ACTIVACIÓN ALCALINA PARA MEZCLAS SECASrepository.ucatolica.edu.co/bitstream/10983/7849/4/Activación... · activaciÓn alcalina para mezclas secas jeison fabiÁn alzate suÁrez universidad

ACTIVACIÓN ALCALINA PARA MEZCLAS SECAS

JEISON FABIÁN ALZATE SUÁREZ

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL ALTERNATIVA INVESTIGACIÓN

BOGOTÁ D.C. 2016

ACTIVACIÓN ALCALINA PARA MEZCLAS SECAS

JEISON FABIÁN ALZATE SUÁREZ

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil

Directora MARISOL NEMOCÓN RUIZ

Ingeniera Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL ALTERNATIVA INVESTIGACIÓN

BOGOTÁ D.C. 2016

Nota de aceptación ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________

Director de Investigación Ing. Marisol Nemocón Ruiz

______________________________________

Asesor Metodológico Ing. Ronal Serrano

______________________________________ Jurado Bogotá D.C., junio de 2016

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 10

1. HISTORIA ......................................................................................................... 11

2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 12

2.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 12

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................... 12

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................... 13

3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .................................................................. 13

3.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ................................................................. 13

4. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 14

5. DELIMITACIÓN ................................................................................................ 15

5.1 ESPACIO ........................................................................................................ 15

5.2. CONTENIDO ................................................................................................. 15

5.3 ALCANCE ....................................................................................................... 15

6. MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 16

6.1 ANTECEDENTES ........................................................................................... 16

6.2 CENIZA VOLANTE ......................................................................................... 16

6.3 ACTIVADOR ALCALINO ................................................................................ 18

6.4 GEOPOLÍMERO ............................................................................................. 18

7. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ................................................................... 20

7.1 MATERIAS PRIMAS ....................................................................................... 20

7.1.1 Cemento Tipo III .......................................................................................... 20

7.1.2 Ceniza volante ............................................................................................. 21

7.1.3 Agregados .................................................................................................... 23

7.1.4 Activador alcalino ......................................................................................... 23

7.2 DISEÑO DE MEZCLAS .................................................................................. 24

7.3 FABRICACIÓN DE LOS ESPECÍMENES ....................................................... 26

7.3.1 Desarrollo del proceso ................................................................................. 27

7.3.1.1 Proceso de mezclado................................................................................ 27

7.3.1.2 Proceso de vibro compactado ................................................................... 27

7.3.1.3 Curado ...................................................................................................... 28

7.3.1.4 Ensayo a flexo tracción ............................................................................. 28

7.3.1.5 Ensayo de absorción................................................................................. 29

8. RESULTADOS .................................................................................................. 31

pág. 8.1 PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS .................................................... 31

8.1.1 Resultados de laboratorio muestra 1 .......................................................... 31

8.1.2 Resultados de laboratorio patrón 1 .............................................................. 33

8.1.3 Comparación de los resultados muestra 1 vs patrón 1 ................................ 34

8.1.4 Resultados de laboratorio muestra 2 .......................................................... 35

8.1.5 Resultados de laboratorio patrón 2 .............................................................. 37

8.1.6 Comparación de los resultados muestra 1 vs patrón 1 ................................ 38

8.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................................... 39

8.2.1 Muestra 1 vs patrón 1 .................................................................................. 39

8.2.2 Muestra 2 vs patrón 2 .................................................................................. 40

8.2.3 Aspectos generales...................................................................................... 40

8.2.3.1 Disminución en los resultados .................................................................. 40

8.2.3.2 Eflorescencias ........................................................................................... 40

9. CONCLUSIONES ............................................................................................. 42

10. RECOMENDACIONES ................................................................................... 43

BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 44

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Diseño de mezcla base. ........................................................................... 24

Tabla 2 Dosificación Muestra 1 .............................................................................. 25

Tabla 3. Dosificación muestra 2. ............................................................................ 26

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Clasificación ceniza volante según propiedades físicas. ........................ 17

Figura 2. Clasificación ceniza volante según propiedades químicas ..................... 18

Figura 3. Descripción de la metodología. ............................................................... 20

Figura 4. Propiedades mecánicas cemento tipo 3. ................................................ 21

Figura 5. Propiedades físicas ceniza Termo Paipa. ............................................... 22

Figura 6. Propiedades químicas ceniza Termo Paipa. ........................................... 22

Figura 7. Ceniza volante. ....................................................................................... 23

Figura 8. Agregados pétreos.................................................................................. 23

Figura 9. Hidróxido de sodio en escamas. ............................................................. 24

Figura 10. Especímenes muestra 1. ...................................................................... 26

Figura 11. Especímenes muestra 2. ...................................................................... 27

Figura 12. Mezcladora ........................................................................................... 27

Figura 13. Vibro compactadora. ............................................................................. 28

Figura 14. Curado de especímenes. ...................................................................... 28

Figura 15. Prensa de flexo tracción. ...................................................................... 29

Figura 16. Balanza. ................................................................................................ 29

Figura 17. Horno de secado................................................................................... 30

Figura 18. Resultado de ensayo a flexo tracción muestra 1 a 7 días. .................... 31

Figura 19. Resultado de ensayos a flexo tracción muestra 1 a 14 días. ................ 31

Figura 20 Resultado de ensayos a flexo tracción muestra 1 a 28 días .................. 32

