: tiempo de fraguado prolongado, aceleracin de la resistencia a corta edad, atrasar el desarrollo del calor de hidratacin. En estos casos es aconsejable considerar e investigar ciertos aditivos, ya que su uso en el hormign puede producir los efectos especiales deseados. En algunos

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casos se puede desear propiedades que slo son posibles de obtener con la ayuda de aditivos.

No obstante, no se puede considerar a ningn aditivo como sustituto de la buena prctica de hormigonado. La trabajabilidad de las mezclas y la calidad del hormign se pueden mejorar por medio de ajustes en la granulometra de la mezcla de ridos y por medio del uso de agentes incorporadores de aire, humidificantes y dispersadores del cemento.

Las mezclas de ensayo siempre deben hacerse con el aditivo y los materiales de trabajo, ya que la accin de un aditivo est muy influenciada por la composicin del cemento y por otros aditivos.

Antes de usar un aditivo se debe tener presente que:

a) Todo empleo de aditivo presume un buen hormign. b) Antes de decidir el empleo de un aditivo se debe verificar si es posible obtener la

propiedad deseada mediante la modificacin de los componentes del hormign y las condiciones de la obra.

c) Se debe considerar, adems de las ventajas, sus inconvenientes, limitaciones, contraindicaciones y compatibilidades.

d) El efecto que produce el aditivo se debe medir mediante ensayos de laboratorio y resultados de faenas.

Pese a que no se menciona, condiciones bastante similares en referencia a los aditivos se aplican tambin en el caso de los morteros, es importante destacar eso si, que son de un carcter ms limitado, referentes ms que nada a mejorar las propiedades de morteros para relleno, autonivelantes, de inyeccin, constituyendo una parte fundamental de su tecnologa. (Crcamo, 2006)

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2.2 Nanociencia y Nanotecnologa

La Nanociencia es un rea emergente de la ciencia, revolucionaria en diversos mbitos (biologa, medicina, ingeniera, construccin, etc.), que se ocupa del estudio de los materiales de muy pequeas dimensiones. No puede denominarse qumica, fsica o biologa dado que los cientficos de este campo estn estudiando un campo dimensional muy pequeo para una mejor comprensin del mundo que nos rodea. La nanociencia se define como una ciencia que se ocupa del estudio de fenmenos y manipulacin de materiales a escala atmica cuyo tamao es desde cientos a dcimas de nanmetros.

El concepto de nanotecnologa fue presentado en 1959 por el fsico Richard Feynman, quien explor la posibilidad de manipular el material en la escala de tomos individuales y molculas, introduciendo la capacidad creciente de examinar y controlar el material a escalas nanomtricas.

Es as como es posible definir la nanotecnologa como el diseo, creacin, sntesis, manipulacin y aplicacin de materiales, aparatos y sistemas funcionales a travs del control de la materia a nanoescala, y la explotacin de fenmenos y propiedades de la materia a nanoescala.

Para comprender el potencial de esta tecnologa es clave saber que las propiedades fsicas y qumicas de la materia cambian a escala nanomtrica, lo cual se denomina efecto cuntico. La conductividad elctrica, el color, la resistencia, la elasticidad, la reactividad, entre otras propiedades, se comportan de manera diferente que en los mismos elementos a mayor escala. Por lo tanto, cientficos utilizan la nanotecnologa para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades nicas (Euroresidentes, 2006).

El significado del prefijo "nano" es una dimensin: 10 elevado a -9.

Esto es: 1 nanmetro = 0,000000001 metros. Es decir, un nanmetro es la mil millonsima parte de un metro, o millonsima

parte de un milmetro. Tambin: 1 milmetro = 1.000.000 nanmetros (nm.).

Como se mencion anteriormente la nanociencia y nanotecnologa tienen su fundamento en el estudio de los fenmenos ocurridos en la nanoescala, que dentro de esta investigacin, relacionada con el rea de materiales de ingeniera, involucra directamente el estudio de materiales nanomtricos o nanomateriales.

