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Estudio Del Comportamiento de Muestras de Mortero Natural Sometidas a Esfuerzo de Compresion.

Performance of Natural Mortar Samples Subject to Compression Strength Tests

1. INTRODUCCION

Una de las principales preocupaciones de la humanidad en la actualidad radica en el desarrollo de aplicaciones industriales que sean amigables con el medioambiente [1], [2]. Dentro de esta problematica, la investigacion en el desarrollo de nuevos materiales ocupa un lugar preponderante [3], [4], maxime cuando se trata del analisis y desarrollo de insumos y metodos de disposicion para residuos de construccion [5], [6], o en el aprovechamiento de desechos que afectan el ambiente para potenciar las caracteristicas de los materiales de construccion [7]. A pesar de los diferentes estudios en estas areas, todavia quedan algunas cuestiones pendientes por conocer acerca de los materiales que se suelen denominar como "tradicionales", y que han sido utilizados desde tiempos inmemorables en el desarrollo de construcciones. Uno de estos elementos son los diferentes compuestos o mezclas de materiales utilizados para la union de ladrillos, bloques o piedras que se ensamblan en el levantamiento de obras civiles, y que se conocen comunmente como "morteros" [8]. Existen varios tipos de morteros reconocidos; por ejemplo, el mortero tipo portland es la "mezcla de un material aglutinante, un material de relleno fino, agua y eventualmente aditivos, que al endurecerse presenta propiedades quimicas, fisicas y mecanicas similares a las del concreto" [9]. Por otro lado, el mortero natural se define como una mezcla homogenea conformada por materiales alternativos, cementante (cal), agregado (material ceramico molido--puzolana), aditivo (yeso) y agua [10].

En este orden de ideas, puede decirse que, aunque el concreto natural utilizado para elaborar morteros naturales desde epocas de la antigua Roma renovo las tecnicas de construccion en su momento [8]; en America Latina se han presentado, historicamente, variaciones y adaptaciones propias con aglomerantes tales como la cal y el yeso [11], motivadas en gran medida por la autoconstruccion en la vivienda popular [12], y con evidencias de estudios de durabilidad de morteros sostenibles en ambientes industriales [13]. En este contexto, es pertinente hoy dia preguntarse si los materiales utilizados en su elaboracion son adecuados para el desarrollo de un mortero natural cumpliendo con la normatividad colombiana, en cuanto a sus propiedades mecanicas, para entrar dentro de la clasificacion de lo que se suele denominar como mortero. Las tecnicas de construccion con materiales naturales, usadas en los grandes imperios y dejadas a un lado por las revoluciones industriales y la modernizacion, reaparecen en el siglo XXI como una incognita de estudio y motivo de renovado interes academico [12], [14], [15]. Ademas, se encuentran diferentes iniciativas en la exploracion y enriquecimiento de los materiales utilizados para la construccion con diferentes elementos, tales como fibra de palma [10], parafina [14], o hasta los mismos residuos de construccion y demolicion desde un enfoque mas orientado a la conservacion ambiental [5], [6].

El mortero natural es un material ampliamente estudiado pero que, de cierto modo, continua siendo un enigma (debido al desconocimiento de su composicion, formulacion y resistencia); en investigaciones previas se formulan y muestran diferentes tipos de construcciones elaboradas a base de concreto tanto en Europa [15] como en America Latina [12]. En vista de lo anterior, surge un nuevo horizonte para la ingenieria civil en traslapar el conocimiento actual y las tecnicas del pasado, generando dentro de su aporte un cimiento que respalde las nuevas tecnicas y la re-creacion de materiales que puedan llegar a ser incluidos en la industria de la construccion; por tanto, para su uso y clasificacion se requiere analizar los resultados de los especimenes ensayados a compresion en el laboratorio.

