incremento del efecto plastificante del bioproducto mef-32

TRABAJO DE DIPLOMA

Incremento del efecto plastificante del

Bioproducto MEF-32 en pastas de cemento P-35

Autor:

Julio Pastor Rodríguez León

Tutores:

Dra. Yelenys Alvarado Capó

MSc. Yaset Rodríguez Rodríguez

Santa Clara, 2014

UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE CONSTRUCCIONES ESPECIALIDAD INGENIERÍA CIVIL

Agradecimientos

El resultado de este trabajo ha sido posible gracias a las sugerencias y

conducción de un grupo de personas, los cuales tienen el merito de sentirlo

suyo al igual que yo. Ellos son: Yelenys Alvarado Capó, Yaset Rodríguez

Rodríguez, Tatiana Pichardo Moya, Yosvany Días, Josefa González Feitó

(Fefi), Evys Ancede Gallardo, Elizabeth Cabrera Apolinaire y Osvaldo Norman

Montenegro.

Dedicatoria

A mi madre.

A mi abuelo.

A mi padre.

A mi novia.

A mi familia en general por el apoyo brindado durante esta etapa de formación

como profesional como ser humano.

Resumnen

Resumen

Se determinó la influencia de las modificaciones tanto en el proceso de

obtención (incremento de MP), como el aumento del pH de los bioproductos

MEF, en el incremento de su efecto plastificante. Se realizó el análisis químico

al MEF-32, y se evidenció que este presenta características químico-física

similares a la referencia MEF-19 y a través de su espectro FTIR se encontraron

la presencia de varios grupos funcionales, reafirmando la complejidad química

de estos bioproductos. Se comprobó que tanto las modificaciones en el pH,

como el incremento en las MP en el proceso de producción de los

bioproductos, cambiaron sus propiedades químico-físicas tales como la

conductividad eléctrica (C.E), sólidos totales disueltos (T.D.S) y sólidos

solubles (S.S). Mediante el ensayo del minicono se estableció la influencia de

estas modificaciones en el bioproducto MEF sobre el índice de plasticidad y

como resultado se obtuvo que existe diferencias entre el MEF-32 y su

referencia MEF-19, pero mantienen la misma tendencia, de que a mayor dosis

empleada, mayor índice de plasticidad fue logrado. Por otro lado, el MEF-32 a

pH 7, fue el que presentó mejor IP en cuanto a las modificaciones de pH y los

MEF tipo-3 y MEF tipo-6 en cuanto a las modificaciones del proceso productivo.

También se corroboró que el ácido acético y su sal acetato de sodio a las

concentraciones y dosis ensayadas, presentan influencia sobre la plasticidad

de las pastas de cemento P-35. De igual manera, se evaluaron mezclas de

ácido láctico con ácido acético y la mezcla correspondiente a la mayor

concentración de ácido láctico y la menor de ácido acético, fue la que presento

IP. A través de la calorimetría isotérmica, se determinó como influían estas

modificaciones en la cinética de hidratación del cemento, presentando como

resultado que estas influyen sobre el calor de hidratación. Los ensayos

reológicos realizados a los productos modificados en cuanto a pH, no afectaron

la consistencia normal y los tiempos de fraguado de las pastas de cemento P-

35 determinados en el ensayo de la Aguja de Vicat.

Abstract

Abstract

The influence of variations in both the process of obtainment (increased MP), as

increasing pH of the MEF bioproducts in increasing its plasticizing effect was

determined. Chemical analysis to MEF-32 was performed, and it was evident

that this presents chemical-physical similar to the reference MEF-19 and

through its FTIR spectrum the presence of several functional groups were

found, confirming the chemical complexity of these bioproducts. It was found

that both the changes in pH, as the increase in MP in the process of production

of bioproducts, changed their chemical and physical properties such as total

soluble electrical conductivity (EC), dissolved solids (TDS) and soluble solids

(SS). By mini-slump test, the influence of these modifications was established in

bioproduct MEF on the plasticity index and as a result was obtained that there

are differences between MEF-32 and MEF-19 reference, but maintain the same

trend, which highest dose used, the greater plasticity index was achieved. On

the other hand, MEF-32 at pH 7, was the best presented as IP changes to pH

and type MEF and MEF-3 type-6 for the changes in the production process.

Also, it was confirmed that the acetic acid and sodium acetate at doses and

concentrations tested, had influence on the plasticity of P-35 cement pastes.

Similarly, mixtures of lactic acid and acetic acid corresponding to the highest

concentration of lactic acid and lower acetic acid mixture was evaluated, it was

presenting the better IP. Through isothermal calorimetry, was determined as

influenced these changes on the kinetics of cement hydration as a result

showing that these influence over the heat of hydration. Rheological tests

performed on products modified as to pH, did not affect the normal consistency

and setting times of P-35 cement pastes determined with Vicat Needle test.

