proyecto 25-06-2014.pdf
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ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS Y MECANICAS DEL METAKAOLIN (MK)
Y SU EFECTO EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DE CONCRETOS PRODUCIDOS EN
PAMPLONA (NORTE DE SANTANDER)
FAVIAN LEONARDO RIVERA BLANCO
TULIO ARMANDO CASTRO DE LEN
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIAS CIVIL Y AMBIENTAL
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
PAMPLONA
2014
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ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS Y MECANICAS DEL METAKAOLIN (MK)
Y SU EFECTO EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DE CONCRETOS PRODUCIDOS EN
PAMPLONA (NORTE DE SANTANDER)
FAVIAN LEONARDO RIVERA BLANCO
TULIO ARMANDO CASTRO DE LEN
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al ttulo de Ingeniero Civil
ING. EDGAR ENRIQUE LA ROTTA VILLAMIZAR
Director
M.Sc. MARLON DONEY MARTINEZ
Co Director
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
PAMPLONA
2014
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Nota de aceptacin
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Firma del presidente del jurado
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Firma del jurado
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Firma del jurado
Pamplona 25-06-2014
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DEDICATORIA
Dios, creador absoluto de la vida terrenal nos ha dado un paraje en el pinculo de
nuestra carrera universitaria y en este recorrido a puesto personas trascendentales que
desde inicios hasta esta etapa han manifestado su apoyo incondicional y otras que sin
intentarlo nos han dado fortalezas y motivaciones a cerrar este peldao exitosamente.
Queremos retribuir este triunfo especialmente a nuestras madres Eumelia Blanco Leal,
Carmen Alicia De Len Castro y padre, Alonso Rivera Uribe por ser el motor incesante
en todo este largo camino, por su inquebrantable colaboracin y amor, por ensearnos
el valor de la amistad y demostrarnos siempre dar un paso hacia delante, para enfrentar
las adversidades que se pudieran presentar.
A nuestros hermanos Cesar Delgado, Jackson Rivera, Marcela Rivera, Kevin Vanegas De
Len, Pablo Meza De Len, tos Crisstomo Fuentes, Rosa De Len, primos Jessica Briez
De Len, Jazmn Briez De Len, David Briez De Len, Juan Carlos Briez De Len y
Edgar De Len, por confiar inmutablemente en que haramos parte del entorno laboral
y porque no? desde la Ingeniera Civil, por su paciencia y subvencin en todo este
proceso.
Estamos convencidos que nuestro proyecto de grado en modalidad de investigacin
hubiera perdido gran inters de no ser por la contribucin del Ingeniero Marlon Doney,
quien no solo actu en calidad de Co-Director, sino adems como amigo, preparador
y colaborador con su indudable conocimiento; nos demostr que ir ms all de lo
convencional siempre ser una decisin acertada y por permitirnos con su generosidad
trabajar de la mano; de esta manera le dedicamos este logro y reconocemos una
deuda de sincera gratitud.
Finalmente, estas lneas van dedicadas a mi hermosa novia y compaera Anglica
Surez quien estuvo presente en los momentos difciles, a nuestros amigos,
colaboradores y en general a todas las personas implicadas en la realizacin de este
proyecto.
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AGRADECIMIENTOS
Manifestamos nuestros ms sinceros agradecimientos a Dios, a las personas que han
apoyado esta investigacin, integrantes del cuerpo acadmico, colaboradores
externos y a aquellas que hicieron sus aportes de ideas, recomendaciones y sugerencias
en la redaccin de este libro.
A los seores Oscar Rodrguez y Fabio Huertas conferencista y motivador, propietarios
del yacimiento de caoln, por su invaluable colaboracin y soporte financiero en la
obtencin del mineral.
Ingeniero Fabio Ardila, gerente de la empresa Preconcretos S.A. de Ccuta, por su
aporte consistente de los agregados ptreos.
Especialista Edgar la Rotta, por su inapreciable colaboracin y direccin de Proyecto
de grado.
No podramos expresar nuestra deuda inestimable con el Co-Director, e investigador
por excelencia el Ingeniero M.Sc en Qumica Marlon Doney docente del
departamento de qumica y biologa, por orientar este proyecto de investigacin.
Contamos adems con nuestro director de programa y jurado el ingeniero Manuel
Contreras por sus importantes apreciaciones, revisiones y recomendaciones ha
contribuido y proporcionado valiosos concejos para mejorar la redaccin de este
documento.
Ingeniero civil Marcelino Maldonado, docente de la Universidad de Pamplona por su
asistencia activa y su importante labor como jurado en los procesos de investigacin
y compartir generosamente su trabajo con nosotros.
Grupo de Investigacin ETENOHA bajo la coordinacin del ingeniero civil Marcelino
Maldonado, por hacernos partcipes en calidad de ponentes de la primera Jornada
de Ingeniera Civil realizado en la Universidad de Pamplona.
Reconocimiento especial merece el Ingeniero Edgar Prez por su deferencia a lo
largo de este proyecto y ofrecernos apoyo profesional.
Auxiliar de laboratorio de suelos ingeniero Wilson Armando Castellanos Vera, por su
celeridad en el manejo de espacios de las instalaciones y equipos de laboratorio de
suelos. Al director de recursos fsicos Juan Carlos Pelez, por brindarnos el suministro
de herramientas y uso de materiales.
Director del programa de Ingeniera mecnica Juan Carlos Delgado, por el servicio
de la Mquina Universal del Centro Mecanizado (CNC). Al departamento de
qumica, mecnica y control de Calidad de la Universidad de Pamplona por su
disponibilidad de materiales, herramientas y equipos.
En general a todas las empresas, instituciones y universidades que oportunamente
aceptaron la realizacin de este estudio y pusieron a disposicin las informaciones
requeridas.
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CONTENIDO
pg.
INTRODUCCION 3
1. TITULO 4
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 5
3. JUSTIFICACION 6
4. OBJETIVOS 7
4.1 OBJETIVO GENERAL 7
4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 7
5. MARCO REFERENCIAL 8
5.1 MARCO CONTEXTUAL 8
5.1.1 Ubicacin geogrfica del Caoln 8
5.1.2 Ubicacin geogrfica de la Empresa Preconcretos S.A. de Ccuta-Norte de
Santander 9
5.2 MARCO TEORICO 10
5.3 MARCO DE ANTECEDENTES 15
5.4 MARCO CONCEPTUAL 17
5.4.1 Caoln 17
5.4.2 Metakaoln (MK) 17
5.4.3 Puzolana 17
5.4.4 Cemento 17
5.4.5 Cemento Prtland 17
5.4.6 Concreto 18
5.4.7 Mortero 18
5.4.8 Agua 18
5.4.9 Agregados o ridos 18
5.4.10 Prdida al fuego 18
5.4.11 Contenido de humedad 18
5.5 MARCO LEGAL 21
6. METODOLOGIA 23
-
6.1 ACTIVIDAD 1. SUMINISTRO DE LOS MATERIALES 23
6.1.1 Caoln 23
6.1.2 Agregado grueso y fino 23
6.2 ACTIVIDAD 2. CARACTERIZACION FISICOQUIMICA DEL CAOLIN 24
6.2.1 Molienda en molino de bolas 24
6.2.2 Tamizado 25
6.2.3 Humedad del caoln 25
6.2.4 Prdida al fuego 26
6.2.5 Composicin qumica por fluorescencia de rayos-X (FRX). 27
6.2.6 Anlisis cualitativo y cuantitativo por difraccin de rayos-X 27
6.2.7 Espectrometra de infrarrojo 28
6.2.8 Microscopa 29
6.2.9 Termogravimetra 30
6.3 ACTIVIDAD 3. OBTENCION DE METAKAOLIN 30
6.3.1 Tratamiento trmico controlado del caoln 30
6.3.2 Caracterizacin mineralgica del Metakaoln 31
6.4 ACTIVIDAD 4. DETERMINACION DEL INDICE DE PUZOLANIDAD EN MORTEROS 31
6.4.1 Resistencia a la compresin de morteros 33
6.5 ACTIVIDAD 5. PROPIEDADES MECANICAS DEL CONCRETO CON SUSTITUCION DE
METAKAOLIN 35
6.5.1 Caracterizacin de los agregados 35
6.5.2 Dosificaciones para las mezclas de concreto 42
6.5.3 Elaboracin y curado de especmenes de concreto para ensayos de laboratorio
42
6.5.4 Ensayo de resistencia a la compresin de especmenes cilndricos de concreto 44
6.6 ACTIVIDAD 6. IDENTIFICACION DE POSIBLES IMPACTOS AMBIENTALES EN LA
PRODUCCION DE METAKAOLIN. 46
6.7 ACTIVIDAD 7. ANALISIS ECONOMICO PRELIMINAR DE LA APLICACIN DE METAKOLIN
EN LOS CONCRETOS PRODUCIDOS EN PAMPLONA. 46
7. RESULTADOS Y DISCUSIN 48
7.1 ACTIVIDAD 1. SUMINISTRO DE LOS MATERIALES 48
7.1.1 Caoln 48
7.1.2 Agregado grueso y fino 48
7.2 ACTIVIDAD 2. CARACTERIZACION FISICOQUIMICA DEL CAOLIN 49
7.2.1 Molienda y tamizado del mineral 49
-
7.2.2 Humedad del caoln 49
7.2.3 Prdida al fuego. 50
7.2.4 Composicin qumica por fluorescencia de rayos-X (FRX) 50
7.2.5 Anlisis cuantitativo y cualitativo por difraccin de rayos-X 51
7.2.6 Espectrometra de infrarrojo 52
7.2.7 Microscopia 53
7.2.8 Termogravimetra 54
7.3 ACTIVIDAD 3. OTENCION DEL METAKAOLIN 55
7.3.1 Tratamiento trmico controlado 55
7.3.2 Caracterizacin mineralgica del Metakaoln 55
7.4 ACTIVIDAD 4. DETERMINACION DE INDICE DE PUZOLANIDAD EN MORTEROS 58
7.4.1 Resistencia a la compresin de morteros 58
7.5 ACTIVIDAD 5. PROPIEDADES MECNICAS DEL CONCRETO CON SUSTITUCION DE
METAKAOLIN 60
7.5.1 Caracterizacin de los agregados 60
7.5.2 Dosificacin para las mezclas de concreto 63
7.5.3. Resistencia a la compresin de especmenes cilndricos de concreto 63
7.6 ACTIVIDAD 6. IDENTIFICACION DE POSIBLES IMPACTOS AMBIENTALES EN LA
PRODUCCION DE METAKAOLIN. 67
7.7 ACTIVIDAD 7. ANALISIS ECONOMICO PRELIMINAR DE LA APLICACIN DE MK EN LOS
CONCRETOS PRODUCIDOS EN PAMPLONA. 69
8. NOMBRE DE LAS PERSONAS QUE PARTICIPAN EN EL PROCESO 70
8.1 INVESTIGADOR (ES) 70
8.2 DIRECTOR DE TRABAJO DE GRADO 70
8.3 CO-DIRECTOR DE TRABAJO DE GRADO 70
9. RECURSOS DISPONIBLES 71
9.1 RECURSOS MATERIALES 71
9.2 RECURSOS INSTITUCIONALES 71
9.2.1 Universidad de Pamplona. 71
9.2.2 Universidad Francisco de Paula Santander Ccuta. 71
9.2.3 Universidad Industrial de Santander (UIS) Bucaramanga. 71
9.2.4 Universidad EAFIT de Medelln. 71
10. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 72
11. CONCLUSIONES 73
-
12. RECOMENDACIONES 74
13. BIBLIOGRAFIA 75
14. POSIBILIDADES DE PUBLICACION 79
ANEXOS 80
-
LISTA DE FIGURAS
Pg.