Figura 21. Resultado de ensayo absorción muestra 1. .......................................... 32

Figura 22. Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 1 a 7 días. ...................... 33

Figura 23. Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 1 a 14 días ..................... 33

Figura 24. Resultado de ensayo a flexo tracción, patrón 1 a 28 días. ................... 33

Figura 25. Resultado de absorción patrón 1. ......................................................... 34

Figura 26. Evolución de resistencia muestra 1 vs patrón ....................................... 34

Figura 27. Resultado de absorción muestra 1 vs patrón. ....................................... 34

Figura 28. Densidad muestra 1 vs patrón. ............................................................. 35

Figura 29. Resultado de ensayo a flexo tracción muestra 2 a 7 días. .................... 35

Figura 30. Resultado de ensayo a flexo tracción muestra 2 a 14 días. .................. 35

Figura 31. Resultado de ensayo a flexo tracción muestra 2 a 28 días. .................. 36

Figura 32. Resultado ensayo de absorción muestra 2. .......................................... 36

Figura 33. Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 2 a 7 días. ...................... 37

Figura 34. Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 2 a 14 días. .................... 37

Figura 35 Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 2 a 28 días ...................... 37

Figura 36. Resultado ensayo de absorción patrón 2. ............................................. 38

Figura 37. Evolución de resistencia muestra 2 vs patrón. ...................................... 38

Figura 38. Resultado de absorción muestra 2 vs patrón. ....................................... 39

Figura 39. Densidad muestra 2 vs patrón. ............................................................. 39

Figura 40. Eflorescencia en los especímenes. ....................................................... 41

GLOSARIO

ACTIVACIÓN ALCALINA: es un proceso químico en el que se produce una

transformación parcial o total de los componentes vítreos/amorfos del material en estructuras cementicias compactas. ADOQUÍN: unidad de concreto premezclado y vibro comprimido de forma

prismática, cuyo diseño permite la colocación de piezas en forma continua y simétrica para formar pavimentos o carpetas de rodamiento, como son calles y avenidas, plazas y andadores, cocheras, etc. CEMENTANTE: es aquel material que tiene las propiedades de adhesión y cohesión necesarias para unir agregados y conformar masa sólida de resistencia y durabilidad. CEMENTO PORTLAND: es un conglomerante que cuando se mezcla con agua, agregados tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente. CENIZA VOLANTE: residuo producido de la combustión de carbón.

GEO POLÍMERO: materiales sintéticos aluminosilicatos, con un uso potencial en

una serie de ámbitos, esencialmente como reemplazo para cemento Portland. MEZCLA SECA: es una mezcla seca y homogénea, compuesta por cemento, grava y arena con granulometría controlada, cuyas proporciones varían de acuerdo a las especificaciones del concreto. La reducida humedad de los componentes de la mezcla garantiza que el cemento embolsado no reaccione, aumentando así el tiempo de vida del producto y es utilizada para la fabricación de prefabricados. NaOH: hidróxido de sodio

RESISTENCIA A LA FLEXO TRACCIÓN: medida de la resistencia de un

elemento o miembro estructural a las fuerzas flectoras. También llamada resistencia a la tracción para pavimento.

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INTRODUCCIÓN

En la combustión de carbón generan una gran cantidad de residuos y entre ellos se encuentra la ceniza volante, la cual al tener contacto con el agua penetra la tierra generando un daño a los recursos hídricos. Por medio de la reutilización y buen acopio de este tipo de residuos y en pro de estar acorde con las necesidades de un mejoramiento continuo del impacto que estos generan al medio ambiente, lo ideal es reutilizar el 100% de las cenizas y para ello se busca la utilización de las mismas en diferentes procesos productivos. Para este proyecto se implementará la ceniza volante en la producción de concreto para la fabricación de adoquines la cual consiste en el reemplazo de cemento Portland tipo 3 por cenizas volantes activadas alcalinamente; estas serán utilizadas en la producción de concreto (mezcla seca) para adoquines y los cuales debe cumplir con los requerimientos físicos y mecánicos. Se manejaran diferentes dosificaciones de cenizas volantes activadas alcalinamente con Hidróxido de Sodio (NaOH), con el fin de encontrar de la más eficiente que permita cumplir con las propiedades mecánicas del adoquín especificadas en el NTC 2017.

