MORTERO CELULAR COMO RELLENO EN LA GUADUA ANGUSTIFOLIA KUNTH
por
Jorge Andrés Lozano Guzmán
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
MORTERO CELULAR COMO RELLENO EN LA GUADUA ANGUSTIFOLIA KUNTH
por
Jorge Andrés Lozano Guzmán
Proyecto de Grado como requerimiento parcial para obtener el título de
Ingeniero Civil
Asesor:
Juan Francisco Correal, PhD.
Universidad de los Andes
A mis padres, Jorge y Aideé hermana, Ana María y familia por su constante apoyo.
Agradecimientos
A mis padres, Jorge e Aideé, y hermana Ana María, por su amor incondicional y constante apoyo.
A mi madrina, Edilma, y abuelito Luis por el constante cariño y amor que he recibido de parte de ellos.
A mi padrino, Carlos, y tía Nana por su colaboración y cariño.
A mis abuelos, Benjamín y Maria del Carmen, y Ana, por su guía y protección a pesar de su ausencia.
A toda mi familia por siempre estar ahí y contar con ellos.
A mi asesor Juan Francisco por su guía, colaboración y empeño que ha ejercido durante el desarrollo de este proyecto.
A los asistentes de laboratorio: Edwin, Alejandro, Don Alberto, Melco, Andrés, Alex, José, y demás por contar con su ayuda y compañía.
A mis amigos de la universidad por haber tenido la dicha de compartir esta etapa de mi vida.
Tabla de Contenido
Agradecimientos ... 6
Tabla de Contenido ... 7
Índice de Ilustraciones ... 9
Índice de Tablas ... 11
1. Justificación ... 12
2. Objetivos ... 14
2.1. Objetivos generales ... 14
2.2. Objetivos específicos ... 14
2.3. Alcance ... 15
3. Antecedentes ... 16
4. Propuesta ... 17
5. La guadua ... 19
5.1. Generalidades ... 19
5.2. Partes de la guadua ... 22
5.2.1. Nivel macroscópico ... 22
5.2.2. Nivel microscópico ... 23
5.2.3. Nivel molecular ... 27
5.3. Corte ... 28
5.4. Curado ... 28
5.5. Tratamientos químicos ... 28
5.6. Propiedades mecánicas ... 29
6. Materiales utilizados ... 37
6.1. Guadua ... 37
6.2. Agua ... 37
6.3. Agregados ... 37
6.4. Cemento ... 37
6.5. SikaLightcrete® ... 37
6.5.1. Características ... 37
7. Mezclas de mortero ... 40
7.1. Generalidades del concreto celular ... 40
7.1.1. Clasificación de concretos celulares ... 41
7.2. Propiedades específicas de la mezcla ... 42
7.2.1. Materiales ... 42
7.2.2. Comportamiento in situ ... 45
7.2.3. Propiedades mecánicas ... 46
7.3. Método de diseño de las mezclas de mortero celular ... 51
7.3.1. Mezcla sin agregados ... 52
7.3.2. Mezcla con agregados finos ... 57
7.4. Diseño de mezclas de mortero convencional ... 62
7.4.1. Relaciones básicas ... 62
7.4.2. Diseño de mezclas de mortero convencional ... 62
7.5. Algunas recomendaciones ... 63
8. Metodología de mezcla, relleno, curado, y ensayos ... 64
8.1. Calibración del agente espumante ... 64
8.2. Mezcla, relleno, y curado ... 65
8.2.1. Metodología de mezcla ... 65
8.2.2. Metodología de relleno ... 67
8.2.3. Metodología de curado ... 68
8.3. Ensayo de aplastamiento ... 69
8.4. Ensayo de aplastamiento con perno ... 70
9. Resultados y análisis ... 72
9.1. Materiales ... 72
9.1.1. Aditivo y espuma ... 72
9.2.1. Agregados ... 72
9.2. Mezclas de mortero celular ... 78
9.3. Mezcla de mortero convencional ... 83
9.4. Análisis de costos de los morteros ... 83
9.5. Ensayos de aplastamiento ... 85
9.6. Ensayos de aplastamiento con perno ... 87
10. Conclusiones y recomendaciones ... 91
12. Anexos ... 92
Índice de
Ilustraciones
Ilustración 1. Puente en guadua rolliza ... 12
Ilustración 2. Cubierta en guadua rolliza ... 12
Ilustración 3. Ensayo de aplastamiento en guadua ... 18
Ilustración 4. Ensayo de aplastamiento con perno ... 18
Ilustración 5. Distribución de la guadua en el continente americano ... 21
Ilustración 6. Partes de la Guadua Angustifolia Kunth (GAK) ... 22
Ilustración 7. Cortes de un culmo de bambú ... 23
Ilustración 8. Estructura microscópica de un culmo de GAK ... 24
Ilustración 9. Estructura de la epidermis de un culmo de GAK ... 25
Ilustración 10. Tejido del parénquima en culmos de GAK ... 25
Ilustración 11. Estructura de un haz vascular de un culmo de GAK ... 26
Ilustración 12. Esquema de un corte de un culmo de GAK y sus ejes principales ... 27
Ilustración 13. Estructura típica de una mezcla de concreto celular ... 40
Ilustración 14. Esfuerzo de compresión vs. Densidad plástica del concreto celular con agregados para distintas relaciones agua/cemento ... 51
Ilustración 15. Esfuerzo de compresión vs. Densidad seca para distintas configuraciones de concreto celular ... 52
Ilustración 16. Taladro con broca mezcladora ... 64
Ilustración 17. Proceso de calibración de la espuma ... 65
Ilustración 18. Broca mezcladora de mortero ... 66
Ilustración 19. Mezcla de la espuma preformada y la pasta de cemento ... 66
Ilustración 20. Proceso de relleno de los cañutos ... 68
Ilustración 21. Máquina Forney-1800 KN ... 69
Ilustración 22. Montaje de ensayo de aplastamiento ... 70
Ilustración 23. Proceso de lijado sobre un culmo ... 70
Ilustración 24. Máquina MTS-1000 KN ... 71
Ilustración 25. Distancia al nodo (Dn) en el ensayo de aplastamiento con perno ... 71
Ilustración 26. Montaje de ensayo de aplastamiento con perno ... 71
Ilustración 27. Agregados utilizados en las mezclas de mortero celular ... 72
Ilustración 28. Ensayos de densidad suelta ... 73
Ilustración 31. Arena amarilla ASTM C 330 ... 75
Ilustración 32. Arena amarilla ASTM C 331 ... 75
Ilustración 33. Arena de río triturada ASTM C 144 ... 76
Ilustración 34. Arena de río triturada ASTM C 33 ... 76
Ilustración 35. Arena de río triturada ASTM C 330 ... 77
Ilustración 36. Arena de río triturada ASTM C 331 ... 77
Ilustración 37. Plasticidad de la mezcla 1 de concreto celular ... 79
Ilustración 38. Curado de los cubos de mortero celular ... 80
Ilustración 39. Cubos de las mezclas de mortero celular ... 80
Ilustración 40. Ensayo de compresión en cubos en la MTS-1000 KN ... 81
Ilustración 41. Curva de curado de las mezclas de mortero celular ... 82
Ilustración 42. Estructura interna de la mezcla No. 3 de motero celular ... 82
Ilustración 43. Fluidez de la mezcla de mortero convencional ... 83
Ilustración 44. Fractura de un culmo durante el proceso de curado ... 85
Ilustración 45. Resultados de aplastamiento para el mortero celular ... 86
Ilustración 46. Resultados de aplastamiento para el mortero convencional ... 86
Ilustración 47. Resultados de aplastamiento con perno para el mortero convencional ... 89
Índice de Tablas
Tabla 1. Taxonomía de la Guadua Angustifolia Kunth ... 19
Tabla 2. Propiedades a tensión de la GAK ... 30
Tabla 3. Propiedades a compresión en la GAK ... 31
Tabla 4. Propiedades a cortante de la GAK ... 32
Tabla 5. Propiedades a flexión de la GAK ... 33
Tabla 6. Propiedades mecánicas de la GAK según la edad ... 34
Tabla 7. Módulo de elasticidad a compresión con un C.H. del 12% ... 35
Tabla 8. Relación esfuerzo máximo a compresión y C.H. ... 35
Tabla 9. Módulo de elasticidad a flexión en función de la luz libre ... 35
Tabla 10. Factores de resistencia en la GAK ... 36
Tabla 11. Valores guías de relaciones W/C por densidad plástica del concreto celular ... 53
Tabla 12. Densidad suelta del agregado ... 73
Tabla 13. Características principales de las mezclas ... 78
Tabla 14. Cantidades finales de las mezclas de mortero celular ... 78
Tabla 15. Densidad seca de las mezclas de mortero celular ... 81
Tabla 16. Valores de los insumos básicos del mortero ... 84
Tabla 17. Precio por m3 de las mezclas seleccionadas ... 84
Tabla 18. Resultados del ensayo de aplastamiento ... 87
1. Justificación
La guadua se ha convertido en una alternativa como material para la construcción. Estructuras como viviendas, cubiertas, y puentes han sido construidos con este material (ver Ilustración 1 e Ilustración 2). Esto se debe a algunas de sus ventajas como lo son: Su costo, propiedades mecánicas, funcionabilidad, estética, facilidad de obtención, entre otras.