Índice

Índice

Introducción ................................................................................................................................. 9

CAPÍTULO I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento ............................ 14

1.1 Aditivos. Definición ........................................................................................................ 14

1.1.1 Clasificación ............................................................................................................ 14

1.2 Tecnología de Microorganismos Eficientes (EM) ..................................................... 27

1.2.1 Surgimiento de la tecnología EM ............................................................................. 27

1.2.2 Definición de Microorganismos Efectivos ........................................................... 27

1.2.5 Proceso de obtención de los EM ......................................................................... 28

1.2.3 Caracterización biológicas del EM ....................................................................... 28

1.2.4 Caracterización química del EM ......................................................................... 28

1.2.5 Aplicaciones generales de los productos EM .................................................... 29

1.3 Caracterización de los aditivos .................................................................................... 31

1.3.1 Características físico-química............................................................................... 31

1.3.2 Caracterización estructural ................................................................................... 33

1.4 Cemento. Reacciones de hidratación del cemento .................................................. 34

1.4.1 El cemento Portland. .............................................................................................. 34

1.4.2 Composición Química del Cemento Portland .................................................... 34

1.4.3 Hidratación del cemento Portland. Etapas de hidratación ............................... 35

1.4.4 Cinética de la hidratación. ..................................................................................... 37

1.5 Calorimetría en la hidratación del Cemento Portland (CPO) .................................. 38

1.5.1 Ensayo Calorimétrico ............................................................................................. 38

1.6 Reología. Definición ...................................................................................................... 39

1.3.1 Suspensiones reológicas. Hormigones, pastas y morteros ............................. 39

1.3.2 Modelos más utilizados para describir el comportamiento reológico de

pastas morteros y hormigones ....................................................................................... 39

1.3.3 Parámetros que afectan la reología .................................................................... 40

1.3.4 Efecto de los plastificantes en la reología en pastas, morteros y hormigones

............................................................................................................................................. 40

1.3.5 Ensayos reológicos en pastas .............................................................................. 41

Conclusiones parciales ............................................................................................................ 42

Capítulo 2. Materiales y métodos empleados, para la determinación de las

propiedades reológicas de pastas de cemento P-35 .......................................................... 43

Índice

2.1 Materiales utilizados en la elaboración de las pastas de cemento Portland.

Caracterización de los materiales utilizados en la investigación .................................. 43

2.1.1 Agua ......................................................................................................................... 43

2.1.2 Cemento ................................................................................................................... 44

2.1.3 Aditivos ..................................................................................................................... 44

2.2 Caracterización de los bioproductos MEF ................................................................. 49

2.2.1. Caracterización químico –física de los bioproductos MEF ............................. 49


2.3 Determinación del efecto plastificante de los bioproductos MEF, ácidos

carboxílicos, sales, mezclas y los aditivos de referencia .............................................. 55

2.3.1 Determinación del índice de plasticidad por el método del minicono ............ 55

Procedimiento ................................................................................................................... 55

2.4 Evaluación de la influencia del bioproducto MEF en la cinética de la hidratación

de las pastas de cemento (Calorimetría isotérmica)....................................................... 62

2.5 Determinación de la consistencia y tiempo de fraguado. Ensayo de la de la

Aguja de Vicat, procedimiento ............................................................................................ 64

2.5.1.1 Ensayo de la Aguja de Vicat. Procedimiento .................................................. 65

2.5.1.5 Dosificación y series ........................................................................................... 67

Capítulo 3. Análisis y discusión de los resultados de los ensayos realizados a pastas

de cemento P-35 ...................................................................................................................... 68

3.1 Caracterización del bioproducto MEF-32 ................................................................... 68

3.1.1 Caracterización químico –física de los bioproductos MEF .............................. 68


3.2 Determinación del efecto del pH, concentración de sólidos solubles y el

contenido de ácidos carboxílicos del bioproducto MEF-32, en la plasticidad y cinética

de hidratación de pastas de cemento P-35 ...................................................................... 71

3.2.1 Efecto del pH ........................................................................................................... 73

3.2.2 Efecto de los sólidos solubles .............................................................................. 75

3.2.3 Efecto del contenido de ácidos carboxílicos (láctico y acético) ...................... 77

3.3 Cinética de hidratación del cemento (Calorimetría isotérmica) .............................. 79

3.4 Caracterización de propiedades reológicas .............................................................. 83

3.4.1 Ensayo de consistencia normal y tiempos de fraguado ................................... 83

3.5 Conclusiones parciales del capítulo ................................................................................ 84

Conclusiones Generales ......................................................................................................... 86

Recomendaciones .................................................................................................................... 87

Bibliografía ................................................................................................................................. 88

Índice

Anexos ....................................................................................................................................... 96

Anexo 1: Caracterización del cemento P-35 .................................................................... 96

Anexo 2: Características técnicas del Dynamon SRC 20. ............................................. 98

Anexo 3: Picnómetro Gay Lussac. .................................................................................... 99

Anexo 4: Accesorios y el equipo Aguja de Vicat utilizado ........................................... 100

Anexo 5: Tabla ANOVA, comparación entre MEF-19 y MEF-32. ............................... 101

Anexo 6: Tabla ANOVA, MEF-32 y sus modificaciones en el pH............................... 102

Anexo 7: Tabla ANOVA, Bioproductos y sus modificaciones en el proceso de

producción. .......................................................................................................................... 103

Introducción

Introducción

El hormigón es el material más usado por el hombre en la industria de la

construcción y es irreemplazable en múltiples progresos de la infraestructura.

Además es el material resultante de la mezcla de cemento u otro aglomerante,

con áridos (grava, gravilla y arena) y agua (Constantino, 2010). También es

considerado como una roca artificial debido a la similitud de sus propiedades

más o menos con la de una roca natural (Jonkers, 2007). Desde el punto de

vista de: recursos naturales, ecología y de la economía, es virtualmente

imposible imaginarse el substituir este material por cualquier otro (Flatt et al.,

2012), por esto en la actualidad es el más utilizado en todo el mundo (Jonkers

and Schlangen, 2009).

