Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 10 Nos. 1 & 2 (1990) 69

Ensayos preliminares necesarios para eldiseño de un mortero aislante usando chamotas dearcilla como agregado.

R. E. Malavé; M. F. Viera; N. V. Sánchez; E. R. Rico.UNIVERSIDAD CENTRO OCCIDENTAL ''LISANDRO ALVARADO", ESCUELA DE INGENIERA CIVIL,BARQUISIMETO, ESTADO LARA, VENEZUELA.

El trabajo consiste en larealización de un conjunto de ensayos preliminares que permitieron comparar los cambios físicos, mineralógicos y mecánicos ocurridosen tres tipos de concretos, al ser sometidos auna tratamiento rérmicoen un rango de temperatura entre 300°C y 9OOQC;todo ello, con el objeto de optinúzarun morteroaislante de charnotas de arcilla que en forma empírica se ha venidousando en algunas alfarerías de la región, para reparar las paredes de los horno. s, Los tres tiposde concretos seleccionados se diseñaron para una misma resistencia, usando: Cemento Portland, agregado fino silíceo y aditivo plastificame en los tres casos,agregado grueso de origen pétreo en dos casos y agregado livianoen el tercero. La diferencia dediseñoentrelos dos agregados pétreos fue un recubrirnientosuperficialde 2 cm. de espesor del mortero de chamota de arcilla que se quiere probar. Las probetas usadas en los ensayos fueron cilindros de 15 x 30 cm., que se sometieronatratamientotérmico en cinco series. Los ensayos utilizados para determi nar los cambios fueron inspección visual, difracción de rayos- X (DRX), ultrasonornetríayensayos mecánicos destructi vos. Los re.sultados demostraron que el revestimiento permite que el concreto pétreo se comporte en forma similar al concreto liviano,el cual es más resistente alfuego. El concreto pétreosin recubrimientopierde completamente la cohesión y,por ende la resistencia mecánica, mientras que los otrosdos tipos conservan e127% de la resistencia. En cuanto a composición minera lógica, los cambios observados por el efecto de la temperatura fueron similaress,

Palabra.- Oaves : Mortero, Charneta, Tratamiento Térmico, Resistencia Residual.

PRELIMINARY TESTS NEEDED FOR DESIGNING A THERMAL INSULATING MORT AR USING CRUSHED W AS TE, BRICK CLA yABSTRACTThisworkdeals with the heat treatmentofthree differenr types of concretes, in a lemperalurerangeof300"C - 900"C, in order to study the physicaJ, mineralogicalandrnechanical changes that take place. The object was optimize an insulating mortar madefrom ground brick, a mcthod which has been usedempirically in someclay brick factories of the region to repair furnace walls,AJI three selected types of concretes were designed for tlie.same strength, using type I Portland Cement, siliceous sand passing a 3/4 inch .•creen a. fineaggregateand a plasticity additive. Rock coarse aggregate was used for two of the concrere saruple,s, and lightweight aggregate for the thinl one. In addition, one of the sampleswith rock coarse aggregate was covered with ground brick mortar of2 cm. in thickness.Tests werecanied out on concrete cylinders of 15 cm. in diarueter aml30cm. in length. Beside the effeet oftemperature changes alread y mentioned, variation ofexpo._ure time was also considered for a given ternperature up to three hours. Then, samples were let cooling to room temperature. The tests used to determineehanges were: visual inspection, X-Ray diffraction, ultrasonimetry and destructivo mechanical test.Time of exposure and temperature were proved lo influence negauvely in concrete properties. Over a temperature of 600DC, irreversible changes tookplace inconcrete, thus affeeting it••structural stability. However, ground brick covered concrete beha ve.' as light weight concrete does, bei ng more stable to heat. At900"C,rock coarseaggregate concrete without ground brick cover lo .•t completely its cohesión and consequently its mechanical strength while the other IWO types ofconcretes preserved a residual strength of27''', under thesotne conditions.

