DEGRADACIÓN DE MATERIALES CERÁMICOS EXPUESTOS A CAMBIOS DE TEMPERATURA

López, Víctor; Rodríguez, David; Girón, Luis

Laboratorio de CorrosiónEscuela de Ingeniería de Materiales

Facultad de IngenieríaUniversidad del Valle

Santiago de Cali, 8 de noviembre de 2012

ResumenSe realizó un ensayo de resistencia a la compresión a muestras diferentes de morteros de cemento sometidos a diferentes temperaturas (200°C, 300°C y 500°C) por una hora.

1. MARCO TEÓRICO

Como los materiales cerámicos son combinaciones de elementos metálicos y no metálicos, se pueden considerar que éstos son materiales que ya han sido corroídos. Por tanto, las cerámicas son excesivamente resistentes a la corrosión en la mayoría de los ambientes, especialmente a temperatura ambiente. La corrosión de los materiales cerámicos generalmente transcurre como una simple disolución química, en contraste con los procesos electroquímicos de los metales ya descritos.

Aunque la resistencia a la compresión del concreto o mortero de cemento portland es su característica más importante en estado endurecido, existen otros aspectos que en un momento dado pueden ser más importantes. Entre ellos, el principal es su durabilidad, que está estrechamente relacionada con las condiciones de exposición al medio ambiente, el cual puede generar deterioro por causas físicas, químicas o mecánicas. De otra

parte puede haber causas internas, tales como su permeabilidad, materiales constituyentes o cambios de volumen debidos a diferencias en propiedades térmicas.

En muchos casos el concreto o mortero va a estar expuesto a algún tipo de ataque, en algunos casos severo; y su estructura requiere reparación o se tiene que reemplazar en corto tiempo. Entre las formas de ataque se tienen: la abrasión, la reacción álcali-sílice, la carbonatación, las altas temperaturas, ciclos de hielo-deshielo, ataque de ácidos y ataque de sulfatos.

La corrosión por altas temperaturas se da cuando al concreto se le somete a temperaturas mayores que las normales, como su utilización para chimeneas conductos de gas caliente, pantallas contra radiación, o fuego accidental por un incendio.

Los efectos sobre el material concreto: disminución de resistencia, alargamiento de longitud original, considerable expansión permanente,

disminución del modulo de elasticidad y dureza, descomposición del agregado con liberación de cal libre, descascaramiento superficial; todo ello con posible expansión y fisuramiento y desprendimiento de trozos de concreto. Sobre el acero produce también disminución de resistencia, de adherencia, y efectos sobre las deformaciones. Se sabe que el espesor del recubrimiento es esencial para la resistencia al ataque tratado, además que el concreto va cambiando de color conforme la temperatura a la que se expone, yendo de gris natural, a rosa cuando alcanza más de 300 °C, a gris claro cuando alcanza más de 600 °C, y a blanco o amarillo claro cuando alcanza más de 900 °C.

Como hemos estudiado anteriormente la corrosión a altas temperaturas es una forma de corrosión que no requiere la presencia de un electrolito liquido, también se considera que este tipo de corrosión está presente en la mayor parte de los ambientes industriales, ocurre una oxidación como resultado de la corrosión a altas temperaturas independiente del modo de corrosión predominante.Los ataques de corrosión a altas temperaturas se pueden nombrar dependiendo del mecanismo de corrosión y de los productos de corrosión dominantes como lo son: oxidación implica óxidos, la sulfuración implica sulfuros, etc. al presentarse esta gran variedad de casos y mecanismos de corrosión es una labor importante la adecuada selección de materiales que se autoprotejan o presenten propiedades anticorrosivas.La estabilidad de los compuestos frente a la temperatura es directamente proporcional a la energía de enlace entre sus átomos, siendo uno de los factores que más influyen en las

propiedades mecánicas a alta temperatura.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se preparó la pasta para los morteros, con una proporción de 235 gramos de cemento, y una relación cemento/arena de 1:2,75 y alrededor del 50% en volumen de agua (± 117,5 ml)

Se realiza la mezcla de la pasta en una mezcladora, siguiendo las especificaciones de la norma N220

Se engrasaron los 8 moldes con el fin de facilitar el desmolde

Se vació la mezcla en los moldes (3,5 x 3,5 x 3,5 cm)

