Sobre la influencia de la composición, concentración y adiciones en el comportamiento de flujo viscoso no-newtoniano de pastas de cemento volcánico andino
- Autores: Nicolás Marcelo Páez Flor
- Directores de la Tesis: Francisco José Rubio Hernández (dir. tes.), José Francisco Velázquez Navarro (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Málaga ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jose Muñoz García (presid.), Ana Isabel Gómez Merino (secret.), María Jesús Hernández Lucas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecatrónica por la Universidad de Málaga
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RIUMA
- Resumen
RESUMEN El Cemento Portland (CP) es parte fundamental en la elaboración de distintos tipos de mezclas cementosas (pastas, morteros, hormigones) utilizadas en distintos tipos de elementos constructivos tales como columnas, vigas, losas, paredes, juntas, etc. En el proceso constructivo, los ingenieros necesitan que el CP cumpla con una serie de características mecánicas y químicas específicas que permitan una elaboración cómoda de las mezclas, una manipulación eficiente del material cementante en estado fresco y, finalmente, que dichos elementos constructivos adquieran la resistencia en estado endurecido suficiente para poder soportar las cargas para las cuales han sido diseñadas. El uso de materiales sustitutos del CP se ha extendido en muchos países con el triple fin de obtener mejoras en sus propiedades (tanto en estado fresco como endurecido), disminuir costos de producción y disminuir la emisión de dióxido de carbono en la atmosfera. Con relación a este último objetivo, es importante destacar que la producción mundial de cemento genera el 5% de CO2.
EL gobierno nacional del Ecuador, por medio de la Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología (SENESCYT), otorgó becas a profesores investigadores de todo el mundo (becas Prometeo) para realizar estancias de investigación en las universidades ecuatorianas y, así, potenciar líneas de investigación prioritarias para el desarrollo del país. El profesor Francisco José Rubio Hernández, Catedrático de la Universidad de Málaga, consiguió en 2014 una beca Prometeo para desarrollar un programa de investigación en Reología de materiales prioritarios para el desarrollo industrial de Ecuador en la Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE. Esta Universidad nombró como contraparte al profesor Nicolás Marcelo Páez Flor, que había finalizado el año anterior un Máster en Hidráulica Ambiental en la Universidad de Málaga. Resultado de esta estancia se planteó el estudio del comportamiento viscoso de pastas de cemento obtenidas por sustitución de cemento con adiciones de puzolana volcánica natural (PVN), abundante en la región andina de Ecuador, ya que este país cuenta con varios volcanes en estado activo.
Aunque el CP comercial producido en Ecuador utiliza como sustituto parcial PVN, únicamente existían, en el momento de plantear esta investigación, estudios de las ventajas de esta sustitución en estado endurecido del producto final, no existiendo estudios conocidos sobre su comportamiento en estado fresco. Los ejemplos que demuestran la necesidad de conocer el comportamiento en estado fresco de un material cementoso, es decir, justo después de terminar la mezcla de sus diferentes componentes, son variados: • Al colocar hormigón verticalmente para formar una columna, es necesario aplicar vibraciones a diferentes alturas para evitar la segregación de los agregados más pesados. El proceso es costoso. Afortunadamente, gracias al empleo de métodos reológicos, se ha podido constatar que el uso de aditivos plastificantes permite reducir, incluso eliminar, la necesidad de vibración de los nuevos hormigones.
• Dependiendo del tiempo establecido para que la hidratación del cemento, debida a su reacción con el agua, sea la adecuada para determinada aplicación práctica, resulta necesario el uso de aditivos retardantes del fraguado. La presencia de estos aditivos retardantes modifica el comportamiento reológico del material cementoso, que necesita, por lo tanto, ser adecuadamente caracterizado.
• Habitualmente se utilizan pastas de cemento para reparar construcciones verticales. En este caso, es necesario que el material se reestructure rápidamente una vez aplicado, aunque sin perder su docilidad para aceptar fácilmente cambios en su forma durante el proceso de aplicación.
• Dependiendo de las características físicas y químicas de los agregados y aditivos utilizados en las mezclas habrá que seleccionar la bomba y su potencia necesarias para mover la mezcla en estado fresco de manera óptima (según las limitaciones en el tiempo) y eficiente (consumiendo la menor cantidad de energía).