Se han investigado previamente los efectos del curado en los ensayos de compresion y porosidad de morteros de concreto [30], o de cal hidraulica natural [31]. Ademas, se han estudiado las sensibilidades ante morteros con materiales en nano-fase [32], [33] y las propiedades mecanicas de morteros naturales a base de puzolana y cal [34] como el considerado en este trabajo. En este contexto, el proposito de este estudio es la comparacion de las propiedades mecanicas entre el mortero portland y el mortero natural para la construccion civil, a fin de establecer la resistencia a compresion, la cual, se define como la maxima carga alcanzada por unidad de area durante el ensayo [16]; ahora bien, el valor de resistencia garantiza el uso que se le puede dar al material alternativo, teniendo en cuenta los factores que puedan o no lograr la viabilidad en la seleccion y obtencion de cada elemento.

1 METODOLOGIA

1.1 Materiales

La mayoria de los morteros tradicionales estudiados en la literatura fueron fabricados con cal no hidraulica y su hidraulicidad se debe a la adicion de ceramica. Segun Pavia y Caro [8], la evidencia del analisis petrografico de material arqueologico sugiere que la hidraulicidad inducida por la adicion de la ceramica es parcialmente responsable de la buena calidad y el rendimiento del mortero natural; por tal razon, se utilizan la puzolana y cal viva como agregado petreo y cementante respectivamente, como sustituto en comparacion con el mortero tipo portland [9].

Las fuentes de cal varian su composicion fisicoquimica debido a su ubicacion de formacion y, por ende, no se pueden generalizar sus propiedades. Tradicionalmente, las piedras de cemento que proporcionaron la alimentacion de materia prima para la produccion de cemento, llamados magras, vinieron de diferentes formaciones geologicas de muchas regiones europeas [15]. Esta misma fuente menciona que la naturaleza de las magras determina en gran medida la calidad de una determinada variedad de cemento, produciendo diferentes propiedades y colores del material. Respecto al yeso, se considera como un material de aditivo en la mezcla del mortero, debido a su fraguado rapido al adicionar agua, el cual fue evidenciado mediante prueba piloto efectuada en Capitanejo-Santander. Y el agua como material comun entre ambas clases de mortero, asumiendo el rol de hidratante de las particulas y base para reaccion quimica.

Para la elaboracion del mortero natural, se utilizaron materiales disponibles en Colombia, y mas especificamente en el departamento de Santander. Para efectos de la experimentacion, se reemplazo el agregado petreo por agregado artificial denominado puzolana, recuperada del desecho de material ceramico de construcciones en San Jose de Cucuta --Norte de Santander; se utiliza cal viva como el cementante tomada de Malaga--Santander y el yeso como aditivo proveniente de Capitanejo--Santander.

1.2 Metodo

Inicialmente se establecen las propiedades fisicas necesarias de los materiales para la elaboracion de la mezcla, incluyendo calculos de densidad de absorcion del agregado fino [17], granulometria de los mismos [18], [19] y relacion agua--cemento [20], [21] de los cementantes.

Se prepara el mortero natural mezclando agua, cal, puzolana y yeso, en proporciones establecidas segun el diseno factorial experimental k2 [22], se mezcla el mortero mecanicamente de acuerdo con el procedimiento de mezclado establecido en la norma tecnica colombiana NTC 3546 [23] con diferentes contenidos de agua para variar la fluidez; esta ultima se determina con 25 golpes de la mesa de flujo [20], [24], se mezcla el material y se moldean los cubos de 50x50x50 mm [25], [26]. Se obtienen en total 16 muestras de mortero natural. Una vez el mortero fragua, se expone a un curado parcialmente al aire, en consecuencia y a partir de un estudio piloto establecido en la Norma Tecnica Colombiana NTC 1377 para la--elaboracion y curado de especimenes de concreto para ensayos en el laboratorio [27], se deduce que el ambiente de curado normalizado para mortero tipo portland no es recomendable para la mezcla; se ensaya y se registra la resistencia a esfuerzo a compresion, aplicando carga en las caras del especimen que estuvo en contacto con la superficie del molde [26].

