YIRSON MONTOYA^*, ALBEIRO CADAVID^**, MARYORY ASTRID GÓMEZ^***

^* Ingeniero de Materiales, Universidad de Antioquia. SIKA Colombia. Medellín, Colombia. yamtlmrc@gmail.com

^** Estudiante de Química, Universidad de Antioquia. SIKA Colombia. Medellín, Colombia. albeirocadavid@une.net.co

^*** Ingeniera Metalúrgica, Universidad de Antioquia; Doctora en Técnicas Instrumentales de la Física y la Ciencia de los Materiales, Universidad de Barcelona. Investigadora del Grupo de Corrosión y Protección, Universidad de Antioquia. Medellín, Colombia. mgomezb@udea.edu.co

Discusión abierta hasta diciembre de 2009

En el presente trabajo se estudió la variabilidad en el desempeño de morteros con el empleo de diferentes lotes de dos tipos de aditivos, uno retardante y uno acelerante de fraguado, para tal fin, se comparó su comportamiento con un mortero sin aditivo. Se analizaron las propiedades físicas, químicas y mecánicas del cemento Pórtland gris tipo III procedente de Cementos Rioclaro, se midieron los tiempos de fraguado inicial y final utilizando diferentes dosis de aditivos, además, se realizaron medidas de resistencia a la compresión de los morteros con aditivo retardante. Se encontró poca variabilidad entre los lotes de los aditivos estudiados; con el aditivo retardante usado se encontró que cuanto mayor es el tiempo de fraguado inicial, mayor es el tiempo de fraguado final. Utilizando el aditivo en dosis hasta de 0,6 % en peso del cemento, aumentó el tiempo de retardo a valores entre 550 y 600 min con el aumento del contenido de aditivo. De forma similar, con el aumento en el contenido del aditivo retardante, bajó la resistencia inicial y aumentó la resistencia final del mortero. Con dosis crecientes de aditivo acelerante disminuyó el tiempo de fraguado de las mezclas estudiadas.

In the present work the variability in the performance of mortars by using different batches of two types of additives, one retardant and one accelerant of setting was studied, for this purpose, their behavior was compared with a mortar without additive. The physical, mechanical, and chemical properties of the gray Portland cement type III from Cementos Rioclaro, the initial and final setting times using different doses of additive were measured; besides, compression strength tests of mortars with retardant additive were made. Between the additives batches studied a small variability was found; the retardant additive used with a content of 0,6 wt % of cement showed that as the higher initial setting time, final setting time is higher. Using the additive in doses up 0,6 % wt of cement and increase of the retard time around 550 y 600 min with the increase in the additive content. Similarly, with the increase of the retardant additive diminishes the initial strength and increases the final strength of the mortar. With growing doses of accelerant content additive diminished the setting time of the mixes studied.

No presente trabalho se estudou a variabilidade no desempenho de morteiros com o emprego de diferentes lotes de dois tipos de aditivos, um retardante e um acelerante de pega, para tal fim, se comparou seu comportamento com um morteiro sem aditivo. Analisaram-se as propriedades físicas, químicas e mecânicas do cimento Pórtland cinzento tipo III procedente de Cementos Rioclaro, se mediram os tempos de pega inicial e final utilizando diferentes doses de aditivos, além disso, se realizaram medidas de resistência à compressão dos morteiros com aditivo retardante. Se encontrou pouca variabilidade entre os lotes dos aditivos estudados; com o aditivo retardante usado se encontrou que quanto maior é o tempo de pega inicial, maior é o tempo de pega final. Utilizando o aditivo em dose até de 0,6 % em peso do cimento, aumentou o tempo de atraso a valores entre 550 e 600 min com o aumento do conteúdo de aditivo. De forma similar, com o aumento no conteúdo do aditivo retardante balxou a resistência inicial e aumentou a resistência final do morteiro. Com dose crescentes de aditivo acelerante diminuiu o tempo de pega das misturas estudadas.

