mejoramiento del comportamiento físico y químico de las
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Mejoramiento del comportamiento
físico y químico de las arcillas y
materiales micáceos presentes en
agregados finos de mala calidad para
su uso en la producción de concreto
hidráulico
Juan Camilo Lema Zambrano
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Área Curricular de Ingeniería Civil y Agrícola
Bogotá, D.C., Colombia
2021
Mejoramiento del comportamiento
físico y químico de las arcillas y
materiales micáceos presentes en
agregados finos de mala calidad para
su uso en la producción de concreto
hidráulico
Juan Camilo Lema Zambrano
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Estructuras
Directora:
Ph. D., Gloria Inés Beltrán Calvo
Codirector:
Ph. D., Juan Manuel Lizarazo Marriaga
Línea de Investigación:
Materiales para Estructuras
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Área Curricular de Ingeniería Civil y Agrícola
Bogotá, D.C., Colombia
2021
A mis padres quienes siempre me apoyaron en
convertir mis perspectivas en realidades
La ciencia no es perfecta, con frecuencia se
utiliza mal, no es más que una herramienta,
pero es la mejor herramienta que tenemos, se
corrige a sí misma, está siempre
evolucionando y se puede aplicar a todo. Con
esta herramienta conquistamos lo imposible
Carl Sagan
Declaración de obra original Yo declaro lo siguiente:
He leído el Acuerdo 035 de 2003 del Consejo Académico de la Universidad Nacional.
«Reglamento sobre propiedad intelectual» y la Normatividad Nacional relacionada al
respeto de los derechos de autor. Esta disertación representa mi trabajo original, excepto
donde he reconocido las ideas, las palabras, o materiales de otros autores.
Cuando se han presentado ideas o palabras de otros autores en esta disertación, he
realizado su respectivo reconocimiento aplicando correctamente los esquemas de citas y
referencias bibliográficas en el estilo requerido.
He obtenido el permiso del autor o editor para incluir cualquier material con derechos de
autor (por ejemplo, tablas, figuras, instrumentos de encuesta o grandes porciones de
texto).
Por último, he sometido esta disertación a la herramienta de integridad académica, definida
por la Universidad.
________________________________
Juan Camilo Lema Zambrano
28/09/2021
Agradecimientos
Agradezco infinitamente a la Universidad Nacional de Colombia por apoyarme desde
siempre en la construcción de mis logros académicos y personales.
A mis padres Nancy Zambrano y Jaime Lema quienes siempre dieron todo en sus vidas
para apoyar mis metas sin importar lo difícil que pudiera ser el camino.
A Carlos Lagos por ser un apoyo incondicional desde hace muchos años en mis objetivos
personales y crecimiento profesional.
A mis profesores y más que directores de tesis, a mis guías Gloria Inés Beltrán y Juan
Manuel Lizarazo quienes me apoyaron incondicionalmente en el desarrollo de mi posgrado
como un ingeniero químico inmerso en el mundo de la ingeniería Civil, con sabias
sugerencias, conocimiento, herramientas y respaldo durante el desarrollo de mi
investigación sin el que este trabajo no hubiera sido posible.
Al profesor Camilo Ríos con su constante apoyo profesional, académico y moral en la
construcción de mi trayectoria profesional en el mundo de los químicos para la
construcción.
A Julissa Hidalgo y Angela Botero quienes han creído siempre en mis ideas como
profesional y me han apoyado desde siempre en mi crecimiento como ingeniero en el
mundo de la industria.
Finalmente, quiero resaltar el gran apoyo de la profesora Carolina Sánchez Sáenz con sus
conocimientos en diseño de experimentos y apertura continua en mi trabajo de
investigación y agradezco el soporte de Andrés Barragán quien me brindó su apoyo
durante el desarrollo de mi proyecto.
Resumen y Abstract XIII
Resumen
Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
En la actualidad, el alto consumo de arena en el concreto hidráulico constituye un problema
de sostenibilidad y de desempeño para la construcción, pues las fuentes de agregado de
buena calidad se hacen más escasas con el transcurrir de los años, considerando que es
el material más explotado por el hombre después del agua. Con el fin de abordar opciones
de aprovechamiento de arenas con presencia de minerales nocivos, en esta investigación
se ha propuesto el mejoramiento mediante el uso de dos moléculas basadas en tecnología
de polímeros polieléctricos denominados experimentales 1931-1 y 1831-5. Para dichos
polímeros se evaluó la retención de flujo en presencia de arenas de mala calidad y se ha
comparado su desempeño con un policarboxilato convencional (EXP 3457), en dosis que
van de 0,35% a 0,60% respecto del peso del cementante. Se empleó un modelo factorial
de diseño de experimentos para mezclas de concreto con un contenido de arena del 25%
al 40% y se utilizaron dos fuentes de agregado (Cordobita y Cogua) con diferentes tipos
de minerales nocivos como cuarzos ondulantes, arcillolitas, micas y óxidos que se
caracterizaron mediante petrografía, absorción TOC y FRX. Los resultados del diseño
experimental se modelaron bajo la metodología de mortero equivalente de concreto,
obteniendo un mejoramiento del 15% al 25% en términos de la capacidad de reducción de
agua en las mezclas, de un 25% al 90% en términos de capacidad de retención de flujo a
los 90 minutos, y una mitigación del incremento del esfuerzo de fluencia de 2 a 3 veces
comparando el desempeño de los polímeros polieléctricos, versus el policarboxilato
convencional evaluado. La investigación demuestra que no se generan efectos
significativos sobre el fraguado inicial y final de las mezclas, y tampoco en su desarrollo
de resistencia a compresión a todas las edades. Finalmente, se evidenció que el
desempeño de esta alternativa de mitigación química depende ampliamente tanto de la
XIV Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
composición química y morfología del agregado como de la capacidad de bloqueo
catiónico que tiene cada tipo de polímero.
Palabras clave: Sostenibilidad, Arena, Polímero polieléctrico, Arcillas, concreto
hidráulico.
Abstract
Improvement of the physical and chemical behavior of clays and micaceous
materials present in poor quality fine aggregates for use in the production of
hydraulic concrete
Nowadays, the use of sand in the concrete generates a sustainability and performance
problem for the construction, since the good quality aggregates resources become scarce
over the years, considering that this material is the most demanded by man after water. In
order to address options for the use of sands with harmful minerals, in this research, it was
proposed their improvement by using two molecules based on polyelectric polymer
technology named experimental 1931-1 and 1831-5. For these polymers, flow retention
was evaluated in the presence of poor-quality sands and then performance was compared
to a conventional slump retainer polycarboxylate (EXP 3457) at dosage from 0,35% to
0,60% over the total cementitious weight. It was used a factorial experimental design for
concrete mixes with sand content varying from 25% to 40% and two sand sources were
used (Cordobita and Cogua) with different harmful minerals such as wavy quartz, clays,
micas, and oxides which were characterized by petrography, TOC absorption and XRF.
The experimental design results were modeled using the equivalent mortar of concrete
methodology, obtaining an improvement of 15% to 25% in terms of water reduction in the
mixes, 25% to 90% in term of flow retention capability after 90 minutes, and a mitigation of
the yield stress increasing of 2 to 3 times, comparing the proposed polyelectric polymers
performance vs the conventional polycarboxylate. This research demonstrates that there
are not significant effects, neither on the initial and final setting of the mixtures, nor on the
development of compressive strength at all ages. Finally, it was evidenced that the
performance of this chemical mitigation alternative depends widely not only on the chemical
composition and morphology of the aggregates but also on the cationic blocking capacity
of each type of polymer.
Keywords: Sustainability, Sand, Polyelectric Polymer, Clays, Hydraulic Concrete.
Contenido XVII
Contenido
Pág.
Resumen ...................................................................................................................... XIII
Lista de figuras ............................................................................................................ XIX
Lista de tablas ............................................................................................................ XXV
Introducción .................................................................................................................. 27
1. Objetivo General ..................................................................................................... 32 1.1 Objetivos específicos ....................................................................................... 32
2. Tecnología del concreto hidráulico ...................................................................... 33 2.1 El concreto hidráulico ....................................................................................... 33
2.1.1 Cemento ........................................................................................................ 34 2.1.2 El agua en el concreto ................................................................................... 37 2.1.3 Los polímeros polieléctricos en el concreto .................................................... 38 2.1.4 Los agregados ............................................................................................... 40
2.2 Propiedades del concreto en estado fresco ...................................................... 42 2.2.1 Consistencia y trabajabilidad ......................................................................... 42 2.2.2 Tiempo de fraguado ....................................................................................... 43
2.3 Propiedades del concreto en estado endurecido .............................................. 44 2.3.1 Resistencia a la compresión .......................................................................... 45 2.3.2 Densidad y absorción .................................................................................... 45
3. La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el concreto hidráulico ....................................................................................................... 47
3.1 Parámetros de agrupación de los agregados para concreto hidráulico ............. 47 3.1.1 Procedencia ................................................................................................... 48 3.1.2 Densidad ....................................................................................................... 55 3.1.3 Tamaño y forma ............................................................................................. 55
3.2 Las arcillas en los agregados ........................................................................... 56 3.2.1 Clasificación de los minerales de arcilla ......................................................... 57 3.2.2 Principales elementos presentes en las arcillas ............................................. 61 3.2.3 Arreglos cristalinos típicos de las arcillas ....................................................... 63
4. Reología de suspensiones .................................................................................... 66 4.1 El flujo estacionario .......................................................................................... 66
4.1.1 La elasticidad ................................................................................................. 68 4.1.2 La viscosidad ................................................................................................. 69
4.2 Modelos reológicos para fluidos no newtonianos ............................................. 71
XVIII Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
4.2.1 El esfuerzo de fluencia o punto de flujo ......................................................... 73
5. Metodología de la investigación ........................................................................... 75 5.1 Selección de materiales .................................................................................... 75
5.1.1 Agregados finos ............................................................................................ 75 5.1.2 Cemento hidráulico ....................................................................................... 80 5.1.3 Aditivos para concreto base polímeros .......................................................... 81
5.2 Caracterización química, física y mineralógica de los agregados ...................... 83 5.2.1 Caracterización petrográfica .......................................................................... 83 5.2.2 Caracterización física y química .................................................................... 86
5.3 Determinación del diseño de las mezclas de concreto ...................................... 88 5.3.1 Cálculo de diseños de mezclas de concreto .................................................. 88 5.3.2 Modelamiento del concreto mediante mortero equivalente ............................ 91
5.4 Diseño del modelo experimental ....................................................................... 93 5.5 Caracterización del estado fresco de las mezclas de mortero ......................... 100 5.6 Caracterización del estado endurecido ........................................................... 108
6. Resultados y análisis ........................................................................................... 111 6.1 Caracterización de agregados finos y gruesos ................................................ 112
6.1.1 Propiedades físicas y distribución de tamaño de partícula .......................... 112 6.1.2 Azul de metileno y equivalente de arena ..................................................... 119 6.1.3 Análisis petrográfico de los agregados finos ................................................ 121 6.1.4 Análisis químico .......................................................................................... 140
6.2 Obtención de diseños de mezcla de concreto y mortero ................................. 143 6.2.1 Ensamble granulométrico y modelamiento gráfico por método de Shilstone 143 6.2.2 Modelamiento de morteros equivalentes ..................................................... 147
6.3 Análisis del estado fresco y endurecido .......................................................... 148 6.3.1 Análisis de reología indirecta ....................................................................... 148 6.3.2 Análisis de reología directa.......................................................................... 162 6.3.3 Desarrollo de propiedades en estado endurecido ........................................ 174
7. Conclusiones y recomendaciones ..................................................................... 183 7.1 Conclusiones .................................................................................................. 183 7.2 Recomendaciones .......................................................................................... 185
Bibliografía .................................................................................................................. 188
A. Anexo: Principales características de diferentes rocas que se emplean en el sector de la construcción ........................................................................................... 197
B.................... Anexo: Clasificación de formas de partículas por tamiz y fuente de agregado….. ................................................................................................................ 199
C....... Anexo: Parámetros reológicos de las mezclas de mortero equivalente por arena y tipo de polímero ............................................................................................. 204
Contenido XIX
Lista de figuras
Pág.
Figura 2-1: Productos de la hidratación del cemento y agregados reciclados .......... 36
Figura 2-2: Efecto de la adición de agua en la reología y resistencia a la compresión
del concreto….. .............................................................................................................. 38
Figura 2-3: Esquematización de la absorción de los policarboxilatos por parte de las
arcillas en la arena. Ejemplo de montmorillonita. ............................................................ 39
Figura 2-4: Esquematización del mecanismo de acción bloqueador y dispersante de
polímero polieléctrico sintetizado artificalmente para aplicación en concreto con arena de
mala calidad….. .............................................................................................................. 40
Figura 2-5: Determinación del asentamiento del hormigón mediante el cono de
Abrams……….. .............................................................................................................. 43
Figura 2-6: Esquematización y determinación del tiempo de fraguado inicial y final de
una mezcla de concreto hidráulico mediante penetrómetro y calorimetría isotérmica
(método indirecto). ......................................................................................................... 44
Figura 2-7: Evaluación de resistencia a la compresión en el concreto hidráulico ..... 45
Figura 3-1: Ciclo geológico de las rocas .................................................................. 49
Figura 3-2: Serie de Bowen ..................................................................................... 50
Figura 3-3: Clasificación y nomenclatura de rocas cristalinas de grano grueso según
sus contenidos de minerales nodales ............................................................................. 51
Figura 3-4: Composición de rocas sedimentarias mostrando 7 campos de agrupación
química……….. .............................................................................................................. 52
Figura 3-5: Factores para considerar al usar agregados de origen metamórfico en la
fabricación de concreto hidráulico .................................................................................. 54
Figura 3-6: Esquema de clasificación de arcillas en relación con los minerales de
silicato………… .............................................................................................................. 58
Figura 3-7: a. Modelo poliédrico de estructuras tetraédricas b. Modelo poliédrico de
estructuras octaédricas .................................................................................................. 62
Figura 3-8: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a. Gibbsita b. Vermiculita ........................................................... 63
Figura 3-9: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a. Caolinita b. Esmectita ............................................................. 64
Figura 3-10: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a. Halloysita b. Hidroxi-intercapa vermiculita y esmectita ........... 64
XX Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 3-11: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a Pirofilita b. Clorita .................................................................... 64
Figura 3-12: Esquema estructural de Mica (Moscovita). ............................................. 65
Figura 4-1: Deformación longitudinal de un cuerpo .................................................. 67
Figura 4-2: Componentes cartesianos de la tensión ejercida sobre un elemento finito
b. Matriz de tensiones sobre un elemento ....................................................................... 68
Figura 4-3: Respuesta de un sólido elástico ante los esfuerzos ............................... 68
Figura 4-4: Curvas típicas de esfuerzo deformación para un sólido.......................... 69
Figura 4-5: Flujo laminar de líquidos a bajo y alto esfuerzo de cizalla ...................... 70
Figura 4-6: a. Curvas de flujo para diferentes modelos reológicos b. Curvas de
viscosidad para distintos comportamientos reológicos .................................................... 72
Figura 4-7: Cambios en los principales parámetros reológicos de diferentes mezclas
de concreto hidráulico ..................................................................................................... 73
Figura 5-1: Esquematización de las 5 fases de la metodología experimental de la
investigación…. ............................................................................................................... 75
Figura 5-2: Microfotografías: a. cuarzoarenita con cemento silíceo b cuarzoarenita
con matriz…….. .............................................................................................................. 76
Figura 5-3: Ubicación Fuente de agregado fino 1 Zona Centro Cogua ..................... 77
Figura 5-4: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cogua.
Escala 1: 100.000 ........................................................................................................... 77
Figura 5-5: Clasificación composicional de las areniscas en la zona de estudio
Cogua…………. .............................................................................................................. 78
Figura 5-6: Ubicación Fuente de agregado fino 2 Zona Norte Cordobita .................. 79
Figura 5-7: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cogua.
Escala 1:100.000 ............................................................................................................ 79
Figura 5-8: Muestras de polímeros y policarboxilatos experimentales empleados
durante la experimentación. ............................................................................................ 82
Figura 5-9: Preparación y acopio de arena y material cementante para la fase
experimental….. .............................................................................................................. 83
Figura 5-10: A la izquierda estereomicroscopio y a la derecha microscopio CX 31P
para evaluación petrográfica ........................................................................................... 85
Figura 5-11: Estimación de porcentajes de porosidad e índices de redondez ............ 85
Figura 5-12: Evaluación de contenido y actividad de arcillas mediante azul de
metileno………. ............................................................................................................... 87
Figura 5-13: Diferentes combinaciones de agregados representadas en el cuadro del
factor de rugosidad de Shilstone. .................................................................................... 90
Figura 5-14: Correlación de dosis de aditivos entre mezclas de concreto y mezclas de
concreto equivalente ....................................................................................................... 93
Figura 5-15: Ejemplo de diseño de experimento central compuesto rotacional .......... 94
Figura 5-16: Viscosímetro y montaje experimental empleado para caracterización del
esfuerzo de fluencia de las mezclas de mortero equivalente........................................... 96
Figura 5-17: Metodología de mezclado para morteros equivalente con aditivos
químicos……… ............................................................................................................. 100
Figura 5-18: Equipo para determinación de flujo de morteros ASMT C 230 .............101
Figura 5-19: Montaje de Viscosímetro E para caracterización reológica de las
muestras de mortero y montaje de muestras para preparación de mezclas de
mortero……….. .............................................................................................................102
Figura 5-20: Esquematización del montaje reómetro b. Torque vs tiempo para
morteros tras 55 minutos de preparación ......................................................................103
Figura 5-21: Configuración final de la rutina de medición de parámetros reológicos de
las mezclas de mortero .................................................................................................104
Figura 5-22: Configuración inicial de la rutina de medición de parámetros reológicos de
las mezclas de mortero .................................................................................................105
Figura 5-23: Configuración intermedia de la rutina de medición de parámetros
reológicos de las mezclas de mortero, tramo de rotación constante. .............................106
Figura 5-24: Configuración final de la rutina de medición de parámetros reológicos de
las mezclas de mortero, tramo de rotación en descenso ...............................................107
Figura 5-25: Detalle del montaje para caracterización reológica y configuración de la
medición con husillo # 6 para mezclas pastosas y de mortero ......................................108
Figura 5-26: a. Calorímetro HPC utilizado para caracterización de cinética de
hidratación del cemento b. Análisis de tiempos de fraguado y simulación de resistencias
por método integrado ....................................................................................................110
Figura 5-27: Software Calcommander para análisis cuantitativo de mezclas de mortero
y de cemento mediante calorimetría de alta precisión ...................................................110
Figura 6-1: Límites de curvas granulométricas acorde con NTC 77 y NTC 78 para
agregados gruesos y finos y resultados experimentales de caracterización por tamaño de
partícula. a. Grava de ¾ la Calera b. Grava de ½ la Calera...........................................115
Figura 6-2: Límites de curvas granulométricas acorde con NTC 77 y NTC 78 para
agregados gruesos y finos y resultados experimentales de caracterización por tamaño de
partícula. a. Arena de Cogua b. Arena de Cordobita. ....................................................116
Figura 6-3: a. Sección delgada retenido en tamiz #8 b. Sección delgada retenidos en
tamices #16, #30 y # 50 ................................................................................................122
Figura 6-4: a. Fragmentos de tonalita meteorizada (I), roca en estado fresco con
cristales de plagioclasa, hornblenda b. tonalita meteorizada (II) con óxidos y cuarzos
microcristalinos. c. Dacita con tonalita con efectos de cloración. d. Metatonalita ...........123
Figura 6-5: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X tonalita compuesta por
plagiocasa (Plg) b. Presencia de cuarzo QX, Plagioclasa Plg y Honrblenda. c. Biotitas
deformadas d. Biotitas y Plagioclasas ...........................................................................124
Figura 6-6: . Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del rentenido en el
tamiz #16 con presencia de plagioclasas alteradas a siricita .........................................126
Figura 6-7: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del tamiz #30 con
presencia de tonalitas, biotitas y minerales oxidados con adiciones de cloritas .............127
Figura 6-8: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 20X cuarzos (Qz) b. Presencia
Hornblenda (Hbl). c. Cristales individuales de Biotita (Bt) d. Partículas de Plagioclasa
(Plg). Muestra de arena Cordobita, tamiz #50. ..............................................................129
Figura 6-9: Microfotografía PPL. XPL aumento 20X partículas de hidróxido de hierro
(HxFe) resultado de minerales con alteración para arena Cordobita. ............................129
XXII Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-10: a. Sección delgada retenida en tamiz #8 arena Cogua b. Sección delgada
retenida en tamices #16, #30 y # 50 arena Cogua ........................................................ 132
Figura 6-11: a. Fragmentos de cuarzoarenizca en arena Cogua b. Fragmento de
Lodolita c. Fragmento de Chert. d. Fragmento de Limolita ............................................ 132
Figura 6-12: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X con fragmentos de chert y
fósiles recristalizados en calcedonia. c. y d. Fragmentos de Chert con presencia de
materia orgánica representada con puntos negros. ...................................................... 134
Figura 6-13: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Lodolitas con alta
porosidad. c. y d. Fragmentos de lodolitas micáceas (Mic). .......................................... 135
Figura 6-14: Fragmentos de lodolitas oxidadas (Ox). ............................................... 135
Figura 6-15: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 10X cuarzoareniscas de grano
medio. b. Cuarzoareniscas de grano fino con matriz arcillosa. ...................................... 136
Figura 6-16: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Limolita arcillosa con granos de
cuarzo embebidos en una matriz arcillosa. b. Limolita silícea compuesta por granos de
cuarzo y cemento silíceo. .............................................................................................. 136
Figura 6-17: Microfotografía PPL. XPL aumento 10X limolita calcárea, los colores que
rodean los granos de cuarzo son carbonatos que componen la matriz de la roca. ........ 137
Figura 6-18: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el
tamiz # 16. .................................................................................................................... 138
Figura 6-19: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el
tamiz # 30. .................................................................................................................... 138
Figura 6-20: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el
tamiz # 50. .................................................................................................................... 139
Figura 6-21: FRX muestra de arena Cordobita y Cogua ............................................. 142
Figura 6-22: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cogua con
método gráfico de Shilstone. ......................................................................................... 144
Figura 6-23: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cordobita con
método gráfico de Shilstone. ......................................................................................... 146
Figura 6-24: Modelamiento estadístico de superficies de respuesta en Minitab 19 ..... 152
Figura 6-25: Modelamiento de efectos estandarizados entre variables para selección del
modelo estadístico ........................................................................................................ 153
Figura 6-26: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de reducción de agua
frente a arena Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. ................................. 154
Figura 6-27: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de reducción de agua
frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. ................................. 156
Figura 6-28: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de retención de flujo
frente a arena de Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. ................................. 159
Figura 6-29: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de retención de flujo
frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. ................................. 161
Figura 6-30: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de
Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base policarboxilato EXP 3457 .......................163
Figura 6-31: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de
Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1931-1 ..........164
Figura 6-32: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de
Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1831-5. .........165
Figura 6-33: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia inicial frente a
arena de Cordobita a 0 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. .................................167
Figura 6-34: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia final frente a
arena de Cordobita a 30 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. .................................169
Figura 6-35: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia inicial frente a
arena de Cogua a 0 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. .................................171
Figura 6-36: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia final frente a
arena de Cogua a 30 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5. .................................173
Figura 6-37: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 1 día a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ..................174
Figura 6-38: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 3 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ................175
Figura 6-39: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 7 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ................176
Figura 6-40: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 28 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua ..............177
Figura 6-41: Calorimetría isotérmica para polímeros convencionales y polieléctricos con
Arena de Cordobita a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de
resistencias. ..................................................................................................................179
Figura 6-42: Calorimetría isotérmica para polímeros convencionales y polieléctricos con
Arena de Cogua a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de resistencias.
......................................................................................................................................180
XXIV Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Contenido XXV
Lista de tablas
Pág.
Tabla 2-1: Mercado y aplicaciones del concreto hidráulico en el sector de la
construcción.. ................................................................................................................. 34
Tabla 2-2: Límites de composición aproximados para cemento Portland Tipo I ......... 35
Tabla 3-1: Clasificación de las rocas sedimentarias por forma y tamaño ................... 53
Tabla 3-2: Morfología de agregado reciclado comparado con un agregado natural ... 55
Tabla 3-3: Clasificación de los agregados según su tamaño ...................................... 56
Tabla 3-4: Carga aproximada entre capas para 2:1 filosilicatos ................................. 60
Tabla 3-5: Cationes típicos presentes en las estructuras de filosilicatos .................... 62
Tabla 5-1: Cantidades de materiales para la ejecución experimental ......................... 82
Tabla 5-2: Diseño de experimentos con 2 variables de entrada para análisis de
superficie de respuesta .................................................................................................. 98
Tabla 6-1: Granulometría, absorción y densidad grava de 3/4" origen la Calera .......113
Tabla 6-2: Granulometría, absorción y densidad grava de 1/2" origen la Calera .......114
Tabla 6-3: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cordobita ..................117
Tabla 6-4: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cogua .......................118
Tabla 6-5: Valores experimentales de equivalente de arena para fuentes de Cordobita
y Cogua……. .................................................................................................................119
Tabla 6-6: Valores experimentales de absorción de azul de metileno para fuentes de
Cordobita y Cogua ........................................................................................................120
Tabla 6-7: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cordobita ....................121
Tabla 6-8: Porcentaje en composición de diferentes tipos de roca para agregado de
Cordobita…… ...............................................................................................................125
Tabla 6-9: Grado de meteorización para cada tamaño de partícula de la fuente de
agregado fino Cordobita ................................................................................................128
Tabla 6-10: Composición porcentual de partículas evaluadas con minerales nocivos
para Arena de Cordobita ...............................................................................................130
Tabla 6-11: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cogua .....................131
Tabla 6-12: Porcentaje en composición de diferentes tipos de roca para agregado de
Cogua…………. ............................................................................................................133
Tabla 6-13: Grado de meteorización para cada tamaño de partícula de la fuente de
agregado fino Cogua .....................................................................................................137
Tabla 6-14: Composición porcentual de partículas evaluadas con minerales nocivos
para Arena de Cogua ....................................................................................................140
XXVI Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tabla 6-15: Fluorescencia de rayos X para arena Cordobita y Cogua ..................... 141
Tabla 6-16: Resultados evaluación de absorción por TOC ...................................... 142
Tabla 6-17: Propiedades de diseños de mezcla de concreto para arena Cogua ..... 145
Tabla 6-18: Propiedades de diseños de mezcla de concreto para arena Cordobita 146
Tabla 6-19: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cogua ...... 147
Tabla 6-20: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cordobita . 147
Tabla 6-21: Resultados experimentales de reología indirecta para policarboxilato
experimental 3457 y arena de Cordobita....................................................................... 149
Tabla 6-22: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero
polieléctrico experimental 1931-1 y arena de Cordobita ................................................ 150
Tabla 6-23: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero
polieléctrico experimental 1831-5 y arena de Cordobita ................................................ 150
Tabla 6-24: Resultados experimentales de reología indirecta para policarboxilato
experimental 3457 y arena de Cogua. .......................................................................... 151
Tabla 6-25: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero
polieléctrico experimental 1931-1 y arena de Cogua. .................................................... 151
Tabla 6-26: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero
polieléctrico experimental 1831-5 y arena de Cogua. .................................................... 152
Introducción
En la actualidad, el concreto hidráulico constituye uno de los materiales de mayor
utilización en el sector de la construcción, y es de vital importancia para el crecimiento de
la infraestructura de la mayor parte de los países del mundo. Su composición, se basa en
una mezcla de agua, cemento, agregados pétreos (gruesos y finos) y aditivos químicos,
los cuales desempeñan funciones particulares en el concreto que le permiten adquirir
diferentes propiedades de desempeño y facilitan su utilización en distintos campos de la
ingeniería civil orientados a proyectos estructurales y geotécnicos (L. Olanitori, 2006).
La arena en particular, constituye el segundo recurso natural más explotado por el hombre
después del agua (Environmental Justice Organizations. Liabilities and Trade, 2014) y los
agregados pétreos, de los que la arena hace parte, se han convertido en uno de los
recursos de mayor utilización en los últimos años en Colombia con una expectativa de
explotación de más de 320 millones de toneladas durante la próxima década
(ASOGRAVAS, 2016), dado el emergente consumo de los materiales para la construcción.
Esta explotación desmesurada, ha traído como consecuencia no solo el deterioro del suelo
y del medio ambiente, sino que además ha generado la escasez de fuentes de materiales
que cumplan con los requerimientos de calidad necesarios, para poder ser incorporados
en la fabricación del concreto.
Lo anterior, ha generado un problema de disponibilidad de agregados gruesos y finos para
el concreto, que ha obligado a los constructores a transportar a través de grandes
distancias los materiales de calidad aceptable causando sobrecostos y procesos
constructivos poco sustentables (Gök & Kılınç, 2016). De este modo, hoy en día el sector
de la construcción en Colombia se ve enfrentado inevitablemente a la utilización de
agregados de mala calidad, contaminados por la presencia de impurezas minerales,
arcillas y productos micáceos, que deterioran en gran medida factores de desempeño en
el concreto tanto en estado fresco como endurecido y que no son posibles de mitigar
28 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
mediante el lavado con recursos hídricos dadas las regulaciones y políticas de protección
ambiental instauradas en el país (MINVIVIENDA, 2015).
Por lo anterior, hoy en día el problema de la mala calidad de los agregados para su uso en
concretos hidráulicos en Colombia (en particular las arenas para concreto), es uno de los
focos de mayor importancia a nivel de investigación industrial y uno de los temas más
estratégicos, dados los altos consumos de concreto que se esperan producir con los
agregados con presencia de arcillas activas y minerales micáceos, pues tan solo una de
las fuentes de agregados de mayor importancia en el país en la región de Antioquia, planea
proveer material suficiente para abastecer el mercado de concretos con alrededor de
20.000 m3 al mes (El país, 2014).
Aunque algunos autores, han estudiado la inhibición del efecto negativo de las arcillas y
las micas en el concreto hidráulico usado en proyectos de infraestructura y geotecnia como
la estabilización de taludes y construcción de túneles mediante concreto lanzado (Uriel,
2012), las propuestas hasta ahora generadas, poseen limitaciones relacionados con
seguridad industrial en la implementación, sobrecostos y efectos secundarios sobre el
concreto como la pérdida acelerada de la fluidez al momento de la colocación del material
en la obra.
Adicionalmente, muchos países del mundo con un grado de crecimiento en infraestructura
elevado como India, Turquía, Nigeria, México entre otros, poseen problemas equivalentes
del concreto al usar sus agregados locales, en términos del deterioro de la resistencia a la
compresión y flexión y la pérdida de manejabilidad acelerada en el tiempo a pesar de los
consumos de agua elevados (Pal et al., 2012), (L. Olanitori, 2006).
Lo anterior, ha despertado el interés por parte de los investigadores hacia identificar
alternativas favorables para mitigar el efecto de las impurezas sobre los agregados finos
en el concreto Hidráulico. Olanitori & Olotuah, (2005) estudiaron el comportamiento de la
resistencia a la compresión del concreto hidráulico al incluir diferentes contenidos de arcilla
activa reduciendo hasta en un 70% la resistencia compresiva del diseño evaluado a los 28
días. Ngugi, Mutuku, & Gariy, (2014) ejecutaron un estudio realizado con 27 fuentes de
Objetivo General 29
agregados provenientes de Nairobi que exceden los límites permisibles de contenido de
material orgánico y de arcillas, deduciendo que el concreto colapsa en términos de la
resistencia a la compresión esperada a 28 días; adicionalmente, proponen una regresión
empírica que permite la determinación de la resistencia a la compresión del concreto
hidráulico teniendo en cuenta el contenido de arcillas e impurezas. Dichos aportes, aunque
vitales en el entendimiento del efecto de los agregados de mala calidad en el concreto, no
poseen una visión sobre el efecto de los materiales durante el estado fresco del hormigón,
lo cual puede impactar directamente sobre el costo y colocación de proyectos a nivel de
infraestructura.
Otros investigadores como Kondelchuk & Miskovsky, (2009), estudiaron el efecto de la
mica en los agregados y su influencia en el deterioro de las estructuras de pavimentos,
proponiendo el uso de técnicas como el azul de metileno y la determinación del equivalente
de arena en el estudio cualitativo y cuantitativo de la presencia de Micas en los agregados
usados en pavimentos. Este aporte, resalta de forma importante los beneficios de las
técnicas indirectas de caracterización de agregados en el concreto, pues es importante
tener en cuenta las limitaciones científicas y tecnológicas que poseen muchos proyectos
en el mundo, donde no se dispone de todos los recursos y tiempo para hacer análisis
detallados de las fuentes de materiales empleados en las obras.