Ademas, se hace necesario mencionar que en el proceso de estandarizacion de la materia prima se usaron una serie de equipos y herramientas, en este sentido, para la demanda de la granulometria se uso la siguiente serie de tamices: No 4, No 8, No 16, No 30, No 50, No 100 y No 200, todos certificados bajo la norma NTC 32--ASTM E 11/09. Para el secado de muestras y calculos de porcentajes de humedad, se usa un horno electrico digital con circulacion forzada de aire, capacidad de 200 L y referencia PG 1903; para el calculo de densidades de los agregados se implementa un picnometro con capacidad de 500 ml con referencia PG 4. Igualmente, en el registro del peso se uso una balanza electronica digital construida en acero estructural, con plataforma en acero inoxidable, con capacidad de 20 kg, referencia B20; para peso liviano se uso una balanza electronica liquidadora de la marca Trumax, con una capacidad maxima y minima de 1500 g y 2g respectivamente, con un error de medicion de 0,5g y desviacion de 0,1g; se uso un cono en material de bronce para prueba de la muestra humeda; y para el calculo de la fluidez se uso la mesa de flujo manual, con plataforma circular de 255 mm de diametro en fundicion de bronce, con referencia PC 40. Los especimenes se funden en moldes metalicos desmoldables con 50 mm de lado para cada cubo en conjuntos de tres; finalmente se sometieron a diferentes cargas de compresion usando la Maquina Multiusos automatica Digital de la empresa Pinzuar LTDA.

2 RESULTADOS Y DISCUSION

2.1 Diseno de mortero portland.

El grupo intacto o control, se diseno a partir de la metodologia sugerida en [9] para el diseno de morteros con cemento tipo Portland, para un objetivo de resistencia a la compresion de 17.2 MPa. Para la elaboracion de un metro cubico de mortero, se utiliza como agregado una cantidad de 1234 kg de arena de trituracion obtenida por medio de implosion, junto con 478 kg de cemento de uso general y 361 litros de agua potable.

2.2 Diseno de mortero natural.

De acuerdo al procedimiento de descrito en la primera parte de la seccion 2.2, se determinaron las propiedades fisicas de los agregados necesarios para la elaboracion del mortero natural, arrojando las caracteristicas descritas en la tabla 1, los valores de contenido de humedad relacionados en la tabla 2.

El diseno factorial, como estructura de investigacion, es la combinacion de dos o mas disenos simples, en el cual se manipulan dos o mas variables independientes en un mismo experimento. Para este estudio se determinaron las siguientes variables: yeso, puzolana, cal y agua, con los niveles minimo y maximo entre (0-35g), (480-550g), (80-100g) y (160190g) respectivamente. La figura 1 corresponde al resultado del diseno experimental factorial conformado por un 23.81% de agua, 11.66% de cal viva, 60.15% de puzolana, y 4,39% de yeso, en peso para producir 1 [m.sup.3], registrando que la muestra fallo sin ser sometida a esfuerzos de compresion.

2.3 Curado de mortero natural.

A partir de la investigacion tematica previa, se registro que el curado optimo para el mortero natural debe practicarse parcialmente al aire; es decir, se inicio el proceso de inmersion a los dos dias, en periodo cortos, maximo de 10 minutos, y se continuo el proceso aumentando el tiempo de inmersion durante el periodo de curado, aunque por el momento no se dispone de un protocolo o norma tecnica establecido para el desempeno de la muestra bajo inmersion total. En la figura 2 se observan algunas de las muestras de mortero natural sumergidas en su totalidad bajo periodos controlados de tiempo, en un medio de curado con agua potable.

2.4 Ensayo a esfuerzos de compresion.

El ensayo de los especimenes a compresion se efectuo por medio de una Maquina Multiusos automatica Digital--de la empresa Pinzuar LTDA; la tabla 3 presenta la variacion de la resistencia maxima para cada una de las 16 mezclas propuestas, obteniendo el valor promedio a partir de mediciones tomadas despues de 28 dias de curado de las muestras. En la figura 3, se observa la prueba de ensayo a esfuerzo de compresion, donde los resultados se registraron electronicamente en el equipo. La magnitud de la fuerza y la deformacion se registro en Kilonewton (KN), y en milimetros (mm) respectivamente, y luego se obtuvo la curva del comportamiento y su punto de rotura.