Figura 1. Estructura del caoln (Al2O3.2SiO2.2H2O), capas de silicio y de aluminio 15
Figura 2. Localizacin y muestreo del mineral caoln en el municipio de Abrego 23
Figura 3. Agregados ptreos, Empresa Preconcretos S.A. 24
Figura 4. Molienda del mineral en molino de bolas 24
Figura 5. Tamizado del Caoln posterior al proceso de molienda 25
Figura 6. Contenido de Humedad del Caoln 26
Figura 7. Prdida al Fuego del mineral caoln 26
Figura 8. Espectrmetro BRUKER S8 TIGER 27
Figura 9. BRUKER modelo D8 ADVANCE 28
Figura 10. Ensayo de infrarrojo para el mineral caoln 29
Figura 11. Microscopio National y de barrido electrnico marca FEI modelo Phenom G2
Pro 30
Figura 12. Equipo Universal Thermal Analysis SDTQ600 30
Figura 13. Tratamiento trmico controlado del caoln. 31
Figura 14. Ensayo de fluidez con 20% Sustitucin de MK 33
Figura 15. Ensayo de fluidez y llenado de moldes para mezcla control (100% cemento).
33
Figura 16. Mortero de mezcla de ensayo: ensayo de fluidez, desmolde y curado 34
Figura 17. Curado y ensayo de resistencia a la compresin en cubos de mortero 35
Figura 18. Granulometra del agregado grueso 37
Figura 19. Granulometra del agregado fino 37
Figura 20. Densidad y absorcin del agregado fino 38
Figura 21. Densidad y absorcin del agregado grueso 40
Figura 22. Masa unitaria suelta y masa unitaria compacta de los agregados gruesos y
finos 41
Figura 23. Proceso de mezcla y asentamiento del concreto 43
Figura 24. Compactacin y llenado de los cilindros control y ensayo (10,20 y 30% de MK)
44
Figura 25. Elaboracin y curado de los cilindros control y ensayo (10,20 y 30% de MK) 44
Figura 26. Ensayo de resistencia a la compresin en cilindros de concreto 45
Figura 27. Extraccin, muestreo y transporte del mineral caoln 48
Figura 28. Localizacin y transporte de los agregados ptreos 49
-
Figura 29. Difractograma de rayos-X del caoln. K = caolinita y Q = cuarzo 52
Figura 30. Espectro de infrarrojo del mineral caoln 53
Figura 31. Imgenes por microscopia ptica para el mineral caoln. 53
Figura 32. Imgenes por SEM para el mineral caoln. 54
Figura 33. Curvas DTA para el mineral caoln 55
Figura 34. Difractograma del Metakaoln. K = caolinita y Q = cuarzo 56
Figura 35. Microscopia ptica del Metakaoln 56
Figura 36. Microscopia SEM del Metakaoln 57
Figura 37. Resistencia a la compresin a cubos de mortero con mezcla de ensayo y
mezcla de control a 7 y 28 das de fraguado. (Datos referidos a un rea transversal de
2500 mm2) 59
Figura 38. ndice de actividad puzolnica segn norma NTC 3493 a 7 y 28 das para el
MK 60
Figura 39. Granulometra del agregado fino y lmites segn norma NTC 174 61
Figura 40. Granulometra del agregado grueso y lmites segn norma NTC 174 62
Figura 41. Resistencia a la compresin en cilindros de diseo 2500 psi (17.5 MPa) 64
Figura 42. Resistencia a la compresin a diferentes edades especmenes de concreto
100% cemento (diseo 2500 psi) y especmenes con sustitucin 10% MK 65
Figura 43. Resistencia a la compresin cilindros diseo 3000 psi (21 MPa) 66
Figura 44. Efecto de los porcentajes de sustitucin a 7 y 28 das con resistencia de 2500 y
3000 psi. 67
-
LISTA DE TABLAS
Pg.
Tabla 1. Compuestos qumicos presentes en el clnker 10
Tabla 2. Compuestos de la hidratacin del cemento 11
Tabla 3. Caractersticas qumicas de algunas adiciones 13
Tabla 4. Requerimientos fsicos y qumicos para aditivos minerales (puzolanas naturales y
cenizas volantes) 13
Tabla 5. Regiones del espectro infrarrojo 19
Tabla 6. Dosificacin de mezcla para cubos de mortero (mezcla de control) 32
Tabla 7. Dosificacin mezcla de ensayo 32
Tabla 8. Tolerancia en la edad del cubo para el ensayo 34
Tabla 9. Limite granulomtrico del agregado grueso 36
Tabla 10. Limite granulomtrico del agregado fino 36
Tabla 11. Tamao de la muestra para los agregados de peso normal 41
Tabla 12. Edad de ensayo de los especmenes 45
Tabla 13. Resultados del proceso de molienda 49
Tabla 14. Datos para el clculo de humedad del caoln 49
Tabla 15. Datos experimentales y para la prdida al fuego 50
Tabla 16. Composicin qumica por FRX del mineral caoln 50
Tabla 17. Composicin mineralgica del mineral caoln 51
Tabla 18. Posiciones caractersticas de la caolinita y el cuarzo (ICDD) 52
Tabla 19. Fluidez para la mezcla control y ensayo 58
Tabla 20. Resistencia a la compresin a cubos de mortero con mezcla de ensayo y
mezcla de control a 7 y 28 das de fraguado (datos referidos a un rea transversal de
2500 mm2) 58
Tabla 21. Granulometra agregado fino 60
Tabla 22. Granulometra agregado grueso 61
Tabla 23. Propiedades del agregado fino 62
Tabla 24. Propiedades del agregado grueso 62
Tabla 25. Dosificaciones de las mezclas para una resistencia de 2500 psi (17.5 MPa). 2%
de aire en volumen 63
Tabla 26. Dosificaciones de las mezclas para una resistencia de 3000 psi (21 MPa) 63
Tabla 27. Resistencia a la compresin de cilindros diseados a 2500 psi (MPa) 64
-
Tabla 28. Resistencia a la compresin cilindros diseo 2500 psi (17.5 MPa) a diferentes
edades 65
Tabla 29. Resistencia a la compresin cilindros diseo 3000 psi (21 MPa) 66
Tabla 30. Posibles impactos ambientales en la produccin de MK 68
Tabla 31. Precio del cemento y MK por kg 69
Tabla 32. Recursos materiales y valor total del proyecto 71
-
LISTA DE MAPAS
Pg.
Mapa 1. Ubicacin del Municipio de brego-Norte de Santander 8
Mapa 2. Ubicacin del caoln- Toma panormica en Google Earth 9
Mapa 3. Ubicacin Empresa Preconcretos S.A Toma panormica en Google Earth 9
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LISTA DE ANEXOS
Pg.
ANEXO A. Caracterizacin fisicoqumica del caoln. 80
ANEXO B. ndice de Puzolanidad en morteros 86
ANEXO C. Resistencia a la compresin en cilindros de concreto para mezcla de control
y ensayo. 88
-
3
INTRODUCCION
En los ltimos aos se han realizado estudios enfocados en la caracterizacin geolgica y
mineralgica de caolines por medio de tcnicas de difraccin de rayos-X, fluorescencia,
espectrometra de infrarrojo y entorno topogrfico a travs de microscopia electrnica de
barrido, con el fin de identificar la microestructura del caoln, su contenido de pureza (% de
caolinita) y su potencial aplicacin como un aditivo natural que tratado trmicamente
puede ser utilizado como adicin o sustitucin del cemento en mezclas de concreto.
En este trabajo se reportan los resultados de estudios de las propiedades fisicoqumicas de
un caoln localizado en el municipio de brego Norte de Santander; se utilizaron tcnicas
de difraccin y fluorescencia de rayos-X, infrarrojo, anlisis trmico diferencial, microscopia
ptica y microscopa de barrido electrnico que sugieren un mineral de elevada pureza.
Una vez distinguido el mineral, se reporta un tratamiento trmico caracterizado por
difraccin de rayos-X y microscopia con el fin de obtener un mineral con caractersticas
cementicias cuando se mezcla con el cemento en los concretos.
Tambin se reporta la aplicacin del mineral tratado trmicamente como una puzolana
(material con propiedades cementicias) que sustituye en un 10, 20 y 30% el cemento en
concretos diseados a 2500 y 3000 psi con agregados de Preconcretos S.A. y cemento
Prtland tipo I Cemex. Los resultados sugieren un material con caractersticas cementicias
que aporta propiedades de resistencia a la compresin a los concretos.
Este proyecto de investigacin se finaliza con un estudio de preliminar de la viabilidad
tcnica de la posibilidad de usar este mineral para la produccin de concretos
comparando los precios del mineral tratado trmicamente con los precios del cemento; las
conclusiones y las recomendaciones.
-
4
1. TITULO
Estudio de las propiedades fsicas, qumicas y mecnicas del Metakaoln (MK) y su efecto
en la resistencia a la compresin de concretos producidos en Pamplona (Norte de
Santander)
-
5
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
De acuerdo con la informacin suministrada por el DANE, en el cuarto trimestre de 2013 el
Producto Interno Bruto (PIB) colombiano mostr un crecimiento del 4.9%, llegando as a un
cierre de ao de 4.3%. Este crecimiento esta explicado en gran medida por el buen
desempeo del sector construccin, que para 2013 report un crecimiento del 9.8%, lo cual
obedece a un crecimiento del PIB en edificaciones del 9.2% en obras civiles del 10.4%
(CAMARA COLOMBIANA DE LA CONSTRUCCION, 2014).
La industria del cemento, principal insumo para el sector construccin, genera una
expansin significativa en todo el pas; esta industria en los ltimos aos ha crecido de forma
estable y ha ganado posiciones frente a otros pases; mientras que entre 2010 y 2011
Colombia se ubicaba en la cuarta posicin de los productores de cemento en Suramrica,
en el ao 2012 Y 2013 super este promedio y logr el tercer puesto, segn la Federacin
Internacional de Cemento (FICEM) (AKTIVA SERVICIOS FINANCIEROS, 2013).
Teniendo en cuenta el alto consumo y produccin del cemento, se deben buscar
alternativas al desempeo mecnico de los concretos, hoy en da la mayora de las mezclas
de concreto contienen adiciones que constituyen una proporcin del material
cementante, estos materiales son generalmente subproductos de otros procesos o
materiales de origen natural que pueden o no ser procesados antes de ser utilizados
(CARDENAS, Enero de 2007). Entre estos materiales se tienen las puzolanas, que por s
mismas, no tienen propiedades cementantes, pero cuando se utilizan con el cemento
Prtland reaccionan para formar componentes con propiedades cementicias.