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2.2.1 Nanomateriales

Qu son los nanomateriales? Los nanomateriales son una clase de materiales (sean cermicos, metales,

semiconductores, polmeros, o bien una combinacin de estos), en donde sus dimensiones se encuentran entre 1 y 100nm. Estos presentan una transicin entre molculas y tomos, y un material con dimensiones de slido volumtrico (bulk). Mientras que un material de orden micromtrico aun presenta propiedades similares a la de un slido volumtrico (bulk), en los nanomateriales, debido a su tamao reducido a unos cuantos nanmetros, se modifican sus propiedades que finalmente difieren del mismo material con dimensiones de slido volumtrico, de las molculas y los tomos. De acuerdo al nmero de dimensiones que se encuentren en el rgimen nanomtrico, los nanomateriales se pueden clasificar en cuatro tipos (Gutirrez, 2005):

a) Materiales de dimensin cero: las tres dimensiones se ubican en el rgimen nanomtrico, a esta corresponden las nanopartculas.

b) De una dimensin, teniendo una longitud variable, conservan una sola dimensin en el rgimen de nanmetros, como es el caso de nanoalambre y nanotubos.

c) De dos dimensiones: con reas de tamao indefinido, mantienen su espesor en el orden e 1 a 100nm, como en el caso de pelculas delgadas.

d) De tres dimensiones: en que los slidos tridimensionales estn formados por unidades nanomtricas.

Figura 2.1: Clasificacin de nanomateriales: a) OD, nanopartculas de oro; b) 1D, fibras polimricas; c) 2D, pelculas polimricas y d) 3D superred obtenida por auto samblaje de nanopartculas de oro. (Fuente: Gutirrez, 2005).

Aunque el inters por el estudio de los nanomateriales surgi con fuerza en las ltimas dcadas, estos ya existan desde hace varios siglos atrs. Las nanopartculas especficamente, han existido en el planeta por siglos, algunos ejemplos son partculas de humo y las nanopartculas dentro de bacterias. Ms adelante en algunas

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civilizaciones antiguas ya se utilizaban, aprovechando sus propiedades pticas y medicinales.

Efectos producidos por las nanopartculas A medida que la dimensin de las partculas se reduce, sobre todo en el intervalo

de 1 a 10nm los efectos de tamao y de superficie son cada vez ms notables. Entre el efecto de tamao mas importantes, se ha determinado el confinamiento de los electrones, lo que implica una manifestacin de efectos cunticos en el material y que pueden percibirse a travs de sus propiedades de conduccin electrnica, magnticas, etc. Es por esto que a este tipo de partculas se les ha conocido tambin como puntos cunticos.

Por otra parte los efectos de superficie tambin son de gran importancia, ya que se tiene en las partculas pequeas un incremento en reas superficiales por unidad de volumen y en energas libre superficiales respecto a los slidos volumtricos.

Figura 2.2: Incremento en reas superficiales en materiales por la utilizacin nanopartculas. (Fuente: Gutirrez, 2005).

Debido a que los tomos en la superficie de la nanopartcula estn menos enlazados que el resto de sus tomos y su esfera de coordinacin esta incompleta, se incrementa su energa libre superficial, afectando las propiedades como temperatura de fusin de nanopartculas de Pt se reduce de 1773C en un slido volumtrico a 600C en nanopartculas de 8nm en promedio.

Por otra parte la absorcin ptica en nanopartculas tambin es un fenmeno de superficie que se modifica, y se puede modular dependiendo de las caractersticas de la partcula (composicin, tamao, protectores de superficie, etc.), como se presenta en el ejemplo de la figura 2.3, hacindose evidente al encontrarse en una dispersin coloidal.

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Figura 2.3: Dispersiones coloidales de nanopartculas metlicas. Obsrvese que el color de la dispersin depende de las caractersticas de las nanopartculas. (Fuente: Gutirrez, 2005)

Aplicaciones de los nanomateriales Existen diversas aplicaciones de nanopartculas metlicas, cermicas y

polimricas las cuales se mencionan a continuacin: - Medicina: gasas para quemaduras serias o heridas crnicas, contienen

nanopartculas de plata. La plata es un bactericida, que en forma de nanopartculas incrementa el rea superficial mejorando la eficiencia antibacteriana contra 150 tipos de microbios, incluyendo los resistentes a drogas. Crema para dolores musculares y adhesivos dentales, etc.

- Deportes: pelotas de golf que corrigen vibraciones o pequeos corrimientos, canalizando la energa recibida del palo de golf, mejor que las pelotas convencionales. Pelotas de tenis, recubiertas de nanopartculas para alargar su duracin.

