Incremento del Efecto Plastificante del Bioproducto MEF 32 en Pastas de Cemento P 35

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE CONSTRUCCIONES ESPECIALIDAD INGENIERÍA CIVIL. TRABAJO DE DIPLOMA. Incremento del efecto plastificante del Bioproducto MEF-32 en pastas de cemento P-35. Autor: Julio Pastor Rodríguez León Tutores: Dra. Yelenys Alvarado Capó MSc. Yaset Rodríguez Rodríguez. Santa Clara, 2014.

(2) Agradecimientos El resultado de este trabajo ha sido posible gracias a las sugerencias y conducción de un grupo de personas, los cuales tienen el merito de sentirlo suyo al igual que yo. Ellos son: Yelenys Alvarado Capó, Yaset Rodríguez Rodríguez, Tatiana Pichardo Moya, Yosvany Días, Josefa González Feitó (Fefi), Evys Ancede Gallardo, Elizabeth Cabrera Apolinaire y Osvaldo Norman Montenegro..

(3) Dedicatoria A mi madre. A mi abuelo. A mi padre. A mi novia. A mi familia en general por el apoyo brindado durante esta etapa de formación como profesional como ser humano..

(4) Resumnen Resumen Se determinó la influencia de las modificaciones tanto en el proceso de obtención (incremento de MP), como el aumento del pH de los bioproductos MEF, en el incremento de su efecto plastificante. Se realizó el análisis químico al MEF-32, y se evidenció que este presenta características químico-física similares a la referencia MEF-19 y a través de su espectro FTIR se encontraron la presencia de varios grupos funcionales, reafirmando la complejidad química de estos bioproductos. Se comprobó que tanto las modificaciones en el pH, como el incremento en las MP en el proceso de producción de los bioproductos, cambiaron sus propiedades químico-físicas tales como la conductividad eléctrica (C.E), sólidos totales disueltos (T.D.S) y sólidos solubles (S.S). Mediante el ensayo del minicono se estableció la influencia de estas modificaciones en el bioproducto MEF sobre el índice de plasticidad y como resultado se obtuvo que existe diferencias entre el MEF-32. y su. referencia MEF-19, pero mantienen la misma tendencia, de que a mayor dosis empleada, mayor índice de plasticidad fue logrado. Por otro lado, el MEF-32 a pH 7, fue el que presentó mejor IP en cuanto a las modificaciones de pH y los MEF tipo-3 y MEF tipo-6 en cuanto a las modificaciones del proceso productivo. También se corroboró que el ácido acético y su sal acetato de sodio a las concentraciones y dosis ensayadas, presentan influencia sobre la plasticidad de las pastas de cemento P-35. De igual manera, se evaluaron mezclas de ácido láctico con ácido acético y la mezcla correspondiente a la mayor concentración de ácido láctico y la menor de ácido acético, fue la que presento IP. A través de la calorimetría isotérmica, se determinó como influían estas modificaciones en la cinética de hidratación del cemento, presentando como resultado que estas influyen sobre el calor de hidratación. Los ensayos reológicos realizados a los productos modificados en cuanto a pH, no afectaron la consistencia normal y los tiempos de fraguado de las pastas de cemento P35 determinados en el ensayo de la Aguja de Vicat..

(5) Abstract Abstract The influence of variations in both the process of obtainment (increased MP), as increasing pH of the MEF bioproducts in increasing its plasticizing effect was determined. Chemical analysis to MEF-32 was performed, and it was evident that this presents chemical-physical similar to the reference MEF-19 and through its FTIR spectrum the presence of several functional groups were found, confirming the chemical complexity of these bioproducts. It was found that both the changes in pH, as the increase in MP in the process of production of bioproducts, changed their chemical and physical properties such as total soluble electrical conductivity (EC), dissolved solids (TDS) and soluble solids (SS). By mini-slump test, the influence of these modifications was established in bioproduct MEF on the plasticity index and as a result was obtained that there are differences between MEF-32 and MEF-19 reference, but maintain the same trend, which highest dose used, the greater plasticity index was achieved. On the other hand, MEF-32 at pH 7, was the best presented as IP changes to pH and type MEF and MEF-3 type-6 for the changes in the production process. Also, it was confirmed that the acetic acid and sodium acetate at doses and concentrations tested, had influence on the plasticity of P-35 cement pastes. Similarly, mixtures of lactic acid and acetic acid corresponding to the highest concentration of lactic acid and lower acetic acid mixture was evaluated, it was presenting the better IP. Through isothermal calorimetry, was determined as influenced these changes on the kinetics of cement hydration as a result showing that these influence over the heat of hydration. Rheological tests performed on products modified as to pH, did not affect the normal consistency and setting times of P-35 cement pastes determined with Vicat Needle test..

(6) Índice Índice. Introducción ................................................................................................................................. 9 CAPÍTULO I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento ............................ 14 1.1 Aditivos. Definición ........................................................................................................ 14 1.1.1 Clasificación ............................................................................................................ 14 1.2 Tecnología de Microorganismos Eficientes (EM) ..................................................... 27 1.2.1 Surgimiento de la tecnología EM ............................................................................. 27 1.2.2 Definición de Microorganismos Efectivos ........................................................... 27 1.2.5 Proceso de obtención de los EM ......................................................................... 28 1.2.3 Caracterización biológicas del EM ....................................................................... 28 1.2.4 Caracterización química del EM ......................................................................... 28 1.2.5 Aplicaciones generales de los productos EM .................................................... 29 1.3 Caracterización de los aditivos .................................................................................... 31 1.3.1 Características físico-química............................................................................... 31 1.3.2 Caracterización estructural ................................................................................... 33 1.4 Cemento. Reacciones de hidratación del cemento .................................................. 34 1.4.1 El cemento Portland. .............................................................................................. 34 1.4.2 Composición Química del Cemento Portland .................................................... 34 1.4.3 Hidratación del cemento Portland. Etapas de hidratación ............................... 35 1.4.4 Cinética de la hidratación. ..................................................................................... 37 1.5 Calorimetría en la hidratación del Cemento Portland (CPO) .................................. 38 1.5.1 Ensayo Calorimétrico ............................................................................................. 38 1.6 Reología. Definición ...................................................................................................... 39 1.3.1 Suspensiones reológicas. Hormigones, pastas y morteros ............................. 39 1.3.2 Modelos más utilizados para describir el comportamiento reológico de pastas morteros y hormigones ....................................................................................... 39 1.3.3 Parámetros que afectan la reología .................................................................... 40 1.3.4 Efecto de los plastificantes en la reología en pastas, morteros y hormigones ............................................................................................................................................. 40 1.3.5 Ensayos reológicos en pastas .............................................................................. 41 Conclusiones parciales ............................................................................................................ 42 Capítulo 2. Materiales y métodos empleados, para la determinación de las propiedades reológicas de pastas de cemento P-35 .......................................................... 43.