Debido a sus propiedades mecánicas que este desempeña (ver [17] entre otros), la guadua es conocida como el “acero vegetal”.
Ilustración 1. Puente en guadua rolliza. Adaptada de Construdata
Ilustración 2. Cubierta en guadua rolliza. Adaptada de Construdata
La guadua, especialmente la Guadua Angustifolia Kunth (GAK), ha estado unida al concepto de alternativa de material estructural para solucionar el déficit de vivienda que hay
en el país. Por tales motivos, es de vital importancia poder caracterizar sus propiedades mecánicas, entender su comportamiento mecánico, y encontrar los complementos más adecuados para esta, y así, contar con todos los conocimientos necesarios para construir viviendas sismo-resistentes que satisfagan las condiciones del Norma Sismo-Resistente que rige a nuestro país (NSR-10). Actualmente, en varias universidades de Colombia se desarrollan proyectos para poder indagar en estos temas. En la Universidad de los Andes, el Centro de Investigación en Materiales y Obras Civiles (CIMOC) junto al Ingeniero Juan Francisco Correal Daza1 ha estado investigando de diversas maneras la construcciones en guadua. Se realizaron estudios acerca del uso de la guadua laminada (ver [21] entre otros), y se concluyó del gran potencial que tiene la guadua como material estructural. Sin embargo, los altos costos de industrialización del laminado de la guadua, han hecho que está alternativa aún no tenga gran acogida. Un proceso similar, se realizó para guadua rolliza por el mismo grupo de investigación obteniendo resultados satisfactorios. Otros temas acerca de la guadua han sido investigado por otras personas como los arquitectos Óscar Hidalgo López y Simón Vélez, como los ingenieros Caori Takeuchi, y el ya mencionado Juan Francisco Correal, además de varios proyectos de grado sobre los cuales se basa parte de este trabajo.
El motivo de este proyecto de grado es exponer otra alternativa de relleno para el uso de la guadua como material estructural. Con tales fines, se pretende utilizar una de las tantas nuevas tecnologías que tratan al mortero y concreto, con la cuál se puede mejorar tanto su comportamiento individual, como en conjunto al ser introducido en la guadua. El aditivo principal sobre el cual se trabajará es el aditivo SikaLightcrete® de la empresa Sika S.A. y todo lo referente a la tecnología del concreto/mortero celular (Cellular Concrete ó Foam Concrete). Para este caso en específico, se tratará del Sanded Concrete Cellular (Cellular Grout) o un mortero celular.
2. Objetivos
2.1. Objetivos generales
• Determinar si el mortero celular es un material de relleno adecuado para mejorar el comportamiento mecánico de estructuras realizadas en guadua.
• Determinar las principales ventajas del uso del mortero celular en construcciones de guadua rolliza.
• Determinar las principales desventajas del mortero en construcciones de guadua rolliza.
2.2. Objetivos específicos
• Determinar una mezcla de mortero celular adecuada para su intrusión en los cañutos de la guadua.
• Determinar el comportamiento mecánico del mortero celular junto a la guadua a esfuerzos de aplastamiento.
• Realizar una comparación entre el mortero convencional, y el mortero celular para determinar las ventajas al hacer uso de este como material de relleno.
• Determinar un estimativo del costo de este nuevo mortero, y evaluar su impacto económico en proyectos de ingeniería.
2.3. Alcance
Este trabajo pretende ver el comportamiento mecánico del mortero celular junto a la guadua, y realizar una comparación con respecto a un mortero convencional. Ninguno de los morteros se modificarán con aditivos, aunque recomendaciones sobre la selección y uso de estos para futuras investigaciones en el tema se realizarán según los resultados obtenidos. Se hará un ejemplo de diseño de mezclas de concreto celular sin y con agregados. Sin embargo, no se tendrán en cuenta el uso de otros aditivos en el diseño de las mezclas. Otro de los aspectos importantes de este proyecto de investigación, se refiere a los ensayos que se realizarán. Se realizarán dos ensayos para determinar el comportamiento al aplastamiento del conjunto guadua-mortero.
3. Antecedentes
El estudio de mezclas de motero como material de relleno en la guadua han sido ampliamente estudiadas. El comportamiento al aplastamiento, relajamiento (creep), y de algunas configuraciones de uniones han sido reportados en distintos documentos (ver [2], [4], [8], [16], [20] entre otros). De igual manera, la innovación en mezclas de concreto/mortero ha sido una constante, y no es una excepción en el caso del concreto celular (ver [29], [30], [31] entre otros). Sin embargo, la unión de ambos aspectos no ha sido algo que se haya realizado. En algunos proyectos de grado, aditivos fueron utilizados para mejorar las propiedades mecánicas de las mezclas [8] con alguna serie de mejoras en los resultados esperados. Sin embargo, se pretende mejorar las características del conjunto mediante el uso de esta tecnología del concreto.
4. Propuesta
El objetivo de este proyecto de investigación es evaluar el comportamiento mecánico de una de las tecnologías en el concreto. Tanto su comportamiento mecánico de manera independiente, como su comportamiento al ser utilizado como material de relleno en la cañutos de la Guadua Angustifolia Kunth (GAK). El aditivo a utilizar será SikaLighcrete® de la empresa SIKA S.A., con la cuál se puede realizar mezclas de concreto celular.
El proyecto iniciará con un diseño de mezcla de tres (3) mezclas de concreto celular. Los principales parámetros sobre los cuales se diseñarán las distintas mezclas son: Resistencia a la compresión, densidad fresca y endurecida, fluidez, contenido de cemento (C), y relación agua-cemento (W/C). Se variarán la dosificación de cada uno de los componentes, el uso de dos tipos de agregados, y en su estado líquido se evaluará la fluidez y densidad de cada una de las mezclas como se estipula en la ASTM C 796 Foaming Agents for Use in Producing Cellular Concrete Using Preformed Foam. Se curarán cada una de las muestras, y se fallarán los cubos de mortero a compresión a los siete (7), catorce (14), veintiún (21), y veintiocho (28) días.
Una vez se tenga total certeza sobre la mezcla seleccionada y la reproductibilidad de esta, se procede a realizar nuevamente la mezcla para ser introducida en los cañutos de la guadua. Junto a la mezcla de mortero celular (sólo con agregado fino), otra mezcla de mortero convencional se utilizará en la guadua. Las mismas condiciones de relleno y curado se controlarán para que se puedan hacer las comparaciones sobre las mezclas de mortero. Una vez se finalice el proceso de curado, se harán cinco (5) ensayos de aplastamiento (ver Ilustración 3) y cinco (5) de aplastamiento por perno (ver Ilustración 4). Finalmente, se analizarán los resultados sobre las fallas del conjunto guadua-motero tanto para mezcla de mortero celular, como la de mortero convencional. Se comentarán las diferencias entre el uso de cada una de las mezclas. Además, se concluirá sobre el impacto y los beneficios del uso del mortero celular como material de relleno en los cañutos de la guadua.