El concreto y el mortero son los materiales de construcción más económicos de larga duración conocidos hasta la actualidad. Alrededor de este material se mueve un gran capital en el ámbito mundial, por lo que su consumo es uno de los principales indicadores del desarrollo de un país.

La mezcla íntima de los componentes del concreto convencional (cemento Pórtland, agregados y agua) produce una masa plástica (plasticidad que adquiere al añadirle agua) que puede ser moldeada y compactada con relativa facilidad cuando está en estado fresco; pero gradualmente pierde esta caracter ística hasta que al cabo de algunas horas la mezcla se vuelve rígida, y comienza a tomar el aspecto, comportamiento y propiedades de un cuerpo sólido, para convertirse finalmente en el material con alta resistencia mecánica, el concreto endurecido.

Antiguamente los egipcios, griegos y romanos adicionaron sustancias naturales como sangre, grasa animal o leche al concreto para mejorar sus propiedades, por tanto, los aditivos son tan antiguos como el concreto mismo (Schubel, Warrior y Elliott, 2008; Moropoulou, Bakolas y Anagnostopoulou, 2005; Jasiczak y Zielinski, 2006). En la segunda mitad del siglo XX, mejores productos de síntesis química desplazaron las sustancias naturales que se habían usado hasta esa época y desde entonces el estudio de estos productos industriales ha tenido gran interés por razones económicas, ambientales y técnicas. Técnicamente el uso de un aditivo tiene como propósito mejorar propiedades físicas o químicas selectivas del concreto en estado fresco o en estado endurecido. Por ejemplo, hay casos en los que el uso de un aditivo puede ser el único medio para obtener el resultado requerido, como son aditivos contra congelación y deshielo, aditivos para acelerar o retardar el tiempo de fraguado, aditivos para obtener altas resistencias, etc. (Majko y Pistilli, 1984; Wei, Naik y Golden, 1994; Erdogan, Genç y Demirbas, 1992; Hamling y Krimer, 1992; Conjeand y Sorrenti, 1981; Tüfekçi, Demirbas y Genç, 1997; Erdogan, Zeybek y Demirbas, 1998; Demirbas y Aslan, 1998; Demirbas y Aslan, 1999; Altun y Yilmaz, 2002).

Los aditivos para concreto pueden ser mezclas químicas que incluyen sales de ácidos lignosulfónicos e hidroxicarboxílicos, condensados de sulfonato naftaleno (CSFN), condensados de sulfonato melanina (CSFM), alkanolaninas y sales de cloruro, nitrito y nitrato. Es de gran importancia conocer los aditivos químicos contenidos en el concreto y el mortero para determinar desviaciones en el desempeño esperado; este análisis puede ser difícil, porque los aditivos están presentes en concentraciones relativamente bajas. Además, con frecuencia los aditivos pueden formar otros compuestos debido a la hidrólisis alcalina o precipitar como sales insolubles de calcio durante el proceso de hidratación del cemento en la mezcla del concreto fresco, por lo tanto, algunos aditivos no se encuentran en su forma química original dentro de la mezcla (Jeknavorian et al., 1998).

La funcionalidad de los aditivos, en general, está limitada a la variabilidad de cada lote fabricado y de ella depende en gran parte la demanda de determinado aditivo en el mercado, así como la satisfacci ón de las necesidades planteadas para morteros y concretos aditivados, en los que se requiere un buen desempeño de forma homogénea (Gaspar, 1985). El propósito de este trabajo fue comparar las propiedades mecánicas y tiempos de fraguado de morteros y concretos para analizar la variabilidad del desempeño con dos aditivos, uno acelerante y otro retardante, ambos provenientes de varios lotes seleccionados aleatoriamente, utilizando un cemento Pórtland gris tipo III como una referencia representativa de los cementos utilizados con aditivos en el mercado.

