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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.29 no.2 Santiago ago. 2014

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732014000200003 

 

Estudio de dos materiales volcánicos y efecto del tipo de molienda en su reactividad

 

Diana M. Burgos1*, Luisa M. Cardona*, Silvio Delvasto*

* Universidad del Valle, Cali. COLOMBIA

Dirección de Correspondencia


Resumen

En este estudio se presenta la caracterización y evaluación de la actividad puzolánica de dos materiales volcánicos procedentes de dos depósitos volcánicos Colombianos (Volcán Puracé y Nevado del Tolima). Estos materiales fueron analizados mediante diversas técnicas de caracterización, la aptitud de los materiales volcánicos como puzolanas y el efecto de la molienda en su reactividad, se evaluó por medio del índice de Actividad Puzolánica (iaP), ensayo de Frattini. Los resultados indican que el MVP presenta un iaP de 77,51% y se ubica en la zona reactiva de la curva de Frattini, características que permiten clasificar este material como una puzolana natural. En cuanto al MVT los resultados indicaron que químicamente no reaccionó, pero generó un índice de resistencia de 92,36% respecto a la muestra patrón, características de un material inerte que por efecto filler permite el desarrollo de resistencias mecánicas. Por otra parte, también se evidenció que no existe un efecto significativo del proceso de molienda en la reactividad de estos materiales.

Palabras claves: Puzolanas naturales, materiales volcánicos, actividad puzolánica, efecto de molienda


1. Introducción

A través de los años la búsqueda de materiales alternativos como remplazo del cemento ha ido avanzando encontrando soluciones económicas, tecnológicas y ecológicas para la industria de la construcción. Un ejemplo de esto son las puzolanas naturales de origen volcánico que son el resultado de la explosión del magma que se enfría rápidamente para formar un vidrio microporoso constituido principalmente por SiO2, Al2O3 y Fe2O3 (Massazza, 1993). Al incorporar estos materiales al cemento, reaccionan con el Ca(OH)2 liberado durante la hidratación del mismo y forman silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) fases estables, hidráulicas e insolubles (Rosell-Lam, Villar-Cociña, & Frías, 2011) que confieren diversos beneficios desde el punto mecánico, de durabilidad y reducción en la liberación de calor en los elementos cementicios (Alp et al., 2009; J. L. Costafreda, Calvo, & Parra, 2011; Hossain & Lachemi, 2007, 2010; Hossain, 2005; Kaid, Cyr, Julien, & Khelafi, 2009; Ramezanianpour, Samadian, & Mahdikhani, 2012; Siad, Mesbah, Kamali, Khelafi, & Moulli, 2010). No obstante, existen diferentes factores que determinan el potencial de los materiales volcánicos para reaccionar y formar compuestos cementicios, entre estos se encuentra la composición química, la composición mineralógica, la estructura física de las partículas y el área superficial de dichos materiales.

Estos factores varían según su naturaleza y origen, razón por la cual se dificulta la evaluación y comparación entre diferentes fuentes (Valdez et al., 2004). Esto fue corroborado por Calvo et al. (2005) quienes estudiaron las propiedades puzolánicas de materiales volcánicos de España, encontrando que a pesar de que la composición química de los materiales permitía clasificarlos como puzolanas, algunos de estos no presentaron alta reactividad con el hidróxido de calcio por lo que fueron considerados como de baja calidad. Por otra parte Vargas et al. (2005) investigaron la actividad de puzolánica de tobas de Guadalajara. Encontrando que estos materiales presentaron gran actividad puzolánica, lo que se corroboró con la formación de gel de tobermorita, fase que aumenta con el tiempo de curado. Además, encontraron que al aumentar el grado de molienda la reacción con la cal hidratada mejoró y por lo tanto la resistencia mecánica y durabilidad también aumentaron.