(7) Índice 2.1 Materiales utilizados en la elaboración de las pastas de cemento Portland. Caracterización de los materiales utilizados en la investigación .................................. 43 2.1.1 Agua ......................................................................................................................... 43 2.1.2 Cemento................................................................................................................... 44 2.1.3 Aditivos ..................................................................................................................... 44 2.2 Caracterización de los bioproductos MEF ................................................................. 49 2.2.1. Caracterización químico –física de los bioproductos MEF ............................. 49 2.2.2 Caracterización estructural ................................................................................... 54 2.3 Determinación del efecto plastificante de los bioproductos MEF, ácidos carboxílicos, sales, mezclas y los aditivos de referencia .............................................. 55 2.3.1 Determinación del índice de plasticidad por el método del minicono ............ 55 Procedimiento ................................................................................................................... 55 2.4 Evaluación de la influencia del bioproducto MEF en la cinética de la hidratación de las pastas de cemento (Calorimetría isotérmica)....................................................... 62 2.5 Determinación de la consistencia y tiempo de fraguado. Ensayo de la de la Aguja de Vicat, procedimiento ............................................................................................ 64 2.5.1.1 Ensayo de la Aguja de Vicat. Procedimiento .................................................. 65 2.5.1.5 Dosificación y series ........................................................................................... 67 Capítulo 3. Análisis y discusión de los resultados de los ensayos realizados a pastas de cemento P-35 ...................................................................................................................... 68 3.1 Caracterización del bioproducto MEF-32 ................................................................... 68 3.1.1 Caracterización químico –física de los bioproductos MEF .............................. 68 3.1.2 Caracterización estructural ................................................................................... 69 3.2 Determinación del efecto del pH, concentración de sólidos solubles y el contenido de ácidos carboxílicos del bioproducto MEF-32, en la plasticidad y cinética de hidratación de pastas de cemento P-35 ...................................................................... 71 3.2.1 Efecto del pH ........................................................................................................... 73 3.2.2 Efecto de los sólidos solubles .............................................................................. 75 3.2.3 Efecto del contenido de ácidos carboxílicos (láctico y acético) ...................... 77 3.3 Cinética de hidratación del cemento (Calorimetría isotérmica) .............................. 79 3.4 Caracterización de propiedades reológicas .............................................................. 83 3.4.1 Ensayo de consistencia normal y tiempos de fraguado ................................... 83 3.5 Conclusiones parciales del capítulo................................................................................ 84 Conclusiones Generales ......................................................................................................... 86 Recomendaciones .................................................................................................................... 87 Bibliografía ................................................................................................................................. 88.

(8) Índice Anexos ....................................................................................................................................... 96 Anexo 1: Caracterización del cemento P-35 .................................................................... 96 Anexo 2: Características técnicas del Dynamon SRC 20. ............................................. 98 Anexo 3: Picnómetro Gay Lussac. .................................................................................... 99 Anexo 4: Accesorios y el equipo Aguja de Vicat utilizado ........................................... 100 Anexo 5: Tabla ANOVA, comparación entre MEF-19 y MEF-32. ............................... 101 Anexo 6: Tabla ANOVA, MEF-32 y sus modificaciones en el pH............................... 102 Anexo 7: Tabla ANOVA, Bioproductos y sus modificaciones en el proceso de producción. .......................................................................................................................... 103.

(9) Introducción. Introducción El hormigón es el material más usado por el hombre en la industria de la construcción y es irreemplazable en múltiples progresos de la infraestructura. Además es el material resultante de la mezcla de cemento u otro aglomerante, con áridos (grava, gravilla y arena) y agua (Constantino, 2010). También es considerado como una roca artificial debido a la similitud de sus propiedades más o menos con la de una roca natural (Jonkers, 2007). Desde el punto de vista de: recursos naturales, ecología y de la economía, es virtualmente imposible imaginarse el substituir este material por cualquier otro (Flatt et al., 2012), por esto en la actualidad es el más utilizado en todo el mundo (Jonkers and Schlangen, 2009). La popularización del hormigón fabricado con cemento Portland durante el último cuarto del siglo XIX y su extensa difusión durante el inicio del siglo XX, hizo que la industria química y de la construcción buscaran soluciones para modificar las propiedades de este material, de modo que se ajustara las necesidades de los procesos constructivos y de las edificaciones. En este sentido, se introducen los aditivos químicos como un componente más para la fabricación de hormigones (Hermida, 2012). Estas sustancias modifican las propiedades del hormigón en estado fresco y/o endurecido, para el mejor comportamiento en las condiciones particulares de servicio (NC228-1, 2005). Dentro de los componentes del hormigón, los aditivos han ganado gran importancia, siendo necesario su empleo en la tecnología moderna de este material, ya sea a pie de obra como en plantas para hormigón prefabricado. La rápida introducción de los aditivos en el mercado de la construcción motivó la atención de muchos investigadores, registrándose los primeros eventos técnicos, a partir de la segunda mitad de la pasada centuria como fueron: el ''Internacional Symposium on Admixtures for Mortar and Concrete", Brussels, 1967, organizado por RILEM y la primera y segunda ''Internacional Conference on Superplasticizers in Concrete", de 1978 y 1981 organizado por ACICANMET (Civil, 2014). En la actualidad se ha acumulado mucha experiencia, tanto por parte de los fabricantes como de los usuarios, para afirmar el uso beneficioso de los aditivos, hasta el punto que las normativas vigentes.

(10) Introducción relacionadas con hormigón (UNE-EN, 2008) y (EHE–08, 2008) consideran el aditivo como una materia prima fundamental para la fabricación de hormigón. Hoy, la totalidad de hormigón fabricado, desde hormigones de elevadas prestaciones hasta los de menor demanda resistente, incorporan en su composición uno a más aditivos (Borralleras Mas, 2012). La industria química no ha cesado en la investigación desde la pasada centuria, en el desarrollo de aditivos químicos para obtener hormigones más eficientes, de mayor desempeño y más sostenibles. En la actualidad, existe una amplia gama de este tipo de productos, los cuales se clasifican en dependencia de la propiedad mejorada del hormigón (Collepardi, 2005). En el futuro inmediato, la demanda mundial de cemento y de aditivos para hormigones se prevé un aumento, del 8.3 % anual, correspondiente a $ 15.8 billones para el 2015, una mejora significativa respecto al período 2005-2010. El aumento en la demanda de los aditivos químicos estará dirigido por los reductores de agua, sobre todo por los plastificantes y superplastificantes, los que se utilizan en hormigones autocompactables y en otras aplicaciones de alta ejecuciones (Group, 2012). Es de señalar que el mercado de estos productos está liderado por grandes empresas como: la BASF (Alemania), SIKA (Suiza), CHRYSO (Francia) y MAPEI (Italia) y el costo de estos aditivos en el mercado internacional y la exigencia que existe sobre estos hoy en día, los hacen inasequibles para muchos países en vías de desarrollo o encarecen considerablemente los costos de producción. De ahí, la necesidad de buscar nuevas alternativas más económicas y eficientes para el desarrollo de nuevos productos. Tal es el caso de la tecnología EM (del inglés: Effective Microorganism),en la cual investigadores japoneses comienzan a utilizar los productos que se obtienen por esta vía, como aditivos modificadores de las propiedades del hormigón (Higa et al., 2003). En la vida actual, la utilización de productos biológicos en la industria de la construcción ha ganado en importancia y estos se diseñan al igual que los aditivos químicos, para mejorar una o varias propiedades del hormigón en estado fresco o endurecido (Ismail and Mohd.Saman, 2014, Siong Andrew et al., 2013, Martirena et al., 2014, Ramachandran et al., 2001) . En este sentido los investigadores cubanos,.

(11) Introducción alentados con la idea de sustituir importaciones,. han obtenido importantes. resultados con los productos IH-Plus (Microorganismos Eficientes de Indio Hatuey) y MEF (Microorganismos Eficientes del Finlay), como productos plastificantes (Martirena et al., 2014, Venkovic et al., 2014, Mora López, 2012). Sin embargo, estos productos presentan propiedades moderadas como plastificantes en pastas, morteros y hormigones con cemento P-35 y se requiere de altas dosificaciones (Martirena et al., 2014). Por lo cual, existe la necesidad de optimizar estos productos para que compitan con los productos comerciales que se utilizan en Cuba, para el desarrollo de hormigones de altas prestaciones, de ahí que esta situación problemática constituye el fin de la presente investigación. Por tanto el problema científico es el siguiente: ¿Cómo incrementar el efecto plastificante de los bioproductos MEF-32 en pastas de cemento P-35? Para dar solución a este problema científico se formula la siguiente Hipótesis: Mediante modificaciones en el proceso fermentativo de obtención del bioproducto MEF-32 o en el producto final se podría incrementar su efecto plastificante en pastas de cemento P-35 y cumplir con los requisitos establecidos en las normativas para aditivos. Objetivo General: Incrementar el efecto plastificante del bioproducto MEF-32 en pastas de cemento P-35. Objetivos Específicos: 1. Revisar bibliografía actualizada de ámbito internacional y nacional del empleo de aditivos en pastas de cemento, con especial énfasis en los aditivos biológicos. 2. Caracterizar desde el punto de vista químico, físico y estructural el bioproducto MEF-32. 3. Determinar el efecto del pH, la concentración de sólidos solubles y el contenido de ácidos carboxílicos del bioproducto MEF-32 en la plasticidad y en la cinética de hidratación del cemento P-35. 4. Caracterizar propiedades reológicas de pastas de cemento P-35 elaboradas con bioproducto MEF modificado..

