México, D.F., del 17 al 21 de mayo de 2010

EFECTO DE MICROESFERAS DE VIDRIO EN MORTEROS HIDRÁULICOS

Departamento de Materiales

UAM Azcapotzalco

*Padilla Ramírez Amando, ** Flores Bustamante Antonio, ***Rocha Chiú Luis, *** *Panamá Armendáriz Mauricio I.

*UAM-Azcapotzalco,53189513,apr@correo.azc.uam.mx ** UAM-Azcapotzalco,53189513,jfb@correo.azc.uam.mx

*** UAM-Azcapotzalco, 53189513,rcla@correo.azc.uzm.mx **** UAM-Azcapotzalco,53189513,mipa@correo.azc.uzm.mx

Av. San Pablo N°1180, col. Reinosa Tamaulipas, Del. Azcapotzalco, CP. 20200 RESUMEN Una de las tendencias en la construcción, es el desarrollo de materiales de bajo peso específico y alta resistencia mecánica, por lo que en este estudio, se presenta el análisis del efecto del agregado de microesferas en morteros hidráulicos. Anteriormente se han empleado carlita, que es un agregado ligero tradicional (perlita expandida) y Promocel, que es una microesfera termoplástica. En ambos casos, aunque se logra reducir el peso específico se reduce también la resistencia mecánica sustancialmente. Usando las microesferas de vidrio, se logra no solo reducir el peso específico, sino también incrementar la resistencia mecánica, incluso por arriba de valor observado en el mortero hidráulico. Sin embargo, el costo de las microesferas de vidrio, puede ser una fuerte limitante para su aplicación. Abstract One of the tendency in construction is the development of material with low specific weight and high mechanical properties. This study is focused on the effect of micro glass bubbles on hydraulic mortar properties. Usually has been employed carlita, which is a traditional light weight aggregate (expanded perlite) and Promocel, which is a thermoplastic micro bubble. With both aggregates, mortar weight is reduced and also mechanical resistance drops substantiality. Employing glass micro bubbles, mortar specific weight is reduced but mortar mechanical strength is also increased to high values. These values are around double of mortar witness value. Unfortunately the glass bubbles cost could be a limiting fact for their application. Palabras Clave: Morteros Reforzados, Agregados Ligeros, Microesferas de vidrio. Introducción La construcción requiere continuamente materiales que superen las propiedades usuales y las limitaciones existentes. [1, 2]. En particular, el concreto normal presenta el inconveniente de su elevada densidad que penaliza los pesos propios de la estructura. Por ello, se ha buscado hacerlo más ligero, mediante la inclusión de agregados ligeros naturales como la piedra pómez, escorias, cenizas volcánicas toba, diatomita, o agregados fabricados industrialmente por expansión, entre ellos: arcilla expansiva, esquisto, pizarra, esquisto diatomáceo, perlita, obsidiana, pómez, carlita, y vermiculita, así como cenizas industriales. La ligereza de los

agregados, se traduce en la del concreto con ellos fabricado, que oscila entre 1,000 y 2,000 kg/m3

. Sin embargo, la resistencia decae notablemente alcanzándose valores del orden de 17.3 MPa [3]. Sin embargo, su costo por metro cúbico es mayor al del concreto, pero se compensa por la reducción en cargas muertas y un incremento en la capacidad de aislamiento térmico y acústico..

La producción de concreto con agregados ligeros es más difícil que la del concreto normal, ya que los agregados varían en su peso especifico, contenido de humedad, absorción de agua, en especial en las partículas de los tamaños pequeños. Para lograr resultados uniformes, suele ser necesario realizar

pruebas frecuentes de peso unitario y de revenimiento, a fin de poder ajustar el contenido de cemento y agua de la mezcla. Además, estos concretos suelen ser poco manejables y difíciles de colocar y acabar, debido a la porosidad e irregularidad en la forma de los agregados. Objetivo. En este trabajo, la experimentación se orientó en la evaluación del efecto del tipo de carga y del contenido de la misma. Particularmente, en este trabajo se compara el efecto de tres agregados ligeros: El primero la carlita, proveniente de roca volcánica de perlita que contiene agua de cristalización en su estructura. Al calentarse, el agua provoca la expansión permitiendo que la densidad de la Carlita caiga en un intervalo entre 120 - 140 kg/m3

. La Tabla 1 muestra la granulometría de la Carlita.