Ilustración 3. Ensayo de aplastamiento en guadua
5. La guadua
5.1. Generalidades
La guadua es una hierba perteneciente a la familia de los bambús. Existen alrededor de 1300 especies en el mundo de los cuales 547 se encuentra en el continente americano. Según la clasificación de Código Internacional de Nomenclatura Botánica, los catorce (14) rangos a los cuales pertenece la Guadua Angustifolia Kunth (Angustifolia: Hoja angosta, y Kunth en honor a botánico Karl S. Kunth) se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 1. Taxonomía de la Guadua Angustifolia Kunth
División: Espermatofitas
Sub-división: Angiospermas
Orden: Glumiflorales
Clase: Monocotiledónea
Familia: Poaceae-Gramínea
Sub-familia: Bambusoideae
Súper-tribu: Bambusodae
Tribu: Bambuseae
Sub-tribu: Guadinae
Género: Guadua
Especie: Angustifolia Kunth
Variedad: Bicolor
Forma: Castilla, Cebolla, Macana,
Cotuda, Rayada
Nombre científico: Guadua Angustifolia Kunth
Debido a la gran adaptabilidad climática de la Guadua Angustifolia Kunth (GAK), hay grandes zonas en las cuales hay crecimiento de ella. Zonas como en la Asia Pacífica (el área más extensiva), así como África, Centroamérica y Suramérica. La mayoría de bambús como la Guadua Angustifolia Kunth (GAK), prefieren los hábitats húmedos con precipitaciones
en algunas áreas secas, y como en páramos de la región Andina. Esto se puede apreciar en la Ilustración 5.
En la investigación realizada por Mutis [26], las condiciones adecuadas para el desarrollo de cultivos de guadua es en suelos fértiles sueltos, profundos y bien drenados, entre altitudes de 900 a 1600 msnm, con precipitación anual superior a 1300 msnm, y humedad relativa de 80%. Cuando el cultivo se desarrolla en ambientes distintos al óptimo, las alturas y diámetros de los tallos disminuye.
La Guadua Angustifolia Kunth (GAK) es considerada como una de las mejores especies de bambú debidos a sus propiedades físico/mecánicas. Algunas de sus razones son la versatilidad que proporciona, su ligereza, flexibilidad, resistencia, adaptabilidad de clima, capacidad de resistencia sísmica, rápido crecimiento, entre otras.
Ilustración 5. Distribución de la guadua en el continente americano. Tomado de http://www.guaduabamboo.com
5.2. Partes de la guadua
5.2.1. Nivel macroscópico
A nivel macroscópico la guadua esta dividida en las partes mostradas en la Ilustración 6.
Ilustración 6. Partes de la Guadua Angustifolia Kunth (GAK). Adaptada de Correal Daza & Arbeláez C. [17]
− Copo (Leader): Tiene una longitud entre 1.2 y 2 metros. Sección de menor diámetro de todo la bambú. Se encuentra en el ápice de éste.
− Varillón (Stick): Sección de diámetro un poco mayor que el copo. Tiene una longitud de aproximadamente 3 metros.
− Sobrebasa (Top): Sección de mayor diámetro al varillón. La distancia entre nudos es mayor a las demás secciones. Tiene una longitud aproximada de 4 metros.
− Basa (Middle): Es diámetro superior a la sobrebasa. Sin embargo, la distancia entre nodos es menor. Tiene una longitud aproximada de 8 metros.
− Cepa (Bottom): Es la base del culmo de guadua. Posee el mayor diámetro de las partes en superficie. La distancia entre nudos es más corta que en la sobrebasa. Tiene una longitud aproximada de 3 metros.
− Rizoma: Es el tallo de la planta que se encuentra en el suelo.
La altura promedio de los tallos es de aproximadamente 18 m, con diámetro de valores entre 10 a 18 cm, y espesor de pared entre 2 a 5 cm. Los culmos de guadua utilizados en la construcción son principalmente extraídos de la basa de la hierba. La configuración de un culmo (ver Ilustración 7) de un bambú está dado de la siguiente manera:
Ilustración 7. Cortes de un culmo de bambú. Adaptada de Janssen [9]
a. Culmo
b. Sección vertical c. Nodo
d. Sección transversal 5.2.2. Nivel microscópico
Las propiedades de los culmos de cualquier tipo bambú están determinadas por su estructura anatómica, lo que define sus propiedades mecánicas [19]. La Guadua Angustifolia Kunth (GAK) está compuesta de un 40% de fibra, un 51% de parénquima, y un 9% de tejido conductivo [10]. En la parte interior del culmo hay menor presencia de
con un menor tamaño (ver Ilustración 8). Esto ocasiona que las propiedades mecánicas de un culmo de guadua sean mayores en la parte exterior de la sección transversal.
Ilustración 8. Estructura microscópica de un culmo de Guadua Angustifolia Kunth (GAK). Adaptada de Sánchez, del Real, & Rodríguez García [15]
El tejido de un culmo de Guadua Angustifolia Kunth está compuesto por:
• Corteza:
Es la parte exterior del culmo, y sus funciones desde el punto de vista biológico es de prevenir la pérdida de agua, y proteger el tejido. La corteza está compuesta por epidermis e hipodermis [19]. La epidermis cuenta con una alta concentración de cuerpos silicios lo que hace referencia a la dureza de la corteza. La hipodermis de la GAK está conformada por 2 a 3 capas de células esclerenquimatosas de pared gruesa [10]. El tamaño de estas incrementa desde el exterior hacia la parte interna del culmo (ver Ilustración 9).
Ilustración 9. Estructura de la epidermis de un culmo de Guadua Angustifolia Kunth (GAK). Adaptada de Londoño, Camayo, Riaño, & López [10]
• Parénquima:
El tejido del parénquima está conformado por células largas y cortas (ver Ilustración 10). La función de estos dos tipos de células se desconoce [19].
Ilustración 10. Tejido del parénquima en culmos de Guadua Angustifolia Kunth (GAK). Adaptada de Londoño, Camayo, Riaño, & López [10]
• Haces vasculares:
Un haz vascular de la Guadua Angustifolia Kunth (GAK) está compuesto por dos grandes vasos metaxilema, uno o dos elementos de protoxilema, por el floema, esclerénquima, y fibras [10]. Esto se puede apreciar en la Ilustración 11.
Ilustración 11. Estructura de un haz vascular de un culmo de Guadua Angustifolia Kunth (GAK). Adaptada de Londoño, Camayo, Riaño, & López [10]
Las características de las fibras, la composición del parénquima y tejido conductivo tienen una gran incidencia en el comportamiento mecánico de la guadua. Además dependiendo de la orientación de las fibras, se tienen distintas propiedades mecánicas. Por lo tanto, la guadua es un material anisotrópico2 y no homogéneo3.
2 Tiene distintas propiedades físicas en diferentes direcciones.
Ilustración 12. Esquema de un corte de un culmo de Guadua Angustifolia Kunth (GAK) y sus ejes principales. Adaptada de Sánchez, del Real, & Rodríguez García [15]
Según Liese [19], los factores de mayor en las propiedades mecánicas del bambú son el porcentaje de fibras, porcentaje de los tejidos conductivos, y el porcentaje de parénquima. La presencia de los nudos aumenta la resistencia de la guadua debido a una mayor concentración de fibras en dicha zona.
• Resistencia a compresión: Hay una gran incidencia del espesor de la pared, y también de la presencia de nodos.
• Resistencia a flexión: Hay incidencia del sentido de las fibras. Sea tangencial o radial. Adquiere importancia la presencia de nodos en las muestras.
• Resistencia a tensión: Hay una gran incidencia del espesor de la pared, y también de la presencia de nodos.