Los morteros fueron sometidos a un curado de aproximadamente 8 días

Se secaron las muestras a temperatura ambiente a la intemperie

Las muestras fueron sometidas a altas temperaturas en horno, dos muestras para cada temperatura: 200, 300 y 500°C por una hora cada una, dejando dos muestras como patrón

Se realizó un ensayo de compresión para cada una de las ocho muestras

3. DATOS Y RESULTADOS

Los datos obtenidos para el ensayo de compresión se muestran en la Tabla 1. Los datos de esfuerzo soportado para las dos probetas patrón no arrojaron datos confiables, por lo que se descartaron, sin embargo, la literatura arroja datos de resistencia de entre 17

MPa (para concreto residencial) y 28 MPa (para estructuras comerciales).

Tabla 1. Esfuerzos soportados por cada muestra en el ensayo de compresión

- (200°C) (300°C) (500°C) PatrónEsfuerzos (MPa)

10,26 12,01 8,03 -10,43 8,98 8,93 -

Esfuerzo promedio

10,34 10,49 8,48 -

En la Figura 1 se muestra la gráfica de barras comparativa para el ensayo de compresión. Se puede apreciar una similitud entre las probetas sometidas a una temperatura de 200°C y las sometidas a 300°C, sin embargo se muestra un descenso en la resistencia a la compresión del mortero cuando se somete a una temperatura de 500°C. Esta tendencia puede compararse con otro ensayo realizado anteriormente en el cual se muestran diferentes muestras cementicias sometidas a altas temperaturas y a un ensayo de compresión (Morsy, 2008), sin embargo estas muestras fueron sometidas a dichas temperaturas por un tiempo de 24 horas (Figura 2). La tendencia en ambos ensayos muestra que a una mayor temperatura de exposición de los morteros, menor resistencia a la compresión van a soportar.

02468

1012 10.345 10.495

8.48

200°C300°C500°C

Temperaturas correspondientes

Esfu

erzo

(MPa

)

Figura 1. Comparación de resistencia a la compresión para las diferentes temperaturas de ensayo.

Esto puede explicarse porque la estabilidad de los compuestos frente a la temperatura es directamente proporcional a la energía de enlace entre sus átomos, siendo uno de los factores que más influyen en las propiedades mecánicas a alta temperatura. El efecto de la alta temperatura en concreto depende del grado de hidratación de cemento, contenido de humedad, la permeabilidad, así como la velocidad y el tiempo de exposición a temperatura elevada (Jaren, 1989).

Figura 2. Ensayo de compresión para diferentes muestras cementicias sometidas a altas temperaturas.

4. CAUSAS DE ERROR

Los tiempos de especificación de mezclado y raspado durante la etapa de elaboración de la pasta no fueron los adecuados, por lo que la calidad de los morteros ensayados no es confiable.

Los ensayos de compresión hechos muestran diferencias grandes, o, como en el caso de las muestras patrón, muestran valores atípicos, situaciones que pudieron deberse a una mala operación del gato

hidráulico con el que se realizó el ensayo.

5. CONCLUSIONES

Cuanta más temperatura sea la que soporte un mortero de cemento, menores serán sus propiedades mecánicas, en este caso, la resistencia a la compresión disminuye.

6. BIBLIOGRAFÍA

[1] Callister, W. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES, Vol. 2. Editorial Reverté. 1996.

[2] Gonzalez, F.; Gonzalez S., F. MANUAL DE SUPERVISIÓN DE OBRAS DE CONCRETO. Editorial Limusa. 2000.

[3] Jara, F. CONTROL DEL CONCRETO EN CLIMAS CÁLIDOS. Coatzacoalcos, Ver. Universidad Vercruzana. 2011.

[4] Jahren, P.A., 1989. Fire resistance of high-strength/dense concrete, with particular reference to the use of condensed silica fume: A review. Proc. Int. Conf. High-Strength Concrete, 114: 1013-1050.

[5] Rahel Kh. Ibrahim, Kambiz Ramyar, Roszilah Hamid and Mohd Raihan Taha, 2011. The Effect of High Temperature on Mortars Containing Silica Fume. Journal of Applied Sciences, 11: 2666-2669.

[6] Morsy, M. S.; Rashad, A. D.; Shebl S. S. Efect of elevated temperatura on compressive strength of blended cement mortar. Building Research Journal. Number 2-3. Volume 56, 2008.