Empaquetamiento granular de partículas finas en sistemas cementíceos multicomponentes
El hormigón es el material de construcción más importante usado en todo el mundo, debido a sus propiedades mecánicas y durables y a su relativo bajo costo. Sin embargo, presenta un impacto ambiental significativo con respecto a las emisiones de dióxido de carbono (CO2) que pueden alcanzar hasta el 7...
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Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería
2019
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Hormigón Impacto ambiental Dióxido de carbono Cemento portland Materiales cementíceos Empaquetamiento de partículas Sistema granular Método de empaquetamiento húmedo Modelo de empaquetamiento compresible MEC Inter-particle spacing IPS Waterfilm thickness WFT Cemento Ingeniería Marchetti, María Guillermina Empaquetamiento granular de partículas finas en sistemas cementíceos multicomponentes |
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El hormigón es el material de construcción más importante usado en todo el mundo, debido a sus propiedades mecánicas y durables y a su relativo bajo costo. Sin embargo, presenta un impacto ambiental significativo con respecto a las emisiones de dióxido de carbono (CO2) que pueden alcanzar hasta el 7-8% de la liberación global de CO2, generadas principalmente por la producción de cemento portland. Entre las estrategias para reducir esta emisiones se encuentran el uso de materiales cementíceos suplementarios (MCS) como reemplazo parcial del cemento. El diseño de una mezcla de hormigón es fundamentalmente un problema de empaquetamiento volumétrico. Todos los métodos existentes de dosificación incorporan de alguna manera una medida indirecta del empaquetamiento de partículas al aproximar las proporciones de los agregados a una curva de distribución ideal. Sin embargo, las proporciones ideales para el hormigón dependen no sólo de la curva de distribución de tamaños de los agregados sino también de las características de empaquetamiento de los componentes finos como el cemento, y los MCS. Un buen diseño de empaquetamiento de un sistema granular permite aumentar la eficiencia de los materiales cementíceos; y la combinación apropiada de los MCS de diferentes tamaños de partículas, podría aumentar la densidad de empaquetamiento y reducir la demanda de agua. Este concepto de empaquetamiento también se convierte en una oportunidad para que las arcillas calcinadas, disponibles localmente, junto con el filler calcáreo integren un sistema tricomponente cementíceo con propiedades especiales. Para evaluar el efecto neto debido a la incorporación de MCS, en la década de los 90 los investigadores Funk y Dinger, desarrollaron el concepto inter-particle spacing (IPS), que representa la distancia entre partículas dentro de una mezcla. Recientemente, investigadores de la Universidad de Hong Kong han presentado este concepto aplicado a materiales cementíceos, en términos de un único parámetro: el waterfilm thickness (WFT), que tiene el significado físico de ser el espesor promedio de la película de agua que recubre las partículas sólidas y que representa la mitad del IPS. Para las mediciones experimentales del empaquetamiento de un sistema de materiales cementíceos existen diversos métodos, que se clasifican ampliamente en directos o indirectos. Las experiencias desarrolladas con estos métodos han demostrado que los mismos no son adecuados para medir la densidad de empaquetamiento de materiales cementíceos. Teniendo en cuenta esto, Wong y Kwan han desarrollado un nuevo método que combina características de los métodos directos e indirectos llamado Método de empaquetamiento húmedo y el mismo es el que se utilizó en la presente tesis para realizar las pruebas experimentales. Por otra parte, para predecir y optimizar el empaquetamiento de un sistema de partículas se han desarrollado diversos modelos. Los mismos predicen la densidad de empaquetamiento de una mezcla en función de la distribución de tamaño de las mismas y de la densidad de empaquetamiento de cada fracción monogranular que integran la mezcla. El modelo seleccionado para predecir la densidad de empaquetamiento de las mezclas analizadas fue el Modelo de empaquetamiento compresible (MEC) desarrollado por de Larrard. Con el objetivo de mejorar el comportamiento reológico y mecánico, y en consecuencia,las emisiones de CO2 debido a la reducción de la proporción de clincker, se estudió el empaquetamiento de pastas binarias, ternarias y de morteros. Para seleccionar los materiales para alcanzar los objetivos, primero se caracterizaron distintos cementos portland, cementos mezcla y MCS a los cuales se les midió la densidad de empaquetamiento. Luego con los mismos se conformaron los diversos sistemas a los cuales se les midió y calculó la densidad de empaquetamientos y el WFT y se evaluó la influencia del empaquetamiento en las propiedades reológicas y mecánicas. Los resultados mostraron que el modelo de predicción seleccionado tuvo una buena correlación con los valores experimentales en todos los casos. La densidad de empaquetamiento de mezclas binarias con filler calcáreo se incrementó con el aumento de porcentaje de reemplazo hasta un nivel de 60%. En tanto que las mezclas con metacaolín incrementaron su densidad de empaquetamiento con el aumento del reemplazo hasta un nivel de 20%. Los valores de WFT para las mezclas con filler calcáreo superaron a los del cemento en tanto que los WFT de las mezclas con metacaolín solo superaron a los del cemento hasta que el incremento proporcional de la superficie específica comenzó a ser mayor que el incremento proporcional de la cantidad de exceso de agua. La fluidez de las pastas de cemento mejoró notablemente con la incorporación de filler calcáreo y de metacaolín, cuando se utilizó la máxima dosis de aditivo súper plastificante, debido a que se garantizó la completa dispersión de los materiales cementíceos. La incorporación de filler calcáreo y de metacaolín mostró un adelanto en los tiempos de fraguado y un adelanto en la ocurrencia de los puntos singulares de la curva calorimétrica. Los sistemas ternarios con filler calcáreo y metacaolín optimizaron el comportamiento del cemento portland en todos los casos. Las pastas binarias con incorporación de metaillitas, disponibles localmente, se realizaron como base previa al estudio de morteros. Los resultados mostraron que en las pastas la densidad de empaquetamiento del cemento portland disminuyó cuando se incorporaron estas metaillitas, ya que las mismas presentan un distribución granulométrica similar a la del cemento con lo cual el efecto de llenado no resultó eficiente. La disminución de la densidad de empaquetamiento sumada al incremento de la superficie específica hizo que los valores de WFT y en consecuencia la fluidez también disminuyan con la incorporación de metaillitas. Contrariamente a estos resultados, los morteros con metaillitas presentaron un incremento en la densidad de empaquetamiento respecto al mortero de cemento portland, indicando que la distribución granulométrica de cemento más metaillitas llena de manera eficiente los vacíos entre las partículas de arena. Los valores de WFT y de fluidez de los morteros también presentaron una mejora al incorporarse las metaillitas. |