• Finalmente, es evidente que si las mezclas cementosas son muy viscosas, los trabajadores necesitarán mayor esfuerzo para ubicarlas en los elementos constructivos. Por otra parte, si el tiempo de duración del material en el estado fresco es excesivamente corto, los trabajadores se ven obligados a ubicar las mezclas antes de que comiencen los procesos de hidratación irreversibles.
De manera general, se puede afirmar que el estudio del comportamiento viscoso de cualquier fluido está dirigido a determinar la influencia que tienen diferentes parámetros físicos y químicos en su viscosidad. De forma algo más concreta, en el caso de materiales cementosos, el objetivo del estudio viscoso consiste en cuantificar los cambios de viscosidad que experimentan las mezclas en función de su composición, características de las adiciones (forma, volumen, tamaño, reactividad, porosidad, densidad), velocidad de deformación y temperatura. Adicionalmente, la evolución del valor de la viscosidad con el tiempo cuando se mantiene una velocidad de agitación establecida, es otro aspecto de especial interés a la hora de obtener un material con óptimas características para su aplicación en estado fresco y posterior rendimiento cuando alcanza el estado endurecido. Ciertamente, la Reología, que es la ciencia que estudia la deformación y el flujo de la materia, no solamente estudia el comportamiento viscoso de los fluidos (en este caso, pastas de cemento), sino que también estudia el comportamiento viscoelástico de los materiales. Este último aspecto ha quedado fuera de análisis. En esta tesis se ha centrado el interés únicamente en la respuesta viscosa de pastas de cemento resultantes de la sustitución de CP por determinadas proporciones de PVN, considerando el papel jugado en dicha respuesta por la relación agua/sólido y el tipo y cantidad de material plastificante. El estudio de la influencia de materiales plastificantes tiene como objeto encontrar una formulación de hormigón autocompactante, tan útil en zonas sísmicas como los Andes ecuatorianos, que tenga como base el cemento volcánico aquí considerado. Se inició esta investigación partiendo de la hipótesis enunciada por Farris (1968), Ferraris and Gaidis (1992), entre otros; admitir que la respuesta viscosa de las pastas de cemento es capaz de predecir la respuesta viscosa de morteros (pasta de cemento más árido fino) y hormigones (mortero más árido grueso). Dado que en Ecuador se comercializan cementos resultantes de la sustitución parcial de CP con PVN, este estudio comenzó, lógicamente, con el análisis del comportamiento viscoso de pastas de cemento obtenidas con cementos comerciales distribuidos por la empresa Lafarge con sede en Otavalo (Ecuador). Se realizaron dos tipos de ensayos. Con el primero se obtuvo la viscosidad estacionaria de las pastas de cemento a distintas velocidades de cizalla. Con el segundo ensayo reológico se obtuvo el valor del esfuerzo con el que las pastas respondían al aplicarles la máxima velocidad de cizalla, tras mantener las muestras en reposo durante tiempos crecientes (respetando condiciones de reversibilidad estructural en cada caso). De esta forma se obtuvieron dos curvas características, la primera proporciona información sobre la evolución del esfuerzo de cizalla con la velocidad de cizalla (curva de flujo estacionario) y la segunda permite tener una idea de la evolución de la microestructura de la muestra en reposo en función del tiempo y consecuentemente, de la evolución, con el tiempo de reposo, de su límite de fluencia. Los resultados de este estudio dieron lugar al primero de los artículos que conforman el compendio recogido en la tesis doctoral, que ha sido publicado en Advances in Cement Research (2017).