2.1 Materiales de partida

Para el presente estudio se seleccionó un aditivo retardante a base de lignosulfonatos modificados, agua y un preservante; se usó un aditivo acelerante de fraguado libre de álcalis (lo que lo hace más costoso en el mercado) elaborado a base de sales orgánicas, usualmente utilizado para mortero proyectado en túneles.

2.2 Morteros

En el laboratorio se elaboraron cubos de morteros de 5 cm de lado con cemento Pórtland gris tipo III sin ningún aditivo, para usarlos como referencias de comparación. Las dosificaciones empleadas de aditivo retardante de fraguado fueron de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 p/p del cemento y para el aditivo acelerante de fraguado dosificaciones de 3, 6, 9 y 12 p/p de cemento; los diferentes ensayos fueron realizados por triplicado. Los morteros se elaboraron utilizando la misma relación agua/cemento (A/C) y las partes de arena indicadas en la elaboración de las muestras para el estudio de la resistencia a la compresión del cemento (A/C = 0,49 y 2,75 partes de arena por una parte de cemento), para evaluar tanto el aditivo acelerante como el retardante.

Las medidas de tiempo de fraguado se tomaron de acuerdo con la norma ASTM C 191-08 en un aparato Vicat Humboldt. Para realizar la evaluación de las propiedades mecánicas del mortero con aditivo retardante, las muestras con geometría de cubos fueron sometidas a pruebas de compresión a los 1, 3, 7 y 28 días de curado de acuerdo con la norma ASTM C109-07. Las pruebas de resistencia a la compresión se ejecutaron en una prensa hidráulica CO N TRO LS C 90/12. Al mortero con aditivo acelerante no se le efectuaron pruebas de compresión debido a que ocurre el fraguado tan rápido que no se puede elaborar la probeta.

2.3 Concretos

Las pruebas de campo se hicieron con 0,4 % del aditivo retardante de fraguado tomado de tres lotes diferentes, se empleó un concreto preparado en una mezcladora de eje inclinado, donde se mezcló agregado grueso (61,56 kg), agregado fino (54,3 kg), cemento gris tipo III (14,04 kg), escoria (3,54 kg), agua (11,76 kg) y el aditivo retardante (0,056 kg). Una vez homogeneizada la mezcla, se realizó la prueba de asentamiento a los 15, 30, 45 y 60 min de acuerdo con la norma ASTM C143-90, además se midió la temperatura del concreto una vez preparada la mezcla y a los 45 minutos. Se realizaron las medidas de tiempo de fraguado del concreto, y con la mezcla preparada se elaboraron cilindros de 15 cm de diámetro por 30 cm de longitud para pruebas de compresión bajo la norma ASTM C 31-08, la mezcla de concreto se dejó durante 24 h dentro de las formaletas de acero y después fueron sometidas a curado en una piscina de agua hasta el momento en que se desarrollaron las pruebas de resistencia a la compresión bajo la norma ASTM C 39-01.

3.1 Materiales de partida

El análisis de aspecto del aditivo retardante mostró en los cinco lotes seleccionados estado líquido de color café, mientras que el aditivo acelerante es un líquido oscuro ligeramente turbio. En la tabla 1 se muestran las propiedades estudiadas en los dos aditivos; se puede observar que la densidad promedio del aditivo acelerante es ligeramente superior a la del aditivo retardante, mostrando el primero porcentajes de residuo sólido y viscosidad menores que el retardante. De acuerdo con los valores de pH el aditivo retardante es ligeramente alcalino, mientras que el acelerante es ácido, ya que es libre de álcalis. Se puede apreciar que hubo muy poca variación en los valores de cada propiedad para los diferentes lotes de cada tipo de aditivo.

Los resultados de los análisis de fraguado desarrollados al cemento Pórtland gris tipo III mostraron que el tiempo de fraguado inicial del cemento sin ningún aditivo es de 74 min, mientras que el tiempo de fraguado final es de 171 min.