(12) Introducción Tareas científicas: 1. Análisis crítico de la literatura en las temáticas: caracterización químicofísica de los aditivos, influencia de los aditivos en las propiedades reológicas de las pastas de cemento, calorimetría isotérmica. 2. Caracterización químico-física a los productos utilizados como aditivos, atendiendo. a. parámetros. como:. densidad. picnométrica,. pH,. conductividad eléctrica, contenido de sólidos totales, sólidos totales disueltos y sólidos solubles. 3. Realización de ensayos reológicos en pastas de cemento P-35 utilizando los bioproductos MEF-32 modificados, ácidos carboxílicos, sus mezclas y el Acetato de Sodio. 4. Ejecución del ensayo calorimetría isotérmica, para evaluar la influencia de los bioproductos MEF-32 modificados en la cinética de la hidratación del cemento P-35. Estructura de los capítulos Capítulo 1 Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento: Se seleccionan y recopilan una serie de informaciones que permiten caracterizar esta investigación a través de trabajos científicos a nivel internacional y nacional acerca del empleo de aditivos en pastas de cemento. Capítulo 2 Materiales y métodos empleados, para la determinación de las propiedades reológicas de pastas de cemento P-35: En este capítulo se modifica las propiedades del aditivo MEF-32, ya sea en el proceso de producción intermedio o final para evaluar su influencia en el (I.P) en las pastas de cemento P-35. Se describen las principales características de los materiales utilizados en la investigación, así como los procedimientos a seguir en los ensayos a las pastas de cemento P-35. Capítulo 3. Análisis y discusión de los resultados de los ensayos realizados a pastas de cemento P-35: En ese capítulo se presentan los resultados obtenidos en los ensayos realizados en pastas de cemento P-35, relacionado con el efecto sobre el (I.P).

(13) Introducción provocado por la modificación del proceso de producción intermedio o final del MEF como aditivo plastificante.. Metodología de la investigación Para cumplir con los objetivos trazados se llevaron a cabo las siguientes etapas:. Etapa I: Diseño Metodológico de la investigación.  Revisión bibliográfica.  Definición del problema científico, la hipótesis, objetivo general y los objetivos específicos.  Compendio. de. literatura. científica. sobre. el. tema. de. investigación.  Análisis crítico de aspectos relacionados con la temática de investigación en la literatura científica.. Etapa II: Materiales y experimentación empleados.. Etapa III: Análisis y discusión de los resultados.. Etapa IV: Confección y defensa del informe final..

(14) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento. CAPÍTULO I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento 1.1 Aditivos. Definición Según Hermida (Hermida, 2012), un aditivo es una sustancia diferente al cemento, adiciones minerales, agregados y fibras, que se incluye en el hormigón en un volumen inferior al 5% del peso del cementante. El American Concrete Institute (ACI) en su boletín publicado en el 2013 (E-701, 2013), define a los aditivos como: material usado como ingrediente en una mezcla de hormigón, distinto del agua, agregados, materiales cementicios y fibras de refuerzo. Es usado para modificar las propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido. Se puede añadir antes o durante el proceso de mezclado (Esta definición es también conocida como aditivos químicos). La norma cubana NC 228-1: 2005 (NC228-1, 2005). Aditivos para hormigones, morteros y pastas, Parte 1: Aditivos para hormigón-Requisitos, define a los aditivos como sustancias químicas que añadidas al hormigón, mortero o pasta, antes o durante el amasado, en una proporción menor del 5% del peso del cemento, modifica las propiedades del hormigón en estado fresco y/o endurecido para el mejor comportamiento en las condiciones particulares de servicio. Al comparar las definiciones descritas anteriormente, se observa que la norma cubana concuerda con los estándares internacionales. 1.1.1 Clasificación Existen numerosas clasificaciones de aditivos, sin embargo una de las más usadas corresponde a la norma ASTM C 494: 1992 (ASTM-C-494, 1992). Esta norma cuya primera versión, se remonta a 1962 establece hoy en día, los siguientes tipos de aditivos: Tipo A - Reductores de agua (Plastificantes). Tipo B - Retardantes. Tipo C - Acelerantes. Tipo D - Reductores de agua y retardantes. 14.

(15) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento Tipo E - Reductores de agua y acelerantes. Tipo F - Reductores de agua de alto rango o superfluidificantes. Tipo G - Reductores de agua de alto rango y retardantes o superfluidificantes y retardantes. La ASTM C 494: 1992 (ASTM-C-494, 1992) (Standard Specification for Chemicals. Admixtures. for. Concrete). expone. solo. una. de. muchas. clasificaciones, como puede ser la expuesta en la norma EN: 2008 (EN, 2008) que tiene una clasificación de aditivos similar, pero más amplia. Otro tipo de clasificación es la que propone Betancourt Rodríguez en el año 2009 (Betancourt Rodríguez, 2009a), donde los aditivos químicos son agrupados en función de su efecto de la manera siguiente: Los que influyen sobre la consistencia de la mezcla:  Plastificantes (fluidificantes o reductores de agua).  Superplastificantes (superfluidificantes o reductores de agua de alto rango). Los que influyen sobre el fraguado de la mezcla:  Aceleradores del fraguado.  Retardadores del fraguado. Otros:  Incorporadores de aire (oclusores de aire).  Impermeabilizantes en masa.  Inhibidores de la corrosión.  Cohesionantes.  Expansivos.  Espumantes. De manera general se puede concluir que los aditivos se clasifican en dependencia de la propiedad mejorada del hormigón (Collepardi, 2005).. 15.

(16) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento Hoy el aumento en la demanda de los aditivos químicos estará dirigido por los reductores de agua, sobre todo por los plastificantes y superplastificantes, los que se utilizan en hormigones autocompactables (HAC) y en otras aplicaciones de alta ejecuciones (Group, 2012). Este grupo constituye unos de los de mayor impacto tanto por su progreso como en su aplicación, debido a las ventajas que ofrece en la elaboración y puesta en obra del hormigón. Por lo antes expuesto, en este trabajo de diploma se centra en el estudio de los aditivos plastificantes y superplastificantes. 1.1.1.1 Aditivos plastificantes (fluidificantes o reductores de agua). Definición. Los plastificantes han sido con cierta frecuencia subestimados pero son en realidad sustancias cuya altísima eficiencia, les permite perdurar en la producción actual de hormigón. Se basan en compuestos orgánicos y logran optimizar los diseños de hormigón, al disminuir las necesidades de agua y cemento para alcanzar las propiedades exigidas por la construcción (Hermida, 2012). También se conocen como Dispersantes o Fluidificantes y son sustancias orgánicas simples que contienen diversos grupos polares, que impiden la formación de floculaciones en las mezclas de cemento durante la hidratación y ocasionan la fragmentación de los granos de cemento (Mithra et al., 2012, ENCICLOPEDIA). La norma cubana NC 228-1: 2005 (NC228-1, 2005). Aditivos para hormigones, morteros y pastas, Parte 1: Aditivos para hormigón-Requisitos, los define de la siguiente forma: los aditivos plastificantes/reductores de agua, son aditivos que por acciones internas permiten sin modificar la consistencia, reducir el contenido de agua de un determinado hormigón, o que, sin modificar el contenido de agua, incrementan el asentamiento, o que producen ambos efectos simultáneamente. Esta definición está en correspondencia con otras clasificaciones internacionales ASTM C 494: 1992, EN: 2008 (ASTM-C-494, 1992, EN, 2008).. 16.

