Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería

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(2) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS. ESCUELA. MONTERREY. D E INGENIERÍA. Y. TECNOLOGÍAS. DE L A INFORMACIÓN. TECNOLOGICO DE MONTERREY IMPACTO D E MATERIALES CONSTRUCCIONES. D E ALTO DESEMPEÑO E N D E. MAMPOSTERÍA. T E S I S PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL P A R A OBTENER E L GRADO ACADÉMICO D E : MAESTRÍA E N CIENCIAS C O N ESPECIALIDAD E N I N G E N I E R Í A Y A D M I N I S T R A C I Ó N D EL A CONSTRUCCIÓN. POR: LUIS ANTONIO BADILLO. MONTERREY,. N.. L.. LOZANO. D I C I E M B R E 2011.

(3) Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores Monterrey Campus Monterrey. Escuela de Ingeniería y Tecnologías de la Información. TECNOLÓGICO DE MONTERREY Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Tesis. Presentada como Requisito Parcial para obtener el grado Académico de: Maestría en Ciencias con Especialidad en Ingeniería y Administración de la Construcción. Por: Luis Antonio Badillo Lozano. Monterrey, N.L., Diciembre 2011.

(4) Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores Monterrey Campus Monterrey. Escuela de Ingeniería y Tecnologías de la Información. Los miembros del comité de tesis recomendamos que la presente tesis del Ing. Luis Antonio Badillo Lozano sea aceptada como requisito parcial para obtener el Grado Académico de: MAESTRO E N CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN DE L A CONTRUCCIÓN Comité de Tesis:. Jorge Gómez Domínguez, Ph.D. Asesor Principal. M.C. Ing. Kevin Luna Villarreal Sinodal. Director de la Maestría en Ciencias con Especialidad en Ingeniería y Administración de la Construcción. Diciembre de 2011.

(5) Dedicatoria. A mis Padres por el gran apoyo recibido, su ejemplo y lo que han hecho por mí para conducirme por el buen camino de la vida. A mis hermanos Laura y César por su cariño y compañía. A mis amigos, por todas las alegrías, momentos y sueños que hemos compartido juntos; por su sincera amistad. A Sandra, por tu ayuda, comprensión y apoyo incondicional. A todos mis familiares y especialmente a mi abuela Chelito. A todos ustedes, mi más sincero agradecimiento..

(6) ÍNDICE Resumen. 1. Introducción y Objetivos del estudio. 1. 1. Planteamiento del tema de Interés. 4. 1.1. Aplicaciones de la construcción de muros de manipostería. 5. 1.2. Composición de los muros de mampostería. 5. 1.3. Materiales de alto desempeño. 6. 1.4. Diseño y proporcionamiento de mezclas de mortero de alto desempeño. 7. 2. Estado del conocimiento 2.1. 9. Mortero de alto desempeño. 10. 2.1.1. ¿Qué es un mortero de alto desempeño?. 10. 2.1.2. Composición de mortero de alto desempeño. 11. 2.1.3. Propiedades del mortero. 25. 2.2. Muros de Mampostería. 29. 2.2.1. Materiales de mampostería y su comportamiento. 29. 2.2.2. Tipos de muros. 32. 2.2.3. Resistencia de la mampostería. 34. 2.2.4. Mecanismos de falla de la mampostería. 36. 2.3. Estudios relacionados. 37. 2.3.1. Mortero de alto desempeño. 37. 2.3.2. Mampostería. 41. 3. Desarrollo experimental 3.1. 47. Obtención del Mortero de Alto Desempeño. 48. 3.1.1 Metodología. 48. 3.1.2. Etapa 1: definición de requerimientos de desempeño. 52. 3.1.3. Etapa 2: selección de los materiales. 54. 3.1.3.1. Cemento. 54. 3.1.3.2. Humo de sílice. 55. 3.1.3.3. Agregado. 3.1.3.5. Fibras. fino. 55 56.

(7) 3.1.4. Etapa 3: Generación de la matriz del experimento y proporcionamientos 57. 3.1.5. Etapa 4: Ensayes en morteros. 64. 3.1.5.1. Fabricación de probetas de mortero. 64. 3.1.5.2. Resultados de consistencia. 70. 3.1.5.3. Ensayes de resistencia a compresión. 71. 3.1.5.4. Ensayes de resistencia a. 3.1.6. flexión. 75. Etapa 5: Análisis de resultados. 78. 3.1.6.1. Análisis de los resultados respecto a la consistencia. 81. 3.1.6.1. Análisis de los resultados respecto a la resistencia a compresión. 84. 3.1.6.2. Análisis de los resultados con respecto a la resistencia a. 88. 3.1.6.3. Análisis de deseabilidad. 3.1.7 3.2. flexión. Etapa 6: Confirmación de resultados. Ensayes en Manipostería. 3.2.1. Materiales. 3.2.1.1. Pieza de albañilería. 3.2.1.2. Mortero para unir piezas. 3.2.2. Pruebas de resistencia a compresión de mampostería. 91 94 95 95 95 106 112. 3.2.2.1. Geometría. 113. 3.2.2.2. Secuencia de construcción. 113. 3.2.2.3. Técnica de ensaye. 115. 3.2.2.4. Comportamiento teórico del ensaye. 116. 3.2.2.5. Ensaye a compresión de pilas. 117. 3.2.2.6. Tipos de falla. 118. 3.2.3. Pruebas de resistencia a compresión diagonal de mampostería. 124. 3.2.3.1. Geometría. 124. 3.2.3.2. Secuencia de construcción. 125. 3.2.3.3. Técnica de ensaye. 126. 3.2.3.4. Comportamiento teórico del ensaye. 127. 3.2.3.5. Ensaye de compresión diagonal de muretes. 128. 3.2.3.6. Tipos de falla. 129.

(8) 4. Procesamiento y análisis de resultados 4.1. Ensayes en pilas. 4.1.1 4.2 4.3. 136. Resistencia a compresión. 136. Ensaye en Muretes. 4.2.1. 135. 140. Resistencia a compresión diagonal. 140. Análisis por Correlación Digital de Imágenes. 144. 4.3.1. Análisis de pruebas a compresión de mampostería. 145. 4.3.2. Análisis de pruebas a compresión diagonal de mampostería. 147. 4.3.3. Correlación Digital de Imágenes. 151. 5. Análisis de Costo-Beneficio. 155. 5.1. Análisis de costo unitario. 156. 5.2. Ejemplo práctico de aplicación del MAD. 160. 6. Conclusiones y Recomendaciones. 167. 6.1. Conclusiones Generales. 168. 6.2. Conclusiones Particulares. 169. 6.3. Recomendaciones para futuras investigaciones. 174. 7. Anexos. 176. Anexo A. 177. Anexo B. 182. Anexo C. 193. índice de índice de Tablas. Referencias. figuras. 200 204. 206.

(9) Introducción RESUMEN. Hoy en día la mampostería es uno de los materiales de construcción más usados alrededor del mundo y México no es la excepción, por ello se tiene el interés de generar conocimiento en esta rama de los materiales de construcción, buscando trasladar parte del amplio conocimiento sobre tecnología del concreto y mortero a un nivel práctico. Con este propósito se planteó como objetivo estudiar el impacto que pudiera presentar el uso de un material de alto desempeño en el sistema constructivo de mampostería. Primeramente se procedió a realizar el trabajo necesario para diseñar un mortero de alto desempeño, en esta labor se hizo uso de una herramienta computacional para el diseño estadístico de un experimento que condujera a obtener la dosificación adecuada del mortero de alto desempeño. Posteriormente se procedió a evaluar el uso del mortero fabricado en la construcción de elementos de mampostería, para lo que se realizaron pruebas experimentales enfocadas en determinar la resistencia a compresión y resistencia a compresión diagonal de la mampostería fabricada con el mortero de alto desempeño, así como de mampostería de referencia fabricada según los requerimientos establecidos en la normativa aplicable. Además de realizar la evaluación, se hizo uso de la técnica de correlación digital de imágenes para el análisis de las pruebas, lo que aportó información interesante acerca del uso de este tipo de técnicas y sus posibles aplicaciones en un futuro. Los resultados de este estudio demuestran que el uso de materiales de alto desempeño tiene un impacto positivo en la mampostería, además se comprobó la eficacia de las herramientas computacionales empleadas en la realización de este trabajo de investigación.. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS DEL ESTUDIO. El registro arqueológico e histórico de hace miles de años muestran que los materiales básicos de construcción usados para crear refugios fueron los mismos en todos los lugares del mundo y derivados de la tierra o de la flora local dependiendo de las condiciones climáticas. Con el tiempo las sociedades se tornaron más complejas, de igual forma que los requerimientos de los edificios y construcciones. Esto dio lugar a la evolución de las construcciones de mampostería de simples piedras apiladas o lajas de piedra unidas con lodo a estructuras realmente grandes construidas a partir de bloques cuidadosamente formados.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 1.