- Higiene: desinfectantes de grado militar, utilizado en aviones para combatir el problema del SARS (sndrome respiratorio agudo severo) a base de nanoemulsiones.

- Materiales para la construccin: recubrimientos super-hidrofbicos, repelentes de mugre. Se emplea como recubrimientos de concreto, ladrillos y yeso. Es un aditivo a base de nanopartculas utilizado para reforzar el efecto hidrofbico en materiales de construcciones, reduciendo la adhesin al agua y partculas de tierra al mnimo.

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2.2.2 La llegada de la nanotecnologa al concreto

2.2.2.1 Concreto a escala nanomtrica

El concreto es un material poroso, con diferentes tipos de poros, generados por los vacos de aire que queda atrapado en el proceso de mezclado, estos vacos pueden ser de gran tamao, arriba de algunos milmetros de dimetro para los poros capilares, los cuales son esencialmente espacios ocupados por agua despus del mezclado; hasta poros a escala nanomtrica los cuales existen en algunos productos de hidratacin generados por la reaccin qumica cemento-agua. A esta nanoescala entonces, se produce el proceso de hidratacin e interaccin entre el calcio y silicatos, cuyo producto es en definitiva el que pega las diferentes capas de concreto y mortero, y lo convierte en una estructura monoltica, es por ello que se dice que ambos (concreto y mortero) de alguna manera son materiales a nanoescala.

Conocimiento en detalle. Hay principalmente dos modelos microestructurales que han sido desarrollados a

escala de la pasta de cemento (micrmetros o menos) y a escala del concreto (milmetros).

Para la pasta de cemento, se usa un modelo celular automatizado, el cual opera mediante una imagen digital tridimensional de partculas de cemento en multifase. La informacin a partir de las partculas es obtenida mediante un microscopio de barrido y escaneo de neutrones y anlisis de Rayos X. La Figura 2.5 muestra las distribuciones espaciales para: a) el calcio, b) el silicio, c) el aluminio. Se destaca que el aluminio solo aparece en las capas intersticiales, conectando principalmente los granos de calcio y silicio. Este modelo es vlido para cualquier tipo de hidratacin de cemento que se desarrolle correctamente. La informacin de los Rayos X es mostrada en la Figura 2.4 y es usada para identificar la distribucin espacial de los componentes qumicos de un cemento estndar a nivel de partculas.

Figura 2.4: Una imagen del polvo de cemento dispersado en epoxi. El tamao de las partculas ronda los 50 m. de ancho. La naturaleza de multifase de esta mezcla es apreciada de acuerdo a la diferente escala de grises. (Fuente: Crcamo, 2006).

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Figura 2.5: Diferentes imgenes de las mismas partculas de cemento. Es interesante notar como los diferentes qumicos estn ubicados en la microestructura, e incluso en el polvo de cemento. a) Imagen del calcio, b) imagen del silicio, c) imagen del aluminio. La escala de grises es mas fuerte cuando hay menor cantidad de los elementos de inters presente. Notar que el aluminio esta ubicado preferentemente en las regiones intersticiales entre los grupos de calcio-silicio. (Fuente: Crcamo, 2006)

Algo de la compleja reaccin qumica correspondiente a la hidratacin del cemento es mostrado en la Figura 2.6, donde las reacciones principales entre las fases Silicato, Aluminato, Ferrita, Sulfato y el agua son presentados, usando notacin qumica estndar para el cemento, esto es:

C= CaO, S= SiO2, H= H2O, F=FeO2, A= Al2O3.

Figura 2.6: Reacciones del modelo de cemento, de acuerdo a la notacin qumica mencionada anteriormente. (Fuente: Crcamo, 2006).

A escala milimtrica se han usado modelos para predecir de una manera exitosa la difusividad de iones en los espacios porosos del concreto (en este caso). La distribucin de los agregados a escala de partculas es obtenida a partir de estos modelos, se puede apreciar de lo anterior que la matriz de pasta de cemento es alterada por la presencia de los agregados, los cuales son generalmente ms porosos que la matriz de pasta.

Este tipo de modelacin, usa partculas esfricas, los cuales son adecuados para algunas propiedades como la difusin inica, donde los agregados tienen cero propiedades al ser comparados con la matriz de pasta de cemento. En este caso, se aprecia que las formas hacen muy poca diferencia. Sin embargo, muchas otras propiedades tales como la reologa del concreto en estado lquido y la elasticidad en estado slido tienen una dependencia respecto a la forma de los agregados.

