Capítulo I: Fundamentos teóricos acerca del uso de adiciones puzolánicas en lechadas de
3- Propiedades reológicas de lechadas de cemento Portland
3.2 Métodos para determinar las propiedades reológicas Cono de Marsh
Las propiedades reológicas delas lechadas de cemento se investigan para optimizar la fluidez. La fluidez controla la capacidad de la lechada de penetrar en
ensayos del cono de Marsh, ensayos de asentamiento con el mini-cono y con reómetros.
Un número de intentos para encontrar formas sencillas pero precisas para la determinación de la viscosidad de los fluidos no newtonianos y newtonianos se han hecho por Pitt (2000), Nguyen et al. (2006), Roy y Roussel (2005). Estos autores han investigado la posibilidad de utilizar el cono de Marsh como herramienta estándar para la investigación de lechadas (Roy y Roussel 2005).
La técnica es llenar a una cierta altura un cono de dimensiones definidas con lechada recién preparada y medir el tiempo para la descarga.
Estos investigadores mostraron que el tiempo de flujo de salida, la cual es proporcional a la viscosidad, puede estar directamente relacionada con la viscosidad newtoniana y el tiempo flujo para pastas de cemento sin punto de cedencia es aproximadamente 15 segundos. También mostraron que para ciertas geometrías del cono y condiciones de prueba el tiempo de flujo es la medida de la "fluidez" que puede estar relacionada con la viscosidad plástica y el límite elástico de lechadas que se comportan como fluidos de Bingham (Mohammed et al. 2014).
La descripción de las propiedades de flujo de lechadas en términos de punto de cedencia y de viscosidad está bien establecidas. La reometría es el método más exacto para determinar la viscosidad mientras que todas las otras técnicas sufren de procesos físico-químicos dependientes del tiempo. Por lo tanto la hidratación del cemento y tixotropía muy temprana tienden a dar los datos de viscosidad demasiado altos en las pruebas de cono de Marsh, especialmente para conos pequeños. Sin embargo comparando los resultados de los datos de dos boquillas diferentes en el cono de Marsh con los obtenidos mediante un reómetro y los datos de la pipeta, estos son relativamente buenos dando al cono de Marsh confiabilidad en cuanto a sus resultados (Mohammed et al. 2014).
La prueba de cono Marsh es una prueba de laborabilidad que se emplea para el establecimiento y control de calidad de las pastas de cemento y morteros.
Pertenece a la familia de las pruebas de orificio como el embudo en forma de V. La prueba estándar de cono Marsh varía de un país a otro, pero su principio suele ser el mismo. El tiempo necesario para que una cierta cantidad de material fluya hacia fuera del cono se registra. Este tiempo de flujo medido está relacionado con la llamada fluidez del material ensayado. Cuanto más largo el tiempo de flujo menor es la fluidez. El tiempo de flujo depende del fluido estudiado pero también se ve afectada por la geometría de cono (Roy y Roussel 2005).
La correlación entre el tiempo de flujo y el comportamiento reológico de las pastas de cemento está validada experimentalmente. Este método podría permitir la determinación de los dos parámetros de comportamiento de los resultados de las dos pruebas de conos Marsh diferentes.
El procedimiento consiste en cerrar la boquilla y verter una cierta cantidad de material ensayado en el cono (esta cantidad puede variar desde 0,8 hasta 1,7 L dependiendo de los autores o en la prueba estándar del país: ASTM C939-94a, EN 445 o EN12715). La altura de llenado inicial es H0. Posteriormente se abre el
orificio y se pone en marcha un cronómetro y se registra el tiempo para que una cierta cantidad del material ensayado fluya. Esta cantidad es siempre una fracción de la cantidad inicial, 0,4 L por un importe inicial de 0,8 L, 1,0 L de una cantidad inicial de 1,7 L .La altura final de llenado observada es Hf (Roy y Roussel 2005). La Figura 6 muestra las notaciones principales del Cono de Marsh.
Figura 6: Notaciones principales del Cono de Marsh.
Las ecuaciones necesarias para resolver el problema de flujo se pueden derivar en el caso de un fluido de Bingham, que es una aproximación común y simple de un comportamiento de los materiales a base de cemento fresco. La correlación entre el tiempo de flujo y el comportamiento reológico de las pastas de cemento está validada experimentalmente.
3.2.1 Cálculo del tiempo y la velocidad del flujo.
Varios modelos empíricos y teóricos se han utilizado para describir el comportamiento de las pastas de cemento fresco. Entre los más utilizados son los modelos de Bingham y Herschel-Bulkley, que toman en cuenta el comportamiento pseudoplástico de esas suspensiones concentradas (Tatersall 1983; P.A. Claisse 2001). Si el punto de cedencia estimado es muy pequeño, como es el caso de lechadas de cemento, de un modelo puramente viscoso, que es un caso particular de un modelo Bingham, es a menudo suficiente para describir correctamente el comportamiento fresco de las lechadas (Ramachandran y Beaudoin 2001).
En un cilindro (radio R), si se supone que los efectos de la inercia son insignificantes y la velocidad de flujo se supone que es igual a cero en la interfaz
de fluido / cilindro, la ecuación de Buckingham-Reiner para un fluido de Bingham con un punto de cedencia Ki y una viscosidad plástica 𝜇𝑝 se escribe.