(10) Introducción Así, los egipcios construyeron las famosas pirámides aproximadamente en el 2700 A.C. Otras civilizaciones en el medio oriente usaron la mampostería, particularmente los Sumerios desarrollaron la manufactura de ladrillos de arcilla usando moldes cerca del 3000 A.C. Los romanos no sólo usaron piedras y ladrillos de arcilla horneados, su desarrollo más significativo fue la invención de un cemento puzolánico elaborado mediante la adición de cenizas volcánicas a la cal. Por medio de este invento los romanos fueron capaces de extender el uso de la mampostería a los acueductos, puentes y domos, así como a mayores edificios. Con esta tecnología se construyeron los grandes castillos y catedrales que perduran hasta nuestros tiempos. El próximo gran cambio se produjo en los siglos XVIII y XIX, cuando surgió la revolución industrial en Europa, la población comenzó a incrementarse rápidamente y los pueblos y ciudades crecieron proporcionalmente. Esto derivó en la construcción de edificios a una escala nunca antes vista. Con excepción de algunos edificios industríales, todas las construcciones se realizaban a base de mampostería o madera hasta cerca del fin del siglo XIX. En el siglo XX la mampostería fue desplazada por nuevos materiales de construcción como el concreto y el acero para algunos propósitos. Sin embargo, la mampostería ha mantenido una posición predominante en relación a la construcción de casas y para propósitos no estructurales. Los primeros edificios de gran altura fueron de hecho construidos a base de mampostería. Uno de los primeros "rascacielos" en Chicago, fue el "Monadnock Building", que es un edificio de 16 pisos de altura (1). Actualmente existe la necesidad de adaptar la tecnología en cuanto a materiales y procedimientos de construcción de una forma práctica a la industria, de manera que se reflejen los beneficios que ofrecen los materiales de alto desempeño. Las estructuras de mampostería están sujetas a diversos problemas, los principales se presentan por aspectos de resistencia y durabilidad por lo que pueden obtenerse construcciones de mayor calidad mediante el impacto positivo en estas propiedades. El concreto, mortero y unidades de mampostería convencionales presentan una baja resistencia por unidad de peso, esto implica que los elementos de la estructura son relativamente grandes, lo que a su vez es de considerable importancia en edificios altos y en estructuras de grandes claros (2). Es posible aminorar en gran medida el efecto de esta desventaja mediante el uso de materiales de alto desempeño, los cuales poseen propiedades mecánicas superiores. A lo largo de las últimas décadas, el estudio del concreto y mortero ha presentado grandes avances mediante el uso de diversos materiales en su elaboración. Estos materiales se han introducido a la tecnología del concreto con el fin de obtener materiales más resistentes, durables y trabajables. Empleando concretos y Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 2.

(11) Introducción morteros con las características descritas podemos mitigar algunos de los problemas que presentan las estructuras, además de que se pueden obtener condiciones para extender su uso en diversas aplicaciones. El objetivo general de este trabajo es evaluar de forma experimental el comportamiento de la mampostería fabricada con mortero de alto desempeño (MAD). Para esto se contempla inicialmente el desarrollo de un MAD que posteriormente será empleado en el estudio de los beneficios que se pueden obtener mediante su aplicación en estructuras de mampostería, en relación con el empleo de un mortero convencional. Se espera que el uso de un mortero con capacidades superiores a las convencionales dé como resultado una mayor capacidad estructural de la mampostería. Además se realizará una comparativa cualitativa del uso del MAD respecto a un mortero convencional en términos prácticos como la trabajabilidad y un posible aumento en costos en la fabricación de la mampostería. Adicionalmente al objetivo descrito, se emplearán herramientas de las tecnologías de la información con el propósito de enriquecer este trabajo, permitiendo realizar una evaluación de la efectividad del uso de herramientas computacionales en las investigaciones experimentales sobre materiales de construcción, y explorar sus posibles aplicaciones en esta rama de investigación.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 3.

(12) Planteamiento del tema. Capítulo 1. 1.. PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INTERÉS. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 4.

(13) Capítulo 1 1.1. Planteamiento del tema. APLICACIONES DE LA CONSTRUCCIÓN DE MUROS DE MAMPOSTERÍA. Los muros de mampostería mantienen una gran importancia en su aplicación como muros estructurales en edificios de baja y mediana altura, y para muros interiores y revestimiento de edificios en los que las funciones estructurales son desarrolladas por otros materiales como el acero y concreto reforzado. La construcción de muros de mampostería tiene un número de ventajas, la primera es el hecho de que un elemento simple puede desempeñar varias funciones incluyendo estructural, protección contra incendios, aislamiento térmico y acústico, protección contra el medio ambiente y sub-división de espacios. Los materiales de mampostería están disponibles con las propiedades necesarias para cumplir estas funciones, siendo necesario en algunos casos suplir algún material para el aislamiento térmico y otros propósitos. La segunda gran ventaja está relacionada a la durabilidad de los materiales con los que, con una selección apropiada, puede esperarse permanezcan en servicio por varias décadas, sino es que siglos, con un mantenimiento relativamente bajo. Desde el punto de vista arquitectónico, la mampostería ofrece ventajas en términos de su gran flexibilidad de forma, composición espacial y apariencia de los muros externos. Se pueden crear muros con formas curvas y arreglos más complejos sin la necesidad de un gasto elevado en cimbras (3).. 1.2. COMPOSICIÓN DE LOS MUROS DE MAMPOSTERÍA. Los muros de mampostería consisten en bloques modulares de construcción unidos con mortero para formar muros que sean durables, resistentes al fuego, y estructuralmente eficientes a la compresión. Los tipos más comunes de piezas de albañilería son los ladrillos hechos de arcilla endurecida por calor y los bloques de concreto, que son unidades endurecidas químicamente. Los morteros son mezclas plásticas obtenidas por la mezcla de cemento, arena y agua. Cada uno de estos ingredientes es esencial en el desempeño de la mezcla, el cemento provee al mortero de resistencia y durabilidad, la arena actúa como relleno para dar volumen y el agua colabora con la plasticidad de la mezcla. El mortero es un elemento fundamental para la construcción de muros de mampostería y en él recae de gran manera la calidad de los mismos. Las Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 5.

(14) Planteamiento del tema. Capítulo 1. características que presenta este material de construcción se pueden dividir de acuerdo a dos etapas: propiedades en estado fresco (recién mezclado) y en estado endurecido (4). Se espera que un mortero recién mezclado sea plástico, semifluido y generalmente capaz de ser moldeado a mano. En su estado endurecido las propiedades que tienen mayor relevancia son su resistencia a la compresión y su durabilidad. Entre los factores principales que afectan a la resistencia de la mampostería podemos mencionar los siguientes (5):. TABLA 1. FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DE LA MAMPOSTERÍA. Características de las unidades. Características del mortero. Mampostería. Resistencia Tipo y geometría: Sólido Perforado Relación altura/grosor Absorción. Resistencia: Mezclado Relación agua/cemento Retención de agua Características de deformación. Adherencia Dirección del esfuerzo Concentración de esfuerzos. 1.3. MATERIALES DE ALTO DESEMPEÑO. Existe la necesidad de crear estructuras con capacidades superiores a las convencionales, más durables y con características que les permitan tener un desempeño estructural adecuado. Aunado a esto, se presenta la tendencia de usar materiales y técnicas de construcción modernas que logren coincidir con la visión de los diseñadores, esto provocado por la expansión de la inversión en bienes raíces y la competencia que existe en la industria de la construcción (6). El desarrollo de materiales de construcción de alto desempeño es discutido en una amplia diversidad de literatura, basado en conocimiento generado en investigaciones realizadas por instituciones educativas y las grandes empresas involucradas en la materia. El avance respecto a concretos y morteros de alto desempeño es notable en la búsqueda de mejorar sus propiedades de resistencia, durabilidad y comportamiento en estado fresco. Sin embargo, es importante mencionar que el conocimiento generado en investigaciones no siempre logra tener. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 6.