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1. HISTORIA

En la Universidad del Valle de Cali junto con el Instituto Eduardo Torroja de Madrid-España (Puertas, 2002), desarrollo un proyecto sobre la resistencia química al ataque por sulfatos y agua de mar a morteros de cementos alcalinos, donde se concluyó la elevada estabilidad química frente al ataque por sulfatos y agua de mar de los morteros de escoria activada alcalinamente y de los morteros de mezcla de escoria y ceniza activados alcalinamente. Los factores que más influyen en dicha durabilidad son el régimen de curado y el tipo de cemento, (S. D. Wang, 1995) se pudo demostrar que la impermeabilidad de los morteros y concreto de escoria activada alcalinamente resulta mucho mayor que la de los cementos Portland convencionales, donde se realizaron probetas de escoria activada con Waterglass, escoria activada con Hidróxido de Sodio y escoria con ceniza volante, determinando durabilidad por dos métodos distintos: ASTM C1012 en el que las probetas se conservaron en cámara húmeda durante 28 días y posteriormente se colocaron en un solución acuosa de Sulfato de Sodio en concentración 50g/L durante 200 días, evaluando cambio dimensional y resistencia a la compresión; mediante el método de Kock-Steinegger. Se mantenían las probetas en cámara húmeda durante 21 días, sumergiéndolas luego en disolución acuosa de Na2S04 al 4.4% en peso, disolución de agua de mar artificial (ASTM D114 86) y agua des ionizada/destilada, como medio de referencia, posteriormente se ensayaron a flexo-tracción. Obteniendo resultados favorables para edades largas y con variaciones pequeñas para las probetas expuestas a soluciones sulfatadas frente a las se conservan en el medio de referencia. Profundizando en el tema anterior, el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) Madrid, España, Fernández y Palomo, (Fernández-Jiménez, 2009) llevan a cabo un estudio sobre algunas de las propiedades tecnológicas de los materiales cementantes elaborados por activación alcalina de aluminosilicatos, sobre las propiedades de morteros y hormigones elaborados con cenizas volantes activadas, de forma que en función del tipo de activador alcalino empleado y tras un curado térmico previo, el material resultante presenta propiedades y características que incluyen: elevadas resistencias mecánicas iniciales (a flexión y a compresión), baja retracción al secado, y una muy buena adherencia matriz-acero, así como una excelente resistencia al ataque ácido y un excelente comportamiento frente al fuego, implementando Ceniza Volante, un cemento comercial y como activadores alcalinos utilizaron dos disoluciones: N

= NaOH 8M y W= mezcla del 15% de silicato sódico + 85% NaOH 12.5M.1

1 ROBAYO NÚÑEZ, Estefanía. Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente. Trabajo de grado. Ingeniera civil. Bogotá: Universidad Pontificia Javeriana. Departamento de Ingeniería. Facultad Ingeniería Civil, 2013, p. 19.

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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Evaluar la viabilidad técnico-económica en la fabricación de adoquines con mezclas secas a base de cenizas volantes activadas alcalinamente. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar dosificación de mezclas secas geo poliméricas partiendo de estudios ya realizados para otro tipo de concretos y morteros.

Elaborar adoquines con mezclas secas geo poliméricas.

Evaluar el comportamiento mecánico de las mezclas geo poliméricas secas, a través de ensayos de laboratorio normalizados.

Evaluar el costo de la fabricación de adoquines con mezclas de geo polímeros.

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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

3.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Debido al mal funcionamiento de las termoeléctricas en Colombia y al no aprovechamiento de los residuos que producen, se buscan alternativas que mitiguen el impacto ambiental. Bajo este concepto se han desarrollado estudios que permitan incluir las Cenizas Volantes en los concretos y morteros sustituyendo un porcentaje del cemento. 3.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Bajo la necesidad de la mejora continua de los procesos productivos que son altamente nocivos para el medio ambiente, se busca aprovechar todos aquellos residuos generados por los mismo con el fin de disminuir la contaminación. Para el caso particular de la producción de adoquines en concreto la Ceniza Volante puede ser reutilizada como un cementante para la producción de mezclas de concreto secas que son utilizadas para la producción de adoquines.

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4. JUSTIFICACIÓN

Actualmente la producción de adoquines de concreto para el uso en espacio público se ha incrementado por su ventajas de instalación, rehabilitación y adaptabilidad a soluciones arquitectónicas, la composición de estos está directamente relacionada con la utilización de mezclas de concreto que generan un impacto importante en el ambiente por la producción de cemento y además por la explotación de agregados. El propósito de este proyecto es disminuir este impacto con la utilización de cenizas volantes activadas alcalinamente con hidróxido de sodio. Se calcula que en la etapa de clinkerización el CO2 es en promedio 0.8 a 0.9 toneladas liberadas por cada tonelada de cemento producido; de allí parte que el 7% de la emisión de CO2 generado a nivel mundial se debe a la industria cementera. Por esta razón las investigaciones para materiales alternativos han aumentado, de allí aparece la Ceniza Volante quien es un sub-producto de la generación termoeléctrica2. En la actualidad en nuestro país se produce millones de toneladas de carbón de las cuales provienen de las termoeléctricas y por estudios se ha demostrado que por cada tonelada de carbón utilizada se generan 0.8 toneladas de cenizas volantes; bajo la disminución el consumo de cemento Portland por cenizas volantes como se desarrollara en este proyecto se busca generar una posible solución ambiental.

2 YANG, Keun-Hyeok. Assessment of CO2 reduction of alkali-activated concrete. En: Journal of Cleaner Production (ene., 2013), vol. 39, no. 1. p. 265-272.

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5. DELIMITACIÓN

5.1 ESPACIO

La parte experimental del proyecto será ejecutado en una planta de producción activa, la cual tiene como objeto la producción de bloque y adoquines en concreto que se encuentra ubicada en Cota-Cundinamarca, bajo la razón social DECOBLOCK S.A. 5.2. CONTENIDO

Campo: Ingeniería Civil.

Área: Diseño de mezclas.

Aspecto: Adoquines en concreto. 5.3 ALCANCE Este proyecto busca identificar una posible solución productiva a través del reemplazo de cemento hidráulico por cenizas volantes que son residuos desechados generando contaminación y de la cual se puede obtener un beneficio bajo su buen uso. En el marco proyecto se estima llegar hasta el diseño de mezcla más eficiente bajo la activación alcalina de Ceniza Volante para la producción de adoquines.