(17) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento Dentro de la definición de un plastificante, las normativas analizadas exigen que la sustancia debe reducir por lo menos un 5% de agua, frente a un hormigón sin aditivo para lograr igual manejabilidad y al mismo tiempo debe superar en por lo menos un 10%, la resistencia alcanzada por el hormigón o mortero que no incluye el aditivo ASTM C 494: 1992, EN: 2008 (ASTM-C-494, 1992, EN, 2008). 1.1.1.1.1 Composición Los plastificantes están constituidos en general por compuestos orgánicos como carbohidratos, aminas en cierta medida y otros compuestos para regular su estabilidad (Hermida, 2012). 1.1.1.1.2 Efecto El efecto directo de un plastificante sobre la pasta de cemento es disminuir la viscosidad de la misma. Un plastificante hace que la pasta de cemento se vuelva más “líquida”, fluya más rápido. Lo logra recubriendo las partículas de cemento y provocando una repulsión entre estas. Cuando las partículas se repelen entre sí, existe menos resistencia al flujo del conjunto (menos fricción), tiene lugar además una eliminación de micro flóculos, lo que permite la liberación y mejor distribución del agua (Collepardi, 2005). De esta forma la pasta de cemento fluye más y por ende el hormigón también lo hace. Una mayor fluidez del hormigón permite entonces disminuir la cantidad de agua del mismo, modificando por lo tanto las propiedades de la pasta (o pegante), que con menos agua aumentará su resistencia en estado endurecido. Si en vez de eliminar agua se elimina simultáneamente agua y cemento (pasta) conservando la misma calidad de pasta (misma proporción de agua y cemento), se puede mantener la resistencia y fluidez con un menor contenido de agua y cemento. El costo de un plastificante es en general más bajo que el de agua y cemento que permite ahorrar, es allí donde se logra un hormigón optimizado. Los plastificantes deberían ser llamados reductores de pasta en vez de reductores de agua. Ellos permiten mantener una resistencia y una 17.

(18) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento manejabilidad dadas del hormigón, con un menor contenido de cemento y agua. Estos aditivos permiten, para una misma docilidad, una reducción de la cantidad de agua o, para una misma cantidad de agua aumentar considerablemente la docilidad o, incluso permiten obtener estos dos efectos simultáneamente. Este aumento de docilidad permite la colocación del hormigón en estructuras complicadas, con gran cantidad de aceros sin necesidad de aumentar la cantidad de agua de amasado, y por consiguiente la dosis de cemento para obtener las resistencias deseadas (Minetti, 2008). Si se disminuye la cantidad de agua y por tanto la relación agua-cemento, manteniendo. una. determinada. consistencia,. aumenta. la. resistencia,. impermeabilidad y durabilidad del hormigón. Además la retracción y en consecuencia, la tendencia a la fisuración se ven disminuidas (Minetti, 2008). Estos aditivos pueden reducir hasta el (10-15%) del agua de amasado, manteniendo la consistencia constante. Adición normalmente entre (0,2-5,0%) en peso del cemento (Gómez Margolles, 2010). La acción de los aditivos plastificantes puede ser causada por el efecto combinado de acciones de tipo físico, químico y físico-químico. La acción física se logra esencialmente por la incorporación del aire en la mezcla. Efecto este, producido por algunos aditivos, cuyas burbujas actúan como especies de rodamientos entre las partículas sólidas, disminuyendo la fricción interna. En el caso de la acción química, principalmente proviene de una disminución de la velocidad de hidratación de los constituyentes del cemento, especialmente de los aluminatos. Obteniéndose de este modo un mejor mojado de los granos de cemento, lo que permite disminuir el roce interno entre las partículas (Straße, 2008, Hermida, 2012). A continuación se describen algunos de estos efectos: Defloculación La ionización de los filamentos del aditivo produce la separación de los granos de cemento entre sí, conduciendo a una efectiva defloculación. Esta desintegración en partículas primarias, permite que el agua atrapada quede en 18.

(19) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento libertad. De esta manera los granos de cemento quedan individualizados y defloculados, facilitándose aún más el mojado (Figura 1.1.1.1.2), lo que produce una hidratación y reducción del esfuerzo de cizalle, necesario para poner en movimiento el hormigón fresco, lo que explica su efecto como plastificante (Straße, 2008, Dransfield, 2013).. Figura 1.1.1.1.2: Efecto de defloculación en la matriz de cemento (Straße, 2008, Dransfield, 2013).. Lubricación Las moléculas del aditivo son absorbidas y se orientan en la superficie de los granos de cemento en un espesor de varias moléculas creándose una capa de moléculas sobre las partículas, resultando una mayor lubricación (Straße, 2008, Dransfield, 2013). Este mecanismo puede producir incorporación de aire en forma de microburbujas esféricas, al evitar que el aire atrapado se disuelva o salga a la superficie. Este efecto incorpora aire, pero no siempre se ve expresado en un mayor volumen de aire, pues se supone que el aditivo convierte el aire atrapado en microburbujas que quedan retenidas en su masa. Actuando como rodamiento entre las partículas sólidas (Figura 1.1.1.1.3), contribuyendo al aumento de la docilidad del hormigón (Straße, 2008).. Figura 1.1.1.1.3: Lubricación de las partículas de cemento (Straße, 2008) Disolución. La disolución es la interacción de partículas esféricas de cemento con el agua (Straße, 2008) (Figura 1.1.1.1.4). 19.

(20) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento. Figura 1.1.1.1.4: Efecto de disolución de los granos de cemento (Straße, 2008).. Efecto electrostático Los. granos. de. cemento. absorben. los. aditivos. plastificantes. y. superplastificantes, neutralizando la carga eléctrica molecular. Provocando la dispersión de las partículas y logrando que se hidraten mejor (Figura 1.1.1.1.5), lo que mejora la laborabilidad de la mezcla y además se incrementan las resistencias mecánicas (Straße, 2008, Hermida, 2012).. Figura 1.1.1.1.5: Repulsión de las partículas de cemento por efecto electrostático. (Straße, 2008). 1.1.1.1.3 Principales aplicaciones y funciones Los plastificantes se usan principalmente en aplicaciones donde no es deseable alterar los tiempos de fraguado. Sin embargo, hoy en día la mayor parte de los plastificantes tienen un efecto de retardo que le permite al hormigón ser transportado. Los plastificantes puros (Tipo A) son usados de forma limitada en el mercado (Hermida, 2012). Los plastificantes-retardantes (Tipo D) son los más usados en la fabricación de hormigón premezclado puesto que aprovechan las ventajas de reducción de cemento y agua y al mismo tiempo, tienen un efecto sobre los tiempos de fraguado que facilita su transporte sobre todo en climas cálidos (Hermida, 2012).. 20.