Tabla 1. Granulometría de la Carlita empleada El segundo una esfera termoplástica denominada Promocel, la cual se emplea comúnmente en la fabricación de piezas sanitarias por vaciado conjuntamente con resinas termofijas. La tercera está conformada por microesferas de vidrio, S60 de 3M de México. Dichas microesferas están elaboradas a base de vidrio tipo borosilicatos cálcicos y tienen una densidad media de 0.60 g/cm3

. La característica relevante es su alta resistencia isobárica. La Tabla 2, muestra algunas propiedades de este tipo de microesferas.

Tabla 2. Propiedades de las microesferas de vidrio S60

Propiedad Valor Forma Esferas de pared

delgada Color Blanco Resistencia a la presión (psi)

10,000

Densidad (gr/cm3 0.60 ) Diámetro medio (micrómetros)

30

Diseño experimental Los ensayos realizados se orientaron a determinar el efecto de la integración de agregado ligero, en el peso volumétrico del mortero y en la resistencia a la compresión en los morteros hidráulicos. En base al objetivo, se diseñaron varias formulaciones de mortero hidráulico en los cuales se sustituye parcialmente el volumen de arena por el agregado ligero. Los volúmenes de arena sustituidos fueron hasta el 50% en volumen. Materiales Para la elaboración de los morteros hidráulicos se empleó: o Cemento hidráulico Portland ordinario

Tipo II con una densidad de 3,100 Kg./m3

o Agua potable. .

o Arena de banco, con una finura de 2.1. La capacidad de absorción de agua de esta arena es de 7.5%.

o Carlita, que es una perlita expandida con un peso volumétrico suelto de 110 a 130 kg/m3

o Promocel que es una microesfera termoplástica usada generalmente como carga ligera en la industria de vaciados de poliéster en la fabricación de piezas para baños, cocinas. Su densidad real es de 0.27 g/cm

, y con una alta absorción de agua del 270% en peso.

3

o Microesferas de vidrio S60 de 3M de México, con peso específico medio de 0.6.

.

Diseño de formulaciones En el caso de los morteros hidráulicos, se utilizó la formulación base mostrada en la Tabla 3. En todos los casos, la relación arena cemento se mantiene constante. La cantidad final de agua depende del porcentaje de absorción de agua de los agregados y la humedad que tengan en el momento de la elaboración El diseño de las formulaciones de morteros ligeros, se realizó, como ya se ha mencionado, sustituyendo parcialmente un volumen de arena por agregado ligero. La Tabla 4 muestra el diseño para una formulación en la que se sustituye el 20% del volumen de arena por agregado ligero, de tal forma que los pesos correspondientes de arena son 1,100 gramos y del agregado de 36 gramos. El volumen total de la formulación permanece constante, es decir, 1,001 cm3

.mientras que el peso disminuye.

Carlita A Malla # Peso (g)

4 0 8 12.5 16 77 30 30 50 10

100 11 Charola 11

Tabla 3. Cantidades en peso y volumen de los componentes de la formulación base de los morteros hidráulicos

Componente Peso gramos

Densidad g/cm

Volumen 3 cm

Fracción en 3 volumen

Cemento 500 3.1 161 16% Agua para hidratación 242 1.0 242 24% Arena 1375 2.3 598 60% Totales 2117 1001 100% Relación agua/cemento

0.484

Tabla 4. Diseño de formulación considerando una sustitución del 20% del volumen de arena por agregado ligero.