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6. MARCO TEÓRICO

6.1 ANTECEDENTES

Bajo estudios realizados durante décadas de la fabricación de concretos con cementos hidráulicos, se ha intentado encontrar posibles soluciones que logren mejorar dichas mezclas sustituyendo el cemento ya que la fabricación de este es altamente contaminante. Por tal razón se han ido realizado ensayos con diferentes componentes que permitan hacer dicha sustitución para el objeto de estudio se evaluara los residuos generados por la combustión de carbón ya que presenta propiedades similares a la caliza la cual es la base para la fabricación de cemento. Partiendo de esta hipótesis sean realizados diferentes acercamientos como lo es la Tesis de Estefanía Robayo elaborada en el 2013: “Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente”, en donde se muestra que las propiedades mecánicas de las mezclas realizadas con cemento hidráulico y las realizadas con cenizas volantes activadas alcalinamente tienen una funcionalidad similar determinadas por sus propiedades. Lo cual lleva a pensar que se puede obtener un resultado igual o superior si se hiciera bajo este esquema, por lo anterior se realizara una investigación que permita adaptar los modelos originales de mezclas secas para fabricación piezas de pavimentos articulados (adoquines); que a corto plazo generaría un menor impacto ambiental. En la investigación se tomara algunos patrones de este estudio ya que los diseños que se presentaran son diferentes debido a que la misma ira direccionada a la elaboración de adoquines en concreto de los cuales su composición son mezclas secas. Para ello se realizarán los diseños y ensayos que permitan evaluar el comportamiento de las cenizas volantes como material cementante activado alcalinamente bajo diferentes concentraciones de hidróxido de sodio (NaOH) y así obtener la mezcla que nos lleve al mismo comportamiento de las mezclas fabricadas con cementos hidráulicos. 6.2 CENIZA VOLANTE Las cenizas volantes son escorias que se generan debido a la combustión del carbón, esta combustión se genera en calderas de gran capacidad para el caso de las termoeléctricas. Estas calderas cuentan en su estructura con un precipitador electrostático que permite separar las cenizas y conducirlas por ductos a los silos de almacenamiento. La calidad de la ceniza varía de acuerdo al tipo de combustión y a la fuente de carbón que se utilice, existen varias clases de ceniza. Para la clasificación de las

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diferentes cenizas evalúan las propiedades mecánicas de acuerdo a las siguientes tablas. Figura 1. Clasificación ceniza volante según propiedades físicas.

Fuente: CORONA ZAZUETA, Miguel Angel. Concretos dosificados con cemento Portland y ceniza volante [en línea] México [citado: 14, abr., 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/8788/Capitulo2.pdf>.

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Figura 2. Clasificación ceniza volante según propiedades químicas

Fuente: CORONA ZAZUETA, Miguel Angel. Concretos dosificados con cemento Portland y ceniza volante [en línea] México [citado: 14, abr., 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/8788/Capitulo2.pdf>. 6.3 ACTIVADOR ALCALINO

El activador alcalino se define como la solución responsable de acelerar la reacción de la fuente de aluminosilicatos, favorecer la formación de hidratos estables de baja solubilidad y promover la formación de una estructura compacta con estos hidratos. El activante que se utilizó para estudio fue hidróxido de sodio ya que es el que ha demostrado ser de mejor eficiencia. 6.4 GEOPOLÍMERO Son una nueva clase de materiales consistentes en aluminosilicatos álcali-activados formados bajo una reacción geo sintética alcanzada a bajas temperaturas, los cuales han despertado el interés a la comunidad científica, y al público en general, pues exhiben excelentes propiedades como resistencia química, térmica y mecánica, además de tener una amplia variedad de

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aplicaciones potenciales. Estas propiedades se deben básicamente a la estructura de cada material, que pueden adaptarse a diferentes aplicaciones, por lo que la geo polimerización podrá verse afectada por características como la composición mineralógica, relación sílice/ alúmina, concentración de álcalis, morfología del reactivo, superficie específica, entre otras. El término de “geo polímero” fue acuñado por Joseph Davidovits en el año de 1972, haciendo referencia a una familia de aglomerantes minerales que se encuentran muy relacionados con las zeolitas artificiales debido a la similitud de sus estructuras poliméricas, y a que la formación de los materiales geo poliméricos siguen muchas de las mismas rutas que cumplen las zeolitas. Sin embargo, la gran diferencia entre estos dos radica en que durante la geo polimerización, una vez el polvo de alumino-silicato se mezcla con la solución alcalina se forma una pasta que endurece rápidamente, por lo que no hay suficiente tiempo y espacio para que el gel o pasta pueda crecer en una estructura bien cristalizada.3

3 MARTÍNEZ LÓPEZ, Carolina. Evaluación ambiental del uso de geopolímeros basados en dos puzolanas volcánicas como alternativa potencial al cemento Portland. Tesis de maestría. Magíster en Ingeniería Ambiental. Palmira: Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería y Administración Civil, 2015, p. 14.

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7. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Figura 3. Descripción de la metodología.