La popularización del hormigón fabricado con cemento Portland durante el

último cuarto del siglo XIX y su extensa difusión durante el inicio del siglo XX,

hizo que la industria química y de la construcción buscaran soluciones para

modificar las propiedades de este material, de modo que se ajustara las

necesidades de los procesos constructivos y de las edificaciones. En este

sentido, se introducen los aditivos químicos como un componente más para la

fabricación de hormigones (Hermida, 2012). Estas sustancias modifican las

propiedades del hormigón en estado fresco y/o endurecido, para el mejor

comportamiento en las condiciones particulares de servicio (NC228-1, 2005).

Dentro de los componentes del hormigón, los aditivos han ganado gran

importancia, siendo necesario su empleo en la tecnología moderna de este

material, ya sea a pie de obra como en plantas para hormigón prefabricado.

La rápida introducción de los aditivos en el mercado de la construcción motivó

la atención de muchos investigadores, registrándose los primeros eventos

técnicos, a partir de la segunda mitad de la pasada centuria como fueron: el

''Internacional Symposium on Admixtures for Mortar and Concrete", Brussels,

1967, organizado por RILEM y la primera y segunda ''Internacional Conference

on Superplasticizers in Concrete", de 1978 y 1981 organizado por ACI-

CANMET (Civil, 2014). En la actualidad se ha acumulado mucha experiencia,

tanto por parte de los fabricantes como de los usuarios, para afirmar el uso

beneficioso de los aditivos, hasta el punto que las normativas vigentes

Introducción

relacionadas con hormigón (UNE-EN, 2008) y (EHE–08, 2008) consideran el

aditivo como una materia prima fundamental para la fabricación de hormigón.

Hoy, la totalidad de hormigón fabricado, desde hormigones de elevadas

prestaciones hasta los de menor demanda resistente, incorporan en su

composición uno a más aditivos (Borralleras Mas, 2012).

La industria química no ha cesado en la investigación desde la pasada

centuria, en el desarrollo de aditivos químicos para obtener hormigones más

eficientes, de mayor desempeño y más sostenibles. En la actualidad, existe

una amplia gama de este tipo de productos, los cuales se clasifican en

dependencia de la propiedad mejorada del hormigón (Collepardi, 2005). En el

futuro inmediato, la demanda mundial de cemento y de aditivos para

hormigones se prevé un aumento, del 8.3 % anual, correspondiente a $ 15.8

billones para el 2015, una mejora significativa respecto al período 2005-2010.

El aumento en la demanda de los aditivos químicos estará dirigido por los

reductores de agua, sobre todo por los plastificantes y superplastificantes, los

que se utilizan en hormigones autocompactables y en otras aplicaciones de alta

ejecuciones (Group, 2012). Es de señalar que el mercado de estos productos

está liderado por grandes empresas como: la BASF (Alemania), SIKA (Suiza),

CHRYSO (Francia) y MAPEI (Italia) y el costo de estos aditivos en el mercado

internacional y la exigencia que existe sobre estos hoy en día, los hacen

inasequibles para muchos países en vías de desarrollo o encarecen

considerablemente los costos de producción. De ahí, la necesidad de buscar

nuevas alternativas más económicas y eficientes para el desarrollo de nuevos

productos.

Tal es el caso de la tecnología EM (del inglés: Effective Microorganism),en la

cual investigadores japoneses comienzan a utilizar los productos que se

obtienen por esta vía, como aditivos modificadores de las propiedades del

hormigón (Higa et al., 2003). En la vida actual, la utilización de productos

biológicos en la industria de la construcción ha ganado en importancia y estos

se diseñan al igual que los aditivos químicos, para mejorar una o varias

propiedades del hormigón en estado fresco o endurecido (Ismail and

Mohd.Saman, 2014, Siong Andrew et al., 2013, Martirena et al., 2014,

Ramachandran et al., 2001) . En este sentido los investigadores cubanos,

Introducción

alentados con la idea de sustituir importaciones, han obtenido importantes

resultados con los productos IH-Plus (Microorganismos Eficientes de Indio

Hatuey) y MEF (Microorganismos Eficientes del Finlay), como productos

plastificantes (Martirena et al., 2014, Venkovic et al., 2014, Mora López, 2012).

Sin embargo, estos productos presentan propiedades moderadas como

plastificantes en pastas, morteros y hormigones con cemento P-35 y se

requiere de altas dosificaciones (Martirena et al., 2014). Por lo cual, existe la

necesidad de optimizar estos productos para que compitan con los productos

comerciales que se utilizan en Cuba, para el desarrollo de hormigones de altas

prestaciones, de ahí que esta situación problemática constituye el fin de la

presente investigación.

Por tanto el problema científico es el siguiente: ¿Cómo incrementar el efecto

plastificante de los bioproductos MEF-32 en pastas de cemento P-35?

Para dar solución a este problema científico se formula la siguiente Hipótesis:

Mediante modificaciones en el proceso fermentativo de obtención del

bioproducto MEF-32 o en el producto final se podría incrementar su efecto

plastificante en pastas de cemento P-35 y cumplir con los requisitos

establecidos en las normativas para aditivos.