1.-INTRODUCCION

El efecto de la" altas temperaturas sobre la" propiedades del.•.concreto y en particular sobre la resistencia mecánica, es unfenómeno complejo que depende de múltiples factores comoson, relación agua/cemento, tipo y cantidad de inertes, homo-geneidad de la pasta, velocidad de calentamiento, forma ydimensión de la estructura, entre otros.Con relación al tipo de agregados, Collepardi y Valente [1]han confirmado que a altas temperarurax el concreto coninertes calcáreos presenta una pérdida menor de resistenciamecánica que el concreto con inertes silíceos, sobre todo atemperaturas inferiores a los 700°C.Un comportamiento ante el calor similar a los calcáreos, hasido observado [6,7,8] en concretos diseñados con agregadoslivianos.Por otro lado, se ha comprobado que la acción del calor sobreel concreto a través de los agregados, se produce principal-mente por la transferencia del calor y ¡x)r la capacidad deabsorber humedad que tengan esos inertes. De igual manera,otras investigaciones [5,7], han reportado que el peso delagregado está inversamente relacionado con el aislamientotérmico, por eIJo el agregadoli viano es mejor aislante que elsilíceo y el calcáreo, sobre todo porque los poros retardan latransferencia del calor.Los cambios químicos estructurales y los cambios de volumenque suceden durante el calentamiento, afectan directamentelas propiedades mecánica" del concreto, en especial la resis-

tencia a la compresión yel módulo de elasticidad, observándoselas mayores diferencias a 600°C, [1,2].Es así como las pérdidas de resistencia detectadas por el efectodel calor, a través de ensayos destructivos y ultrasonometría[2]en concretos silíceos y en concretos calcáreos, son muy bajas

'a 3.00°C [1,8]; sin embargo, a temperaturas cercana" a 600 °Clos concretos silíceos pierden el 50% de su resistencia [2]mientras los calcáreos y los livianos pierden el 20% de suresistencia [1].Ese mismo trabajo [1] reporta que a 900°C, los concretoscalcáreos, los concretos silíceos y los concretos livianos pierdenel 90%, el 80% y el 75% de su resistencia a compresión,respectivamente, comprobando la mayor estabilidad térmicade los agregados livianos.Con relación a los cambios volumétricos reportados por efectodel calor, se ha comprobado [1,2], que al inicio del calentamien-to de un concreto normal, la expansión e" contrarrestada por lacontracción que genera la deshidratación de las fases presentesen el cemento; a temperaturas mayores de 300°C, la pastainvariablemente se contrae. Por otra parte, entre 400°C y500°C, se forma óxido de calcio producto de la deshidratacióndel hidróxido de calcio libre del cemento, el cual al enfriarsese rehidrata, ocasionando una expansión volumétrica.En los áridos los cambios volumétricos se producen por encimade los 500° C, los áridos silíceos sufren un cambio volnmétricoa 572°C debido a la transformación isornórfica del cuarzo ex a

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cuarzo B. Los áridos calcáreos se descomponen a partir de700°C, lo cual origina una expansión volumétrica al enfriarse.Por encima de 700°C los áridos y el cemento comienzan areaccionar formándose enlaces tipo cerámico.Estos trabajos previos constituyen los antecedentes de estainvestigación. en la cual se estudiaron los cambios mineraló-gicos y de resistencia a compresión ocurridos en tul concretosilíceo recubierto con un mortero diseñado con ladrillostriturados (chamotas) como inertes, al someterlo al calor(temperatura máxima 900°C). Los cambios secotrelacionaroncon los sucedidos en un concreto similar sin recubrimiento yen un concreto liviano sometidos ambos a las mismas condi-ciones de temperatura.