Fuente: el Autor 7.1 MATERIAS PRIMAS

Las dosificaciones propuestas para este estudio se hicieron con ceniza volante y un activador alcalino: Hidróxido de sodio; adicionalmente se hicieron mezclas con cemento Portland tipo 3 como testigos para comparar el comportamiento de las mezclas propuestas vs testigos. 7.1.1 Cemento Tipo III. “Se utiliza especialmente en la elaboración de concretos y morteros en plantas y centrales de mezclas. Es empleado en construcciones con producción industrializada de concretos, estructuras de concreto con requisitos de rápida puesta en servicio y en la producción de concreto para altas solicitudes estructurales, entre otras”4

4 ARGOS. Cemento concretero [en línea] Bogotá: Argos [citado: 14, abr., 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.argos.co/colombia/productos/producto/subproducto?id=733>.

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Figura 4. Propiedades mecánicas cemento tipo 3.

Fuente: ARGOS. Informe técnico 2016 [en línea] Bogotá: Argos [citado: 14, abr., 2016]. Disponible en Internet: <http://www.argos.co/ir/informacion-financiera/reportes>. 7.1.2 Ceniza volante. Para la elaboración de las mezclas se utiliza ceniza volante, sub-producto de la generación termoeléctrica, se empleó la producida por la Termoeléctrica de Paipa (Boyacá), en esta planta se trabaja con el carbón mineral pulverizado de donde se obtiene la ceniza mediante filtros de precipitación electrostática. La misma cumple con las siguientes características:

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Figura 5. Propiedades físicas ceniza Termo Paipa.

Fuente: MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN. Departamento de Calidad. Informe técnico junio 2014. Cota: Titán, 2014. Figura 6. Propiedades químicas ceniza Termo Paipa.

Fuente: MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN. Departamento de Calidad. Informe técnico junio 2014. Cota: Titán, 2014.

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Figura 7. Ceniza volante.

Fuente: El autor. 7.1.3 Agregados. Los agregados pétreos a utilizar son gravas y arenas sedimentarias consolidadas de origen silíceo, son provenientes de la extracción de canteras ubicadas en el Departamento del Tolima. Figura 8. Agregados pétreos.

Fuente: El autor. 7.1.4 Activador alcalino. El activador alcalino que se utilizo fue hidróxido de sodio. Este se utilizó a diferentes concentraciones de acuerdo a las resistencias esperadas. La presentación utilizada será en escamas con una pureza cerca al 100%.

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Figura 9. Hidróxido de sodio en escamas.

Fuente: El autor. 7.2 DISEÑO DE MEZCLAS Bajo los resultados obtenidos en el estudio “Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente”5, se da como mezcla más eficiente para resistencia a la flexión la siguiente: Tabla 1. Diseño de mezcla base.

MEZCLA UTILIZADA PARA MORTEROS R A/C 0.6

MATERIAL CANTIDAD (Kg) DENSIDAD (KG/M3) VOLUMEN (M3)

Ceniza 500 2210 0.23

Agregado 1375 2250 0.61

NaOH 48 2130 0.02

Agua 252 1000 0.25

Total 2175 1

Fuente: ROBAYO NÚÑEZ, Estefanía. Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente. Trabajo de grado. Ingeniera civil. Bogotá: Universidad Pontificia Javeriana. Departamento de Ingeniería. Facultad Ingeniería Civil, 2013, p. 40.

5 ROBAYO NÚÑEZ, Estefanía. Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente. Trabajo de grado. Ingeniera civil. Bogotá: Universidad Pontificia Javeriana. Departamento de Ingeniería. Facultad Ingeniería Civil, 2013, 79 p.

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El resultado de esta dosificación para concreto hidráulico dio 6.28 MPa a la flexo tracción a los 28 días; sin embargo, para el estudio propuesto es necesario modificar algunos parámetros a esta mezcla ya que va a ser utilizada en “Adoquines en Concreto” (Mezcla seca) y la relación agua-cemento es mucho más baja. Para el estudio propuesto se plantearon dos mezclas, con un activador alcalino, variando la concentración del mismo en la mezcla. Para cada una de las mezclas se definió un testigo (patrón) que hacia parte de la producción común de adoquines y que servía como control de ajuste para que los parámetros de la máquina fueran igual en ambos casos y se generara la misma carga de compactación para poder comparar bajo un mismo escenario. La primera mezcla (muestra 1) se hizo con una concentración 10M y la segunda Mezcla se hizo (muestra 2) se hizo con una concentración 15M.

Muestra 1. Tabla 2 Dosificación Muestra 1

OPCION 1 R A/C 0.33

MATERIAL CANTIDAD

(kg) DENSIDAD

(kg/m3) VOLUMEN

(m3) COSTO

(kg) COSTO TOTAL

Ceniza 400 2210 0.18 $110 $44,000

Agregado Fino 1230 2480 0.50 $49 $60,270

Agregado Grueso 522 2500 0.21 $53 $27,666

NaOH 38 2130 0.02 $2,393 $90,934

Agua 94 1000 0.09 $15 $1,410

Total 2284 1.00 $224,280

Fuente: El autor. En esta opción lo que se busca es reducir la cantidad de ceniza, teniendo en cuenta que el aporte por MPa corresponde a 80 kg de ceniza, es decir, para llegar a obtener 4.2 MPa que es lo correspondiente a la NTC 2017 se necesitan 336 kg para efectos de la desviación se toma un 15% más que corresponde a 400 kg con una relación agua cemento de 0.33 que es la que se utiliza para prefabricados, sin modificar la concentración de NaOH (10M); sin embargo, sobrepasa el presupuesto estimado lo que genera poca viabilidad económica en el estudio.

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Muestra 2.