(15) Capítulo 1. Planteamiento del tema. un impacto en la industria, por lo que la gran mayoría de las construcciones se siguen desarrollando con métodos y materiales convencionales. Las construcciones de mampostería han tenido sus mayores cambios mediante la introducción o expansión del uso de materiales ligeros y nuevos tipos de piezas de albafiilería. Los principales objetivos detrás de estos avances han sido la mejora del aislamiento térmico e incrementar la producción manteniendo las ventajas de este tipo de construcción en términos de durabilidad, apariencia y flexibilidad de aplicación (3). Pero estos no son los únicos avances que pueden aplicarse a la construcción de mampostería, el desarrollo en la tecnología del concreto puede representar un factor que impacte en la calidad de estas estructuras, ya que este conocimiento puede ser aplicado a la "tecnología del mortero".. 1.4. DISEÑO Y PROPORCIONAMIENTO DE MEZCLAS DE MORTERO DE ALTO DESEMPEÑO. El mortero está compuesto principalmente por agregados, cemento portland, y agua, además pueden contener otros materiales cementantes y/o aditivos químicos. Los aditivos químicos son frecuentemente usados como acelerantes y retardantes de fraguado para mejorar la trabajabilidad, reducir los requerimientos de agua, aumentar la resistencia, o alterar alguna otra propiedad. Además se pueden usar, en diferentes cantidades, ciertos materiales cementantes como ceniza volante, puzolanas naturales, escoria de alto horno y humo de sílice en conjunto con el cemento portland ya sea por cuestiones económicas o para obtener alguna propiedad específica (7). El diseño de una mezcla de mortero puede ser proporcionado a partir de datos estadísticos existentes usando los mismos materiales, proporciones y condiciones. Cuando no existen registros o son insuficientes, el proporcionamiento debe ser determinado a partir de mezclas de prueba. En situaciones de laboratorio, se asume que no se tiene información sobre experiencias en campo. En el diseño de mortero por el método de las mezclas de prueba se deben de establecer ciertos objetivos de diseño de antemano como pueden ser la resistencia y trabajabilidad. Una vez que estos parámetros han sido establecidos, es posible formular las mezclas de prueba y preparar los especímenes (8).. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 7.

(16) Capítulo 1. Planteamiento del tema. Existen procedimientos estandarizados para la formulación de los proporcionamientos de concreto que pueden aplicarse al mortero, como el propuesto por el Instituto Americano del Concreto (ACI, American Concrete Institute), sin embargo, estos procedimientos están diseñados para la fabricación de concreto convencional o de alta resistencia. Los concretos y morteros de alta resistencia están generalmente caracterizados por relaciones agua/material cementante (a/mc) bajas, alto consumo de cemento y la presencia de aditivos minerales y químicos (9). De acuerdo a Domone y Soutsos (10), la optimización de proporcionamientos de material es más difícil para concretos de alta resistencia que para concretos convencionales. Además, muchos métodos existentes para el proporcionamiento de concreto están basados en datos y conocimiento de los materiales existentes en una región específica y generalmente están restringidos a cemento portland, agregados y agua. Estos métodos no son adecuados para la optimización de varios factores que deben ser considerados para el proporcionamiento de concretos de alto desempeño ya que estos últimos incorporan materiales cementantes suplementarios, aditivos químicos e inclusive fibras, presentando una estructura interna compleja (11).. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 8.

(17) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. 2.. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 9.

(18) Estado del Conocimiento. Capítulo 2 2 . 1 M O R T E R O D E A L T O DESEMPEÑO. Cabe establecer como antecedente que la tecnología del concreto puede ser aplicada de la misma manera al mortero, ya que estos materiales tienen una gran similitud, mencionando como principal diferencia la ausencia de agregado grueso en el mortero. El concreto puede definirse como un material compuesto que consiste esencialmente de un medio aglutinante en el que se distribuyen partículas o fragmentos de agregados, usualmente una combinación agregado fino y grueso, además de contar con la presencia de aire; en concretos de cemento portland, el aglutinante es una mezcla de cemento portland y agua (Figura 1). Por otra parte, el mortero se define como una mezcla de agua, cemento, agregado fino y aire; se puede decir que en el concreto fresco, es el material que ocupa el espacio que existe alrededor de las partículas de agregado grueso (12).. FIGURA 1. SECCIÓN TRANSVERSAL DE CONCRETO ELABORADO CON CALIZA TRITURADA. 2.1.1. ¿QUÉ ES UN MORTERO DE ALTO DESEMPEÑO?. A través de los años han surgido varias definiciones para familiarizar a la comunidad de ingenieros y la industria del concreto con el CAD. El CAD es definido por la ACI (American Concrete Institute) como un concreto en el que se desarrollan ciertas características para una aplicación y ambiente en particular. Los concretos de alto desempeño pueden ser de normal o alta resistencia, según la aplicación a la que estarán sujetos, por definición, el concreto de resistencia Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 10.

(19) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. normal es el que tiene una resistencia a compresión no mayor a 42 Mpa (428.4 kg/cm ), mientras que todos los demás son considerados concretos de alta resistencia. 2. En este trabajo se considera al MAD como un mortero que cumple con propiedades mecánicas superiores a los convencionales manteniendo una buena trabajabilidad.. 2.1.2. COMPOSICIÓN DE MORTERO DE ALTO DESEMPEÑO. Los materiales que se usan para fabricar morteros de alto desempeño (MAD) son casi los mismos que se usan en la elaboración de los morteros convencionales. Sin embargo, debido al uso de puzolanas, humo de sílice, aditivos químicos, fibras, una relación a/mc menor, etc. los MAD suelen presentar ciertas mejoras en su desempeño que marcan una gran diferencia entre estos y los morteros convencionales (13). Los materiales que serán descritos dentro de esta sección son: cemento portland, materiales cementantes suplementarios, agregados, aditivos, agua y fibras (Figura 2).. FIGURA 2. COMPOSICIÓN DEL MORTERO DE ALTO DESEMPEÑO. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 11.

(20) Estado del Conocimiento. Capítulo 2 2.1.2.1. CEMENTO PORTLAND. Los cementos Portland (Figura 3) son cementos hidráulicos compuestos principalmente de silicatos hidráulicos de calcio. Los cementos hidráulicos fraguan y endurecen por la reacción química con el agua. Durante la reacción, llamada hidratación, el cemento reacciona con el agua para formar una masa endurecida similar a una roca, llamada pasta. Cuando se adiciona la pasta a los agregados, la pasta actúa como adhesivo y une los agregados para formar el concreto o mortero en su caso, los materiales de construcción más versátiles y usados en el mundo (4).. FIGURA 3. CEMENTO PORTLAND. El proceso de fabricación del cemento Portland consiste esencialmente en la molienda y mezclado en ciertas proporciones, de materia calcárea y arcillosa que posteriormente es quemada en hornos rotatorios industriales a una temperatura aproximada de 1400°C, a esta temperatura, el material se sintetiza y se fusiona al enfriarse para formar partículas redondas conocidas como clínker, entonces el clínker es almacenado y posteriormente molido a polvo fino con algo de yeso (sulfato de calcio). El producto resultante es el cemento portland (14). Los materiales empleados como materia prima en la fabricación del cemento portland consisten principalmente en caliza, sílice, alúmina y óxido de fierro. Durante la calcinación, estos óxidos interactúan dentro del horno para formar una serie de productos complejos. Son cuatro los compuestos que constituyen los componentes mayoritarios del cemento portland, el C3S o Alita, el C2S o Belita, el C3A o Aluminato tricálcico y el C4AF o Ferroaluminato tetracálcico (15).. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 12.