2.- MATERIALES y METODOS

Los materiales que se usaron en este trabajo fueron: arenapasante 3/4", canto rodado tamaño máximo 1", agregadoliviano estructural, ladrillo de arcilla triturado (chamota),cemento portland tipo 1Yaditivo Pozzolith 2237-R tipo B Ytipo D.Para realizar el diseño de mezclas, fue necesario determinarpreviamente las propiedades fisícas de los agregados; éstasson absorción, gravedad específica y granulometria, de acuer-do con las normas COVENIN 269-78, 268-788 Y 273-83,respectivamente. A la arena y a la chamota se les hizo unanálisis DRX con radiación Cu- a, para observar la compo-sición mineralógica. El diseño de las mezclas se hizoconsiderando especificaciones de uso común en la construc-ción civil, esto es, una resistencia a compresión estimada de250 Kg/cm' y un asentamiento de 4.5".Se diseñaron tres mezclas de concreto, una de agregadopétreo, una de agregado pétreo con recubrimiento y una deagregado liviano. El concreto de agregado pétreo tiene lamisma composición que el concreto con recubrimiento, perose diferencian en que, previo al tratamiento el segundo serecubre con una malla metálica (gallinero), la cual se rellenacon tul mortero de chamota de relación en peso de una partede cemento y tres·de ladrillo triturado.Con las muestras de prueba se hicieron probetas cilíndricas dedimensiones 15 x 30 cm y a fin de realizar el tratamientotérmico se agruparon en cinco series, a saber: Serie 1 deagregado pétreo, con nueve probeta s, sometidas a 300°C engrupos de tres, por períodos de 60 min., 120 minoy 180 min.respectivamente. Serie nde agregado pétreo. con nueveprobeta s, sometidas a 600°C en grupos y períodos similaresa la anterior. - Serie DI de agregado pétreo. Serie IV deagregado pétreocon recubrimiento y serie V de agregadoliviano. con cinco probetas cada una, sometidas estas series auna temperatura de 900°C por un período de 180 mino Entodos los casos se utilízaron probeta s testigos a temperaturaambiente.Las series I y Il se trataron en un hamo eléctrico marca WilBarfield con una velocidad de calentamiento de 5°C/min.Las series DI, IV YV se trataron en un horno a gas industrialprogramado hasta alcanzar una temperatura de 900°C

Todas las probetas de las series una vez sometidas al tratamien-to térmico seenfriaron a la temperatura ambiente y seobservaronperiódicamente los cambios ocurridos en su superficie.A las probetas procesadas se les midieron sus dimensionesantes y después del tratamiento térmico, a la serie IV se le quitóel recubrimiento para los ensayos posteriores al tratamiento. Atodas las probetas se les determinó la velocidad de propagaciónde ultrasonido mediante un equipo Control s E-4650/60H conprecisión ± 2%, se ensayaron a comprensión según normaCONVENIN 1976-83 y finalmente se les hizo DRX conradiación Cu-« para determinar los cambios mineralógicoscualitativamente.

3.- ANALISIS DE RESULTADOS

Propiedades fisicas de los materiales y diseftos de mezclas.En la Tabla 1 se reportan las propiedades fisicas de losmateriales que conforman el concreto, allí se puede apreciarque la chamota tiene una gravedad específica levemente menorque la arena yuna absorción significativamente mayor, factoreséstos, que permiten inferir que el concreto con recubrimientose comportará mejor ante el calor que el concreto pétreo sinrecubrimiento, debido a que losvacíos retardan la transferenciade calor [3,7]. Aunado a ello, la finura también esun factor quemejora el comportamiento térmico; en este caso, y de acuerdo

TablalPropiedades físicas de la materia prima y diseño de mesclas de los

materiales de los concretos estudiadosPropled.!~sFisleas DlsdIo do! Muc~u (KgIrnJ)

MatenalMó<Uo'" ;.,b~<X":I6n _ .... ceoceetc ccecreec

f'••.• 0-;, EspecifIca P@lI>tO - AlLV«I

R..o•.iadl' 0,70 2,64 $00,16 600,16

Are" 4.40 UB 2,51 SÓ6,eO 866,80 911,00PiLsanle3f4'