5.2.3. Nivel molecular
Según Janssen [9], los principales componentes del bambú son: Celulosa, lignina, y hemicelulosa. Dependiendo del tipo de bambú, los porcentajes de estos componentes varía. Entre estas moléculas se ejercen una fuerzas que proporcionan las características mecánicas del material. Dichas fuerzas son:
• Fuerzas intramoleculares: Son aquellas fuerzas que mantienen las moléculas unidas.
La celulosa es la principal fuente de las propiedades mecánicas de la madera y del bambú [9]. La moléculas están conformadas por tres planos que están mutuamente perpendiculares. En el primer plano las moléculas de celulosa se mantienen unidas por una gran cantidad de enlaces de hidrógeno. En el segundo plano hay enlaces de Van der Waals (enlaces débiles). En el tercer plano hay enlaces covalentes. Esta composición de planos le da el comportamiento anisotrópico a la celulosa.
La lignina es el polímero que provee rigidez a los árboles y permiten el crecimiento de estos. Su estructura y sus propiedades no son conocidas debido a la complejidad de su estructura molecular. Hay distintos tipos de lignina que difieren para el bambú y madera.
La hemicelulosa es un polisacárido de estructura débil. No hay mucha información disponible acerca de ésta.
5.3. Corte
Se recomienda cortar la Guadua Angustifolia Kunth (GAK) entre las 4:00 y 6:00 am. Esto se debe a que en dichas horas de la madrugada los fluidos que viajan a través de la planta se encuentra en niveles mínimos puesto se encuentran en la base de la planta. La edad más adecuada para realizar el corte de los culmos es de 3 a 5 años (ver Tabla 6), siendo el tercer año donde se alcanza el máximo de sus propiedades mecánicas [17].
5.4. Curado
Una vez cortado los culmos de Guadua, estos deben ser curados para que sean menos vulnerables a los ataques por insectos y/o hongos. Hay que mencionar que los curados no son tan eficaces como el tratamiento por preservativos. Loas formas de curado más comunes son: Curado en la mata, por inmersión, al calor, y al humo.
5.5. Tratamientos químicos
Con el proceso de curado se disminuye la susceptibilidad de la guadua a los ataques de insectos y/o hongos. Sin embargo, se utilizan otros preservantes en la guadua para aumentar sus resistencia a dichos males a lo largo de su vida útil. Los métodos más
comunes son: Método de transpiración en las hojas, por inmersión, Boucherie (por gravedad), Boucherie modificado (por presión) y de vacío-presión [8].
5.6. Propiedades mecánicas
Varios estudios se han realizado en los cuales se determinaron los valores de las principales propiedades mecánicas que son necesarias para el diseño de estructuras de guadua. Dichos valores se determinaron para muestras de distintas partes de la guadua (Ilustración 6), así como para distintas edades (en años) para los culmos analizados. En su proyecto de grado, Suárez Pinzón [2] realizó una recopilación de los resultados obtenidos. En las siguientes tablas se muestran dichos valores, adaptados del documento mencionado anteriormente.
Tabla 2. Propiedades a tensión de la Guadua Angustifolia Kunth T en si ón p ar al el
a a l
a f ib ra C oe fi ci en te d e P oi ss on (C om pr es ión ) 0.26 M ód ul o M ed ia (M P a) 14.59 De sv. E st án dar (M P a) 18.86 M ed ia (G P a) 86.96 n 24 (3 c on no do y 3 sin n odo , po r c ada part e) E dad (A ños ) 3 (P ro m. ) Fech a 2005 N or m a INB A R (1999) U ni ve rs id ad C at ólic a de Río de J an eir o Ti po In ve st ig ac ió n de P ro fe so re s A ut or Kh osr ow Gh av ami, A lb an is e B . M ar in ho Tí tu lo P ro pie da de s fís ic as y me cá nic as de l c ulmo en te ro de la Gu adu a A ng us tif olia Kun th
Tabla 3. Propiedades a compresión en la Guadua Angustifolia Kunth C om pr es ión p ar al el
o a l
a f ib ra C oe fi ci en te d e P oi ss on (C om pr es ión )
0.34 - -
M ód ul o M ed ia (GP a)
12.58 17.859 (n=479) 6.698
V al or car ac te rí st ic o (M P a)
28.36 40.42 -
C oe fi ci en te de v ar iac ión - 0.181 0.132 De sv. E st án dar (M P a)
2.9 10.16 6.678
M ed ia (M P a)
29.48 56.21 50.437
n 24 (3 c on no do y 3 sin n odo , po r c ada part e) 80 9 ( 4 gu adu ale s, 3 p ar te s) 20 E dad (A ños ) 3 ( P ro m .) M ay or es a 5 M ay or es a 3 Fech a 2005 200 7 2002 N or m a INB A R (1999) ISO 2 21 57 INB A R (1999) U ni ve rs id ad C at ólic a de Río de Ja ne ir o Na cio na l de C olo mb ia Se de Bo go tá Na cio na l de C olo mb ia Se de Bo go tá Ti po In ve st ig ac ió n de Pr ofeso res In ve st ig ac ió n de Pr ofeso res T es is de p re gr ado dir ig ida p or C . T ak eu chi A ut or Kh osr ow Gh av ami, A ba nis e B . M ar in ho C ao ri P . T ak eu ch i, C és ar E . Go nz ále z M ar itz a U rib e V alle jo , A le ja ndr o Du rá n C on tr er as Tí tu lo da de s f ís ic as y as de l c ulmo de Gu adu a tif olia K un th te nc ia a la sió n p ar ale la a la la Gu adu a tif olia K un th y ac ió n de l de e la st ic ida d de e le me nt os s a c omp re sió n do s p or tr es gu adu as
Tabla 4. Propiedades a cortante de la Guadua Angustifolia Kunth C or te p ar al el
o a l
a f ib ra V al or car ac te rí st ic o (M P a) -
4.693 - 4.708 4.692 3.003 2.627 1.533 1.411 - - - - -
C oe fi ci en te de var iac ión - -
0.247 0.29 0.22 0.25 0.25 0.29 0.25
C oe fi ci en te de var iac ión
0.46 0.44 0.43 0.44 0.45 0.46
De sv. E st án dar (M P a)
- - 1.7
2.407 1.582 1.176 1.045 0.969 0.641 De
sv. E st án dar (M P a)
267.9 293.1 282.2 266 291.1 289.4
M od a (M P a)
2.07 7.048 6.87 8.175 7.178 4.711 4.203 3.288 2.563
P
rom
ed
i
o G (MP
a)
583.6 660.7 657.2 657 650.5 636
n 24 (3 c on no do y 3 s in no do , p or ca da p ar te) 36 8 ( 3 re gio ne s)
30 25 29 31 30 28 28
N úm er o d e en say os
26 29 31 30 28 28
Luz (m
) - - -
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Luz (m
)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
E dad (A ños ) 3 ( Pr om. ) 3 -
6 -
M ay or a 3 Fech a
2005 2005 - 2003