Por su parte, Uriel (2012) estudió el problema de los agregados con minerales indeseables
desde varios focos. Por un lado, se propuso la utilización de tres procesos con función
dispersiva para mitigar el efecto de las arcillas en la arena presente en el concreto
hidráulico, como la sonicación, la radiación Gamma y la utilización de soluciones de
diferentes aminas. Con dichos métodos, el autor de la investigación obtuvo resultados
satisfactorios en la reducción del agua y un notable mejoramiento en la reducción del efecto
activo, que poseen las arcillas en el concreto hidráulico al interactuar agregado y ligante
(cemento hidráulico). Sin embargo, es posible hacer uso de esta investigación, para notar
las limitantes de estas tecnologías en términos de aplicabilidad industrial y sobrecostos,
dadas las limitantes normales del desarrollo de proyectos de construcción en un país como
Colombia.
30 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Otros autores como Ramachandran, (1997), se han inclinado por la rama de la durabilidad
del concreto, resaltando el papel fundamental que tiene el estudio e inhibición de
patologías como la reactividad álcali agregado y su relación con la actividad de los
agregados de mala calidad que son incluidos en los concreto hidráulicos. Este investigador,
propuso el uso de reemplazos de cemento por adiciones de carácter puzolánico con el fin
de reducir el efecto de actividad de los agregados y de las partículas de mica y arcilla
presentes en el mismo, mejorando el desempeño en estado fresco y principalmente en
estado endurecido del material al incrementar su durabilidad en el tiempo. Este enfoque,
genera un gran aporte en términos del control de los efectos de las impurezas en los
agregados de mala calidad del concreto, sin embargo, tal como otros investigadores el
principal enfoque a través de los años hasta la fecha ha sido el mejoramiento de las
condiciones únicamente en estado endurecido dejando de lado las implicaciones de la
colocación y la reología del concreto durante su estado fresco.
Por otro lado, un aspecto de gran relevancia dentro del análisis de los materiales de mala
calidad en el mundo del concreto hidráulico, es el gran impacto ambiental generado por la
explotación del subsuelo; por ello, los ingenieros Ara Jeknavorian & Koehler (2010),
resaltaron la importancia del uso de los materiales locales para la elaboración del concreto,
que solo plantean factible mediante el uso de aditivos químicos basados en modificadores
de viscosidad, con el fin de optimizar las mezclas con bajos contenidos de cemento e
incrementar su desempeño en estado fresco mejorando notablemente las características
de ciertos concretos. Este enfoque, resalta la importancia del estudio del comportamiento
reológico del concreto, como una herramienta de vital importancia a la hora de fijar y medir
nuevas tecnologías químicas que permitan usar materiales pétreos locales en el hormigón
reduciendo notablemente los impactos ambientales generados por esta industria.
Finalmente, es importante mencionar que, en los últimos años, se ha venido investigando
e implementando el uso de nuevas tecnologías químicas aplicables al concreto. Este es el
caso de Liu, Jianan, & Lai (2017), quienes han propuesto el diseño y síntesis de
policarboxilatos mediante la reorganización y cationización de Hofmann con el fin de
obtener un efecto intercalador que mejora el comportamiento del concreto hidráulico en
presencia de agregados con contenidos significativos de arcillas activas. Con sus aportes
Objetivo General 31
y teniendo en cuenta el enfoque de diferentes investigadores a través de los años, se han
obtenido recientemente resultados importantes en cuanto el mejoramiento del desempeño
del concreto, abriendo a su vez, nuevas oportunidades en la investigación de la reología
del hormigón y el uso de nuevas generaciones de aditivos que permitan hacer uso de
materiales con características indeseables, pero inevitables en la producción del concreto
hidráulico.
De esta manera, la utilización de aditivos químicos basados en tecnología de
polimerización y el uso de polímeros polielectrolíticos, abren una nueva posibilidad de
estudio sobre el mejoramiento, mitigación y redispersión de las partículas perjudiciales en
los agregados finos, como las arcillas y las micas (Liu et al., 2017). Es en esa dirección
que se ha planteado esta investigación, buscando aportar al estudio y mejoramiento del
comportamiento e interacción de las partículas con el cemento como ligante hidráulico y a
su vez, el desempeño de los concretos utilizado en proyectos de gran envergadura y
requerimiento estructural como son la construcción de túneles, vías, presas hidroeléctricas
y la producción de concretos de diferente especificación.
Este documento se estructura de la siguiente forma: En el Capítulo 1 se presentan los
objetivos que se persiguen con la Tesis de Maestría. En los Capítulos 2 a 4 se presenta la
fundamentación teórica pertinente para comprender el problema abordado y las principales
variables. En el Capítulo 5 se detalla la estrategia metodológica seguida para la selección
de materiales, el diseño experimental y pruebas realizadas para su respectiva
caracterización; los principales hallazgos de la investigación se analizan en el Capítulo 6,
a partir de lo cual se plantean las conclusiones y recomendaciones en el Capítulo 7.
32 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
1. Objetivo General
▪ Estudiar la reducción del impacto negativo que genera la presencia de arcillas activas
y minerales como las micas en agregados finos, sobre el comportamiento del concreto
hidráulico en estado fresco y endurecido mediante la utilización de polímeros
polieléctricos que mejoren sus características de colocación y durabilidad.
1.1 Objetivos específicos
▪ Identificar de manera cuantitativa y cualitativa las características químicas, físicas y
mineralógicas más importantes de los agregados finos de mala calidad presentes en
dos fuentes de gran importancia en la producción de concreto hidráulico como son las
provenientes de Cordobita y Cogua.
▪ Analizar el efecto y la interacción química de la base química que mejor reduce los
efectos perjudiciales de los agregados finos de mala calidad sobre el concreto
hidráulico en el estado fresco.
▪ Estudiar los efectos físicos y químicos inducidos por el uso de polímeros polieléctricos
en la reología de concretos usando el método de mortero equivalente con presencia
de arcillas activas o productos micáceos.
▪ Evaluar el desempeño del concreto hidráulico en estado endurecido utilizando las
diferentes bases químicas de polímero con el fin de potenciar su uso en concretos
requeridos en diferentes aplicaciones de la construcción.
Tecnología del concreto hidráulico 33
2. Tecnología del concreto hidráulico
Siendo el concreto hidráulico el principal material empleado por el sector de la construcción
en el mundo es necesario entender de manera general su definición, comportamiento y
características medibles de desempeño. Por lo anterior, a continuación, se realiza una
recopilación de conceptos alrededor de este importante eje temático.
2.1 El concreto hidráulico
El concreto hidráulico, es el material de mayor importancia e impacto a nivel mundial en
términos de la construcción y en muchos casos en términos de desarrollo. Es un material
caracterizado por ser ampliamente versátil y económico, y se compone principalmente de
una mezcla entre agregados gruesos conocidos como la grava, agregados finos o arenas,
materiales cementantes (entre los que se encuentran el cemento hidráulico y las adiciones
de cemento), agua, aire y en la actualidad, aditivos químicos, con los que es posible
concebir el concreto hidráulico de altas prestaciones.
Sus aplicaciones y su uso se encuentran ampliamente ligados al material cementante que
se emplea, pues dependiendo de sus prestaciones y composición química, será posible
ejecutar proyectos que definen diferentes características del concreto como son su
manejabilidad, su transporte, su facilidad de bombeo, su resistencia y colocación, entre
otras.
A continuación, se esquematizan algunas de las principales aplicaciones del concreto,
empleado como material de construcción (Kosmatka & Wilson, 2013).
34 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tabla 2-1: Mercado y aplicaciones del concreto hidráulico en el sector de la
construcción.
Fuente: Elaboración propia
Las aplicaciones mencionadas en la tabla anterior muestran una amplia gama de usos del
concreto en el campo de las estructuras y en el campo geotécnico. Por ejemplo, más del
70 % de los puentes construidos a nivel mundial son fabricados en concreto hidráulico y
los pavimentos de durabilidad extendida, junto con los edificios de mayor altura a nivel
mundial (de enorme necesidad a nivel global), son fabricados también con este material
(Kosmatka & Wilson, 2013).
A continuación, se expondrán de manera clara algunos de los aspectos fundamentales de
los principales componentes del concreto hidráulico, entre ellos algunos temas
relacionados con el desempeño técnico y las tendencias de consumo, que son de gran
importancia para entender el desarrollo de la investigación planteada en este documento.
2.1.1 Cemento
El cemento hidráulico, como es conocido en la actualidad, es un producto pulverizado
resultado de un proceso de varias fases, entre ellas: la extracción de materiales, la
molienda primaria de materias primas, la calcinación, sinterización y clinkerización de las
arcillas y la caliza, la molienda secundaria y el empaquetado del producto terminado. Dicho
material posee propiedades conglomerantes al generar una reacción química con el agua
que crea productos de hidratación que endurecen en el tiempo por procesos de
cristalización incrementando sus prestaciones mecánicas.
Concreto hidráulico
Puentes
Edificaciones
Mampostería
Parqueaderos
Pavimentos
Sector Residencial
Vías para vehículos y trenes
Estbilización de suelos y CCR
Tratamiento de basuras
Recursos hídricos
Tecnología del concreto hidráulico 35
La composición del cemento hidráulico es ampliamente diversa en términos de las
principales fases que componen su Clinker y en términos de los principales óxidos
presentes en la mezcla. Entre los principales componentes del cemento encontramos el
yeso o sulfato de calcio CaSO4 en diferentes grados de hidratación, óxidos de hierro Fe2O3,
óxidos de sílice SiO2, aluminas Al2O3 y óxidos de calcio CaO principalmente.
A continuación, se presenta una forma generalizada de la composición del cemento
Portland, que, aunque en la actualidad varía en gran medida, permite tener una idea global
de sus principales componentes en forma de óxidos:
Tabla 2-2: Límites de composición aproximados para cemento Portland Tipo I
Componente Contenido (%)
CaO 60-67
SiO2 17-25
Al2O3 3,0-8,0
Fe2O3 0,5-6,0
MgO 0,1-4,0
Álcalis 0,2-1,3
SO3 1,0-3,0
Fuente: Rivera L, 2011
Los óxidos, se combinan a altas temperaturas para formar las principales fases del Clinker,
cuya función depende de su estructura y composición. El C2S o silicato dicálcico (2CaO
SiO2), cumple una función de aporte principalmente en las resistencias tardías moderando
el calor de hidratación, el C3S o silicato tricálcico (3CaOSiO2) aporta a las resistencias
iniciales y en cierta medida a las resistencias finales, el C3A o aluminato tricálcico (3CaO
Al2O3) se hidrata para formar productos de hidratación o etringita en presencia de yeso y
su función principal es controlar la velocidad de hidratación de las demás fases, y
finalmente el C4AF o ferroaluminato tetracálcico (4CaOAl2O3Fe2O3) aporta poco al
desarrollo de resistencias, funciona como material fundente y es responsable del color gris
del cemento.
36 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 2-1: Productos de la hidratación del cemento y agregados reciclados
Fuente: (“Hydration Products of Cement | Chemical Reaction | Significance,” n.d.)
Es importante tener en cuenta que los anteriores componentes no son compuestos puros,
pues el proceso de fabricación genera la producción y mezcla de impurezas de óxidos de
diferentes estructuras cristalinas y amorfas, que pueden impactar directamente sobre las
propiedades esperadas de cada tipo de cemento (Rivera L, 2011).
Por otro lado, es importante comprender el proceso de endurecimiento del cemento y de
forma similar la ganancia de resistencia del concreto hidráulico, pues esta propiedad,
obedece al desarrollo de una serie de reacciones químicas (Abbas & Majdi, 2017), que son
fundamentales para entender el comportamiento del concreto en su estado fresco y
endurecido. Además, los reactivos propuestos en las siguientes reacciones químicas
desempeñan un rol de gran importancia a la hora de diseñar y hacer uso de aditivos
químicos que mejoren el comportamiento del concreto hidráulico.
A continuación, se muestra de manera esquemática las reacciones químicas implicadas
en cada una de las fases del Clinker que compone el cemento en su proceso de
hidratación. Para el caso de los silicatos de calcio, se muestra cómo al hidratarse generan
calor de hidratación dado el carácter exotérmico de la reacción.
▪ Nomenclatura para componentes químicos del cemento:
Tecnología del concreto hidráulico 37
▪ Reacciones de hidratación y calor de reacción de las fases silicato en el cemento
portland
Por su parte, los aluminatos presentes en el cemento poseen diferentes formas de
hidratarse, ya que no solamente se desarrollan productos de hidratación convencionales
sino que se crean estructuras como la etringita y el monosulfoaluminato, responsables de
la interacción y efecto de muchos aditivos químicos en el concreto.
▪ Reacciones de hidratación de las fases aluminosas en el cemento portland
Finalmente se muestra la hidratación de las fases férricas del cemento, que
escencialmente aportan poco en el desarrollo de muchas propiedades del cemento y el
concreto hidráulico en general.
▪ Reacciones de hidratación de las fases ferroaluminosas en el cemento portland
2.1.2 El agua en el concreto
En los apartados anteriores, se describió la forma en la que el cemento y de la misma
manera el concreto adquieren propiedades de resistencia, mediante el desarrollo de
reacciones químicas de hidratación. Dichas reacciones, surgen de la presencia del agua,
que constituye otro de los componentes claves en el concreto hidráulico, pues de esta
depende el proceso de hidratación misma del cemento en donde son obtenidos los
cristales de hidratación C-S-H, que le confieren características de ligante y resistencia al
hormigón.
38 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
La naturaleza química del agua no requiere para el concreto, características especiales
más allá de no tener altos contenidos de impurezas y encontrarse en condiciones
termodinámicas aptas para ser empleada en la mezcla del concreto, es decir, tener una
temperatura apta para su inclusión. Sin embargo, debe proporcionarse adecuadamente
pues un porcentaje de ella genera productos de hidratación con los cementantes y otra
ayuda al comportamiento reológico del concreto. Este componente debe controlarse
respecto a la proporción de cementante, pues dependiendo de la relación agua cemento
se generará un resultado distinto de resistencia a la compresión y durabilidad de la
estructura.
Figura 2-2: Efecto de la adición de agua en la reología y resistencia a la compresión
del concreto
Fuente: NRMCA, 2017
2.1.3 Los polímeros polieléctricos en el concreto
Una de las mayores limitaciones en la actualidad para el uso de los policarboxilatos de
tercera generación en el concreto, es la presencia de arcillas y minerales de tipo filosilicato,
pues su actividad catiónica o morfológica, disminuye notablemente la capacidad de
dispersión y efecto estérico de este tipo de dispersantes (Chen, Lei, Du, Du, & Chen, 2018).
El efecto que generan este tipo de matrices arcillosas se muestra a continuación.
Tecnología del concreto hidráulico 39
Figura 2-3: Esquematización de la absorción de los policarboxilatos por parte de las
arcillas en la arena. Ejemplo de montmorillonita.
Fuente: (Chen et al., 2018)
Como se muestra en la Figura 2-3, la estructura interna de las arcillas presentes en los
agregados finos puede poseer actividad catiónica debido a los radicales libres, que pueden
atraer directamente a los policarboxilatos debido a su composición química en términos
del grupo carboxilo.
Por lo anterior, en la actualidad se han generado formas novedosas de sintetizar moléculas
capaces de ser selectivas a la hora de generar dispersión y a su vez generar un
sostenimiento del asentamiento del concreto adecuado a pesar de la alta actividad que
presentan los agregados de mala calidad con presencia de minerales, alto contenido de
finos o incluso componentes reciclados (Woolf, 2019).
Los polímeros polielécticos, constituyen una nueva base química y una forma novedosa
de bloqueo y mitigación de los minerales y morfologías que hacen inaprovechables los
agregados de mala calidad alrededor del mundo. Su mecanismo de acción se basa en la
forma en que es sintetizado el polímero y la forma en la que se construyen sus cadenas
orgánicas, de esta forma, actúa de manera diferente a los policarboxilatos convencionales
al ser capaz de dispersar el cemento y el agua del concreto de manera independiente a la
mayoría de las arcillas y minerales micáceos que se puedan encontrar en la matriz de la
mezcla (Master Builders Solutions, 2020). Gracias a su uso reciente en países europeos,
asiáticos y recientemente latinoamericanos, es posible incrementar la sustentabilidad del
uso de materiales de construcción como la arena, mitigando los efectos de contaminación
por transporte, lavado o sobreexplotación de fuentes de agregado convencional.
Grupo Silano
en la capa de
arcilla
40 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 2-4: Esquematización del mecanismo de acción bloqueador y dispersante de
polímero polieléctrico sintetizado artificalmente para aplicación en concreto con arena de
mala calidad.
Fuente:(Master Builders Solutions, 2020)
2.1.4 Los agregados
Los agregados constituyen otro de los componentes de mayor importancia en el concreto
hidráulico. A diferencia de los demás componentes, estos poseen propiedades inherentes
de resistencia y aportan esencialmente propiedades mecánicas al concreto. Usualmente
la adición de los mismos permite generar reducción de la contracción en el concreto
además de aumentar la coherencia entre los componentes que constituyen el hormigón.
En un diseño de mezcla de concreto convencional, la proporción de agregados en volumen
es de un 60% a un 75% (Shetty, 2000), y aunque usualmente son considerados la parte
inerte del concreto, varían de manera morfológica y química en gran des rangos, lo cual
puede afectar incluso químicamente las propiedades deseables del concreto en términos
de manejabilidad, consumos de agua, aditivo e incluso en el desarrollo de patologías.
Tecnología del concreto hidráulico 41
Clasificación de los agregados
Los agregados usados en el concreto hidráulico son clasificados como agregados
pesados, livianos y agregados normales. Los agregados normales, suelen clasificarse en
agregados naturales de origen industrial y reciclados como se muestra en la siguiente lista.
Además de lo anterior, los agregados pétreos y finos pueden clasificarse dependiendo de
su tamaño, su origen geológico y su textura (Shetty, 2000).
En términos de su fuente u origen, pueden ser agregados de rocas ígneas, los cuales
tienen usualmente más dureza y densidad dado que provienen de una roca en una
estructura masiva; éstas por lo general suelen ser mucho más activas químicamente y
pueden ser reactivas a largo plazo en presencia de los demás componentes del concreto
hidráulico. Los agregados de rocas sedimentarias están sujetos a rocas que han sido
expuestas al sol, lluvia y viento y que se han fragmentado o depositado en forma de
partículas ya sea en los océanos, ríos entre otras fuentes. Éstas suelen tener densidades
medias, varían de rigidez baja a media y suelen ser las de mejor comportamiento en el
concreto (Abo-El-Enein et al., 2014). Por otro lado, los agregados de rocas metamórficas
provienen de fuentes que han sido sujetas a altas presiones y temperaturas, lo cual hace
que su estructura mineralógica haya cambiado en el tiempo, de esta manera, varían
ampliamente en sus características químicas, físicas y de morfología.
Lo anterior, permite resaltar la importancia de una selección adecuada de agregados a la
hora de fabricar un hormigón, considerando los aspectos de su naturaleza química, física
y económica, pues como se evidencia en la actualidad, el agregado es una variable
adicional de gran importancia que afecta directamente el comportamiento reológico del
concreto, pues interactúa químicamente con el aditivo y el cemento de la mezcla. Esto se
Naturales
Arenas, gravas, triturados
Rocas como granito
Cuarcitas y basaltos
Areniscas
Origen Industrial
Ladrillo fracturado
Escoria enfriada al aire
Cenizas sinterizadas
Arcillas hinchadas
Reciclados
Concreto devuelto
Trituración
Vidrios reciclados
42 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
da por la presencia de impurezas en el agregado (principalmente el agregado fino), como
micas, arcillas o limos, que tienen estructuras cargadas que afectan al agua de diseño y el
aditivo químico empleado en el concreto. En capítulos posteriores se describirá en detalle
la clasificación de las arcillas en los agregados y la afectación que éstas pueden generar
en el concreto hidráulico.
2.2 Propiedades del concreto en estado fresco
La calidad del concreto hidráulico, depende ampliamente de diferentes variables, entre
ellas, sus características durante su estado plástico o semifluido. Un concreto ideal, debe
ser manejable, tener uniformidad, fluidez adecuada y debe soportar adecuadamente
tratamientos superficiales que le dan el acabado a la estructura. Por ello, con el fin de
comprender de manera adecuada cómo son controladas algunas de estas propiedades,
se ilustran a continuación, algunas de las características más importantes del concreto
hidráulico, las cuales definen el comportamiento de este material durante su estado fresco.
2.2.1 Consistencia y trabajabilidad
La consistencia del concreto constituye una de las propiedades más comunes y medidas
en la industria de la construcción desde hace muchos años, su valor, permite conocer la
fluidez relativa del hormigón dada una relación agua cemento para un diseño de mezcla
específico. Determinar, su magnitud y conocer su comportamiento en el tiempo, establecen
la manejabilidad del concreto, pues dependiendo de cómo se conserve la fluidez del
material durante su estado plástico se obtendrán buenas o malas características de
colocación.
La consistencia del concreto hidráulico se determina mediante la ASTM C143 Standard
Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete o la NTC 396 y se emplea el cono
de Abrams para concer el valor de asentamiento de la mezcla evaluada (Kosmatka &
Wilson, 2013). La esquematización de este ensayo se muestra en la Figura 2-5.
Tecnología del concreto hidráulico 43
Figura 2-5: Determinación del asentamiento del hormigón mediante el cono de Abrams
Fuente: Kosmatka & Wilson, 2013
2.2.2 Tiempo de fraguado
La determinación del tiempo de fraguado permite conocer la forma en la que se desarrollan
internamente las reacciones químicas de hidratación implicadas en el proceso de
colocación del concreto, y permiten determinar el momento en el que el concreto ha pasado
del estado fresco al estado endurecido (Gómez-Zamorano, García-Guillén, & Acevedo-
Dávila, 2015). Usualmente se determina mediante el ensayo de penetración descrito por
la norma ASTM C 403 o NTC 890, pero existen también diversas metodologías analíticas
que permiten analizar de una mejor forma el endurecimiento del hormigón en el tiempo
como la calorimetría semiadiabática o isotérmica.
La forma en la que se esquematiza generalmente el ensayo de penetración para
determinar el fraguado inicial y final del concreto se muestra a continuación, y su
interpretación se relaciona directamente con el desarrollo de la resistencia a la compresión
de una mezcla de concreto a edades iniciales.
44 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 2-6: Esquematización y determinación del tiempo de fraguado inicial y final de
una mezcla de concreto hidráulico mediante penetrómetro y calorimetría isotérmica
(método indirecto).
Fuente: Kosmatka & Wilson, 2013
Como se ve en la figura anterior, la calorimetría isotérmica permite relacionar de manera
comparativa el tiempo de fraguado de cada mezcla, siendo el tiempo de fraguado inicial
el primer tercio de la curva desde su periodo de aceleración y el fraguado final el tiempo
obtenido en el segundo tercio del periodo acelerado de la curva de hidratación (Hu, Ge, &
Wang, 2014).
2.3 Propiedades del concreto en estado endurecido
Aunque el concreto es un material de composición heterogénea pero que al pasar su
tiempo de endurecimiento se comporta de manera homogénea, es de gran relevancia
analizar sus características una vez se ha consolidado como un material artificial que será
sometido a diferentes esfuerzos y condiciones ambientales en las estructuras que
compone. En los siguientes apartados, se realiza una breve descripción de las principales
propiedades que describen este importante periodo en la elaboración y vida útil del
hormigón.
Resis
tencia
a la p
enetr
ació
n M
Pa
Tiempo en minutos
Fraguado final
Fraguado inicial
Tecnología del concreto hidráulico 45
2.3.1 Resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión es la característica más importante del concreto hidráulico
en su estado endurecido; su magnitud y desarrollo a diferentes edades, determina la
capacidad portante de las estructuras a la hora de ser puestas en servicio.
Los métodos más usados para su determinación en América se encuentran alrededor de
las normas ASTM, entre ellas la ASMT C 31 o ASMT C 192. En ellas, se describe la forma
en que especímenes cilíndricos o núcleos son elaborados y fallados a compresión, con el
fin de determinar un promedio que, de manera estadística, es un excelente indicador del
desarrollo de la resistencia a la compresión de la mezcla de concreto antes y después de
su colocación.
Figura 2-7: Evaluación de resistencia a la compresión en el concreto hidráulico
Fuente: Kosmatka & Wilson, 2013
2.3.2 Densidad y absorción
La densidad del concreto en estado endurecido depende de diferentes variables, entre
ellas el método constructivo, el contenido de aire, la relación agua cemento entre otros.
Esta propiedad, permite generar una relación entre la densidad en estado fresco y el
endurecido, además de dar una idea relacionada con el contenido de vacíos en la muestra
y adicionalmente su resistencia a la compresión. Usualmente, puede determinarse
mediante la norma ASMC C 642 Standard Test Method for Density, Absorption, and Voids
Edad del concreto en días
Resis
ten
cia
a l
a c
om
pre
sió
n a
lo
s 2
8 d
ías d
el co
ncre
to
cu
rad
o
Curado en húmedo todo el tiempo
Al aire a 7 días
Al aire a 3 días
46 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
in Hardened Concrete, y puede emplearse la ecuación 𝐷𝑆𝑆𝐷 = 𝑀1𝜌
𝑀1− 𝑀2
(2.1) para calcular su valor en condición de saturación superficialmente seco (Iffat, 2015).
𝐷𝑆𝑆𝐷 = 𝑀1𝜌
𝑀1− 𝑀2 (2.1)
Donde
𝐷𝑆𝑆𝐷 corresponde a la densidad del concreto en estado SSD
𝜌 es la densidad del agua 100 Kg/m3 (62,4 lb/ft3)
𝑀1 es la masa al aire del espécimen, Kg (lb)
𝑀2 es la masa del espécimen sumergido en Agua, Kg (lb)
Generalmente esta propiedad es el resultado de procesos de desarrollo microestructural
dados en el tiempo, por ello la porosidad de un concreto y su densidad dependerán de la
edad en la que se realice el ensayo.
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
47
3. La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el concreto hidráulico
Como se mostró en el desarrollo del capítulo anterior, el concreto hidráulico, siendo el
material de construcción por excelencia, posee una gran cantidad de características y
propiedades que determinan y afectan directamente su desempeño tanto en estado fresco
como en estado endurecido. Los agregados pétreos y finos en particular tienen una
trascendencia de alto impacto dentro de la estructura del concreto, pues no solo generan
aporte a la resistencia mecánica y la coherencia del material, si no que interactúan
químicamente con los materiales cementantes y los aditivos presentes en las mezclas de
hormigón.
Para entender mejor su comportamiento y características, es importante conocer en mayor
detalle el origen y condiciones de fabricación (en caso de ser artificiales o reciclados) de
cada tipo de material, además de conocer sus particularidades en términos de impurezas
y presencias de arcillas, cuyo contenido, ha venido afectando altamente el comportamiento
adecuado de los concretos hidráulicos alrededor del mundo, debido a la sobre explotación
de los materiales pétreos que obligan a hacer uso de agregados de baja calidad en
términos de composición química y morfología.
A continuación, se describen los aspectos de mayor relevancia referentes a la clasificación
de las fuentes de material y se realiza una conceptualización detallada referente a las
impurezas de los agregados finos, en especial las arcillas.
3.1 Parámetros de agrupación de los agregados para concreto hidráulico
Los agregados pétreos y finos empleados en las mezclas de concreto hidráulico, suelen
definirse dependiendo de su origen, forma, mineralogía y textura. A continuación, se
muestran algunos de los parámetros de mayor importancia referentes a la agrupación de
diferentes tipos de agregado (Al-Neshawy, 2003).
48 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
3.1.1 Procedencia
Dentro de los parámetros de clasificación de mayor importancia para los agregados, se
encuentra su procedencia, pues de esta dependen la mayor parte de las características
principales del agregado presente en el concreto hidráulico, dependiendo si su origen es
natural o artificial, en el Anexo: Principales características de diferentes rocas que se
emplean en el sector de la construcción , se presentan algunas de las principales
características relacionadas con el método de explotación de diferentes tipos de roca y su
susceptibilidad a cambios por meteorización.
Agregados naturales
Los agregados naturales, provienen de diferentes fuentes aluviales, glaciares y canteras
que derivan de distintos tipos de roca, y constituyen la fuente de mayor importancia y grado
de explotación a nivel mundial. Poseen como característica común, el provenir de una
masa de mayor dimensiones (Rivera L, 2011), la cual es fragmentada por procesos
naturales entre los que se encuentran la abrasión, el efecto de las condiciones ambientales
o el intemperismo, y pueden ser procesadas también mediante medios artificiales de
carácter mecánico (trituración o pulverización).
Según su proceso de origen y formación geológica, los agregados naturales pueden
provenir de rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, lo cual determina de manera
general muchas de las propiedades químicas y características de desempeño del material
en el concreto hidráulico (Gutierrez, 2003). Por ejemplo, los materiales de granito de origen
ígneo, se componen principalmente de cuarzo, feldespatos, mica y otros minerales,
mientras que la mayoría de la calizas de origen sedimentario tienen proporciones altas en
calcita (CaCO3), dolomita (CaMg(CO3)2) y trazas de cuarzo y arcillas.
La forma en la que los tipos de roca se alteran, es de vital importancia al momento de
entender el comportamiento mineralógico y químico de los materiales que forman el
agregado. Por ello, a continuación, se describe en la Figura 3-1 de manera esquemática
el ciclo geológico de las rocas, donde agentes como la temperatura, la presión, la
cementación entre otros, pueden generar cambios significativos sobre el comportamiento
del agregado dependiendo de su origen.
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
49
Figura 3-1: Esquema general del ciclo geológico de las rocas
Fuente: Gutierrez, 2003
Donde:
M: corresponde al proceso de meteorización D: proceso de depósito Q: Calor P: Presión T: Transporte C: Proceso de cementación S: Solución de minerales o compuestos químicos
Por otro lado, los agregados empleados en la industria del hormigón a nivel mundial varían
ampliamente en términos de morfología, composición química y estado cristalino. Por ello
las técnicas como la petrografía de agregados y el uso de la caracterización por SEM, son
herramientas invaluables a la hora de conocer el origen de los materiales. Su
entendimiento, permite relacionar de una forma adecuada el desempeño de un concreto
con el tipo de agregado en términos de hidratación y pérdida de manejabilidad.
50 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Agregados de origen ígneo
A continuación, con el fin de comprender de una manera más clara las características
químicas de los agregados, se muestra en la Figura 3-2 la serie de Bowen, la cual explica
de manera genérica los cambios generados en los agregados provenientes de rocas, de
acuerdo con fenómenos externos y adición de minerales durante el tiempo.
Figura 3-2: Serie de Bowen
Fuente: Marchena, 2019
Como se observa en el esquema anterior, la serie de Bowen permite identificar las
asociaciones minerales de rocas ígneas mediante una diferenciación en composición
química y apariencia (Gutierrez, 2003). Por ejemplo, los materiales que se encuentran en
la parte de arriba son ricos en Mg y Ca, y generalmente se caracterizan por ser de colores
oscuros; en el caso de los materiales ubicados en la parte media, se tiene por lo general
agregados de apariencia de color gris, y los de la parte interior suelen ser los que generan
mayor estabilidad química a diferencia de materiales basados en olivino, piroxeno y
anortita.
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
51
En el caso particular de las biotitas (resaltadas en la Figura 3-2), se encuentran minerales
altamente variables en términos de su composición química. Sin embargo, pese a su
relativamente buena estabilidad, suelen ser fácilmente exfoliables e interactúan
ampliamente con el agua incluida en el concreto, el cementante y los aditivos empleados
durante su proceso de plastificación del hormigón. En el apartado 3.2 se describen en
detalle algunas de las características de mayor importancia relacionadas con las micas,
arcillas y agregados cristalinos perjudiciales para el comportamiento del concreto
hidráulico.
A continuación, se observa el diagrama QFPA (véase Figura 3-3), el cual es una
herramienta de gran utilidad, a la hora de comprender las características mineralógicas y
químicas de un agregado, dependiendo de su contenido de Cuarzo, Feldespato,
Feldespato alcalino y plagioclasa (Gillespie & Styles, 1999). Al realizar una evaluación de
los materiales mediante petrografía, es posible conocer en qué parte del equilibrio
cuaternario se encuentra un material, y de esta forma, se puede establecer la relación de
los minerales existentes con su composición en términos de compuestos químicos.
Figura 3-3: Clasificación y nomenclatura de rocas cristalinas de grano grueso según sus
contenidos de minerales nodales
Fuente: Gillespie & Styles, 1999.
52 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Agregados de origen sedimentario
Dentro de los agregados que provienen de rocas sedimentarias, se encuentran gran parte
de las arenas y gravas a nivel mundial. Generalmente se clasifican de acuerdo con sus
características de forma y tamaño, y dependiendo de sus características químicas, se
obtendrá un resultado de desempeño diferente en las mezclas de concreto, dependiendo
del origen del material.