Çavdar & Yetgin (2007) estudiaron la actividad puzolánica de materiales volcánicos de Turquía. Encontrando que la actividad puzolánica esta directamente relacionada al componente SiO2, mientras que componentes como Al2O3, Fe2O3, MgO y K2O de los materiales volcánicos la disminuyeron. No obstante, Türkmenoglu & Tankut (2002) reportaron que aunque la actividad puzolánica de los materiales volcanicos es afectada principalmente por SiO2 y Al2O3, la presencia de minerales secundarios presentes en su fase amorfa como la caolinita y las zeolitas tambien fueron importantes en la reactividad del material. Debido a la idoneidad de estos materiales como puzolanas naturales numerosas investigaciones se han llevado a cabo en regiones donde existen grandes cantidades de depósitos volcánicos y donde la producción de otras puzolanas es muy limitada. Por ejemplo, Ozgunler & Ozgunler (2011) utilizaron un aglutinante compuesto con tobas volcánicas de Turquía y cal apagada para fabricar morteros de reparación de estructuras históricas, obteniendo un mortero de resistencias apropiadas con materiales disponibles en la región. Considerando lo anterior y que en Colombia existen diversos volcanes activos que a lo largo de los años han generado grandes depósitos de materiales volcánicos disponibles, se plantea en este trabajo de investigación la caracterización y evaluación de materiales Colombianos de origen volcánico como puzolanas naturales en la producción de materiales cementicios.

2. Metodología experimental

2.1 Materiales y métodos

Para el desarrollo experimental de este estudio se tomaron muestras de dos depósitos de materiales volcánicos que se encuentran ubicados en el departamento del Cauca y del Tolima. Las muestras corresponden a yacimientos ubicados en los piedemontes del Volcán Puracé y el Nevado del Tolima. Una vez recolectados, estos materiales fueron sometidos a procesos de adecuación, se sometieron a procesos de molienda en un molino de bolas por dos horas y posteriormente en un molino de atrición por 15 minutos, obteniendo dos tamaños promedio de partícula diferentes para cada material volcánico, 21 y 17.2 μm para el Material Volcánico de Puracé (MVP) y 20.2 y 12.3 μm para el Material Volcánico de Tolima (MVT). Estos dos tamaños de partícula se utilizaron para evaluar el efecto de la molienda sobre la reactividad de los materiales volcánicos.

2.1.1 Métodos de caracterización de los materiales volcánicos

La caracterización incluyó un análisis de la aptitud de molienda de los dos materiales volcánicos, para esto se tomaron muestras cada 30 min desde que inició el proceso de molienda, posteriormente se determinó el tamaño promedio de partícula por medio de granulometría laser. Posteriormente al finalizar los procesos de molienda también se determinó el tamaño promedio y distribución de las partículas por medio de la misma técnica. Además, se determinó la densidad real de los materiales volcánicos por medio de la norma NTC 221. La morfología de las partículas se observó por medio del microscopio electrónico de barrido (MEB). El porcentaje de pérdida por ignición de los materiales volcánicos se determinó siguiendo la norma NTC 184. La composición química y mineralógica se determinó por medio de fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX) y petrografía de secciones delgadas, por último se realizó un análisis termo-gravimétrico de los materiales volcánicos.

2.1.2 Métodos de evaluación de la actividad puzolánica de los materiales volcánicos

• Método mecánico: Se realizó un Diseño Completamente al azar con Estructura Factorial 2x2 (dos factores con dos niveles cada uno). El primer factor fue el tipo de material volcánico y sus niveles fueron Puracé (MVP) y Tolima (MVT); mientras que el segundo factor fue el proceso de molienda y sus niveles fueron molienda en el molino de bolas por 2 horas (Bolas 2h) y molienda en el molino de bolas 2 horas + molienda en el molino de atrición por 15 minutos (Bolas 2h + Atrición). La variable de respuesta del diseño de experimentos fue el índice de actividad puzolánica (iaP) y se determinó conforme a la norma ASTM C311. Las unidades experimentales fueron morteros en probetas cilíndricas de dimensiones 25,4 x 50,8 (x10-3)m. Para la fabricación de estos morteros se utilizó arena de Ottawa estandarizada, cemento Portland tipo III sin adición, un porcentaje de adición de los materiales volcánicos (Puracé y Tolima) constante del 20% (en remplazo por masa del cemento). A pesar de que este valor es recomendado por la norma ASTM C311, se debe tener en cuenta que este porcentaje probablemente no sea el porcentaje de incorporación óptimo de estos materiales (con el cual se obtengan las mejores resistencias), por lo que el iaP solo servirá como punto de comparación de la reactividad de los materiales estudiados, para encontrar el porcentaje óptimo se sugiere realizar ensayos mecánicos con diferentes porcentajes de incorporación. La relación Agua/cementante fue de 0,5 para los morteros adicionados con el MVT y de 0,55 para los adicionados con el MVP (relaciones de acuerdo con los requerimientos de cada material volcánico y manteniendo la misma fluidez). En la Tabla 1 se presentan los tratamientos del diseño (4 tratamientos y 2 repeticiones por cada uno de estos), combinaciones que se originaron de los niveles de cada factor, los cuales fueron corridos y aleatorizados mediante el programa MINITAB 16.