De acuerdo con el Instituto Geolgico Minero (INGEOMINAS) (TORRES AGREDO J. M., 2010)
el Departamento Norte de Santander cuenta con yacimientos de caolines y arcillas
caolinticas en la mayora de los casos con una explotacin comercial no enfocada a la
produccin de Metakaoln (MK, un material puzolnico). Teniendo en cuenta que la
calidad del MK obtenido se relaciona con las caractersticas qumicas y mineralgicas de
los materiales de partida, se hace necesaria la caracterizacin de los yacimientos de caoln
presentes en Norte de Santander, con el fin de obtener un MK que se aplicar como una
sustitucin en concretos elaborados con agregados de la cantera de Preconcretos S.A. y
cemento Cemex; empresas ubicadas en la ciudad de Ccuta.
Para el presente estudio se seleccion el municipio de brego (Norte de Santander),
porque a nivel departamental segn INGEOMINAS, posee los yacimientos de caoln de
mayor volumen, que justificaran la explotacin y posterior industrializacin del material.
Ante este panorama, es posible obtener MK a partir de los caolines hallados en brego, y
cul ser su efecto sobre la resistencia a la compresin de concretos, cuando se utilic
como una sustitucin del cemento al 10, 20 y 30%?
-
6
3. JUSTIFICACION
Con la explotacin de los yacimientos de caoln en nuestra regin y la puesta en marcha
de la ejecucin de tcnicas de produccin de MK se pretende proyectar ofertas de
empleos directos e indirectos centrados en el sector construccin, transporte, industria,
minera entre otros. La participacin activa de mano de obra calificada y no calificada, la
adopcin de nuevas oportunidades de trabajo para ingenieros, tcnicos y operarios; y el
llamado a hacer partcipes activos a los habitantes donde se encuentran ubicadas estos
yacimientos de caoln.
Las arcillas calcinadas en forma de MK han recibido especial atencin en aos recientes
debido a las ventajas en la resistencia mecnica y durabilidad de morteros elaborados en
las regiones de Antioquia y Valle (CASTILLO LARA, 2010). Por lo tanto la justificacin amplia
y suficiente del presente trabajo recae en la posibilidad de obtener mejoras en la resistencia
a la compresin de concretos producidos en Pamplona a partir de los caolines hallados en
los yacimientos de Norte de Santander.
En el Municipio de Pamplona (Norte de Santander) se obtuvieron concretos con valores de
resistencia a la compresin (entre 2500 y 4500 psi) con los agregados ofertados en la zona;
el cemento, componente del concreto que aporta resistencia a la compresin puede ser
sustituido por un material puzolnico, en este caso por un MK, obtenido desde un
tratamiento trmico controlado de arcillas caolinticas disponibles en nuestra regin.
Al adicionar MK (como una sustitucin) a morteros elaborados con agregado fino y
cemento Cemex, se busca obtener un ndice de puzolanidad aprobado por la Norma
Tcnica Colombiana NTC 3493, con el fin de emplear como sustitucin este material
puzolnico a los concretos, los cuales sern elaborados en la ciudad de Pamplona (Norte
de Santander) con materiales de la empresa Preconcretos S.A, buscando mantener o
mejorar las propiedades mecnicas del mismo.
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7
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar y comprobar las propiedades fsicas, qumicas y mecnicas del Metakaoln como
un producto del caoln y evaluar su efecto sobre la resistencia a la compresin, cuando se
utilice como una sustitucin del cemento en una mezcla de concretos producidos en
Pamplona Norte de Santander
4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Realizar la caracterizacin fisicoqumica de caolines disponible en brego Norte de
Santander.
Aplicar un tratamiento trmico controlado al caoln caracterizado para obtener un
material puzolnico tipo Metakaoln.
Emplear el Metakaoln obtenido para determinar el ndice de puzolanidad a partir
de cubos de mortero segn Norma Tcnica Colombiana NTC 3823, NTC 111, NTC
220 y NTC 3493.
Utilizar el Metakaoln como una sustitucin del cemento para analizar su efecto en
la resistencia a la compresin sobre cilindros de concretos de 2500 psi y 3000 psi
elaborados con cemento Cemex y agregados de la empresa Preconcretos S.A.
Determinar las implicaciones econmicas del uso de Metakaoln en concretos
producidos en Pamplona Norte de Santander.
-
8
5. MARCO REFERENCIAL
5.1 MARCO CONTEXTUAL
El Municipio de Abrego est ubicado en la regin noroccidental del Departamento Norte
de Santander. La cabecera municipal est a 80459 latitud Norte y 731326 de longitud Oeste, est a una altitud de 1.380 m.s.n.m. (metros sobre el nivel del mar) y una temperatura
aproximada de 20.4 C. Tiene una poblacin aproximada de 37.796 habitantes. Distribuidos
As: 11.788 habitantes en la zona Urbana y 26.008 habitantes en lo rural (ALCALDIA DE
BREGO, 2012).
Mapa 1. Ubicacin del Municipio de brego-Norte de Santander
Fuente. (ALCALDIA DE BREGO, 2012)
brego, posee los pisos trmicos clidos, templado, fro y pramo. Su geografa est
conformada por un inmenso valle donde se ubica la poblacin. Esta limitado al Norte por
los municipios de Ocaa y La Playa, al Sur por Cchira y Villa Caro, al Oriente por Hacar,
Sardinata y Bucarasica y ms al occidente por La Esperanza y Departamento del Cesar
(Mapa 1). Posee una extensin total de 920 km2; de las cuales 3 km2 aproximadamente
corresponden a rea urbana y la restante a zonas de extensin rural.
5.1.1 Ubicacin geogrfica del Caoln. El yacimiento de caoln se encuentra ubicado en
una de las zonas perifricas del municipio de brego Norte de Santander, situndose en los
predominantes cerros de la bifurcacin de la cordillera oriental, exactamente
georeferenciada con coordenadas 08 0914.9 de latitud Norte y 0.731358.4 de longitud Oeste, a una altitud de 1533.932 m.s.n.m, nombrada como 257 (Mapa 2) (ALCALDIA DE
BREGO, 2012)
-
9
Mapa 2. Ubicacin del caoln- Toma panormica en Google Earth
Fuentes. (ALCALDIA DE BREGO, 2012)
5.1.2 Ubicacin geogrfica de la Empresa Preconcretos S.A. de Ccuta-Norte de
Santander. La empresa Preconcretos S.A. Est ubicada a 7 54' 20.33" de latitud Norte y 72
27' 55.77" longitud Oeste, en el anillo vial oriental kilmetro 5 va Bocon en la ciudad de
Ccuta, dedicada a la produccin de agregados ptreos y prefabricados de concreto
(ALCALDIA DE CUCUTA, 2012).
Mapa 3. Ubicacin Empresa Preconcretos S.A Toma panormica en Google Earth
Fuente. (ALCALDIA DE CUCUTA, 2012)
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10
5.2 MARCO TEORICO
5.2.1 Generalidades del Concreto. El concreto comn o tradicional, se produce mediante
la mezcla de tres componentes primordiales: cemento, agregados y agua, a los cuales
eventualmente se le incorporan otros materiales para lograr otras propiedades especficas.
Estos materiales pueden ser aditivos orgnicos o productos inorgnicos, ms conocidos
estos ltimos como adiciones. La mezcla de estos componentes produce una masa plstica
que, una vez moldeada y compactada, adquiere caractersticas de rigidez convirtindose
finalmente en un producto solido mecnicamente resistente. Lo anterior, explica la
existencia de dos estados en el concreto: estado fresco y estado endurecido. Las
caractersticas y propiedades finales, no solo de resistencia sino de comportamiento frente
a los diferentes medios y ambientes de servicio, son funcin, entre otros factores, de la
adecuada seleccin de los materiales que lo conforman.
De manera general, el cemento puede definirse como un material pulverizado que adems
de xido de calcio, contiene slice, almina, xido de hierro y algunos componentes
menores y que forma, por adicin de una cantidad dada de agua, una pasta
conglomerante capaz de endurecer tanto en el agua como en el aire. Una mezcla de
materiales, caliza y arcilla, debidamente dosificada y homogeneizada, sometida por
coccin hasta fusin parcial (proceso de clinkerizacin) da lugar al Clinker, material
granulado que finalmente se pulveriza junto con yeso para obtener el cemento Prtland.
El Clinker est formado principalmente por silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de calcio,
responsables de las propiedades finales del cemento despus de su hidratacin. En la Tabla
1, se indican los principales componentes, sus frmulas qumicas y abreviaturas.
Tabla 1. Compuestos qumicos presentes en el clnker
Nombre Formula Abreviatura
Silicato triclcico 3CaO.SiO2 C3S
Silicato biclcico 2CaO.SiO2 C2S
Aluminato triclcico 3CaO.Al2SiO3 C3A
Ferritoaluminato tetraclcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C3AF
Ferrito biclcico 2CaO.Fe2O3 C2F
Oxido clcico (cal libre) CaO C
Oxido Magnsico MgO M
lcalis:
-xido Sdico
-xido Potsico
Na2O
K2O
N
K
Sulfato Clcico:
-Dihidratado
-Hemihidrato
-Anhidrita
CaSO4.2H2O
CaSO4.1
2H2O
CaSO4
CSH2
CSH0.5 CS
Fuente (MEJIA DE GUTIERREZ R. R., 199)
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La hidratacin del cemento origina diferentes formas morfolgicas de silicatos hidratados,
denominados gel de CSH; hidrxido clcico, CH; ettringita (fase Aff); monosulfoaluminato
hidratado (fase Afm); y ocasionalmente pequeas cantidades de otras fases (Ver Tabla 2).
Estos compuestos junto con los no hidratados conforman los elementos microestructurales
slidos de la pasta de cemento. Esta reaccin entre el cemento y el agua es de carcter
exotrmico, siendo el calor liberado directamente proporcional al grado de hidratacin de
los diferentes constituyentes del cemento. Los componentes mineralgicos del cemento
que contribuyen primordialmente al desprendimiento del calor son: el Aluminio Triclsico,
C3A, el xido de Calcio o Cal libre, (Cao), y el Silicato Triclsico, C3S (GIRALDO, Marzo de 2006).
2C3S (alita) + 7H CSH + 3CH
2C2S (belita) + 5H CSH + CH
C3A + 3CSH2 + 26H C6AS3H32
C6AS3H32 + 2C3A + 4H 3C4ASH12
Tabla 2. Compuestos de la hidratacin del cemento
Nombre Formula aproximada Smbolo
Silicato clcico hidratado,
Tobermorita
3CaO.SiO2.xH2O (x=3) CSH
Hidrxido clcico, Portlandita Ca(OH)2 CH
Aluminato clcico hidratado 4CaO.Al2O3.13H2O C3AH13
Trisulfoaluminato clcico
hidratado, Ettringita
3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O C3A.(CS)3.32H2O
C3A.(CS)3.H32
Monosulfoaluminato clcico
hidratado
3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O C3A.(CS)3.12H2O
C3A.(CS).H12
Trisulfoferrito clcico
hidratado, Ettringita frrica
3CaO.Fe2O3.3CaSO4.32H2O C3F.(CS)3.32H2O
C3F.(CS)3.H32
Hidrxido magnsico, brucita Mg(OH)2 MH
Fuente (MEJIA DE GUTIERREZ R. , 1999)
5.2.2 Generalidades de las adiciones. Las adiciones corresponden a materiales inorgnicos,
naturales o artificiales, que adecuadamente incorporados en calidad y cantidad, en el
cemento y puestos en obra en forma de morteros y concretos, pueden llegar a contribuir
de manera positiva en el mejoramiento de una o varias de sus propiedades: fsicas,
qumicas, mecnicas o de costo. Algunos de estos efectos pueden ser:
Menor demanda de agua
Incremento resistente a largo plazo
Disminucin de la velocidad de liberacin de calor en el proceso de hidratacin
Modificaciones microestructurales,
Reduccin de la permeabilidad
Mejoramiento de la durabilidad.