En la tabla 2 se presentan los resultados del análisis químico realizado al cemento, se verifica que la composición química del cemento cumple con su clasificación.

3.2 Morteros

En la figura 1 se muestra el tiempo de fraguado inicial (Fi) y final (Ff) del mortero con dosificaciones de 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 % de aditivo retardante (tomado de los 5 lotes en estudio). Las líneas punteadas indican los tiempos de fraguado inicial y final medidos en el mortero sin aditivo. Como se observa, el tiempo de fraguado del cemento con dosis de 0,2 % presenta muy poca variación de un lote respecto al otro, tanto para el fraguado inicial como para el fraguado final.

Los tiempos de fraguado Fi y Ff con una adición de 0,4 % de aditivo retardante aumentaron respecto a la adición de 0,2 %, como era de esperarse; con esta adición (0,4 %) es con la que más se trabaja en la construcción, debido a que facilita la puesta en obra con resultados óptimos para evitar juntas frías en el vaciado de la mezcla. Con una dosificación de 0,6 % de aditivo retardante, se observa una pequeña variación; el lote 5 muestra el tiempo de fraguado inicial superior en un 22 % respecto al tiempo medido en los demás lotes (figura 1). Con una adición de 0,8 % de aditivo retardante se invierte el fenómeno ocurriendo una aceleración del fraguado tanto inicial como final respecto a las dosificaciones mostradas antes, tal vez por saturación de aditivo en el sistema, ya que este aditivo es por naturaleza dispersante. Como se puede verificar en la figura 1 el tiempo de fraguado inicial con esta dosificación en todos los lotes estudiados fue menor que en el mortero sin aditivo, mientras que los tiempos de fraguado final fueron inferiores en los lotes 2 y 5 respecto al mortero sin aditivo, lo anterior indica que una dosificación de 0,8 % de retardante no es adecuada, sólo lleva a incrementar los costos en la construcción y afectaría sus parámetros técnicos al revertirse el fenómeno retardante por uno acelerante.

En la figura 2 se presenta la gráfica correspondiente a los morteros con aditivo acelerante con las dosificaciones de 3, 6, 9 y 12 %. La figura 2a muestra los tiempos Fi y Ff adicionando el 3 % de aditivo acelerante; las líneas punteadas indican los tiempos de fraguado de los morteros sin aditivo empleados como patrón de comparación. Se observa poca diferencia en los tiempos de fraguado con aditivo respecto a la muestra de referencia, además de pequeñas variaciones entre los diferentes lotes. La figura 2a muestra que 3 % no es una dosis adecuada, cuando se quiere acelerar el fraguado de un mortero para puesta en obra de inmediato que requiera alta resistencia mec ánica a temprana edad. Cuando se utiliza el 6 % de aditivo acelerante se observa fraguado mucho más rápido respecto a la dosificación de 3 % (figura 2b), la diferencia entre el tiempo de fraguado inicial y el tiempo de fraguado final también es muy corta, unos 70 segundos.

En la figura 2c se muestra que con el 9 % de aditivo acelerante, entre los tiempos de Fi y Ff se observa una diferencia similar a la obtenida con la dosificación de 6 % (figura 2b). Con la adición del 12 % de aditivo acelerante (figura 2d) se continúa obteniendo una diferencia muy similar entre los tiempos de Fi y Ff a la obtenida con el 6 % y el 9 %, además el comportamiento al fraguado es muy similar entre los 5 lotes, no apreciándose diferencias considerables. Con las dosificaciones de 6, 9 y 12 % se alcanzan resultados ostensiblemente mejores a los obtenidos con la dosificación del 3 % de este aditivo. Se puede observar que los tiempos de fraguado, tanto inicial como final para una adición del 9 %, son muy cercanos a los tiempos con una adición del 12 %, lo que indica que por encima del 9 % se desperdicia aditivo, incluso por encima del 6 % se puede estar desperdiciando, puesto que es muy poca la mejora en el comportamiento cuando se incrementa de 6 a 9 % de aditivo.