% volumen de arena sustituida 20% Componente Peso

gramos Densidad

g/cmVolumen

3 cmFracción en

3 volumen Cemento 500 3.1 161 16% Agua para hidratación 242 1.0 242 24% Arena 1100 2.3 478 48% Agregado ligero 36 0.3 120 12% Totales 1878 1001 100% Relación agua/cemento

0.484

Preparación de muestras Para la determinación del peso específico de los morteros y evaluación de la resistencia a la compresión, se elaboraron cubos de 5x5x5 cm. Se siguió el procedimiento recomendado por la norma M-MMP-2-02-004/04. El desmolde se realiza a las 24 horas y los especímenes se curan por 28 días en cuarto de curado a 25°C y humedad relativa del 90%. Las fotografías de la Figura 1, muestran la preparación de los especímenes de morteros ligeros. Fig. 1 Fotografías que muestran la fabricación de

de los morteros ligeros. Ensayos

Ensayo a Compresión

El ensayo se realiza en una maquina con una capacidad de carga de 16,000 kg, de acuerdo a la Norma NOM a una velocidad de 2mm/min. Peso específico El peso específico se determino de acuerdo a la Norma NMX-C-164-0NNCCE-2002, empleando picnómetro de sifón

Resultados Pesos volumétricos Como era de esperarse, el peso volumétrico de los morteros se reduce conforme se incrementa el contenido de agregado ligero. En este caso, la carlita y el Promocel disminuyen de manera muy similar el peso volumétrico del mortero de 1980 kg/m3, hasta un valor del orden de 1450 kg/m3

cuando se sustituye un 50% en volumen de la arena por agregado ligero. Por otra parte, la microesfera incrementa la reducción de peso casi al doble en relación al decremento observado con los agrega-dos anteriores. Esta variación se muestra esquemáticamente en la Figura 2.

500

700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

0 20 40 60

Peso

vol

umet

rico

Kg(m

3)

% en volumen de arena sustituida por agregado ligero

CarlitaPromocelMicro esferas

Fig. 2 Variación del peso volumétrico de morteros en función de la sustitución volumétrica de arena

por agregados ligeros

Resistencia a la Compresión En el caso de la carlita y Promocel, al incrementar el contenido de agregado ligero, la resistencia a la compresión de los morteros disminuye, observán-dose un mayor decremento de la resistencia en los morteros con Promocel, aunque para fines prácticos, la caída de la resistencia es similar. Por otro lado, con la adición de microesferas, la resistencia a la compresión se incrementa a valores prácticamente del doble del valor del mortero testigo. Esto puede deberse a la alta resistencia a la compresión de las microesferas de vidrio reportada por el proveedor. Existe un incremento importante al sustituir el 10% de la arena por microesferas, el cual decae ligeramente al incrementarse la sustitución de arena en los niveles del 15 y 20%. Al parecer tiende a mantenerse la resistencia a la compresión en un valor de 420 kg/cm2

. La gráfica en la Figura 3, muestra esquemáticamente dichos comportamientos.

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60

Resi

sten

cia a

la C

ompr

esió

n kg

/cm

2

% volumen de arena sustituida por agregado ligero

CarlitaPromocelMicro esferas

Fig. 3 Variación de la resistencia mecánica a compresión de los morteros en función la

sustitución volumétrica de arena A fin de dar una idea más clara del efecto de los tres tipos de cargas ligeras, en la Tabla 5 se muestra la variación porcentual de la resistencia mecánica al ir incrementando la carga ligera en el mortero.

Tabla 5. Variación de la resistencia a la compresión en los morteros hidráulicos al

incorporar agregados ligeros en sustitución de la arena.

% de arena

sustituido

Agregado ligero

Carlita Promocel Micro esfera

10 +132% 15 +92% 20 -43% +85% 25 -44% -55% 30 -54% -75% 40 -62% 50 -67%

De tal forma que al graficar el peso volumétrico contra la resistencia a la compresión se observan que al reducirse el peso con los agregados ligeros de carlita y Promocel, la resistencia decae de manera potencial tal y como se observa en las Figuras 4 y 5., en la que se proponen ecuaciones con una correlación superior al 0.99.