• Método químico: Se utilizó el ensayo de Frattini a 28 días de curado siguiendo la Norma NTC 1512.

Tabla 1. Tratamientos propuestos por el diseño para la selección del Material Volcánico

2.1.3 Estudio calorimétrico de pastas de cemento adicionadas con 20% de los materiales volcánicos

La evolución de la velocidad de liberación de calor, se realizó siguiendo la norma ASTM C1679 utilizando un calorímetro de conducción para pastas. La temperatura de base para las mediciones fue de 25°C. Los registros se completaron durante las primeras 24 horas de hidratación.

3. Resultados y discusión

3.1 Características físicas de los materiales volcánicos

3.1.1 Aptitud de molienda y granulometría

En la Figura 1 se puede observar la aptitud de molienda de los materiales volcánicos. Esta grafica evidencia que el MVP tiende a reducir considerablemente su tamaño promedio de partícula con el incremento en el tiempo de molienda a pesar de haber iniciado dicho proceso con un tamaño de partícula mayor (57,6 μm) comparado con el MVT (34,5 μm), esto puede ser observado con mayor claridad después de 90 minutos de molienda en el molino de bolas ya que el MVP logra alcanzar el tamaño de partícula promedio del MVT, con estos resultados se puede inferir que el MVP tiene mayor aptitud de molienda que el MVT, lo cual se puede ver reflejado en un proceso de transformación mas económico al comparar ambos materiales, para considerar su incorporación en el proceso tecnológico de la fabricación del cemento. Este comportamiento puede estar asociado con la composición mineralógica y la estructura de los materiales, ya que generalmente los materiales que están compuestos en una mayor proporción por estructuras cristalinas resultan ser màs difíciles de molturar que los que tienen una mayor proporción de fase vítrea (Delgado, 2006).

Por otra parte, al comparar los procesos de molienda en molino de bolas 2h y molino bolas 2h + atrición, se puede observar en la Figura 2 que la distribución de tamaños de partículas obtenidas por ambos procesos fueron similares, de modo que no existen diferencias significativas entre los procesos de molienda a pesar de ser el de atrición un proceso que involucra mayor energía con el cual se esperaba un incremento significativo en la fracción de finos. Este resultado demuestra que los materiales volcánicos lograron alcanzar su tamaño de partícula límite con el proceso de molienda bolas 2h, por lo que desde el punto de vista exclusivamente económico resultaría innecesario considerar un mayor tiempo de molienda o involucrar un proceso de mayor energía, sin tener en cuenta su futuro comportamiento mecánico resistente.

Figura 1. Aptitud de molienda de los materiales volcánicos

Figura 2. Curvas de distribución granulométrica de los materiales volcánicos sometidos a los dos procesos de molienda (Bolas 2 h y Bolas 2 h+Atricion)

 

3.1.2 Morfología de las partículas

En ia Figura 3 se presentan las microfotografías de los materiales volcánicos sometidos a los diferentes procesos de molienda. En las microfotografías (a) y (b) se presentan los materiales volcánicos de Puracé y Tolima obtenidos del proceso bolas 2h. En estas se observa algunas partículas con morfología irregular producida por el efecto de molienda. Además, se observa gran cantidad de partículas de menor tamaño, que confirma los resultados obtenidos por granulometría laser. Por otra parte, en las microfotografías (c) y (d) se presentan los materiales volcánicos sometidos al proceso bolas 2h + atrición, en las cuales se observa que no existen cambios significativos en ia morfología de las partículas comparados con las muestras anteriores. Sin embargo, se observa un leve incremento de las partículas finas que tienden a aglomerarse sobre las partículas de mayor tamaño, factor que puede alterar el desempeño resistente de los materiales.