A escala nanomtrica, el concreto ha sido objeto de trabajos de modelacin a travs de pruebas experimentales con bastantes similitudes entre las predicciones de

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los modelos y los resultados experimentales. Un importante desarrollo en sta rea ha sido el uso de tcnicas de Dinmica Molecular para analizar la interaccin de varios iones con superficies resultantes del proceso de hidratacin del cemento. Esta aplicacin puede abrir el camino a la escala atmica, de manera de comprender y controlar a cabalidad las estructuras de concreto. Al igual que los criterios anteriores, podemos caracterizar al hormign como un material poroso, debido a burbujas de aire, que son porosidades a escala nanomtrica producidas por la reaccin qumica cemento-agua. A partir de estos poros a nanoescala hay un control del producto de la hidratacin calcio-silicato-hidratos la cual es el principal pegamento que une al concreto. (Crcamo, 2006).

2.2.2.2 Concreto con nanoslice

Como se menciona anteriormente un nanomaterial correctamente diseado y desarrollado produce resultados mejores y ms econmicos que los materiales tradicionales, gracias a la estabilizacin y refuerzo de propiedades de la materia a un nivel mil veces ms pequeo que el antiguo nivel: micro (0.000001 mt.).

2.2.2.2.1 Estudios relacionados al concreto con nanopartculas de slice

Las propiedades mecnicas de morteros de cemento con nanopartculas de slice han sido analizadas y los resultados experimentales mostraron aumentos en las resistencias a compresin y flexurales de morteros que contienen estas nanopartculas. Ms aun, la resistencia de los morteros de cemento con nanopartculas fue mayor que la resistencia de los morteros con silicio en polvo. Adems estudios SEM indican que las partculas de nanoslice proporcionaron el llenado de los poros y disminuyeron el contenido de hidrxido de calcio dentro de los productos de la hidratacin. Son estos los efectos que producen la mejora en las propiedades mecnicas de los morteros de cemento con nanopartculas.

Estudios de laboratorio de grandes volmenes de cenizas voltiles (fly ash) de hormign de alta resistencia que incorporan nanoslice fueron realizados por investigadores, estos estudios de los procesos de hidratacin confirman que la actividad puzolnica de la ceniza voltil puede ser significativamente mejorada por la aplicacin de este material. Se concluyo que el uso de nanoslice llevo a aumentar la resistencia ltima de altos volmenes de hormign a temprana edad. El hormign desarrollado con nanoslice tiene una resistencia un 81% superior al ser comparado al hormign normal.

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La resistencia del hormign desarrollado tras dos aos fue de 115,9 Mpa. (Ms alta que la resistencia del concreto con cemento Prtland de referencia que fue de 103,7 Mpa.).

Tambin se han efectuado investigaciones en hormigones autocompactantes con aditivos minerales (caliza molida, cenizas voltiles y cenizas voltiles molidas). El nanoslice (5-50 nm.) con una dosis del 1 a 2% con respecto a la cantidad de cemento fue usada como agente modificador de la viscosidad. Una razn constante agua/cemento (A/C) de 0,58 fue usada en todas las mezclas, y un flujo de 780-800 mm. fue mantenido ajustando la dosificacin de superplastificante basados en polmeros acrlicos. Para mantener el flujo especificado la dosis de superplastificante fue aumentada 0,21% para cada porcentaje de nanoslica utilizada. La adicin de nanoslice hace la mezcla de hormign mas cohesiva y reduce el sangramiento y la segregacin.

Aunque las nanopartculas de slice no afectan la resistencia a compresin del hormign que contiene varios tipos de cenizas voltiles, la resistencia a compresin del hormign que contiene caliza molida disminuyo ligeramente. El mejor desempeo fue mostrado para el hormign con cenizas voltiles correspondiente a un 2% de nanoslica y 1,5% de superplastificante. Este concreto tiene una elevada resistencia a la compresin de 55 (MPa.) a una edad de 28 das con un comportamiento deseado en estado fresco, esto es: bajo sangrado, buena cohesin, buen asentamiento de cono. La investigacin tambin muestra que la nanoslica no afecto la durabilidad del hormign.