La figura 3 presenta la resistencia a la compresi ón del mortero sin aditivo en función de los días de curado; como era de esperarse, la resistencia aumenta con los días de curado desde 22,9 MPa al primer día de curado hasta 56 MPa a los 28 días. La figura 4 muestra la resistencia a la compresión desarrollada por los morteros a 1, 3, 7 y 28 días con las diferentes cantidades de aditivo retardante. En todas las gráficas de esta figura se observa una tendencia similar: un incremento en la resistencia a la compresión con los días de curado y un comportamiento muy homogéneo para los 5 lotes de aditivo estudiados. En la figura 4a se aprecia que la resistencia a la compresión de mortero con 2 % de acelerante prácticamente no varía con el uso del aditivo respecto a la resistencia desarrollada por el mortero sin aditivo (figura 3).

En la figura 4d correspondiente al mortero con una dosis de 0,8 % de aditivo retardante, se observa que a los 3 días ya el mortero comenzó a ganar resistencia, y a las demás edades continúa ganando resistencia mostrando valores un poco inferiores a los obtenidos con 0,4 y 0,6 % de aditivo. No se presentan resultados a las 24 horas de curado debido a que esta resistencia fue nula, o sea, no fue detectada por la prensa de medida, ya que con esta cantidad de aditivo la mezcla aún se encontraba en estado fresco.

3.3 Concreto

En la tabla 3 se resumen los resultados de las medidas de asentamiento y temperatura tomadas a las mezclas de concreto preparadas en campo, usando una dosificación de 0,4 % del aditivo retardante. Como se puede apreciar, el asentamiento disminuyó de forma muy similar en las tres mezclas de concreto, desde un asentamiento inicial alrededor de 12 cm hasta uno alrededor de 7 cm transcurridos 60 minutos de preparadas las mezclas. Entre la temperatura que se midió en la mezcla de concreto cuando fue preparada y la temperatura medida a los 45 minutos sólo se encontraron diferencias entre 1 y 2 ºC; estos resultados son consistentes con los mostrados en la figura 1.

La figura 5 presenta los resultados de los tiempos de Fi y Ff medidos en las pruebas de campo. Como se puede observar la tendencia es similar con los tres lotes de aditivos empleados, encontrándose muy buena reproducibilidad, con una diferencia de 5 horas entre los tiempos de Fi inicial y Ff.

En la figura 6 se muestran los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión de los cilindros realizados, con los tres lotes de aditivo retardante ensayados con dosificación de 0,4 %. Se obtuvieron buenos resultados, es decir, las cantidades empleadas de agregado grueso, agregado fino, cemento, agua y aditivo se utilizan para elaborar un concreto normal de 21 MPa (de acuerdo con la norma sismorresistente colombiana NSR-98) y, como se puede apreciar, la resistencia del concreto para este ensayo es de más o menos 28,5 MPa, superior a la esperada.

Se encontró que, con las diferentes dosis de aditivo retardante empleadas, el comportamiento del mortero, lote a lote es similar; para mayor tiempo de fraguado inicial se obtuvieron mayores tiempos de fraguado final. Las dosificaciones con las que se obtuvieron los mayores tiempos de retardo fueron 0,4 y 0,6 % de aditivo, mientras que con 0,8 % el fenómeno se invirtió, ocurriendo una aceleración del fraguado.

Una dosificación de 3 % de aditivo acelerante prácticamente no disminuye el tiempo de fraguado respecto al mortero sin aditivo, mientras que con dosificaciones de 6, 9 y 12 % disminuye de modo ostensible el tiempo de fraguado, obteniéndose con el 9 % y el 12 % tiempos de fraguado final alrededor de 150 s, en tanto que con 6 % de aditivo se obtuvo un tiempo de fraguado final alrededor de 210 s, lo que sugiere que 6 % es la cantidad óptima para no desperdiciar el aditivo.

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