Figura 3. Microfotografías MEB de los materiales volcánicos de Puracé y Tolima a un aumento de 1000X

3.2 Caracterización química y mineralógica

3.2.1 Composición química

En la Tabla 2 se presentan los resultados del análisis químico de los materiales volcánicos y del cemento portland sin adición. Se puede observar que la suma de los compuestos de SiO2, Al2O3 y Fe2O3 para el MVT y MVP supera el 70% que establece la norma ASTM C618-12 para puzolanas naturales; cabe mencionar que esta no especifica la estructura, ni la morfología que deben de tener estos compuestos (Çavdar & Yetgin, 2007). El MVP presenta un carácter ácido ya que su contenido de SiO2 es superior al 65%, y el MVT presenta un carácter intermedio ya que su contenido de SiO2 se encuentra entre 55% y 65%. De acuerdo a Io anterior ambos materiales pueden llegar a tener gran afinidad por la cal en presencia de agua a temperatura ambiente (Valdez et al., 2004). Sin embargo se debe tener en cuenta otros factores para garantizar su reactividad, tales como la granulometría y la composición mineralógica de los materiales. En cuanto al porcentaje de pérdida por ignición, ambos materiales (8,35% para el MVP y 0,4% para el MVT) se encuentran dentro del limite establecido para puzolanas naturales en ia misma norma (~10%). La diferencia entre los valores se debe fundamentalmente a que ia pérdida por ignición del MVP incluye el azufre elemental y otros elementos volátiles.

Tabla 2. Composición química de los materiales volcánicos por medio de ia técnica de FRX

3.2.2 Composición mineralógica

En la Figura 4A se presentan microfotografías de las secciones delgadas del MVP, las cuales evidencian que este material está principalmente constituido por una fase de vidrio volcánico amorfo y ocasionales cristales opacos dispersos en ia matriz vitrea. En cuanto las microfotografías de las secciones delgadas del MVT (Figura 4B) evidencian que este material esta compuesto de fenocristales dispersos de plagioclasas tabular y cuarzo subhedral de menor tamaño flotantes en una matriz hipocristalina de vidrio amorfo en ia cual aparecen cristales muy finos de plagioclasas dispersos y sin orientación preferencial. Estos resultados corroboran el análisis realizado en ia aptitud de molienda de los materiales volcánicos, ya que se confirma que el MVT es predominantemente cristalino, lo que justifica que este material disminuyera en menor medida su tamaño de partícula con el tiempo de molienda comparado con el MVP que según las petrografías tiene una matriz vitrea.

Figura 4. Secciones delgadas de los materiales volcánicos. A. Puracé y B. Tolima

Los resultados del ensayo cualitativo de DRX de los materiales volcánicos se presentan en la Figura 5. El patrón de difracción del MVT, corrobora los resultados de ia petrografía ya que demuestra que es un material predominantemente cristalino, compuesto principalmente por Albita con un pico de gran intensidad en 2θ ≈ 28,059, y picos de menor intensidad que corresponden a Anortita y Andesina, minerales conocidos como plagioclasas, además de presentar minerales accesorios como Zeolita, Cuarzo, Cordierita y Diopside. Por otra parte, el patrón de difracción del MVP demostró un pico de mayor intensidad correspondiente a ia Cristobalita Alfa con un ángulo de difracción 21,9361°, fase que cristaliza a altas temperaturas y mas rápido que el cuarzo (Prado et al., 2007). También se pueden observar otros picos de menor intensidad correspondientes a Albita, Zeolita y Azufre S8, ia presencia de este último material se debe a que el MVP proviene de una región con alta circulación de fluidos hidrotermales ricos en azufre.

Figura 5. Patrones de difracción de rayos X de los materiales volcánicos del Puracé y Tolima

En la Tabla 3 se presenta las densidades reales de los materiales volcánicos, estos demuestran que el MVT tiene una densidad menor que el MVP, este comportamiento se debe principalmente a los minerales por los que esta compuesto cada material. Como se demostró en el análisis mineralógico el MVT está compuesto por plagioclasas y este grupo de minerales por lo general presenta gran porosidad, por lo que son poco densas. La densidad de la albita es de 2,65 g/cm3 y de la anortita de 2,76 g/cm3 (Delgado, 2006).