(21) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. La norma ASTM C 150 designa ocho tipos de cementos, usando los números romanos, como se muestra en la Tabla 2. TABLA 2. ASTM C150, ESPECIFICACIONES PARA EL CEMENTO PORTLAND. Los cementos mexicanos se especifican según la norma NMX-C-414-0NNCCE. De acuerdo a esta norma, hay seis tipos básicos de cementos, como se describe en la Tabla 3. Los cementos además se dividen en clases de resistencia: 20, 30 40, las cuales designan las resistencias a compresión mínima a los 28 días de 20 Mpa, 30 Mpa y 40 Mpa, respectivamente. Hay dos clases más de resistencia: 30R y 40R, que además de presentar resistencia a compresión mínima a los 28 días de 30 Mpa y 40 Mpa, respectivamente, también deben presentar resistencia a compresión a los 3 días de 20 Mpa y 30 Mpa, respectivamente.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 13.

(22) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. TABLA 3. NMX-C-414-0NNCCE, ESPECIFICACIONES PARA EL CEMENTO PORTLAND. La selección apropiada del tipo de cemento es uno de los pasos más importantes en la producción de concretos y morteros de alta resistencia. Las variaciones en la composición química y propiedades físicas del cemento afectan en la resistencia a la compresión del mortero en mayor medida que las variaciones de cualquier otro material usado en su elaboración. Asimismo, existe un contenido óptimo de cemento que si se sobrepasa, se obtendrá un aumento en la resistencia mínimo o nulo, sin embargo, si se incrementa el contenido de cemento se afecta notablemente en la consistencia del concreto para una misma relación a/mc. En un estudio realizado a diferentes tipos de cemento en sus uso para fabricar CAD se obtuvieron resultados que muestran que las mezclas que contienen cemento portland tipo III desarrolla una mayor resistencia en todas las edades de la prueba, y más significativamente en edades tempranas (16). Hay dos requerimientos que un cemento debe cumplir: debe desarrollar una resistencia apropiada, y debe exhibir un comportamiento reológico apropiado. Por ello, cuando se selecciona un cemento portland para su uso en concretos y morteros de alta resistencia es necesario revisar cuidadosamente su finura y química. El incremento de la finura del cemento portland provocará, por una parte, el incremento Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 1 4.

(23) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. de la resistencia del concreto en edades tempranas, ya que se cuenta con una mayor área de contacto con el agua generando una hidratación más rápida. Por otra parte, una finura alta puede representar problemas de comportamiento reológico ya que a medida que aumenta la reacción del cemento en edades tempranas se disminuye la trabajabilidad del concreto. Respecto a la química del cemento, un trabajo realizado en la década de los 1970's por Perenchio (17) indica que los cementos con alto contenido de C3A contribuyen a una mayor resistencia. Sin embargo, trabajos posteriores (9) demostraron que altos contenidos de C3A generalmente conducen también a una pérdida rápida de fluidez en el concreto fresco (18). La reacción del cemento portland con el agua, o hidratación, empieza cuando el cemento entra en contacto con el agua. En la superficie de cada partícula de cemento se forma una capa fibrosa que gradualmente se propaga hasta que se enlaza con la capa fibrosa de otra partícula de cemento o se adhiera a las substancias adyacentes. El crecimiento de las fibras resulta en una rigidización, endurecimiento y desarrollo progresivo de resistencia. La rigidización de la pasta puede reconocerse por la pérdida de trabajabilidad, la cual normalmente ocurre después de 3 horas de mezclado, pero es dependiente de la composición y finura del cemento. Además, esto puede verse afectado por el uso de aditivos, las proporciones de la mezcla y de las condiciones de temperatura. La hidratación continúa si existen condiciones favorables de temperatura y humedad (curado) y espacio disponible para la formación de los productos de hidratación. A medida que la hidratación continúa, el mortero se vuelve más duro y resistente. Gran parte de la hidratación y del desarrollo de la resistencia ocurre a lo largo del primer mes, pero si hay humedad y temperatura adecuadas, la hidratación continúa de manera más lenta, por un largo período. Se ha reportado el aumento continuo de resistencia, excediendo los 30 años (4). 2.1.2.2. CEMENTANTES SUPLEMENTARIOS. Las puzolanas fueron utilizadas primeramente por los romanos (Figura 4) debido a su fácil acceso ya que en Puzzoli, un pequeño pueblo cercano a Ñapóles, se depositaron las cenizas volcánicas del volcán Vesubio. Ahora las puzolanas envuelven una gran cantidad de materiales, que incluyen a los subproductos industriales. El uso de estos complementos cementantes, así como los aditivos químicos, han sido establecidos como ingredientes comunes en la producción de concretos modernos y los cuales pueden producir resistencias mayores a los 50 MPa, además, pueden ser Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 15.

(24) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. utilizados donde el ambiente de servicio, las condiciones de exposición, o el costo del ciclo de vida, dictan el uso de concretos de alto comportamiento y además sustentables. Las puzolanas artificiales son subproductos industriales, que antiguamente se consideraban como desperdicio y contaminaban el medio ambiente, tal es el caso de la ceniza volante, el humo de sílice y las escorias granuladas de alto horno (Figura 5). Por otra parte, tenemos las puzolanas artificiales que son producidas especialmente con la finalidad de ser utilizadas como complemento cementante en la industria de la construcción como la metacaolinita (19).. FIGURA 4. COLISEO ROMANO CONSTRUIDO CON PUZOLANAS NATURALES. Casi todos los complementos cementantes tienen una característica en común: contienen una forma de sílice vitreo reactivo, que al estar en presencia del agua, y del hidróxido de calcio (cal), se combinan para formar silicatos de calcio hidratados (C-SH), productos similares a los que se forman durante la hidratación del cemento portland (20). Básicamente la reacción puzolánica es de la siguiente manera: Puzolana + Cal + Agua -> Silicato de Calcio Hidratado La hidratación del cemento portland libera una gran cantidad de cal, como resultado de la hidratación del silicato tricálcico (C3S) y del silicato dicálcico (C2S). La cal producida en la reacción de los compuestos potenciales del cemento portland contribuye muy poco a la resistencia de la pasta de cemento y puede ser responsable de problemas de durabilidad, debido a que puede ser fácilmente expulsada por el agua. Esta acción de expulsión resulta en un incremento de la porosidad de la matriz de la pasta de cemento. La única característica positiva de la cal en el concreto, es que. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 16.

(25) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. ayuda a mantener una alcalinidad (pHJ, lo cual incrementa la estabilidad de la capa de óxido que produce la pasivación del acero de refuerzo (21}. AI fabricar concreto o mortero, si el material cementante suplementario es mezclado con el cemento portland, teóricamente la cal producida por la hidratación del cemento portland puede ser transformada en C-S-H, la reacción de hidratación de una mezcla adecuada de cemento portland y un cemento suplementario puede ser escrita de la siguiente manera: Cemento portland + Cementante suplementario + Agua. C-S-H. FIGURA 5 MATERIALES CEMENTANTES SUPLEMENTARIOS. DE IZQUIERDA A DERECHA, CENIZA VOLANTE (CLASE C), METACAOLINITA, HUMO DE SÍLICE, CENIZA VOLANTE (CLASE F), ESCORIA Y PIZARRA CALCINADA.. Ceniza volante La ceniza volante es un subproducto de la combustión del carbón pulverizado en plantas generadoras de electricidad. Bajo la ignición en el horno, la mayor parte de la materia volátil y el carbono del carbón se queman. Durante la combustión, las impurezas minerales del carbón (arcilla, feldespato, cuarzo y esquisto) se funden en suspensión y se transportan hacia afuera de la cámara por los gases de escape. En el proceso, el material fundido se enfría y se solidifica como pequeñas esferas vitreas llamadas cenizas volantes. La ceniza volante se colecta de los gases de escape a través de precipitadores electrostáticos o de filtros de manga (4). Escoria de alto horno La escoria granulada de alto horno molida se produce de la escoria siderúrgica de alto horno, la cual es un cemento hidráulico no metálico que consiste básicamente en silicatos y aluminosilicatos de calcio. Este producto se desarrolla en el estado fundido simultáneamente con el acero en un alto horno. La escoria fundida a la Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 17.