(21) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento La temperatura es en general un catalizador de las reacciones químicas y la hidratación del cemento no es una excepción. El uso de plastificantesretardantes es prácticamente indispensable en el transporte, colocación y terminado de hormigón en climas de alta temperatura, puesto que le permite al material no fraguar antes de haber sido consolidado (Hermida, 2012). Los aditivos plastificantes tienen como principal función mejorar algunas de las propiedades del hormigón en estado fresco, endurecido y en el proceso de fraguado tales como: incrementar la laborabilidad, modificar la consistencia, lograr mayores resistencias a edades tempranas y finales, así como un mayor rendimiento del cemento. Cuidando no afectar la resistencia mecánica y manteniendo la consistencia en valores razonables, es posible reducir el consumo de cemento. Aunque esta reducción depende mucho del contenido total de finos en la mezcla (finos aportados por los áridos) (Minetti, 2008). 1.1.1.2 Aditivos superplastificantes (superfluidificantes o reductores de agua de alto rango). Definición Los aditivos superplastificantes se conocen en el mercado como reductores de agua de alto rango o fluidificantes, suelen emplearse en dosis desde (0.8- 3%), y se pueden agregar al final de la amasada y sin diluir previamente en el agua. Los superplastificantes son mucho más importantes que cualquier otro aditivo químico, ya que con ellos se obtienen un mayor número de mejoras en el desarrollo del hormigón como son: el aumento de la fuerza y durabilidad, debido a la reducción de la porosidad capilar y permeabilidad, ambos relacionados con una inferior relación agua/cemento (a/c) (Leemann et al., 2011) . También con ellos, se puede reducir el calor de hidratación, que es una propiedad útil para hormigonado en climas cálidos ó estructuras masivas (Collepardi, 2005). Probablemente la evolución tecnológica más radical entre los aditivos para hormigón ha tenido lugar en los superplastificantes durante las últimas dos décadas. Estos aditivos como su nombre lo describe, cumplen una función similar a los plastificantes, es decir aumentan la manejabilidad de las pastas de cemento y por lo tanto la manejabilidad del hormigón. Este incremento en la manejabilidad hace posible disminuir el contenido de agua y de cemento (son 21.

(22) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento ahorradores de pasta) manteniendo la fluidez del material y su resistencia. Los superplastificantes se emplean una vez que la capacidad de los plastificantes ha llegado a su máximo. Son especialmente eficientes en hormigón con altos asentamientos u hormigón de altas resistencias que implican en ambos casos, contenidos elevados de pasta (Hermida, 2012). Además, marcan un salto significativo en la evolución de los reductores de agua, donde es más acentuado la absorción y capacidad de dispersión del cemento. Pueden convertir un hormigón normal en un hormigón fluido, que no requiera de vibración, inclusive en sitios de difícil acceso para el hormigón. Los diseños de aditivos superplastificantes permiten lograr reducciones del agua de amasado mayores del 30% E 701: 2013 (E-701, 2013), logran mantenimientos muy prolongados de la consistencia de la mezcla, ideal para el hormigón premezclado (Hermida, 2012). La norma cubana NC 228-1: 2005 (NC228-1, 2005). Aditivos para hormigones, morteros y pastas, Parte 1: Aditivos para hormigón-Requisitos. Define a los Aditivos superplastificantes/reductores de agua de alto rango como: aditivos que, sin modificar la consistencia permiten altas reducciones de agua de un determinado hormigón, o que, sin modificar el contenido de agua, aumentan considerablemente. el. asentamiento,. o. que. producen. ambos. efectos. simultáneamente. 1.1.1.2.1 Composición Los superplastificantes en su origen fueron compuestos de Naftaleno sulfonado, melaminas y vinilos (Hermida, 2012). Los aditivos superplastificantes de nueva generación se desarrollaron en Japón durante los inicios de la década de los 90 del siglo pasado. Estos se sintetizan a partir de la polimerización de ácido acrílico, con cadenas laterales de condensados de óxido de etileno, para formar los éter de policarboxílico, también denominados policarboxilatos (PCE). Sus estructuras moleculares sin duda son mucho más complejas que la de sus predecesores, pero sus eficiencias son muy superiores si se considera que su dosificación se divide entre 2 a 3 veces la de los superplastificantes tradicionales. 22.

(23) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento Además, estos experimentan un crecimiento importante en su utilización, no solo por su superior capacidad reductora de agua, sino porque en la síntesis para su obtención, pueden modificarse secuencias que permiten modular propiedades como son la dispersión ejercida sobre las partículas, la duración del asentamiento y el fraguado (Ghorab et al., 2012). Los modelos moleculares de los policarboxilatos-éter se parecen a una “peinilla” vistos en corte. O tridimensionalmente se asemejan a una oruga o gusano de agujas. Estas moléculas están constituidas por una columna vertebral con cadenas laterales. La columna vertebral es la que se absorbe sobre la superficie del cemento en una carrera contra sulfatos y otros iones. Las cadenas laterales no son absorbidas y son las responsables principales de la dispersión de las partículas de cemento. La química de la columna vertebral (número y tipos de grupos aniónicos, longitud de la cadena) así como las cadenas laterales (longitud, tipo, número) pueden variar en una serie de combinaciones enormes que confieren a la sustancia un poder plastificante mayor o menor, o un sostenimiento de la manejabilidad mayor o menor, eso corresponde justamente al trabajo de los químicos en acomodar la geometría de las moléculas de acuerdo a las necesidades de la construcción. El desempeño de un polímero como dispersante del cemento, depende de los parámetros que controlan la absorción, de la cantidad de moléculas absorbidas, del espesor de la capa del polímero y del grado de cobertura de la superficie (Hermida, 2012). 1.1.1.2.1.1 Tipos de superplastificantes 1.1.1.2.1.1.1 Lignosulfonatos modificados (LM) Máxima reducción de agua del 15%. Presentan una tendencia a producir retrasos en el fraguado del hormigón cuando se utilizan altas dosificaciones (Abreu Rodríguez, 2011). 1.1.1.2.1.1.2 Naftaleno formaldehido sulfonato (NFS). Máxima reducción de agua del 25%. Le confieren una buena manejabilidad al hormigón y las resistencias a los 28 días suelen mejorar considerablemente.. 23.

(24) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento Tienen como efecto negativo que pueden ocluir aire, aunque en cantidades no demasiado elevadas (Abreu Rodríguez, 2011, Renné, 2012). 1.1.1.2.1.1.3 Melamina formaldehido sulfonato (MFS) Máxima reducción de agua del 25%. Las resistencias a edades tempranas son más elevadas. Son muy adecuados para la fabricación de elementos arquitectónicos con cemento blanco porque el polímero es incoloro. Puede ocurrir que a bajas relaciones a/c, se pueda producir flujo viscoso. Como efecto negativo principal es la pérdida de trabajabilidad del hormigón demasiado rápida (Renné, 2012). 1.1.1.2.1.1.4 Poliestercarboxilatos (PCE) Las reducciones máximas de agua antes de llegar a su punto de saturación en algunos casos llegan al 40% del agua de amasado y el sostenimiento de la manejabilidad resulta muy superior que naftalenos o melaminas (Hermida, 2012) (Figura 1.1.1.2.1.1.4).. Figura 1.1.1.2.1.1.4: Estructura de Polímero PCE. 1.1.1.2.2 Mecanismo de acción Las moléculas orgánicas e inorgánicas de los aditivos superplastificantes tipo LM, MSF y NFS, basan su funcionamiento de dispersión en los siguientes mecanismos:  Repulsión electrostática inducida entre las partículas.  Lubricación de la película existente entre las partículas de cemento.  Dispersión de las partículas de cemento, liberando el agua atrapada entre los flóculos de cemento.. 24.