Tabla 3. Densidades reales de los Materiales Volcánicos de Puracé y Tolima

Los resultados obtenidos por análisis petrográfico indican que el MVT es producto de erupciones volcánicas no explosivas, Io que produce generalmente un enfriamiento lento que da como resultado una estructura predominantemente cristalina, factor que puede afectar ia reactividad de este material hacia ia cal (Siddique, 2008), comparadas con las puzolanas naturales producidas por erupciones volcánicas explosivas como tal parece ser el caso del MVP, del cual el análisis petrográfico demostró que presenta una matriz vitrea con pequeños cristales ocasionales. No obstante, algunos autores como Çavdar & Yetgin (2007) exponen que los minerales cristalinos y los semicritalinos como el cuarzo y ia cristobalita también pueden llegar a contribuir en ia actividad puzolánica.

Esto es corroborado por Valdez et al. (2004) quienes afirmaron que las fases cristalinas, que se encuentran parcialmente desordenadas o se encuentran en un estado metaestable, presentan algo de actividad puzolánica, como es el caso de la cristobalita, sin embargo, su reactividad depende adicionalmente de la cantidad de iones en disolución que se encuentran en su red atómica, ya que estos iones generan estabilidad estructural del material.

3.3 Análisis térmico

En la Figura 6, se presentan los resultados del análisis termo-gravimétrico realizado al MVP y al MVT en presencia de una atmósfera de oxígeno. En la Figura 6a) correspondiente al MVP la curva TG (perdida de peso con respecto a la temperatura) evidencia una gran pérdida de peso (8.89%w) en un rango de temperatura de 25 a 1000°C, en este rango ocurren dos cambios de pendiente. En la primera pendiente que muestra la curva (entre 25-150 °C con pérdida de peso de 0.84%w) ocurren dos procesos que pueden ser observados con mas claridad en la curva DTA (diferencia de temperatura), esta muestra que entre 68 y 112 °C se presentan dos picos de índole endotérmica, los cuales pertenecen a la reacción de deshidratación del material y a la transformación de fase del azufre presente en el MVP pasando de rómbico a monoclínico (αS8 - ßS8). Según la literatura el azufre rómbico es la forma más estable a baja temperatura y se transforma en azufre monoclínico a una temperatura cercana a los 95.5°C. La transformación rómbico <--> monoclínico consiste, en un cambio de estructura cristalina sin modificación en la constitución molecular (Ríos, 1984). En el segundo cambio de pendiente que muestra la curva TG entre 150 y 420 °C ocurre la mayor pérdida de peso (7.12%w) y corresponde según la curva DTA a una reacción exotérmica con un máximo de temperatura de 242.6 °C, debido a un proceso de combustión que oxida el azufre produciendo dióxido de azufre (SO2) y trióxido de azufre (SO3).

En la Figura 6b) correspondiente al MVT, se puede observar una pequeña pendiente en la curva TG en un rango de temperatura de 25 a 300 °C, lo cual se atribuye principalmente a la deshidratación del MVT (pérdida de peso aproximada de 0.70%w). En general este material no sufre grandes transformaciones con el incremento de temperatura comparado con el MVP debido a que no presenta en su composición química elementos que sufran transformación (volátiles).

Figura 6. Resultados del análisis térmico diferencial, a) Material volcánico Puracé (MVP); b) Material volcánico del Tolima

3.4 Valoración de la Actividad Puzolánica

3.4.1 Método Quimico-Frattini

El método químico de Frattini representa la cantidad máxima de hidróxido de calcio con ia que una puzolana se puede combinar, esta reacción depende de diferentes factores como ia naturaleza y proporción de las fases activas del material puzolánico y su superficie específica, así como también de ia relación cal-puzolana y ia temperatura de reacción. Las muestras que se encuentren por debajo de la curva de saturación presentarán mayor capacidad de reaccionar con el hidróxido de calcio Ca(OH)2. Sin embargo, este método no indica que tan adecuado sea el material para desarrollar resistencias mecánicas, bajar el calor de hidratación, entre otras características que puede desarrollar un material puzolánico (Guzmán, Gutiérrez, Amigó, Mejía de Gutiérrez, & Delvasto, 2011). En los resultados obtenidos de los MVT y MVP sometidos a diferentes procesos de molienda (Figura 7), se puede observar que en general el MVP presenta mayor capacidad de generar reacciones puzolánicas, ya que a una edad de 28 días se ubica por debajo de ia curva de saturación independiente del tipo de proceso de molienda al que fue sometido. Este comportamiento puede ser atribuido a ia mayor cantidad de fase amorfa que presenta el MVP respecto al MVT.