Comúnmente, las los agregados provenientes de rocas sedimentarias, poseen
composiciones variables de caliza, sílice y magnesio (Yang, 2015). Su composición
química y estructura cristalina determinarán la resistencia e interacción química del
material, con el agua, los aditivos y los materiales ligantes en una mezcla de concreto.
Figura 3-4: Composición de rocas sedimentarias mostrando 7 campos de agrupación
química
Fuente: Hill, Werner, & Horton, 1997.
Entender en detalle este tipo de materiales es de gran importancia, pues el 75% de las
rocas en la superficie de la tierra son sedimentarias, entre las que hay un 46% de lutitas,
32% de areniscas y 22% de calizas (Gutierrez, 2003). Las diferencias entre ellas, generar
mayor o menor interacción química con los principales materiales que componen una
mezcla de concreto, trayendo consigo afectaciones o beneficios en términos de la reología
A. Grupo silíceo
B. Sílice mezclada y grupo de
arcillas
C. Sílice combinada y grupo
carbonato
D. Grupo de arcillas
E. Arcillas mezcladas y grupo
carbonato
F. Grupo Carbonato
F1. Carbonato común
F2. Carbonato de alta
pureza
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
53
y colocación de la mezcla. A continuación, se muestra como complemento de la
composición química, la clasificación de las rocas sedimentarias dependiendo de la forma
del grano y su tamaño.
Tabla 3-1: Clasificación de las rocas sedimentarias por forma y tamaño
Roca Grano Forma de grano mas
general
Tamaño del grano en
mm
Conglomerado Cantos y
gravas Redondeado 256-64
Brecha Fragmentos
Liticos Angulares 64-5
Arenisca Arena Redondeado o Angular 5-0,074
Limolita Limo Redondeado 0,074- 0,002
Arcillolita Arcilla Laminar < 0,002
Fuente: (Gutierrez, 2003)
Agregados de origen metamórfico
Este tipo de rocas genera agregados que han venido cambiando en términos de estructura
cristalina en el tiempo. Este proceso, se debe a la ocurrencia de efectos químicos y físicos
(como la presión, la temperatura o la presencia de sustancias químicas), que modifican las
propiedades activas y de composición de este tipo de materiales (Yang, 2015).
Dentro de este tipo de agregados, es indispensable considerar las variaciones de
composición química, ya que se puede presentar altos contenidos de arcillas o micas, que
como se consideró en el apartado de los agregados de rocas ígneas, pueden traer
consecuencias negativas sobre la reología y el desarrollo de resistencias del concreto.
54 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 3-5: Factores para considerar al usar agregados de origen metamórfico en la
fabricación de concreto hidráulico
Fuente: Elaboración propia
Agregados artificiales o de origen industrial
Dentro del sector de la construcción, y en especial en la fabricación del concreto hidráulico,
se han venido empleando con más frecuencia los agregados artificiales o de
transformación industrial, cuyo origen proviene generalmente de materiales reciclados, o
expandidos mediante procesos industriales. Las aplicaciones de estos agregados
dependen de las propiedades específicas de desempeño para cada tipo de concreto; entre
los principales usos de estos materiales, se tiene la realización estructuras ultralivianas,
crear pavimentos permeables o altamente absorbentes, generar muros de aislamiento
para la radiación o el calor, entre muchas otras.
Las características químicas de este tipo de agregados afectan altamente el desempeño
del concreto, pues el origen del agregado se liga directamente con su composición. Ya sea
que se trate de un material a base de perlita expandida, arcilla calcinada, o concreto
demolido que se recicla con el fin de generar nuevo agregado (Yoon, Kim, Choel, Lee, &
Lee, 2015).
Porosidad del agregado
Resistencia a factores
climáticos como temperatura y
humedad
Contenidos de mica, arcillas,
grafitos y piritas
Bandeamiento y foliiación
Tipo de cementante y tecnología de
aditivo
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
55
Tabla 3-2: Morfología de agregado reciclado comparado con un agregado natural
Fuente: Yoon et al., 2015
3.1.2 Densidad
La densidad de los materiales pétreos empleados en el concreto hidráulico, influencia en
gran medida diversas propiedades como la dureza, la porosidad y el consumo de agua
para la hidratación del cementante. Por ello, se emplea una diferenciación de estos
materiales basándose en la masa que ocupa el volumen total del agregado (teniendo en
cuenta los vacíos), donde los agregados pueden ser ligeros o normales si su densidad está
entre 480-1040 Kg/m3 o entre 1300-1600 kg/m3 respectivamente.(Gutierrez, 2003)
3.1.3 Tamaño y forma
La clasificación más conocida de los agregados en la industria de la construcción es el
tamaño y forma típica de los materiales, la cual obedece a los tamaños de los materiales
desde la escala en milímetros hasta los centímetros. Esta propiedad de los materiales se
conoce como la granulometría de los agregados, y es uno de los factores de mayor
Forma trasversal de la sección
Tipo de
agregado Agregado Concreto
Agregado
Natural
(Granito)
Agregado
artificial liviano
(Ceniza
calcinada)
56 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
importancia al momento de realizar un diseño de mezcla de concreto. A continuación, se
relaciona la forma en la que pueden clasificarse los agregados dependiendo de su tamaño
de sección.
Tabla 3-3: Clasificación de los agregados según su tamaño
Tamaño en mm Denominación
más común Clasificación
Uso como agregado en
concreto
<0,002 Arcilla Fracción muy fina No recomendable
0,002-0,074 Limo Fracción fina Aplicaciones como llenante
mineral
0,074-4,76 (#200-#4) Arena Agregado fino Material apto para mortero y
concreto
4,76-19,1 (#4-3/4") Gravilla
Agregado grueso
Material apto para concreto
19,1-50,8 (3/4"-2") Grava Material apto para concreto
50,8-152,4 (2"-6") Piedra
> 152,4 (6") Rajón, Piedra bola Concreto ciclópeo
Fuente: Rivera L, 2011
Cabe subrayar que el uso de materiales más finos en el concreto trae consecuencias sobre
el desempeño reológico del concreto, pues las arcillas o arenas con impurezas impactan
altamente el uso y desempeño de los aditivos, cuya interacción química aumenta el
consumo de agua y reduce el tiempo de vida de la manejabilidad de un hormigón.
3.2 Las arcillas en los agregados
La presencia de ciertos minerales arcillosos en los agregados finos del concreto, como las
arcillas, las micas y las piritas, constituye uno de los problemas de mayor relevancia a nivel
mundial en términos de los materiales de construcción. Su actividad química y naturaleza
física son características que conducen inevitablemente al consumo excesivo de agua en
concretos hidráulicos, pérdida de trabajabilidad en poco tiempo y sobrecostos por el uso
de aditivos convencionales. Por ello, en este apartado se describe al detalle las
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
57
características de mayor importancia relacionadas con la mineralogía y química de estas
impurezas que causan tantas dificultades en los procesos de fabricación del concreto
hidráulico en el mundo.
3.2.1 Clasificación de los minerales de arcilla
Las arcillas, constituyen un grupo de estructuras basadas en filosilicatos en su mayor parte,
con propiedades físico-químicas de gran importancia, que dependen de su tamaño de
partícula (generalmente < 2 µ), de su formación geológica y del ambiente en donde se
encuentran (Guerra, 2014).
Las propiedades de estos minerales son de vital importancia en la formación de suelos, en
el enriquecimiento superficial de minerales, en el ciclo biogeoquímico terrestre de metales,
e incluso en procesos farmacéuticos y de catálisis industrial. Lo anterior, se debe a la
intensa reactividad que caracteriza en general este tipo de materiales, debida a la carga y
polarización de los átomos en el interior de estas estructuras. Sin embargo, dicha actividad
presente en los agregados (generalmente finos) empleados en el concreto, puede traer
una afectación en términos de durabilidad, disminución de resistencias, y principalmente,
pérdida acelerada de la manejabilidad y consumos excesivos de agua en el concreto pese
al uso de aditivos químicos (Schulze & Lafayette, 2005).
Para comprender de mejor manera, la forma en la que se encuentran compuestos estos
minerales, y a su vez, entender su interacción química con los aditivos químicos y el agua
empleada en la producción de concreto. Se muestra en la Figura 3-6 la clasificación y
principales características de las arcillas en los agregados pétreos.
58 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 3-6: Esquema de clasificación de arcillas en relación con los minerales de
silicato.
Fuente: (Brindley, 1952)
Como se observa en el diagrama anterior, las arcillas constituyen un grupo diverso de
minerales y formas cristalinas que poseen propiedades conjuntas, que se resumen
principalmente en los siguientes aspectos (Guerra, 2014):
1. Poseen un tamaño de partícula inferior a 2 µm
2. Generalmente poseen estructuras con sustituciones isomórficas, que dan lugar a
la aparición de cargas sobre las superficies laminares de las arcillas, y
adicionalmente poseen cationes en su interior, los cuales están ligados débilmente,
generando interacción con los aditivos y el agua del concreto causando bajo
desempeño.
3. Tienen una morfología interna típicamente laminar de filosilicatos que las hace
altamente activas en los agregados.
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
59
La sustitución isomorfa, mencionada en ítem 2, es de gran importancia en el análisis de la
actividad de las arcillas, pues se encuentra relaciona directamente con el consumo
excesivo y variable del agua por parte de estos materiales; dicha propiedad, se conoce
como la capacidad de intercambio iónico.
Capacidad de intercambio iónico CEC
La capacidad de intercambio iónico CEC Cation Exchange capacity, se define como la
habilidad de los minerales de arcilla presentes en los materiales (puede ser en los
agregados), de absorber cationes, que posteriormente interactúan y son intercambiados
fácilmente con otros iones, presentes en soluciones acuosas (Lxxi et al., 2015).
Esta propiedad, determina en gran medida el grado de absorción de agua y de otros
materiales como los aditivos químicos, por parte de las arcillas, causando efectos adversos
sobre una mezcla de concreto. La capacidad de intercambio catiónico de estos materiales
depende en gran medida de la cantidad de arcilla en las arenas y adicionalmente del área
superficial específica de cada mineral arcilloso.
Para definir este parámetro, se emplea el método de hexamida de cobalto que se
fundamenta en la determinación de la concentración de los cationes de Co [NH3]6+++, cuyo
resultado se expresa como el peso de miliequivalentes por 100 g de material. Es decir,
meq/100g o mval/100g (Lxxi et al., 2015). A continuación, se muestra la expresión
empleada para la determinación de esta propiedad.
𝐶𝐸𝐶 =100 𝑤 𝐶𝑤𝑧𝑉𝑤𝑧(1−
𝐴𝑝𝑟
𝐴𝑤𝑧)
𝑚𝑝𝑟 (3.1)
Donde:
CEC: es la capacidad de intercambio catiónico (mval/100g) W: valencia del catión indicador (w=3 para hexamida de cobalto) 𝐶𝑤𝑧 : Concentración molar de solución de hexamida de cobalto [mmol/l] 𝑉𝑤𝑧 : es el volumen de la solución de hexamida de cobalto
𝑚𝑝𝑟 : masa de la muestra (g)
60 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
𝐴𝑤𝑧 : Absorbancia de solución de hexamida de cobalto 𝐴𝑝𝑟 : Absorbancia de solución de hexamida de cobalto después de haber sido mezclada
con la muestra.
Los parámetros de carga característicos de las arcillas se pueden relacionar en gran parte
con su actividad y afectación sobre el concreto hidráulico (Ermut, 2001). Por ello, en la
Tabla 3-4 se muestran algunas de las propiedades de carga entre las capas que
constituyen los principales minerales de las arcillas.
Tabla 3-4: Carga aproximada entre capas para 2:1 filosilicatos
Mineral Carga de la capa por media
celda unitaria [O10(OH)2]
Masa molecular media
(M)2 [O10(OH)2]
CEC intercapa
cmolckg-1
Hectorita 0,20-0,25 380 50-65
Montmorillonita 0,25-0,40 360 70-110
Vermiculita 0,50-0,80 390 130-210
IIlita 0,60-0,90 385 20-40
Biotita ~1,00 450 ~220
Muscovita ~1,00 390 ~260
Fuente: Ermut, 2001
Aunque la CEC suele ser un parámetro determinado mediante métodos químicos, pueden
emplearse técnicas complementarias que permiten medir su magnitud mediante absorción
ya sea por azul de metileno como técnica indirecta o absorción de moléculas orgánicas
mediante la técnica cuantitativa y directa del TOC Total Organic Carbon (Amann-
Hildenbrand, Bertier, Busch, & Krooss, 2013).
En la siguiente sección, se describen algunos detalles relacionados con la composición
principal de las arcillas y su estructura cristalina, la cual resulta fundamental para relacionar
adecuadamente los análisis petrográficos con la estructura típicamente esperada en cada
uno de los materiales seleccionados para la fabricación de un concreto hidráulico.
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
61
3.2.2 Principales elementos presentes en las arcillas
Para comprender en detalle la composición química de las arcillas presentes en los
materiales del concreto. Cabe destacar la composición química de los materiales que
forman el planeta, donde se encuentra 75% de O y Si, con partes remanentes de algunos
otros elementos que van decreciendo respectivamente en abundancia como Al, Fe, Ca,
Na, K, Mg, Ti, H, P u Mn (Schulze & Lafayette, 2005).
Dichos elementos no son estables en su forma metálica, dada la presencia de altas
cantidades de O2- en forma de aniones, cuya electronegatividad, obliga a los cationes de
los elementos mencionados en el párrafo anterior, a formar óxidos y arreglos cristalinos
que comprenden estructuras de átomos empaquetados. Estos arreglos, son las principales
características que describen a las arcillas, entre las que encontramos diferentes
estructuras cristalinas, principalmente tetraédricas y octaédricas.
Estructuras en forma de hojas tetraédricas
Las capas de algunas arcillas poseen estructuras principalmente compuestas por el SiO4,
cuya estructura cristalina forma un arreglo en forma de tetraedro gracias a la presencia de
tres iones de O2-. Estos aniones, se encuentran por lo general en el mismo plano y el cuarto
anión de O2-, no comparte enlaces con los demás SiO4 de la estructura, quedando libre
para realizar enlaces con otros elementos y estructuras poliédricas (Schulze & Lafayette,
2005). Como esta estructura está cargada, permanece inestable, formando estructuras de
minerales completas, solo en presencia de los cristales octaédricos explicadas en el
siguiente apartado. En la Figura 3-7, se esquematiza la estructura de los cristales de hoja
tetraédricos.
Estructuras en forma de hojas octaédricas
En el caso de estas estructuras cristalinas, se tiene un arreglo de octaedros, donde cada
uno de ellos, comparte dos oxígenos entre sí (Barton & Karathanasis, 2002). En este caso,
el espacio entre los octaedros es ocupado por cationes típicamente trivalentes como es el
caso del Al3+, o interactuar con cationes de bajo tamaño como es el caso del hidrógeno, el
62 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
cual genera cargas de tipo aniónico en el interior de los arreglos. A continuación, se
muestra esta estructura de manera gráfica.
Figura 3-7: a. Modelo poliédrico de estructuras tetraédricas b. Modelo poliédrico de
estructuras octaédricas
a. b.
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
Dependiendo de la presencia de los anteriores arreglos de manera simultánea, sencilla o
combinados, se puede determinar el tipo de cationes mayoritariamente presentes en los
espacios basales de los cristales. Esta información, permite comprender la forma en la que
las arcillas interactúan ampliamente con el agua y sustancias químicas solubles al interior
de las mezclas de concreto, que emplean agregados contaminados con este tipo de
minerales.
Tabla 3-5: Cationes típicos presentes en las estructuras de filosilicatos
Tipo de estructura Catión
Solamente tetraédrica Si4+
Tetraédrica y
octaédrica Al3+, Fe3+
solamente octaédrica Mg2+, Ti4+, Fe2+, Mn2+
sitios entre capas Na+, Ca2+, K+
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
63
Finalmente, con el fin de comprender al detalle la forma en la que se encuentran dispuestas
a nivel químico, las principales arcillas en las arenas empleadas en mezclas de concreto
hidráulico. Se describirán de manera esquemática en el siguiente apartado, los arreglos
estructurales y atómicos típicos de las arcillas en forma de impurezas en los agregados
pétreos del hormigón.
3.2.3 Arreglos cristalinos típicos de las arcillas
Dado que actualmente, la fabricación de concretos hidráulicos hace uso de materiales finos
(arenas) con alta presencia de impurezas en forma de minerales arcillosos, comprender la
naturaleza química y estructural de las arcillas es de vital importancia a la hora de plantear
métodos de mitigación. Por ello, se esquematiza en las siguientes figuras, el detalle de las
estructuras cristalinas y el intercambio de iones posibles al interior de estos minerales.
Figura 3-8: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a. Gibbsita b. Vermiculita
a.
b.
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
64 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 3-9: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a. Caolinita b. Esmectita
a. b.
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
Figura 3-10: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de octaedros
y tetraedros a. Halloysita b. Hidroxi-intercapa vermiculita y esmectita
a. b.
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
Figura 3-11: Esquema estructural de minerales arcillosos basados en hojas de
octaedros y tetraedros a Pirofilita b. Clorita
a. b.
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
La importancia de los agregados y sus características químicas y físicas en el
concreto hidráulico
65
Figura 3-12: Esquema estructural de Mica (Moscovita).
Fuente: Schulze & Lafayette, 2005
Como se puede observar en las estructuras de algunas de las arcillas, la presencia, tamaño
y tipo de espacios basales y arreglo cristalino, inciden altamente en el intercambio de
cationes con sustancias presentes en los alrededores. Por ejemplo, en el caso de las
micas, existe un exceso de carga negativa en capas de 2:1, lo que genera un balanceo de
cationes monovalentes, que normalmente son tomados del entorno (como K+ y Na+). En el
caso del concreto, puede ser de los aditivos, o de los hidrógenos presentes en el agua de
mezclado (Schulze & Lafayette, 2005).
Por su parte, el grupo de minerales arcillosos como la esmectita, poseen una estructura
2:1 con una carga menor por peso en la formulación (entre 0,6 y 0,2), lo que hace que
exista una capa intermedia de cationes intercambiable idealmente con la fórmula M0,33 +
Al2 (Si 3,67Al0,33)O10(OH)2(Schulze & Lafayette, 2005). Dicho M+ representa, los cationes que
pueden ser intercambiados, principalmente constituidos por Ca2+, Mg2+ o similares, que
pueden estar presentes en la solución de poros del concreto en estado fresco.
De acuerdo con lo mencionado hasta ahora, y dado que las estructuras de los minerales
de arcilla pueden constituir estructuras simplificas como en las figuras anteriores, o incluso
combinarse para formar sistemas de intercambio iónico más complejos como es el caso
de los filosilicatos de interestratificación. El estudio de la interacción de estos materiales
en los agregados de mala calidad el concreto, con los aditivos, el cemento y el agua de las
mezclas, es imprescindible a la hora de generar mecanismos de mitigación. Para ello, se
presentan en el siguiente capítulo algunos conceptos fundamentales de la reología del
concreto, con el fin de tener una herramienta de gran utilidad en el estudio y
relacionamiento de las arcillas presentes en le concreto, con el detrimento de sus
propiedades en el estado fresco.
66 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
4. Reología de suspensiones
Desde hace muchos años, la reología como la ciencia encargada del estudio de del flujo y
la deformación de los materiales en presencia de esfuerzos, ha sido útil e importante en
distintas aplicaciones investigativas e industriales, como el desarrollo de nuevos materiales
cerámicos, el estudio de suspensiones farmacéuticas y biológicas, entre otras. El concreto
hidráulico en estado fresco, constituye una suspensión de materiales mayoritariamente
inorgánicos, cuyas particularidades e interacción química hacen necesario el uso de la
reología, para entender en mayor detalle las posibilidades de colocación de este material,
su facilidad de bombeo, su interacción con agentes químicos en forma de aditivos y su
trabajabilidad en el tiempo.
A continuación, se describirán los detalles de los conceptos fundamentales relacionados
con el estudio del flujo y la deformación de los materiales en suspensión, con el fin de
contextualizar el uso de los polímeros polieléctricos, en el mejoramiento de las
características reológicas de concretos que emplean materiales con altos contenidos de
minerales de arcilla que hacen difícil su colocación y manejo.
4.1 El flujo estacionario
Las mezclas de concreto hidráulico, poseen un comportamiento reológico de gran interés
durante su estado fresco. El esfuerzo y la deformación que recaen sobre la mezcla, son
conceptos fundamentales para poder establecer sus condiciones de bombeo, colocación
y manejabilidad.
Reología de suspensiones 67
La deformación ingenieril, es la base fundamental del estudio de la reología de las
suspensiones. Esta se define como la deformación longitudinal de un elemento debido a
una fuerza externa de tracción. La ecuación de Cauchy, relacionada con la definición de
Hencky, describe este comportamiento de cambio longitudinal en un elemento (Moreno,
2005).
𝛾𝑛 = 𝑙𝑛(1 + 𝛾𝑐) (4.1)
Donde 𝛾𝑐 corresponde a la deformación ingenieril y 𝛾𝑛 corresponde a la deformación
natural de un cuerpo elástico.
Para esquematizar de manera clara este comportamiento, se muestra en la Figura 4-1 el
esquema sobre un elemento deformado de manera extensional.
Figura 4-1: Deformación longitudinal de un cuerpo
Fuente: Rouseel, 2012.
La reología, puede afectar a un material debido a esfuerzos tangenciales o de cizalla. Por
ello, es necesario determinar exactamente el estado de tensión de un material, cuya
afectación se encuentra definida en nueve componentes cartesianos distintos, que
consideran esfuerzos σxy (Rajadell, Planelles, & Climente, 2014), referidos a la orientación
y dirección de la fuerza sobre la sustancia en estudio. A continuación, se esquematiza la
matriz y diagrama de esfuerzos en cada componente sobre un elemento finito.
68 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 4-2: Componentes cartesianos de la tensión ejercida sobre un elemento finito
b. Matriz de tensiones sobre un elemento
a. b.
Fuente: Rajadell, Planelles, & Climente, 2014
4.1.1 La elasticidad
Dentro del estudio de la reología de las suspensiones como el concreto hidráulico, es
importante definir la elasticidad, cuyo concepto muestra como un cuerpo sólido se deforma
y recupera instantáneamente su condición inicial. Normalmente este cambio ocurre en tres
estados: el reposo, la deformación instantánea mientras se encuentra presente el esfuerzo
y finalmente la recuperación.
Al analizar esto de manera gráfica, y mediante el análisis de la fuerza tangencial aplicada
sobre un área uniforme. Se puede definir la tensión o esfuerzo de cizalla en relación a la
deformación mediante la ley de Hooke (Moreno, 2005).
Figura 4-3: Respuesta de un sólido elástico ante los esfuerzos
Fuente: Moreno, 2005
Reología de suspensiones 69
𝜏 = 𝐺 𝑑𝐿
𝑑𝑦= 𝐺 𝑡𝑔𝛾 = 𝐺 𝛾 (4.2)
Donde se tiene los principales parámetros relacionados con la definición de viscosidad,
siendo:
𝜏 el esfuerzo de cizalla F/A
𝐺 el módulo de Young o de elasticidad 𝑑𝐿 corresponde a la deformación longitudinal
𝑑𝑦 corresponde a la distancia entre las láminas del flujo del fluído
𝛾 corresponde a la relación de 𝑑𝐿
𝑑𝑦 como la deformación generada por el esfuerzo
Con lo anterior, es posible identificar el comportamiento de la elasticidad en diferentes tipos
de materiales, donde es posible o nó que el cuerpo recupere su estado inicial, siendo estos
materiales con comportamiento de elasticidad lineal, elasticidad no lineal o elastoplástico.
A continuación, se esquematiza la respuesta de cada uno de estos casos.
Figura 4-4: Curvas típicas de esfuerzo deformación para un sólido.
Fuente: Moreno, 2005
4.1.2 La viscosidad
Comprendidos los conceptos anteriormente expuestos, es posible relacionar la definición
de la viscosidad, como la resistencia de un material a romper su estructura, al generarse
una deformación que es irreversible (Rouseel, 2012). Esta propiedad viene definida por el
gradiente de velocidad del esfuerzo que se realiza en el fluido, teniendo en cuenta la
distancia presente entre los planos paralelos, que representan las superficies en donde se
encuentra el fluido. A continuación, se esquematiza este concepto.
70 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 4-5: Flujo laminar de líquidos a bajo y alto esfuerzo de cizalla
Fuente: Moreno, 2005
Teniendo en cuenta esto, bajo un estado de flujo estacionario (donde la propiedad no
depende del tiempo), podemos definir la viscosidad de la siguiente manera.
𝜏 = 𝜂 �̇� (4.3)
Donde 𝜂 corresponde a el coeficiente de viscosidad o la viscosidad de un fluido, siendo
esta propiedad característica de cada tipo de material, como, por ejemplo, una mezcla de
concreto con ciertas características determinadas. �̇�, corresponde a el gradiente de
velocidad para el flujo de un fluido, de acuerdo con la siguiente expresión diferencial
(Moreno, 2005).
�̇� = 𝑑𝛾
𝑑𝑡=
𝑑𝐿𝑑𝑦⁄
𝑑𝑡 (4.4)
Entonces
𝑑𝐿𝑑𝑦⁄
𝑑𝑡=
𝑑𝐿𝑑𝑡⁄
𝑑𝑦=
𝑑𝑣
𝑑𝑦 (4.5)
Luego, para el caso de la viscosidad se tiene:
�̇� = 𝑑𝑣
𝑑𝑡 (4.6)
Reología de suspensiones 71
𝜏 = 𝜼 𝑑𝑣
𝑑𝑡 (4.7)
La viscosidad, como muchas propiedades físicas y químicas de los materiales, se ve
alterada por diferentes factores externos. Entre ellos, se tiene la velocidad de la cizalla, el
efecto de la temperatura e incluso el efecto de la presión. Cada una de estas variables,
puede alterar significativamente el comportamiento de un fluido dependiendo si este
obedece a un comportamiento newtoniano o no newtoniano.
Dado que en el caso de las mezclas de concreto hidráulico, no existe un comportamiento
newtoniano, pues su viscosidad no permanece constante en la medida que el esfuerzo de
la cizalla cambia durante el tiempo. Es necesario considerar algunos de los aspectos de
mayor importancia, relacionados con los modelos reológicos que atañen a los fluidos no
newtonianos.
4.2 Modelos reológicos para fluidos no newtonianos
Teniendo en cuenta que el concreto hidráulico es una mezcla de materiales heterogéneos,
y que sus propiedades de viscosidad dependen altamente de la relación agua cemento,
de la proporción de mezcla de agregados, aditivo, y el esfuerzo de cizalla que se ejerce
sobre la mezcla al ser transportado o bombeado; es importante describir el comportamiento
de los fluidos no newtonianos.
En este caso, los fluidos presentan una viscosidad que tiende a incrementar o a disminuir
dependiendo de la velocidad del esfuerzo aplicado a la mezcla. Cuando la viscosidad
disminuye, se tiene una fluidificación por cizalla, y en este caso se tiene un fluido con
pseudoplasticidad o plasticidad (Moreno, 2005). Para este caso, se define un punto de flujo
o esfuerzo de fluencia fijo, donde se genera un esfuerzo mínimo para que se produzca flujo
de la mezcla o sustancia de interés.
Por el contrario, en algunos casos algunas sustancias fluidas tienden a aumentar la
viscosidad por el esfuerzo de cizalla, en cuyo caso se tiene un comportamiento de
72 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
espesamiento por cizalla o de dilatancia. A continuación, se muestra el comportamiento
reológico de diferentes fluidos en donde la viscosidad depende de la velocidad de la cizalla.
Figura 4-6: a. Curvas de flujo para diferentes modelos reológicos b. Curvas de
viscosidad para distintos comportamientos reológicos
a. b.
Fuente: Moreno, 2005, Banfill, 1991
Para el caso particular de las mezclas de hormigón, existe suficiente evidencia científica,
que permite determinar que el modelo que mejor describe el comportamiento reológico del
concreto, es el flujo plástico de Bingham (Rouseel, 2012). En cuyo caso, se presenta una
viscosidad plástica y esfuerzo de fluencia constantes para cada mezcla determinada. Este
modelo, permite caracterizar de manera cuantitativa las principales variables que
determinan el comportamiento en estado fresco de una mezcla de concreto hidráulico, y
por lo general, corresponden como el modelo newtoniano a formas lineales de describir el
flujo de las mezclas.
Su ecuación característica viene definida por la siguiente expresión:
𝜏 = 𝜏𝑜 + 𝜂𝑝 �̇� (4.8)
Donde
𝜏𝑜 corresponde al esfuerzo de fluencia o punto de flujo
𝜂𝑝 es la viscosidad plástica del concreto
Cortante
Cortante espeso
Newtoniano
Pseudoplástico Esfu
erz
o d
e c
ort
e
Velocidad de corte
Reología de suspensiones 73
4.2.1 El esfuerzo de fluencia o punto de flujo
El esfuerzo de fluencia o punto de flujo, es una de los parámetros característicos en la
reología del concreto hidráulico de mayor importancia. Su definición, se refiere al punto en
el que incrementos de esfuerzos aplicados sobre una suspensión, generan un
comportamiento del material similar al que presenta un líquido (Banfill, 1991). Por el
contrario, si dicho esfuerzo es menor que el definido por el punto de flujo, el concreto
permanecerá con poca deformación acercándose más al comportamiento definido por
ciertos sólidos.
A continuación, se muestra el cambio de diferentes concretos hidráulicos en términos de
los parámetros reológicos, debidos a cambios en su composición y materiales.
Figura 4-7: Cambios en los principales parámetros reológicos de diferentes mezclas de
concreto hidráulico
Fuente: Germann Instruments A/S, 2010
Los parámetros característicos mencionados anteriormente, permiten analizar en detalle
el comportamiento en estado fresco tanto de un mortero como de un concreto hidráulico.
Su variación en el tiempo permite validar el efecto de los agregados de mala calidad en el
concreto, y a su vez la eficacia de los aditivos químicos basados en polímeros
polieléctricos, para mitigar el excesivo consumo de agua y pérdida de manejabilidad de las
Microsílice
Aire
Polvo/Mod. Reológico
Polvo/Mod. Reológico +
Plastificante
Plastificante
Agua/pasta
Es
fue
rzo
de
co
rte
Viscosidad plástica
74 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
mezclas que empelan agregados con minerales arcillosos. Lo anterior, dado que el análisis
de reología de este tipo de suspensiones permite relacionar la cantidad de esfuerzo y la
deformación, con las fuerzas de interacción atractivas y repulsivas presentes en una
mezcla de hormigón.
Metodología de la investigación 75
5. Metodología de la investigación
Para el desarrollo de la presente investigación, se han planteado cinco fases conceptuales
y experimentales, en las cuales se contempla la selección de materiales, las técnicas de
caracterización, la evaluación de desempeño y el modelamiento de las mezclas de
concreto a través del mortero empleando los diferentes aditivos químicos a estudiar. En la
Figura 5-1, se muestra de manera esquemática el resumen de las etapas de la
investigación.
Figura 5-1: Esquematización de las 5 fases de la metodología experimental de la
investigación
Fuente: Elaboración propia
5.1 Selección de materiales
5.1.1 Agregados finos
Para seleccionar de manera adecuada las fuentes de agregado fino, se han ubicado dos
zonas de influencia en términos de producción de concreto en el país, teniendo en cuenta
que Cundinamarca (incluido Bogotá) y Atlántico son el primer y tercer departamento
respectivamente de mayor aporte en la fabricación de concreto premezclado a nivel
nacional. Por ello, se han obtenido muestras de agregado fino ubicadas en los municipio
de Cogua para Cundinamarca y Cordobita para el caso de Atlántico (DANE, 2021). Ambas
fuentes, son ampliamente conocidas en sus respectivas zonas por presentar problemas de
Sele
cció
n d
e
mate
riale
s
Ubicación de las fuentes
Obtención de agregados y cementante
Selección de aditivos químicos
Cara
cte
rizació
n
qu
ímic
a y
min
era
lóg
ica
de
lo
s a
gre
ga
do
s
Caracterización física
Caracterización por petrografía
Caracterización química por FRX y técnicas indirectas
Dis
eñ
o d
e m
od
elo
exp
eri
men
tal
Selección de variables de impacto
Aplicación del modelo factorial rotacional
Diseños de concreto
Método de mortero equivalente
Cara
cte
rizació
n d
el
esta
do
fre
sco
Determinación de reología indirecta en mortero equivalente
Determinación de capacidad de reducción de agua
Caracterización de parámetros reológicos característicos de mezclas en mortero equivalente C
ara
cte
rizació
n d
el
esta
do
en
du
recid
o
Influencia de los polímeros polieléctricos sobre el desarrollo de resistencia a compresión
Caracterización del comportamiento de los aditivos mediante Calorimetría de alto desempeño
76 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
desempeño en términos de retención de asentamiento y altos consumos de agua y aditivo
en las mezclas.