N or m a INB A R (1999) INB A R (1999) INB A R (1999) INB A R (1999) U ni ve rs id ad C at ólic a de Río de J an eir o Na cio na l de C olo mb ia Se de Bo go tá Na cio na l de C olo mb ia Se de M ede llín Na cio na l de C olo mb ia Se de Bo go tá Ti po In ve st ig ac ió n de P ro fe so re s T es is de pr eg ra do dir ig ida p or C . Ta keuch i - T es is de pre gr ado A ut or K ho sr ow Gh av ami, A lb an is e B . M ar in ho Ne ls on H . P alo je , Die go F . A cu ña s. L óp ez T ru jilo Sá nc he z y P rie to Tí tu lo P ro pie da de s f ís ic as y me cá nic as de l c ulmo e nt er o de la Gu adu a A ng us tif olia K un th Re sis te nc ia a l c or te p ar ale lo a la fib ra de la Ga udu a A ng us tif olia Kun th C or te p ar ale lo a la f ib ra C omp re sió n a f le xió n
Tabla 5. Propiedades a flexión de la Guadua Angustifolia Kunth F le xi ón C oe fi ci en te d e var iac ión
0.12 0.27 0.29 0.04 0.13 0.25 0.23 0.24 0.35 0.31 0.13 0.21 0.2
6
0.25 0.16 5.12 0.28 0.06 0.18 0.28 0.26 0.32 0.51 0.13 0.40 0.45 0.27 0.34
D es v. E st án dar (M P a)
3.8 6.9 13.2 1.8 8.2 9.3 15.1 14.4 21.2 18.9 7.4 12.4 14.9 6.3 9.9 28.8 17.8 3.0 13.9 15.7 16.8 22.3 32.3 7.7 7.65 19.4 13.6 7.34
M ed ia (M P a)
30.7 25.1 45.3 49.2 61.8 37.6 64.6 59.7 60.2 60.7 58.3 58.4 56.8 25.7 61.0 56.3 62.8 51.4 77.6 56.1 64.1 70.0 63.4 59.3 18.9 43.2 50.9 21.5
n 9 4 10 4 10 6 10 6 10 4 10 5 7 4 12 3 10 5 10 4 11 3 10 3 34 54 58 30
L
uz
(m
)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.8 1.0 1.5
V ar ib ale (0 .7 – 1.4) Sob re bas e - - - - B as e
- - - X X X X X X X X X X X X - - - -
Ce
pa X X X X X X X X X X X X - - - -
E dad (A ños ) M ay or es a 3 N. D. Fech a 2003 2000 N or m a INB A R (1999) - U ni ve rs id ad Na cio na l de C olo mb ia Se de Bo go tá Na cio na l de C olo mb ia Se de M an iz ale s Ti po T es is de pr eg ra do T es is de pr eg ra do A ut or Sá nc he z y P rie to L uis F elip e L óp ez y M ar io F elip e Silv a Tí tu lo C omp or ta mi en to a fle xió n C omp or ta mie nt o sis mo -r es is te nt e de es tr uc tu ra s de bare qu e
Tabla 6. Propiedades mecánicas de la Guadua Angustifolia Kunth según la edad4
Age
(Year) 2 3 4 5
By height position
Density
Bottom ρ 674.5 681.9 617.7 676.9 663.3
Middle ρ 678.1 705.5 780.0 780.0 696.3
Top ρ 703.0 828.6 774.1 735.4 764.6
By age ρ 687.3 748.0 725.9 686.1 -
Compre ssion
Bottom E 15.5 16.5 17.4 15.2 16.3
σ 39.9 38.1 37.6 32.1 36.8
Middle E 14.9 18.0 16.8 16.5 16.8
σ 27.2 42.1 41.5 34.7 36.6
Top E 20.0 17.0 17.5 18.2 17.9
σ 20.4 42.6 42.1 39.0 36.8
By age E 28.6 41.0 40.4 35.2 -
σ 16.4 17.2 17.2 16.8 -
Shear
Bottom τ 7.2 7.4 7.5 6.6 7.1
Middle τ 7.5 8.2 8.0 7.4 7.8
Top τ 7.2 8.1 7.6 8.0 7.8
By age τ 7.3 7.9 7.7 7.3 -
Bending
Bottom MOE 16.9 16.7 17.0 18.0 17.2
MOR 93.6 88.8 86.9 86.3 88.6
Middle MOE 17.7 15.8 17.0 18.7 17.2
MOR 84.7 91.6 103.7 86.9 91.9
Top MOE 16.1 19.4 18.3 15.5 17.2
MOR 107.3 97.8 103.8 107.0 104.1
By age MOE 95.8 92.7 98.5 93.4 -
MOR 16.9 17.1 17.4 17.4 -
Note: ρ = Density (kg/m3), E = Modulus of elasticity (GPa), σ = Compressive strength (MPa), τ = Shear strength (MPa), MOE = Modulus of
elasticity (GPa), MOR = Modulus of rupture (MPa)
Tabla 7. Módulo de elasticidad a compresión con un C.H. del 12%
Edad (Años) Módulo de elasticidad (kg/cm2)
1 – 3 105804
3 – 5 121528
Mayor a 5 101427
Tabla 8. Relación esfuerzo máximo a compresión y C.H.
Grupo No. σmax (kg/cm
2)
C.H.% < P.S.F. C.H.% < P.S.F. 1 σmax = 742.31x10-0.013940543 C.H.% 322.36 2 σmax = 1255.65x10-0.02317557 C.H.% 415.03 3 σmax = 964.56x10-0.01959553 C.H.% 402.74
Tabla 9. Módulo de elasticidad a flexión en función de la luz libre
Módulo de elasticidad (MPa)
Luz libre
L < 1.50 m L > 1.50 m
Emínimo 30000 60000
Tabla 10. Factores de resistencia en la Guadua Angustifolia Kunth F le xi ón Sob re bas a
110 0.60 3.0 0.135
B
as
a
104 0.55 3.0 0.135
Ce
pa 92
0.60 3.0 0.135
T
od
os
80 0.45 3.0 0.135
C or te Sob re bas a
8 0.80 3.0
0.135
B
as
a
8 0.70 3.0
0.135
Ce
pa 7
0.80 3.0 0.135
T
od
o
s 7 0.60 1.5
0.135 C om pr es ión p ar al el a Sob re bas a - - - - B as a
37 0.70 3.0 0.135
Ce
pa 37
0.65 3.0 0.135
T
od
os
31 0.50 3.0 0.135
Es fu er zo pr om ed io d e re si st en ci a (M P a) F ac tor d e re du cc ión d e resi sten ci a F ac tor d e con fi ab ili dad as oc iad o P rob ab ili dad de fal la as oc iad a (% )
6. Materiales utilizados
6.1. Guadua
La guadua utilizada es la Guadua Angustifolia Kunth (GAK) seca la cual fue cortada a los 3 años donde el material alcanza los máximos valores en varias de sus propiedades mecánicas [17].
6.2. Agua
El agua para el diseño de las mezclas de mortero es agua potable.
6.3. Agregados
Los agregados utilizados para la mezclas de mortero convencional y celular fueron arena amarilla, y arena de río triturada.
6.4. Cemento
El cemento utilizado es de la empresa Cementos Argos S.A., siendo este un cemento gris Tipo I.
6.5. SikaLightcrete®
6.5.1. Características
SikaLightcrete® es un aditivo líquido de color ámbar producido por la empresa SIKA S.A., el cuál es un agente espumante concentrado que sirve para la elaboración de mezclas de concreto celular. Su densidad es de 1±0.05 kg/L. Su máximo tiempo de almacenamiento es de 1 año en un sitio fresco y bajo techo.
Algunas de las ventajas de su uso son [35]:
• Gran estabilidad de la espuma.
• Inclusión de aire de hasta un 40% del volumen de concreto.
• Facilidad de colocación y transporte en obra dado su bajo peso.
• Menor presión sobre las formaletas.
• Como consecuencia del alto porcentaje de aire incluido permite ofrecer un importante aislamiento térmico y acústico.
• Resistencia a la compresión en función de su densidad, la cual puede ser incrementada con el uso de aditivos plastificantes tipo Plastiment o Plastocrete y/o superplastificantes tipo Sikament.
• Para acelerar la resistencia inicial en rellenos fluidos se recomienda emplear Plastocrete 169 HE.
6.5.2. Modo de empleo
El modo de empleo que recomienda Sika S.A. para el uso del aditivo es el siguiente [35]: 6.5.2.1. Amasado y mezclado
Adicionar el aditivo SikaLightcrete® con el agua de amasado y agitar vigorosamente en el camión mezclador o planta durante 10 minutos asegurándose de obtener una mezcla homogénea.
6.5.2.2. Transporte y colocación
El concreto o mortero con SikaLighcrete® (Concreto o mortero celular) puede ser muy fluido, esto facilita el transporte y la colocación del mismo.
6.5.2.3. Dosificación
Según la densidad requerida, la dosificación fluctúa entre 0.5 a 2.0 kg de SikaLightcrete® por m3 de concreto. Dosis de hasta 4 kg/m3 pueden ser empleadas para casos muy especiales donde se requieran densidades muy bajas.