(25) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento  Inhibición de la hidratación del cemento en superficie, dejando más agua para plastificar la mezcla.  Cambio en la morfología de los productos de hidratación.  Inducción de impedancia estérica previniendo el contacto entre partículas A diferencia de los superplastificantes descritos anteriormente, los PCE una vez absorbidos inducen fuerzas de repulsión entre las partículas de cemento ya sea electrostáticas o de origen estérico. Los PCE se basan principalmente en la estabilización o repulsión estérica del sistema más que en un principio eléctrico (Hermida, 2012). La magnitud de la fuerza de repulsión depende de: 1. Cantidad de polímero absorbido 2. Espesor de la capa del polímero 3. Grado de cubrimiento de la partícula En la Figura 1.1.1.2.2 se observa cómo es que se adsorben estos tipos de superplastificantes en las partículas de cemento.. Figura 1.1.1.2.2: Absorción de los PCE en las partículas de cemento.. 1.1.1.2.3 Principales aplicaciones y funciones Según la NC 120:2007 (NC120, 2007) Hormigón Hidráulico-Especificaciones, los hormigones con consistencia fluida o muy fluida, deberán ser elaborados con aditivos reductores de agua de alto rango (superplastificantes). Los hormigones fluidos, facilitan la aplicación en elementos de difícil acceso y de formas complejas, son requeridos para ser bombeados y utilizados cuando 25.

(26) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento existe una gran cantidad de armadura. Sin embargo en algunos casos teniendo en cuenta la capacidad de los aditivos y el grado de densidad de los aceros, la compactación del hormigón es imprescindible. Los hormigones fluidos obtenidos con aditivos de última generación, pueden ser colocados con gran facilidad, pues son prácticamente autonivelantes y por lo tanto se reduce el trabajo de colocación y se elimina la necesidad de vibrar salvo en zonas densamente armadas. Esto se traduce en un enorme aumento de la trabajabilidad del hormigón, sin modificar la cantidad de agua. El resultado es un hormigón muy fluido (autonivelante), de baja tendencia a la segregación. 1.1.1.3 Aditivos biológicos Hoy en día muchas investigaciones están encaminadas a la búsqueda de aditivos para la industria de la construcción, pero con énfasis en los de carácter biológico, ya que la gran mayoría de los aditivos comercializados en el mundo son sustancias químicas, obtenidas de forma sintética y son derivados de industrias contaminantes como la del petróleo. Si se pretende alcanzar la sustentabilidad, esta industria debe cambiar el uso de recursos naturales no renovables, por recursos renovables y biodegradables. Por otro lado existen experiencias de usos de este acercamiento en varias áreas de la industria y de la ingeniería (Martirena et al., 2014, Pacheco-Torgal and Labrincha, 2013). El uso de microorganismos en la industria de la construcción en la actualidad, no se ha centrado en una sola línea, a continuación se muestran algunos ejemplos: (Ramachandran et al., 2001), utilizaron microorganismos del tipo Bacillus pasteurii en morteros de cemento Portland, para mejorar la resistencia a la compresión. También (Glosh and Mandal, 2006) desarrollaron biohormigón con bacterias anaeróbicas y cultivos enriquecidos con microorganismos. En los estudios realizados por (Jonkers, 2007, Jonkers et al., 2010), ha empleado bacterias del género Bacillus como selladores de grietas en los hormigones. También se han utilizados culturas mixtas de microorganismos como los productos que se obtienen a través de la tecnología EM, como modificadores 26.

(27) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento de algunas propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido (Higa et al., 2003, Siong Andrew et al., 2013, Ismail and Mohd.Saman, 2014, Martirena et al., 2014). Esta investigación se centra en el estudio de los productos obtenidos por la tecnología EM en el Instituto Finlay (MEF), como plastificantes en pastas de cemento portland. Caracterizar parcialmente este tipo de productos ayudará a explicar sus mecanismos de acción y en gran medida al proceso de optimización para obtener un aditivo MEF, con buenas propiedades como plastificante. 1.2 Tecnología de Microorganismos Eficientes (EM) 1.2.1 Surgimiento de la tecnología EM La denominación de la tecnología proviene del inglés: Effective Microorganisms (EM), que en español se le reconoce como microorganismos efectivos (EM) o eficientes, también se les denomina en la bibliografía como Microorganismos Benéficos (MB). Surge en los primeros años de la década del ochenta por el Dr. Teruo Higa, profesor de la Facultad de Agronomía de la Universidad de Ryukyus en Japón. Esta tecnología nace como respuesta a la necesidad de sustituir el uso intensivo de fertilizantes químicos y pesticidas en la agricultura, para preservar la salud de los humanos (Higa and Parr, 1994, Yatim et al., 2009). 1.2.2 Definición de Microorganismos Efectivos El concepto de Microorganismos Eficientes, es basado en la coexistencia y coprosperidad de varios microorganismos con una capacidad asombrosa de reavivar, restaurar y conservar el medio en que se encuentren, son cuidadosamente seleccionados en su medio natural y multiplicados con diversos procedimientos. También se han descrito como la coexistencia de un cultivo mixto de microorganismos. beneficiosos. predominantemente,. anaerobios. poblaciones. de. y. aeróbicos,. lactobacillus,. que. contienen. levaduras,. bacterias. fotosintéticas, actinomicetos y otros organismos (Higa and Parr, 1994). 27.

(28) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento 1.2.5 Proceso de obtención de los EM Los productos EM, se obtienen por fermentación microbiana en condiciones de anaerobiosis (ausencia de oxígeno) (Higa et al., 2003). Las materias primas empleadas en esta tecnología abarcan: hojarasca, una fuente de almidón (subproductos de fuentes de cereales tales como arroz o trigo), una fuente de lactobacillus (suero de leche, yogur o leche fresca sin pasteurizar) y una fuente de azúcares (miel de caña). En una primera etapa se prepara un sustrato sólido y se deja fermentar en un tanque hermético durante 25 días. Posteriormente, el resultado de este proceso se utiliza como inóculo para obtener un fermentado líquido de microorganismos benéficos. De forma general se puede catalogar como un líquido concentrado de olor agridulce con un pH acido que puede oscilar entre 3,2 y 5 que puede usarse puro o diluido. 1.2.3 Caracterización biológicas del EM Originalmente Teruo Higa declaró que los componentes podrían llegar a ser 83 especies diferentes de microorganismos para formular el EM. Pero con los posteriores estudios, llegó a la conclusión de que esencialmente solo habían 15 o menos clases de microorganismos primarios. Sin embargo, las tres grupos generales de microorganismos presentes en la tecnología son; poblaciones de lactobacillus, levaduras y bacterias fotosintéticas (Yatim et al., 2009). 1.2.4 Caracterización química del EM En cuanto a la caracterización química de los productos EM, no suele encontrase mucha información hasta el momento. En este sentido, (Martirena et al., 2014) caracterizaron los productos obtenidos en el Instituto Finlay (MEF), como si fuera un plastificante químico, teniendo en cuenta los requisitos de la norma NC 228-1: 2005 (NC228-1, 2005) y un estudio de la composición química elemental por Espectrofotometría de Absorción Atómica. Como resultado principal obtenido en este trabajo se puede señalar el bajo contenido de sólidos totales, alta acidez y densidad similar al agua (ver tabla 1.1). La composición química muestra una gran variedad de componentes metálicos (ver tabla 1.2), lo que evidencia la complejidad química de estos productos. 28.

(29) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento. Tabla 1.1: Valores de la densidad picnométrica, de sólidos totales y del pH de MEF.. Características Químico -Físicas. MEF. Densidad (picnométrica) g/ml. 1,01. % de los sólidos totales (TS). 2,32. pH. 3,40. Tabla 1.2: Composición elemental del MEF. Elementos (mg/L). MEF. Na+. 56,40. K+. 2890,13. Fe total. 45,44. Mn2+. 6.97. Mg2+. 107.11. Cu2+. 1.13. Ni2+. 0.79. Co2+. 0.54. Zn2+. 1.80. Ca2+. 45.12. N total. 57.40. P total. 6.09. 1.2.5 Aplicaciones generales de los productos EM Al principio, el EM se consideró como una alternativa al uso de químicos agrícolas, pero desde entonces ha evolucionado y se ha extendido su uso a la ganadería, para solucionar problemas medioambientales, en procesos industriales, y en la promoción de la salud natural en los seres humanos. Debe ser enfatizado, sin embargo, que estos productos no son un químico sintético, 29.