Arena de Cogua
La razón por la que se ha seleccionado esta primera fuente se debe a que las
características litológicas de la región describen una zona abundante en arenas con
depósitos de material silíceo y arcillolitas. Adicionalmente, hay una alta presencia de
areniscas con segmentos que texturalmente corresponden a areniscas lodosas y en
algunas zonas poseen matrices arcillosas observando clorita y cemento silíceo (Montoya
& Reyes, 2003).
En la Figura 5-2, se esquematiza la petrografía obtenida para la mayor parte de las arenas
en la región, con el fin de resaltar la posibilidad de encontrar comportamientos en concreto
negativos debido a la presencia de materiales nocivos como arcillas y limolitas. Para este
caso en particular, es posible ver la presencia de cuarzoarenitas y cemento silíceo en la
matriz del agregado analizado por microscopía.
Figura 5-2: Microfotografías: a. cuarzoarenita con cemento silíceo b cuarzoarenita con
matriz
Fuente: (Montoya & Reyes, 2003)
Metodología de la investigación 77
Por otro lado, el análisis de las planchas geológicas ubicadas en las bases de datos del
servicio Geológico Colombiano, permite identificar de manera preliminar la presencia de
materiales indeseables en los agregados finos empleados en la fabricación de mezclas de
concreto. A continuación, se evidencia el análisis detallado de la zona de extracción.
Figura 5-3: Ubicación Fuente de agregado fino 1 Zona Centro Cogua
Fuente: Servicio Geológico Colombiano, 2019
Figura 5-4: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cogua. Escala
1: 100.000
Fuente: (Servicio Geológico Colombiano, 2008)
Arena de
Cogua
78 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
La zona de extracción de materiales pétreos ubicada en Cogua, posee por su naturaleza
de formación geológica materiales constituidos con componentes posiblemente arcillosos
y depósitos coluviales con influencia de óxidos de hierro (véase Figura 5-4). Por lo
anteriormente descrito, se ha seleccionado la arena de Cogua como uno de los materiales
principales del estudio propuesto en este documento.
La Figura 5-5 (Diagrama QFL) muestra que la fuente de Cogua posee una composición
elevada en términos de cuarzo. Sin embargo, la mineralogía exacta de este material puede
variar dependiendo del tramo y segmento de explotación, por lo que es importante
caracterizar el agregado mediante petrografía y rayos X.
Figura 5-5: Clasificación composicional de las areniscas en la zona de estudio Cogua.
Fuente: (Montoya & Reyes, 2003)
Arena de Cordobita
Con el fin de hacer posible la comparación del comportamiento y desempeño, de los
diferentes polímeros polieléctricos sometidos a diferentes fuentes de agregado fino, se ha
seleccionado un material representativo de la costa atlántica. La zona seleccionada para
tal fin es la región de cordobita, la cual tiene una descripción litológica que muestra una
Metodología de la investigación 79
región de extracción de arenas de grano medio y fino constituidas por cuarzos,
plagioclasas y algunos limos de diferentes tonalidades. Por otro lado, se encuentran en la
misma región materiales de origen aluvial con niveles considerables de arenas finas a
materiales arcillosos que tienden a estratificaciones ondulantes (Servicio Geológico
Colombiano, 2003). Lo anterior, sumado a los registros de arenas con concreciones
arcillosas y muchas capas de arena con bastantes micas hacen que la fuente de arena de
Cordobita, sea seleccionada para comprender el fenómeno de mitigación de los efectos
nocivos de este tipo de arenas en el concreto hidráulico.
Figura 5-6: Ubicación Fuente de agregado fino 2 Zona Norte Cordobita
Fuente: Servicio Geológico Colombiano, 2019
Figura 5-7: Análisis de plancha geológica zona de extracción Arena de Cordobita.
Escala 1:100.000
Fuente: (Servicio Geológico Colombino, 2009)
Arena
Cordobita
80 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
La Figura 5-7, contrasta la posible existencia en la zona de materiales arenosos con
esquistos micáceos, ciertos tipos de arcillas y materiales ondulantes. Estos pueden
influenciar negativamente el desempeño del concreto tanto en estado fresco como
endurecido.
Para el desarrollo experimental de este estudio, se han recolectado 300 Kg de cada una
de las fuentes de arena, con el fin de mantener el mismo lote de extracción durante la
totalidad de los ensayos planteados. En el capítulo correspondiente a los análisis de
resultados se puede observar la caracterización física, química y mineralógica de cada uno
de los materiales.
5.1.2 Cemento hidráulico
Considerando que el cemento es uno de los materiales de mayor importancia en la
elaboración de morteros y concretos, se ha seleccionado cemento de tipo ART (Alta
resistencia temprana según la NTC 121) con la menor cantidad de adición posible a fin de
obtener la menor interferencia de este material en el entendimiento del comportamiento de
los polímeros polieléctricos en la matriz de la mezcla. La fuente de cemento seleccionado
proviene de la región de Antioquia y es una receta de cemento con altos contenidos de
Clinker y adiciones únicamente de caliza. Se recolectaron 200 Kg del mismo lote de
cemento para la realización de la totalidad de las pruebas.
Este cemento hidráulico seleccionado es altamente representativo para el estudio
propuesto en este documento, pues es ampliamente usado en los principales proyectos de
infraestructura y ofrece un amplio y robusto espectro de resistencias a la compresión a las
diferentes edades.
Metodología de la investigación 81
5.1.3 Aditivos para concreto base polímeros
En términos de aditivos químicos, se han seleccionado muestras suministradas por MBCC
Group- Master Builder Solutions ® , la cual es una multinacional de origen alemán experta
en la fabricación, diseño y suministro de especialidades químicas para la construcción. En
este caso en particular, se hará uso de la tecnología química ofertada por esta compañía
basada en polímeros polieléctricos de diferente naturaleza, los cuales serán referenciados
como aditivos experimentales.
A continuación, se realiza una breve descripción de cada una de las muestras
experimentales.
Todas las muestras experimentales poseen la misma cantidad de componente activo, con
el fin de poder hacer comparativos los resultados de desempeño de cada una de las
muestras de mortero equivalente evaluadas.
i. Experimental 3475 Aditivo base policarboxilatos de última generación enfocados
en la dispersión y retención de asentamiento del concreto en el tiempo.
ii. Experimental 1931-1: Aditivo base polímeros modificados y selectivos para la
mitigación e interacción con minerales nocivos presentes en la arena empleada en
la preparación del concreto hidráulico. Este polímero se encuentra alterado en su
arquitectura con el fin de poder evitar el efecto de los cationes y las cargas típicas
presentes en los minerales arcillosos o no arcillosos.
iii. Experimental 1831-5: Aditivo polimérico basado en tecnología capaz de bloquear
y dispersar adecuadamente los materiales del concreto a pesar de la presencia de
minerales retadores presentes en los agregados finos. Este polímero posee una
arquitectura que permite que sus grupos funcionales se absorban selectivamente
en las partículas del cemento y no en los agregados finos.
82 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 5-8: Muestras de polímeros y policarboxilatos experimentales empleados
durante la experimentación.
Cada una de las anteriores muestras, constituye una base química completamente
diferente, mientras la muestra experimental 3457 constituye la representación de
policarboxilatos comúnmente usados en la industrial del concreto para reducir agua y
mantener el asentamiento en el tiempo, los experimentales 1931-1 y el 1831-5 son dos
formulaciones distintas basadas en polímeros especialmente sintetizados para mitigar de
manera efectiva el efecto de los materiales adversos en las arenas, mediante el concepto
de polímero polieléctrico. Estas dos últimas referencias tienen mecanismos distintos para
atenuar o mitigar el efecto de pérdida de manejabilidad y reducción de agua que sufre el
concreto ante la presencia de minerales arcillosos o similares.
Las cantidades estimadas de cada uno de los materiales empleados en la ejecución de la
investigación se muestran a continuación.
Tabla 5-1: Cantidades de materiales para la ejecución experimental
Material Cantidad (kg)
Cemento Hidráulico
ART 200,0
Arena Cordobita 300,0
Arena de Cogua 300,0
Experimental 3475 2,0
Experimental 1931-1 2,0
Experimental 1831-5 2,0
Metodología de la investigación 83
Figura 5-9: Preparación y acopio de arena y material cementante para la fase
experimental.
5.2 Caracterización química, física y mineralógica de los
agregados
Posterior a la obtención y acopio de los materiales totales para el desarrollo de la
investigación, se realizó una caracterización completa de los agregados finos estudiados
en este documento. Tanto la arena de Cogua como la arena de Cordobita, son sometidas
a diferentes ensayos físico y químicos que permitan entender su composición y
comportamiento frente a los polímeros polieléctricos en el concreto.
5.2.1 Caracterización petrográfica
Con el fin de describir e identificar los componentes minerales potencialmente nocivos
dentro de los agregados finos, se realiza una evaluación petrográfica mediante la
metodología descrita en la ASTM C 295 y su equivalente para la norma Colombiana NTC
3733.
84 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
El análisis de caracterización petrográfica, se desarrolla de la siguiente manera:
1. Preparación de las muestras para el análisis:
En este procedimiento se realiza el cuarteo del material, teniendo en cuenta que existan
150 partículas por cada uno de los tamices seleccionados para el análisis mediante
microscopio (tamices #8, #16, #30, #50).
2. Preparación de secciones delgadas:
Para la evaluación posterior mediante petrografía, se hace necesario la elaboración de
secciones delgadas con uso de tinción para porosidad, en este caso, se plantean 2
secciones delgadas por muestra de agregado, siendo la primera la correspondiente a las
partículas del tamiz # 8 y la segunda sección de tamices #16, #30 y #50.
3. Evaluación petrográfica:
Se desarrolla la evaluación de acuerdo con la ASTM C295, enfocada en la identificación
de minerales nocivos y características claves de cada fuente como origen y forma. Para
ello se hace uso de microscopía óptica.
Para el tamiz #4 se hace uso de un estereomicroscopio marca Optiks con un aumento
progresivo de 7.5x a 45x. Para el análisis petrográfico se utiliza un microscopio marca
Olympus CX31P con objetivos de 5x, 10x, 50x y 100x. Las fotografías de este estudio son
tomadas con una cámara Sony adaptada a cada uno de estos equipos y la caracterización
porcentual de minerales se realiza de acuerdo con el área que abarca cada mineral en la
totalidad de la muestra.
Metodología de la investigación 85
Figura 5-10: A la izquierda estereomicroscopio y a la derecha microscopio CX 31P para
evaluación petrográfica
Por otro lado, para la determinación del grado de porosidad de cada una de las fracciones
evaluadas, se emplearon las guías cualitativas propuestas por (Poole & Sims, 2016) como
se muestra en la Figura 5-11a. Para los índices de redondez y esfericidad se emplea la
escala Powers (véase Figura 5-11b).
Figura 5-11: Estimación de porcentajes de porosidad e índices de redondez
Fuente: a.Poole & Sims, 2016, b.Powers, 1982.
86 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Finalmente, para caracterizar el grado de meteorización de los agregados se emplea el
método de (ISRM, 1981) y se usa la UTS-0285 de Munsell para poder clasificar cada tipo
de suelo considerando las tonalidades de los materiales.
5.2.2 Caracterización física y química
Con el fin de poder establecer los diseños de mezcla del concreto hidráulico dentro del
diseño de experimentos, se realizó la caracterización física de cada una de las fuentes de
agregado incluyendo los gruesos y los finos. Para el caso de las gravas, se selecciona
material de tamaño nominal máximo de 19 mm (¾”) y 12,5 mm (½”) y se caracterizan por
granulometría, absorción y densidad. Por otra parte, el agregado fino fue sometido a esta
misma caracterización, añadiendo otras técnicas de caracterización que permitieron
comprender el comportamiento químico de las arenas en las mezclas de mortero
equivalente.
Como métodos experimentales complementarios en el conocimiento de cada una de las
fuentes de agregados finos, se hizo uso de las siguientes técnicas de caracterización en
términos físicos y químicos de los materiales:
i. Azul de metileno y equivalente arena: Estas técnicas descritas en la norma INVIAS
INV-E 235 y INV-E 133, permiten la identificación indirecta de la absorción activa
de arcillas presentes en los agregados finos y además establecen una relación del
porcentaje de arena presente en los agregados finos como areniscas y no como
arcillas o limos.
Metodología de la investigación 87
Figura 5-12: Evaluación de contenido y actividad de arcillas mediante azul de
metileno
Fuente: BASF, 2019
De manera complementaria, se emplearon las siguientes técnicas de
caracterización físicas y químicas directas, que permiten contrastar los resultados
obtenidos en la petrografía de los minerales y relacionar las propiedades de las
fuentes de agregado con el comportamiento obtenido tanto en el estado fresco
como endurecido.
ii. Absorción por TOC: Permite cuantificar de manera directa la cantidad de aditivo
absorbido por cada uno de los tipos de arena.
iii. Caracterización física: Empleada para la determinación de la distribución
granulométrica, absorción y densidad de cada una de las arenas (Normas NTC 77
y 237).
iv. Fluorescencia de Rayos X: Se emplea con el fin de determinar la composición
química porcentual de cada una de las fuentes de agregado en términos de sus
óxidos y relacionarlos con la presencia de materiales nocivos para el concreto.
Bajo
conte
nid
o d
e a
rcill
a
Alto c
onte
nid
o d
e a
rcill
a
88 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
5.3 Determinación del diseño de las mezclas de concreto
5.3.1 Cálculo de diseños de mezclas de concreto
Para determinar los diseños de mezcla de concretos empleados durante la fase
experimental, se empleó la metodología del cuadro de rugosidad de Shilstone, el cual
considera las propiedades de los agregados gruesos y finos en combinación. Este método
se ha seleccionado, pues es ampliamente recomendada en múltiples estados y agencias
del gobierno de Estados Unidos (Rudy & Olek, 2012). Este método, identifica bien la
ventana de aceptación para una gradación adecuada de agregados que en combinación
permiten obtener valores adecuados de rugosidad y trabajabilidad.
En la selección de la combinación adecuada de materiales, se considera la caracterización
física de los materiales áridos, tanto gruesos como finos en términos de su granulometría
(% Pasa de cada tamaño de tamiz), densidad SSS y absorción para fines de corrección
por humedad.
Como diseño base, previo a la optimización del ensamble granulométrico bajo la
metodología Shilstone, se emplea el cálculo preliminar de la ACI 211 buscando una
resistencia de diseño especificada del concreto F´c de 45 MPa. Posterior a la
determinación de la cantidad de cemento, se emplea el factor de empaquetamiento de los
agregados φ de la siguiente manera:
∅ = 𝜌𝑏𝑢𝑙𝑘
𝜌𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜=
𝑀𝑠
𝑉𝑡𝑀𝑠
𝑉𝑠
=𝑀𝑠
𝑉𝑡 .
𝑉𝑠
𝑀𝑠 =
𝑉𝑠
𝑉𝑡 (5.1)
Donde:
Ms: Masa de la muestra de agregado usado para determinado factor de empaquetamiento
de los agregados mezclados.
∅: Es la relación entre el volumen de vacíos.
Vs: Volumen de la muestra.
Vt: volumen a granel de sólidos.
Metodología de la investigación 89
Este factor de empaquetamiento, puede ser determinado de manera más precisa de la
siguiente forma:
∅ = 𝑉𝑠
𝑉𝑡=
𝑉𝑡−𝑉𝑣
𝑉𝑡= 1 −
𝑉𝑣
𝑉𝑡= 1 − 𝜀 (5.2)
Donde Vv representa el volumen de vacíos entre las partículas de agregado y 𝜀
corresponde a relación de contenido de vacíos en la mezcla.
Una vez determinado el valor del factor de empaquetamiento deseado, se puede
establecer la relación entre la cantidad de material grueso (grava de 19 mm (3/4 ”) y grava
de 12,5 mm (1/2”)) y el material fino (arena en estudio), presente en el concreto usando los
valores de %Pasa de cada tamiz resultado de la combinación de diferentes proporciones
entre los agregados.
Para llevar a cabo un estimado óptimo de las proporciones, se emplean los siguientes dos
criterios sugeridos por el método del cuadro de rugosidad de Shilstone (Rudy & Olek,
2012).
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑠𝑝𝑒𝑟𝑒𝑧𝑎 =∑ % 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑎𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 9,5 𝑚𝑚
∑ % 𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑟𝑟𝑖𝑏𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 #8 ∗ 100 (5.3)
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = ∑ % 𝑃𝑎𝑠𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 # 8 (5.4)
Los anteriores parámetros, pueden ser determinados de manera experimental, tras la
caracterización adecuada de cada uno de los agregados, permitiendo generar la ubicación
de la mezcla de concreto obtenida en una región determinada de la Figura 5-13.
90 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 5-13: Diferentes combinaciones de agregados representadas en el cuadro del
factor de rugosidad de Shilstone.
Fuente:(Rudy & Olek, 2012)
Como se evidencia en la Figura 5-13, es posible obtener diseños de concreto de diferente
consistencia (definida como la propiedad del concreto para deformarse y ocupar los
espacios vacíos del molde donde se coloca). En este caso, se busca obtener un concreto
dentro de una región bien gradada para agregados gruesos de 19 mm (¾”), pues este será
un material constante durante toda la experimentación.
Los diseños de concreto mantendrán su relación agua-cemento constante durante toda la
fase experimental y se considera únicamente como variabe la cantidad de arena en cada
mezcla, con el fin de comprender el fenómeno de afectación y mejora bajo el uso de
diferentes polímeros polieléctricos. Los valores porcentuales de arena dentro de la mezcla
de concreto variarán dentro de un rango considerado de 20% a 40%, siendo este rango un
común denominador de los diferentes tipos de mezclas en la industria (Shetty, 2000).
Una vez determinados los diseños de concreto para cada una de las combinaciones a
evaluar (Arena + polímero), se ha determinado emplear el modelo del mortero equivalente,
ROCOSO
BIEN GRADADO
ARENOSO
ES
PA
CIO
DE
GR
AV
A G
RA
DA
DA
GR
AV
A
TA
MA
ÑO
DE
L
AG
RE
GA
DO
FIN
O
FACTOR DE RUGOSIDAD
FA
CT
OR
DE
TR
AB
AJA
BIL
IDA
D
Metodología de la investigación 91
el cual permite el ahorro de uso de materiales y permite realizar un mayor número de
ensayos.
A continuación, se describe la manera en la que se determinan las mezclas de mortero a
evaluar, correspondientes a cada una de las mezclas de concreto establecidas en el diseño
de experimentos.
5.3.2 Modelamiento del concreto mediante mortero equivalente
Con el fin de poder realizar el modelamiento del comportamiento de los polímeros
polieléctricos en el mejoramiento de los efectos nocivos de las arenas de mala calidad en
el concreto, se realizan todas las mezclas del concreto empleando la metodología del
mortero equivalente de concreto (Erdem, Khayat, & Yahia, 2009), el cual sugiere que
mediante el reemplazo total de los agregados gruesos por agregados finos, es posible
comprender y correlacionar la reología de un mortero con una mezcla de concreto.
Para llevar a cabo el cálculo del diseño de mortero equivalente se requiere conocer los
porcentajes pasantes entre cada uno de los tamices comprendidos entre el de 1 pulgada
y el #200. Una vez conocido este valor, junto con la masa de agregado en el concreto y su
densidad se aplica la ecuación 𝑁𝑃𝑇 =(
( 𝑃𝑃2− 𝑃𝑃1)∗𝑀𝐴𝑔𝑔
𝜌𝑎𝑔𝑔∗1000 )
𝑉𝑝 (5.5).
𝑁𝑃𝑇 =(
( 𝑃𝑃2− 𝑃𝑃1)∗𝑀𝐴𝑔𝑔
𝜌𝑎𝑔𝑔∗1000 )
𝑉𝑝 (5.5)
Donde 𝑁𝑃𝑇 es el número total de partículas existentes en un tamiz, 𝑃𝑃2 es el porcentaje
que pasa del tamaño superior para cada pareja de tamices, 𝑃𝑃1 corresponde al porcentaje
que pasa del tamaño inferior por cada pareja de tamices subsecuentes, 𝑀𝐴𝑔𝑔 es la masa
total de cada tipo de agregado para el diseño de concreto, 𝜌𝑎𝑔𝑔 es la densidad sss del
agregado y 𝑉𝑝 es el volumen promedio de partícula por cada pareja de tamices
subsecuentes.
92 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Una vez determinado el número de partículas por tamiz, se determina el área superficial
total a reemplazar por arena de la siguiente manera:
𝐴𝑠𝑢𝑝 𝑇 = ∑ 𝑁𝑃𝑇 ∗ 𝐴𝑠𝑢𝑝 𝑎𝑔𝑔𝑎𝑔𝑔
𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧
(5.6)
Donde 𝐴sup 𝑎𝑔𝑔 es el área superficial total obtenida para cada uno de los tamices,
determinada mediante el producto del número de partículas y el área superficial promedio
entre dos tamices subsecuentes.
El área superficial entregada por cada tipo de arena y agregado grueso, son propiedades
específicas calculables para cada tipo de material, con lo anterior, es posible determinar la
cantidad de arena necesaria para reemplazar el área superficial total aportada por el resto
de los agregados restantes.
Para determinar las cantidades de agua y de cementante empleados en el mortero, se
aplica el siguiente factor de corrección, debido a las diferencias de espacios vacíos
ocupados por el agregado fino que reemplaza el agregado grueso en la mezcla de
concreto.
𝐹𝑒𝑞 =1
∑ 𝑉𝑇 𝑎𝑔𝑔
(5.7)
Donde 𝐹𝑒𝑞 es el factor de corrección equivalente empleado en los materiales del mortero
para 1m3 de volumen de mezcla y 𝑉𝑇 𝑎𝑔𝑔 corresponde al volumen total ocupado por cada
tipo de agregado grueso y fino en el diseño de mezcla de concreto.
Con lo anterior, se pueden recalcular las cantidades requeridas para cierto volumen de
mortero que represente el comportamiento reológico de cualquier diseño de mezcla de
concreto con un factor de relación de R2 superior a 0,85 (Erdem et al., 2009).
Metodología de la investigación 93
Figura 5-14: Correlación de dosis de aditivos entre mezclas de concreto y mezclas de
concreto equivalente
Fuente: (Erdem et al., 2009)
5.4 Diseño del modelo experimental
En este documento se detallan únicamente aquellos aspectos que soportan la aplicación
de los diseños factoriales a la campaña experimental realizada, con el fin de establecer el
efecto de las variables consideradas en las respuestas de interés para esta investigación.
En la literatura técnica reciente se trata con bastante profundidad el diseño factorial
aplicado a diferentes tipos de experimentación (Melo, López, y Melo, 2007).
Para poder analizar y modelar de manera adecuada el comportamiento y beneficio del uso
de los polímeros polieléctricos, en mezclas de concreto con agregados finos que contienen
arcillas o minerales nocivos, se propone en este estudio el uso de la metodología de diseño
de experimentos fraccional factorial.
La metodología propuesta, permite modelar el comportamiento de dos variables de
respuesta, dependientes de dos variables fijas (independientes entre sí) que son de gran
% d
e c
em
ento
% de cemento
94 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
impacto en el fenómeno estudiado. En este caso, se han considerado como variables de
entrada de interés el porcentaje de arena presente en la mezcla de concreto y la dosis de
los aditivos base polímeros empleados para mitigar el efecto nocivo de los agregados finos
en las mezclas.
A continuación, se muestra de manera esquemática el análisis de variables usando diseño
de experimentos (DOE), mediante el modelo factorial compuesto central rotacional DCCR
(Cavazzuti, 2013).
Figura 5-15: Ejemplo de diseño de experimento central compuesto rotacional
Fuente: Cavazzuti, 2013
El objetivo de la metodología propuesta es determinar las combinaciones de ensayos
necesarias para entender el comportamiento de las variables de respuesta en todo el rango
de variación de las variables de entrada.
Metodología de la investigación 95
Para esta investigación las variables de respuesta se han definido considerando los
aspectos de mayor relevancia del concreto en estado fresco. De esta manera, se han
considerado el esfuerzo de fluencia como medida directa de la reología del concreto, la
fluidez inicial relacionada con la capacidad de reducción de agua de cada tipo de polímero
y la retención de fluidez que corresponde al tiempo que permanece el concreto fluido desde
que hay contacto entre el agua, el cemento y los agregados. A continuación, se describe
el detalle de cada una de estas propiedades.
Esfuerzo de fluencia
Correspondiente al esfuerzo mínimo requerido en la mezcla de concreto o de mortero, para
lograr un cambio del comportamiento de la mezcla de estático a fluído. Este se define en
Pa y determina la facilidad de bombeabilidad y trabajabilidad en el tiempo. El cálculo de
este parámetro característico de la mezcla se determina caracterizando el comportamiento
reológico de la mezcla véase (Ecuación 10).
Para determinar el esfuerzo de fluencia se calcula inicialmente la viscosidad plástica de
la siguiente manera:
𝜂𝑝 =𝜏2− 𝜏1
�̇�2− �̇�1 (5.8)
Con esta variable característica, se procede a realizar el cálculo del esfuerzo de fluencia
de la mezcla en un tiempo determinado.
𝜏𝑜 = 𝜏𝑖 − 𝜂𝑝�̇�𝑖 (5.9)
El parámetro anteriormente mencionado se midió experimentalmente a los 0 minutos y a
los 30 minutos con el fin de comprender la capacidad de retención de flujo de los polímeros
ante la presencia de agregados nocivos en el agregado fino.
Para la investigación, se usó un viscosímetro rotacional de amplio espectro mostrado en
la Figura 5-16, el cual puede ser usado para caracterizar la reología de mezclas de mortero
y pastas de cemento de manera directa. El equipo posee medidores de esfuerzo cortante
96 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
y temperatura, y además cuenta con la posibilidad de ser configurado mediante el Software
Rheowin ® el cual asigna una rutina de mediciones que permite caracterizar las mezclas
por su esfuerzo de fluencia y viscosidad plástica.
Figura 5-17: Viscosímetro y montaje experimental empleado para caracterización del
esfuerzo de fluencia de las mezclas de mortero equivalente
Flujo inicial
Representa el flujo diametral obtenido en mm para cada una de las mezclas en el tiempo
inicial para diferentes dosis de polímero y diferentes contenidos de arena. Esta variable
permite relacionar de manera indirecta el comportamiento reológico de las mezclas y a su
vez determinar la capacidad de reducción de agua y de plasticidad de las mezclas bajo
diferentes condiciones y se denota como 𝐹𝑙𝑜.
Retención de flujo
Es otra medida indirecta del comportamiento reológico de la mezcla, cuya relación consiste
en el flujo obtenido al finalizar 90 minutos en milímetros frente al flujo de partida de la
mezcla también en mm. Este parámetro permite determinar la capacidad de retención de
flujo de los polímeros frente a diferentes cantidades de arena con minerales nocivos. La
determinación del valor de esta variable se realiza de la siguiente manera:
Metodología de la investigación 97
% 𝑅𝐹 = (𝐹𝑙𝑓
𝐹𝑙𝑜) (5.10)
Donde %RF es la capacidad de retención de flujo de cada polímero, 𝐹𝑙𝑓 es el flujo final de
la mezcla a los 90 minutos en mm y 𝐹𝑙𝑜 el flujo inicial de la mezcla en un tiempo 0 de
reposo.
Una vez fijadas las variables de entrada y de salida para el diseño de experimentos. Se
procede con el cálculo de los valores intermedios de cada una de las variables de entrada
(cantidad de arena en el diseño y dosis de polímero polieléctrico). Para ello, se establecen
los valores límite de cada una de las variables. Es decir, los valores máximos y mínimos
en los que se realizará la medición (Padilla, 2011). La metodología DOE bajo el modelo
fraccional rotacional, permite la determinación del número de ensayos a realizar y la
combinación de variables de entrada requeridas para modelar las variables de salida. Al
emplear 2 variables de entrada, se requieren 11 ensayos totales para ejecutar el
modelamiento completo (Dean, 2017), y para determinar el valor de cada variable de
entrada en el diseño de experimentos, se emplea la ecuación (5.11):
α = (2𝑘) 1/4 (5.11)
Donde
α = factor de corrección para cada valor que tomará la variable de entrada dentro de sus
límites máximo y mínimo
k = número de variables de entrada de interés para el presente estudio.
Con lo anterior, se obtiene la matriz de ensayos mostrada en la Tabla 5-2, considerando
las variables de entradas seleccionadas, Porcentaje de arena en el diseño de concreto y
porcentaje de aditivo polimérico en la mezcla.
98 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tabla 5-2: Diseño de experimentos con 2 variables de entrada para análisis de
superficie de respuesta
Diseño de experimentos método factorial rotacional
Número de variables 2
𝛼 1,4142
Variable 1 % Arena en concreto
Variable 2 % Dosis polímero PE
Ensayo % Arena en concreto % Dosis polímero PE
1 1- 1-
2 1- 1+
3 1+ 1-
4 1+ 1+
5 o 𝛼-
6 o 𝛼+
7 𝛼- o
8 𝛼+ o
9 o o
10 o o
11 o o
Para la determinación de los puntos intermedios se aplica el siguiente cálculo:
1−= o −1∗(o−α−)
𝛼 (5.12)
o =α−+ α+
2 (5.13)
1+= o +1∗(o−α−)
𝛼 (5.14)
Donde α + y α − corresponden al valor máximo y mínimo que puede tomar cada variable
de entrada respectivamente. En el caso de este estudio, dichos valores son determinados
mediante el diseño de mezcla de concreto para el contenido de arena en el concreto y
𝛼 = (2𝑘)14
Metodología de la investigación 99
mediante valores razonables y medibles para el caso de las dosis de aditivo polimérico
para cada mezcla.
Cabe aclarar, que las variables del diseño de experimentos son completamente
independientes entre sí. La arena en el mortero no depende de forma alguna de la dosis
del aditivo base polímero polieléctrico, pues este se dosifica con respecto a la cantidad del
cemento presente en la mezcla, que permanece constante para los diseños de concreto y
mortero equivalente planteados.
Adicionalmente, los diseños de concreto y de mortero equivalente tienen una relación agua
cemento constante y han sido ajustados desde sus ensambles granulométricos y
cantidades en masa para completar un volumen constante durante las mediciones
experimentales.
Por lo anteriormente mencionado, los resultados de las variables de salida serán el
resultado del azar, asegurando combinaciones de comportamientos aleatorios dentro de
rangos medibles y representativos tanto para la cantidad de arena en el concreto y el
mortero, como para la dosis del aditivo polimérico (que depende del cemento y no de la
arena dentro de la mezcla). De esta manera, se tendrán escenarios donde se encuentren
altas cantidades de arena de mala calidad con bajos contenidos de polímero, bajas
cantidades de arena con alto contenido de polímero, altas cantidades de arena con alta
cantidad de polímero y bajas cantidades de arena con baja cantidad de polímero. Esto
permite generar un espectro de resultados que representa de forma representativa el
comportamiento de las mezclas de manera aleatoria.
La Tabla 5-2 muestra los ensayos que se deben realizar para cada tipo de aditivo
polimérico y cada tipo de arena. Es decir, para las arenas de Cordobita y Cogua y los
aditivos experimentales 3457, 1931-1 y 1831-5.
Para el modelamiento y análisis de los datos experimentales, se empleó un software
estadístico capaz de modelar de manera predictiva, el comportamiento de cada variable
de salida en todo el rango de variación de los parámetros de entrada. En el caso de este
documento se emplea el sofware estadístico Minitab 19.
100 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
5.5 Caracterización del estado fresco de las mezclas de
mortero
En esta sección, se describe el detalle de los ensayos y métodos empleados para la
caracterización del estado fresco de cada una de las mezclas de mortero equivalente. El
objetivo principal, es comprender el efecto generado por el uso de polímeros polieléctricos
en mezclas de concreto (simuladas a través de mortero equivalente) preparados con
arenas que tienen contenidos altos de minerales arcillosos o nocivos.
Determinación de parámetros reológicos indirectos
Como primera etapa de evaluación, se realiza la preparación de los morteros equivalentes
empleando las cantidades descritas por el diseño de concreto, ensamblando los valores
de dicho diseño al modelo del mortero equivalente. Una vez se realiza dicho ensamble,
se emplea una forma de mezclado estándar descrita en el siguiente diagrama:
Figura 5-18: Metodología de mezclado para morteros equivalente con aditivos químicos
Fuente: Elaboración propia
Tiempo 60 s: Velocidad 2
Tiempo 75 s: Reposo
Tiempo 45 s: Velocidad 2
Tiempo 30 s: Velocidad 1
Tiempo 30 s: Valocidad 1
tiempo 0 s Adición de 100% Arena
Adición del 90% del agua
Adición del cementanteAdición del aditivo químico con
10% de agua restante
Fluidificación de la mezcla
Reposo de la mezcla
Mezcla final, redispersión de aditivo
Homogenización de material en el recipiente
Metodología de la investigación 101
Para realizar el mezclado y preparación de los morteros se emplea una mezcladora marca
Hobart de capacidad de 5 litros con 3 velocidades; este equipo se usa para la medición
directa e indirecta de la reología de las mezclas a través del tiempo. Por otro lado, se
consideran 30 s de mezclado adicional a velocidad 2, cada vez que transcurren 30 minutos
de haber iniciado la mezcla (contacto del agua con el material cementante).