Las adiciones pueden ser clasificadas de acuerdo a su comportamiento fsico-qumico en:
Adiciones activas qumicamente y Adiciones inertes qumicamente. En ambos casos
-
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pueden presentar o no simultneamente actividad fsica, la cual se suele ver facilitada por
una particular morfologa, pequeas esferas abiertas, textura, y elevada superficie
especifica lo que da lugar, por lo comn, a una estructura ms compacta aunque no por
ello siempre y en todas circunstancias ms durable que la de los cementos Prtland, tal
como las investigaciones y obras reales vienen demostrando. Aquellos materiales que no
ejercen por si mismos ninguna actividad, actan como incluyentes del cemento y se
denominan rellenos (o fillers). Los materiales ms comnmente utilizados como adicin en
el cemento son:
Escorias de alto horno: Son subproductos de la fabricacin del arrabio o fundicin del
hierro, que se separan de esta en estado lquido (fundido) en el proceso del horno alto y
posteriormente se enfran rpidamente con agua (granulacin) o con aire
(pelletizacin), obtenindose un producto vtreo que molido da un polvo cementicio de
propiedades hidrulicas latentes.
Puzolana: se define como un material silceo o silico-aluminoso que por s mismo posee
poco o ningn valor cementicio pero finamente molido y en presencia de humedad,
reacciona qumicamente con el hidrxido de calcio, Ca(OH2), a temperatura ordinaria
y forma compuestos de propiedades cementantes. Las puzolanas pueden ser de origen
natural o artificial.
Las puzolanas naturales, a excepcin de la tierra diatomcea, todas se derivan de rocas
volcnicas y minerales. Durante las erupciones volcnicas el enfriamiento rpido del
magma, compuesto en su mayora por aluminosilicatos, da como resultado la formacin
de vidrios o fases vtreas activas. Pertenecen a esta categora los vidrios volcnicos, y las
tobas.
Las puzolanas artificiales, son subproductos o desechos de la industria. pertenecen a estos
grupos: las cenizas volantes (Fly ash), obtenidas durante combustin en centrales
termoelctricas de carbn pulverizado siendo recolectadas mediante precipitadores
electrostticos; el humo de slice (silica fume), obtenido en el horno de arco de las industrias
de aleaciones de ferrosilicio al condensarse los vapores de xidos de silicio a baja
temperatura dando lugar a slice amorfa de rea superficial muy elevada (20-25 m2/g); las
arcillas naturales activadas mediante procesos trmicos adecuados como los
subproductos de la industria del ladrillo cocido. Suelen incluirse en este grupo, las escorias
granuladas de industrias metlicas no ferrosas.
La Norma ASTM C618 (NTC 3493) establece las especificaciones estndar para las cenizas
volantes y puzolanas naturales como adiciones minerales para hormigones de cemento
Prtland.
Rellenos: se incluyen en esta categora materiales que carecen de hidraulicidad latente
o potencial y de actividad puzolnica, si bien puede ejercer alguna accin qumica o
fsica en la pasta de cemento pertenecen a esta clase los rellenos (fillers) calizos (MEJIA
DE GUTIERREZ R. , 1999).
En la Tabla 3., se presentan las caractersticas qumicas de algunas adiciones,
correspondientes a las clases mencionadas anteriormente y la Tabla 4., indica los requisitos
recomendados por la ASTM C618 para las puzolanas, donde las diferentes clases, N, F, C,
corresponden a:
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Clase N: puzolanas naturales, crudas o calcinadas.
Clase F: Cenizas volantes que solo tienen propiedades puzolnicas, normalmente
provenientes de la combustin de carbn bituminoso o antracita.
Clase C: Cenizas volantes con propiedades cementantes adems de puzolnicas.
Normalmente proveniente de carbn subbituminoso o de lignito con contenido de cal
alto, a veces hasta del 10% (NTC 3493: 1993 Ingenieria Civil y Arquitectura).
Tabla 3. Caractersticas qumicas de algunas adiciones
Componente Toba
Volcnica
Ceniza
Volante
Arcilla
Calcinada
Harina
de
Cuarzo
Caliza
Marga
RHA
SiO2 78.08 53.74 59.20 96.57 16.56 94.38
Al2O3 8.67 33.17 17.95 - 1.84 1.00
Fe2O3 2.94 2.98 12.95 - 3.28 0.41
CaO 0.90 1.34 7.57 3.42 38.15 2.00
MgO - 0.95 0.60 - 1.43 0.20
SO3 3.80 - 0.19 - - -
P.F. 3.98 6.39 0.29 - 35.57 1.90
Fuente. (MEJIA DE GUTIERREZ R. , 1999)
Tabla 4. Requerimientos fsicos y qumicos para aditivos minerales (puzolanas naturales y
cenizas volantes)
Clase de aditivo
mineral
C-618 C-1240
N F C Silica Fume
Especificaciones Qumicas y Fsicas
SiO2 + Fe2O3 + Al2O3, min, % 70.0 70.0 50.0 85+
SO3, max, % 4.0 5.0 5.0 -
Humedad max, % 3.0 3.0 3.0 3.0
Perdidas por ignicin, max, % 10.0 6.0-12.0 6.0 6.0
lcalis, Na2O, max, % (opcional) 1.5 1.5 1.5 1.5
Finura, Retenido Tamiz No 325, max,
%
34 34 34 10
ndice de Actividad Puzolnica con
cemento Prtland, 28 das, min, %
respecto al de control
75
75
75
85
(7 d)
Requerimiento de agua, max, % vs
control
115 105 105 -
Fuente. (NTC 3493: 1993 Ingenieria Civil y Arquitectura)
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5.2.3 La reaccin puzolnica. La actividad puzolnica se refiere a la cantidad mxima de
hidrxido de calcio con la que la puzolana puede combinar y a la velocidad con la que
ocurre esta reaccin, la cual podemos esquematizar como sigue.
Puzolana + Cal + Agua Silicatos y aluminatos de Calcio Hidratado
La actividad puzolnica depende; de la naturaleza y proporcin de las fases activas
presentes en la puzolana de la relacin cal puzolana de la mezcla, de la finura (o superficie especfica) de la puzolana y de la temperatura de la reaccin. Los productos de
reaccin puzolana/Cal son generalmente del mismo tipo que los productos de hidratacin
del Cemento Prtland: Silicatos Clcicos Hidratados (CSH), Aluminatos Clcicos hidratados
(CAH) y Sillico Aluminatos Clcicos Hidratados (CSAH). Al aadir la puzolana al cemento Prtland, esta reacciona con el Hidrxido de Calcio (Portlandita), formando en la
hidratacin de los Silicatos de Calcio anhidros, C3S y C2S, disminuyendo as el contenido final
de Portlandita en la mezcla. Esta reaccin, en la mayora de los casos, llega a materializarse
despus de los 7 o 15 das de producida la mezcla (dependiendo de la puzolana) y da
lugar a modificaciones en las reacciones de hidratacin, en cuanto a velocidad,
composicin y microestructura de las fases hidratadas (MEJIA DE GUTIERREZ R. , 1999).
El caoln se expone a diferentes etapas con el fin de sufrir un cambio en su estructura
cristalina para dar origen a lo que se conoce como Metakaoln (MK), dichos procedimientos
comienzan desde el momento de la obtencin, la molienda y posteriormente del tamizado
los cuales son primordiales para dar una finura aceptable al momento de realizar los
ensayos de prdida al fuego, humedad y el calentamiento trmico controlado, el cual ser
efectuado a temperaturas cercanas a los 700 C aproximadamente con el objetivo de
quemar las impurezas que este presenta.
A partir del tratamiento trmico controlado del caoln (2SiO2.Al2O3.2H2O) se produce el
Metakaoln (2SiO2.Al2O3), segn la siguiente reaccin:
2SiO2.Al2O3.2H2O 2SiO2.Al2O3 + 2H2O
El Metakaoln (MK) cuando se adiciona a morteros y concretos mejora sustancialmente el
desempeo mecnico y de durabilidad, debido a que ste se combina qumicamente con
el hidrxido de calcio, procedente de la reaccin de hidratacin del cemento, para formar
silicatos de calcio, silico-aluminatos y aluminatos de calcio hidratados (2), siendo
considerado una puzolana de alta reactividad (CALDARONE A., 1994).
5.2.3 Caoln: silicatos con estructura en capas. El Caoln es un silicato laminar. Dos unidades
bsicas constituyen la estructura de caoln: tetraedros SiO4 y octaedros AlO2(OH)4. A partir
de estas unidades se forma una capa de silicio y una capa de aluminio que acopladas
constituyen el caoln. En la capa de silicio cada tetraedro SiO4 se encuentra compartiendo
tres de sus vrtices con otros tetraedros, de manera que se ordenan en un plano con todos
los vrtices no compartidos orientados en la misma direccin. El resultado es una capa con
anillos de seis tetraedros. La capa de aluminio est formada por octaedros AlO2(OH)4. Cada
octaedro se encuentra unido a otros tres octaedros compartiendo tres de las aristas. El
resultado es una capa con anillos de seis unidades. Las capas que acabamos de describir
se acoplan entre s. La capa de silicio comparte los vrtices libres con los oxgenos de la
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15
capa de aluminio. El resultado (ver Figura 1) es una doble capa Si/Al, que se acopla con
otras para formar la estructura de caoln (UNIVERSIDAD DE VALENCIA ESPAA, s.f.).
Especficamente, la Caolinita (Al2O3.2SiO2.2H2O), corresponde a un filosilicato formado por
una capa de tetraedros de silicio combinada con otra capa de octaedros de almina a
travs de grupos hidroxilo que estn compartidos entre las dos lminas (TORRES AGREDO J.
M., 2007).
Figura 1. Estructura del caoln (Al2O3.2SiO2.2H2O), capas de silicio y de aluminio
Fuente. (UNIVERSIDAD DE VALENCIA ESPAA, s.f.)
5.3 MARCO DE ANTECEDENTES
Aproximadamente hace 8.000 aos, la mezcla de cemento con agua, arena y ridos dio
como resultado un nuevo material que se poda moldear fcilmente y que, cuando
endureca, adquira caractersticas de solidez, resistencia y durabilidad notables. Este nuevo
material fue el origen del hormign. En la antigedad el pueblo egipcio ya utilizaba un
mortero, mezcla de arena con materia cementosa, para unir bloques de piedra y levantar
sus prodigiosas construcciones. Parte de una de las pirmides de Gizeh (2.600 a.C.) fue
levantada con hormign, y en el mural de Tebas (1.950 a.C.) se conservan escenas de
hombres fabricando hormign y aplicndolo en una obra. Los constructores griegos y
romanos descubrieron que ciertos materiales procedentes de depsitos volcnicos,
mezclados con caliza, arena y agua, producan un mortero de gran fuerza, capaz de resistir
la accin del agua dulce y salada. La civilizacin romana utilizaba el hormign en la
construccin de grandes edificios, y tambin en la red de agua potable y en la evacuacin
de aguas residuales (PALOMAR LLOVET, 2003).