(30) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento ni un medicamento, sino tal vez una de las herramientas naturales más positivas que se ha descubierto. Ha sido introducido cuidadosamente en nuestra biosfera común a lo largo de los últimos veinte años, y tiene un historial de resultados nada más que favorables para todas las formas de vida en la Tierra (2014). A continuación se citan algunas de sus principales aplicaciones: La tecnología EM, han tenido una marcada aplicación en la agricultura donde se encuentran una gran variedad de productos con disímiles funciones tales como: fijación del nitrógeno atmosférico, descomposición de basuras orgánicas y de residuos, reciclaje y disponibilidad creciente de los alimentos de planta, degradación de tóxicos incluyendo los pesticidas, solubilidad de fuentes nutrientes insolubles entre otros (Higa and Parr, 1994). El uso de los (EM) para reducir volúmenes de lodo de aguas residuales se ha sugerido a menudo como factible en plantas de tratamiento de aguas residuales o sistemas de tratamiento de aguas residuales en sitio tales como tanques sépticos (Szymanski and Patterson, 2003). Se puede utilizar el EM en la vida diaria de muchas maneras: para limpiar cocinas y baños con EM, hacer compost (materia orgánica en descomposición, que se destina al abono de las tierras) de los residuos orgánicos de las cocinas, se emplea para mantener el jardín en condiciones sanas y naturales, se puede utilizar para lavar la ropa, mejora la calidad de nuestra agua potable y la salud de nuestros animales (2014). En la búsqueda de soluciones al deterioro de las estructuras de hormigón en Japón (Higa et al., 2003) llevaron a cabo una investigación y se desarrolló un hormigón con microorganismos eficientes. Estos autores encontraron que la trabajabilidad del hormigón fresco mejoró y la resistencia inicial incrementó, entre otras propiedades que se mejoraron. (Yatim et al., 2009) determinó que los productos EM contribuyen en una actividad superficial de gran alcance. Agregando el EM en la mezcla de hormigón fresca, la resistencia a la compresión aumentó después de 3 y 7 días en (30 - 50%), con respecto a los hormigones ordinarios. También, el uso de. 30.

(31) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento estos productos, redujo el efecto de la carbonatación en el hormigón y formó un ambiente neutral dentro de este. En las otras investigaciones realizadas (Higa et al., 2003, Siong Andrew et al., 2013, Ismail and Mohd.Saman, 2014, Venkovic et al., 2014, Martirena et al., 2014), han utilizado productos que se obtienen por esta tecnología, como modificadores de algunas propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido. 1.1.5.6 Antecedentes del uso de EM en Cuba La tecnología EM se introducido de forma experimental en algunas instituciones como es el caso de la estación experimental “Indio Hatuey” y el instituto Carlos J. Finlay en Cuba, que desde el año 2008 hasta la fecha han encontrado su utilización en la agricultura y en la purificación de las aguas residuales así como en otras aplicaciones. En el año 2008 un equipo de investigadores de CIDEM de conjunto con las anteriores instituciones comenzaron. la. investigación. del. producto. como. bioplastificante. para. hormigones, y los resultados preliminares de las investigaciones son realmente alentadores para la industria del cemento (Abreu Rodríguez, 2011, Mora López, 2012, Cabrera Pérez, 2013, Peña León, 2013, Brizuela, 2013), siendo corroborado por otros investigadores han demostrado que productos similares al EM tienen propiedades plastificantes (Martirena et al., 2014) En la investigación realizada por (Venkovic et al., 2014), determinaron que la adición de este bioplastificante, mejora la fuerza de hidratos del silicato del calcio (C-S-H) realzando la cohesión y la fricción de nano-granos sólidos, y disminuye el índice absoluto de la relajación a largo plazo. El análisis estadístico de los resultados de la muesca, también sugiere que este producto inhibe la precipitación de C-S-H de una densidad más alta. 1.3 Caracterización de los aditivos 1.3.1 Características físico-química Las propiedades físico-químicas de un aditivo nos dan información acerca de su naturaleza química. La mayoría de estas propiedades suelen ser fáciles de. 31.

(32) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento determinar, como el color, contenido en sólidos, pH, peso específico, tensión superficial, viscosidad y conductividad eléctrica (Palacios et al., 2003). A través de la caracterización físico-química de un aditivo se puede detectar, por ejemplo, la presencia de un componente aireante en un superplastificante cuando, a pesar de no ser un surfactante, presenta una baja tensión superficial. Además una elevada viscosidad del aditivo indica que está constituido por un polímero de elevado peso molecular; o el hecho de que el aditivo tenga una elevada conductividad eléctrica significa que contiene una gran cantidad de electrolitos (Palacios et al., 2003). En la actualidad existen una gran cantidad de normas que describen los métodos de ensayo para la determinación de numerosas propiedades físicoquímicas (Palacios et al., 2003), como el pH descrito en la NC 271-4: 2003 (NC271-4, 2003), sólidos totales NC 271-1: 2003 (NC271-1, 2003), sólidos solubles (Cabrera Pérez, 2013, Brizuela, 2013) y densidad NC 271-2: 2003 (NC271-2, 2003). 1.3.1.1 Composición química e iónica Para describir la composición química de un aditivo se debe hacer un análisis elemental completo, así como una determinación cualitativa y cuantitativa de los iones que lo componen. 1.3.1.1.1 Análisis elemental Los elementos químicos que tienen un mayor interés en la caracterización de los aditivos son: carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), azufre (S) y elementos alcalinos como sodio (Na), calcio (Ca) y potasio (K) (Palacios et al., 2003). Normalmente, los contenidos en C, H, N y O se determinan mediante métodos microanalíticos rutinarios de química orgánica, que se realizan directamente sobre los aditivos sólidos. Mediante este análisis se obtienen el (80-90%) del total de los componentes de los aditivos. El contenido en azufre se determina mediante métodos específicos o bien mediante análisis de disoluciones diluidas. 32.

(33) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento a través de ICP (del English Inductively Coupled Plasma) (Palacios et al., 2003). El contenido en otros elementos, como iones metálicos, se puede determinar mediante ICP o espectroscopía de absorción atómica (EAA). Otra forma de determinar elementos como Ca, S y Cl, es a través de espectroscopía de fluorescencia de rayos x en líquido o en estado sólido (Palacios et al., 2003). 1.3.2 Caracterización estructural Una vez conocida la composición química e iónica de los aditivos es importante llevar a cabo una identificación de los grupos funcionales y de las estructuras características de los mismos. Las técnicas más empleadas para la caracterización estructural son: espectroscopía ultravioleta-visible (UV-VIS), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía Raman por transformada de Fourier (FT-Raman) y espectroscopía por resonancia magnética nuclear (RMN) (Silverstein RM et al., 2005, Pérez Martinez and Ortiz del Toro, 2010). 1.3.2.1 Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR). La característica principal de la espectroscopía infrarroja es que permite identificar especies químicas a través de la determinación de la posición (número de onda) a la que distintos grupos funcionales presentan bandas de sorción en el espectro Infrarrojo IR (Palacios et al., 2003). El aditivo MEF que se utiliza en este trabajo de diploma, a diferencia de los aditivos que se utilizan hoy en la industria de la construcción, no presenta una composición química (Brizuela, 2013, Martirena et al., 2014). Es un aditivo que se obtiene de la fermentación de varios microorganismos con diferentes materias primas, lo que hace más compleja la caracterización de este aditivo, pues la variedad de metabolitos que se obtienen es amplia. Conocer la composición química-física del aditivo MEF, es una necesidad, debido que a través del conocimiento de la misma, se puede conocer la sustancia/as presentes que influyen en la interacción del sistema plastificante-cementoagua.. 33.