Fig.4 Correlación del decaimiento de la resistencia mecánica con la reducción del peso

volumétrico en el mortero ligero

y = 218.41e-0.022x

R² = 0.977

y = 224.72e-0.028x

R² = 0.9954

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60

Resi

tenc

ia a

ala

com

pres

ión

kg/c

m2

% en volumen de arena sustituida por agregado ligero

Carlita

Promocel

Fig. 5 Decaimiento potencial de la resistencia mecánica con la reducción del peso volumétrico

en morteros con carlita y Promocel

En el caso de los morteros con microesferas se observa que al reducirse el peso, como se mencionó anteriormente, se presenta un incremento inicial (al 10% vol. de sustitución de arena) que se reduce al incrementarse el contenido de microesferas y mantener un valor por arriba de los 400 kg/cm2

, lo que representa un incremento del 85% en la resistencia mecánica aunado a una reducción del peso del mortero del 30%.

A fin establecer alguna comparación más objetiva y poder expresar algunas conclusiones con respecto a la variación del peso volumétrico y resistencias mecánicas, se emplea el concepto de propiedad específica, esto es, la relación entre la propiedad mecánica y el peso específico. El grafico en la Figura 6 muestra estos valores en función del porcentaje de arena sustituida, pudiéndose observar que ni la carlita ni el Promocel ofrecen ventaja

alguna, ya que dicho valor es del orden de 60 kg/cm2 prácticamente para todos los morteros con estos tipos de agregados. Solamente la microesfera rebasa el valor de referencia (120) y alcanza valores de 300kg/cm2

., es decir la resistencia se incrementa hasta en 3 veces en función de una misma masa.

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

0 10 15 20 25 30 40 50

Resi

sten

cia

espe

cífic

a

% en volumen de arena sustituida por agregado ligero

TestigoMicroesferaCarlitaPromocel

Fig. 6. Resistencias específicas en función de la sustitución de arena por agregado ligero en los

morteros hidráulicos Conclusiones

• Las microesferas reducen de manera más efectiva el peso volumétrico del mortero, ya que a niveles de sustitución del 20% de arena se logra bajar el peso al orden de 1360 kg/m3., mientras que con la adición de carlita y Promocel en los morteros, el efecto es menor. En este caso, se reduce el peso volumétrico de manera similar con ambos agregados, alcanzado pesos del orden de 1430 kg/m3

cuando se desplaza un 40% en volumen de arena.

• A diferencia de los agregados de carlita y Promocel, las microesferas incrementan la resistencia a la compresión de los morteros, inclusive a valores del orden de 400 kg/cm2

que es prácticamente el doble del valor exhibido por el mortero testigo.

• Esto puede deberse a la diferencia del comportamiento mecánico de los agregados, ya que la carlita es un material poroso -lo que se refleja en su alta absorción de agua- y por lo tanto no contribuye mecánicamente en el mortero. El Promocel por su parte es una microesfera plástica a base de policloruro de divinilideno (PVDC) que presenta una baja rigidez, misma que no contribuye a mejorar el comportamiento mecánico del mortero y solo tiene efectos en la reducción de peso.

• Finalmente la microesfera de vidrio, a

pesar de su baja densidad ofrece una alta rigidez lo que se manifiesta en el incremento de la resistencia mecánica del mortero y la reducción de peso del mismo.

Referencias 1. Nielsen L.E. “Mechanical Properties of Polymer and Composites “, Vol 2, New York, Marcek Dekker Inc, 1974. 2. CZARNECKI, L., “The status of polymer concrete”, Concrete International, Julio de 1985. 3. José Luis Ramírez Ortiz, “La múltiple identidad del concreto”, Informes de la Construcción, vol. 49, núm. 454, 1999. .