Objetivo General:

Incrementar el efecto plastificante del bioproducto MEF-32 en pastas de

cemento P-35.

Objetivos Específicos:

1. Revisar bibliografía actualizada de ámbito internacional y nacional del

empleo de aditivos en pastas de cemento, con especial énfasis en

los aditivos biológicos.

2. Caracterizar desde el punto de vista químico, físico y estructural el

bioproducto MEF-32.

3. Determinar el efecto del pH, la concentración de sólidos solubles y el

contenido de ácidos carboxílicos del bioproducto MEF-32 en la

plasticidad y en la cinética de hidratación del cemento P-35.

4. Caracterizar propiedades reológicas de pastas de cemento P-35

elaboradas con bioproducto MEF modificado.

Introducción

Tareas científicas:

1. Análisis crítico de la literatura en las temáticas: caracterización químico-

física de los aditivos, influencia de los aditivos en las propiedades

reológicas de las pastas de cemento, calorimetría isotérmica.

2. Caracterización químico-física a los productos utilizados como aditivos,

atendiendo a parámetros como: densidad picnométrica, pH,

conductividad eléctrica, contenido de sólidos totales, sólidos totales

disueltos y sólidos solubles.

3. Realización de ensayos reológicos en pastas de cemento P-35 utilizando

los bioproductos MEF-32 modificados, ácidos carboxílicos, sus mezclas

y el Acetato de Sodio.

4. Ejecución del ensayo calorimetría isotérmica, para evaluar la influencia

de los bioproductos MEF-32 modificados en la cinética de la hidratación

del cemento P-35.

Estructura de los capítulos

Capítulo 1 Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento:

Se seleccionan y recopilan una serie de informaciones que permiten

caracterizar esta investigación a través de trabajos científicos a nivel

internacional y nacional acerca del empleo de aditivos en pastas de cemento.

Capítulo 2 Materiales y métodos empleados, para la determinación de las

propiedades reológicas de pastas de cemento P-35:

En este capítulo se modifica las propiedades del aditivo MEF-32, ya sea en el

proceso de producción intermedio o final para evaluar su influencia en el (I.P)

en las pastas de cemento P-35. Se describen las principales características de

los materiales utilizados en la investigación, así como los procedimientos a

seguir en los ensayos a las pastas de cemento P-35.

Capítulo 3. Análisis y discusión de los resultados de los ensayos realizados a

pastas de cemento P-35:

En ese capítulo se presentan los resultados obtenidos en los ensayos

realizados en pastas de cemento P-35, relacionado con el efecto sobre el (I.P)

Introducción

provocado por la modificación del proceso de producción intermedio o final del

MEF como aditivo plastificante.

Metodología de la investigación

Para cumplir con los objetivos trazados se llevaron a cabo las siguientes

etapas:

Etapa I: Diseño Metodológico de la investigación.

Revisión bibliográfica.

Definición del problema científico, la hipótesis, objetivo general

y los objetivos específicos.

Compendio de literatura científica sobre el tema de

investigación.

Análisis crítico de aspectos relacionados con la temática de

investigación en la literatura científica.

Etapa II: Materiales y experimentación empleados.

Etapa III: Análisis y discusión de los resultados.

Etapa IV: Confección y defensa del informe final.

Capítulo I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento

14

CAPÍTULO I. Comportamiento de los aditivos en pastas de cemento

1.1 Aditivos. Definición

Según Hermida (Hermida, 2012), un aditivo es una sustancia diferente al

cemento, adiciones minerales, agregados y fibras, que se incluye en el

hormigón en un volumen inferior al 5% del peso del cementante.

El American Concrete Institute (ACI) en su boletín publicado en el 2013 (E-701,

2013), define a los aditivos como: material usado como ingrediente en una

mezcla de hormigón, distinto del agua, agregados, materiales cementicios y

fibras de refuerzo. Es usado para modificar las propiedades del hormigón en

estado fresco y endurecido. Se puede añadir antes o durante el proceso de

mezclado (Esta definición es también conocida como aditivos químicos).

La norma cubana NC 228-1: 2005 (NC228-1, 2005). Aditivos para hormigones,

morteros y pastas, Parte 1: Aditivos para hormigón-Requisitos, define a los

aditivos como sustancias químicas que añadidas al hormigón, mortero o pasta,

antes o durante el amasado, en una proporción menor del 5% del peso del

cemento, modifica las propiedades del hormigón en estado fresco y/o

endurecido para el mejor comportamiento en las condiciones particulares de

servicio.

Al comparar las definiciones descritas anteriormente, se observa que la norma

cubana concuerda con los estándares internacionales.

1.1.1 Clasificación

Existen numerosas clasificaciones de aditivos, sin embargo una de las más

usadas corresponde a la norma ASTM C 494: 1992 (ASTM-C-494, 1992). Esta

norma cuya primera versión, se remonta a 1962 establece hoy en día, los

siguientes tipos de aditivos:

Tipo A - Reductores de agua (Plastificantes).

Tipo B - Retardantes.

Tipo C - Acelerantes.

Tipo D - Reductores de agua y retardantes.


15

Tipo E - Reductores de agua y acelerantes.

Tipo F - Reductores de agua de alto rango o superfluidificantes.

Tipo G - Reductores de agua de alto rango y retardantes o superfluidificantes y

retardantes.