(34) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento En trabajos realizados por (Yatim et al., 2009, Siong Andrew et al., 2013) donde se emplean estos tipos de productos EM, como aditivos no se reporta la composición química de estos. 1.4 Cemento. Reacciones de hidratación del cemento El cemento desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo, arcilla y arena. El material obtenido, molido muy finamente, una vez que se mezcla con agua, se hidrata y solidifica progresivamente. Estos son productos que amasados con agua, fraguan y endurecen formándose nuevos compuestos resultantes de reacciones de hidratación, que son estables tanto al aire como sumergidos en agua (Jiménez et al., 1987). 1.4.1 El cemento Portland. Este es el tipo de cemento más utilizado como aglomerante para la preparación del hormigón. Es el producto que se obtiene por la pulverización del clinker Portland con la adición de una o más formas de sulfato de calcio. Durante la reacción de hidratación del Cemento Portland Ordinario (CPO), el volumen del sólido aumenta por la formación de los productos de hidratación, pero el volumen total decrece. Esto se debe a que el volumen específico del agua es menor cuando está enlazada químicamente, que cuando está en estado no asociado; por lo tanto las reacciones de hidratación van acompañadas generalmente de una reducción en el volumen total del sistema (Alujas Díaz, 2010, Taylor, 1990). 1.4.2 Composición Química del Cemento Portland El clínker de cemento Portland contiene cuatro compuestos químicos mayoritarios: silicato tricálcico (C3S), silicato dicálcico (C2S), aluminato tricálcico (C3A) y ferrita aluminato tetracálcico (C4AF), esta última fórmula es la composición promedio de una serie de soluciones sólidas entre C 6A2F y C6AF2), junto con varios compuestos minoritarios, como óxido de magnesio (MgO, cal libre y sulfatos de álcalis (Betancourt Rodríguez, 2009c).. 34.

(35) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento Estos cuatro compuestos químicos mayoritarios, son los principales minerales del cemento portland, de carácter básico la cal y la magnesia, de carácter ácido la sílice y la alúmina (Betancourt Rodríguez, 2009b). Estos componentes no se encuentran libres en el cemento, sino combinados formando silicatos, aluminatos y ferritos cálcicos, que son los componentes hidráulicos del mismo o componentes potenciales (Jiménez et al., 1987, Betancourt Rodríguez, 2009c). Un clinker de cemento Portland de tipo medio contiene:  Silicato tricálcico (3CaO·SiO2) .................................. 40% a 50%  Silicato bicálcico (2CaO·SiO2) .................................. 20% a 30%  Aluminato tricálcico (3CaO·Al2O3) ............................ 10% a 15%  Aluminatoferrito tetracálcico (4CaO·Al2O3·Fe2O3) ....... 5% a 10% 1.4.3 Hidratación del cemento Portland. Etapas de hidratación La fase inicial de hidratación se llama fraguado y se caracteriza por el paso de la pasta del estado fluido al estado sólido. Posteriormente, continúan las reacciones de hidratación, alcanzando a todos los constituyentes del cemento que provoquen el endurecimiento de la masa y que se caracterice por un progresivo desarrollo de resistencias mecánicas. El fraguado y endurecimiento, no son más que dos estados separados convencionalmente; en realidad solo hay un único proceso de hidratación continuo (Soria, 1972, Betancourt Rodríguez, 2009d). Las dos principales reacciones de hidratación, que originan el proceso de fraguado y endurecimiento son: 2(3CaO.SiO2) + 6H2O (alita). (agua). 2(2CaO.SiO2) + 4H2O (belita). (agua). 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (tobermorita). (portlandita). 3CaO.2SiO2.3H2O + (tobermorita). Ca(OH)2. (portlandita). Los dos compuestos de silicato cálcico, tienen casi el mismo proceso de hidratación. Sólo se distinguen por la cantidad de hidróxido de calcio (portlandita) que se forma y por la cantidad de calor de hidratación liberado durante las reacciones. El producto principal de la hidratación, es el 35.

(36) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento hidrosilicato de calcio (tobermorita), el cual constituye la fase más importante de los productos de hidratación del cemento Portland y es precisamente el mineral que aporta las buenas propiedades mecánicas y químicas que posee el cemento, el cual aparece en forma de gel. Como puede apreciarse, en la reacción de hidratación de la alita se forma mayor cantidad de portlandita (hidróxido de calcio) que en la de la belita, lo cual debe tenerse muy en cuenta en el comportamiento químico de los cementos, pues la cal es el elemento básico que contribuye a la ocurrencia de la mayoría de los tipos de corrosión, o sea que se trata de un compuesto débil tanto desde el punto de vista mecánico-resistente como químico (Betancourt Rodríguez, 2009d). El primer componente en reaccionar en el cemento Portland es el aluminato tricálcico (C3A), con una duración rápida y corta hasta (7-28) días. Después el silicato tricálcico, con una aportación inicial importante, continúa durante bastante tiempo. A continuación el silicato bicálcico con una aportación inicial débil y muy importante a partir de los 28 días (Soria, 1972). El silicato tricálcico es el compuesto activo por excelencia del cemento, pues desarrolla una resistencia inicial elevada y un calor de hidratación también elevado, es el segundo componente en reaccionar en el cemento, con una aportación inicial importante y continua durante bastante tiempo. Fragua lentamente y tiene un endurecimiento bastante rápido. En el cemento de endurecimiento rápido y en los de alta resistencia, aparece en una proporción superior a la habitual (Soria, 1972, Tejero Juez, 1987). Por otra parte, el silicato bicálcico es el tercer componente en reaccionar en el cemento, con una aportación inicial débil y muy importante a partir de los 28 días, y es por eso, que desarrolla en el cemento la resistencia a largo plazo, es lento en su fraguado y en su endurecimiento. Su estabilidad química es mayor que la del silicato tricálcico, por ello los cementos resistentes a los sulfatos llevan un alto contenido de silicato bicálcico (Soria, 1972, Tejero Juez, 1987). El aluminato tricálcico, es el compuesto que gobierna el fraguado y las resistencias a corto plazo, además es el primer componente en reaccionar en 36.

(37) Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento el cemento Portland, con una duración rápida y corta hasta (7-28) días. Su estabilidad química es buena frente al agua de mar, pero muy débil a los sulfatos. Al objeto de frenar la rápida reacción del aluminato tricálcico con el agua y regular el tiempo de fraguado del cemento, se añade al clinker piedra de yeso (Soria, 1972, Tejero Juez, 1987). 1.4.3.1 Etapas de la hidratación del cemento. El proceso de hidratación experimenta las siguientes fases: 1. Proceso inicial rápido: Disolución de los iones e hidratación inicial 2. Período inactivo, de inducción: Formación de ettringita 3. Periodo de aceleración: Inicio de la hidratación de los silicatos 4. Período de deceleración 5. Periodo de difusión estacionario. Reacciones a largo plazo: agotamiento del sulfato. El primer pico de calor se forma durante los primeros (10-15) minutos y, principalmente, se debe a la formación de ettringita. El segundo pico coincide con la conversión de ettringita a monosulfato y el tiempo que pasa antes de que la conversión empiece depende de la cantidad de sulfato disponible. 1.4.4 Cinética de la hidratación. El estudio de cinética es, esencialmente, una descripción matemática de los pasos que determinan la velocidad de las reacciones y, como tal, depende de la correcta selección y modelizado de los procesos implicados (Alujas Díaz, 2010). Pueden ser identificadas tres etapas que determinan la velocidad durante el periodo medio y final de la hidratación, que son: 1.- Nucleación y crecimiento del cristal. 2.- Disolución en la superficie del C3S. 3.- Difusión a través de las capas hidratadas. En el Cemento Portland, la velocidad de reacción de la hidratación en los primeros días es: C3A > C3S > C4AF > C2S 37.