Una de las primeras mezclas nanoaditivas comerciales para hormigones y morteros, GAIA, fue desarrollada por ULMEN S.A. y SciTech Cognoscible para sustituir el polvo de slice en las mezclas de hormign, que cuenta con certificacin ISO 14001 Sistema de manejo medioambiental. El producto esta disponible en forma liquida y facilita por lo tanto la distribucin satisfactoria de las partculas de nanoslice en el hormign. GAIA combina los efectos de disminucin de la cantidad de agua y aumento del asentamiento de cono de la mezcla (mejora en la trabajabilidad). De acuerdo a Ferrada y sus colaboradores, las mezclas de hormign con GAIA muestran perfecta trabajabilidad sin segregacin o sangrado. Esto hace el diseo del concreto autocompactante una tarea sumamente fcil. En la Tabla 2.8 se muestra el efecto de GAIA en el comportamiento de las mezclas de hormign.

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Tabla 2.8: Efectos de GAIA Nanoslice en mezclas de hormign.

Fuente: Crcamo (2006).

La aplicacin de GAIA a una dosis del 1,3% (en peso seco de cemento) proporciona casi un aumento al doble de la resistencia a la compresin del hormign a edades de 7 y 28 das. La resistencia inicial del concreto es de 68,2 MPa., la cual es del orden de tres veces mas alta que el hormign de referencia. A los 28 das la resistencia a la compresin del hormign fabricado con GAIA muestra una dependencia normal respecto a la razn agua-cemento (A/C); y en base a pruebas efectuadas es posible predecir la resistencia a los 28 das de los hormigones investigados.

2.2.2.2.2 Nanoslice como aditivo

GAIA Nanoslice, nombre comercial del aditivo, ha sido creada como producto principal, para ser usada directamente en el concreto u hormign, es slice en estado lquido, formada por partculas en estado nanomtrico.

Qu es la nanoslice? La nanoslice consiste en nanopartculas de slice modificadas qumicamente

para permitirles estar en solucin, ser estables, tener an mejores propiedades que la microslice, y con la ventaja adicional de no contaminar; ni al medio ambiente ni a los operadores, y de carecer de sus desventajas de aglomeracin y retraccin. Aparte de su alta superficie efectiva de reaccin, la clave de su gran desempeo en comparacin con la microslice, es su mayor reactividad qumica.

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Forma de uso

Sus dosis recomendadas estn entre 0.2 y 2.1% en relacin al peso del cemento. No requiere cuidados ni precauciones especiales y se trata como cualquier otro aditivo lquido para el hormign. En caso de congelacin, debe dejarse descongelar y agitar un poco.

Tabla 2.9: Propiedades Fsicas y Qumicas de Gaia Nanoslice

Fuente: Concretonline (2006).

Caracterizacin de la nanoestructura de GAIA Nanoslice. Las nanopartculas de slice, presentan distribuciones bastante homogneas, son

de color negro o muy oscuras, como una especie de puntos, poseen formas tetradricas bastante bien definidas, con tamaos individuales que oscilan entre 4.73 (nm.) y 14.19 (nm.). Tiene la tendencia a agruparse en clsteres entre 3 y 5 nanopartculas, con tamaos grupales entre 16.55 (x3) y 35.47 (x5) (nm.), con formas cristalinas relativamente distorsionadas y con bordes bastante irregulares.

En las figuras 2.7 y 2.8 se aprecia en color claro a las sustancias polimricas en las cuales se encuentran suspendidas las nanopartculas y en un tono un poco ms oscuro al anterior a la Resina de fijacin que se utiliza en laboratorio para la observacin mas ptima de las muestras.

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Figura 2.7: Detalle imagen microscopio electrnico (TEM), donde se sealan a las nanopartculas (np) individualmente dispersas en el medio de suspensin.(Fuente: Crcamo, 2006)

Figura 2.8: Detalle general imagen obtenida de microscopio electrnico (TEM), donde se aprecian los distintos componentes de la Nanoslice. (Fuente: Crcamo, 2006)

Cmo acta el nanoslice en la concreto? Cuando la slice se mezcla con iones de calcio, sodio o potasio, como los

productos provenientes de la reaccin de hidratacin del cemento, produce partculas de CSH (silicato de calcio hidratado), que es el pegamento del concreto, lo que mantiene cohesionado a todas sus partculas.