Oumota3.28 21.00 2,09At.:¡!l¡

A1ll'erl 1,tlC '9000

Cemento 3,29 J99,OO 399,00 340,00

""', 1.00 1 ~].6Z 163,157. 170,00

AdlllYO 1." 1.04 1.04

Especificacione de diseño

Relación Agua/CementoRelación de AgregadoRelación Cemento/AgregadoResistencia EstimadaTrabajabilidad

... 0,50

... 0,52... 0,23

... 250 Kg/cm2... 4"

con el módulo de finura, la chamota usada es más fina que laarena.En la Fig.l se observan los difractogramas de la arena, lachamota y el agregado liviano, indicando que la primera tienecuarzo y calcita como componentes principales, la segundatiene cuarzo e illita y el tercero, tiene cuarzo como elementoprincipal y feldespato y calcita en menor grado ..

Cambios E:\temos observados después del tratamiento térmicoLa serie Ique agrupó al concreto pétreo tratado a 300°C durantediferentes tiempos, en la inspección visual arrojó característi-

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Fig.N" 1 DRX de los áridos usados para concretos ensayados

cas muy similares en los tres tiempos (1, 2 Y 3 horas), seobservó en su superficie un leve cambio de color de gris arosado tenue y fisuras de poca longitud dispersas en las carasplanas del cilindro.La serie IIque agrupó al concreto pétreo tratado á 6000edurante diferentes tiempos, tampoco ofreció diferencias en lainspección visual de las probetas a tiempos diferentes, A estatemperatura se acentuó el cambio dc color rosado. Seobservaron grietas en las caras plana y en la superficiecilíndrica de la probeta.Las series III y IV de agregado pétreo sin y con recubrimientotratados a 900oe, después de la inspección visual reportaronuna desaparición del color rosado transformándose a un tonoamarillo pálido. En cuanto a la estructura externa de loscilindros, se observó que la serie III reportó un descascara-miento por deslaminación y una desintegración rápida altener contacto con el aire, los cilindros recubiertos conchamotas (serie IV), se les quitó el recubrimiento al enfriarsey se comportaron mejor que la serie III, pues no presentarondescascaramiento sino un leve astillamiento en las aristas delas caras.La serie V de agregado liviano tratada a 900oe, reportó alenfriarse un comportamiento similar al recubrimiento conchamota en lo relativo a su apariencia fisica.

cambios internos del concreto por efecto del calorSegún el análisis de DRX, en la Fig. 2 se presentan losdifractogramasde las muestras superficiales tomadas de cadauna de las series (para el caso de la serie IV la muestra fuetomada luego de ser retirado el recubrimiento). En la TablaIl sepresentan la composición mineralógica cualitativa segúnel análisis DRX.De acuerdo a los difractogramas y tal como lo han reportadootros autores [1,5] a los 3()()Oe no se observa ningún cambiosignificativo con respecto al concreto testigo, cuya composi-ción mineralógica reporta cuarzo, calcita portlandita e illitacomo componentes principales y en ese orden de abundancia.A los 600 "C, el difractograma arroja algunos cambiosmineralógicos, los cuales explican el agrietamiento superfi-cial y los cambios de color detectados en el concreto con inerte

S I CuartOe- C.~ltal'l!mo'1Portl.ndltlloIllIU

S'rl' IV (recub"'.rto toO"'C"I

"".11I 11001:) •

Fig.2 DRX de las muestras superficiales extraídas de los concretostratados termicamente