El da 27 de febrero de 1934 se crea en el departamento de Antioquia la Compaa de
Cemento Argos S.A, cuyo nombre se dio como un acrnimo del apellido de sus principales
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fundadores, los seores Arango. En 1936 la fbrica comenz a producir con una capacidad
de 50 toneladas diarias (OSORIO, 2010).
El caoln, su nombre proviene del chino: pinyin, gaolin; que significa Colina alta, que indicaba en la provincia de Kiangsi, cerca de Jauchu Fa, el lugar donde los chinos
encontraron por primera vez este tipo de arcilla natural, este descubrimiento monta a la
poca entre los aos 960 y 1279 durante el cual China era gobernada por la Dinasta Song,
el caoln es una pasta originaria del norte de China que mezclada con varios silicatos,
feldespatos y mica que luego se trabajan como cualquier arcilla para dar como resultado
un material de carcter porcelnico (MC KINSTRY I, 2013).
En Colombia se han reportado estudios enfocados a la caracterizacin geolgica y
mineralgica de yacimientos de caoln; Garca, et. al., en un anlisis del caoln en Oiba
(Santander) reportan un contenido de caolinita (mineral de inters comercial) entre 8.50 y
27.39%; los ensayos se realizaron por difraccin de rayos-X (GARCIA C, 2006). En otro trabajo
realizado en yacimientos de Boyac se reportan contenidos de caolinita entre 20 y 50%
(MONSALVE SNCHEZ S, Marzo 22 de 2007).
El anlisis comparativo de caolines de diferentes fuentes para la produccin de MK (a 700 C durante 2 h) reportado por Torres et. al., muestra ndices de actividad puzolnico entre
64.0 y 75.7% a 7 das, y entre 112 y 119% a 28 das; los minerales fueron caracterizados por
infrarrojo, difraccin de rayos-X, termogravimetra y microscopia de barrido electrnico
(TORRES J, 2011). En otro trabajo similar estos autores reportan para caolines con 48% y 97%
de caolinita un ndice de actividad puzolnica a 7 das de 60 y 78% respectivamente; a la
edad de 28 das ambos minerales alcanzan un ndice de 112%. En este estudio tambin se
reportan anlisis de durabilidad: ensayo de succin capilar, resistencia a la penetracin de
agua y absorcin capilar (TORRES AGREDO J. M., 2007).
Para un MK obtenido desde caoln del departamento de Paraguar (Paraguay) por
calentamiento del mineral a (550, 650, 750, 850 y 950) C y dos finuras diferentes; se reportan
ndices de puzolanidad superiores al 75 % en el rango de temperatura desde 650-850 C
independiente de la finura (5531 y 8904) cm2/g; pero a 950 C, el ndice de actividad
puzolnica aumento con la finura del MK (ACUA & FIGUEREDO).
En un estudio realizado a morteros se reporta la resistencia a la compresin a diferentes
edades (desde 24 h hasta 90 das); se utiliz 20% de MK obtenido desde un caoln mexicano
calcinado a diferentes temperaturas (550, 650, 750, 850, 950 y 1050) C, los resultados
muestran que a 90 das se baja la resistencia en comparacin con la muestra control a (550,
950 y 1050) C, mientras que a las temperaturas (650, 750 y 850) C se logra una mejora de
la resistencia; esto indica un rango de temperatura ptimo (650 a 850) C para la
produccin del MK. En este mismo estudio se reporta el efecto del contenido de MK (10, 20,
30, 40 y 50) % a 28 das con un porcentaje del 50% se observa una disminucin de la
resistencia desde 34 MPa hasta 31 MPa (ESCALANTE, NAVARRO, & L., Mayo-Agosto 2011).
Las normas colombianas, ICONTEC, aceptan la posibilidad de aadirle al Cemento Prtland
otros materiales y productos, adems del Clinker y el yeso, siempre y cuando estos no
afecten las propiedades del cemento resultante, entre una de ellas es la adicin al
cemento Prtland de un 15-30% de adiciones con propiedades hidrulicas o puzolnicos
(MEJIA DE GUTIERREZ R. , 1999). Actualmente la industria del cemento ha venido
progresando notablemente, cabe anotar que la incorporacin de adiciones especiales,
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tales como la microslice, ha permitido la produccin de hormigones de ultra-alta resistencia
(MEJIA DE GUTIERREZ R. , 1999).
Varios autores han reportado el uso de caolines tratados trmicamente como un material
tipo puzolnico para la fabricacin de concretos; con un MK producido con caoln del
departamento de Antioquia se reporta que la resistencia mecnica a compresin de los
concretos adicionados (10, 20 y 30% de MK) supera la resistencia de la muestra patrn de
referencia a 28 das. El mayor desarrollo resistente corresponde al 20% de MK (TORRES
AGREDO, MEJA DE GUTIRREZ, & DELVASTO ARJONA., 2011). Castillo, et. al., reportan para
un caoln calcinado a 900 oC durante 1 h en un estudio en funcin de la edad de curado
en microhormigones de alta resistencia; con el MK a 28 das se obtienen resistencias
superiores a 45 MPa (CASTILLO LARA, ANTONI, & ALUJAS DAZ, 2011). Mermerdas, et. al.,
utilizando un caoln de procedencia turca report resistencia a la compresin de concretos
a edades de (3, 7, 28 y 90) das con porcentajes de sustitucin del (5, 10, 15 y 20) %; los
resultados muestran que a edades tempranas el aumento de resistencia no es significativo,
pero por encima de 28 das se observan incrementos del 7% para una sustitucin del 10 %
de MK (MERMERDAS K, 2012).
5.4 MARCO CONCEPTUAL
5.4.1 Caoln. Los Caolines son rocas formadas fundamentalmente por minerales del grupo
del Caoln como son la caolinita, dickita, nacrita y halloysita, acompaados por impurezas
de cuarzo, mica, anatasa, rutilo, ilmenita y pequeas cantidades de turmalina, zircn y otros
minerales pesados (TORRES AGREDO J. M., 2010).
5.4.2 Metakaoln (MK). El MK es un material cementante suplementario, dado que es un
aluminosilicato activado trmicamente, que se produce al calcinar el caoln a
temperaturas alrededor de 500 C y 600 C; con esta temperatura se hace una
transformacin de su estructura cristalina al romper los enlaces de Van der Waals (OH-) que
unen los tetraedros de slice, SiO2, y los octaedros de almina, Al2O3, es decir, al perder el
agua combinada por la accin trmica se destruye la estructura cristalina del caoln
(RESTREPO GUTIERREZ, 2006).
5.4.3 Puzolana. Materiales silceos o silceos y aluminatos que por s mismo poseen poco o
ningn valor cementante, pero que en forma de partculas finas y en presencia de
humedad, reaccionan con el hidrxido de calcio a temperaturas normales, para formar
compuestos con propiedades cementantes (NTC 3493: 1993 Ingenieria Civil y Arquitectura).
5.4.4 Cemento. Es un material pulverizado que adems de xido de calcio contiene slice
almina y xido de hierro y que forma, por adicin una cantidad apropiada de agua, una
pasta conglomerante capaz de endurecer tanto en el agua como en el aire. (NTC 31: 1982
Ingeniera y Arquitectura).
5.4.5 Cemento Prtland. Producto que se obtiene por la pulverizacin del clnker Prtland
con la adicin de una o ms formas de sulfato de calcio. Se admite la accin de otros
productos siempre que su inclusin no afecte las propiedades del cemento resultante (NTC
31: 1982 Ingeniera y Arquitectura).
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18
5.4.6 Concreto. Puede definirse como la mezcla de un material aglutinante (Cemento
Prtland Hidrulico), un material de relleno (agregado o rido), agua y eventualmente
aditivos, que al endurecerse forma un todo compacto y despus de cierto tiempo es capaz
de soportar grandes esfuerzos de compresin (SANCHEZ DE GUZMAN, 2001).
5.4.7 Mortero. Se refiere a la mezcla de pasta y agregado fino(arena), la cual es muy
utilizada en la pega de ladrillos para hacer muros de mampostera o en el recubrimiento de
estos ltimos, caso en el cual se le conoce como paete, repello o revoque (SANCHEZ DE
GUZMAN, 2001).
5.4.8 Agua. La razn de que los cementos sean hidrulicos es que estos tienen las
propiedades de fraguar y endurecer con el agua, en virtud en que presentan una reaccin
qumica con ella, de tal manera que el agua como material dentro del concreto es el
elemento que hidrata las partculas de cemento y hace que estas desarrollen las
propiedades aglutinantes (SANCHEZ DE GUZMAN, 2001).
5.4.9 Agregados o ridos. Como agregados o ridos para el concreto pueden tomarse en
consideracin todos aquellos materiales que al poseer una resistencia propia suficiente
(resistencia del grano), no perturbe ni afecta el proceso de endurecimiento del cemento
hidrulico, es decir que son inertes y garantizan una adherencia suficiente con la pasta de
cemento endurecida. Estos materiales pueden ser naturales o artificiales, dependiendo de
su origen (SANCHEZ DE GUZMAN, 2001).
5.4.10 Prdida al fuego. El material resultante de la prdida de humedad, debe ser
quemado a peso constante en un crisol de porcelana sin tapa, a 750 C 50 C, siendo el
porcentaje de prdida al fuego con una precisin de 0,1%. (NTC 3823: 1997 Ingenieria Civil
y Arquitectura).
5.4.11 Contenido de humedad. Se seca una muestra y se pesa, tal como se recibi, a peso
constante en un horno y con una temperatura de 105 C a 110 C, siendo el porcentaje de
humedad con una precisin del 0,1% (NTC 3823: 1997 Ingenieria Civil y Arquitectura).
5.4.12 ndice de actividad puzolnica con cemento. La evaluacin de ndice de Actividad
puzolnica con cemento, ASTM C 311, se basa en la medicin de la Resistencia mecnica
de un mortero patrn (1:2,75) con un mortero adicionado despus de siete y 28 das de
curado. La norma ASTM C618 establece mnimo el 75% de la resistencia de la muestra
control para clasificar un material como de carcter puzolnico (MEJIA DE GUTIERREZ R. ,
1999).
5.4.13 Tcnicas instrumentales utilizadas en la caracterizacin del mineral caoln. Durante la
caracterizacin del mineral de partida se utilizaron las siguientes tcnicas instrumentales:
Espectrometra de absorcin en el infrarrojo: La regin del infrarrojo del espectro abarca
la radiacin con nmeros de onda comprendidos entre 12800 y 10 cm-1, que
corresponden a longitudes de onda de 0.78 a 1000 m. Tanto desde el punto de vista de
las aplicaciones como de las instrumentacin, es conveniente dividir el espectro
infrarrojo en tres regiones denominadas infrarrojo cercano, medio y lejano; en la Tabla 5.
se muestran los lmites aproximados de las regiones. Las tcnicas y las aplicaciones de los
mtodos basados en cada una de las tres regiones del espectro infrarrojo difieren
considerablemente. Las medidas en la regin del infrarrojo cercano se realizan con
-
19
fotmetros y espectrofotmetros similares, en cuanto a su diseo y componentes. Las
aplicaciones ms importantes de esta regin espectral se encuentra en el anlisis
cuantitativo y cualitativo de materiales industriales y minerales en los procesos de control.