6.5.3. Precauciones
La elaboración de concreto o mortero celular (aligerado) exige el cumplimiento de ciertas condiciones:
• Exhaustivo control sobre la cantidad de aire incorporado en concretos con fines estructurales.
• Pueden utilizarse aditivos superplastificantes tipo Sikament con el propósito de reducir el agua e incrementar resistencias.
• El contenido de aire incorporado depende de la temperatura ambiente y de los agregados, velocidad y tiempo de mezclado, finura de los agregados (partículas inferiores a 0.125 mm), finura y cuantía del cemento, y presencia de agregados livianos.
6.6. Varillas
Las varillas de rosca utilizadas para los ensayos de aplastamiento en el conjunto guadua-mortero son de ½’’ de diámetro.
7. Mezclas de mortero
7.1. Generalidades del concreto celular
El concreto celular es un material de baja densidad el cuál está conformado por una estructura celular debido a la adición de una espuma o, por la adición de gas en el estado fresco de la mezcla (ver Ilustración 13). Con esto, se crean celdas de aire uniformemente distribuidas que pueden llegar a ocupar un 80% del volumen total. El tamaño de estas celdas puede variar entre 0.1 a 1 mm. Dichas celdas de aire deben tener la estabilidad y resistencia suficiente para conservar su estructura durante los procesos de mezclado, bombeo y vaciado. Las densidades de las mezclas de concreto celular son muy variables entre el rango de 320 a 1920 kg/m3 ya contengan o no agregados. El control sobre la densidad se logra mediante la correcta dosificación de la espuma con el cálculo de aire necesario a añadir a la mezcla durante su estado fresco.
Ilustración 13. Estructura típica de una mezcla de concreto celular. Adaptada de (ACI Commitee 523, 2006)
Durante el proceso de fabricación del concreto celular, hay dos métodos básicos para introducir la burbujas de aire dentro la pasta de cemento (estado plástico de la mezcla). Uno consiste mediante la adición de una espuma prefabricada (preformed foam) o agente espumante en la mezcla, o mediante la generación de gas por reacciones químicas [29], [30], [31].
En el primero de los métodos, se adiciona una espuma estable en la pasta de cemento durante su mezclado en una mixer regular. También es posible formar la celdas de aire en la pasta durante un vigoroso mezclado de la pasta con un agente espumante en un mixer de altas velocidades. En el uso del agente espumante y mixer de alta velocidad, el volumen de las células de aire son variable de las propiedades del agente, el tiempo de mezclado, la temperatura del agua y los otros materiales. Por tales motivos, el control es de mayor dificultad en este proceso.
El segundo método es por la fabricación de las burbujas de aire por reacciones químicas en la pasta de concreto. Usualmente, esto se logra por el uso de pequeñas cantidades de polvo o pasta de aluminio, los cuales reaccionan con alcalinos solubles que están presentes en la mezcla fresca. Como resultado de la reacción se libera hidrógeno y se forman las burbujas de aire. El curado se realiza en condiciones de alta presión, lo cuál trae un mejoramiento de la estabilidad de la mezcla y un aumento en su resistencia.
7.1.1. Clasificación de concretos celulares
El concreto celular tiene una gran espectro de densidad (de 320 a 1920 kg/m3) y de resistencia que varía de 0.7 a 17 MPa [31]. Por lo tanto, éste se clasifica dependiendo de la densidad y composición por materiales.
7.1.1.1. Clasificación por densidad
7.1.1.1.1. Concreto celular no estructural, de insolación
Para concretos celular cuya densidad sean menores a 800 kg/m3, se consideran como concretos de insolación o de baja densidad [28]. Este tipo de mezclas no son utilizadas para fines estructurales y son usadas para aplicaciones de insolación térmica y sonora. Principalmente consisten en mezclas netamente de cemento (sin agregados), las cuales a los 28 días pueden tener una resistencia entre 0.7 a 7 MPa [31].
7.1.1.1.2. Concreto semi-estructural
agregados livianos son parte de la mezcla para conseguir la resistencia requeridas. A los 28 días se puede obtener resistencias entre 3.4 a 17 MPa [31].
7.1.1.2. Clasificación por materiales
7.1.1.2.1. Concreto celular de cemento neto
El concreto celular de cemento neto (Neat-cement cellular concrete o Slurry mixture) consiste en cemento Portland, agua y espuma. Este tipo de mezclas no contienen agregados, y están delimitadas por ser mezclas de baja densidad (de insolación) con un valor máximo de 800 kg/m3.
7.1.1.2.2. Concreto celular de agregado fino o mortero celular
El mortero celular (Sanded celular concrete o Grout mixture) contiene agregado fino (arena) además de cemento Portland, agua y espuma. Su densidad varía entre 800 a 1920 kg/m3. Las propiedades de esta mezcla depende directamente del contenido de cemento, la relación agua-cemento (W/C), y las propiedades del agregado.
7.2. Propiedades específicas de la mezcla
7.2.1. Materiales
El concreto celular está compuesto básicamente de una espuma adiciona o fabricada por reacciones químicas en una pasta de concreto (cemento Portland más agua), aunque este contenga o no agregados. Es permitido el uso de otros aditivos para mejorar algunas propiedades del material.
7.2.1.2. Cemento
Los cementos permitidos para el diseño de mezclas de concreto celular son el cemento Portland, cemento con puzolanas que cumplan con los requerimiento exigidos por los estándares ASTM Standard Specification for Portland Cement (C 150), ASTM Standard Specification for Blended Hydraulic Cements (C 595), o ASTM Standard Performance for Hydraulic Cement (C 1157). Cementos que cumplan con alguno de dichos estándares, son adecuados para el diseño de mezclas de concreto celular. Para obtener una mayor
resistencia inicial en casos en los cuales sea necesario, se recomienda el uso de cemento Portland Tipo III.
7.2.1.3. Agregado
Ya sea un agregado natural o manufacturado, los agregados (finos o arenas) utilizados en mezclas de concreto celular deben cumplir con los requerimiento de los estándares ASTM Standard Specification for Concrete Aggregates (C 33), ASTM Standard Specification for Aggregate for Masonry Mortar (C 144), ASTM Standard Specification for Lightweight Aggregates for Structural Concrete (C 330), o ASTM Standard Specification for Lightweight Aggregates for Concrete Masonry Units (C 331). Agregados que cumplan con alguno de estos estándares, puede ser utilizado en mezclas de concreto celular. Arenas que no cumplan con la gradación estipulada en los estándares mencionados anteriormente han sido utilizados en mezclas de concreto celular. Sin embargo, se recomienda realizar pruebas que verifiquen que se obtiene la calidad requerida (fluidez y resistencia). En algunos casos, se puede utilizar agregados livianos (como la perlita o vermiculita) para aumentar la relación resistencia a la compresión-densidad [29].
7.2.1.4. Agua
El agua para el proceso de mezclado y curado del concreto celular debe ser potable y libre de contenidos de aceites, ácidos, álcalis, sales, y materiales orgánicos que puedan afectar el tiempo de fraguado, la resistencia, o el comportamiento de la mezcla de concreto celular. 7.2.1.5. Espuma
El preformado de espuma es producido mediante la mezcla de un agente espumante, agua, y aire comprimido en una cierta cantidad predeterminada en un generador de espuma. La densidad de la espuma obtenida de este proceso varía entre el rango de 32 a 56 kg/m3 [31]. Los agentes espumantes están principalmente basados en proteínas hidrogenadas o detergentes sintéticos. Este agente debe tener la capacidad de producir celdas de aire estables que soporten el proceso de manipulación de la mezcla (mezclado, bombeo, y vaciado) hasta que el proceso de fraguado del concreto finalice. Para realizar ensayos sobre el agente espumante que permiten evaluar el comportamiento de éste en una mezcla regular
Using Preformed Foam (C 796). Se evalúa el impacto del agente espumante para densidad, absorción de agua, y resistencia a la compresión de la mezcla de concreto. Para evaluar más aún en detalle el comportamiento de los agentes espumantes en mezclas de concreto celular, se puede evaluar mediante lo estipulado en el estándar ASTM Standard Specification for Foaming Agents Used in Making Preformed Foam for Cellular Concrete (C 869).