Tabla 3. Dosificación muestra 2. OPCION 2 R A/C 0.33

MATERIAL CANTIDAD

(Kg) DENSIDAD

(KG/M3) VOLUMEN

(M3) COSTO

(Kg) COSTO TOTAL

Ceniza 450 2210 0.20 $110 $49,500

Agregado fino 1200 2480 0.48 $49 $58,800

Agregado grueso 490 2500 0.20 $53 $25,970

NaOH 56 2130 0.03 $2,393 $134,008

Agua 92.5 1000 0.09 $15 $1,388 Total 2289 1.00 $269,666

Fuente: El autor. En esta opción se aumenta la cantidad de ceniza y concentración de Hidróxido de Sodio al 15M, manteniendo la misma relación agua-cemento para así poder establecer, en dado caso, que la opción anterior no cumpla un margen de seguridad y teniendo en cuenta que no es viable económicamente, pero su se puede evaluar desde el impacto ambiental. 7.3 FABRICACIÓN DE LOS ESPECÍMENES La fabricación de los adoquines se hizo en dos fases. En la primera fase se hizo la muestra 1 con su respectivo patrón y en la segunda fase se fabricó la muestra 2 con su respectivo patrón, esto con el fin de evaluar las mezclas en dos escenarios diferentes. El primer escenario se hizo con espesor de adoquín de 8 cm y en color gris y el segundo escenario se hizo con un espesor de adoquín de 6 cm y color amarillo. Figura 10. Especímenes muestra 1.

Fuente: El autor.

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Figura 11. Especímenes muestra 2.

Fuente: El autor. 7.3.1 Desarrollo del proceso. 7.3.1.1 Proceso de mezclado. Para el mezclado de las dosificaciones propuestas se utilizó la mezcladora relacionada en la (imagen 10). Esta mezcladora es de paletas horizontales con capacidad de 0.1m3, la cual sólo se utiliza para ensayos. Figura 12. Mezcladora

Fuente: El autor. 7.3.1.2 Proceso de vibro compactado. Para la fabricación de los adoquines se utilizó una máquina vibro compactadora industrial, como la que se observa en la (imagen 11). Esta máquina fue calibrada adecuadamente para que las presiones de compactación en los ciclos fueran igual tanto para los patrones como para las muestras en estudio.

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Figura 13. Vibro compactadora.

Fuente: El autor. 7.3.1.3 Curado. El curado de los adoquines tanto de patrones como de muestras fue al aire libre sin ningún tipo de hidratación y las edades de ensayo fueron 7,14 y 28 días. Figura 14. Curado de especímenes.

Fuente: El autor. 7.3.1.4 Ensayo a flexo tracción. Los ensayos a flexo tracción de los especímenes se hicieron en una prensa de flexión con un rango de calibración de 5 kN, esta máquina cuenta con calibración vigente y está ubicada en el laboratorio de manufacturas de cementos TITÁN.

29

Figura 15. Prensa de flexo tracción.

Fuente: El autor. 7.3.1.5 Ensayo de absorción. Para el ensayo de absorción se utilizó una balanza de 6000 gr con una precisión de 0.1 como se observa en la (imagen 14) y un horno de 1500 c como se observa en la (imagen 15). Figura 16. Balanza.

Fuente: El autor.

30

Figura 17. Horno de secado.

Fuente: El autor.

31

8. RESULTADOS

8.1 PRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS

A continuación se muestra los resultados obtenidos después de los ensayos del comportamiento de las cenizas en la producción de adoquines vs. muestras Patrón; para ello se establecerán dos momentos los cuales se diferencian en la fecha de realización, la especificación de altura del adoquín y color. 8.1.1 Resultados de laboratorio muestra 1.

Resultado flexo tracción a 7 días. Figura 18. Resultado de ensayo a flexo tracción muestra 1 a 7 días.

Fuente: MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN. Departamento de Calidad. Informe técnico marzo 2016. Cota: Titán, 2016.

Resultado flexo tracción a 14 días. Figura 19. Resultado de ensayos a flexo tracción muestra 1 a 14 días.

Fuente: CONTECON URBAR. Informe técnico marzo de 2016.

32

Resultado flexo tracción a 28 días. Figura 20 Resultado de ensayos a flexo tracción muestra 1 a 28 días


Resultado de absorción. Figura 21. Resultado de ensayo absorción muestra 1.


33

8.1.2 Resultados de laboratorio patrón 1.

Resultado flexo tracción a 7 días. Figura 22. Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 1 a 7 días.


Resultado flexo tracción a 14 días. Figura 23. Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 1 a 14 días

Fuente: CONTECON URBAR. Informe técnico marzo de 2016.

Resultado flexo tracción a 28 días. Figura 24. Resultado de ensayo a flexo tracción, patrón 1 a 28 días.


34

Resultado de absorción. Figura 25. Resultado de absorción patrón 1.

Fuente: MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN. Departamento de Calidad. Informe técnico marzo 2016. Cota: Titán, 2016. 8.1.3 Comparación de los resultados muestra 1 vs patrón 1. Figura 26. Evolución de resistencia muestra 1 vs patrón

Fuente: El autor. Figura 27. Resultado de absorción muestra 1 vs patrón.

Fuente: El autor.

35

Figura 28. Densidad muestra 1 vs patrón.

Fuente: El autor. 8.1.4 Resultados de laboratorio muestra 2.