La aparicin, en la ltima dcada, de espectrmetros de transformada de Fourier
relativamente baratos ha aumentado notablemente el nmero y tipo de aplicaciones
de la radiacin del infrarrojo. La razn de este incremento radica en el aumento de la
relacin seal/ruido, y de los lmites de deteccin, en un orden de magnitud e incluso
mayor, que puede conseguirse con los instrumentos interfermetros. La espectrometra
en el infrarrojo medio se est comenzando a utilizar en el anlisis cuantitativo de muestras
complejas, mediante espectrometra de absorcin y emisin. Tambin han empezado a
aparecer aplicaciones de esta regin espectral en los estudios microscpicos de
superficies, anlisis de solidos mediante reflectancia total atenuada y reflectancia difusa,
medidas fotoacsticas y otras (DOUGLAS, J, & A).
Tabla 5. Regiones del espectro infrarrojo
Regin Intervalo de
longitud
de onda() (m)
Intervalo de
numero
de onda (), (cm-1)
Intervalo de
frecuencia() (Hz)
Cercano 0.78 a 2.5 12800 a 4000 3.81014 a 1.21014
Medio 2.5 a 50 4000 a 200 1.21014 a 6.0 1012
lejano 50 a 1000 200 a 10 6.01012 a 3.01011
La ms utilizada 2.5 a 15 4000 a 670 3.01011 a 2.01013
Fuente. (DOUGLAS, J, & A)
Espectrometra atmica de rayos-X. La espectroscopia de rayos-X, al igual que la
espectroscopia ptica, se basa en la medida de la emisin, absorcin, dispersin,
fluorescencia y difraccin de la radiacin electromagntica. Los mtodos de
fluorescencia de rayos-X y absorcin de rayos-X son muy utilizados para la determinacin
cualitativa y cuantitativa de todos los elementos de la tabla peridica con nmeros
atmicos superiores al del sodio. Los rayos-X son una radiacin electromagntica
longitudinal de onda corta producida por el frenado de electrones de elevada energa
o por transiciones electrnicas de electrones que se encuentran en los orbitales internos
de los tomos. El intervalo de longitudes de onda de los rayos-X comprende desde
aproximadamente 10-5 hasta 100 ; sin embargo, la espectroscopia de rayos-X
convencional se limita, en su mayor parte, a la regin de aproximadamente 0,1 a 25
(1 = 0,1 nm =10-10m). Cuando se trata de fines analticos, los rayos-X se obtienen de
cuatro maneras: por bombardeo de un blanco metlico con un haz de electrones de
elevada energa, por exposicin de una sustancia a un haz secundario de fluorescencia
de rayos-X con el objetivo de generar un haz secundario de fluorescencia de rayos-X,
utilizando una fuente radiactiva cuyo proceso de desintegracin da lugar a una emisin
de rayos-X y a partir de una fuente de radiacin sincrotrn (DOUGLAS, J, & A).
Mtodos Termogravimtricos. La definicin generalmente aceptada de anlisis trmico
es: un grupo de tcnicas de una sustancia y/o de sus productos de reaccin en funcin
de la temperatura mientras la sustancia se somete a un programa de temperatura
controlado. Se pueden distinguir ms de una docena de mtodos trmicos, que difieren
-
20
en las propiedades medidas y en los programas de temperaturas. Estos mtodos
encuentran una amplia aplicacin tanto en el control de calidad como en investigacin
de productos industriales, tales como polmeros, productos farmacuticos, arcillas y
minerales, metales y aleaciones. Estos mtodos incluyen la termogravimetra (TG), el
anlisis Trmico diferencial (DTA) y la calorimetra de barrido diferencial (DSC). En un
anlisis termogravimtrico se registra continuamente la masa de una muestra, colocada
en una atmosfera controlada, en funcin de la temperatura o del tiempo al ir
aumentando la temperatura de la muestra (normalmente de forma lineal con el tiempo).
La representacin de la masa o del porcentaje de masa en funcin del tiempo se
denomina termograma o curva de descomposicin trmica (DOUGLAS, J, & A).
Barrido electrnico. En muchos campos de la qumica, de las ciencias de los materiales,
de la geologa y de la biloga, es cada vez de ms importancia el conocimiento
detallado de la naturaleza fsica de las superficies de los slidos. El mtodo clsico para
obtener tal informacin fue la microscopia ptica que todava es una tcnica
importante para la caracterizacin de superficies. Sin embargo, la resolucin de la
microscopa ptica est limitada por los efectos de difraccin de longitud de onda de
orden similar a la de la luz.
Normalmente, la informacin de las superficies se obtiene con una resolucin,
considerablemente elevada, mediante tres tcnicas, la microscopia electrnica de barrido
(SEM), microscopia de barrido de efecto tnel (STM) y microscopia de fuerzas atmicas
(AFM). En ciertas ocasiones a los dos ltimos mtodos se les agrupa bajo la denominacin
microscopia de sonda de barrido (SPM). Para obtener una imagen de cada una de estas
tcnicas la superficie de la muestra slida se barre mediante un rastreo programado (raster
pattern) con un haz de electrones muy finos focalizado o con una sonda adecuada. El
rastreo programado es similar al utilizado en un tubo de rayos catdicos o en un aparato
de televisin, en el que un haz de electrones (1) barre la superficie en lnea recta (direccin
x), (2) vuelve a la posicin inicial y (3) es desplazado hacia abajo (direccin z) y se
almacena en un sistema computarizado donde posteriormente se convierte en una
imagen. En un microscopio electrnico de barrido se barre mediante un rastreo
programado la superficie del solido con un haz de electrones de energa elevada y como
consecuencia de ello se produce en la superficie diversos tipos de seales. Estas seales
incluyen electrones restrodispersados, secundarios y Auger; fotones debidos a la
fluorescencia de rayos-X y otros fotones de diversas energas. Todas estas seales se han
utilizado en estudios de superficies, pero las ms usuales son las que corresponden a: (1)
electrones restrodispersados y secundarios, en los que se fundamenta el microscopio de
barrido de electrones y (2) la emisin de rayos-X, que se utiliza en el anlisis con microsonda
de electrones (DOUGLAS, J, & A).
-
21
5.5 MARCO LEGAL
Esta investigacin est regulada e implementada por el uso de normas de calidad,
reglamentada por el Instituto Colombiano de Normas Tcnicas (ICONTEC), que es el
Organismo Nacional de Normalizacin Colombiana:
NTC 111-1997. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo para determinar la fluidez de
morteros de cemento hidrulico.
NTC 220-1998. Ingeniera Civil y Arquitectura. Cementos. Determinacin de la resistencia
de morteros de cemento hidrulico usando cubos de 50mm 50,8mm de lado.
NTC 184-2001. Cementos. Mtodo de anlisis qumico de los cementos hidrulicos.
NTC 3493-1993. Ingeniera Civil y Arquitectura. Cenizas volantes y puzolanas naturales,
calcinadas o crudas, utilizadas como aditivos minerales en el concreto de cemento
Prtland.
NTC 3823-1997. Muestreo y ensayo de cenizas volantes o puzolanas naturales para uso
como aditivo mineral en el concreto de cemento Prtland.
NTC 3937-2007. Concretos. Arena normalizada para ensayos de cemento hidrulico.
NTC 3459-2001. Concretos. Agua para la elaboracin de concreto.
NTC 129-1995. Ingeniera Civil y Arquitectura. Practica para la toma de muestras de
agregado.
NTC 78-1995. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo para determinar por lavado el
material que pasa el tamiz 75 m en agregados minerales.
NTC 77-1994. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo para el anlisis por tamizado de los
agregados finos y gruesos.
NTC 174-2000. Concretos. Especificaciones de los agregados para concreto.
NTC 176-1995. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo de ensayo para determinar la
densidad y la absorcin del agregado grueso.
NTC 237-1995. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo de ensayo para determinar la
densidad y la absorcin del agregado fino.
NTC 92-1995. Ingeniera Civil y Arquitectura. Determinacin de la masa unitaria y los
vacos entre partculas de agregados.
NTC 1776-1994. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo de ensayo para determinar por
secado el contenido total de humedad de los agregados.
-
22
NTC 396-1992. Ingeniera Civil y Arquitectura. Mtodo de ensayo para determinar el
asentamiento del concreto.
NTC 385-1999. Ingeniera Civil y Arquitectura. Terminologa relativa al concreto y sus
agregados.
NTC 1377-1994. Ingeniera Civil y Arquitectura. Elaboracin y curado de especmenes de
concreto para ensayos de laboratorio.
NTC 454-1998. Ingeniera Civil y Arquitectura. Concretos. Concreto fresco. Toma de
muestras.
NTC 3512-2001. Ingeniera Civil y Arquitectura. Cuartos de mezclado, cmaras y cuartos
hmedos y tanques para el almacenamiento de agua, empleados en los ensayos de
cementos hidrulicos y concretos.
NTC 673-2010. Concretos. Ensayo de resistencia a la compresin de especmenes
cilndricos de concreto.
-
23
6. METODOLOGIA
Para dar cumplimiento a los objetivos especficos de la investigacin fue necesario plantear
siete actividades metodolgicas, as:
6.1 ACTIVIDAD 1. SUMINISTRO DE LOS MATERIALES
6.1.1 Caoln: Esta investigacin se desarrolla a partir del reconocimiento y ubicacin de
yacimientos de caoln disponibles en la regin Norte de Santander que se encuentran sin
explotacin alguna segn el Instituto Geolgico Minero (INGEOMINAS). De acuerdo con
esta informacin fue necesario hacer consultas bibliogrficas, visitas de campo,
exploraciones y tomas fotogrficas al yacimiento encontrado en el municipio de Abrego
Norte de Santander escogido para el estudio (ver Figura 2). Determinado el punto de
localizacin de extraccin del caoln, se procede a hacer un muestreo del mineral en
diferentes puntos, con caractersticas de granulometra fina, de aspecto arenoso, de color
entre rosa y blanco.
Figura 2. Localizacin y muestreo del mineral caoln en el municipio de Abrego
6.1.2 Agregado grueso y fino. El departamento Norte de Santander cuenta con una serie
de empresas enfocadas en la produccin y distribucin de materiales ptreos empleados
en la construccin. Gracias a la colaboracin de la empresa Preconcretos S.A de Ccuta
(Norte de Santander) se adquiri los agregados gruesos y finos (ver Figura 3) con sus
respectivas especificaciones tcnicas, el muestreo de este material se realiz por medio de
pilas almacenadas de acuerdo con la NTC 129.
-
24
Figura 3. Agregados ptreos, Empresa Preconcretos S.A.