2.5 Discusion.

A partir de diferentes mezclas de agua, cal, puzolana y yeso, se prepararon alternativas viables desde el punto de vista estructural y economico para la elaboracion de mortero natural, aunque el factor mas importante para esta investigacion fue la variacion de la resistencia.

El comportamiento de la mezcla de agua y material calcareo inicialmente se presenta en un estado de fluidez seca (segun porcentaje de fluidez en [8]); sin embargo, durante el proceso de mezclado la cal tiende a liberar el agua absorbida permitiendo la hidratacion de las particulas de cal restantes que no llegaron a hidratarse, lo cual genera una pasta manejable y uniforme, a pesar de la adicion de los otros elementos (Puzolana y Yeso) que conforman el mortero natural.

La cal es un material que absorbe agua en gran medida y en condicion de inmersion tiende a desplazarse y asentarse alrededor del mortero presentando segregacion, lo cual ocasiona un deterioro total; de la misma forma, a pesar de que los morteros de cemento tradicional tienen indudables ventajas y son materiales mas compatibles para ser utilizados para el trabajo de reparacion, algunos inconvenientes siguen siendo, en su mayor parte, debidos a la alta capacidad de absorcion de agua [28]. En este sentido, puede decirse que la elaboracion de este tipo de morteros requiere de un ambiente controlado de curado.

En la totalidad de las muestras del grupo experimental, se presenta sedimentacion producida por la diferencia de tamano de particulas y el fenomeno de exudacion, generando mayor numero de vacios en la composicion del material, ocasionando bajas resistencias. Hay que mencionar, ademas, que se ha reportado en la literatura que factores como la capilaridad, la porosidad y la resistencia de los materiales de reparacion [28] pueden ser controlados por una cuidadosa manipulacion de la relacion de agua a cemento de la mezcla [29]. Los resultados obtenidos permanecen en linea con estos hallazgos, y ratifican que es deseable obtener una mezcla con mayores adiciones de cal y una relacion controlada para reducir el fenomeno de la alta capilaridad.

Se evidencia que en los grupos identificados con numeros pares (II, IV, VI, VIII, X, XII, XIV y XVI) resistencia alcanzada es de 0.00 [+ or -] 0.00 MPa. Estos grupos tienen como particularidad la presencia de yeso en diferentes cantidades dentro de su composicion. En este caso, puede decir que las muestras con yeso fallan el ensayo de compresion debido al fenomeno de disgregacion del material, generando tracciones internas que el mortero no puede resistir. Para los experimentos realizados, se considera como un agente negativo el alto porcentaje de humedad en el periodo de transporte o almacenamiento del yeso; este factor tambien influyo para que en los grupos experimentales con contenidos de dicho material se registraran nulas resistencias.

3 CONCLUSIONES

Para el mortero natural, puede decirse que, como material estructural para transmision de cargas se obtienen muy bajas resistencias, debido a causas como su distribucion granulometrica y posibles falencias en las proporciones de los materiales. Cabe anotar que el mortero portland de referencia presentaba unas caracteristicas que en algunos casos no eran comparables con las muestras de mortero natural; se recomienda ampliar el espectro de comparacion para mezclas tipo portland con diferentes relaciones de componentes. Ademas, se evidencia la necesidad de controlar la relacion entre agua y cemento, para obtener una mezcla que permita una menor relacion de vacios.

Se evidencia que todas las muestras con presencia de yeso presentaron fallas en el material previamente a su ensayo a compresion, en esta situacion, se generan tracciones internas que el mortero no puede resistir como posible causa de tal comportamiento. Se recomienda mantener estables las variables externas y ambientales, procurando evitar la alteracion de los materiales al ser extraidos u obtenidos; especialmente en el proceso de transporte y almacenamiento, pues la absorcion de altas humedades genera un efecto negativo en el mortero, como paso con el de yeso.