Los cementos comerciales utilizados en esta primera fase se diferenciaron entre sí por el porcentaje de sustitución de CP con PVN, siendo desconocida a priori, por razones comerciales, la proporción de CP sustituida en cada caso (fue necesario analizar la composición mineralógica de cada cemento y la de la PVN para estimar dicho parámetro). Por lo tanto, para determinar la influencia en la respuesta viscosa de las pastas según la cantidad de CP sustituida, se procedió a realizar un análisis de los cambios provocados por la sustitución con distintas cantidades de PVN a un CP puro. Se concluyó que las diferencias en los valores del área superficial específica (mayor en la puzolana) y la densidad (mayor en el cemento) de las partículas de cada componente sólido determinan el aumento observado de la viscosidad de las pastas de cemento puzolánico natural (PCPN) con respecto al valor obtenido con pastas de cemento Portland (PCP). Los resultados de este estudio fueron enviados para su publicación, encontrándose actualmente en revisión, a la revista Construction and Building Materials. La PVN es un material proveniente de “actividad volcánica”, la cual está generalmente vinculada con actividad sísmica. Por lo tanto, una de las aplicaciones del cemento volcánico diseñado en esta investigación, específicamente pensada para su uso en Ecuador, dada la localización de su producción, ha de referirse a su utilización en construcciones anti-sísmicas. Para este tipo de aplicaciones se diseñó en Japón en la década de 1980 un hormigón denominado genéricamente auto-compactante. Con el uso de hormigones auto-compactantes se puede incrementar el reforzamiento de estructuras de hormigón armado, ya que el árido grueso utilizado en este tipo de hormigones es de un tamaño relativamente pequeño (alrededor de 15mm), y no precisan de vibración para conseguir una distribución homogénea de sus componentes gracias a su alta capacidad en minimizar el indeseable efecto de segregación. De esta forma, se ve incrementada apreciablemente la resistencia a la flexión de las construcciones, obteniendo como resultado una estructura sismo-resistente. Para conseguir este resultado se precisa del concurso de aditivos plastificantes. En esta tercera fase del estudio se ensayaron varios tipos de aditivos de uso común suministrados por dos fabricantes. De esta forma se determinó, en primer lugar, el tipo de aditivo (policarbonato o acrílico) más eficaz con las PCPN, objeto de nuestra investigación. La eficacia de los aditivos viene determinada por su efecto en dos parámetros característicos de la respuesta reológica (viscoplástica) de los materiales cementantes. Por un lado, su capacidad para reducir el valor del límite de fluencia (lo que facilita el flujo del material en estructuras intrincadas) y aumentar la viscosidad plástica de la pasta de cemento (lo que reduce el riesgo de segregación de los áridos dispersados en dicha matriz). Una vez comprobada la mayor eficacia del aditivo acrílico en la consecución de una pasta de cemento volcánico autocompactante, se realizó un estudio detallado de dicho tipo de aditivo variando la sustitución de cemento por puzolana, la concentración de agua en la pasta y la concentración de aditivo. Los resultados de este estudio dieron lugar al segundo de los artículos que conforman el compendio recogido en la tesis doctoral, que ha sido publicado en Advances in Cement Research (2018).
Se observó que uno de los aditivos dio lugar a respuesta no monótona en las curvas de flujo estacionario obtenidas con ambas pastas, es decir, para determinado intervalo de velocidad de cizalla se observó una disminución de la respuesta en esfuerzo de cizalla con el aumento de la velocidad, que discrepa del comportamiento formalmente esperado, es decir, aumento del esfuerzo con la velocidad de cizalla, o viscosidad diferencial positiva. El estudio del estado del conocimiento sobre este comportamiento permitió confirmar que éste era un comportamiento ya observado en otros materiales, resultado de diferentes tipos de inestabilidades. Curiosamente, la literatura mostraba inequívocamente que solo se obtenía este comportamiento si la curva de flujo estacionario del material que presentaba comportamiento shear-thinning era obtenida en modo de velocidad controlada, mientras que dicha curva debía obtenerse en modo de esfuerzo controlado para observar pendiente negativa si el material presentaba comportamiento shear-thickening. Hasta ese momento nadie había justificado este comportamiento, salvo por la genérica apelación ya señalada a inestabilidades manifestadas por bandas de cizalla (shear-banding) u ocasionadas por deslizamiento del material en las paredes del rotor. Se propuso una explicación del fenómeno basada en la combinación de dos aspectos, por un lado, el modo en que un reómetro actúa sobre el material para obtener información sobre su respuesta mecánica y, por otro, la naturaleza del material objeto de estudio. Los resultados de este estudio dieron lugar al tercero de los artículos que conforman el compendio recogido en la tesis doctoral, que ha sido publicado en Rheologica Acta (2018).