Al estar en tamao nanomtrico, Gaia produce partculas de CSH con un tamao de entre 5nm y 250nm, nano-CSH, lo que mantiene cohesionado a todas sus partculas, reforzando la estructura del hormign a un nivel mil veces ms pequeo que el concreto tradicional, generando una alta superficie efectiva (GAIA tiene 1,000 m2/g frente a 20 m2/g de microslice), por lo que es posible reducir el uso de cemento, es decir nanoslice es en s misma un productor de nanocemento.

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Adems no requiere de superplastificantes porque el nanoslice otorga plasticidad y trabajabilidad excepcional al concreto, lo que hace innecesario el uso de estos.

Nanoslice, microslice y slice precipitada

La microslice, la slice precipitada, y la nanoslice, tienen un rango que puede

llamarse similar en cuanto a tamao de partculas, pero las dos primeras, al existir como una gran aglomeracin de partculas y no como partculas aisladas, tienen una mucho menor rea efectiva de superficie en comparacin con la nanoslice. De all la alta velocidad de reaccin que presenta la nanoslice y las mayores resistencias que permite a 12 y 24 horas.

Tabla 2.10: Caractersticas generales de la nanoslice, microslice y slice precipitada.

Fuente: Ferrada et al (2003).

Basndose en la bibliografa es posible establecer que al contrastar la microslice con la nanoslice, la primera presenta una serie de estructuras no homogneas en su composicin y que en el momento de la reaccin de hidratacin del cemento al combinarse con el hidrxido de calcio formarn una serie de estructuras CSH (silicato de calcio hidratado) poco ordenadas. La nanoslice en cambio, presenta menor cantidad de estructuras componentes, sin embargo es un compuesto mucho mas puro y ordenado, con formas cristalinas ms regulares que forman la misma o incluso mayor cantidad de estructuras CSH.

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Propiedades de GAIA Nanoslice Verstil: Desde altas resistencias, tanto a compresin como a traccin, a bajas

dosis (1-1.5% en peso del cemento) hasta propiedades autocompactante a altas adiciones (2.5%)

Posee una muy buena trabajabilidad, incluso a valores muy pequeos de la relacin agua cemento (A/C) como 0.2. Como consecuencia de lo anterior, el hormign se coloca solo segn los comentarios de los operadores. Esta trabajabilidad hace innecesario el uso de superplastificantes, excepto pequeas dosis para los hormigones autocompactantes.

Alta velocidad de reaccin. Tiene ms de 90% de rendimiento que las formulaciones de microslice, cemento

y superplastificantes para el hormign.

Figura 2.9: Comparacin de la cantidad de material necesario para obtener un hormign H-70. (Fuente: Concretonline, 2006)

Fcil homogenizacin. Permite a las plantas hormigoneras reducir los tiempos de mezclado y aumentar su produccin.

Tiene entre 0 y 1% de permeabilidad. (NCH 2262) Conserva el cono por tiempos superiores a una hora. (Con una relacin A/C=0.5

y una dosis de 0.5% por peso del cemento conserv un crculo de 60 cm. por dos horas, con una prdida de slo 5%).

Cumple la normativa ISO-14001. Es amistosa del medio ambiente y de la salud de los operarios de slice.

Mismo precio que usar microslice tradicional con superplastificantes y/o fibras asociados.

Aplicaciones - Grouts. - Lechadas para pernos (60-70 MPa. en 24 horas). - Shotcrete.

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- Hormigones autocompactantes. - Hormigones prefabricados (30-50 Mpa. en 6-8 horas segn

requerimientos). - Hormign fast-track (40 MPa. a 4 horas). - Hormigones de alta resistencia. - Hormigones de alto desempeo. - Hormigones ligeros de baja densidad. - Lechadas para pozos petroleros. - Pavimentos. - Hormigones marinos. - Puentes. - Vigas pre y postensadas. - Vigas al vapor. - Y todas las aplicaciones tradicionales de microslice.

Caracterizacin de la microestructura de morteros de cemento con adicin de nanoslice A mayor porcentaje de nanopartculas se tiene mayor consistencia y ms

aglomeracin, con menos espacios entre los microconstituyentes del mortero lo que le da una morfologa distinta en relacin a una muestra patrn, que no tiene adiciones de nanoslice. Esto que se aprecia a nivel superficial, tiene gran relacin en cuanto al comportamiento (quizs no precisamente directa), con lo que ocurre al interior de las muestras, lo que implica mejores propiedades de los materiales ante la distribucin de cargas, porosidad, microgrietas. Esto implica mayores resistencias a flexotraccin y compresin por ejemplo, dada la menor existencia de vacos por la mayor presencia de nanopartculas (nanocemento) lo que implica mayores dosis, mejor distribucin de esfuerzos como la menor posibilidad de agrietamiento y la homogeneidad de la mezcla, entre otros. (Crcamo, 2006).