6.2 ACTIVIDAD 2. CARACTERIZACION FISICOQUIMICA DEL CAOLIN
La caracterizacin de dicho material fue realizado en su mayora en las instalaciones de los
laboratorios de suelos (molienda y tamizado) y de qumica (humedad, prdida al fuego,
microscopia ptica, infrarrojo y termogravimetra) de la Universidad de Pamplona, en la
Universidad Industrial de Santander (difraccin y fluorescencia de rayos-X) y en la
Universidad EAFIT de Medelln (microscopa de barrido electrnico).
6.2.1 Molienda en molino de bolas. En esta etapa el caoln en estado natural se somete a
un proceso de secado a 100 5 C durante 1 hora para facilitar la molienda y el tamizado,
minimizando de esta forma la perdida de mineral por adherencia. La molienda se realiz
en un molino de bolas compuesto por un tambor rotatorio (dimetro 711 mm y una longitud
interior de 508 mm) a 32 rpm (revoluciones por minuto) con 12 esferas de acero de dimetro
promedio de 46.8 mm y masa entre 390 y 445 g; la carga de mineral en el tambor fue de
5000 g y el tiempo de molienda fue de 45 min (ver Figura 4).
Figura 4. Molienda del mineral en molino de bolas
-
25
6.2.2 Tamizado. Apoyados en la normatividad para tamizado de agregado fino o arenas
normalizadas, se realiz la clasificacin del material aprovechable denominado pasa tamiz
No 200 (el peso retenido corresponde a material no aceptado para la produccin de
Metakaoln). El mineral que sale del proceso de molienda se lleva a la tamizadora (con el
tamiz No 200 y el fondo) durante 15 min (ver Figura 5); el porcentaje pasa 200 se calcula con
la siguiente ecuacin:
% pasa 200 =Wm Wr
Wm 100 (E1)
Donde:
Wm = Peso de la muestra de ensayo Wr = Peso Retenido en el Tamiz No 200
Figura 5. Tamizado del Caoln posterior al proceso de molienda
6.2.3 Humedad del caoln. La NTC 3823 establece el procedimiento para la determinacin
del contenido de humedad de puzolanas naturales o calcinadas para uso como aditivo en
el concreto de cemento Prtland; se toma una muestra de caoln, se pesa y se seca a 110
C en una mufla Terrigeno ( 1 C) hasta peso constante (ver Figura 6); el contenido de
humedad (con una precisin del 0.1%) se calcul con la ecuacin E2.
Contenido de humedad = (A
B) 100 (E2)
Donde:
A = Perdida de peso durante el secado B = Peso tal como se recibi (peso inicial de la muestra)
-
26
Los valores de A y B se tomaron en una balanza analtica Ohaus Adventurer con una
precisin de 0.0001 g.
Figura 6. Contenido de Humedad del Caoln
6.2.4 Prdida al fuego. Con la norma NTC 3823 se determin la prdida al fuego del mineral
con una precisin del 0.1%. La muestra libre de humedad se calcin a peso constante en
un crisol de porcelana utilizando una mufla Terrigeno ( 1 C) a una temperatura de 750 C
(ver Figura 7); la prdida al fuego se calcula con la ecuacin E3.
Prdida al fuego = (A
B) 100 (E3)
Donde:
A = Perdida de peso entre 110 y 750 B = Peso de la muestra usada libre de humedad
Figura 7. Prdida al Fuego del mineral caoln
-
27
6.2.5 Composicin qumica por fluorescencia de rayos-X (FRX). La composicin qumica del
mineral se determin por fluorescencia de rayos-X empleando curvas de calibracin
mediante el mtodo QUANT-EXPRESS (Parmetros Fundamentales) en un espectrmetro
secuencial de fluorescencia de rayos-X de longitud de onda dispersiva de 4 KW marca
BRUKER modelo S8 TIGER. Se utiliz un detector de centelleo para elementos pesados y de
flujo para elementos livianos; la fuente de rayos-X con tubo de rodio (Rh) y un gonimetro
de alta precisin para ngulos theta y 2 theta. En la Figura 8. se observa el BRUKER S8 TIGER
en el que se determin la composicin elemental del caoln.
Figura 8. Espectrmetro BRUKER S8 TIGER
6.2.6 Anlisis cualitativo y cuantitativo por difraccin de rayos-X. El anlisis mineralgico del
caoln se determin por difraccin de rayos-X en un BRUKER modelo D8 ADVANCE con
geometra DaVinci bajo las siguientes condiciones:
Voltaje 40 kV
Corriente 30 mA
Rendija de Divergencia 0.6 mm
Rendijas Soller Primario 2.5o
Muestreo 0.01526o 2Theta
Rango de medicin 3.5 70o 2Theta Radiacin CuK1 Filtro Nquel
Detector Lineal LynxEye
Tipo de Barrido A pasos
Tiempo de muestreo 0.4 segundos
-
28
Las muestras fueron molturadas en un mortero de gata y llevadas a un tamao de
partcula menor a 38 m (400 mesh). El espcimen seleccionado de la muestra fue montado
en un portamuestra de polimetilmetacrilato (PMMA) mediante la tcnica de llenado frontal.
El anlisis cualitativo de las fases presentes en las muestras se realiz mediante comparacin
del perfil observado con los perfiles de difraccin reportados en la base de datos PDF-2 del
International Centre for Diffraction Data (ICDD). El anlisis cuantitativo de las fases
encontradas se realiz mediante el refinamiento por el Mtodo de Rietveld del perfil
observado habindole agregado a la muestra una cantidad conocida de un estndar
interno (Aluminum oxide, Corundum, -phase) correspondiente al 20%. En la Figura 9., se muestra el BRUKER modelo D8 ADVANCE utilizado para determinar el contenido de caolinita
en el mineral.
Figura 9. BRUKER modelo D8 ADVANCE
6.2.7 Espectrometra de infrarrojo. El espectro de infrarrojo del caoln se registr en un
espectrmetro con transformada de Fourier FT-IR Shimadzu IRPrestige-21 dotado con una
fuente de luz de cermica de alta energa y un detector piroelctrico DLATGS; el ensayo se
realiz sobre pastillas de KBr, diluyendo la muestra en bromuro de potasio en una proporcin
de 1/300 (Figura 10).
-
29
Figura 10. Ensayo de infrarrojo para el mineral caoln
6.2.8 Microscopa. El anlisis microscpico del mineral caoln se realiz por microscopia
ptica en un microscopio NATIONAL con cmara incorporada y por microscopa de barrido
electrnico en un instrumento SEM marca FEI modelo Phenom G2 Pro (ver Figura 11). En SEM
las muestras no requirieron metalizacin, puesto que el instrumento opera a bajo vaco. Las
caractersticas generales del instrumento son:
Modos de imagen:
- ptica: magnificacin variable 20X a 120X.
- Electro-ptica: Magnificacin variable desde 80X a 45.000X
- Zoom digital: Mximo 12X
Resolucin lateral 25 nanmetros.
Resolucin grfica de 456 X 456, 684 X 684, 1024 X 1024 y 2048 x 2048 pixeles.
Resolucin por pixel de 2.9 nanmetros.
Tamao de muestra de 25 mm de dimetro X 30mm de altura.
Detector de electrones retrodispersos de alta sensibilidad (modo topogrfico y
composicional).
Imagen ptica a color.
Modo de operacin en bajo vaco.
-
30
Figura 11. Microscopio National y de barrido electrnico marca FEI modelo Phenom G2
Pro
6.2.9 Termogravimetra. El anlisis trmico diferencial (ATD) del mineral se realiz en un
equipo Universal Thermal Analysis modelo SDTQ600 a una velocidad de calentamiento de
10 C/min, en un flujo de aire de 100 mL/min hasta una temperatura mxima de 1200 C. En
la Figura 12., se muestra el equipo de termogravimetra.
Figura 12. Equipo Universal Thermal Analysis SDTQ600
6.3 ACTIVIDAD 3. OBTENCION DE METAKAOLIN
El Metakaoln se obtiene por tratamiento trmico del caoln ya caracterizado.
6.3.1 Tratamiento trmico controlado del caoln. En este proceso el caoln tamizado (pasa
200) es calentado a 700 5 C durante 2 horas; temperatura y tiempo requeridos para
efectuar un cambio en la composicin qumica de la caolinita (23. 22. 22) en el mineral caoln hasta un material puzolnico denominada Metakaoln (22. 23):
Al2O3. 2SiO2. 2H2O 2 h, 700 2SiO2. Al2O3 + 2H2O
-
31
Aparatos:
Balanza. Se utiliz una balanza Pro con una capacidad de 700 g y una precisin de 1
g.
Recipiente. Un recipiente en acero inoxidable (serie AISI 300) que resista altas
temperaturas y que se acomode a las medidas de la mufla.
Horno. La calcinacin de este material se lleva a cabo en una mufla Vulcan modelo 3-
550 de temperaturas con rango de 50C a 1100C y capacidad de 600 g. (Ver Figura 13)
Figura 13. Tratamiento trmico controlado del caoln.
6.3.2 Caracterizacin mineralgica del Metakaoln. El Metakaoln obtenido se caracteriz
por difraccin de rayos-X (DRX) y por microscopa ptica y de barrido electrnico (SEM).
Para detalles ver numeral 6.2.
6.4 ACTIVIDAD 4. DETERMINACION DEL INDICE DE PUZOLANIDAD EN MORTEROS
La determinacin del ndice de puzolanidad (NTC 3823) o ndice de actividad de resistencia
es usada para determinar cundo un aditivo mineral resulta de un nivel aceptable de
desarrollo de resistencia, cuando se usa con cemento hidrulico en el concreto. Dado que
el ensayo es efectuado con morteros, los resultados pueden no suministrar una correlacin
directa de como contribuye el aditivo mineral en la resistencia del concreto (NTC 3823: 1997
Ingenieria Civil y Arquitectura).
El anlisis de ndice de puzolanidad se desarroll en la Universidad Francisco de Paula
Santander de Ccuta (Norte de Santander), laboratorio de Suelos Civiles y Resistencia de
materiales. A continuacin se hace una breve descripcin del procedimiento:
-
32
Basados en la NTC 3823 (Muestreo y ensayo de cenizas volantes o puzolanas naturales para
uso como aditivo mineral en el concreto de cemento Prtland), la mezcla control debe
contener los materiales que se indican en la Tabla 6; se utiliz cemento Prtland tipo 1 de
Cemex y arena normalizada 20-30 segn norma NTC 3937.
Tabla 6. Dosificacin de mezcla para cubos de mortero (mezcla de control)
Materiales 6 cubos
Cemento 500 g
Arena 1375 g
Agua 242 ml
Fuente. (NTC 3823: 1997 Ingenieria Civil y Arquitectura)
Basados en la NTC 3823 (Muestreo y ensayo de cenizas volantes o puzolanas naturales para
uso como aditivo mineral en el concreto de cemento Prtland), en la mezcla de ensayo se
remplaza un 20% de cemento (con relacin a la mezcla control, Tabla 6) por Metakaoln.
En la tabla 7 se resume la dosificacin de las mezclas de ensayo.