Con la preparación de los morteros, se procede con la determinación de los principales
factores característicos que permiten medir cuantitativamente el desempeño de los
diferentes polímeros, en el mejoramiento del comportamiento de los morteros (con arenas
nocivas) en estado fresco. Para ello, se realiza la determinación del flujo mediante el
ensayo descrito por la norma ASTM C 230, cuya medida permite relacionar el flujo obtenido
con la capacidad de reducción de agua de cada polímero.
Figura 5-19: Equipo para determinación de flujo de morteros ASMT C 230
Para la determinación de los valores de plasticidad de cada mortero y a su vez la capacidad
de reducción de agua, se toma el valor obtenido para el diámetro del mortero expandido
en la mesa de flujo tras 25 golpes. Dicha determinación se realiza en 4 puntos
equidistantes respecto a la circunferencia generada por la mezcla y se hace el respectivo
registro. Este proceso se repite cada 30 minutos hasta llegar a los 90 minutos (1 hora y
media) con el fin de determinar de manera adicional la capacidad de retención de
asentamiento del mortero en el tiempo.
Una vez registrados los datos, se procede a realizar esta medición de estado fresco con
cada uno de los ensayos planteados en el diseño de experimentos por cada tipo de arena
102 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
en combinación con cada tipo de aditivo químico, permitiendo así la caracterización del
desempeño por polímero frente a su capacidad de reducción de agua y retención de flujo,
propiedades de vital importancia en términos de colocación y transporte del concreto
hidráulico.
Determinación de parámetros reológicos directos
Con el fin de poder caracterizar el desempeño de cada una de las mezclas establecidas
en el diseño de experimentos, mediante su comportamiento reológico, se plantea el uso
de un reómetro HAAKE™ Viscotester™ E, el cual posee las siguientes características:
▪ Cumple con la ASTM C 1749 para la determinación de reología en mezclas de
pastas de cemento.
▪ Control de torque y velocidad de rotación
▪ Instrumentación para diagnóstico de propiedades reológicas
▪ Control de temperatura durante las mediciones (20°C)
Figura 5-20: Montaje de Viscosímetro E para caracterización reológica de las muestras
de mortero y montaje de muestras para preparación de mezclas de mortero.
Para emplear el equipo de manera adecuada, se hace uso del software Rheowin versión
4.8, el cual permite realizar el control del equipo mediante una rutina de mediciones
Metodología de la investigación 103
previamente establecida para cada medición. Para definir dicha rutina, se requiere de la
realización de varios ensayos en los valores límite de arena y dosis de aditivo, con el fin
de asegurar que las mediciones de los parámetros reológicos en el tiempo sean
representativas.
La rutina empleada para caracterizar la reología de los morteros requiere de la definición
de un proceso escalonado donde la velocidad de giro del husillo va desde el reposo a un
punto máximo, se mantiene constante en el valor máximo por una franja de tiempo y
posteriormente sufre un descenso escalonado hasta llegar al reposo.
Para definir dicha metodología, se ha hecho uso de referencias de la literatura, cuyo
enfoque de estudio es el entendimiento de la reología de morteros (Cardoso, John, Pileggi,
& Banfill, 2014). En el ejemplo ilustrado a continuación, se muestra el estudio de la
manejabilidad de morteros empleando diferentes productos industriales.
Figura 5-21: Esquematización del montaje reómetro b. Torque vs tiempo para morteros
tras 55 minutos de preparación
a b
Fuente: (Cardoso et al., 2014)
Como se ilustra en la
Figura 5-21b, el incremento de la velocidad del husillo en el tiempo es paulatino y llega a
un máximo constante para luego reversar el incremento de velocidad hasta llegar al
reposo. Para el estudio desarrollado en este documento, se han definido los siguientes
104 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
parámetros y procedimiento en la rutina de medición para la caracterización reológica de
las mezclas, empleando el software Rheowin 4.8.
El software Rheowin versión 4.8 es un programa de ThermoFisher Scientific ® de
evaluación de la reología de mezclas, que permite establecer rutinas de medición para
diferentes tipos de fluidos. En este caso, el programa se empleó para medir la reología de
los morteros equivalente y se preparó una rutina de medición que permitió determinar el
esfuerzo de fluencia y la viscosidad plástica de cada una de las mezclas a los 0 y 30
minutos.
1. Para iniciar el proceso de medición, se selecciona dentro del módulo de opciones
de medición el botón de avance en escalera, el cual permite generar un incremento
paulatino y escalonado de la velocidad de corte durante el tiempo desde 10,0 1/s
hasta 180 1/s (Thermo Fisher Scientific, 2020). Al finalizar la configuración de la
rutina de mediciones, se obtiene un esquema de procesos como se muestra en la
Figura 5-22.
Figura 5-22: Configuración final de la rutina de medición de parámetros reológicos de
las mezclas de mortero
Metodología de la investigación 105
2. Una vez seleccionado el método de incremento escalonado de velocidad de corte,
se realiza la configuración de la rotación; para ello, se ingresa en la configuración
de medición, seleccionado el modo CR (modo de velocidad de corte controlada con
esfuerzo constante), se ingresa el valor de la frecuencia de rotación inicial del
husillo en 10,0 1/s y la rotación final con un valor de 180 1/s. Para realizar este
procedimiento, se selecciona una distribución incremental que se lleva a cabo en 5
pasos como se ve en la Figura 5-23. Finalmente, en la configuración de la
adquisición, se selecciona una duración por escalón de 15 s y un tiempo de
integración de 3 segundos.
Figura 5-23: Configuración inicial de la rutina de medición de parámetros reológicos de
las mezclas de mortero
106 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
3. Posterior al incremento paulatino de la velocidad de corte, es necesario continuar
la configuración de la rutina; para ello se ingresa en el módulo de medición
constante, donde se selecciona nuevamente el modo CR y se toma el valor de la
velocidad de corte como el valor final de este parámetro en la última medición antes
de llegar a la rotación constante (véase Figura 5-24). Para este caso será 180 1/s
y esta configuración de la rotación se mantendrá por 30 s. Se tomarán 100 datos
en esta parte de la medición de la reología y el tiempo de distribución lineal será de
0,15 s.
Figura 5-24: Configuración intermedia de la rutina de medición de parámetros
reológicos de las mezclas de mortero, tramo de rotación constante.
Metodología de la investigación 107
4. Finalmente, se configura la parte final de la rutina, generando un proceso
escalonado de descenso, iniciando con la velocidad máxima constante del paso
anterior (180 1/s) y llegando en 5 pasos hasta una velocidad de 10 1/s hasta quedar
finalmente en el reposo. Para esta parte de la rutina se selecciona nuevamente el
modo CR, una duración de 15 s para cada escalón y un tiempo de integración e 3
segundos para finalizar el proceso de caracterización reológica.
Figura 5-25: Configuración final de la rutina de medición de parámetros reológicos de
las mezclas de mortero, tramo de rotación en descenso
108 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Una vez definida la rutina de medición, se emplea el software como controlador del
viscosímetro para realizar la totalidad de los ensayos planteados por el diseño de
experimentos. La caracterización reológica permite determinar el valor del esfuerzo de
fluencia y viscosidad plástica en el tiempo, para ello se hacen mediciones en el tiempo cero
de manejabilidad de la mezcla y a los 30 minutos de su realización. El husillo empleado
para todas las mezclas es el número 6 recomendado para mezclas pastosas y morteros
fluidos (Feys et al., 2017).
Figura 5-26: Detalle del montaje para caracterización reológica y configuración de la
medición con husillo # 6 para mezclas pastosas y de mortero
La elaboración de los morteros empleados para la caracterización del comportamiento de
cada arena y cada tipo de polímero se realiza con arena 100% seca. Es decir, cero
humedad libre y cero humedad ligada con el fin de asegurar una relación agua cemento
constante; adicionalmente se realiza un tamizado de todo el material por la malla # 4 con
el fin de asegurar una granulometría constante y distribución de partículas equivalente.
5.6 Caracterización del estado endurecido
La influencia de los aditivos químicos empleados (base polímeros convencionales y
polímeros polieléctricos) en las mezclas de mortero, no solo pueden impactar el
comportamiento en el estado fresco, sino que también pueden generar efectos sobre el
Metodología de la investigación 109
endurecimiento y proceso de hidratación del mortero y el concreto. Por lo anterior, se
propone la caracterización del desarrollo de resistencias a compresión a todas las edades
del mortero y la caracterización por calorimetría de alto desempeño para validar el
fenómeno de hidratación de cada una de las mezclas.
Resistencia a compresión
Para la caracterización del comportamiento en estado endurecido, se realizan
especímenes cúbicos de cada mortero dentro de la matriz de diseño de experimentos. El
procedimiento de mezclado y preparación de los cubos se realiza acorde con lo descrito
por la ASTM C 109 Método de Prueba Estándar para la Resistencia a la Compresión de
Morteros de Cemento Hidráulico. Se realizan 2 cubos para cada una de las edades
características, las cuales son 1, 3, 7 y 28 días.
Para cada espécimen se lleva a cabo un curado en inmersión en agua saturada con cal
apagada a 23 °C y se falla a compresión mediante una prensa hidráulica de alta precisión.
Cinética de hidratación del cemento en el mortero
Posterior a la ejecución de la totalidad de los ensayos propuesto en el diseño de
experimentos para el estado fresco y endurecido, se procede con la realización de
calorimetrías isotérmicas. Las calorimetrías se llevan a cabo para puntos intermedios de la
matriz del diseño de experimentos, el ensayo se realiza directamente sobre el mortero y
no sobre la pasta de cemento, pues se busca comprender la influencia de los polímeros y
las arenas nocivas sobre la hidratación del cemento en términos de fraguados y desarrollo
de resistencias tempranas. A continuación, se esquematiza el equipo empleado para tal
fin (un High precision calorimeter) el cual cumple con la norma ASTM C 1679. El ensayo
se realiza durante 36 horas con el fin de validar los efectos sobre el fraguado que puede
generar el polímero sobre la mezcla.
110 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 5-27: a. Calorímetro HPC utilizado para caracterización de cinética de hidratación
del cemento b. Análisis de tiempos de fraguado y simulación de resistencias por método
integrado
a b
Fuente: (Gómez-Zamorano et al., 2015)
El software empleado para la caracterización por calorimetría de cada una de las mezclas
se muestra en la Figura 5-28. Este software permite simular el desarrollo de resistencias
a compresión y caracterizar las mezclas por su desarrollo de fraguados durante el tiempo
en función de las propiedades termodinámicas de la mezcla.
Figura 5-28: Software Calcommander para análisis cuantitativo de mezclas de mortero y
de cemento mediante calorimetría de alta precisión
Resultados y análisis 111
6. Resultados y análisis
Para comprender el efecto generado por cada uno de los polímeros seleccionados en la
mitigación del efecto nocivo de ciertos minerales presentes en los agregados finos para las
mezclas de concreto, en este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la
aplicación de la metodología propuesta. En primer lugar, se realiza el proceso completo de
caracterización de los agregados finos y gruesos para cada una de las fuentes de material
empleadas en este estudio, mediante análisis físicos, químicos y mineralógicos.
Posteriormente se presentan los resultados del diseño experimental de las mezclas de
morteros equivalentes para cada uno de los mejoramientos considerados y, finalmente, se
incluyen los resultados de la caracterización respectiva tanto en estado fresco, como
endurecido.
112 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
6.1 Caracterización de agregados finos y gruesos
Para conocer en detalle los componentes químicos presentes en las arenas, que pueden
afectar significativamente el desempeño reológico de las mezclas de concreto, se realiza
la caracterización inicial morfológica de los agregados, estableciendo su distribución
granulométrica, absorción y densidad.
6.1.1 Propiedades físicas y distribución de tamaño de partícula
Se realizó la caracterización de cada uno de los parámetros anteriormente descritos
obteniendo los siguientes resultados.
Agregados gruesos
En la Tabla 6-1 y Tabla 6-2 se presentan los resultados de las gradaciones efectuadas
sobre las gravas de las fuentes La Calera, con tamaños máximos de ¾” y ½”
respectivamente.
La caracterización de la grava de ¾” permite evidenciar un comportamiento ideal en
términos de distribución de tamaño de partícula, pues se encuentra en la totalidad de los
tamaños de tamices dentro de los rangos límite sugeridos por la norma técnica colombiana
NTC 77. De esta forma, el material posee una cantidad adecuada de granos de tamaño
grandes y medios, lo que permite generar una gradación continua que facilite el diseño y
estabilidad de la mezcla de concreto.
Por otra parte, en términos de densidad, un valor de 2,56 g/cm3 refleja un comportamiento
normal en términos de volumen frente a su masa unitaria (Tobón & Sánchez, 2014). Por
otro lado, la absorción de tan solo 0,47% constituye un valor que no influenciará en gran
medida el comportamiento final de las mezclas de concreto.
Resultados y análisis 113
Tabla 6-1: Granulometría, absorción y densidad grava de 3/4" origen la Calera
Tamiz (in) Tamiz (mm) Masa retenida (g) % Retenido % Retenido
acumulado % Pasa Mínimo Máximo
1-1/2" 37,5 0 0% 0% 100,0% 100% 100%
1" 25 0,00 0% 0% 100,0% 95% 100%
3/4" 19 616,68 9% 9% 91,0% 78% 95%
1/2" 12,5 3151,92 46% 55% 45,0% 25% 60%
3/8" 9,5 2466,72 36% 91% 9,0% 10% 40%
No 4 4,75 548,16 8% 99% 1,0% 0% 10%
No 8 2,36 2946,36 43% 98% 2,0% 0% 5%
No 16 1,18 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%
No 30 0,6 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%
No 50 0,3 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%
No 100 0,15 0,00 0% 98% 2,0% 0% 0%
No 200 0,075 123,34 2% 100% 0,2% 0% 0%
Fondo - 14,20 - - - - -
Total - 6852,00 - - - - -
Masa Inicial (g) 6861,00 Absorción (%) 0,47
Densidad Nominal (g/ cm³) 2,56
Por su parte, la grava de ½” seleccionada para mejorar el comportamiento de la mezcla de
concreto en términos de diseño de la mezcla (ensamble granulométrico), tiene una
densidad de 2,66 g/cm3 junto con una absorción de 1,61. Al igual que la grava de mayor
tamaño genera un comportamiento inocuo en términos de manejabilidad y desempeño y
favorece la coherencia de las partículas de la mezcla. Ambos materiales cumplen con los
criterios fijados por la norma NTC 77 y los valores recomendados para densidad y
absorción (Tobón & Sánchez, 2014).
En la Figura 6-1, se puede evidenciar el comportamiento continuo e ideal de cada material
grueso en términos de granulometría, lo cual favorece la realización del ensamble
granulométrico de las mezclas de concreto y no genera interferencia negativa en el
entendimiento del comportamiento de las arenas en el concreto.
114 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tabla 6-2: Granulometría, absorción y densidad grava de 1/2" origen la Calera
Tamiz (in) Tamiz (mm) Masa retenida (g) % Retenido % Retenido
acumulado % Pasa Mínimo Máximo
3/4" 19 0 0% 0% 100,0% 100% 100%
1/2" 12,5 1055,70 15% 15% 84,7% 90% 100%
3/8" 9,5 1721,55 25% 40% 59,8% 40% 70%
No 4 4,75 3322,35 48% 88% 11,6% 0% 15%
No 8 2,36 421,59 6% 95% 5,5% 0% 5%
No 16 1,18 26,91 0% 95% 5,1% 0% 0%
No 30 0,6 21,39 0% 95% 4,8% 0% 0%
No 50 0,3 8,28 0% 95% 4,7% 0% 0%
No 100 0,15 44,85 1% 96% 4,0% 0% 0%
No 200 0,075 20,01 0% 96% 3,7% 0% 0%
Fondo - 14,20 - - - - -
Total - 6900,00 - - - - -
Masa Inicial (g) 6910,00 Absorción (%) 1,61
Densidad Nominal (g/ cm³) 2,66
Resultados y análisis 115
Figura 6-1: Límites de curvas granulométricas acorde con NTC 77 y NTC 78 para
agregados gruesos y finos y resultados experimentales de caracterización por tamaño de
partícula. a. Grava de ¾ la Calera b. Grava de ½ la Calera.
a.
b.
116 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-2: Límites de curvas granulométricas acorde con NTC 77 y NTC 78 para
agregados gruesos y finos y resultados experimentales de caracterización por tamaño de
partícula. a. Arena de Cogua b. Arena de Cordobita.
a.
b.
Agregados finos
La fuente de agregado de la región norte del país (Cordobita), posee una distribución de
tamaño de partícula relativamente gruesa (véase Tabla 6-3), cuyo comportamiento está
ligeramente por encima del valor máximo limite recomendado para este tipo de materiales;
su módulo de finura de 3,38 puede generar problemas desde el punto de vista de
segregación o apariencia, la densidad por su parte de 2,59 g/cm3 se encuentra de los
valores normales y una absorción de 1,80 implicará una absorción de agua libre menor, lo
Resultados y análisis 117
cual no genera influencia alguna sobre el comportamiento del estado fresco de las
mezclas. Por lo anterior, el comportamiento nocivo de este tipo de arenas obedece a su
composición química, capacidad de absorción de aditivos y gradación relativamente
gruesa, lo que puede alterar propiedades como reducción de agua, aspecto, manejabilidad
e incluso el desarrollo de resistencia a compresión. Este comportamiento es contrastado
en la fase experimental y análisis de la reología y composición química y mineralógica del
material.
Tabla 6-3: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cordobita
Tamiz (in) Tamiz (mm) Masa retenida (g) % Retenido % Retenido
acumulado % Pasa Mínimo Máximo
3/8" 9,5 0 0% 0% 100,0% 100% 100%
No 4 4,75 76,80 4% 4% 96,0% 95% 100%
No 8 2,36 460,80 24% 28% 72,0% 80% 100%
No 16 1,18 460,80 24% 52% 48,0% 50% 85%
No 30 0,6 384,00 20% 72% 28,0% 25% 60%
No 50 0,3 268,80 14% 86% 14,0% 5% 30%
No 100 0,15 192,00 10% 96% 4,0% 0% 10%
No 200 0,075 76,80 4% 100% 0,0% 0% 3%
Fondo - 14,20 - Pasa Tamiz 200 2,63% - -
Total - 1920,00 - - - - -
Masa Inicial (g) 1923,00 Modulo de finura 3,38
Peso Picnómetro (g) 161,51 Peso Seco Material (g) 484,63
Peso Picnómetro+Agua (g) 660,82 Densidad Aparente(g/ cm³) 2,52
Peso Pic+Agua+Material (g) 958,26 Densidad Nominal (g/ cm³) 2,59
Peso SSS Material (g) 493,35 Absorción (%) 1,80
Por otro lado, como se observa en la Tabla 6-4 la segunda fuente seleccionada para el
estudio, es decir, la fuente de Cogua, posee una granulometría equilibrada en términos de
partículas finas y gruesas, lo que facilita ampliamente el comportamiento de la mezcla en
el diseño y genera baja tendencia a la segregación. Respecto a su módulo de finura, esta
arena presenta un valor de 2,67 el cual es acorde con el ideal promedio requerido por la
industria del concreto en un amplio espectro de diseños de mezcla. Frente a su absorción
de 2,53% , se espera que la absorción de agua se encuentre dentro de los parámetros
normales de mezclas de concreto. Por lo anteriormente mencionado, esta fuente de arena
no presenta anomalías en términos de gradación, absorción o densidad, lo que hace que
118 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
su afectación al estado fresco de las mezclas de concreto obedezca a aspectos
morfológicos internos o a la composición química activa del agregado.
Tabla 6-4: Granulometría, absorción y densidad arena origen Cogua
Tamiz (in) Tamiz (mm) Masa retenida (g) % Retenido % Retenido
acumulado % Pasa Mínimo Máximo
3/8" 9,5 0 0% 0% 100,0% 100% 100%
No 4 4,75 64,41 4% 4% 96,5% 95% 100%
No 8 2,36 404,87 22% 26% 74,5% 80% 100%
No 16 1,18 257,64 14% 40% 60,5% 50% 85%
No 30 0,6 169,31 9% 49% 51,3% 25% 60%
No 50 0,3 283,41 15% 64% 35,9% 5% 30%
No 100 0,15 404,87 22% 86% 13,9% 0% 10%
No 200 0,075 189,55 10% 96% 3,6% 0% 3%
Fondo - 14,20 - Pasa Tamiz 200 3,68% - -
Total - 1840,30 - - - - -
Masa Inicial (g) 1843,00 Modulo de finura 2,67
Peso Picnómetro (g) 161,51 Peso Seco Material (g) 481,18
Peso Picnómetro+Agua (g) 660,82 Densidad Aparente(g/ cm³) 2,54
Peso Pic+Agua+Material (g) 960,02 Densidad Nominal (g/ cm³) 2,64
Peso SSS Material (g) 493,35 Absorción (%) 2,53
Los anteriores resultados, permiten ver que la mayor parte de los agregados poseen
condiciones normales de granulometría, densidad, absorción y módulo de finura,
exceptuando la fuente de Cordobita, la cual tiene una distribución de tamaño de partícula
ligeramente gruesa, lo cual puede reflejarse en segregación en algunas de las mezclas de
mortero realizadas en la fase del diseño de experimentos que se detallará en una sección
posterior de los resultados.
De esta forma, no se encuentra dentro de la caracterización física, ningún parámetro por
fuera de las condiciones normales de los agregados convencionales que son inocuos en
el comportamiento del concreto, por ello se realiza el análisis del comportamiento de
características adicionales de los agregados finos que puedan relacionarse con
afectaciones en el desempeño de las mezclas estudiadas.
Resultados y análisis 119
6.1.2 Azul de metileno y equivalente de arena
Para determinar de manera indirecta otros posibles factores en los agregados finos, que
afecten el comportamiento físico y químico de las mezclas de concreto, se ha realizado la
medición del equivalente de arena y la absorción del azul de metileno de cada arena. Los
resultados han sido medidos por triplicado y se muestran a continuación.
Tabla 6-5: Valores experimentales de equivalente de arena para fuentes de Cordobita
y Cogua
Arena Cordobita Arena Cogua
Repetición 1 2 3 1 2 3
Lectura de
Arcilla (mm) 94 105 99
100 91 100
Lectura de
Arena (mm) 78 83 80
76 68 79
Equivalente de
Arena % 83,0 79,0 80,8
76,0 74,7 79,0
Promedio 80,9 76,6
Como se evidencia en la Tabla 6-5, la arena de cordobita presenta un valor de equivalente
de arena alto de 80,9, lo cual es un buen indicador en términos generales de la calidad del
agregado, al menos en términos del contenido de arena total de la fuente. Sin embargo,
con los resultados posteriores de caracterización se puede evidenciar más factores que
hacen a este agregado nocivo para el comportamiento del estado fresco del concreto. Por
su lado, la fuente de arena de Cogua presenta un valor de equivalente de arena de 76,6 ,
lo cual cumple con los requisitos exigidos por varias normas internacionales y locales
referente a los contenidos mínimos de equivalente arena en un agregado fino para la
elaboración de concreto hidráulico cuyo valor debe ser mayor a 70 (Nikolaides, A.,
Manthos, E., Sarafidou, 2007).
Respecto a la capacidad de absorción de azul de metileno de cada una de las fuentes de
agregado fino, se puede evidenciar que el comportamiento de ambas fuentes no es ideal
en términos de absorción, pues la arena de Cordobita y Cogua presentan valores de 6,67
y 5,0 respectivamente. Estos valores corresponden a un desempeño de agregado fino
120 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
pobre para el concreto en la escala sugerida por diversas normativas internacionales como
la especificación francesa NF XP P18-540, la ISSA TB 145 de estados unidos y las
especificaciones europeas como la EOAE (Nikolaides, A., Manthos, E., Sarafidou, 2007).
Tabla 6-6: Valores experimentales de absorción de azul de metileno para fuentes de
Cordobita y Cogua
Cordobita Cogua
Azul de Metileno (gotas) 8 6
W (g) 30 30
Concentración (mg/ml) 5 5
Volumen (ml) 40 30
VA (mg/g) 6,67 5,00
Como se evidencia en ambas fuentes de agregado, a pesar de que los valores de
equivalente de arena son altos y cumplen con el estándar de una arena de calidad
adecuada, sus valores de azul de metileno son relativamente altos. Lo anterior puede
generar efectos significativos sobre el comportamiento de los morteros en su estado fresco.
Por otro lado, el azul de metileno constituye una molécula aromática de cloruro de
metiltionina, la cual posee un grupo funcional aniónico que puede ser atraído de manera
selectiva por cierto tipo de arcillas o minerales en los agregados finos (NIST, 2021). En el
caso de las fuentes de agregado de Cordobita y Cogua puede haber afectación por su
composición química; sin embargo, existen muchos minerales arcillosos y nocivos que no
interactúan con este tipo de material debido a su tamaño de molécula. A diferencia de los
policarboxilatos convencionales presentes en los aditivos, el azul de metileno no puede
llegar a la totalidad de las arcillas y minerales silíceos potencialmente nocivos en el
comportamiento de las mezclas de concreto, por lo que esta medida constituye un
resultado parcial e indirecto que será complementado con un análisis químico, petrográfico
y de absorción química directa de cada uno de los agregados finos.
Resultados y análisis 121
6.1.3 Análisis petrográfico de los agregados finos
Debido a que el foco del estudio de este documento es el uso de polímeros polieléctricos
como mitigadores de los efectos de las arenas de mala calidad en el concreto, se hace
indispensable la caracterización detallada de cada una de las fuentes seleccionadas.
Por lo anterior, se realizó un análisis de petrografía que permite conocer en detalle la
composición de cada uno de los tamices de las arenas Cordobita y Cogua.
Para cada tipo de arena se ha establecido como criterio de caracterización, la porosidad
del agregado por tamiz para relacionar este parámetro con la absorción de agua y
polímeros en la mezcla, la composición química en términos de minerales, la meteorización
y el grado de redondez y esfericidad de las partículas.
Para la caracterización mediante porosidad, se han empleado patrones ópticos
comparativos que permiten definir el rango de porosidad como muy baja, baja, media, alta
y muy alta dependiendo del resultado por cada tamiz representativo por tamaño de
partícula (Poole & Sims, 2016).
Arena Cordobita
Los tamices analizados para tener un espectro completo de información son los #8, #4,
#16, #30 y #50. Los resultados de la caracterización se muestran a continuación.
Tabla 6-7: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cordobita
Tamiz #4 #8 #16 #30 #50
Categoría Tipo % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio
<4% Muy baja 91,30% 1,6 42,90% 2,1 35,40% 2,1 66,70% 1,6 87,70% 1,8
4% a 8% Baja 6,70% 5,1 32,10% 5,6 33,90% 5,7 28,10% 5,7 9,30% 5,3
9% a 16% Media 2,00% 10 19,60% 11,7 18,90% 11,6 2,60% 11 2,50% 11,3
17% a 32% Alta 0,00% 0 5,40% 20,3 10,20% 22,3 2,60% 22,5 0,60% 20
>32% Muy alta 0,00% 0 0,00% 0 1,60% 47,5 0,00% 0 0,00% 0
122 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Como se evidencia en la Tabla 6-7, todas las fracciones analizadas presentan valores de
porosidad muy bajos, pues más del 80% de las partículas evaluadas en cada fracción
presentan porosidades menores al 4% (correspondiente a la categoría muy baja). Por su
parte, algunos tamices intermedios como el #16, presentan un 10,2% de porosidad media.
Sin embargo, este valor es poco representativo para todo el espectro de partículas
analizadas. De esta manera, se puede determinar que no existe una influencia
representativa por parte de la morfología del agregado en términos de absorción para
generar efectos nocivos en términos de rápida absorción de aditivos o consumos excesivos
de agua en las mezclas de concreto. Este resultado es congruente con el valor obtenido
por la caracterización física, donde el valor de la absorción (determinación convencional),
arrojó un valor de 1,80% siendo una cifra baja en la escala de las arenas empleadas en el
concreto (Ara Jeknavorian & Koehler, 2010).
Para la determinación de la composición mineralógica y química de cada una de las
fracciones, se realizaron secciones delgadas con tinción y se obtienen los siguientes
resultados de evaluación mediante microscopía.
Figura 6-3: a. Sección delgada retenido en tamiz #8 b. Sección delgada retenidos en
tamices #16, #30 y # 50
a b
Resultados y análisis 123
Como se muestra en el siguiente apartado, es posible identificar las asociaciones
mineralógicas características de cada roca y entre dichas asociaciones reconocer qué
componentes pueden ser nocivos para el concreto en términos de absorción de aditivos,
pérdida de manejabilidad o resistencia.
Figura 6-4: a. Fragmentos de tonalita meteorizada (I), roca en estado fresco con
cristales de plagioclasa, hornblenda b. tonalita meteorizada (II) con óxidos y cuarzos
microcristalinos. c. Dacita con tonalita con efectos de cloración. d. Metatonalita
a b c d
Tamiz #8
Para el la fracción retenida del tamiz #8, es posible identificar las características litológicas
del material. Para este caso, se presentan tonalitas en un 58% y estas tienen la misma
composición que las dacitas cuya asociación permite la identificación de plagioclasas
cálcicas, cuarzos y biotitas (véase
Figura 6-5). Estas últimas son estructuras de filosilicatos de hierro y aluminio
características del grupo de las micas que pueden ser altamente absorbentes frente
aditivos convencionales base policarboxilatos de éteres o sus derivados, pues son
altamente catiónicos.
Otros minerales de alteración identificados se relacionan con sericita que constituye una
mica de alteración a partir de plagioclasas y de alta actividad en presencia de compuestos
como el agua o aditivos por sus componentes iónicos de magnesio y hierro.
124 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-5: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X tonalita compuesta por plagioclasa
(Plg) b. Presencia de cuarzo QX, Plagioclasa Plg y Hornblenda. c. Biotitas deformadas d.
Biotitas y Plagioclasas
a b c d
La Granodiorita se identifica en un 15,2% teniendo una asociación muy similar a la tonalita
con presencia de cuarzos microcristalinos y minerales de feldespatos potásicos KAlSi3O8,
cuya composición química pertenece a los tectosilicatos o estructuras de silicato estables
que pueden presentar o no actividad frente a diferentes tipos de polímeros dependiendo
de su grado de actividad catiónica por los iones de K y Na.
El granito, la metatonalita y el monomineral se presentan en porcentajes de 2,7%, 2,7% y
20,5% respectivamente. Estos minerales se relacionan con Plagioclasas y feldespatos
potásico. Sin embargo, es importante resaltar la composición química de tamices más
pequeños para comprender de mejor manera el efecto de este tipo de minerales en el
concreto frente a aditivos convencionales y polímeros polieléctricos selectivos.
Tamiz # 16.
Al realizar el análisis experimental del retenido en el tamiz #16, se encuentra una fracción
de partículas donde el 47,2% corresponden a un mineral compuesto de cuarzo, biotita,
plagioclasa y feldespatos. El 37,8% de esta fracción de tamaño de partícula corresponde
principalmente a tonalita. De otro lado, se puede evidenciar que posiblemente durnte el
proceso de triturado de la arena, se generan fracturas entre diferentes tipos de minerales,
lo que genera que la presencia de otros minerales que abundan en mayor medida en los
tamaños más finos.
Resultados y análisis 125
En la Tabla 6-8, es posible evidenciar la totalidad de la composición mineralógica de
cada una de las fracciones de tamaño de partícula analizadas mediante microscopía y
petrografía.
Tabla 6-8: Porcentaje en composición de diferentes tipos de roca para agregado de
Cordobita
Tamiz #4 Tamiz #8 Tamiz #16 Tamiz #30 Tamiz #50
Tipo de roca Origen %
Tonalita ígneo 85,30% 58,00% 37,80% 20,30% 5,60%
Dacita ígneo 7,30% 0,90% 3,90% 5,20% 1,20%
Metatonalita Metamórfico 3,30%
Monomineral ígneo 2,70% 20,50% 47,20%
Granodiorita ígneo 0,70% 11,60% 9,40% 4,00%
Riolita ígneo 0,70%
Diorita ígneo 3,60%
Granito ígneo 2,70% 1,70%
Brecha Metamórfico 2,70%
Plagioclasa ígneo 32,00% 18,50%
Feldespato ígneo 9,80% 9,30%
Biotita ígneo 6,50% 16,70%
Cuarzo ígneo 16,30% 15,40%
Óxidos de hierro ígneo
6,20%
Hornblenda ígneo 5,90% 27,10%
En cuanto a la porosidad que presenta el material, se puede evidenciar que se tiene un
70% partículas que corresponden a niveles bajos y muy bajos. Esto es congruente con el
comportamiento del tamiz superior al #16.