Por otra parte, se puede observar en el mismo gráfico (Figura 7) que el proceso de molienda que involucra mayor energía (Bolas 2h + Atrición) no tiene efecto significativo sobre ia reactividad de los materiales volcánicos, comportamiento contrario a lo esperado, ya que por el método de alta energía se esperaba mayor superficie específica en consecuencia mayor reactividad de los materiales, lo que puede ser atribuido al aglomeramiento de las partículas de menor tamaño sobre las más grandes (observado en las microfotografías SEM) afectando ia reactividad de ambos materiales.

Figura 7. Curva de saturación del método Frattini para los materiales volcánicos sometidos a diferentes procesos de molienda a 28 días de ensayo

3.4.2 Método Mecánico

En la Figura 8 se presentan los resultados de IaP a 28 días de curado de morteros adicionados con 20% de los materiales volcánicos sometidos a los dos procesos de molienda. Estos resultados fueron analizados por medio del programa MINITAB 16, debido a que la validación de supuestos del diseño fue precisa. Este análisis permitió inferir que no existe interacción entre los factores (tipo de material volcánico y el proceso de molienda) a un nivel de significancia de 20%, por esta razón se debe examinar el efecto de los factores sobre el IaP de manera independiente. La Figura 8 evidencia que para el proceso de molienda Bolas 2h, tanto el MVT como el MVP superaron el límite establecido por la norma ASTM C618 (IaP >75% para considerar algún material como una adición puzolánica), por lo tanto, si solo se tiene en cuenta este limite, ambos materiales podrían ser considerados como puzolanas naturales desde el punto de vista mecánico a un nivel de significancia de 30,9%. Sin embargo, el IaP se ve claramente afectado por el proceso de molienda Bolas 2h+Atrición a un nivel de significancia de 2,1%, ya que disminuyó en aproximadamente 30% para el MVT y 15% para el MVP, por Io que con este proceso ambos materiales no alcanzaron el IaP establecido. Este comportamiento puede ser atribuido a la aglomeración de grandes cantidades de partículas de menor tamaño sobre las de mayor tamaño, fenómeno que fue observado en las microfotografías MEB para ambos materiales, afectando tanto ia reactividad del material como el acomodamiento y distribución de las partículas en ia matriz cementicia. Este análisis permite inferir que el proceso de molienda que resultó más efectivo para ambos materiales fue el proceso de molienda Bolas 2h.

Por otra parte, es necesario complementar y comparar los dos métodos utilizados para evaluar la reactividad de los materiales volcánicos con el fin de llegar a un análisis concluyente del comportamiento de ambos materiales utilizando únicamente el proceso de molienda Bolas 2h. Para esto se debe tener en cuenta que el método mecánico demostró que el MVT presentó un IaP mayor que el MVP. Sin embargo los resultados obtenidos por el método químico (Frattini) demostraron que el MVT se ubicó en la zona no reactiva (no puzolánica), mientras que el MVP se ubicó en ia zona reactiva (puzolánica). Esta diferencia entre los dos métodos de evaluación de puzolanicidad permite inferir que el MVT podría estar actuando como una adición inerte, que a pesar de no poseer actividad puzolánica y de no reaccionar químicamente con los productos de hidratación de cemento, podría estar funcionando como un catalizador del proceso de hidratación, ya que sus partículas servirían como centros de nucleación para el crecimiento de los productos de hidratación, contribuyendo así al desarrollo de las propiedades mecánicas de los materiales cementicios a los que son incorporados. Poppe & Schutter (2005) evaluó el efecto que tienen una adición inerte y demostró que las reacciones de hidratación del cemento portland fueron claramente influenciados por ia incorporación de dicha adición, basados en los resultados de calorimetría que evidenciaron aumentos en los periodos de inducción, aparición de nuevos y pronunciados picos de hidratación. Otra explicación a ia diferencia entre las resistencias mecánicas de los morteros adicionados con MVT y MVP, podría estar relacionado con las relaciones agua/cementante que fueron utilizadas, las cuales fueron seleccionadas de acuerdo a los requerimientos de agua de cada material volcánico, en el caso del MVT fue de 0,5 y para el MVP fue de 0,55. El aumento de la cantidad de agua pudo incrementar ia porosidad del material y a su vez pudo afectar el desempeño mecánico del mortero adicionado con el MVP.