7.2.1.6. Aditivos
Para densidades de 1440 kg/m3 o superiores, el posible el uso de aditivos reductores de agua. Así, se disminuye la relación agua-cemento (W/C), y se incremente la resistencia a la compresión del concreto. Otros aditivos como los acelerantes pueden ser utilizados para mejorar la resistencia a edades tempranas es necesario. Los aditivos deben cumplir con las especificaciones de la ASTM Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete (C 494) y deben ser utilizadas bajo las recomendaciones del productor. La compatibilidad de los otros aditivos con el agente espumante deber ser evaluado mediante pruebas.
Algunos de los aditivos que han presentado resultados en mezclas de concreto celular como los agentes dispersores de cemento (súper-plastificantes), y aditivos expansivos [30]. El primero ayuda a una mejor dispersión de las partículas cementantes (disminución de la relación agua-cemento), lo que logra aumentar la resistencia a compresión de las mezclas. Se obtienen mejores resultados para mezclas con densidades húmedas superiores a 1440 kg/m3. Para tal densidad, el aumento de la resistencia es cercana a un 10%, mientras para una densidad húmeda de 1760 kg/m3 el aumentó es cercano al 40%. Con el segundo se mejora la fluidez de la mezcla al igual que se disminuye el porcentaje de contracción en el proceso de fraguado.
7.2.1.7. Materiales cementantes suplementarios
En mezclas de concreto celular se pueden utilizar algunos materiales cementantes como material suplementario para disminuir el contenido de cemento. Cenizas volantes o puzolanas naturales que cumplan con los requerimientos de la ASTM Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cemente Concrete (C 618) pueden ser utilizados en concreto celular. Algunos de los beneficios del uso de esto radica en la disminución de costos de la mezcla sin modificar
severamente las propiedades de la mezcla. Las propiedades puzolanas mejoran la fluidez, aumentan la resistencia a la compresión, reducen el calor de hidratación, y reducen la permeabilidad [31]. Los materiales cementantes suplementarios deben ser compatibles con el agente espumante, y los otros ingredientes presentes en la mezcla de concreto los cuales deben ser evaluados mediante pruebas.
7.2.1.8. Fibra de refuerzo
Usar fibras como refuerzo puede ser utilizado en concreto celular para mejorar su comportamiento a retracción por fraguado y cambios de temperatura. Algunos de los tipos de fibras que han sido utilizados en concreto celular son acero, vidrio, polipropileno, poliéster, nylon, entre otros [31]. La cantidad necesaria de fibra está basada en el criterio de trabajabilidad de las mezclas, el rendimiento de la fibra, y su costo. Otros de los beneficios que se obtiene mediante el uso de fibras como refuerzo son que mejora su capacidad de absorción de energía. Usualmente, se utiliza un 5% del volumen total como punto inicial para realizar ensayo y evaluar el comportamiento de la fibra en la mezcla, y su impacto en ésta. Para determinar los límites tanto inferior como superior del tamaño de las fibras, se debe evaluar el siguiente comportamiento de la fibra dentro de la mezcla: El límite inferior que está limitado por la capacidad de la fibra de unirse con la pasta de concreto. Para el límite superior, el fenómeno está regido por la dificultad de dispersar las fibras a través de la pasta de concreto, y así, obtener una mezcla homogénea.
7.2.1.9. Polímeros
El uso de polímeros como látex o acrílicos mejoran la resistencia a compresión y tracción de la mezcla, como también reducen la permeabilidad o capacidad de absorción. Ensayos para evaluar el comportamiento del polímero en la mezcla deben ser realizados.
7.2.2. Comportamiento in situ
La dosificación de materiales en situ en el concreto celular es algo sobre el cuál se debe tener un gran control, más que en una mezcla de concreto regular. Esto se debe a que una gran proporción de las mezclas de concreto celular es aire. El cemento y los agregados son dosificados en situ mediante su peso. El agua de mezclado se dosifica por su volumen
inyectada en un tiempo establecido mediante un embudo calibrado o mediante el peso una vez medida la densidad de la espuma.
Para el proceso de mezclado debe ser adecuado para las condiciones interpuestas por los ingredientes de la mezcla, los requerimientos de calidad y control, el método de vaciado, y las condiciones ambientales in situ. Se debe realizar un buen mezclado para crear la pasta de concreto, al igual que con la espuma preformada. El uso de mixer de paleta, con agitación rotatoria y continua pueden ser utilizado dependiendo en los requerimientos de calidad del concreto final requerido, o el uso de un taladro con broca mezcladora de mortero.
Las mezclas de concreto celular son usualmente fabricadas in situ. Sin embargo, en condiciones en las cuales sean entregadas en obra, la espuma preformada sólo debe ser adicionada en el lugar de la obra justo antes del momento de vaciado bajo las condiciones adecuadas. De esta manera, se mantiene la calidad sobre el producto final. Tales condiciones son aptas para mezclas de concreto celular con agregados con densidades mayores a 800 kg/m3.
El bombeo es el método más utilizado para el transporte de la mezcla, aunque otros métodos pueden ser utilizados. Para concretos celulares con agregados y densidades mayores a 1440 kg/m3 es recomendable el uso de bombas de pistón para el transporte de la mezcla. Los métodos de vaciado para el concreto celular varían según su aplicación.
7.2.3. Propiedades mecánicas
7.2.3.1. Densidad
Debido al gran rango de densidad que se puede obtener con las mezclas de concreto celular, ésta es una variable que tiene un gran impacto sobre las propiedades finales de la mezcla, especialmente su resistencia a compresión [30]. En concreto celular, el estado plástico (fresco) de las mezclas al igual que su estado endurecido son vitales para mantener un control sobre el producto final. Por tales motivos, una serie de definiciones en lo que respecta a densidad deben ser establecidas.
7.2.3.1.1. Densidad húmeda
La densidad húmeda (As-cast density o Wet density) hace referencia a la densidad determinada in situ al momento de vaciado (densidad plástica del concreto) según lo estipulado en la ASTM Standard Method for Testing Foaming Agents for Use in Producing Cellular Concrete Using Preformed Foam (C 796). La densidad húmeda del concreto celular es una medida que permite controlar la uniformidad de las mezclas en obra.
7.2.3.1.2. Densidad en aire seco
La densidad en aire seco (Air-dry density) es la densidad en el lugar de vaciado del material, y durante su proceso de curado. El cambio de esta densidad debido al secado de aire es función de la temperatura, la duración del periodo de secado, la humedad, la densidad húmeda del concreto, la relación agua-cemento (W/C), y el área superficial del elemento. A pesar de la gran cantidad de variables que intervienen en la densidad de aire seco, datos experimentales permiten realizar una relación entre la densidad húmeda y la densidad en aire seco, siendo esta 80 kg/m3 menor que la primera. En condiciones de baja humedad, está relación puede ser cercana a los 160 kg/m3 [31].
7.2.3.1.3. Densidad seca en horno
La densidad seca en horno (Oven-dry density) es la densidad final obtenida, y es la más utilizada para hacer referencia a las demás propiedades mecánicas de la mezcla. Una manera de determinar la densidad seca en horno se puede obtener mediante el uso de la siguiente ecuación, en la cual se asume que el contenido de agua necesario para la hidratación del cemento es del 20% de su peso [30].
D = 1.2C + A ! Donde,
D, es la densidad seca en horno del material en kg/m3. C, es el contenido de cemento en kg/m3.
7.2.3.2. Trabajabilidad
Los concretos celular con densidades menores a 800 kg/m3 son mezclas de excelente trabajabilidad debido a su alta fluidez, y puede ser bombeado sin ninguna dificultad. Condiciones similares se presentan para concretos celulares con agregados, aunque hay una disminución de su fluidez. No es necesario realizar ensayos de bombeo para mezclas de concreto celular debido a su consistencia fluida.