Fecha de

fabricacion

Fecha de

ensayo Edad en (Dias) Referencia Lote Absorcion

12/4/2016 15/4/2016 3 AR-6AM Muestra 10.5

EspecimenAncho

Real(mm)

Espesor Real

(mm)

Longitud real

(mm)Carga Kg. F

Modulo de

rotura (Mpa)

1 98 60 199 111.15 0.83

2 98 60 198 35.69 0.26

3 98 61 199 44.87 0.32

4 98 59 199 21.41 0.17

Promedio 0.40

MANUFACTURAS DE CEMENTO TITAN

CONTROL DE CALIDAD

ENSAYO FLEXO-TRACCIÓN NTC 2017

Fuente: MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN. Departamento de Calidad. Informe técnico abril 2016. Cota: Titán, 2016.


Fecha de

fabricacion

Fecha de


12/4/2016 04/26/2016 14 AR-6AM Muestra 10.5

EspecimenAncho

Real(mm)

Espesor Real

(mm)

Longitud real

(mm)Carga Kg. F

Modulo de

rotura (Mpa)

1 98 60 198 45.88 0.34

2 98 60 198 52.005 0.39

3 98 61 199 145.88 1.05

4 98 59 199 129.5 1.00

5 98 60 198 166.21 1.23

Promedio 0.80


CONTROL DE CALIDAD



36


Fecha de

fabricacion

Fecha de


12/4/2016 6/5/2016 24 AR-6AM Muestra 10.5

EspecimenAncho

Real(mm)

Espesor Real

(mm)

Longitud real

(mm)Carga Kg. F

Modulo de

rotura (Mpa)

1 98 60 198 220.41 1.63

2 98 60 198 281.63 2.09

3 98 60 198 270.41 2.01

4 98 60 198 289.79 2.15

5 98 60 198 250 1.85

Promedio 1.95


CONTROL DE CALIDAD



Resultado de absorción. Figura 32. Resultado ensayo de absorción muestra 2.

8

Elemento Fecha de

Fabricación

Peso

sss

(g)

Peso

Sumergido

(g)

Peso

seco

(g)

Absorcion (%)Densidad

(kg/m3)

Volumen

(cm3)Area (mm2)

Altura real

(mm)

2481.7 1333.0 2253.3 10.1 1962 1148.7 18831 61

2333.5 1213.7 2104.8 10.9 1880 1119.8 18357 61

2456.8 1303.0 2208.3 11.3 1914 1153.8 18915 61

2482.2 1331.9 2259.7 9.8 1964 1150.3 19172 60

2459.0 1312.3 2222.8 10.6 1938 1146.7 19112 60

Promedio 10.5 1932 Promedio 18877

FECHA DE ENSAYO 4/20/2016 EDAD EN DÌAS

AR-6AM

Muestra2016-04-12

CONTROL DE CALIDAD

ENSAYO ABSORCION ADOQUINES



37

8.1.5 Resultados de laboratorio patrón 2.


Fecha de

fabricacion

Fecha de


12/4/2016 15/4/2016 3 AR-6AM 333 4.7

EspecimenAncho

Real(mm)

Espesor Real

(mm)

Longitud real

(mm)Carga Kg. F

Modulo de

rotura (Mpa)

1 98 59 198 336.5 2.58

2 98 60 198 319.17 2.37

3 99 61 198 412.98 2.93

4 98 60 198 464.99 3.45

5 98 60 198 458.87 3.40

Promedio 2.95


CONTROL DE CALIDAD




Fecha de

fabricacion

Fecha de


12/4/2016 04/26/2016 14 AR-6AM 333 4.7

EspecimenAncho

Real(mm)

Espesor Real

(mm)

Longitud real

(mm)Carga Kg. F

Modulo de

rotura (Mpa)

1 98 60 198 565.94 4.20

2 98 60 198 539.42 4.00

3 98 60 198 604.69 4.48

4 99 60 198 556.76 4.09

5 99 60 198 522.09 3.83

Promedio 4.12


CONTROL DE CALIDAD



Resultado flexo tracción a 28 días. Figura 35 Resultado de ensayo a flexo tracción patrón 2 a 28 días

Fecha de

fabricacion

Fecha de


12/4/2016 6/5/2016 24 AR-6AM 333 4.7

EspecimenAncho

Real(mm)

Espesor Real

(mm)

Longitud real

(mm)Carga Kg. F

Modulo de

rotura (Mpa)

1 98 59 198 665.3 5.10

2 98 60 198 596.8 4.43

3 98 61 198 603.2 4.33

4 99 61 198 663.5 4.71

5 99 60 198 668.3 4.91

Promedio 4.70


CONTROL DE CALIDAD


38

Resultado de Absorción Figura 36. Resultado ensayo de absorción patrón 2.

8

Elemento Fecha de

Fabricación

Peso

sss

(g)

Peso

Sumergido

(g)

Peso

seco

(g)

Absorcion (%)Densidad

(kg/m3)

Volumen

(cm3)Area (mm2)

Altura real

(mm)

2720.0 1568.0 2586.8 5.1 2245 1152 19525 59

2670.0 1530.0 2554.8 4.5 2241 1140 19000 60

2790.0 1602.0 2690.3 3.7 2265 1188 19475 61

2720.0 1562.0 2592.6 4.9 2239 1158 19300 60

2670.0 1520.0 2541.1 5.1 2210 1150 19167 60

Promedio 4.7 2240 Promedio 19294

AR-6AM

Muestra2016-04-12


CONTROL DE CALIDAD

ENSAYO ABSORCION ADOQUINES

FECHA DE ENSAYO 4/20/2016 EDAD EN DÌAS

Fuente: MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN. Departamento de Calidad. Informe técnico abril 2016. Cota: Titán, 2016. 8.1.6 Comparación de los resultados muestra 1 vs patrón 1. Figura 37. Evolución de resistencia muestra 2 vs patrón.