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silíceos.A esta temperatura se observa la desaparición de la portlanditay de las trazas de magnesita y hematita, también se evidenciauna disminución de las bandas características de la calcita. Deacuerdo con los cambios reportados, se infieren variacionesgrandes e irregulares del coeficiente de expansión térmica.La desaparición de la portlandita, se debe a la descomposiciónde la misma liberando los OR químicamente enlazados yformando Cao que no se reporta en el difractograma segura-mente por estar amorfizado. La desaparición de la magnesita,supone el comienzo de la descarbonatación y por ende laformación incipiente del óxido de magnesio amorfo que tam-poco se detecta en el difractograma. Estas dos reaccionesproducen una contracción volumétrica. La disminución de lospicos de la calcita indican el comienzo de la descarbonatación,reacción que también arroja una contracción volumétrica. Elcuarzo debe transformarse de cuarzo o.a cuarzo B a los 573"C,

TabÚJ IIComposición cualitativa segun difracción de rayos-x de las muestras

superficiales de los concretos tratados termicamente

Muestra Temperatura {OC) : Composición Mineralógica Cualitativa

Testigos AmbienteCuarzo > Calcita> Pprotlandita » Illlta y/o

Muscovita, Trazas de Manganesita, Hematita,Dolomita y posiblemente Siderita.

Serie 1 300Cuarzo >Calcita »portlanctta .> Illita yio

Muscovita. Trazas de manganesita, Hematita,Dolomita y posiblemente Siderita

Cuarzo> Calcita> Illita yío 1uscovitaTrazas de Dolorniú

Serie II 600

900 con y sinRecubrimiento

Cuarzo> Calcita >Illita y/o Muscovita ytrazas de Lime, Periclase, Mangaesita.,

Dolomita Hernetita y posiblemente Siderita.

S.:rieIlISerie IV

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generando un aumento de volumen, pero ese cambio por serde tipo desplazamiento no fue detectado por DRX.El concreto a los 900°C reporta, según DRX, que sehacen másevidentes las trazas de los minerales que se habían opacado alos 600°C, apareciendo levemente las bandas de limo (CaO)y la periclasa (MgO), lo cual indica su cristalización. Ladisminución de las bandas de la calcita también fue másnotoria a esa temperatura.El difractograma del concreto con recubrimiento a 900°Creportó la misma composición.mineralógica que el concretosin recubrimiento, la única diferencia visible se observa en laintensidad relativa de las bandas de la calcita que son menoresen los cilindros sin recubrimiento, lo que induce a pensar queSU descomposición fue mayor. De acuerdo a este resultado sepuede inferir que el desmoronamiento observado en loscilindros pétreos sin protección, es producto del choquetérmico que genera una inestabilidad volumétrica de loscomponentes y que en el caso del concreto con recubrimiento,no permitió igual transformación de calcita a limo, factor quedisminuye la expansión al enfriarse. Por otro lado, el procesode enfriamiento fue gradual, evitando la hidratación brusca delos componentes que producen el desmoronamiento.

Efectos del tratamiento térmico sobre la resistencia mecánicaa la comprensión del concreto.A través del ensayo destructivo, se determinó la resistencia acomprensión de cada una de las series en estudio una vezalcanzada la temperatura deseada y producido el enfriamientoa la temperatura ambiente.Ensayadas la serie 1(300°C) Yla serie II (600cC), se verificóla influencia que tiene el tiempo de exposición al calor sobrela resistencia a comprensión. A los 300°C la influencia es casinula (ver Fig.3) y la resistencia residual está en el orden del

"•[s 100IoUAL

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•(s 60IST(NeI 40A

A

e TEWPERArURASo 20••r - 300 ·C -t- 600 ·C•[•IOo

" 1 2 3O

TIEMPO (HORAS)

Fig.N° 3 Porcentaje residual de resistencia á Compresion vs Tiempo decalentamiento

TahÚl/IIResistencia a compresión del concreto sometido a altas temperaturas

Temperatura Tiempo Resist, Antes Resis!.luego Residual deMuestra expuesto~~:e~~ ~~:~entar(De)

(Km/emz) cm2 cm2) F'C(%)