La ASTM C 494: 1992 (ASTM-C-494, 1992) (Standard Specification for

Chemicals Admixtures for Concrete) expone solo una de muchas

clasificaciones, como puede ser la expuesta en la norma EN: 2008 (EN, 2008)

que tiene una clasificación de aditivos similar, pero más amplia.

Otro tipo de clasificación es la que propone Betancourt Rodríguez en el año

2009 (Betancourt Rodríguez, 2009a), donde los aditivos químicos son

agrupados en función de su efecto de la manera siguiente:

Los que influyen sobre la consistencia de la mezcla:

Plastificantes (fluidificantes o reductores de agua).

Superplastificantes (superfluidificantes o reductores de agua de alto

rango).

Los que influyen sobre el fraguado de la mezcla:

Aceleradores del fraguado.

Retardadores del fraguado.

Otros:

Incorporadores de aire (oclusores de aire).

Impermeabilizantes en masa.

Inhibidores de la corrosión.

Cohesionantes.

Expansivos.

Espumantes.

De manera general se puede concluir que los aditivos se clasifican en

dependencia de la propiedad mejorada del hormigón (Collepardi, 2005).


16

Hoy el aumento en la demanda de los aditivos químicos estará dirigido por los

reductores de agua, sobre todo por los plastificantes y superplastificantes, los

que se utilizan en hormigones autocompactables (HAC) y en otras aplicaciones

de alta ejecuciones (Group, 2012). Este grupo constituye unos de los de mayor

impacto tanto por su progreso como en su aplicación, debido a las ventajas que

ofrece en la elaboración y puesta en obra del hormigón.

Por lo antes expuesto, en este trabajo de diploma se centra en el estudio de los

aditivos plastificantes y superplastificantes.

1.1.1.1 Aditivos plastificantes (fluidificantes o reductores de agua).

Definición.

Los plastificantes han sido con cierta frecuencia subestimados pero son en

realidad sustancias cuya altísima eficiencia, les permite perdurar en la

producción actual de hormigón. Se basan en compuestos orgánicos y logran

optimizar los diseños de hormigón, al disminuir las necesidades de agua y

cemento para alcanzar las propiedades exigidas por la construcción (Hermida,

2012).

También se conocen como Dispersantes o Fluidificantes y son sustancias

orgánicas simples que contienen diversos grupos polares, que impiden la

formación de floculaciones en las mezclas de cemento durante la hidratación y

ocasionan la fragmentación de los granos de cemento (Mithra et al., 2012,

ENCICLOPEDIA).


morteros y pastas, Parte 1: Aditivos para hormigón-Requisitos, los define de la

siguiente forma: los aditivos plastificantes/reductores de agua, son aditivos que

por acciones internas permiten sin modificar la consistencia, reducir el

contenido de agua de un determinado hormigón, o que, sin modificar el

contenido de agua, incrementan el asentamiento, o que producen ambos

efectos simultáneamente. Esta definición está en correspondencia con otras

clasificaciones internacionales ASTM C 494: 1992, EN: 2008 (ASTM-C-494,

1992, EN, 2008).


17

Dentro de la definición de un plastificante, las normativas analizadas exigen

que la sustancia debe reducir por lo menos un 5% de agua, frente a un

hormigón sin aditivo para lograr igual manejabilidad y al mismo tiempo debe

superar en por lo menos un 10%, la resistencia alcanzada por el hormigón o

mortero que no incluye el aditivo ASTM C 494: 1992, EN: 2008 (ASTM-C-494,

1992, EN, 2008).

1.1.1.1.1 Composición

Los plastificantes están constituidos en general por compuestos orgánicos

como carbohidratos, aminas en cierta medida y otros compuestos para regular

su estabilidad (Hermida, 2012).

1.1.1.1.2 Efecto

El efecto directo de un plastificante sobre la pasta de cemento es disminuir la

viscosidad de la misma. Un plastificante hace que la pasta de cemento se

vuelva más “líquida”, fluya más rápido. Lo logra recubriendo las partículas de

cemento y provocando una repulsión entre estas. Cuando las partículas se

repelen entre sí, existe menos resistencia al flujo del conjunto (menos fricción),

tiene lugar además una eliminación de micro flóculos, lo que permite la

liberación y mejor distribución del agua (Collepardi, 2005).

De esta forma la pasta de cemento fluye más y por ende el hormigón también

lo hace. Una mayor fluidez del hormigón permite entonces disminuir la cantidad

de agua del mismo, modificando por lo tanto las propiedades de la pasta (o

pegante), que con menos agua aumentará su resistencia en estado

endurecido.

Si en vez de eliminar agua se elimina simultáneamente agua y cemento (pasta)

conservando la misma calidad de pasta (misma proporción de agua y

cemento), se puede mantener la resistencia y fluidez con un menor contenido

de agua y cemento. El costo de un plastificante es en general más bajo que el

de agua y cemento que permite ahorrar, es allí donde se logra un hormigón

optimizado.

Los plastificantes deberían ser llamados reductores de pasta en vez de

reductores de agua. Ellos permiten mantener una resistencia y una


18

manejabilidad dadas del hormigón, con un menor contenido de cemento y

agua.