126 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-6: . Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del rentenido en el
tamiz #16 con presencia de plagioclasas alteradas a siricita
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
En términos de morfología, se evidencia que la redondez de las partículas va de angular a
subredondeado y en esfericidad de subdiscoidal a subprismal. Este tipo de formas son las
más abundantes en este tamiz, lo que muestra que los porcentajes de partículas
redondeadas son menores y esto puede generar un factor clave en términos de la
coherencia entre partículas en el concreto y de pérdida anticipada de manejabilidad. Sin
embargo, como se evidencia en el análisis los factores químicos en términos de presencias
de biotitas, cuarzos ondulantes o sericitas pueden afectar en mayor medida el uso de
aditivos convencionales en el comportamiento del estado fresco del concreto.
Los datos de redondez para cada uno de los tamices y cada una de las fuentes de
agregado se presentan en el Anexo: Clasificación de formas de partículas por tamiz y
fuente de agregado.
Tamiz #30
En este tamiz, al igual que en las anteriores fracciones retenidas, abunda en gran medida
la plagioclasa con un 32% de la composición, y tonalitas en un 20,3%. Sin embargo, a
diferencia de los otros tamaños de partícula, el tamiz # 30 presenta componentes más
Resultados y análisis 127
agresivos y activos en términos de minerales como lo son cuarzos ondulantes, alteraciones
de sericitas y hornblendas con halos de oxidación y cloritas, cuyo comportamiento es
altamente activo ante la presencia de policarboxilatos o aditivos convencionales.
Figura 6-7: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general del tamiz #30 con
presencia de tonalitas, biotitas y minerales oxidados con adiciones de cloritas
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Adicionalmente, en términos de redondez, se encuentran partículas angulares y
subredondeadas y en cuanto a esfericidad, se determina una alta presencia de partículas
entre sub discoidales y sub prismoidales. Este comportamiento es congruente con el resto
de los tamices y podría significar un reto técnico para el concreto en términos del diseño
de mezcla y de reología.
La porosidad predominante en la muestra es muy baja con un 66,7 % de las partículas
seguida por un comportamiento en escala baja. De manera adicional, el grado de
meteorización en la muestra es bajo y solo un 1,3% de la muestra está fuertemente
meteorizada, lo que genera alta estabilidad en los minerales presentes en este agregado
(véase Tabla 6-9).
128 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tabla 6-9: Grado de meteorización para cada tamaño de partícula de la fuente de
agregado fino Cordobita
Tamiz
Grado de
meteorización #4 #8 #16 #30 #50
I 83,30% 56,30% 78,70% 93,40% 92,00%
II 16,00% 41,10% 18,90% 5,30% 8,00%
III 0,70% 2,70% 2,40% 1,30% 0,00%
Tamiz #50
En este tamaño de partícula del agregado de Cordobita, se encuentran minerales
compuestos por hornblenda, plagioclasas y biotitas en un 27,2%, 18,5% y 16,7%
respectivamente. Es importante resaltar, que, dentro de este tamiz, es posible identificar
con claridad hidróxidos de hierro los cuales se relacionan con minerales ferrosos presentes
en las alteraciones de la hornblenda. Lo anterior, también puede generar un
comportamiento indeseable por parte del agregado en términos de absorción de agua o
de policarboxilatos altamente activos.
En la Figura 6-8, se esquematizan los hallazgos en términos de los óxidos y partículas de
biotita que constituyen estructuras laminares que pueden ser activas por su composición
en cationes de Fe y Mn.
Resultados y análisis 129
Figura 6-8: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 20X cuarzos (Qz) b. Presencia
Hornblenda (Hbl). c. Cristales individuales de Biotita (Bt) d. Partículas de Plagioclasa (Plg).
Muestra de arena Cordobita, tamiz #50.
a b c d
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Figura 6-9: Microfotografía PPL. XPL aumento 20X partículas de hidróxido de hierro
(HxFe) resultado de minerales con alteración para arena Cordobita.
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
En términos de porosidad, se identifica un 87,7% muy baja, seguida de un 9,3% de baja.
Este resultado es consistente en todos los tamices, por lo que no se evidencia ninguna
influencia de esta propiedad en el comportamiento negativo de la reología del concreto que
emplee este tipo de arena (fuente Cordobita véase Tabla 6-7).
130 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Minerales potencialmente nocivos dentro de la fuente de Cordobita
Dentro de los componentes y minerales encontrados en cada una de las fracciones de
tamices estudiadas mediante petrografía para la arena de Cordobita, se han encontrado
componentes correspondientes a cuarzos ondulantes en 8,9% con presencia de vidrio
volcánico y matrices de dacita. Los cuarzos ondulantes son capaces de absorber tintas,
por lo cual puede asociarse su comportamiento con alta actividad catiónica dentro de la
matriz del agregado (Universidad Autónoma de Madrid, 2021). Por otro lado, se tiene la
presencia de algunos tipos de micas como la biotita y la sericita, las cuales tienen
estructuras laminares comúnmente asociadas a comportamientos negativos en las
propiedades reológicas del concreto en el tiempo (Goven, 2001). A continuación, en la
Tabla 6-10, se muestra la composición de los principales minerales y materiales que
pueden generar un comportamiento adverso de la arena Cordobita frente a absorción de
agua, policarboxilatos o aditivos convencionales.
Tabla 6-10: Composición porcentual de partículas evaluadas con minerales nocivos
para Arena de Cordobita
#4 #8 #16 #30 #50 Promedio
Cuarzo
microcristalino 0,7 7,1 2,4 0 0 2,04
Vidrio volcánico 7,3 1,8 2,4 0 1,2 2,54
Cuarzos ondulantes 2 12,4 7,9 13,1 9,3 8,94
Micas
(Sericita+biotita) 96 74,3 40,2 19,6 22,2 50,46
Arena de Cogua
Al igual que en la fuente de agregado presentada anteriormente, se realizó un estudio
petrográfico completo para la arena de Cogua, en este caso se analizan las fracciones
retenidas en los tamices #4, #8, #16, #30 y #50 desde una perspectiva física y de una
perspectiva química y mineralógica. Los resultados en términos de porosidad se miden
empleando la misma referencia de patrones de la arena de Cordobita (Poole & Sims,
2016). A continuación, se muestran los resultados.
Resultados y análisis 131
Tabla 6-11: Porcentaje de porosidad por tamiz para arena de Cogua
Tamiz #4 #8 #16 #30 #50
Categoría Tipo % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio % Promedio
<4% Muy baja 38,70% 2,1 55,00% 1,8 74,50% 1,6 96,30% 1,4 100,00% 1,2
4% a 8% Baja 28,00% 5,5 29,50% 6 20,50% 5,3 3,10% 5,4 0,00% 0
9% a 16% Media 27,30% 12,1 7,80% 12,3 3,10% 11,8 0,60% 13 0,00% 0
17% a 32% Alta 6,00% 19,9 6,20% 18,8 1,90% 18,7 0,00% 0 0,00% 0
>32% Muy alta 0,00% 0 1,60% 43,5 0,00% 0 0,00% 0 0,00% 0
Como se evidencia en la Tabla 6-11, la mayoría de las partículas que componen el sistema
poseen una porosidad baja. Las partículas de tamaños un poco más grandes tienden a
tener porosidades bajas, como es el caso del tamiz #4 que posee un 28% de partículas en
la escala baja y 27,3% de porosidad media (siendo el único caso con más de un 8% de
porosidad media). Por su parte, mientras más pequeñas se comienzan a hacer las
partículas, las porosidades tienden a disminuir reduciendo el porcentaje de partículas de
porosidad media a 0,0 % como es el caso del tamiz #50 y los valores de porosidad muy
baja abundan en gran medida en el resto de los tamices evaluados, como es el caso de
los tamices #16, #30 y #50 con escalas muy bajas en un 74,5%, 96,3% y 100,0%
respectivamente.
El anterior comportamiento, permite demostrar que no existe un efecto negativo por parte
de la porosidad el agregado en términos de absorción de agua de la mezcla de concreto
en los poros del agregado, o un posible alto consumo de aditivos químicos, pues la
porosidad de las partículas es considerablemente muy baja. Por su parte, se puede
contrastar el resultado de la caracterización física en donde la absorción de este material
tuvo un resultado del 2,53% generando un valor típico para los agregados finos (Ara
Jeknavorian & Koehler, 2010) y que obedece principalmente a la porosidad media que
presentan los tamices más grandes de las partículas de arena evaluadas para la fuente de
Cogua.
El análisis químico y mineralógico de esta fuente se realiza mediante microscopía y
petrografía con ayuda de secciones delgadas tratadas mediante tinción como se muestra
a continuación.
132 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-10: a. Sección delgada retenida en tamiz #8 arena Cogua b. Sección delgada
retenida en tamices #16, #30 y # 50 arena Cogua
a b
Tamiz # 4
El análisis estereomicroscópico permite destacar la presencia de lodolitas y limolitas, rocas
que dependiendo de su tamaño y composición específica pueden alterar negativamente el
comportamiento del concreto dadas sus características de absorción e interacción química
con cierto tipo de aditivos (Gök & Kılınç, 2016). Por otro lado, se resalta la presencia de
cuarzoarenizca y chert (véase figura a continuación).
Figura 6-11: a. Fragmentos de cuarzoarenizca en arena Cogua b. Fragmento de Lodolita
c. Fragmento de Chert. d. Fragmento de Limolita
a b c d
Resultados y análisis 133
En términos de composición química, se puede destacar la presencia de cuarzoarenizca
en un 32,7% seguido de un chert en un 24,0%. Por otro lado, se presentan minerales como
limolita silícea y arcillosa en un 14,0% y 9,3% respectivamente acompañados por
cuarzoarenizcas arcillosas en un 10,7%, estos minerales pueden incidir en el desempeño
en estado fresco del concreto. Sin embargo, el tamaño de agregado aún es relativamente
grande por lo que se hace necesario evaluar en detalle los tamices consecuentes con
tamaños de partículas más pequeños. La composición litológica de cada uno de los
tamices se muestra en la Tabla 6-12.
Tabla 6-12: Porcentaje en composición de diferentes tipos de roca para agregado de
Cogua
Tamiz #4 Tamiz #8 Tamiz #16 Tamiz #30 Tamiz #50
Tipo de roca Origen %
Cuarzoarenisca Sedimentario 32,70% 14,00% 10,60% 14,20% 9,10%
Chert Sedimentario 24,00% 30,20% 46,00% 43,80% 22,80%
Limolita silícea Sedimentario 14,00% 7,80% 5,00% 4,30% 4,50%
Cuarzoarenisca
arcillosa Sedimentario 10,70% 6,20% 1,70% 0,60%
Limolita arcillosa Sedimentario 9,30% 9,30% 13,70% 16,70% 7,40%
Lodolita Sedimentario 8,00% 14,70% 14,90% 7,40% 10,80%
Lodolita oxidada Sedimentario 1,30% 10,90%
Lodolita micácea Sedimentario 6,20% 8,10% 7,40% 4,50%
Limolita calcárea Sedimentario 0,70%
Cuarzo ígneo 5,60% 40,90%
Tamiz #8
La composición litológica de este tamaño de partícula coincide en términos de análisis
macroscópico y microscópico. En este caso se identifica un 30,2% de Chert de grano muy
fino compuesto de sílice microcristalina y carbonatos en su matriz, algunas de las
partículas contienen materia organiza y presencia de fósiles (véase Figura 6-12).
134 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-12: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X con fragmentos de chert y
fósiles recristalizados en calcedonia. c. y d. Fragmentos de Chert con presencia de materia
orgánica representada con puntos negros.
a b c d
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Por otra parte, se tiene una composición de lodolita, lodolita micácea y lodolita oxidada en
un 14,7%, 6,2% y 10,9% respectivamente. Estas rocas son de un tamaño de grano menor
(0,0039mm) y de tienen un tamaño de grano de arcilla significativamente similar. Las
lodolitas poseen una proporción de 2:3 de arcilla sobre limo, es decir su característica
predominante es una matriz arcillosa como se ve en la Figura 6-13. Adicionalmente, se
observan granos de cuarzo muy finos de tamaño limo y la lodolita micácea presenta
cristales de moscovita acompañados de lodolitas oxidadas de coloración rojiza. Este
aspecto se considera como altamente activo en términos de absorción de aditivos base
policarboxilato o altos consumos de agua que incluso pueden traer afectación sobre el
desempeño del concreto en el estado endurecido (Ngugi et al., 2014). Lo anterior, puede
afectar significativamente la eficiencia de dosis de aditivo en este tipo de concretos y de
pérdidas de manejabilidad anticipadas en el tiempo (Chen et al., 2018).
Resultados y análisis 135
Figura 6-13: a. y b. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Lodolitas con alta porosidad.
c. y d. Fragmentos de lodolitas micáceas (Mic).
a b c d
Figura 6-14: Fragmentos de lodolitas oxidadas (Ox).
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Con respecto a la composición adicional de este tamiz, se han encontrado cuarzoareniscas
en 14,0% y cuarzoareniscas arcillosas en 6,2% cuya composición es de cementante silíceo
y una matriz que une granos de cuarzo con minerales arcillosos como se muestra en
Figura 6-15. Las limolitas de otra parte se encuentran en tipo arcilloso, silíceo y calcáreo
en 9,3%, 7,8% y 0,8% respectivamente. Estas son rocas sedimentarias principalmente de
grano limo y se diferencian entre sí por su composición arcillosa. La limoarcilla tiene un
porcentaje limo: arcilla de 3:1 y los granos son de cuarzo principalmente. La limolita silícea
se caracteriza por su cementante y sus granos de tipo silíceo; la calcárea se cementa en
granos de cuarzo.
136 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-15: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 10X cuarzoareniscas de grano medio.
b. Cuarzoareniscas de grano fino con matriz arcillosa.
a b
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Finalmente, en términos de porosidad, se puede resaltar para este tamiz un porcentaje de
muy bajo de 55% y un contenido de porosidad bajo con 29,5%. La meteorización de estas
partículas es inalterada (véase Tabla 6-13) y en su mayoría se encuentran partículas de
forma subangular y redondeada. En general, el análisis mineralógico realizado sobre las
partículas de este tamiz, indica alta probabilidad de interacción química por parte de
matrices arcillosas hacia los aditivos químicos que puedan usarse en el concreto,
especialmente si se trata de policarboxilatos plastificantes convencionales.
Figura 6-16: a. Microfotografía PPL. XPL aumento 5X Limolita arcillosa con granos de
cuarzo embebidos en una matriz arcillosa. b. Limolita silícea compuesta por granos de
cuarzo y cemento silíceo.
a b
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Resultados y análisis 137
Figura 6-17: Microfotografía PPL. XPL aumento 10X limolita calcárea, los colores que
rodean los granos de cuarzo son carbonatos que componen la matriz de la roca.
Tamiz # 16
En este tamiz, se evidencia una alta cantidad de partículas de chert y lodolitas con
porcentajes de composición del 46,0% y 14,9% respectivamente, esto indica un tamaño
de roca menor promedio menor a 0,0039 mm y una granulometría muy fina. En esta parte
de la evaluación se evidencia una composición de sílice importante que puede ser
microsílice o sílice criptocristalina que puede atribuirse a comportamientos indeseables en
el estado fresco y endurecido por parte del concreto, debido a que estos minerales
interactúan activamente con el agua de los poros durante el tiempo de hidratación de la
mezcla.
Tabla 6-13: Grado de meteorización para cada tamaño de partícula de la fuente de
agregado fino Cogua
Tamiz
Grado de
meteorización #4 #8 #16 #30 #50
I 87,30% 82,20% 89,40% 80,20% 84,10%
II 12,70% 17,10% 9,90% 19,80% 15,90%
III 0,00% 0,80% 0,60% 0,00% 0,00%
138 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-18: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el
tamiz # 16.
En términos de morfología se encuentra que las partículas son angulares y redondeadas
con un porcentaje de 74,5% en la escala de muy baja respecto a su porosidad. Esto podría
representar una ventaja en términos de facilidad de colocación y ensamble granulométrico
a la hora de obtener las mezclas de concreto.
Tamiz # 30
De manera congruente con el tamiz #16, se evidencia presencia en la mayoría de las
partículas de Chert con un 43,8% seguido de una matriz de limolita arcillosa con un 16,7%,
eso genera de manera consistente la presencia de este tipo de materiales en los diferentes
tamaños de partícula analizados para esta fuente de agregado, lo cual puede reflejarse en
posibles aumentos de consumo de agua del concreto y pérdidas de manejabilidad
asociadas a la absorción de estos minerales frente a los polímeros en la mezcla de
concreto.
Figura 6-19: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el
tamiz # 30.
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
Resultados y análisis 139
En cuanto a la morfología de esta fracción, se encuentra redondez subangular y
redondeada y diferentes formas de esfericidad, la porosidad por su cuenta es de manera
consistente muy baja con un 96,3% y el grado de meteorización de la mayor parte de los
tamices como se evidencia en la Tabla 6-13 es de grado I, lo que indica un bajo grado de
alteración mineral y permite evidenciar que se trabaja con una fuente de agregado basado
en roca fresca.
Tamiz #50
En las partículas de menor tamaño que se han evaluado mediante petrografía, se
encuentran cuarzos tipo monomineral con 40,9% de la composición que pueden venir de
fragmentos de cuarzoareniscas de tamaño más grueso de tamices de mayor tamaño. Por
otro lado, el Chert sigue siendo un componente de gran importancia con un 22,7% y las
lodolitas de diferentes tipos como arcillosas micáceas y silíceas componen juntas un 16,4%
de esta zona evaluada.
En cuanto a los aspectos de forma encontrados en este tamiz, se destaca que la mayor
parte de las partículas posee esfericidad entre discoidal y subprismoidal, por otro lado,
existe un 100% de porosidad de tipo muy baja y gran porcentaje de partículas redondeadas
con un grado de meteorización muy bajo (84,1%).
Figura 6-20: Microfotografía PPL. XPL aumento 5X vista general de fragmentos en el
tamiz # 50.
Cortesía: Geología y geotecnia S.A.S
140 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Minerales potencialmente nocivos dentro de la fuente de Cogua
Al igual que el análisis realizado para la fuente de Cordobita, en la arena de Cogua se han
identificado de manera continua, y en los diferentes tamices analizados, la presencia de
chert que puede generar problemas tanto en el estado fresco con el estado endurecido.
Este mineral, puede ser nocivo en la mezcla de concreto y alterar su comportamiento en
el estado fresco debido a que no solo es un grano muy fino compuesto de sílice que puede
variar de micro a criptocristalina, sino que además tiene materia orgánica en diversas
cantidades que puede tender a generar oxidación y compuestos altamente activos. Por
otro lado, la presencia en las diferentes fracciones analizadas de diferentes tipos de
minerales de arcilla puede generar problemas en el concreto ya que al tratarse de una roca
sedimentaria, donde predomina el material de granulometría fina, se espera que los
contendidos de arcilla sean elevados. Para comprobar este hecho, se realizó como
complemento de esta caracterización la fluorescencia de rayos X.
Tabla 6-14: Composición porcentual de partículas evaluadas con minerales nocivos
para Arena de Cogua
#4 #4 #8 #16 #30 #50 Promedio
Chert 0,7 24 30,2 46 43,8 22,7 27,9
Minerales arcillosos 7,3 29,3 47,3 38,5 32,1 22,7 33,98
6.1.4 Análisis químico
FRX de los agregados finos
Con el fin de comprender la composición de los agregados finos en términos cuantitativos
y directos, se ha empleado la técnica de caracterización de fluorescencia de rayos X. Los
óxidos identificados para cada una de las fuentes problema de agregado se muestran en
la Tabla 6-15.
Resultados y análisis 141
Tabla 6-15: Fluorescencia de rayos X para arena Cordobita y Cogua
Óxidos Cordobita Cogua
LE 3,56 3,32
MgO 5,09 0,01
Al2O3 12,56 6,97
SiO2 67,23 85,07
SO3 0,12 2,77
K2O 1,01 0,40
CaO 3,60 0,01
TiO2 0,67 0,23
MnO 0,10 0,01
Fe2O3 5,92 1,17
La caracterización química de la fuente Cordobita, permite identificar óxidos de magnesio
en 5,09% usualmente relacionados con la presencia de sericita, los cuales son minerales
micáceos similares a la moscovita. Este hecho fue contrastado en los hallazgos de la
petrografía y pueden ser los responsables de efectos negativos en el concreto en términos
de sus propiedades en el estado fresco (Madero et al., 2014). Por otra parte, en los
elementos livianos es posible identificar un porcentaje 3,56% relacionados con la presencia
de cuarzos microcristalinos y ondulantes de alta finura.
De manera adicional, cabe destacar la presencia de óxidos de aluminio Al2O3 en un 12,56%
los cuales confirman la presencia de hornblenda, aluminosilicatos y cloritas altamente
activas en términos iónicos, pudiendo afectar la eficiencia de dosificación de aditivos en
concretos que empleen estos materiales (MacÍas-Quiroga, Giraldo-Gómez, & Sanabria-
González, 2018). Por su parte, se destaca la presencia de biotitas que constituyen
filosilicatos con altos contenidos de finos al observar una alta presencia de Fe2O3 y
finalmente, los álcalis y el CaO muestran la presencia de dacitas y tonalitas en la muestra
de arena de Cordobita. La comparación en términos de composición de cada una de las
arenas se esquematiza de manera comparativa en la Figura 6-21.
142 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-21: FRX muestra de arena Cordobita y Cogua
Por su parte, la muestra de arena de Cogua muestra un elevado contenido de óxido de
sílice en comparación con la muestra de Cordobita, esto se debe a la alta presencia de
Chert y arcillolitas silíceas, que pueden tener alta finura y afectar el desempeño de los
aditivos. Sin embargo, los componentes que más destacan en las afecciones químicas
dentro de la matriz de la arena hacia altos consumos de agua, pérdidas de manejabilidad
y baja eficiencia de dosis de aditivos son las limolitas arcillosas y las micas presentes en
forma de óxidos de azufre (Ochieng, 2016) y las arcillas y materiales oxidados de arcilla
resaltados en las formas de Fe2O3 identificadas en la muestra. Cabe resaltar, que parte de
las arcillas identificadas mediante petrografía pueden estar inmersas en el contenido total
de SiO2 determinado por FRX, pero esta técnica por sí sola no permite identificar
específicamente el aporte de las arcillas al valor de 85,07% mostrado en la Tabla 6-15.
TOC por tipo de arena
Tras la realización del tratamiento químico y la ejecución del ensayo para determinación
del carbono orgánico total absorbido por cada una de las muestras, se tienen los resultados
mostrados en la Tabla 6-16.
Tabla 6-16: Resultados evaluación de absorción por TOC
Fuente (%) TOC
Arena Cordobita 78,50%
Arena Cogua 66,20%
Resultados y análisis 143
Como se muestra en los resultados anteriores, existe una mayor capacidad de absorción
de polímeros convencionales por parte de la fuente de Cordobita respecto a la fuente de
Cogua. Esto hace que esta fuente de agregado sea más nociva en términos de dosificación
de polímeros y de consumos de agua iniciales. Sin embargo, los resultados de afectación
a la trabajabilidad se analizan en la sección próxima de la reología de las mezclas.
Los anteriores valores permiten relacionar la capacidad de atracción de los minerales de
cada una de las fuentes hacia los polímeros que se emplean normalmente en las mezclas
de concreto para fluidificar y mantener el asentamiento o flujo de concreto en el tiempo,
siendo mucho más probable la pérdida de manejabilidad por parte de la fuente de
Cordobita que la de Cogua.
6.2 Obtención de diseños de mezcla de concreto y
mortero
6.2.1 Ensamble granulométrico y modelamiento gráfico por
método de Shilstone
Con la realización de la caracterización física de los agregados en términos de
granulometría, densidad y absorción (véase Tabla 6-3 y Tabla 6-4), es posible emplear el
modelo del factor de manejabilidad sugerido por Shilstone (Rudy & Olek, 2012) descrito en
la metodología de la investigación (numeral 5.3.1), y de esta manera realizar un proceso
iterativo hasta obtener un concreto dentro de una región correctamente gradada para el
tamaño nominal máximo empleado en la experimentación ( grava de ¾”). De esta manera,
al reemplazar los valores en el modelo, se obtiene una combinación de agregados gruesos
y finos en una relación de 42%:58% arena: grava. El contenido de cemento es constante
para todo el diseño de experimentos planteado (400 Kg/m3 de mezcla de concreto) y una
relación agua cementante de 0,4875. Estos valores se han seleccionado con el fin de
modelar un concreto hidráulico bombeable con un alto desarrollo de resistencia a
compresión a edades iniciales y finales.
144 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Los resultados del ensamble obtenido para la arena de Cogua se muestran en la Figura
6-22
Figura 6-22: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cogua con método
gráfico de Shilstone.
El punto indicado en la figura anterior permite observar que el diseño generado encaja
dentro de la una región correctamente gradada; esto con el fin de obtener una reología
estable en términos de flujo inicial y evitar efectos de segregación que puedan distorsionar
el efecto de interacción entre los minerales de las arenas y los polímeros convencionales
y polieléctricos.
Los resultados para los diseños de mezcla de concreto con la arena de Cogua bajo el
anterior modelo se muestran en la Tabla 6-17. Como se evidencia el contenido de agua
con relación al cementante total es constante y la única variable que se considera para
aplicar el modelo DOE fraccional rotacional es la cantidad de arena de la mezcla y la
(19 mm)
(19 mm)
Resultados y análisis 145
dosificación del aditivo base polímero polieléctrico. Lo anterior, debido a que se busca
evitar distorsionar el desempeño reológico de la mezcla por factores distintos a los
minerales en las arenas y los aditivos químicos.
Tabla 6-17: Características de diseños de mezcla de concreto para arena Cogua
Material
Arena en diseño
(Kg) 23,06%
(51,67%)
Arena en diseño
(Kg) 25,34%
(53,86%)
Arena en diseño
(Kg) 30,86%
(58,82%)
Arena en diseño
(Kg) 36,37%
(63,37%)
Arena en diseño
(Kg) 38,65%
(65,16%)
Cemento tipo ART 400 400 400 400 400
H2O 195 195 195 195 195
Arena Cogua 478 541,44 711,75 911,56 1005
Grava 3/4" 570 570 570 570 570
Grava 1/2" 430 430 430 430 430
Total diseño de concreto 2073 2136,44 2306,75 2506,56 2600
%Cemento 19,30% 18,72% 17,34% 15,96% 15,38%
Relación (AF/MT) 23,06% 25,34% 30,86% 36,37% 38,65%
Relación (A/MC) 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875
Diseño en mortero equivalente Cemento Agua Arena Cogua Agua lib por abs Relación A/MC
23,06% 598,95 316,70 978,85 -24,72 0,4875
25,34% 574,33 305,93 1027,46 -25,94 0,4875
30,86% 517,25 280,95 1140,15 -28,79 0,4875
36,37% 463,24 257,31 1246,79 -31,48 0,4875
38,65% 441,67 247,87 1289,37 -32,56 0,4875
Teniendo en cuenta que la granulometría de la fuente de arena de Cordobita es
significativamente similar a la de la fuente de Cogua, al aplicar el modelo gráfico de diseño
de mezclas de Shilstone, se puede identificar que las cantidades del concreto pueden
permanecer constantes sin afectar la reología esperada de la mezcla. Este hecho es
altamente favorable para el análisis del DOE, pues se pueden relacionar más fácilmente
los efectos generados por cada fuente de agregad y cada tipo de polímero. Los resultados
gráficos del cálculo se muestran en la Figura 6-23 junto con los valores numéricos para
cada mezcla de concreto.
146 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-23: Cálculo de diseños de mezclas de concreto para arena de Cordobita con
método gráfico de Shilstone.
Tabla 6-18: Características de diseños de mezcla de concreto para arena Cordobita
Material
Arena en diseño
(Kg) 23,06%
(59,24%)
Arena en diseño
(Kg) 25,34%
(60,82%)
Arena en diseño
(Kg) 30,86%
(64,5%)
Arena en diseño
(Kg) 36,37%
(67,99%)
Arena en diseño
(Kg) 38,65%
(69,38%)
Cemento tipo ART 400 400 400 400 400
H2O 195 195 195 195 195
Arena Cordobita 478 541,44 711,75 911,56 1005
Grava 3/4" 570 570 570 570 570
Grava 1/2" 430 430 430 430 430
Total diseño 2073 2136,44 2306,75 2506,56 2600
Cemento (%) 19,30% 18,72% 17,34% 15,96% 15,38%
Relación (AF/MT) 23,06% 25,34% 30,86% 36,37% 38,65%
Relación (A/MC) 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875 0,4875
Diseño equivalente
en mortero Cemento Agua Arena Cordobita Agua lib por abs Relación A/MC
23,06% 527,36 278,16 1170,66 -21,07 0,4875
25,34% 505,59 268,10 1201,10 -21,62 0,4875
30,86% 455,15 244,78 1271,64 -22,89 0,4875
36,37% 407,46 222,73 1338,33 -24,09 0,4875
38,65% 388,43 213,93 1364,95 -24,57 0,4875
(19 mm)
(19 mm)
Resultados y análisis 147
6.2.2 Modelamiento de morteros equivalentes
Para poder modelar adecuadamente las cantidades obtenidas en el diseño de concreto,
se ha implementado la metodología de cálculo del mortero equivalente, en este se realiza
el cálculo de área superficial total en términos de agregados gruesos y finos y se reemplaza
en su totalidad por la arena necesaria para suplir esta misma área.
Dado que el volumen total disminuye por cada m3 de concreto, se hace necesario aplicar
el factor de corrección a la mezcla como se ha explicado en la metodología de la
investigación y se obtienen las cantidades de cada material del mortero para cada diseño
de concreto. En este caso, se obtienen 5 diferentes morteros que modelan cada diseño de
mezcla propuesto anteriormente. Los resultados del cálculo del área superficial y la
determinación de la cantidad de los componentes para cada tipo de arena se muestran a
continuación.
Tabla 6-19: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cogua
Material
Cantidad
en el
diseño
(Kg)
Densidad
(g/l) Absorción del
material (%)
Volumen
total
(m3)
Área de
material
equivalente
(cm2)
Diseño de mortero equivalente
Cemento tipo ART 400 3,00 0,133 Cemento tipo ART (g) 441,67
H2O 195 1,00 0,195 H2O (g) 247,87
Arena Cogua 1005 2,61 2,53% 0,386 79678790,20 Arena Cogua (g) 1289,37
Grava 3/4" 570 2,56 0,47% 0,223 3844467,36 H2O lib arena1 (g) -32,56
Grava 1/2" 430 2,66 1,61% 0,162 11395148,54 Relación (A/MC) 0,488
Total masa (Kg) 2600 1,098 94918406,09 Volumen de la mezcla (ml)
869,60
Relación (AG/AT) 0,499 Relación (A/MC) 0,488
Tabla 6-20: Cálculo de mortero equivalente de concreto para arena de Cordobita
Material Cantidad
en el diseño
(Kg)
Densidad
(g/l) Absorción del
material (%)
Volumen
total (m3)
Área de
material
equivalente
(cm2)
Diseño de mortero equivalente
Cemento tipo ART 400 3,00 0,133 Cemento tipo ART (g) 388,43
H2O 195 1,00 0,195 H2O (g) 213,93
Arena Cordobita 1005 2,59 1,80% 0,388 35959940,30 Arena Cordobita (g) 1364,95
Grava 3/4" 570 2,56 0,47% 0,223 3844467,36 H2O lib arena1 (g) -24,57
Grava 1/2" 430 2,66 1,61% 0,162 11395148,54 Relación (A/MC) 0,488
Total masa (Kg) 2600 1,101 51199556,19 Volumen de la mezcla (ml)
855,33
Relación (AG/AT) 0,499 Relación (A/MC) 0,488
148 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Como se evidencia en la Tabla 6-19 y la Tabla 6-20, el modelo considera un cálculo de
mortero equivalente para cada cantidad de arena en el concreto. En el caso anterior, se
modelan los concretos con mayor cantidad de arena, es decir, 1005 Kg de arena por m3
de concreto. Con las variaciones obtenidas del DOE (Design Of Experiments) fraccional
rotacional se tienen concretos con un contenido de arena que va desde el 23,06% hasta
el 38,65% del total de materiales en la mezcla, valores que son normales en diferentes
tipos de mezcla de concreto usados en la industria (Gutierrez, 2003). Para cada uno de
estos diseños el contenido de cemento cambia, disminuyendo en la medida que aumenta
la arena para mantener el volumen del m3 de concreto. De esta manera se tienen mezclas
con mucha cantidad de arena y poca pasta y mezclas menos difíciles desde el punto de
vista reológico, pues hay mucha pasta de cemento (aglutinante) y poca cantidad de arena
con minerales nocivos (véase Tabla 6-17 y Tabla 6-18).