Figura 8. Gráfico de interacción de efectos principales (diseño de experimentos)

3.5 Estudio calorimétrico de pastas de cemento adicionadas con 20% de los materiales volcánicos

En la Figura 9 se presentan las curvas calorimétricas de las pastas de cemento patrón y las adicionadas con MVT y MVP sometidos a los diferentes procesos de molienda. El tiempo de ensayo establecido fue de 24 horas por lo que este análisis es un indicativo de lo que ocurre en las primeras horas de reacción. La curva de calorimetría de la muestra Patrón evidencia en la primera etapa a 15 minutos, un primer pico de gran liberación de calor debido a la hidrólisis inicial y a la reacción con agua de la fase del cemento C3A a partir de la cual, se produce la precipitación de los primeros productos de hidratación (CH, Etringita-AFt y CSH). La hidrólisis continúa disminuyendo hasta evidenciarse el primer mínimo de la curva a los 30 minutos, atribuido a que los productos de hidratación forman una capa sobre los granos de cementante sin hidratar y se retarda la evolución de su hidratación en este caso por 2 horas aproximadamente (período durmiente). Al final de este período se produce la ruptura de la capa de los primeros productos de hidratación permitiendo que continúe el proceso. Al final de las 2 horas inicia la etapa de aceleración, durante la cual se registra el segundo máximo a 8 horas de reacción donde empiezan a cristalizar mas productos que llenan progresivamente los espacios entre los granos de cemento y se crean puntos de contacto que causan la rigidización de la pasta, lo cual marca el inicio del fraguado de la pasta. A partir de este periodo, las reacciones vuelven a desacelerarse produciendo el segundo mínimo y posteriormente, se vuelve a aumentar la velocidad produciendo el tercer máximo a 12 horas de reacción, donde se produce la superposición entre el periodo de formación del gel CSH y periodo de transformación de la fase AFt a AFm. Con el aumento en el tiempo hay mayor cantidad de productos de hidratación y se aumentan los puntos de contacto que finalmente restringen la movilidad de la pasta y se alcanza el fraguado final y comienza el período de endurecimiento donde la pasta empieza a ganar resistencia y las reacciones se desaceleran (ASTM C1 679).

Dado que los materiales volcánicos fueron incorporados en el mismo porcentaje de remplazo del cemento (20%), se puede comprobar el efecto de cada tipo de material sobre las reacciones de hidratación del cemento portland de referencia. Por tanto, al analizar la primera parte de la curva, donde se presenta el primer pico de liberación de calor (hidratación del C3A presente en el cemento), se observa que las muestras de MVT (independientemente del proceso de molienda) registraron una disminución en la velocidad de evolución de calor de hidratación, lo cual era de esperarse debido a la reducción de la cantidad de C3A a causa del remplazo en peso del cemento por los materiales volcánicos. Mientras que la adición del MVP generó una mayor velocidad de evolución de calor contrario a lo esperado; comportamiento que podría ser atribuido a que el MVP proviene de una región con alta circulación de fluidos hidrotermales ricos en azufre, por lo que posiblemente podría estar contaminado con algunas trazas de ácido sulfúrico que al entrar en contacto con el agua de la mezcla produce gran liberación de calor. Otra explicación a la presencia de ácido sulfúrico en el MVP podría deberse según Hossain & Lachemi (2007) a que las erupciones volcánicas incluyen además de cenizas volcánicas, vapor de agua, dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2), ácido clorhídrico (HCL), entre otros, que al disolverse con el agua forman, en el caso del HCL lluvia acida y en el caso del SO2 sería lentamente convertido en ácido sulfúrico (H2SO4). Por otra parte, en el periodo durmiente no se evidenciaron grandes alteraciones al incorporar los materiales volcánicos. Sin embargo, en la etapa de aceleración se puede observar que en las curvas del MVP, se genera un retraso en las reacciones de hidratación y en el tiempo de fraguado con respecto a la curva patrón, encontrando que el tiempo de fraguado aumentó alrededor de 2 horas para la muestra MVP Bolas 2h y alrededor de 4 horas para la muestra MVP Bolas 2h + atrición, corroborando lo observado en las secciones anteriores, que las reacciones son mas lentas al utilizar el proceso de molienda de mayor energía. En cuanto a la curva del MVT presenta un comportamiento muy similar a la muestra patrón sin registrar cambios significativos en el tiempo de fraguado. Este comportamiento se atribuye a que el MVP actúa como una puzolana, por lo que requiere de mayor tiempo para reaccionar, mientras que el MVT generó una aceleración en las reacciones de hidratación, esto demuestra que este material no es del todo un material inerte sino que en realidad también participa de las reacciones de hidratación, actuando como sitios de nucleación heterogéneos donde se promueve el desarrollo de los productos de hidratación (Poppe & De Shutter, 2005). Estos resultados corroboran lo encontrado en el índice de actividad puzolánica, ya que al promover las reacciones de hidratación, el MVT tuvo una gran influencia sobre las propiedades mecánicas de los morteros adicionados, como se demostró anteriormente.