Fuente: El autor.

39

Figura 38. Resultado de absorción muestra 2 vs patrón.

Fuente: El autor. Figura 39. Densidad muestra 2 vs patrón.

Fuente: El autor. 8.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS 8.2.1 Muestra 1 vs patrón 1. En estos análisis se obtuvieron los siguientes resultados.

Módulo de Rotura: se observa que la diferencia entre el patrón y la muestra a 28 días de curado es de 80% en base al módulo de rotura patrón que corresponde 4.94 MPa. Sin embargo, la muestra 1 frente a la Norma NTC 2017 está por debajo en un 76% ya que su resultado fue de 1 MPa y lo establecido es 4.2 MPa.

Absorción: se observa que la diferencia entre el patrón y la muestra 1 en cuanto a la absorción es del 245% por encima del patrón. Y con respecto a la

40

Norma NTC 2017 es del 172 % por encima teniendo en cuenta que la exigida por Norma es de 7%.

Densidad: En cuanto a la densidad se genera una diferencia del 83 % por debajo del patrón que equivale a 363 kg/m3 8.2.2 Muestra 2 vs patrón 2. En estos análisis se obtuvieron los siguientes resultados:

Módulo de rotura: se observa que la diferencia entre el patrón y la muestra a 28 días de curado es de 58% en base al módulo de rotura patrón que corresponde 4.70 MPa. Sin embargo, la muestra 2 frente a la Norma NTC 2017 está por debajo en un 54% ya que su resultado fue de 1.95 MPa y lo establecido es 4.2 MPa.

Absorción: se observa que la diferencia entre el patrón y la muestra 2 en cuanto a la absorción es del 223% por encima del patrón. Y con respecto a la Norma NTC 2017 es del 150 % por encima teniendo en cuenta que la exigida por Norma es de 7%.

Densidad: En cuanto a la densidad se genera una diferencia del 86% por debajo del patrón que equivale a 308 kg/m3. 8.2.3 Aspectos generales. 8.2.3.1 Disminución en los resultados. Los menores resultados mecánicos, pueden estar influenciados en el menor contenido de activador alcalino si se compara con los resultado obtenidos por Estefanía Robayo en su investigación del 2013. “Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente “, en la cual ella utilizó una relación agua/cemento de 0.6. 8.2.3.2 Eflorescencias. Las mezclas realizadas con geo polímeros presentan un alto nivel de eflorescencias “cristales de sales, generalmente de color blanco, que se depositan en la superficie de ladrillos, tejas y pisos cerámicos o de hormigón”, lo que hace que estos elementos que van instalados a la vista no sean agradables estéticamente.

41

Figura 40. Eflorescencia en los especímenes.

Fuente: El autor.

42

9. CONCLUSIONES

Tomando como Patrón la mezcla elaborada por Estefanía Robayo en su investigación (2013) “Comportamiento mecánico y durabilidad de morteros de cenizas volantes activadas alcalinamente “, que es identificada como una mezcla de concreto hidráulico convencional frente a la mezcla de estudio de esta investigación (Mezcla Seca) se genera un diferencia del 50%, en la relación agua/cemento, haciendo así que la cantidad de Hidróxido de Sodio disminuya generando que su resistencia no cumpla con los parámetros establecidos.

Las mezclas geo poliméricas planteadas no tuvieron el comportamiento mecánico esperado, ya que no cumplen con las propiedades mecánicas exigidas por la norma técnica colombiana para la fabricación de adoquines NTC2017. Resistencia a la flexo tracción 4.2 MPa y Absorción 7%. Esto puede ser debido a la baja relación agua/cemento utilizada para la fabricación de estos elementos, lo que a su vez genera que el contenido de activador alcalino en las mezclas haya sido bajo.

La fabricación de la mezcla geo poliméricas seca propuesta resulta más costosa que una mezcla convencional de concreto para adoquines, esto explicado por el alto costo del activador alcalino.

Los adoquines fabricados con los geo polímeros propuestos, no cumplen con los atributos estéticos requeridos para este tipo de elementos, ya que se presentaron una serie de eflorescencias que deterioran su apariencia.

La fabricación de adoquines con las mezclas geo poliméricas propuestas, no resulta viable ni técnica, no económicamente.

43

10. RECOMENDACIONES

Para estudios posteriores se recomienda utilizar un producto químico que permita minimizar la formación de eflorescencias, obstruyendo la capilaridad y reduciendo la porosidad. Estos aditivos deben ser capaces de promover la resistencia al ataque químico y evitar la carbonatación.

Para estudios que se piensen realizar en prefabricados se recomienda que las cenizas volantes sean un reemplazo parcial del porcentaje y no se utilice el activador alcalino ya que por tener una relación agua/cemento tan baja hace que los activadores alcalinos se tengan que utilizar en concentraciones muy altas y hace que los estudios no sean viables.

44

BIBLIOGRAFÍA

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