6.3 Análisis del estado fresco y endurecido
Para el análisis del comportamiento y desempeño de los polímeros polieléctricos en
presencia de las arenas con arcillas y minerales nocivos que se han caracterizado con
anterioridad (fuentes de Cogua y Cordobita), se emplearon técnicas de caracterización de
la reología de mezclas de morteros equivalentes de manera directa e indirecta y se
elaboraron especímenes en cubos de 5mm X 5mm de acuerdo con la ASTM C 109 con el
fin de caracterizar el estado endurecido, acompañado de la caracterización de la cinética
de hidratación en diferentes condiciones. Los resultados de este plan experimental se
muestran a continuación.
6.3.1 Análisis de reología indirecta
Los parámetros evaluados en términos de reología indirecta son el flujo libre y la retención
de flujo en el tiempo a 90 minutos. El flujo libre, constituye una característica que se
relaciona con la capacidad de reducción de agua del aditivo y por ende permite en la
práctica la reducción de cementante de la mezcla, mejorando los costos de producción del
concreto y la retención de flujo en el tiempo; constituye el factor clave que permite
transportar y colocar el concreto adecuadamente en proyectos de construcción. Los
parámetros anteriormente mencionados fueron caracterizados para ambos tipos de arena
Resultados y análisis 149
y para cada polímero: un policarboxilato convencional y dos polímeros polieléctricos. El
número de ensayos se determinó mediante la aplicación del DOE factorial rotacional con
2 variables: una, la dosis del aditivo y la otra, la cantidad de arena dentro del diseño de
concreto y a su vez el diseño de mortero equivalente.
La Tabla 6-21, muestra los resultados experimentales para el aditivo base policarboxilato
EXP 3457 con el uso de la arena Cordobita. Como se evidencia, para 2 variables se
requiere un total de 11 ensayos que permiten modelar la totalidad del comportamiento de
las variables dentro de los rangos seleccionados para la cantidad de arena en la mezcla y
la dosis del polímero.
Tabla 6-21: Resultados experimentales de reología indirecta para policarboxilato
experimental 3457 y arena de Cordobita
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el concreto
% aditivo polímérico
Flujo inicial (mm)
30 min
60 min
90 min
% Retención
de flujo
1 1- 1- 25,34% 0,39% 222 184 154 140 62,84%
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 240 135 105 100 41,67%
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 171 133 119 110 64,29%
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 201 153 124 111 55,33%
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 221 167 154 138 62,21%
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 230 179 155 136 59,11%
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 215 140 110 100 46,51%
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 165 121 112 106 64,20%
9 o o 30,86% 0,50% 227 184 168 149 65,47%
10 o o 30,86% 0,50% 224 180 154 139 61,82%
11 o o 30,86% 0,50% 227 185 167 151 66,37%
La dosis de los polímeros en forma de aditivos se ha variado entre 0,35% y 0,65%, pues
son valores usados ampliamente en la industria del concreto para diferentes tipos de
diseño de mezcla. Adicionalmente, estas dosis fueron determinadas posteriores a la
realización de varios ensayos de calibración que permitieran obtener mezclas estables, es
decir, sin segregación o exudación y también una condición fluida que permita medir la
reología indirecta y la directa mediante el viscosímetro.
150 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Los resultados de los aditivos experimentales 1931-1 y 1831-5 en las diferentes
combinaciones de dosis y cantidad de arena de la fuente de Cordobita, se muestran a
continuación.
Tabla 6-22: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero polieléctrico
experimental 1931-1 y arena de Cordobita
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el concreto
% aditivo polímérico
Flujo inicial (mm)
30 min
60 min
90 min
% Retención
de flujo
1 1- 1- 25,34% 0,39% 239 222 183 156 65,33%
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 230 240 105 99 43,04%
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 176 166 131 122 69,55%
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 219 196 168 144 65,73%
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 194 182 160 145 74,51%
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 219 249 205 156 71,30%
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 220 250 150 115 52,27%
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 154 134 112 107 69,73%
9 o o 30,86% 0,50% 219 249 201 199 90,87%
10 o o 30,86% 0,50% 209 210 175 148 70,78%
11 o o 30,86% 0,50% 219 249 202 201 91,80%
Tabla 6-23: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero polieléctrico
experimental 1831-5 y arena de Cordobita
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el concreto
% aditivo polímérico
Flujo inicial (mm)
30 min
60 min
90 min
% Retención
de flujo
1 1- 1- 25,34% 0,39% 217 195 172 159 73,24%
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 195 155 120 110 56,41%
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 210 179 149 135 64,08%
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 230 210 180 143 62,22%
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 223 208 173 162 72,60%
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 232 207 196 170 73,57%
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 205 160 135 112 54,63%
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 159 128 115 115 72,44%
9 o o 30,86% 0,50% 249 245 215 197 79,10%
10 o o 30,86% 0,50% 236 221 200 179 75,76%
11 o o 30,86% 0,50% 249 246 213 199 79,92%
Resultados y análisis 151
Para el caso de los resultados empleando la fuente de arena de Cogua, se tienen los
siguientes valores.
Tabla 6-24: Resultados experimentales de reología indirecta para policarboxilato
experimental 3457 y arena de Cogua.
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el concreto
% aditivo polímérico
Flujo inicial (mm)
30 Min
60Min 90
Min
% Retención
de flujo
1 1- 1- 25,34% 0,39% 235 200 155 140 59,57%
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 300 255 215 190 63,33%
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 230 207 182 117 51,10%
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 205 125 110 85 41,46%
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 160 120 100 70 43,75%
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 290 195 150 115 39,66%
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 300 260 215 170 56,67%
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 221 189 161 133 60,09%
9 o o 30,86% 0,50% 205 160 140 95 46,34%
10 o o 30,86% 0,50% 200 155 115 100 50,00%
11 o o 30,86% 0,50% 200 155 140 100 50,00%
Tabla 6-25: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero polieléctrico
experimental 1931-1 y arena de Cogua.
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el concreto
% aditivo polímérico
Flujo inicial (mm)
30 Min
60Min 90
Min
% Retención
de flujo
1 1- 1- 25,34% 0,39% 290 275 245 180 62,07%
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 285 280 280 275 96,49%
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 232 225 209 186 80,18%
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 235 215 185 145 61,70%
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 240 200 130 95 39,58%
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 280 255 260 250 89,29%
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 300 300 290 280 93,33%
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 240 209 189 163 68,09%
9 o o 30,86% 0,50% 245 240 205 155 63,27%
10 o o 30,86% 0,50% 265 269 200 154 58,11%
11 o o 30,86% 0,50% 255 250 210 160 62,75%
152 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tabla 6-26: Resultados experimentales de reología indirecta para polímero polieléctrico
experimental 1831-5 y arena de Cogua.
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el concreto
% aditivo polímérico
Flujo inicial (mm)
30 Min
60Min 90
Min
% Retención
de flujo
1 1- 1- 25,34% 0,39% 175 135 125 110 62,86%
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 195 145 135 115 58,97%
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 212 211 195 179 84,43%
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 190 165 141 133 70,00%
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 120 95 80 70 58,33%
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 160 105 90 80 50,00%
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 205 150 135 130 63,41%
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 207 192 182 164 79,23%
9 o o 30,86% 0,50% 140 110 95 75 53,57%
10 o o 30,86% 0,50% 130 100 90 70 53,85%
11 o o 30,86% 0,50% 150 110 100 80 53,33%
Para el análisis de los resultados experimentales se ha empleado el software estadístico
Minitab 19. En este, se han ingresado los datos y se ha realizado el modelamiento
mediante la regresión de parámetros de superficie de respuesta. Para ello, se deben
ingresar los datos con las variables de entrada y las variables de respuesta. Para este
caso, las variables de respuesta son el flujo inicial y el porcentaje de retención de flujo.
Figura 6-24: Modelamiento estadístico de superficies de respuesta en Minitab 19
Resultados y análisis 153
Como se evidencia en la Figura 6-24, para modelar adecuadamente las variables de
respuesta, se ha seleccionado un modelo de ecuación de regresión con alto grado de
interacción entre variables. Para el caso ilustrado anteriormente, se tiene una alta
interacción entre las variables % de arena en el concreto y % de aditivo polimérico. De esta
manera, es posible seleccionar el modelo que simula de mejor manera los datos,
obteniendo el valor de R2 más alto posible, para el ejemplo ilustrado anteriormente, se
tiene un R2 de 82,48% el cual es altamente significativo en términos de predicción del
comportamiento de las variables de respuesta en el rango de las variables de entrada.
Figura 6-25: Modelamiento de efectos estandarizados entre variables para selección del
modelo estadístico
La modelación de las superficies de respuesta y de las gráficas de contorno para todas las
variables de respuesta, requieren un análisis de interacción entre variables para determinar
la mejor ecuación predictiva del comportamiento de cada aditivo frente a cada tipo de arena
(Del Vecchio, 2007). En la Figura 6-25 se evidencia una alta interacción cuadrática entre
el porcentaje de la arena del concreto y el porcentaje de aditivo polimérico en la mezcla, la
modelación obtenida bajo estos parámetros permite la construcción de las siguientes
gráficas de superficie.
154 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Arena de Cordobita
Figura 6-26: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de reducción de agua
frente a arena Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero polieléctrico
EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c
Como se evidencia en la figura anterior, es posible visualizar el efecto generado al emplear
cada una de las moléculas frente a la fuente de agregado de Cordoita. En la Figura 6-26a,
es posible observar que con el aditivo base policarboxilato EXP 3457 se generan valores
EXP 3457
EX
P 3
457
EXP 1931-1
EXP 1831-5
EX
P 1
931-1
EX
P 1
831-5
Resultados y análisis 155
de fluidez medianamente altos para escenarios donde la cantidad de arena varía de baja
a media. Es decir, desde el 30 al 32.5% de arena en el concreto, es posible obtener una
fluidez aceptable y elevada de 210 a 225 mm, mientras que, con valores de arena
superiores a dicho porcentaje, pese a que se incrementa el aditivo, la fluidez no logra
superar los 150 o 165 mm. Esto es un indicador importante, pues la capacidad de
reducción de agua del aditivo base policarboxilato convencional se ve altamente limitada
al contenido de arena con presencia de arcillas en la mezcla.
Por su parte, la Figura 6-26b muestra una capacidad de reducción de agua mucho más
alta por parte del aditivo base polímero polieléctrico EXP 1931-1 respecto al EXP 3457,
pues es posible obtener en la mayor parte del espectro evaluado valores de fluidez que
van de 200 mm a casi 250 mm, esto representa un aumento del 67% de la capacidad de
la reducción de agua del polímero polieléctrico frente a la tecnología de policarboxilatos
convencionales. Adicionalmente, en términos de tolerancia a la cantidad de arena de mala
calidad, es posible evidenciar un desempeño superior por parte de este polímero incluso
en alto contenidos de arena, donde en valores cercanos al 40% se pueden obtener altas
reducciones de agua incrementando la dos del aditivo a 0,5%.
Finalmente, la Figura 6-26c muestra un desplazamiento de la tendencia del aditivo EXP
1831-5 en donde su capacidad de reducción se hace máxima en valore intermedio de dosis
de aditivo y de cantidad de arena en la mezcla de concreto. Como se observa en la
superficie de respuesta, los valores superiores de fluidez a 240 mm son obtenidos con
contenidos medios de arena de mala calidad de Cordobita (30%) y dosis de aditivo de
0,5%, esto se debe a que a diferencia del aditivo EXP 1931-1, el polímero EXP 1831-5 no
bloquea completamente los minerales del agregado, sino que permanece en suspensión,
hecho que afecta ligeramente el consumo inicial del agua en valores de baja dosis de
aditivo o de alto contenido de arena. Sin embargo, este polímero también es superior en
términos de reducción de agua y robustez frente al policarboxilato evaluado EXP 3457.
156 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Arena de Cogua
Figura 6-27: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de reducción de agua
frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero polieléctrico
EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c
En el caso de la arena de Cogua, es posible evidenciar cómo el policarboxilato
convencional EXP 3457 genera altos valores de reducción de agua con 320 mm o más de
EXP 3457
EX
P 3
457
EXP 1931-1
EX
P 1
931-1
EXP 1831-5
EX
P 1
831-5
Resultados y análisis 157
flujo inicial, en condiciones donde la cantidad de arena es mínima y la cantidad de aditivo
es máxima. Es decir, para un valor de 22% de arena en el concreto y 0,65% de aditivo. Sin
embargo, al aumenta la cantidad de arena el flujo de salida decrece y se requiere de dosis
máximas de aditivo (0,65%) para alcanzar una fluidez de 240 a 260 mm, lo cual demuestra
que la capacidad de reducción de agua del policarboxilato se ve afectada por la alta
absorción de los minerales de la arena hacia el agua de la mezcla y el policarboxilato
mismo (véase Figura 6-27a).
El aditivo base polímero polieléctrico de base mixta, es decir el EXP 1931-1, presenta un
comportamiento mucho más estable en todas las condiciones de prueba. Es decir, a
valores de bajo y medio contenido de arena es capaz de reducir agua y generar flujos altos
que van desde 240 mm a 300 mm. Adicionalmente, en los valores más altos de contenido
de arena de Cogua en las mezclas de mortero equivalente, se obtienen flujos de cerca de
240 mm lo cual es un excelente indicador en términos de tolerancia del polímero a la
presencia de las arcillas en esta fuente de agregado fino. Este efecto generado por el
polímero de tipo mixto se debe a que parte de sus cadenas son capaces de mitigar y
reaccionar de manera inmediata con las arcillas y otra parte de las cadenas de la misma
molécula continúan con su generación de efecto dispersante en la mezcla, este efecto
combinado es capaz de generar un excelente desempeño de reducción de agua en
escenarios donde existe poca o mucha arena de Cogua con altos contenidos de arcillas y
limolitas arcillosas (véase desempeño del polímero en la Figura 6-27b).
Por otro lado, el polímero polieléctrico EXP 1831-5 presenta un excelente desempeño en
condiciones donde la arena de Cogua se encuentra en proporciones bajas y proporciones
muy altas. De este modo y como se demuestra en la gráfica de superficie y contorno de la
Figura 6-27c , la capacidad de reducción de agua del polímero se maximiza cuando el
contenido de arena es muy alto ya que con valores de arena de más del 40% se pueden
generar flujos iniciales de más de 250 mm. De otra parte, es importante resaltar que en los
valores medios de arena con alto contenido de chert y arcillas, el polímero reduce agua en
menor medida que los demás aditivos. Su condición en puntos medios puede generar una
disminución en el flujo inicial de hasta 33,34% en comparación a los policarboxilatos
convencionales. Sin embargo, este efecto es mitigado al incrementar la dosis del polímero
EXP 1831-5 a valores de 0,55%. Por lo anterior, los polímeros polieléctricos siguen
teniendo más robustez ante el contenido de minerales nocivos en las arenas como es el
158 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
caso de Cordobita y Cogua, pues en las condiciones más extremas de contenido de arena
de mala calidad en la mezcla, los polímeros son capaces de mitigar el efecto negativo de
absorción de agua de las arenas con bajas dosis de aditivo.
Retención de flujo arena Cordobita
La retención del flujo en el tiempo por parte de un aditivo es un factor clave dentro de las
propiedades del transporte del concreto, pues esto viabiliza económicamente el uso de
ciertos tipos de arena de mala calidad (Liu et al., 2017). Por lo anterior, al analizar la Figura
6-28, es posible identificar diferencias marcadas entre el desempeño generado por el
policarboxilato convencional EXP 3457 y los dos polímeros polieléctricos EXP 1931-1 y
EXP 1831-5, donde el primero de ellos es capaz de generar su mejor desempeño en
condiciones donde la arena de Cordobita se encuentra en un contenido entre el 30,0% y
el 34,0% con dosis de aditivo relativamente bajas. Sin embargo, hay que resaltar que el
desempeño de este policarboxilato es inferior al obtenido por los polímeros polieléctricos,
pues la retención de flujo máxima llega a valores del 65%, mientras que los experimentales
1931-1 y 1831-5 pueden generar retenciones de flujo del 80% y 75% respectivamente.
Adicionalmente, como se puede ver en las Figura 6-28a, Figura 6-28b y Figura 6-28c,
la región de color verde sobre las gráficas de contorno es mucho más amplia para los
polímeros polieléctricos que para el policarboxilato convencional. Esto muestra que la
capacidad de retener el flujo de los polímeros polieléctricos es mayor comparado con el
EXP 3457.
Finalmente, se puede evidenciar que con la arena de Cordobita, el mejor resultado de
retención de flujo se presenta en cantidades medias de arena y aditivos
independientemente de la referencia. Esta tendencia obedece a fenómenos que se
relacionan con el diseño de concreto modelado, pues los valores intermedios de arena y
aditivo mitigan efectos de segregación que pueden ser altamente afectados por la
interacción entre el agregado y el aditivo químico.
Resultados y análisis 159
Figura 6-28: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de retención de flujo
frente a arena de Cordobita. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c
EXP 3457
EX
P 3
457
EXP 1931-1
EX
P 1
931-1
EXP 1831-5
EX
P 1
831-5
160 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Retención de flujo arena Cogua
En el caso de la tendencia de la arena de Cogua, se observa un comportamiento
dependiente del tipo de polímero. En la Figura 6-29a, se evidencia que el policarboxilato
experimental 3457 presenta una retención de flujo cercana al 60% en la región de bajo
contenido de arena con alta cantidad de dosis. Sin embargo, se puede notar que el
policarboxilato no es capaz por sí mismo de retener asentamiento o flujo en el tiempo en
las regiones donde la arena va de 27,5% a 35,0%. Este hecho muestra un alto grado de
absorción por parte de la arena hacia el polímero, de modo que las cadenas laterales son
atrapadas por las arcillas y limolitas arcillosas causando una pérdida de manejabilidad
acelerada en la mayor parte de las regiones evaluadas y modeladas.
Por otro lado, en la Figura 6-29b, se observa que la tendencia del polímero polieléctrico
EXP 1931-1 genera porcentajes de retención de flujo que llegan a cerca del 100% siendo
este un resultado altamente satisfactorio en las aplicaciones de concreto en términos de
transporte y facilidad de colocación. Como se puede visualizar en el gráfico, la retención
de asentamiento disminuye ligeramente en la medida que la cantidad de arena de Cogua
en la mezcla se incrementa, sin embargo, esto solamente sucede en los valores de dosis
de aditivo más bajas. Para dosificaciones superiores a 0,45% se obtiene una mejora de
entre el 60 y el 70% en términos de desempeño comparando el aditivo convencional base
policarboxilato y el polímero polieléctrico EXP 1931-1.
Para el caso del aditivo base polímeros polieléctricos EXP 1831-5, se puede ver que en
todo el espectro de la experimentación permite retenciones de asentamiento superiores al
60%, marcando una diferencia amplia frente al policarboxilato convencional.
Adicionalmente, es posible evidenciar que los valores de retención del asentamiento o flujo
llegan a ser de más del 80% para cualquier dosis de aditivo en la región de mayor contenido
de arena de Cogua, lo que indica mayor tolerancia y selectividad a la atracción de las
arcillas presentes en la matriz del mortero equivalente.
Resultados y análisis 161
Figura 6-29: Superficies y contorno de respuesta para capacidad de retención de flujo
frente a arena de Cogua. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero polieléctrico
EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c Con los resultados anteriormente presentados, se puede evidenciar que el polímero
polieléctrico EXP 1831-5 es el que mejor logra mitigar los efectos nocivos no solamente de
las arcillas presentes en la fuente de Cogua sino también el comportamiento negativo
generado por los cuarzos ondulantes de la fuente de Cordobita. Por otra parte, la reducción
de agua inicial de los morteros evaluados mejora ampliamente en para los altos contenido
EXP 3457
EX
P 3
457
EXP 1931-1
EX
P 1
931-1
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EX
P 1
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162 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
de arenas de mala calidad tanto con el uso del polímero EXP 1931-1, como con el polímero
EXP 1831-5.
Adicionalmente, la retención de flujo que generan los polímeros polieléctricos puede
superar el 90% para ambas fuentes de agregado, propiedad que se ve altamente afectada
al usar policarboxilatos convencionales como el EXP 3457.
6.3.2 Análisis de reología directa
Para la caracterización reológica de las mezclas propuestas en el diseño de experimentos,
se emplea el software especializado Rheowin para determinar el esfuerzo de fluencia de
cada una de las mezclas. Para llevar a cabo el cálculo de cada uno de los parámetros
reológicos, se hace uso de las ecuaciones descritas en la metodología de la investigación
en el apartado: Caracterización del estado fresco de las mezclas de mortero.
Debido a que el software emplea el 100% de los datos de la rutina para el cálculo por
defecto, se hace necesario emplear un factor de corrección en donde solo se consideran
los datos de esfuerzo de corte y velocidad de la cizalla en el último de los tramos
establecidos en la rutina de medición. Es decir, después de los 30 segundos a velocidad
constante a 180s-1. Esto debido a que hay que considerar que el proceso solamente logra
un tramo estable en términos de reología, una vez se ha logrado vencer la inercia del
reposo de las partículas suspendidas en la mezcla de mortero (Banfill, 1991). De lo
contrario, la medición sería imprecisa y no podría considerarse valores estables y
representativos.
A continuación, se muestran a manera de ejemplo 6 de las 132 modelaciones que se
realizaron en el software Rheowin ® para obtener la viscosidad plástica y el esfuerzo de
fluencia para cada una de las mezclas establecidas en el DOE, por cada tipo de aditivo
polimérico y cada tipo de arena, tanto para el estado inicial como para 30 minutos después
de iniciada la mezcla.
Resultados y análisis 163
Figura 6-30: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de
Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base policarboxilato EXP 3457
164 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-31: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de
Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1931-1
Resultados y análisis 165
Figura 6-32: Determinación de parámetros reológicos característicos para arena de
Cordobita a 0 y 30 minutos para aditivo base polímero polieléctrico EXP 1831-5.
166 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Los resultados de los valores de los parámetros reológicos para todas las mezclas
modeladas se muestran en el Anexo: Parámetros reológicos de las mezclas de mortero
equivalente por arena y tipo de polímero.
Esfuerzo de fluencia inicial arena Cordobita
El esfuerzo de fluencia en Pascales (Pa) o punto de flujo es uno de los indicadores directos
de la reología del concreto, su valor, está relacionado con la facilidad que tendrá la mezcla
de concreto para bombearse y a su vez para colocarse, al ser determinada y monitoreada
en el tiempo, se puede visualizar el mejoramiento o detrimento de sus propiedades como
fluido no newtoniano, de esta forma, mientras más alto sea el valor del esfuerzo de fluencia,
más aspera será la mezcla y habrá perdido manejabilidad.
En la Figura 6-33a, puede observarse que el policarboxilato convencional EXP 3457
genera valores en general más altos para el esfuerzo de fluencia inicial si es comparado
con los demás polímeros polieléctricos ensayados. Esto indica que el diseño de mezcla
será menos manejable y a su vez tendrá altas posibilidades de pérdida de manejabilidad
acelerada.
Aunque en contraste a esta propiedad, este policarboxilato genera valores de reducción
de agua aceptables, los valores del esfuerzo de fluencia permiten dilucidar que parte del
agua y de la pasta ingresa a los poros activos de los minerales activos de la fuente de
Cordobita, haciendo más difícil el movimiento de este fluido en una condición de colocación
real (Ara Jeknavorian & Koehler, 2010). De otro lado, es posible ver que los valores de
fluencia más altos se generan en la región de menor cantidad de arena y mayor cantidad
de aditivo, por efecto de segregación de la mezcla y en la región de mayor arena y menor
aditivo por efectos de la alta absorción de la arena de mala calidad hacia el policarboxilato
EXP 3457.
Resultados y análisis 167
Figura 6-33: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia inicial frente a
arena de Cordobita a 0 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c En contraste al anterior comportamiento, el polímero polieléctrico EXP 1931-1 muestra un
excelente comporamiento en términos del esfuerzo de fluencia generado, pues su valor no
supera los 26 MPa incluso en las condiciones de mayor dificultad de la mezcla donde hay
alto contenido de arena Cordobita. En la Figura 6-33b, se puede observar que los valores
más elevados de esfuerzo de fluencia para este polímero son los puntos de menor cantidad
de arena y mayor cantidad de aditivo (por efecto de segregación y exceso de aditivo) y los
EXP 3457
EX
P 3
457
EXP 1931-1
EX
P 1
931-1
EXP 1831-5
EX
P 1
831-5
168 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
puntos de mayor cantidad de arena (40%) y menor cantidad de aditivo. Sin embargo, el
uso de una dosis de 0,5% permite obtener valores satisfactorios y menores en un 27%
frente a la tecnología de policarboxilato expuesta por la Figura 6-33.
Para el caso del EXP 1831-5, es posible ver en la Figura 6-33c , una tendencia similar en
los puntos extremos de la superficie de respuesta, donde los esfuerzos de fluencia tienden
a ser mayores. Sin embargo, este polímero es altamente estable en comparación a los
demás, pues la mayor parte de su contorno genera valores menores a 24 Pa en términos
de esfuerzo de fluencia. Este punto demuestra la diferencia entre la interacción química de
cada una de las moléculas siendo ésta la menos afectada por la arena Cordobita en un
tiempo de 0 minutos.
Esfuerzo de fluencia final arena Cordobita
El esfuerzo de fluencia a los 30 minutos es un factor fundamental para entender la
estabilidad de la mezcla y la absorción de los polímeros y el agua de la mezcla que
permiten tener una fluidez estable en el tiempo. Por ello, en la Figura 6-34a se puede
visualizar que la tendencia de la superficie en el tiempo es similar a la obtenida en el tiempo
0 de las mezclas. Sin embargo, los valores de esfuerzo de fluencia se incrementan en más
del doble llegando a tener puntos con más de 80 Pa en el punto de más difícil manejo para
las mezclas que es un contenido alto de arena de Cordobita y un bajo contenido de
policarboxilato convencional EXP 3457, este incremento del 128% se relaciona
directamente con la pérdida de manejabilidad vista en las gráficas de superficie de
capacidad de retención de flujo (véase Figura 6-28a).
Resultados y análisis 169
Figura 6-34: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia final frente a
arena de Cordobita a 30 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c
La Figura 6-34b, muestra incrementos del esfuerzo de fluencia por parte del EXP 1931-1
usado con la arena de Cordobita de menor magnitud frente al policarboxilato convencional
EXP 3457. Adicionalmente, las demás regiones de la superficie y el contorno muestran
una estabilidad excelente en términos del valor del esfuerzo de fluencia, lo que permite
evidenciar la liberación controlada del polímero que es capaz de mitigar el efecto catiónico
de las micas y arcillas presentes en la fuente de Cordobita.
EXP 3457
EX
P 3
457
EXP 1931-1
EX
P 1
931-1
EXP 1831-5
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P 1
831-5
170 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Finalmente, la Figura 6-34c, muestra como el esfuerzo de fluencia final de las mezclas
para el polímero EXP 1831.5 tiende a estabilizarse de manera constante y a disminuir en
los puntos más críticos. Esto contrasta el hecho de tener altos valores para la capacidad
de retención de flujo y además demuestra un desempeño superior en términos del
mejoramiento del comportamiento de estas mezclas de mortero equivalente, que
contrastan los diseños de concreto originalmente planteados.
Esfuerzo de fluencia inicial arena Cogua
Para la fuente de Cogua, el comportamiento de los diferentes aditivos empleados es similar
a la arena de Cordobita en términos del incremento del esfuerzo de fluencia inicial para
una condición de alto contenido de arena y bajo contenido de aditivo polimérico. Sin
emabargo, a diferencia de la fuente de Cordobita, el efecto de la segregación en zonas con
baja cantidad de arena y alto contenido de aditivo es mínimo.
La Figura 6-35a, permite ver que el policarboxilato convencional EXP 3457 genera valores
de más de 20 y 30 Pa en la mayor parte de la superficie modelada, esto muestra la rápida
absorción que tiene el aditivo por parte de las arcillolitas y limolitas arcillosas en la matriz
del mortero que se ven reflejadas en rápidas pérdidas de manejabilidad en el tiempo.
Por otro lado, el aditivo polimérico EXP 1931-1 tiende a tener valores menores a 20 Pa y
10 Pa en la mayor parte de la superficie modelada, lo que muestra la tolerancia de este
polímero a la actividad catiónica de la fuente de Cogua. Sin embargo, es importante
resaltar que en la zona de alto contenido de arena y bajo contenido de polímero, no se
logra la mitigación exitosa esperada, pues el valor del esfuerzo de fluencia es 16,67% más
alto que el del policarboxilato convencional EXP 3457, esto refleja el hecho de que este
aditivo posea una reducción de agua menor en estas zonas sin que esto afecte
necesariamente su capacidad de sostener el flujo en el tiempo (véase Figura 6-35b).
El polímero EXP 1831-5 por su parte, como en el caso de la arena de Cordobita, muestra
una alta tolerancia a las arcillas presentes en el agregado de Cogua (materiales oxidados,
Resultados y análisis 171
arcillolitas y limolitas), pues es el aditivo que genera una zona de contorno con menor
esfuerzo de fluencia a diferentes condiciones. Sin embargo, al igual que el aditivo EXP
1931-1 puede no reducir agua en los niveles esperados en la condición de alto contenido
de arena con bajo contenido de polímero en la mezcla (véase Figura 6-35c).
Figura 6-35: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia inicial frente a
arena de Cogua a 0 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c
EXP 3457
EX
P 3
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EXP 1931-1
EX
P 1
931-1
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172 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Esfuerzo de fluencia final arena Cogua
Al transcurrir 30 minutos, se puede observar que la tendencia general por parte de todos
los polímeros frente a la fuente de Cogua permanece constante. El aditivo EXP 3457 base
policarboxilatos convencionales mantiene su tendencia de esfuerzos de fluencia elevados
para casi toda la superficie de respuesta, y como se ve en el contorno mostrado en la
Figura 6-36a, únicamente se generan valores aceptables de esfuerzo de fluencia en la
región de poca arena con una alta cantidad de dosis de aditivo (0,65%), esto demuestra
que no es posible obtener mezclas manejables y estables en el tiempo cuando se emplea
este tipo de agregados pues la manejabilidad se perderá rápidamente debido al efecto de
absorción severo de los minerales en la fuente de agregado fino.
En contraste, el polímero polieléctrico EXP 1931-1 solo genera un incremento del 25% de
su esfuerzo de fluencia en la región de mayor exigencia de las mezclas cuya característica
corresponde a altos contenido de arena de Cogua. Sin embargo, como se ve en la Figura
6-36b, es posible identifica una zona más amplia para valores de esfuerzo de fluencia entre
10 Pa y 20 Pa, lo cual es altamente beneficioso para el manejo de mezclas de concreto
con este tipo de agregados.
El polímero EXP 1831-5 es por su cuenta el más eficiente de los aditivos probados con la
arena de Cogua en términos de esfuerzo de fluencia, pues genera la región más grande
sobre la superficie de respuesta con valores de esfuerzos de fluencia menores a 20Pa
Figura 6-36c. Esto refleja una menor cantidad de polímero absorbido por las arcillas en el
material y a su vez una mayor capacidad de retención de propiedades reológicas en el
tiempo de la mezcla de mortero y de concreto con este tipo de materiales.
Resultados y análisis 173
Figura 6-36: Superficie y contorno de respuesta para esfuerzo de fluencia final frente a
arena de Cogua a 30 minutos. a. Aditivo base policarboxilato EXP 3457 b. polímero
polieléctrico EXP 1931-1 y c. polímero polieléctrico EXP 1831-5.
a
b
c Al igual que en la evaluación de los parámetros reológicos indirectos de las mezclas con
arena de Cogua y Cordobita, el polímero polieléctrico EXP 1831-5 muestra un beneficio
significativo en términos de generar valores de esfuerzos de fluencia menores para las
mezclas en toda condición de contenido de área incluso con bajos porcentajes de dosis de
aditivo. Lo anterior, genera un beneficio en costos y colocación de concretos, pues la
bombeabilidad de los mismos se facilita por su buena manejabilidad en el tiempo y la
EXP 3457
EX
P 3
457
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EX
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174 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
cohesividad menor que pueden tener las mezclas que emplean arenas nocivas en sus
diseños de mezcla.