Finalmente, en la Tabla 4 se presenta el calor total desarrollado durante las primeras 24 horas de hidratación de las muestras. Los resultados obtenidos ponen en manifiesto que al retrasarse las reacciones de hidratación por efecto del MVP se generan curvas más extensas en el tiempo de ensayo, lo que se traduce como un mayor calor total de hidratación en comparación con el MVT. Mientras que el MVT disminuyó el calor total de hidratación en un 16,31% respecto al calor total de la muestra patrón, este comportamiento podría ser útil a la hora de seleccionar un material para la elaboración de cementos de bajo calor de hidratación con buenas resistencias mecánicas (Sánchez de Rojas & Rivera, 2010). En cuanto a los procesos de molienda no se observaron cambios significativos en el calor total de hidratación reportados por ambos procesos.

Figura 9. Curvas calorimétricas de pastas de cemento adicionadas con materiales volcánicos sometidos a diferentes procesos de molienda

Tabla 4. Calor total de hidratación liberado por las pastas de cemento adicionadas con los materiales volcánicos a 24 horas de reacción

4. Conclusiones

Los resultados de esta investigación demostraron que el MVP presentó características físicas y químicas para ser considerado como una puzolana natural, ya que se ubicó en ia zona puzolánica de ia curva del ensayo Frattini y superó el iaP establecido en ia norma ASTM C311. Mientras que el MVT se comportó como una adición inerte, que a pesar de no presentar reactividad (según el ensayo de Frattini), presentó el mejor desempeño mecánico con un iaP de aproximadamente 92%, atribuyéndose este comportamiento a un efecto filler producido por un mejor acomodamiento y distribución de sus partículas en ia matriz cementicia.

Estas partículas a su vez podrían funcionar como centros de nucleación para el crecimiento de los productos de hidratación acelerando el proceso de hidratación de las pastas adicionadas con el MVT, tal como lo demostró el ensayo de calorimetría. Este último ensayo también demostró que el MVP al ser una puzolana natural tiende a retrasar el proceso de hidratación de las pastas adicionadas, evidenciándose principalmente en el tiempo de fraguado de las mismas.

En cuanto al efecto del tipo de molienda, no se observaron cambios significativos al aplicar el proceso de molienda que involucró mayor energía (Bolas 2h + atracción). Contrario a lo esperado, este proceso disminuyó el desempeño de ambos materiales volcánicos comparado con los resultados obtenidos con el proceso de molienda Bolas 2h. Este comportamiento fue atribuido a una posible aglomeración de las partículas más pequeñas sobre las de mayor tamaño, lo que posiblemente pudo enmascarar el desempeño de ambos materiales. Por esta razón, se concluyó que el proceso de molienda más adecuado para procesar ambos materiales es el de Bolas 2h, con el cual se obtuvieron los mejores resultados para ambos materiales.

5. Notas

1Ingeniera, Grupo de Materiales Compuestos (CMC), Universidad del Valle -Cali, Colombia.

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E-mail: diana.burgos@correounivalle.edu.co

Fecha de Recepción: 24/01/2014 Fecha de Aceptación: 15/04/2014