(26) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. temperatura de cerca de 1500°C se enfría rápidamente y se apaga en el agua para formar un material granulado vitreo (4). Humo de sílice El Instituto Americano del Concreto (ACI) define el humo de sílice como una sílice cristalina muy fina producido en hornos de arco eléctrico como un subproducto de la producción de silicio o aleaciones que contienen silicio (12). Es usualmente un polvo de color gris, similar al cemento portland o algunas cenizas volantes. El humo de sílice también es conocido como humo de sílice condensado, microsílica o sílice volatizado. TABLA 4. COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS Y FÍSICAS DE LOS CEMENTANTES SUPLEMENTARIOS (22). En la Tabla 4 se pueden apreciar las características de diferentes materiales cementantes suplementarios. La influencia de los materiales cementantes suplementarios se ha estudiado en diversas investigaciones en las que se ha demostrado que la trabajabilidad del concreto puede ser mejorada mediante el uso de humo de sílice en concretos producidos con bajas relaciones de agua/cementante en conjunción con el uso de aditivos súperfluidificantes. Asimismo la inclusión de humo de sílice en el concreto tiene un efecto positivo en el aumento de la resistencia a compresión del concreto en todas las edades (23). Por lo anteriormente expuesto, se puede inducir que el uso de cementantes suplementarios, cuando están disponibles a un precio competitivo, es benéfico en la elaboración de CAD porque pueden resultar en un ahorro de costos además de mejorar las propiedades del concreto en estado fresco y endurecido.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 18.

(27) Estado del Conocimiento. Capítulo 2 2.1.2.3. AGREGADOS. Los agregados son el material que ocupa la mayor parte del volumen en mezclas de concreto y mortero, por lo que influyen fuertemente en sus propiedades en estado fresco como endurecido. Los agregados en concreto pueden dividirse en dos tipos, los agregados gruesos (gravas) y agregados finos (arenas), mientras que en la fabricación de mortero sólo prevalece la presencia de agregados finos. Los agregados finos generalmente consisten en arena natural o piedra triturada con la mayoría de sus partículas menores que 5 mm. Algunos depósitos naturales de agregado, llamados de gravas de mina, consisten en grava y arena que se pueden usar inmediatamente en el concreto o mortero, después de un procesamiento mínimo. Por otra parte, la piedra triturada se produce triturando la roca de cantera, roca redondeada, guijarros o gravas grandes. En la región del estado de Nuevo León el agregado más comúnmente usado es el triturado, que es obtenido de los cerros mediante explosiones para después triturar el material obtenido con el fin de reducir el tamaño de partícula a los requeridos según la normativa. Los agregados de peso normal deben atender a los requisitos de la norma ASTM C33 o NMX-C-111 (Tabla 5), estas especificaciones limitan las cantidades permisibles de sustancias deletéreas y proveen requisitos para las características de los agregados. El cumplimiento de estos requisitos se determina a través de varias pruebas normalizadas. TABLA 5. LÍMITES DE GRANULOMETRÍA PARA AGREGADO FINO (ASTM C 33, NMX-C-111). Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 19.

(28) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. El agregado fino está constituido por partículas cuyo tamaño está entre 0.075 y 4.75 mm, en donde es deseable que exista continuidad granulométrica, es decir, que exista la presencia de todos los tamaños representantes de las diferentes fracciones que están establecidas, de forma que el agregado ocupe la mayor cantidad de espacio posible (Figura 6).. FIGURA 6. EL NIVEL DEL LÍQUIDO, REPRESENTANDO LOS VACÍOS, ES CONSTANTE PARA VOLÚMENES ABSOLUTOS IGUALES DE AGREGADOS CON TAMAÑO UNIFORME PERO DIFERENTE. CUANDO SE COMBINAN DIFERENTES TAMAÑOS, LOS VACÍOS SE REDUCEN.. El módulo de finura se calcula de acuerdo con ASTM C 25 o NMX-C-111 y es un índice de finura del agregado - cuanto mayor es el módulo de finura, más grueso es el agregado. P.C. A'itcin recomienda que, cuando sea posible, se seleccione agregado fino con un módulo de finura entre 2.7 y 3.0, que corresponde al lado grueso de los límites. El uso de esta arena gruesa está respaldado por el hecho de que las mezclas de alta resistencia son suficientemente ricas en partículas finas por el gran contenido de cementantes, por lo que no es necesario usar arena fina por motivos de trabajabilidad y segregación. Además, el uso de arena gruesa resulta en un ligero decremento de la cantidad de agua necesaria para una trabajabilidad dada, lo que es ventajoso desde el punto de vista de resistencia y economía (20). Otras propiedades que son necesarias para el diseño de una mezcla de mortero son la masa volumétrica, densidad, absorción y humedad. Estas propiedades se deben determinar mediante las normas ASTM C128 "Densidad, densidad relativa, y absorción de agregado fino" y ASTM C566 "Contenido de humedad evaporable de agregado por secado".. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 20.

(29) Estado del Conocimiento. Capítulo 2 2.1.2.4. ADITIVOS. En la especificación ASTM C 125 se hace referencia a los aditivos de concreto como "un material diferente del agua, agregados, cemento hidráulico, y fibras de refuerzo usado como un ingrediente de concreto o mortero y añadido a la mezcla inmediatamente antes o durante el mezclado". Desde la década de los 30's en el siglo pasado, se empezaron a utilizar algunos aditivos para modificar algunas propiedades del concreto, de entre ellos, los que han tenido más impacto y que vinieron a revolucionar la tecnología del concreto son los súperfluidificantes (SF) también conocidos como reductores de agua de alto rango o súper reductores de agua (15). El ACI 116R-00 define un súperfluidificante como un aditivo reductor de agua de alto rango capaz de producir grandes cantidades de reducción de agua o gran fluidez sin causar retardo en el fraguado o inclusión de aire excesivos en mortero o concreto. (12). Los primeros reductores de agua poliméricos adoptados por la industria del concreto en 1935 fueron los dispersantes poliméricos derivados de lignina conocidos como lignosulfonatos, estos polímeros son un subproducto relativamente barato de la industria del papel, cuyas propiedades reductoras de agua pueden explotarse a un costo mínimo. Sin embargo, con el uso se descubrió que variaciones en la composición de estos productos, especialmente en su contenido de azúcar, pueden inducir problemas significativos en cuanto a retardo de fraguado e inclusión de aire (24). Un importante tipo de polímeros designados como reductores de agua de alto rango son los sulfonatos de polinaftaleno que desde 1938 han sido conocidos como agentes dispersantes del cemento. Sin embargo, en ese entonces hubo poco interés en estos polímeros, ya que las resistencias de diseño del concreto eran bajas y las relaciones a/mc podían ser fácilmente ajustadas para lograr la trabajabilidad deseada modificando los contenidos de agua. También debido al relativo bajo costo del cemento, no existía incentivo económico para reducir los contenidos de cemento (24). Los beneficios de los polímeros sintéticos tales como los sulfonatos de polinaftaleno fueron re-estudiados y mejorados, principalmente en Japón a principios de los 60s. Los sulfonatos de polimelamina son otra familia de polímeros sintéticos que también fueron desarrollados varios años después como SF para el concreto y patentados en Alemania (24). La comercialización de los SF se inició en Japón en 1970 y posteriormente en Alemania, esto representó un avance significativo que en Europa, Norteamérica y. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 21.