Tabla 7. Dosificacin mezcla de ensayo
Materiales 6 cubos
Cemento Prtland tipo 1 de Cemex 400 g
Metakaoln (sustitucin 20%) 100 g
Arena normalizad 20-30 1375 g
Agua 262 mL
Los 262 mL de agua reportados en la Tabla 7., para las mezclas de ensayo cumplen con la
norma NTC 220 que indica que al mortero con MK se le debe adicionar agua hasta obtener
una fluidez de 5 % con respecto a la mezcla control. El ensayo de fluidez (ver Figura 14) se
desarroll bajo la norma NTC 111. Esta norma define la fluidez como el aumento del
dimetro de la muestra, expresado como un porcentaje de la base mayor del molde
(dimetro 100 mm) (NTC 111: 1997 Ingenieria Civil y Arquitectura) y se calcul con la
ecuacin E4.
% Fluidez =Diametro promedio A
A 100 (E4)
Donde:
A = Dimetro real molde,medido en el momento del ensayo en mm (100 mm)
-
33
Figura 14. Ensayo de fluidez con 20% Sustitucin de MK
6.4.1 Resistencia a la compresin de morteros. La resistencia a la compresin a 7 y 28 das
de la mezcla control (100% cemento) y de ensayo (80% cemento y 20% MK) se realiz sobre
cubos de 50 mm de lado bajo la NTC 220, se utiliz una mquina universal de ensayo ZD100.
El proceso para llenar los moldes se inicia antes de 150 s, contados desde la terminacin de
la mezcla inicial del mortero (ver Figura 15). En cada compartimiento se coloca una capa
de mortero de 25mm (aproximadamente la mitad de la profundidad del molde). Se apisona
con 32 golpes del compactador en 10 s en 4 etapas de 8 goles adyacentes. En cada etapa
debe golpearse siguiendo una direccin perpendicular a los de la anterior. (NTC 220: 1998
Ingenieria Civil y Arquitectura).
Figura 15. Ensayo de fluidez y llenado de moldes para mezcla control (100% cemento).
-
34
El conjunto formado por los cubos, el molde y la placa de base debe colocarse en la
cmara de humedad durante un periodo de 20 h a 24 h, con las caras superiores de los
cubos expuestos al aire hmedo, pero protegidas contra la eventual cada de gotas de
agua. Los cubos que no sern fallados a 24 h, debern colocarse dentro de tanques de
almacenamiento construidos de material no corrosivo (ver Figura 16). El agua debe
cambiarse frecuentemente para mantenerse limpia, y mantenerse a una temperatura de
23C 2 C (NTC 220: 1998 Ingenieria Civil y Arquitectura).
Figura 16. Mortero de mezcla de ensayo: ensayo de fluidez, desmolde y curado
Los cubos a ser ensayados (resistencia a la compresin) deben sacarse del recipiente de
almacenamiento uno a uno y ensayarse inmediatamente (ver Figura 17); todos los cubos
se fallaron dentro de las tolerancias de tiempo especificadas en la Tabla 8.
Tabla 8. Tolerancia en la edad del cubo para el ensayo
Edad del ensayo Tolerancia permisible
24 h h
3 d 1 h
7 d 3 h
28 d 12 h
Fuente. (NTC 220: 1998 Ingenieria Civil y Arquitectura)
-
35
Figura 17. Curado y ensayo de resistencia a la compresin en cubos de mortero
La resistencia a la compresin de los cubos de mortero se calcula con la ecuacin E5 y el
ndice de actividad puzolnico (IAP) o ndice de la actividad de resistencia con cemento
Prtland con la ecuacin E6.
fm =P
rea (E5)
Donde:
fm = Resistencia a la compresin MPa P = Mxima carga total en N rea = rea de la superficie cargada, mm2
IAP =A
B (E6)
Donde:
A = Promedio de resistencia a la compresin en cubos de mezcla de ensayo (80% cemento y 20% MK) B = Promedio de resistencia a la compresin de los cubos de la mezcla control (100% cemento)
6.5 ACTIVIDAD 5. PROPIEDADES MECANICAS DEL CONCRETO CON SUSTITUCION DE
METAKAOLIN
6.5.1 Caracterizacin de los agregados. La granulometra (ver Figura 18 y 19) se practic de
acuerdo a la norma NTC 174, concretos. Especificaciones de los agregados para concreto.
-
36
Esta norma establece los requisitos de gradacin y calidad para los agregados finos y
gruesos, (excepto los agregados livianos y pesados) para uso en concreto.
El agregado grueso debe estar compuesto de grava, grava triturada, roca triturada, escoria
de alto horno enfriada al aire, o concreto triturado fabricado con cemento hidrulico o una
combinacin de ellos. En nuestro caso el agregado grueso procedente de Preconcretos
S.A. mostr un tamao mximo (TM) de 1 y un tamao mximo nominal (TMN) de ; la NTC 174 establece para este tipo de agregado los lmites de granulometra que se resumen
en la Tabla 9.
Tabla 9. Limite granulomtrico del agregado grueso
Tamiz Abertura(mm) Lmite superior Lmite
inferior
1" 25.00 100 100
3/4" 19.00 100 90.00
1/2" 12.70 - -
3/8" 9.50 55.00 20.00
#4 4.75 10.00 0.00
#8 2.36 5.00 0.00
Fuente. (NTC 174: 2000 Concretos)
El agregado fino debe estar compuesto de arena natural, arena triturada o una
combinacin de stas. De igual forma que el agregado grueso, el agregado fino debe
estar dentro de los lmites que se muestran en la Tabla 10.
Tabla 10. Limite granulomtrico del agregado fino
Tamiz NTC 32 (ASTM E 11) Porcentaje que pasa
9.5 mm
4.75 mm
2.36 mm
1.18 mm
600 mm
300 mm
150 mm
100
95 a 100
80 a 100
50 a 85
25 a 60
10 a 30
2 a 10
Fuente. (NTC 174: 2000 Concretos)
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Figura 18. Granulometra del agregado grueso
Figura 19. Granulometra del agregado fino
Luego de realizar el anlisis granulomtrico (agregado fino) se calcula el mdulo de finura
en un rango de 2.3 a 3.1 segn la NTC 174 con la ecuacin E7.
Mf =% retenido acumulado
100 (E7)
Donde:
Mf = Mdulo de finura
La densidad aparente y absorcin de los agregados se realiz con las normas NTC 237 y
NTC 176. La densidad es la masa por unidad de volumen. Los calificativos nominal o
aparente, se refieren a la forma de tomar el volumen del cuerpo, puesto que las
partculas de los agregados para el concreto tienen porosidad; esa porosidad puede ser
saturable o no saturable. Si se toma el volumen externo, el aparente, la densidad
calculada ser aparente; si del volumen aparente se elimina la porosidad saturable, la
densidad se llama nominal, y si adems de la porosidad saturable se elimina la porosidad
no saturable, el volumen resultante es de material puro, y por lo tanto el cociente de la
masa y ese volumen ser la masa, sin calificativos. Por otro lado el termino absorcin, es
el proceso por el cual un lquido es conducido al interior, y tiende a llenar los poros
-
38
permeables de un cuerpo solido; es, tambin, el incremento en masa, de un cuerpo
solido poroso, resultante de la penetracin de un lquido dentro de sus poros permeables.
La densidad aparente y absorcin del agregado fino (NTC 237) se realiz de la siguiente
manera (ver Figura 20): se llena el picnmetro parcialmente con agua. Inmediatamente se
introduce dentro del picnmetro 500 g de agregado saturado y superficialmente seco y se
llena con agua adicional hasta aproximadamente el 90 % de la capacidad. Se gira, invierte
y agita el picnmetro para eliminar todas las burbujas de aire. Se ajusta su temperatura
hasta 23 C 2 C, si es necesario por inmersin en agua en circulacin, y se lleva el nivel
del agua en el picnmetro hasta su capacidad calibrada. Se determina la masa total del
picnmetro, con la muestra y el agua. Se remueve el agregado fino del picnmetro, se
seca hasta obtener masa constante a una temperatura de 110 C, se enfra al aire a una
temperatura ambiente por 1 h y se determina su masa.
La densidad aparente se calcula con la ecuacin E8 y la absorcin con la ecuacin E9.
Daparente = 0,9975 A
B + S C (E8)
,% = [
] 100 (E9)
Donde:
Daparente = Densidad aparente, g/cm
3
A = Masa de la muestra secada al horno, g B = Masa del picnmetro lleno con agua, g S = Masa de la muestra saturada y superficialmente seca, g C = Masa del picnmetro con la muestra y el agua hasta la marca de calibracin, g
Figura 20. Densidad y absorcin del agregado fino
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La densidad aparente y absorcin del agregado grueso (NTC 176) se realiz de la siguiente
manera (ver Figura 21): se seca la muestra de ensayo hasta obtener una masa constante a
una temperatura de 110 C, se enfra en el aire a temperatura ambiente durante 2 h, se
sumerge el agregado en agua a temperatura ambiente por un perodo de 24 h. Se
remueve la muestra de ensayo del agua y se envuelve en un pao absorbente hasta que
todas las pelculas visibles de agua sean removidas. Se secan las partculas ms grandes
individualmente. Una corriente de aire puede usarse para ayudar en la operacin de
secado. Se debe de evitar la evaporacin del agua de los poros del agregado durante la
operacin de secado superficial. A) Se determina la masa de la muestra de ensayo en la
condicin superficialmente seca. B) Se registra esta y todas las masas subsecuentes con la
aproximacin que sea mayor entre 0,5 % y 0,05 % de la masa de la muestra. Despus de
determinar la masa, se coloca inmediatamente la muestra de ensayo saturada y
superficialmente seca en el recipiente de la muestra y se determina su masa en el agua a
23 C 2 C con una densidad de 997 kg/m3 2 kg/m3 (valor C). Se tiene cuidado de
remover todo el aire atrapado antes de determinar la masa, sacudiendo el recipiente
mientras est sumergido. Se seca la muestra hasta obtener una masa constante a una
temperatura de 110 C, se enfra a temperatura ambiente durante 2 h y se determina su
masa.
La densidad aparente se calcula con la ecuacin E10 y la absorcin con la ecuacin E11.
Daparente = 0,9975 A
B C (E10)
Absorcion,% = [B A
A] 100 (E11)
Donde:
Daparente = Densidad aparente, g/cm
3
A = Masa en el aire de la muestra de ensayo secada al horno, g B = Masa en el aire de la muestra de ensayo saturada y superficialmente seca, g C = Masa en el agua de la muestra de ensayo saturada, g
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Figura 21. Densidad y absorcin del agregado grueso
La masa unitaria de los agregados se determin bajo la norma NTC 92. Determinacin
de la masa unitaria y los vacos entre partculas de agregados, como requisito y dato
primordial al momento de efectuar el diseo de la mezcla. El procedimiento por paleo
debe ser usado para la determinacin de la masa unitaria suelta (agregado grueso y
fino). Por otro lado, la masa unitaria compacta debe determinarse por el procedimiento
de apisonamiento para agregados con tamaos mximos nominales de 37,5 mm o
menores, o por el procedimiento de golpeteo para agregados que tienen un tamao
mximo nominal superior a los 37,5 mm y que no exceda los 150 mm. En el procedimiento
de apisonamiento se llena una tercera parte del molde y se nivela la superficie con los
dedos. Se apisona la capa del agregado con 25 golpes de la varilla de apisonamiento,
distribuidos uniformemente sobre la superficie. Luego se completan las dos terceras
partes del molde y se nivela y se apisona nuevamente. Finalmente, s