Estos aditivos permiten, para una misma docilidad, una reducción de la

cantidad de agua o, para una misma cantidad de agua aumentar

considerablemente la docilidad o, incluso permiten obtener estos dos efectos

simultáneamente. Este aumento de docilidad permite la colocación del

hormigón en estructuras complicadas, con gran cantidad de aceros sin

necesidad de aumentar la cantidad de agua de amasado, y por consiguiente la

dosis de cemento para obtener las resistencias deseadas (Minetti, 2008).

Si se disminuye la cantidad de agua y por tanto la relación agua-cemento,

manteniendo una determinada consistencia, aumenta la resistencia,

impermeabilidad y durabilidad del hormigón. Además la retracción y en

consecuencia, la tendencia a la fisuración se ven disminuidas (Minetti, 2008).

Estos aditivos pueden reducir hasta el (10-15%) del agua de amasado,

manteniendo la consistencia constante. Adición normalmente entre (0,2-5,0%)

en peso del cemento (Gómez Margolles, 2010).

La acción de los aditivos plastificantes puede ser causada por el efecto

combinado de acciones de tipo físico, químico y físico-químico. La acción física

se logra esencialmente por la incorporación del aire en la mezcla. Efecto este,

producido por algunos aditivos, cuyas burbujas actúan como especies de

rodamientos entre las partículas sólidas, disminuyendo la fricción interna. En el

caso de la acción química, principalmente proviene de una disminución de la

velocidad de hidratación de los constituyentes del cemento, especialmente de

los aluminatos. Obteniéndose de este modo un mejor mojado de los granos de

cemento, lo que permite disminuir el roce interno entre las partículas (Straße,

2008, Hermida, 2012).

A continuación se describen algunos de estos efectos:

Defloculación

La ionización de los filamentos del aditivo produce la separación de los granos

de cemento entre sí, conduciendo a una efectiva defloculación. Esta

desintegración en partículas primarias, permite que el agua atrapada quede en


19

libertad. De esta manera los granos de cemento quedan individualizados y

defloculados, facilitándose aún más el mojado (Figura 1.1.1.1.2), lo que

produce una hidratación y reducción del esfuerzo de cizalle, necesario para

poner en movimiento el hormigón fresco, lo que explica su efecto como

plastificante (Straße, 2008, Dransfield, 2013).

Figura 1.1.1.1.2: Efecto de defloculación en la matriz de cemento (Straße, 2008, Dransfield, 2013).

Lubricación

Las moléculas del aditivo son absorbidas y se orientan en la superficie de los

granos de cemento en un espesor de varias moléculas creándose una capa de

moléculas sobre las partículas, resultando una mayor lubricación (Straße, 2008,

Dransfield, 2013).

Este mecanismo puede producir incorporación de aire en forma de

microburbujas esféricas, al evitar que el aire atrapado se disuelva o salga a la

superficie. Este efecto incorpora aire, pero no siempre se ve expresado en un

mayor volumen de aire, pues se supone que el aditivo convierte el aire

atrapado en microburbujas que quedan retenidas en su masa. Actuando como

rodamiento entre las partículas sólidas (Figura 1.1.1.1.3), contribuyendo al

aumento de la docilidad del hormigón (Straße, 2008).

Figura 1.1.1.1.3: Lubricación de las partículas de cemento (Straße, 2008)

Disolución

La disolución es la interacción de partículas esféricas de cemento con el agua

(Straße, 2008) (Figura 1.1.1.1.4).


20

Figura 1.1.1.1.4: Efecto de disolución de los granos de cemento (Straße, 2008).

Efecto electrostático

Los granos de cemento absorben los aditivos plastificantes y

superplastificantes, neutralizando la carga eléctrica molecular. Provocando la

dispersión de las partículas y logrando que se hidraten mejor (Figura 1.1.1.1.5),

lo que mejora la laborabilidad de la mezcla y además se incrementan las

resistencias mecánicas (Straße, 2008, Hermida, 2012).

Figura 1.1.1.1.5: Repulsión de las partículas de cemento por efecto electrostático

(Straße, 2008).

1.1.1.1.3 Principales aplicaciones y funciones

Los plastificantes se usan principalmente en aplicaciones donde no es

deseable alterar los tiempos de fraguado. Sin embargo, hoy en día la mayor

parte de los plastificantes tienen un efecto de retardo que le permite al

hormigón ser transportado. Los plastificantes puros (Tipo A) son usados de

forma limitada en el mercado (Hermida, 2012).

Los plastificantes-retardantes (Tipo D) son los más usados en la fabricación de

hormigón premezclado puesto que aprovechan las ventajas de reducción de

cemento y agua y al mismo tiempo, tienen un efecto sobre los tiempos de

fraguado que facilita su transporte sobre todo en climas cálidos (Hermida,

2012).


21

La temperatura es en general un catalizador de las reacciones químicas y la

hidratación del cemento no es una excepción. El uso de plastificantes-

retardantes es prácticamente indispensable en el transporte, colocación y

terminado de hormigón en climas de alta temperatura, puesto que le permite al

material no fraguar antes de haber sido consolidado (Hermida, 2012).

Los aditivos plastificantes tienen como principal función mejorar algunas de las

propiedades del hormigón en estado fresco, endurecido y en el proceso de

fraguado tales como: incrementar la laborabilidad, modificar la consistencia,

lograr mayores resistencias a edades tempranas y finales, así como un mayor

rendimiento del cemento. Cuidando no afectar la resistencia mecánica y

manteniendo la consistencia en valores razonables, es posible reducir el

consumo de cemento. Aunque esta reducción depende mucho del contenido

total de finos en la mezcla (finos aportados por los áridos) (Minetti, 2008).