(30) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. Japón condujo al desarrollo de una nueva manera de producir concreto de alta calidad y fácil colocación (25). En 1993 y 1997 aparecieron respectivamente los aditivos SF a base de poliacrilato y a base de policarboxilato, los cuales son considerados como aditivos de la última generación. Con relación a sus antecesores, a estos aditivos se les atribuye mayores períodos de retención de consistencia y un mejor control de parámetros clave tales como resistencia a la compresión y relación a/mc (26). Los súperfluidificantes pueden ser usados con tres diferentes propósitos o con una combinación de ellos (25): 1. Para incrementar o mejorar la trabajabilidad sin cambiar la composición de la mezcla 2. Para reducir el agua de mezclado y en consecuencia la relación a/mc con el fin de incrementar la resistencia y mejorar la durabilidad 3. Para reducir tanto el agua como el cemento con el fin de reducir el flujo, los esfuerzos por retracción y térmicos, este último causado por el calor que se genera durante la hidratación del cemento.. 2.1.2.5. FIBRAS. Los CAD suelen presentar una mayor fragilidad que los concretos convencionales, pero la ductilidad de los CAD puede ser mejorada alterando su composición a través de la adición de fibras en el diseño del proporcionamiento. Al concreto con fibras en su estructura se le llama Concreto Reforzado con Fibras (CRF). A su vez, el comportamiento mecánico del CRF puede ser catalogado en dos clases por su respuesta a la tensión: CRF de alto desempeño y CRF convencional. En CRF convencional elaborado por adición de fibras al concreto convencional sólo exhibe un aumento en la ductilidad, mientras que el CRF de alto desempeño elaborado añadiendo fibras a un CAD exhibe un endurecimiento substancial contra la deformación que desarrolla una gran mejora en la resistencia y la dureza. Debido a esta mejora aumentada en términos de ductilidad, el CRF de alto desempeño es llamado concreto ultra dúctil (27). Las fibras que se usan en la fabricación de concreto pueden ser de varios tipos y materiales, algunos de los materiales más comunes son fibras de acero, de vidrio, sintéticas y naturales que pueden contar con diversas propiedades físicas y dimensiones según la presentación (Figura 7). Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 22.

(31) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. FIGURA 7. FIBRAS DE ACERO, VIDRIO, SINTÉTICAS Y NATURALES CON DIFERENTES LINGITUDES Y FORMAS.. Las fibras sintéticas son fibras hechas por el hombre como resultado de investigación y desarrollo en las industrias petroquímica y textil. El tipo de fibras que son usadas en concretos son: aerificas, nylon, poliéster, polietileno y polipropileno. Las fibras sintéticas pueden reducir la contracción plástica y consecuentes agrietamientos y puede ayudar al concreto después de su fractura (4). El interés por las fibras sintéticas como un componente de los materiales de construcción fue reportado por vez primera en 1965. Fibras sintéticas de monofilamento fueron usadas en estructuras resistentes a explosiones por la Sección de Investigación y Desarrollo de la Armada de los EU. En este proyecto se descubrió que la adición de lo que en ese momento se consideraban bajas cantidades, 0.5 por ciento en volumen, de fibras sintéticas en el concreto resultaba en un compuesto con incremento en la ductilidad y resistencia al impacto (28). En la actualidad no se han desarrollado métodos de diseño para aplicaciones particulares usando bajo volumen de fibras sintéticas. Dependiendo de la aplicación deseada, los fabricantes pueden sugerir diferentes contenidos y geometría de las fibras. Las fibras de polipropileno, las más populares de las sintéticas, son químicamente inertes, hidrofóbicas y ligeras. Son producidas como un cilindro continuo de monofilamentos que pueden ser cortados en longitudes específicas o diferentes formas como cintas o películas. El uso de porcentajes en volumen de al menos el 0.1 por ciento de fibras de polipropileno reduce el fisuramiento por contracción plástica y fisuramiento consecuente hasta el acero de refuerzo. La Figura 8 muestra como el uso de fibras puede prevenir la formación o el crecimiento de fisuras en la estructura del concreto.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 23.

(32) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. FIGURA 8. LAS AGRIETAMIENTOS. FIBRAS. PREVIENEN. LA. EXPANSIÓN. DE. En cualquier caso en particular, el comportamiento del concreto o mortero reforzado con fibras despenderá de la fracción volumétrica de fibra y de las características intrínsecas de la fibra, entre las que destacan (29): •. •. •. •. •. Resistencia a la tensión: Partiendo de que el área disponible de fibra para tomar los esfuerzos es mucho menor que el área del concreto, la fibra debe ser más resistente. La resistencia a tensión del concreto es tan baja que esto no suele ser un problema. Elongación: La fibra debe tener la capacidad de resistir deformaciones mayores a la deformación para la cual la matriz se agrieta. El concreto es tan rígido que esto comúnmente no es problema. Módulo de elasticidad: Entre mayor sea el módulo de elasticidad, mayor será la proporción de la carga que tomen las fibras en el ensaye de un compuesto antes que se agriete. Por otro lado, entre mayor sea el módulo de la fibra, menor será la deformación posterior al agrietamiento del compuesto. Resistencia al cortante por adherencia interfacial: La transferencia de carga de la matriz a las fibras depende del cortante por adherencia en la interface. Relación de Poisson: La diferencia de la relación de Poisson, entre las fibras y la matriz origina esfuerzos en el sentido transversal de la fibra a lo largo de la interface fibra-matriz. Si la relación de Poisson de las fibras es mayor que la de la matriz este esfuerzo transversal será de tensión y la fibra tenderá a desprenderse de la matriz afectando de manera adversa la adherencia.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 24.

(33) Estado del Conocimiento. Capítulo 2 •. Elasticidad: Si la fibra no es elástica y se somete a flujo bajo carga, sufrirá relajamiento de esfuerzo, y el nivel de reforzamiento disminuirá con el tiempo.. En resumen, el mecanismo de reforzamiento que proporcionan las fibras, involucra la transferencia de esfuerzo de la matriz a la fibra por cortante interfacial, o por adherencia entre las fibras y la matriz cementante. Si la superficie de la fibra es deformada, entonces el esfuerzo es compartido por la fibra y la matriz en tensión hasta que la matriz se agrieta, y el esfuerzo total es transferido progresivamente a las fibras (28).. 2.1.2.6. AGUA. La calidad del agua para concretos de alta resistencia no es un problema mayor si se usa agua potable. De otra manera, el agua deberá ser probada para su uso de acuerdo a la norma ASTM C 9 4 (30). Se puede emplear agua dudosa en el concreto, pero se debe verificar su desempeño. Por ejemplo, se aconseja que los cubos de mortero (ASTM C 1 0 9 ) preparados con el agua dudosa tengan la resistencia a los 7 días igual a por lo menos el 9 0 % de la resistencia de los especímenes de referencia preparados con agua potable o destilada. Además se debe garantizar a través de ensayes el tiempo de fraguado que las impurezas en el agua de mezclado no van a disminuir o aumentar adversamente el tiempo de fraguado del cemento. El exceso de impurezas en el agua de mezcla no sólo puede afectar el tiempo de fraguado y las resistencias del concreto, sino también puede causar eflorescencias, manchado, corrosión del refuerzo, inestabilidad del volumen y reducción de la durabilidad (4).. 2.1.3. PROPIEDADES DEL MORTERO. Aunque el mortero forma parte del volumen total de la mampostería en aproximadamente el 7%, su influencia en el ensamblaje de mampostería es mucho mayor que lo esta proporción indica (1). El mortero es parte responsable de las características de resistencia de la mampostería.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 25.