60 252,&7±4,5393,92

1,8%

Serie 1 300 120 268,39±3,O6 252,15±2.39 93,951,44% 0,95%

180 247,15±5,0,993,37

2,05%

60168,14±3,97

57,332,36

Serie U 600 120 293,27±2.68 145,95±3,60 49,170,91% 2,47%

180 131,16±0,8844,720,67%

180 con 63,77±0,73recubrimiento 263,78±2,89 1,15% 24,18

Serie l!l 900180 sin 1,1%

recubrimiento Perdida Total O

Serie IV 900 180 sin 243,57±4,31 66,66±2,08recubrimiento 1,77% 3,12 27;37

Nota: La resistencia antes del calentemiento representa el J ()()<'/Ó de laresistencia tomada de los tres cilindros testigos.'

92% (ver Tabla 1Il), el valor encontrado está muy cercano alreportado en otras investigaciones [1,2]. A los 600°C lainfluencia del tiempo comienza a ser más notoria (ver Fig. 3)Y la resistencia residual a las tres horas de exposición es de44,7% (ver Tabla llI)valor similar al reportado por Fernández[4]. Esta marcada disminución se debe a la pérdida de aguaintersticial de la pastade cemento, a la pérdida de agua enlazadaquímicamente y a los cambios de estructura y de composiciónque sufren los áridos siliceos.A los 900°C la pérdida de resistencia fue total para el caso de"los cilindros sin recubriiniento, ya que con la simple manipu-lación las muestras se desintegraron. Los cilindros protegidoscon el recubrimiento arrojaron una resistencia residual de24,1% (ver Tabla 1lI), demostrándose el efecto aislante delrecubrimiento, fundamentado esto en la alta absorción y bajadensidad de la chamota, factores que retardan laconducción delcalor y permite un comportamiento del concreto comparablecon el concreto liviano, que reportó una resistencia residual del27,4% (ver Tabla 1lI) a 9OO0C,

El efecto de las altas temperaturas sobre la velocidad depropagación del sOlúdo,La velocidad de propagación en las muestras testigos arrojó uncoeficiente de variación de 1,21% promedio, indicando lahomogeneidad de las muestras en cuando a compactación yresistencia. Las muestras tratadas a los 30QcC y 3 horas deexposición, arrojaron un porcentaje de velocidad residual de93,5% lo cual sugiere una relación lineal con la resistencia acomprensión. Por otro lado, las muestras tratadas a los 600°Cy 3 horas de expansión, arrojaron una marca reducción de lavelocidad de propagación de la onda ultrasónica, lo cualpermite inferir la pérdida de capacidad y la presencia de fisurasinternas. Se pudo observar que la disminución porcentual dela velocidad fue más acentuada que la disminución de resisten-cia, 7,8% Y44.7%, respectivamente, de lo que se reduce que noexiste una relación lineal entre estas dos variables a esa

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temperatura. A los 900°C no fue posible obtener lecturaultrasónica para ninguna de las series (III, IV YV).

4.- CONCLUSIONESEl concreto pétreo recubierto con el mortero de ladrillos dearcilla triturado, arrojó un comportamiento similar al concre-to de agregado liviano, luego de ser sometido a una exposiciónal calor durante tres horas a una temperatura de 900°C. Laresistencia mecánica residual estuvo en el orden del 24% enambos casos, a diferencia del concreto pétreo sin recubrimieníto el cual perdió su cohesión y IX)rende su resistencia al sertratado bajo la" misma" condiciones.El análisis DRX reportó la misma composición en el pétreocon recubrimiento y en el pétreo sin recubrimiento, al enfriar-se y después de ser sometido al calor (900°C), la únicadiferencia radicó en que la cantidad del calcita presente en elconcreto sin recubrimiento fue menos, hecho que en partegeneró el cambio volumétrico al enfriarse.Actualmente se continúan los ensayos de manera de encontrarla mejor relación arena-chamota como recubrimiento:Por otro lado se están diseñando y caructerizando concretoscon chamotas como agregado.

REFERENCIAS

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