Q=πAR4 8μp (1- 4 3( 2Ki AR)+ 1 3( 2Ki AR) 4 ) 4.6
La Ec. (4.6) se puede escribir para las dos partes de cono, la parte cónica y la parte cilíndrica. En cada parte la Ec. (4.6) da una relación entre el gradiente de presión y el caudal.
Cuando el fluido se comporta como un fluido de Bingham el volumen V aumenta linealmente durante la primera mitad de la prueba (R. Le Roy 2003; M. Nehdi 1997). Durante esta fase el flujo a través del cilindro es constante (M. Nehdi 1997) considerado solamente la corriente que fluye en los primeros 0,7 L a 1,1 L y atribuido a esta evolución va a tener un comportamiento no lineal y va a existir un aumento en los efectos de la fricción. De hecho la fricción se mantiene igual pero el gradiente de presión, que es el motor del flujo en la parte cilíndrica, disminuye relativamente a través de la prueba cuando disminuye el nivel de líquido en la parte cónica. Las variaciones en el gradiente de presión al comienzo de la prueba son pequeñas (las pequeñas variaciones de la altura de llenado de líquido) y se hacen más fuertes al final de la prueba cuando el fenómeno acelera. Esto conduce a un débito constante durante la primera parte del experimento, lo que disminuye sólo al final del tiempo total necesario para vaciar el cono (Roy y Roussel 2005).
Pero si la velocidad de flujo se considera constante durante la primera parte de la prueba, Q puede calcularse a partir del nivel de llenado de fluido inicial. Debido a esta aproximación el tiempo de flujo es ligeramente subestimado.
𝑄 =𝑡𝑉
𝑣 4.7
De la ecuación. (4.7), la siguiente relación puede derivarse:
𝑡𝑣 =𝜌−𝑏𝑎𝑣𝜇𝑝
𝑣𝐾𝑖 4.8
Donde aV y bV son constantes que dependen de la geometría del cono y el
volumen V de flujo observado y las ecuaciones para su cálculo analítico son las siguientes:
𝑎𝑣 =8𝑉 tan(𝛼)(3ℎ(𝐻(3𝜋0tan(𝛼)+𝑟)3tan(𝛼)𝑔𝑟(ℎ+𝐻3+𝐻0𝑟(𝐻02tan2(𝛼)+3𝐻0𝑟 tan(𝛼)+3𝑟2))
0))(𝐻0tan(𝛼)+𝑟)3 4.9
𝑏𝑣 = 𝜋𝑟3(8𝑟 ln(𝐻0tan(𝛼)+𝑟)−8𝑟 ln(𝑟)+8𝑟 ln(𝑟)+8ℎ tan(𝛼))
(3𝜋𝑟3tan(𝛼)𝑔𝑟(ℎ+𝐻
0)) 4.10
Un cono de Marsh, incluso calibrado, no proporciona suficientes datos para medir los valores de los dos parámetros (valor de punto de cedencia y viscosidad plástica). La idea es utilizar dos conos que solamente difieran en la forma de la boquilla para obtener dos valores de tiempo de flujo diferentes. Estos dos valores permiten calcular los dos parámetros de comportamiento. El procedimiento es el siguiente, para la boquilla 1, el tiempo de flujo está vinculado a los parámetros de comportamiento a través de:
𝑇1 = 𝜌−𝑎𝑎1𝜇𝑝
2𝐾𝑖 4.9
Para la boquilla 2, el tiempo de flujo está vinculado a los parámetros de comportamiento a través de:
𝑇2 = 𝑏1𝜇𝑝
Usando las ecuaciones. (4.11) y (4.12), se puede calcular los parámetros de comportamiento del material a prueba:
𝐾𝑖 = 𝜌𝑎 𝑎1𝑇2−𝑏1𝑇1
1𝑏2𝑇2−𝑎2𝑏1𝑇1 4.11
𝜇𝑝= 𝜌 𝑇2𝑇1(𝑏2−𝑎2)
𝑎1𝑏2𝑇2−𝑎2𝑏1𝑇1 4.12
Desde un punto de vista práctico en primer lugar hay que señalar que el cono Marsh tiene dos límites. Por un lado si la viscosidad del fluido probado es demasiado bajo no existe una relación lineal entre la viscosidad y el tiempo de flujo. Como tal para fluidos de baja viscosidad (tiempo de flujo inferior a 12 s para la geometría de cono EN440), el valor de tiempo de flujo no es una medida significativa en un punto de vista reológico (Roy y Roussel 2005).
Por otro lado si el fluido de prueba tiene un límite de elasticidad no se puede producir el flujo. El gradiente de presión creado por el peso de fluido por encima de la boquilla puede no ser suficiente para el esfuerzo cortante para superar el límite elástico en la boquilla. En este caso, el cono de Marsh se vuelve inútil (Roy y Roussel 2005).
Conclusiones generales del capítulo
• Por sus propiedades el material arcilloso calcinado del yacimiento Pontezuela tiene un alto valor para su utilización como sustitución para el cemento Portland para pozos de petróleo.
• La arcilla calcinada modifica las propiedades reológicas de las lechadas, e influye sobre la resistencia mecánica de estas.
• Las propiedades reológicas se pueden determinar a partir del ensayo del cono de Marsh pudiendo obtenerse los valores del punto de cedencia y la viscosidad plástica.