(34) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. Las propiedades físicas más importantes en mortero fresco incluyen trabajabilidad, cohesión, y la habilidad de extenderse uniformemente y con facilidad. Las características críticas del mortero endurecido son su durabilidad y resistencia a la compresión (1).. 2.1.3.1. TRABAJABILIDAD. La trabajabilidad influencia significativamente muchas de las otras características del mortero. Un mortero trabajable tiene una consistencia plástica, es fácilmente extendido y se adhiere con facilidad a superficies verticales (1). Los factores que influyen la trabajabilidad son: • • • • • •. Cantidad y características de materiales cementantes Consistencia del mortero (Porcentaje de fluidez) Tamaño, forma y textura superficial de agregados finos Cantidad de agua Temperatura de mortero y del aire Aditivos. La consistencia de los morteros de cemento hidráulico se mide según la ASTM C 1437, en dicha prueba se obtiene un "porcentaje de fluidez". Esta prueba es parecida a la prueba con el cono de revenimiento en concreto, sólo que se practica en una "mesa de fluidez" (Figura 9 ) que se hace vibrar vertí cálmente por 15 segundos. Esta prueba puede reflejar las propiedades del mortero, sin embargo, estas propiedades difieren en el laboratorio de las necesarias en el campo. En condiciones de laboratorio se requiere que los morteros tengan una fluidez inicial de 105 a 1 1 5 % , ya que se considera que esta es la fluidez que tendrá el mortero ya colocado en el muro de mampostería. Los morteros de construcción requieren de una fluidez inicial mayor.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 26.

(35) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. 2.1.3.2. RESISTENCIA. La resistencia a compresión no es la única propiedad que hace ventajoso el uso de concretos y morteros de alto desempeño, sin embargo, esta propiedad está muy relacionada con las características microestructurales del concreto que también gobiernan otras propiedades como el módulo de elasticidad y la durabilidad (20). El concreto y mortero pueden considerarse materiales no-homogéneos compuestos por tres fases separadas: • • •. La pasta de cemento hidratado La zona de transición entre el agregado y la pasta de cemento hidratado Los agregados. La resistencia de la pasta de cemento hidratado puede ser mejorada si se pone especial atención a los siguientes parámetros: • • •. Porosidad: un número grande de poros o vacíos son perjudiciales para la resistencia. Tamaño del grano: en general, la resistencia de la fase cristalina se incrementa con el decremento del tamaño de grano Inhomogeneidades: con materiales multifase, las inhomogeneidades microestructurales son una fuente de pérdida de resistencia.. Los factores principales que afectan la porosidad de la fase de cemento hidratado son la razón del volumen de agua disponible, el volumen de la fase de silicato a ser hidratada y la cantidad de aire atrapado durante el mezclado. Esto fue reconocido en 1892 por Féret, quien formuló la expresión: Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 27.

(36) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. Donde f' es la resistencia a compresión de la pasta de cemento hidratado, c, w, y a son los volúmenes de cemento, agua y aire, respectivamente, y k es una constante que depende del tipo de cemento (31). Como Féret estuvo tratando con cemento Portland puro, la expresión puede reescribirse de la siguiente forma si ambos, el numerador y el denominador, son divididos entre c: c. Como el volumen de aire atrapado es usualmente menor a l o 2% del volumen total de concreto, el término a/c puede ser descartado. Entonces la expresión de Féret puede reescribirse así:. Para incrementar la resistencia a compresión, la relación agua/cemento (a/mc) debe ser reducida. Por lo que desde un punto de vista teórico, cuando se pretende fabricar un concreto o mortero de alto desempeño, uno de los factores clave es la reducción máxima posible de la relación a/mc. Además, mediante el decremento de la relación a/mc se favorece la formación de productos internos caracterizados por una textura fina (20). En lo que respecta a la zona de transición, la reducción de la relación a/mc y el uso de humo de sílice tienden a reducir el grosor y la debilidad de la zona de transición (20) (Figura 10). Se puede apreciar que desde el punto de vista de materiales, el mortero de alto desempeño no es más que un mortero con muy baja porosidad. Esta porosidad es alcanzada principalmente por el uso menor de agua de mezclado que en el mortero convencional de forma que las partículas de cemento y cementantes suplementarios están mucho más cercanas entre ellas. Mientras que la porosidad de la pasta decrece, la resistencia del mortero se incrementa (20). La resistencia a flexión puede inferirse a partir de la resistencia a compresión en concretos convencionales por medio de correlaciones estadísticas. Se estima que la resistencia a flexión de concretos de peso normal es 0.62 veces la raíz cuadrada de la resistencia a compresión en mega paséales (32).. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 28.

(37) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. FIGURA 10. CONCRETO NORMAL VS. CONCRETO DE ALTO DESEMPEÑO. 2.2 M U R O S D E M A M P O S T E R Í A. La palabra mampostería se refiere a la obra hecha con mampuestos o piezas (ladrillos, bloques, piedras, etc.) cuya etimología remite a mano y puestos. Se registra como el material de construcción más antiguo con más de diez mil años de historia (33). Actualmente se le llama mampostería a las piedras o piezas, de cuya unión mediante un mortero o algún material cementante resulta un único material.. 2.2.1. MATERIALES DE MAMPOSTERÍA Y su COMPORTAMIENTO. La calidad de la mampostería en una edificación depende de los materiales que la conforman, los componentes básicos de la mampostería son las piezas de albañilería y el mortero que las une o pega (5).. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 29.

(38) Estado del Conocimiento. Capítulo 2 2.2.1.1. UNIDADES O PIEZAS DE MAMPOSTERÍA. Hay dos categorías principales de piezas (34): a) Piedras naturales Son materiales extraídos directamente del banco de rocas. El origen de la roca puede ser ígneo, metamórfico o sedimentario. b) Piedras artificiales Son aquellas en las cuales la piedra se obtiene por medio de un proceso de manufactura. Algunos ejemplos de piezas artificiales son adobes, ladrillos, tabiques, tabicones y bloques de concreto. En este estudio se hará énfasis únicamente en las piezas manufacturadas, específicamente a los ladrillos de arcilla que son fabricados en base a arcilla horneada y tienen un amplio rango de colores y texturas, además son producidos en diferentes formas, tamaños y resistencias con diferentes propiedades como la absorción de agua, resistencia a la compresión y resistencia a flexión. Estas propiedades son determinadas por el tipo de arcilla, horno y el método de fabricación de los ladrillos, dentro de la variedad de ladrillos de arcilla, pueden ser comunes, de fachada y para uso estructural (35).. FIGURA 11. PIEZAS DE ALBAÑILERÍA, NTCM-2004. El contenido de humedad y absorción, son dos de las propiedades más importantes de las unidades y tienen un efecto considerable sobre las características de la mampostería. El contenido de humedad se define como la masa de agua por unidad de volumen, la cual puede ser expresada, en términos absolutos o en términos relativos a la densidad de la unidad cuando está seca. El intervalo típico de este parámetro es de 50 a 60 kg/m en términos absolutos y 2 a 3 % en términos relativos a la densidad de la unidad cuando está seca. 3. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 30.

(39) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. La capacidad de la unidad para absorber agua se mide por dos parámetros: la absorción total y la tasa inicial de absorción. El primer parámetro representa la cantidad de agua requerida para saturar la unidad de mampostería (ésta es una medida de la porosidad], mientras que la tasa inicial de absorción, o succión, es la masa de agua absorbida por unidad de área y por unidad de tiempo medida en kg/cm /min. 2. 2.2.1.2. MORTEROS. Los morteros son utilizados para pegar las piezas de mampostería. Las normas técnicas complementarias para el diseño y construcción de estructuras de mampostería del D.F. (NTCM) (36) señala entre otros (Tabla 6), los siguientes requerimientos de los morteros para pegar las piezas; • • •. •. Su resistencia a compresión será de por lo menos 4 MPa (40 kg/cm ) Siempre deberán contener cemento en la cantidad mínima indicada en la Tabla 6. La relación volumétrica entre la arena y la suma de cementantes se encontrará entre 2.25 y 3. El volumen de arena se medirá en estado suelto. Se empleará la mínima cantidad de agua que dé como resultado un mortero fácilmente trabajable. 2. TABLA 6. PROPORCIONAMIENTOS, EN VOLUMEN, RECOMENDADOS PARA MORTERO EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES (36). Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 31.