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2.3 Durabilidad del concreto

La durabilidad del concreto ha sido un tema importante por muchos aos debido a su significancia que trasciende en el nivel de servicio del concreto o de las estructuras de concreto reforzado, adems del gran impacto econmico en el sector de la construccin.

El cdigo de diseo ACI define la durabilidad del concreto de cemento Prtland como la habilidad para resistir la accin del intemperismo, el ataque qumico, la abrasin, o cualquier otro proceso o condicin de servicio de las estructuras, que produzca deterioro del concreto. La conclusin primordial que se desprende de la definicin anterior, es que la durabilidad no es un concepto absoluto que dependa solo del diseo de mezcla, sino que esta en funcin del ambiente de exposicin y las condiciones de trabajo a las cuales lo sometamos, punto en el cual se centrar esta investigacin. En este sentido, no existe un concreto durable por si mismo, ya que las caractersticas fsicas, qumicas y mecnicas que pudieran ser adecuadas para ciertas circunstancias no necesariamente lo habilitan para seguir siendo durable bajo condiciones diferentes.

Tradicionalmente se asoci la durabilidad a las caractersticas resistentes del concreto y particularmente a su resistencia en compresin, pero las experiencias prcticas y el avance de la investigacin en este campo han demostrado que es solo uno de los aspectos involucrados, pero no el nico ni el suficiente para obtener un concreto durable. El problema de la durabilidad es sumamente complejo, en la medida en que cada situacin de exposicin y condicin de servicio ameritan una especificacin particular tanto para los materiales y diseo de mezcla, como para los aditivos, la tcnica de produccin y el proceso constructivo, por lo que es usual que en este campo las generalizaciones resulten nefastas.

Bryant Mather, uno de los pioneros en la investigacin en la Tecnologa del Concreto y en el rea de la durabilidad indica en uno de sus trabajos: Est demostrado cientficamente que las estructuras de concreto se comportan inadecuadamente debido a que las especificaciones tcnicas fueron deficientes o que ests fueron correctas pero no se siguieron en la obra. No se debe copiar o adaptar especificaciones tcnicas locales y forneas para proyectos y situaciones que muestren similitudes aparentes, pero que, sin embargo, desde el punto de vista de la tecnologa del Concreto y la durabilidad, se requiere una evaluacin y criterios particulares. Se ha demostrado que las adiciones al cemento pueden ser utilizadas para reducir el calor asociado con la hidratacin del cemento y reducir el potencial de fisuracin trmica en elementos estructurales masivos. Estos materiales modifican la

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micro-estructura del concreto y reducen su permeabilidad por lo que consecuentemente reducen la penetracin de aguas y sales disueltas en el hormign. La impermeabilidad del concreto reducir varias formas de deterioro del mismo, tales como la corrosin del acero de refuerzo y el ataque de qumicos. Las mayoras de las adiciones al cemento reducen la expansin interna del concreto debido a reacciones qumicas tales como la reaccin rido lcali y ataques de sulfatos. La combinacin ptima de materiales vara para diferentes requisitos de desempeo y para el tipo de adicin. (Universidad Nacional de Ingeniera, 2006)

2.3.1 Factores que afectan la durabilidad del concreto

Son diversos los factores que conducen la durabilidad del concreto, esta se puede determinar por agentes externos y agentes internos o propios de concreto. Los agentes externos son aquellos provenientes del medio en el cual se encuentre el elemento, que implican el ingreso de fluidos agresivos que se encuentran en su ambiente circundante, seguido de procesos fsicos o qumicos que atacan provocando una perturbacin de su estructura y superficie, con frecuencia aportando al desarrollo de fuerzas expansivas y de interrupcin. Los agentes de tipo interno o propios del concreto provocan un dao algo similar, influido principalmente por cambios de humedad, mal diseo o fabricacin de las mezclas, errores de estalacin, etc. Claramente, la capacidad del concreto para limitar estos procesos influye en la durabilidad y el grado de deterioro de l. Los factores que afectan l