7.2.3.3. Resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión de mezclas de concreto celular es variable de factores como la densidad húmeda, el contenido de cemento, la relación agua-cemento, relación aire-cemento, cantidad y tipo de agregado, el uso de otros aditivos, y las condiciones de curado. A diferencia del concreto convencional, en el concreto celular a medida que la relación agua-cemento (W/C) aumenta, su resistencia a la compresión puede aumentar siempre y cuando haya una disminución significativa en la relación aire-cemento [38], [36]. Para determinar la resistencia a compresión del concreto celular se deben seguir los estándares ASTM Standard Method for Compressive Strength of Lightweight Insulating Concrete (C 495) para densidades secas al horno (Oven-dry density) menores a 800 kg/m3. Para densidades secas al horno superiores a 800 kg/m3 se debe determinar la resistencia a la compresión según lo estipulado en el ASTM Standard Specification for Lightweight Aggregates for Structural Concrete (C 330).
7.2.3.4. Resistencia a la tracción
El comportamiento de resistencia a tracción de las mezclas de concreto celular, siguen un patrón similar al del concreto convencional. Siendo este valor entre un 10% a 15% de la resistencia obtenida a la compresión. Debido a las bajas resistencias que se pueden obtener con concretos celulares, se puede aumentar la resistencia a tensión con el refuerzo de fibras. Para determinar la resistencia a tensión, se debe regir por el estándar ASTM Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens (C 496).
7.2.3.5. Resistencia al corte
Para determinar la resistencia a corte, se calcular con las fórmulas expresadas en el documento ACI 213R-87 Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete [29]. Sin embargo, no hay documentación sobre la resistencia a corte y variabilidad según los parámetros de la mezcla [31].
7.2.3.6. Módulo de elasticidad (Ec)
El módulo de elasticidad (Ec) del concreto celular es variable o función de la densidad de la mezcla como de su resistencia a la compresión. Para densidades entre 1280 a 1872 kg/m3 se puede utilizar la siguiente ecuación:
Ec = 37.04W1.5 f'c
Donde,
Ec, es el módulo de elasticidad del concreto celular en MPa W, es la densidad húmeda (As-cast density) de la mezcla en kg/m3 f’c, es la resistencia a compresión de la mezcla a los 28 días en MPa
Esta fórmula fue determinada por Leo M. Legatski [30] en la cual fueron estudiadas mezclas con densidades húmedas mayores a 1281 kg/m3.
7.2.3.7. Absorción de agua
El concreto celular es un material que tiene una capacidad de absorción de agua considerablemente mayor a la que se presenta en concreto regular. La capacidad de absorción de agua es función de la calidad de los ingredientes de la mezcla, especialmente del cemento, como también de los materiales cementantes suplementarios y las características del agente espumante. Se debe tener un control adecuado de esta situación, ya que una de las consecuencias directas de una capacidad mayor de absorción de agua, es una mayor densidad del concreto celular.
Si la espuma preformada no soportar las condiciones de mezclado, transporte y vaciado, se puede producir conexiones entre las células de aire creando grandes canales con gran capacidad de absorción de agua. Para disminuir la absorción de agua, el uso de materiales cementantes suplementarios puede ser una solución debido a que las partículas de menor tamaño llenarán los vacíos presentes entre las partículas de cemento (disminución de la relación aire-cemento).
Hay tres formas de medir la absorción de agua del concreto celular: Con inmersión a 24 horas, inmersión de largo término (120 días), y por ciclos de marea. En todos los casos, se analiza la condición final del concreto con respecto a la condición final. El crecimiento de la densidad de la mezcla define la capacidad de absorción de agua de la mezcla. Se expresa como porcentaje.
7.2.3.8. Contracción de secado
La contracción por secado en concreto celular debe ser considerada cuando es utilizado para propósitos estructurales. La contracción de una mezcla curada adecuadamente puede variar entre 0.1 a 0.6% dependiendo de la composición de la mezcla y si ésta tiene o no agregados [31].
7.2.3.9. Resistencia al fuego
El concreto celular es un material de excelente resistencia al fuego en comparación del concreto convencional. A menor densidad, mayor es la resistencia al fuego de la mezcla. Para realizar ensayos para determinar la resistencia al fuego, se puede seguir lo estipulado en el estándar ASTM Standard Method of Fire Tests of Building Construction and Materials (E 199).
7.2.3.10. Absorción de energía
Concretos celulares de baja densidad poseen una gran capacidad de deformación con respecto a su resistencia debido a su estructura celular y su habilidad de absorber cargas. Fouad [31] menciona que solicitaciones de gran velocidad de carga producen solamente daños localizados, las cuales de deben a la estructura de vacíos que compone a la mezcla, y al contenido de fibras de refuerzo en caso de que la mezcla contenga.
7.3. Método de diseño de las mezclas de mortero celular
El diseño de mezclas de concreto celular es más un arte que una ciencia [37]. Sin embargo, algunas metodologías de diseño han sido establecidas gracias a los datos experimentales que se encuentran en la literatura.
Se inicia con un estimativo sobre ya sea la densidad plástica requerida o un esfuerzo de compresión requerido. Para tales objetivos, se puede tomar como referencia la Ilustración 14, o Ilustración 15.
Ilustración 14. Esfuerzo de compresión vs. Densidad plástica del concreto celular con agregados para distintas relaciones agua/cemento. Adaptada de Fouad [31]
Ilustración 15. Esfuerzo de compresión vs. Densidad seca para distintas configuraciones de concreto celular. Adaptada de Fouad [31]
El valor del contenido de cemento (C) y la relación agua-cemento (W/C) se deben variar experimentalmente, y analizar los resultados obtenidos de cada una de las mezclas. Para mezclas sin agregados, sólo basta con la relación agua-cemento (W/C).
A continuación se muestran dos ejemplos de diseño para mezclas de mortero celular. El primero consiste en una mezcla sin agregados (Neat Cement Cellular Concrete), y mientras el segundo se utiliza agregado finos (Sanded Cellular Concrete). Esta metodología de diseño fue planteada por Leo M. Legatski [30].
7.3.1. Mezcla sin agregados
7.3.1.1. Datos de entrada
Es importante conocer inicialmente los siguientes factores del agente espumante:
Volumen de espuma Volumen de aire =
VF VA = 1.05
5!
Densidad de espuma = ρF= 53.43 kg m3
Rata de producción de espuma = vF = 0.454 m 3
min!
Además de estos valores, es necesario conocer el tipo de cemento a utilizar, y un valor inicial de la relación agua-cemento (W/C). Como ayuda puede se utilizar la Tabla 11 para un cemento Tipo I.
Tabla 11. Valores guías de relaciones W/C por densidad plástica del concreto celular. Adaptada de Leo M. Legatski [30]
Además mediante la Ilustración 14 determinar un valor de la densidad plástica del concreto celular para una resistencia a la compresión deseada.
Densidad plástica del concreto celular = 1000 kg m3!
Según la Tabla 11, la relación agua-cemento (W/C) para el concreto celular en estudio es de6:
W
C = 0.53 + 0.49-0.53
1000 kg m3- 961 kg m3
128 1kg m3- 961 kg m3
≈ 0.525
7.3.1.2. Cálculo del contenido y volumen de cemento
Para calcular el contenido de cemento (C) para 1 m3 de concreto celular, se determina de la siguiente manera:
C + W C C = 1000 kg m3!
C + 0.525C = 1000 kg m3!
C = 1000 1.525
kg
m3 = 655.74 kg m3!
El volumen del cemento (VC) necesario por m3 de concreto sería:
VC = 655.74kg· 1 3150kg m3
= 0.2082m3!
7.3.1.3. Cálculo del contenido y volumen de agua
Para determinar el contenido y volumen de agua (W y VW, respectivamente) para 1m3 de concreto celular, se determina de la siguiente manera:
C + W = 1000 kg m3!
W = 1000 kg m3- 655.74 kg m3 = 0.525·655.74 kg m3 = 344.26 kg m3!
El volumen de agua (VW) se obtiene dividiendo la cantidad necesario en peso sobre la densidad del agua (ρW):
VW = 344.26 kg·
1
1000 kg m3
= 0.3443 m3