1.1.1.2 Aditivos superplastificantes (superfluidificantes o reductores de

agua de alto rango). Definición

Los aditivos superplastificantes se conocen en el mercado como reductores de

agua de alto rango o fluidificantes, suelen emplearse en dosis desde (0.8- 3%),

y se pueden agregar al final de la amasada y sin diluir previamente en el agua.

Los superplastificantes son mucho más importantes que cualquier otro aditivo

químico, ya que con ellos se obtienen un mayor número de mejoras en el

desarrollo del hormigón como son: el aumento de la fuerza y durabilidad,

debido a la reducción de la porosidad capilar y permeabilidad, ambos

relacionados con una inferior relación agua/cemento (a/c) (Leemann et al.,

2011) . También con ellos, se puede reducir el calor de hidratación, que es una

propiedad útil para hormigonado en climas cálidos ó estructuras masivas

(Collepardi, 2005).

Probablemente la evolución tecnológica más radical entre los aditivos para

hormigón ha tenido lugar en los superplastificantes durante las últimas dos

décadas. Estos aditivos como su nombre lo describe, cumplen una función

similar a los plastificantes, es decir aumentan la manejabilidad de las pastas de

cemento y por lo tanto la manejabilidad del hormigón. Este incremento en la

manejabilidad hace posible disminuir el contenido de agua y de cemento (son


22

ahorradores de pasta) manteniendo la fluidez del material y su resistencia. Los

superplastificantes se emplean una vez que la capacidad de los plastificantes

ha llegado a su máximo. Son especialmente eficientes en hormigón con altos

asentamientos u hormigón de altas resistencias que implican en ambos casos,

contenidos elevados de pasta (Hermida, 2012). Además, marcan un salto

significativo en la evolución de los reductores de agua, donde es más

acentuado la absorción y capacidad de dispersión del cemento. Pueden

convertir un hormigón normal en un hormigón fluido, que no requiera de

vibración, inclusive en sitios de difícil acceso para el hormigón.

Los diseños de aditivos superplastificantes permiten lograr reducciones del

agua de amasado mayores del 30% E 701: 2013 (E-701, 2013), logran

mantenimientos muy prolongados de la consistencia de la mezcla, ideal para el

hormigón premezclado (Hermida, 2012).


morteros y pastas, Parte 1: Aditivos para hormigón-Requisitos. Define a los

Aditivos superplastificantes/reductores de agua de alto rango como: aditivos

que, sin modificar la consistencia permiten altas reducciones de agua de un

determinado hormigón, o que, sin modificar el contenido de agua, aumentan

considerablemente el asentamiento, o que producen ambos efectos

simultáneamente.

1.1.1.2.1 Composición

Los superplastificantes en su origen fueron compuestos de Naftaleno

sulfonado, melaminas y vinilos (Hermida, 2012).

Los aditivos superplastificantes de nueva generación se desarrollaron en Japón

durante los inicios de la década de los 90 del siglo pasado. Estos se sintetizan

a partir de la polimerización de ácido acrílico, con cadenas laterales de

condensados de óxido de etileno, para formar los éter de policarboxílico,

también denominados policarboxilatos (PCE). Sus estructuras moleculares sin

duda son mucho más complejas que la de sus predecesores, pero sus

eficiencias son muy superiores si se considera que su dosificación se divide

entre 2 a 3 veces la de los superplastificantes tradicionales.


23

Además, estos experimentan un crecimiento importante en su utilización, no

solo por su superior capacidad reductora de agua, sino porque en la síntesis

para su obtención, pueden modificarse secuencias que permiten modular

propiedades como son la dispersión ejercida sobre las partículas, la duración

del asentamiento y el fraguado (Ghorab et al., 2012).

Los modelos moleculares de los policarboxilatos-éter se parecen a una

“peinilla” vistos en corte. O tridimensionalmente se asemejan a una oruga o

gusano de agujas. Estas moléculas están constituidas por una columna

vertebral con cadenas laterales. La columna vertebral es la que se absorbe

sobre la superficie del cemento en una carrera contra sulfatos y otros iones.

Las cadenas laterales no son absorbidas y son las responsables principales de

la dispersión de las partículas de cemento. La química de la columna vertebral

(número y tipos de grupos aniónicos, longitud de la cadena) así como las

cadenas laterales (longitud, tipo, número) pueden variar en una serie de

combinaciones enormes que confieren a la sustancia un poder plastificante

mayor o menor, o un sostenimiento de la manejabilidad mayor o menor, eso

corresponde justamente al trabajo de los químicos en acomodar la geometría

de las moléculas de acuerdo a las necesidades de la construcción. El

desempeño de un polímero como dispersante del cemento, depende de los

parámetros que controlan la absorción, de la cantidad de moléculas

absorbidas, del espesor de la capa del polímero y del grado de cobertura de la

superficie (Hermida, 2012).

1.1.1.2.1.1 Tipos de superplastificantes

1.1.1.2.1.1.1 Lignosulfonatos modificados (LM)

Máxima reducción de agua del 15%. Presentan una tendencia a producir

retrasos en el fraguado del hormigón cuando se utilizan altas dosificaciones

(Abreu Rodríguez, 2011).