Por su parte, el polímero EXP 1931-1 reduce significativamente el esfuerzo de fluencia de
las mezclas con arena de Cordbita y de Cogua principalmente cuando los diseños de
mezcla poseen altos contenido de arena, esto demuestra la efectividad del desempeño del
aditivo químico como bloqueador de minerales nocivos en las arcillas comparado con el
desempeño inferior obtenido por el policaboxilato convencional EXP 3457.
6.3.3 Desarrollo de propiedades en estado endurecido
Resistencia a compresión
Debido a que la presencia de minerales arcillosos como las micas y algunos filosilicatos
pueden afectar negativamente el desarrollo de la resistencia a compresión del mortero y a
su vez del concreto (Hasdemir, Tuʇrul, & Yilmaz, 2016). Se muestran en la Figura 6-37 los
efectos de emplear polímeros polieléctricos en las mezclas de mortero equivalente y se
realiza la comparación con el policarboxilato convencional EXP 3457.
Figura 6-37: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 1 día a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua
a b Como se observa en la Figura 6-37a, el desarrollo de resistencia a compresión a edades
tempranas depende en gran medida de la cantidad de arena en la mezcla y la cantidad de
aditivo empleado. En general, un alto contenido de arena de Cordobita con presencia de
Resultados y análisis 175
cuarzos ondulantes y micas afecta el desarrollo de resistencia del mortero con el uso del
EXP 3457, pues los valores de resistencia a compresión se afectan en cerca de 30% a
38% dependiendo del contenido de arena que puede variar de 36,36% a 38,65%. Por su
parte se puede evidenciar que el polímero polielécrito EXP 1931-1 presenta un buen
desarrollo de resistencias a compresión donde los contenidos de arena son de más de
36,6% al igual que el aditivo base polímero EXP 1831-5.
Por otro lado, con la fuente de Cordobita el EXP 1831-5 es el más afectado en desarrollo
de resistencias a 1 día, pues sus valores se reducen en cerca de 40% cuando se tienen
altos contenidos de aditivo y bajas dosis de arena. Este efecto puede generarse por la
sobresaturación de aditivo en la mezcla que puede generar efectos de segregación
afectando el desarrollo de resistencias.
Respecto a la fuente de arena de Cogua, es posible evidenciar que, a diferencia de
Cordobita, el polímero EXP 1931-1 genera el mejor desarrollo de resistencias a 1 día en
todas las condiciones evaluadas y el EXP 1831-5 es superior en generar al policarboxilato
convencional. Esto se debe a que posiblemente el agua absorbida en las arcillas
permanece en los poros de estos minerales afectando la forma en la que se genera la
hidratación al interior de la matriz de cada uno de los morteros evaluados (véase Figura
6-37b).
Figura 6-38: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 3 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua
a b En cuanto al desarrollo de resistencias a 3 días, se puede observar en la Figura 6-38a,
que la tendencia de desempeño del aditivo polieléctrico EXP 1831-5 permaneces a la baja
en las muestras que fueron sobresaturadas con exceso de aditivo y que el policarboxilato
176 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
convencional mejora el desarrollo de las resistencias en la condición de más contenido de
arena.
Por otra parte, se puede ver que para la arena de Cogua (véase Figura 6-38b) no existen
diferencias siginificativas en términos de desarrollo de resistencias pues en la mayor parte
de los ensayos todos los aditivos poseen un incremento similar. Sin embargo, cabe resaltar
que el EXP 1831-5 genera una disminución de la resistencia en cerca de 20% para las
condiciones de bajo contenido de arena (cerca del 25,34%).
Figura 6-39: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 7 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua
a b
En el caso del desarrollo de resistencias finales, es posible visualizar en la Figura 6-39a
que para la arena de Cordobita existe un comportamiento similar entre todas las
referencias de polímeros para los diferentes ensayos realizados. Sin embargo, el EXP
1931-1 es el que mejor desempeño presenta seguido del EXP 3457 base policarboxilato
convencional y finalmente el EXP 1831-5 presenta una diferencia en desempeño del 5 al
8% a la baja a 7 días de la evaluación de los especímenes de 5mmX5mm bajo el método
de la ASTM C 109 modificado.
Por su parte, la fuente de arena de Cogua muestra un desarrollo de resistencias
equivalente entre el aditivo experimental base policarboxilato EXP 3457 y el polímero
polieléctrico EXP 1931-1. El polímero EXP 1831-5 por su parte genera incremento de 10
al 12% de resistencia en la mayor parte de los ensayos para 7 días de edad de los
especímenes.
Resultados y análisis 177
Como es de esperarse y de manera general las resistencias a compresión de los
especímenes en especial a edades tardías tienden a tener valores similares, pues la
relación agua cemento empleada en la totalidad de los ensayos permanece constante para
la matriz DOE factorial rotacional (0,4875).
Figura 6-40: Resistencia a compresión de aditivos base policarboxilato y dos polímeros
polieléctricos a 28 días a. uso de arena Cordobita b. uso de arena de Cogua
a b
Finalmente, al observar el comportamiento de la resistencia a la compresión a 28 días de
cada uno de los especímenes evaluados, es posible evidenciar que la tendencia entre
polímeros se hace más cercana entre los diferentes ensayos planteados por el DOE
factorial rotacional. Por otro lado, como se puede ver en la Figura 6-40a, la resistencia a
compresión para todos los escenarios de contenido de arena de Cordobita bajos es
equivalente, siendo las diferencias menores a un 4,25% y en cuanto a los morteros con
altos contenidos de arena se evidencia un desempeño superior por parte de ambos
polímeros polieléctricos. Es decir, los EXP 1931-1 y EXP 1831-5. Sin embargo, las
diferencias de resistencias son 2 MPa a 5 MPa lo cual no es altamente significativo al
tratarse de evaluaciones en mortero y no concreto, pues la microestructura de los morteros
es mucho más consolidada que la del concreto lo que genera resultados a compresión
más elevados.
Por otro lado, es posible evidenciar una tendencia en desempeño muy similar entre el
policarboxilato convencional EXP 3457 y el polímero polieléctrico EXP 1831-5 para la
178 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
arena de Cogua, pues sus diferencias en términos de resistencia a compresión son
menores al 5% con un valor promedio de compresión para ambos casos entre 68,9 MPa y
70,0 MPa. Por su parte, el EXP 1931-1 genera mejores resistencias a edades finales y en
general en todas las edades evaluadas para ambos tipos de arena (véase Figura 6-40b).
Esto obedece a su formulación y efecto de bloqueador de sacrificio parcial, el cual mitiga
parcialmente la absorción de agua anticipada por parte de las arcillas y minerales nocivos,
lo que facilita el crecimiento de los cristales de CSH en la matriz del concreto.
Adicionalmente, es posible evidenciar un comportamiento de resistencia a compresión más
elevado por parte de la arena de Cogua frente a la Arena de Cordobita. Esto puede
obedecer a su composición mineralógica y su grado de meteorización, pues como se
mostró anteriormente, la arena de Cogua constituye una roca mucho más fresca que la de
Cordobita.
Calorimetría Isotérmica
Respecto al análisis de la afectación de la cinética y velocidad de hidratación del
cementante en la mezcla, ante la presencia de los diferentes polímeros experimentales
propuestos, se puede evidenciar que no existe ninguna afectación significativa entre los
diferentes policarboxilatos convencionales y polímeros polieléctricos tanto en condiciones
de alto y bajo contenido de aditivo.
Como se ve en la Figura 6-41a, las diferencias en términos de fraguado inicial y final del
mortero equivalente con la arena de Cordobita son menores a los 20 minutos, lo cual es
poco representativo en términos de desarrollo de la hidratación del cemento en la mezcla.
Por otro lado, en términos de desarrollo de resistencias iniciales, como se ven la Figura
6-41b, existen diferencias menores entre los diferentes tipos de polímeros probados con
la arena de Cordobita a diferentes dosificaciones. Esto puede diferir de algunos valores
experimentales a dosis altas obtenidas en los ensayos a compresión debido a efectos de
segregación que no interfieren en el análisis de resistencias por vía de calor de hidratación.
De este modo, se puede verificar que los polímeros polieléctricos no afectan
negativamente el desarrollo de resistencias de la fuente de Cordobita en comparación al
policarboxilato convencional evaluado.
Resultados y análisis 179
Figura 6-41: Calorimetría isotérmica para polímeros convencionales y polieléctricos con
Arena de Cordobita a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de
resistencias.
a b
180 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Figura 6-42: Calorimetría isotérmica para polímeros convencionales y polieléctricos con
Arena de Cogua a. Cinética de hidratación b. Integración para simulación de resistencias.
a b
De otro lado, la arena de Cogua presenta ligeras diferencias en términos de fraguado inicial
y final siendo el EXP 1831-5 el que más desplaza el fraguado inicial con una afectación de
entre 40 minutos y 50 minutos (véase Figura 6-42a). Lo anterior, es congruente con el
comportamiento de las resistencias a compresión simulado por la Figura 6-42b, en donde
se puede evidenciar un desarrollo de resistencias a compresión del mortero mejorado por
parte de los EXP 1931-1 y EXP 3457, junto con ello, se puede resaltar que al incrementar
la dosis de todos los aditivos el desarrollo de resistencias iniciales se ve afectado
Resultados y análisis 181
considerablemente. Esto es congruente con los resultados obtenidos de resistencia a
compresión, por lo que puede demostrarse que teniendo este tipo de arena si puede haber
mayor afectación y dispersión de desempeño en términos de desarrollo de resistencias
iniciales. Dicho comportamiento obedece a la mayor presencia de arcillas en comparación
con la fuente de Cordobita, así la presencia de filosilicatos puede afectar negativamente la
adherencia entre la pasta de cemento y el agregado dependiendo de la condición reológica
del mortero.
Adicionalmente, al comparar la fuente de Cordobita y de Cogua en términos de cinética de
hidratación, se puede observar que existe un tiempo de fraguado inicial más largo por parte
de la fuente de Cogua debido al efecto generado por su matriz arcillosa en algunas
partículas. Sin embargo, como se ve en la Figura 6-42b, el desarrollo de resistencias a
compresión al pasar las 20 horas es superior al de la fuente de Cordobita, lo cual es
congruente con los resultados obtenidos por el análisis de resistencia a la compresión.
Por último, al concatenar los resultados obtenidos en el estado fresco y endurecido de
cada una de las fuentes de agregado, es posible evidenciar que la fuente de Cordobita
tiene una absorción de cadenas poliméricas 18,58% mayor respecto a la fuente de Cogua,
lo que ocasiona que la reducción de agua sea significativamente menor para este tipo de
arena y en adición su desarrollo de resistencias sea en general entre 10% y 20% menor
que el de la fuente de la zona central del país, es decir, Cogua. Este efecto obedece a la
composición mineralógica del material en donde se encontraron cuarzos ondulantes,
algunos óxidos inestables y micas, que en comparación a las arcillas identificadas en el
agregado de Cogua pueden tener mayor afinidad catiónica hacia los policarboxilatos
convencionales y polímeros que las arcillas, limolitas arcillosas y óxidos presentes en la
arena de Cogua.
En términos de reología, se evidencia que el polímero polieléctrico EXP 1831-5 presenta
mejor capacidad de retención de flujo y genera menores valores de esfuerzo de fluencia
en el tiempo tanto para el agregado de Cordobita como el agregado de Cogua, este
desempeño es seguido de los beneficios obtenidos por el otro polímero polieléctrico
evaluado EXP 1931-1, que mostró un mejoramiento no solo en la capacidad de reducción
de agua en ambas fuentes sino que también en el aporte de resistencias iniciales y finales.
182 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
La alternativa de este tipo de moléculas genera una nueva ventana a las posibles
soluciones y alternativas ante el uso de agregados de mala calidad en el concreto por su
composición química y mineralógica. Finalmente, es importante resaltar que con el
presente estudio no se logra la identificación completa del tipo de arcillas afectadas y no
se generaron efectos negativos significativos debido a la morfología de los materiales. Por
ello, se hace necesario el uso de técnicas complementarias como XRD selectivo y el
estudio de fuentes de agregado adicionales que incluyan otros minerales nocivos y
morfologías retadoras, para poder continuar explorando la tecnología de los polímeros
poliélectricos como una alternativa de mitigación química ante los problemas de
desempeño que en la actualidad enfrentan innumerables productores de concretos que
utilizan agregados finos de mala calidad en sus diseños de mezcla en diferentes zonas de
Colombia.
7. Conclusiones y recomendaciones
7.1 Conclusiones
Mediante la realización del fuerte análisis experimental de esta investigación, fue posible
poner en evidencia los beneficios técnicos del uso de los polímeros polieléctricos como
una alternativa en el mejoramiento del comportamiento en estado fresco y endurecido de
mezclas de concreto, que utilicen altos porcentajes de arenas de mala calidad (entre el
32,5% y el 40% del peso de la mezcla) compuestas por minerales arcillosos, matrices
limolíticas arcillosas, cuarzos ondulantes, micas y óxidos activos.
Los beneficios obtenidos por este tipo de aditivos químicos obedecen al mejoramiento de
la capacidad de reducción de agua (entre el 15,38% y el 25,00%) y el sostenimiento de la
fluidez en el tiempo (entre el 25,00% y el 90,00%), propiedades que no son posibles de
obtener con el uso de la tecnología de los policarboxilatos convecionales. Este hecho,
genera la posibilidad del uso, en altos porcentajes, de arenas que no cumplen
especificaciones de calidad, como son la fuente de Cordobita (de la zona de la costa
atlántica del país) y la fuente Cogua (de la zona central del país), sin tener efectos sobre
las propiedades de transporte y colocación del concreto, y generando beneficios
sustentables con costos razonables y sin detrimento sensible de las propiedades de las
mezclas en estado endurecido.
La caracterización química, física y mineralógica de las fuentes de agregado fino de
Cordobita y Cogua permitieron identificar bajos valores de porosidad y una granulometría
adecuada con desviaciones que no representan un efecto negativo para el desempeño del
concreto en estado fresco y endurecido.
Se identificó la existencia de minerales nocivos como micas de sericita y biotita en un
50,46% de las partículas analizadas para la arena de Cordobita y materiales arcillosos en
184 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
un 33,98% para las partículas estudiadas de la arena de Cogua, que afectan el desempeño
del mortero en el estado fresco y endurecido. Estas arcillas y materiales micáceos son
bloqueados de manera efectiva por la actividad selectiva de las cadenas de los polímeros
polieléctricos EXP 1931-1 y EXP 1831-5 (empleados entre un 0,35% y un 0,60% del
cementante de la mezcla) ante la actividad catiónica de los minerales nocivos relacionada
con su caracterización por absorción en TOC en más del 66,0% para ambas fuentes
estudiadas.
La composición química de los agregados finos de Cordobita y Cogua en términos de
cuarzos ondulantes, Chert, arcillolitas y biotita no afecta de manera significativa el
desempeño del mortero equivalente y por ende del concreto, ante altos contenidos de
arena cuando el aditivo de polímero polieléctrico EXP 1831-5 es usado en dosis de más
del 0,40%, pues las reducciones de agua son estables (de más de 200 mm de flujo inicial),
la retención de flujo es superior a un 75% y el esfuerzo de fluencia en el tiempo se reduce
en el tiempo o genera incrementos que no superan el 20% respecto a sus valores iniciales,
lo que genera beneficios de trabajabilidad, bombeabilidad y colocación del concreto.
La mineralogía, la composición química y la absorción (medida mediante azul de metileno
de manera indirecta y mediante TOC de manera directa), son características que
influencian directamente el comportamiento de los parámetros reológicos de las mezclas
de morteros equivalentes y concretos en el tiempo, pues en la medida que la presencia de
agregados altamente activos como es el caso de la fuente de Cordobita aumenta, el
esfuerzo de fluencia se incrementa considerablemente (entre dos y tres veces más en
términos de Pa). Adicionalmente, agregados activos en términos de arcillas, pero con
menos valor de TOC, presentan esfuerzos de fluencia mayores para el caso de los
policarboxilatos convencionales (EXP 3457) y valores menores y más estables en el tiempo
para el caso de los polímeros polieléctricos (EXP 1931-1 y EXP 1831-5) que son capaces
de bloquear la carga activa de las arcillas y las micas, dispersando correctamente la matriz
fluida del concreto.
Aunque los polímeros polieléctricos estudiados generan una mitigación efectiva de los
efectos negativos del estado fresco que generan las cargas químicas de los minerales
Conclusiones y recomendaciones 185
nocivos identificados en las fuentes de agregado fino, no se evidencia una mejora
significativa en términos de desarrollo de resistencias iniciales para la fuente de Cordobita.
Por su parte, la fuente de agregado de Cogua presenta un mejor desarrollo de resistencia
a compresión a todas las edades (entre un 15% y un 25%) respecto a la fuente de
Cordobita pues el bloqueo efectivo de las arcillas mediante las moléculas seleccionadas,
en especial el polímero polieléctrico EXP 1931-1.
La tecnología de polímeros polieléctricos demostró ser una alternativa efectiva en el
mejoramiento de las propiedades físicas y químicas de las arenas de mala calidad para su
utilización en el concreto y en morteros con altos contenidos de este tipo de materiales.
Esta investigación demostró un mejor comportamiento de las mezclas de mortero
equivalente en términos de la capacidad de reducción de agua por parte de los aditivos, la
eficiencia de dosis de los aditivos químicos (que implican un mejoramiento de costos
aplicados por m3), la reducción y estabilidad del esfuerzo de fluencia en el tiempo
(relacionado con la bombeabilidad del concreto) y el incremento de resistencias a
compresión ante altos contenidos de arenas nocivas.
Esta tecnología, es de origen europeo y se encuentra disponible en varios continentes del
mundo bajo nombres comerciales distintos, su precio por Kilogramo es similar al de los
policarboxilatos convencionales de manejabilidad extendida.
Los polímeros polieléctricos presentan beneficios financieros y de sostenibilidad para los
productores de concreto, pues se generan ahorros por m3 de concreto producido y se
permite el uso de fuentes de arenas locales de baja calidad que usualmente tienen un
menor costo por Kilogramo que las arenas de mayor calidad.
7.2 Recomendaciones
Considerando el alcance y los resultados de esta investigación, es necesario ampliar el
espectro del estudio de los polímeros polieléctricos para comprender mejor su aporte en
el mejoramiento del comportamiento del concreto hidráulico que emplea agregados finos
de mala calidad en su diseño, pues existen un gran número de variables que afectan su
desempeño como la mineralogía, morfología y absorción del agregado así como las
186 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
características químicas y de diseño de cada tipo de molécula de polímero. Por lo anterior,
se sugieren las siguientes investigaciones futuras:
▪ Ampliar el espectro de las fuentes sometidas al estudio en donde se consideren
arenas con altos con altos contenidos de arcillas activas (como montmorillonita y
esmectica), altos contenidos de finos, agregados reciclados y agregados de
trituración, con el fin de comprender la robustez de la tecnología de polímeros
polieléctricos en diferentes escenarios de materiales finos de baja calidad.
▪ Generar una caracterización adicional de las arcillas mediante el uso de difracción
de rayos X con tratamientos químicos previos, con el fin de identificar sus
componentes principales y dilucidar cada tipo de arcilla para relacionar su
comportamiento frente a los polímeros polieléctricos.
▪ Generar un DOE Desing Of Experiments empleando otros tipos de policarboxilatos
y polímeros polieléctricos con el fin de identificar las principales fortalezas y
debilidades de cada uno a nivel técnico para cada tipo de fuente de agregado
evaluado. Es decir, se sugiere la construcción de ensayos adicionales que permitan
relacionar el desempeño de cada polímero por cada fuente de agregado con algún
tipo de característica de mala calidad específico.
▪ Realizar pruebas con microscopía SEM para cada tipo arena con el fin de entender
no solamente sus características químicas sino también su morfología y relacionar
esta con su desempeño en estado fresco y endurecido.
▪ Caracterizar los parámetros reológicos de mezclas de mortero a 60 y 90 minutos
con el fin de entender de mejor manera el alcance de la dispersión de los polímeros
y su liberación en el tiempo ante agregados finos de mala calidad en el concreto.
▪ Medir la reología del concreto para un número selecto de mezclas en los puntos
más importantes en términos de contenido de agregado fino y polícarboxilato o
polímero polieléctrico.
187
▪ Realizar pruebas industriales con la tecnología de polímeros polieléctricos como
los EXP 1931-1 y EXP 1831-5 con el fin de visualizar la repetitividad de lo explorado
por la investigación actual.
188 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
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micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
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195
A. Anexo: Principales características de diferentes rocas que se emplean en el sector de la construcción
Roca Método de excavación
requerido Fragmentación
Susceptibilidad a la
meteorización
Granito Explosivos
Fragmentos
irregulares que
dependen del uso de
explosivos
Probablemente
resistente
Diorita
Basalto Explosivos
Fragmentos
irregulares que
dependen de las
juntas y grietas
Probablemente
resistente
Toba Equipo o Explosivos
Fragmentos
irregulares muchas
veces con finos en
exceso
Algunas variedades se
deterioran rápidamente
Arenisca Equipo o Explosivos En lajas, dependiendo
de la estratificación
Según la naturaleza del
cementante
Conglomerado Equipo o Explosivos
Exceso de finos
dependiendo del
cementante
Algunas se alteran para
formar arenas limosas
Limonita
Equipo Desde pequeños
bloques o lajas
Muchas se desintegran
rápidamente para
formar arcilla Lutita
Caliza Explosivos
Fragmentos
irregulares muchas
veces lajas
Las vetas pizarrosas se
deterioran, pero las
otras son resistentes
198 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Masiva
Cuarcita Explosivos
Fragmentos
irregulares muy
angulosos
Probablemente
resistente
Pizarras Explosivos/ Esquisto
Fragmentos
irregulares o ajados
según la foliación
Algunas se deterioran
con procesos de
humedecimiento y
secado
Gnesis Explosivos
Fragmentos
irregulares muchas
veces alargados
Probablemente
resistente
Desechos industriales o
de mina Equipo
Depende del material,
pero en la mayoría de
casos es irregular
La mayoría de las
variedades (Excepto
ígneas de mina) deben
considerarse
deteriorables
Fuente: Gutierrez, 2003
B. Anexo: Clasificación de formas de partículas por tamiz y fuente de agregado
Agregado fino de Cordobita
Tamiz #4
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,00% 2,00% 2,00% 1,30% 0,00% 0,00%
Subdiscoidal 1,30% 5,30% 8,00% 10,00% 1,30% 0,00%
Esférica 2,00% 12,00% 16,70% 1,30% 0,00% 0,00%
Subprismoid
al 0,70% 6,00% 16,00% 10,70% 0,00% 0,00%
Prismoidal 0,00% 0,00% 3,30% 0,00% 0,00% 0,00%
Tamiz #8
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,90% 2,70% 4,50% 0,90% 1,80% 0,00%
Subdiscoidal 0,00% 0,00% 2,70% 6,30% 0,90% 0,00%
Esférica 0,00% 4,50% 9,80% 11,60% 1,80% 0,00%
Subprismoid
al 6,30% 9,80% 13,40% 12,50% 3,60% 0,00%
200 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Prismoidal 5,40% 5,40% 0,90% 0,00% 0,00% 0,00%
Tamiz #16
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,80% 1,60% 3,10% 1,60% 3,10% 0,00%
Subdiscoidal 0,80% 1,60% 3,90% 6,30% 1,60% 0,00%
Esférica 2,40% 5,50% 16,50% 6,30% 0,00% 0,00%
Subprismoid
al 0,00% 3,90% 16,50% 12,60% 7,10% 0,00%
Prismoidal 0,00% 3,90% 0,80% 0,00% 0,00% 0,00%
Tamiz #30
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,70% 2,00% 5,20% 6,50% 0,70% 0,00%
Subdiscoidal 2,00% 4,60% 7,80% 5,90% 0,00% 0,00%
Esférica 0,00% 5,90% 9,20% 10,50% 0,00% 0,00%
Subprismoid
al 0,00% 6,50% 7,20% 7,80% 4,60% 0,00%
Prismoidal 1,30% 5,20% 3,30% 2,00% 1,30% 0,00%
Tamiz #50
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
fe
ric
id
ad
Discoidal 1,90% 3,10% 1,90% 2,50% 1,20% 0,00%
Anexo B. Nombrar el anexo B de acuerdo con su contenido 201
Subdiscoidal 1,90% 6,20% 4,90% 4,30% 0,00% 0,00%
Esférica 1,90% 6,80% 5,60% 4,90% 0,60% 0,00%
Subprismoid
al 3,10% 2,50% 3,70% 3,70% 3,10% 0,00%
Prismoidal 1,90% 12,30% 7,40% 9,90% 4,90% 0,00%
Agregado fino de Cogua
Tamiz #4
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 1,30% 0,00% 6,00% 6,70% 1,30% 0,00%
Subdiscoidal 1,30% 4,00% 7,30% 8,00% 4,70% 0,70%
Esférica 1,30% 6,00% 15,30% 5,30% 2,70% 0,00%
Subprismoid
al 0,00% 3,30% 8,70% 10,70% 1,30% 0,00%
Prismoidal 0,00% 0,70% 2,00% 1,30% 0,00% 0,00%
Tamiz #8
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,00% 4,70% 2,30% 7,00% 5,40% 0,00%
Subdiscoidal 0,80% 2,30% 2,30% 7,00% 4,70% 0,80%
Esférica 0,80% 0,00% 1,60% 0,80% 1,60% 0,00%
Subprismoid
al 0,00% 4,70% 9,30% 12,40% 8,50% 3,10%
Prismoidal 0,80% 2,30% 3,10% 7,80% 5,40% 0,80%
202 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Tamiz #16
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,60% 6,20% 8,70% 2,50% 3,10% 0,00%
Subdiscoidal 1,20% 0,00% 5,60% 5,60% 2,50% 0,00%
Esférica 0,60% 6,80% 7,50% 3,10% 1,20% 0,00%
Subprismoid
al 0,00% 0,60% 9,30% 9,30% 6,20% 1,20%
Prismoidal 0,60% 5,00% 5,60% 3,70% 3,10% 0,00%
Tamiz #30
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 1,20% 4,90% 4,30% 3,70% 4,30% 0,60%
Subdiscoidal 0,00% 4,30% 4,30% 2,50% 0,60% 0,00%
Esférica 0,60% 5,60% 9,90% 9,30% 1,20% 0,00%
Subprismoid
al 0,00% 1,90% 4,90% 6,80% 4,90% 0,00%
Prismoidal 0,00% 1,90% 6,20% 7,40% 7,40% 1,20%
Tamiz #50
Redondez
Muy
Angular
Angula
r
Sub
Angular
Sub
redondeado
Redondead
o
Bien
redondeado
Es
feri
cid
ad
Discoidal 0,00% 4,00% 5,70% 3,40% 0,60% 0,00%
Subdiscoidal 0,00% 4,00% 6,30% 6,30% 1,10% 1,10%
Esférica 0,00% 9,10% 10,80% 5,70% 0,60% 0,60%
Anexo B. Nombrar el anexo B de acuerdo con su contenido 203
Subprismoid
al 0,60% 2,80% 8,50% 9,70% 4,50% 2,30%
Prismoidal 0,00% 0,60% 4,50% 5,10% 2,30% 0,00%
204 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
C. Anexo: Parámetros reológicos de las mezclas de mortero equivalente por arena y tipo de polímero
Arena Cordobita + EXP 3457
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el
concreto
% aditivo polímérico
τo Esfuerzo
de fluencia 0 min
ή viscosidad
0 min
τo Esfuerzo
de fluencia 30 min
ή viscosidad
30 min
1 1- 1- 25,34% 0,39% 23,78 0,73 19,07 1,00
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 31,87 0,42 22,23 0,80
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 31,94 0,99 35,13 0,99
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 33,54 0,99 67,57 0,92
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 21,96 0,67 33,63 1,10
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 25,66 0,56 42,91 0,77
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 23,68 1,18 38,18 1,37
9 o o 30,86% 0,50% 27,95 0,86 30,18 1,26
10 o o 30,86% 0,50% 25,23 0,92 29,82 1,32
11 o o 30,86% 0,50% 26,59 0,70 30,00 0,86
Arena Cordobita + EXP 1931-1
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el
concreto
% aditivo polímérico
τo Esfuerzo
de fluencia 0 min
ή viscosidad
0 min
τo Esfuerzo
de fluencia 30 min
ή viscosidad
30 min
1 1- 1- 25,34% 0,39% 15,52 0,94 14,26 1,16
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 22,11 0,68 15,11 0,81
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 24,03 1,12 26,43 1,14
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 19,62 1,02 51,17 1,04
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 16,78 0,75 23,63 0,82
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 21,10 0,67 29,71 0,77
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 21,5 1,14 26,7 0,99
Anexo B. Nombrar el anexo B de acuerdo con su contenido 205
9 o o 30,86% 0,50% 14,55 1,03 25,25 1,13
10 o o 30,86% 0,50% 20,74 1,10 23,38 1,61
11 o o 30,86% 0,50% 17,645 1,04 24,32 1,09
Arena Cordobita + EXP 1831-5
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el
concreto
% aditivo polímérico
τo Esfuerzo
de fluencia 0 min
ή viscosidad
0 min
τo Esfuerzo
de fluencia 30 min
ή viscosidad
30 min
1 1- 1- 25,34% 0,39% 15,19 0,82 28,06 0,87
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 19,98 0,94 27,36 0,91
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 24,19 1,12 26,61 1,15
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 26,21 0,91 32,42 1,02
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 20,29 1,02 19,18 1,00
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 17,99 0,74 18,76 0,84
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 20,3 0,67 21,2 0,70
9 o o 30,86% 0,50% 17,78 0,93 26,69 1,10
10 o o 30,86% 0,50% 16,35 1,04 25,26 1,07
11 o o 30,86% 0,50% 17,065 1,03 25,98 1,12
Arena Cogua + EXP 3457
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el
concreto
% aditivo polímérico
τo Esfuerzo
de fluencia 0 min
ή viscosidad
0 min
τo Esfuerzo
de fluencia 30 min
ή viscosidad
30 min
1 1- 1- 25,34% 0,39% 20,13 0,45 40,19 0,34
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 7,622 0,34 10,9 0,45
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 35,09 0,79 43,28 1,02
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 39,16 0,70 47,29 1,13
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 13,96 0,54 27,71 0,63
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 18,45 0,32 20,62 0,38
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 11,57 0,23 13,05 0,39
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 25,37 0,61 44,78 0,97
9 o o 30,86% 0,50% 28,48 0,35 35,3 0,51
10 o o 30,86% 0,50% 23,54 0,68 34,9 0,85
11 o o 30,86% 0,50% 26,01 0,56 35,10 0,58
206 Mejoramiento del comportamiento físico y químico de las arcillas y materiales
micáceos presentes en agregados finos de mala calidad para su uso en la
producción de concreto hidráulico
Arena Cogua + EXP 1931-1
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el
concreto
% aditivo polímérico
τo Esfuerzo
de fluencia 0 min
ή viscosidad
0 min
τo Esfuerzo
de fluencia 30 min
ή viscosidad
30 min
1 1- 1- 25,34% 0,39% 15,49 0,63 18,3 0,73
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 6,567 0,40 9,462 0,38
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 23,02 0,86 31,29 1,08
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 27,57 0,93 46,37 1,21
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 20,37 0,77 29,46 0,93
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 9,051 0,50 9,881 0,57
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 5,83 0,37 6,851 0,42
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 28,67 1,03 36,47 1,05
9 o o 30,86% 0,50% 8,65 0,77 18,5 0,92
10 o o 30,86% 0,50% 6,884 0,70 12,17 0,64
11 o o 30,86% 0,50% 7,767 0,71 15,34 0,75
Arena Cogua + 1831-5
Ensayo % Arena
en concreto
% Dosis aditivo
%Arena en el
concreto
% aditivo polímérico
τo Esfuerzo
de fluencia 0 min
ή viscosidad
0 min
τo Esfuerzo
de fluencia 30 min
ή viscosidad
30 min
1 1- 1- 25,34% 0,39% 20,04 0,59 18,69 0,75
2 1- 1+ 25,34% 0,61% 9,388 0,50 12,02 0,63
3 1+ 1- 36,37% 0,39% 37,14 0,94 40,67 0,83
4 1+ 1+ 36,37% 0,61% 15,64 0,82 26,50 1,10
5 o 𝛼- 30,86% 0,35% 20,54 0,88 28,54 1,00
6 o 𝛼+ 30,86% 0,65% 9,125 0,63 17,48 0,73
7 𝛼- o 23,06% 0,50% 9,45 0,41 14,45 0,48
8 𝛼+ o 38,65% 0,50% 27,21 0,87 41,74 1,24
9 o o 30,86% 0,50% 17,68 0,66 22,24 0,91
10 o o 30,86% 0,50% 14,88 0,64 16,89 0,75
11 o o 30,86% 0,50% 16,28 0,61 19,57 0,81