DOI: http://dx.doi.org/10.21501/21454086.2736

AGRADECIMIENTOS

Los autores reconocen las contribuciones del "Grupo de Investigacion en Desarrollo Tecnologico e Innovacion--GINDET, (SENA)", por el acompanamiento en la busqueda de materiales mas eficientes y naturales para la construccion civil. Agradecen Al "Semillero de Investigacion de Bioconstruccion--SIBIO, (SENA)", por el acompanamiento en la busqueda de materiales mas eficientes y naturales para la construccion civil. Se reconoce tambien el acompanamiento metodologico del proceso de la investigacion por parte "Grupo de Investigacion en Gerencia y Aplicacion de la Ciencia y la Tecnologia--GIGAT, (SENA)" y el Tecnoparque Nodo Medellin. Por ultimo, se agradece a las empresas: "PerfoIngenieria" y "PINZUAR LTDA", por el prestamo de laboratorios y equipos para los ensayos a la compresion; "Concretos y Morteros", por el prestamo de laboratorios y equipos para el analisis de las diferentes muestras; y "Concretos y Triturados Zulia--CTZ", por el prestamo de laboratorios y equipos para el analisis de las diferentes muestras.

REFERENCIAS

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Julian Alberto Patino Murillo, MsC

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA

Grupo GIGAT

Medellin, Colombia

japatino@sena.edu.co

Jorge Ivan Leal Santafe

Universidad Francisco de Paula Santander

Cucuta, Colombia

jorgelealsantafe@gmail.com

Yessenia Carolina Gutierrez Sandoval

Universidad Francisco de Paula Santander

Cucuta, Colombia

ingyeca@outlook.com

John Jairo Castro Maldonado, MsC

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA

Grupo GIGAT

Medellin, Colombia

jcastrom@sena.edu.co

Oswaldo Hurtado Figueroa

Servicio Nacional de Aprendizaje SENA

Cucuta, Colombia

ohurtado8@misena.edu.co

(Recibido el 20-03-2018, Aprobado el 12-12-2018, Publicado el 11-01-2019)

Leyenda: Fig. 1. Muestra--Grupo experimental XIV en el laboratorio de la empresa Concretos y morteros.

Leyenda: Fig. 2. Curado de grupo experimental y control en el laboratorio de la empresa de Concretos y Morteros.

Leyenda: Fig. 3. Ensayo a esfuerzo de compresion de los especimenes en la maquina multiusos
Tabla 1. Propiedades fisicas de los agregados

Laboratorio                 Unidad      Puzolana   Arena

Modulo finura                 --          2.94     2.02
Densidad aparente        g/[cm.sup.3]     2.60     2.22
Densidad aparente        g/[cm.sup.3]
(base saturada y                          2 63     2.36
superficialmente
seca)
Densidad nominal         g/[cm.sup.3]     2.67     2.56
Masa unitaria suelta     g/[cm.sup.3]     1.52     2.15
Masa unitaria compacta   g/[cm.sup.3]     1.76     2.38

Tabla 2. Contenido de humedad de los materiales

Material      Humedad (%)

Arena            0.41
Puzolana         0.87
Yeso             9.11
Cal apagada      0.99
Cal viva         0.80
Cemento          1.20

Tabla 3. Resistencia maxima a compresion de grupo

control y experimental en 28 dias de curado

Grupo                       Resistencia Maxima
                            Promedio (Mpa)

Grupo de Control            16.38   [+ o -]   0.81
D. Experimental No. I       1.31    [+ o -]   0.07
D. Experimental No. II      0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. III     1.44    [+ o -]   0.07
D. Experimental No. IV      0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. V       1.28    [+ o -]   0.07
D. Experimental No.VI       0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. VII     1.80    [+ o -]   0.08
D. Experimental No. VIII    0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. IX      0.67    [+ o -]   0.27
D. Experimental No. X       0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. XI      0.77    [+ o -]   0.05
D. Experimental No. XII     0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. XIII    0.77    [+ o -]   0.04
D. Experimental No. XIV     0.00    [+ o -]   0.00
D. Experimental No. XV      1.50    [+ o -]   0.08
D. Experimental No. XVI     0.00    [+ o -]   0.00
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Author:Patino Murillo, Julian Alberto; Leal Santafe, Jorge Ivan; Gutierrez Sandoval, Yessenia Carolina; Cas
Publication:Lampsakos
Date:Jul 1, 2018
Words:4783
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