(40) Capítulo 2 2.2.2. Estado del Conocimiento. TIPOS DE MUROS. En base a las NTCM, se pueden identificar los siguientes tipos de muros de mampostería: 1. 2. 3. 4. 5.. Muros diafragma Mampostería confinada Mampostería reforzada interiormente Mampostería no confinada ni reforzada Mampostería de piedras naturales. Por su función estructural los muros de mampostería también pueden clasificarse de la siguiente manera (34): 1. Muros de mampostería sujetos a carga vertical concéntrica 2. Muros de mampostería sujetos a esfuerzos combinados fuera de su plano principal de flexión 3. Muros de mampostería sujetos a cargas en su plano principal de flexión 4. Muros de mampostería sujetos a cargas laterales fuera de su plano A continuación se consideran los aspectos principales de dos tipos de muros de mampostería: muros diafragma y muros de mampostería confinada.. 2.2.2.1. MUROS DIAFRAGMA. Se les llama muros diafragma a los que se encuentran rodeados por las vigas y columnas de un marco estructural, de concreto reforzado o acero, al que proporcionan rigidez ante cargas laterales (Figura 12). Estos muros pueden ser de mampostería confinada, reforzada, no reforzada o de piedras naturales, y no deben tener un espesor menor a 10 cm. En el diseño de marco-muro es importante incluir los muros existentes en el análisis para incrementar la rigidez y resistencia del sistema estructural.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 32.

(41) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. FIGURA 12. INTERACCIÓN MARCO-MURO DIAFRAGMA NTCM-2004. 2.2.2.2. MUROS DE MANIPOSTERÍA CONFINADA. Los muros de mampostería confinada son los que están rodeados de castillos y dalas para formar un marco rígido. Para ser considerados como tales, los muros de mampostería confinada deben cumplir con los requisitos que marcan las secciones 5.1.1 a 5.1.4 de las NTCM. Estos requisitos pueden son resumidos en la Figura 13. Tena y Miranda indican que la función principal de los castillos no es incrementar la capacidad máxima del muro ante cargas laterales, sino la de aumentar su capacidad de deformación y la de postergar y disminuir la degradación de resistencia (37). Además de los requisitos ilustrados en la Figura 13, debe mencionarse que se establecen los requerimientos para los elementos de la mampostería confinada como castillos y dalas; estos requisitos consideran la geometría de los elementos y acero de refuerzo mínimo. Asimismo, las NTCM contemplan una serie de requisitos para considerar como muros de mampostería confinada a aquellos en los cuales existan aberturas, dentro de estos requisitos se considera el refuerzo que debe existir en dichas aberturas.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 33.

(42) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. FIGURA 13. REQUISTOS PARA MAMPOSTERÍA CONFINADA NTCM-2004. 2.2.3. RESISTENCIA DE LA MANIPOSTERÍA. Para el diseño de estructuras de mampostería, o para fines de análisis, es necesario conocer las propiedades estructurales de la mampostería. A continuación se describen los métodos para obtener las propiedades mecánicas de la mampostería.. 2.2.3.1. RESISTENCIA A COMPRESIÓN. La resistencia de diseño a compresión de la mampostería se puede determinar a partir de una serie de pruebas experimentales, o mediante cálculos a partir de las resistencias de diseño de las piezas y el mortero. En la determinación de la resistencia a partir de las resistencias de piezas y mortero se tiene el inconveniente que se consideran sólo los morteros establecidos en las NTCM. Para determinar la resistencia a la compresión de la mampostería experimentalmente se realizan pruebas de compresión de pilas, las cuales estarán formadas por lo menos con tres piezas sobrepuestas (Figura 14). La relación altura a espesor de la pila estará comprendida entre dos y cinco; las pilas se ensayarán a la edad de 28 días (36). Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 34.

(43) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. 2.2.3.2. RESISTENCIA A COMPRESIÓN DIAGONAL. En la determinación de la resistencia a cortante de la mampostería es necesario conocer la resistencia de diseño a compresión diagonal de la misma. Este valor se determinará mediante ensayes de muretes, los cuales tendrán una longitud de al menos una vez y media la longitud de la pieza y el número de hiladas necesario para que la altura sea aproximadamente igual a la longitud (Figura 15). Los muretes se ensayarán a la edad de 2 8 días, sometiéndolos a una carga de compresión a lo largo de su diagonal y el esfuerzo cortante medio se determinará dividiendo la carga máxima entre el área bruta del múrete medida sobre su diagonal (36).. FIGURA 15. MURETE DE PRUEBA EN COMPRESIÓN DIAGONAL, NTCM-2004. 2.2.3.3. MÓDULO DE ELASTICIDAD DE MAMPOSTERÍA. De acuerdo a las NTCM, el módulo de elasticidad de la mampostería se puede estimar a partir de la resistencia de diseño a compresión de la mampostería de la siguiente forma: Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 35.

(44) Estado del Conocimiento. Capítulo 2. 1. Para mampostería de tabiques y bloques de concreto: E =800f * para cargas de corta duración Em=350/ * para cargas sostenidas m. m. m. 2. Para mampostería de tabique de barro y otras piezas, excepto las de concreto: Em=600/m* para cargas de corta duración E =350 f * para cargas sostenidas m. 2.2.3.4. m. MÓDULO DE CORTANTE DE MAMPOSTERÍA. De acuerdo a las NTCM, la rigidez a cortante de la mampostería se puede tomar como: (jm~ 0.4E . m. 2.2.4. MECANISMOS DE FALLA DE LA MAMPOSTERÍA. Se han identificado tres modos de falla principales (Figura 16) en estructuras de mampostería sujetas a carga lateral (34): 1. Falla por deslizamiento, que generalmente se presenta a lo largo de juntas de mortero bajo niveles de carga vertical 2. Falla por cortante, cuya característica es el agrietamiento inclinado, a través de las piezas o siguiendo las juntas, cuando los esfuerzos principales exceden la resistencia a tensión diagonal de la mampostería. 3. Falla por flexión/flexo-compresión, en la que el refuerzo vertical a tensión fluye y la mampostería del extremo a compresión se aplasta.. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 36.

(45) Capítulo 2. Estado del Conocimiento. 2.3 ESTUDIOS RELACIONADOS. En este capítulo se pretende ahondar en estudios que se han realizado referentes a los temas: mortero de alto desempeño y mampostería.. 2.3.1. MORTERO DE ALTO DESEMPEÑO. Se han realizado numerosas investigaciones acerca de concretos y morteros de alto desempeño alrededor del mundo, muchas de ellas desde el enfoque únicamente del material sin llegar a involucrarlo en algún elemento o sistema estructural, éste tipo de investigaciones profundizan en temas como el proporcionamiento adecuado para concretos de alto desempeño, caracterización en estado fresco o recién mezclado, y caracterización en estado endurecido, donde se tratan temas como la resistencia, durabilidad y otras propiedades.. 2.3.1.1. DISEÑO DE PROPORCIONAMIENTOS DE MORTERO. En cuanto a los proporcionamientos de concreto y morteros de alto desempeño, se tiene la problemática que no existe un método normalizado para el diseño de mezclas de concreto o mortero de alto desempeño en los que se debe considerar el uso de aditivos químicos, cementantes suplementarios y fibras. El Comité 2 1 1 del Instituto Americano del Concreto ha publicado Prácticas Estándar para el Proporcionamientos de concreto pesado, masivo y de peso normal (ACI 2 1 1 . 1 ) , concreto estructural de peso ligero (ACI 2 1 1 . 2 ) , concreto sin revenimiento (ACI 211.3) , y concreto de alta resistencia con cemento portland y ceniza volante (ACI 211.4) . Sin embargo, en estas publicaciones no se propone un método donde se tomen en cuenta cementantes suplementarios alternativos a la ceniza volante, ni el uso de fibras. Además de estos métodos de proporcionamiento, existen publicaciones donde se expone el desarrollo de nuevos métodos de proporcionamientos, Sobolev propone un método analítico para el diseño de proporcionamientos de CAD con apoyo en modelos matemáticos basados en resultados empíricos (39). Además, Bharatkumar y colaboradores, proponen un método basado en el publicado del ACI 211.1 en el que se considera un factor de eficiencia del cementante suplementario, además asume que la ••Bfia^sBasss-ssasssassssa. Impacto de materiales de alto desempeño en construcciones de mampostería. Página 37.