1.1.1.2.1.1.2 Naftaleno formaldehido sulfonato (NFS).

Máxima reducción de agua del 25%. Le confieren una buena manejabilidad al

hormigón y las resistencias a los 28 días suelen mejorar considerablemente.


24

Tienen como efecto negativo que pueden ocluir aire, aunque en cantidades no

demasiado elevadas (Abreu Rodríguez, 2011, Renné, 2012).

1.1.1.2.1.1.3 Melamina formaldehido sulfonato (MFS)

Máxima reducción de agua del 25%. Las resistencias a edades tempranas son

más elevadas. Son muy adecuados para la fabricación de elementos

arquitectónicos con cemento blanco porque el polímero es incoloro. Puede

ocurrir que a bajas relaciones a/c, se pueda producir flujo viscoso. Como efecto

negativo principal es la pérdida de trabajabilidad del hormigón demasiado

rápida (Renné, 2012).

1.1.1.2.1.1.4 Poliestercarboxilatos (PCE)

Las reducciones máximas de agua antes de llegar a su punto de saturación en

algunos casos llegan al 40% del agua de amasado y el sostenimiento de la

manejabilidad resulta muy superior que naftalenos o melaminas (Hermida,

2012) (Figura 1.1.1.2.1.1.4).

Figura 1.1.1.2.1.1.4: Estructura de Polímero PCE

1.1.1.2.2 Mecanismo de acción

Las moléculas orgánicas e inorgánicas de los aditivos superplastificantes tipo

LM, MSF y NFS, basan su funcionamiento de dispersión en los siguientes

mecanismos:

Repulsión electrostática inducida entre las partículas.

Lubricación de la película existente entre las partículas de cemento.

Dispersión de las partículas de cemento, liberando el agua atrapada

entre los flóculos de cemento.


25

Inhibición de la hidratación del cemento en superficie, dejando más agua

para plastificar la mezcla.

Cambio en la morfología de los productos de hidratación.

Inducción de impedancia estérica previniendo el contacto entre

partículas

A diferencia de los superplastificantes descritos anteriormente, los PCE una

vez absorbidos inducen fuerzas de repulsión entre las partículas de cemento ya

sea electrostáticas o de origen estérico. Los PCE se basan principalmente en la

estabilización o repulsión estérica del sistema más que en un principio eléctrico

(Hermida, 2012).

La magnitud de la fuerza de repulsión depende de:

1. Cantidad de polímero absorbido

2. Espesor de la capa del polímero

3. Grado de cubrimiento de la partícula

En la Figura 1.1.1.2.2 se observa cómo es que se adsorben estos tipos de

superplastificantes en las partículas de cemento.

Figura 1.1.1.2.2: Absorción de los PCE en las partículas de cemento.

1.1.1.2.3 Principales aplicaciones y funciones

Según la NC 120:2007 (NC120, 2007) Hormigón Hidráulico-Especificaciones,

los hormigones con consistencia fluida o muy fluida, deberán ser elaborados

con aditivos reductores de agua de alto rango (superplastificantes).

Los hormigones fluidos, facilitan la aplicación en elementos de difícil acceso y

de formas complejas, son requeridos para ser bombeados y utilizados cuando


26

existe una gran cantidad de armadura. Sin embargo en algunos casos teniendo

en cuenta la capacidad de los aditivos y el grado de densidad de los aceros, la

compactación del hormigón es imprescindible.

Los hormigones fluidos obtenidos con aditivos de última generación, pueden

ser colocados con gran facilidad, pues son prácticamente autonivelantes y por

lo tanto se reduce el trabajo de colocación y se elimina la necesidad de vibrar

salvo en zonas densamente armadas. Esto se traduce en un enorme aumento

de la trabajabilidad del hormigón, sin modificar la cantidad de agua. El

resultado es un hormigón muy fluido (autonivelante), de baja tendencia a la

segregación.

1.1.1.3 Aditivos biológicos

Hoy en día muchas investigaciones están encaminadas a la búsqueda de

aditivos para la industria de la construcción, pero con énfasis en los de carácter

biológico, ya que la gran mayoría de los aditivos comercializados en el mundo

son sustancias químicas, obtenidas de forma sintética y son derivados de

industrias contaminantes como la del petróleo. Si se pretende alcanzar la

sustentabilidad, esta industria debe cambiar el uso de recursos naturales no

renovables, por recursos renovables y biodegradables. Por otro lado existen

experiencias de usos de este acercamiento en varias áreas de la industria y de

la ingeniería (Martirena et al., 2014, Pacheco-Torgal and Labrincha, 2013).

El uso de microorganismos en la industria de la construcción en la actualidad,

no se ha centrado en una sola línea, a continuación se muestran algunos

ejemplos:

(Ramachandran et al., 2001), utilizaron microorganismos del tipo Bacillus

pasteurii en morteros de cemento Portland, para mejorar la resistencia a la

compresión. También (Glosh and Mandal, 2006) desarrollaron biohormigón con

bacterias anaeróbicas y cultivos enriquecidos con microorganismos. En los

estudios realizados por (Jonkers, 2007, Jonkers et al., 2010), ha empleado

bacterias del género Bacillus como selladores de grietas en los hormigones.

También se han utilizados culturas mixtas de microorganismos como los

productos que se obtienen a través de la tecnología EM, como modificadores


27

de algunas propiedades del hormigón en estado fresco y endurecido (Higa et

al., 2003, Siong Andrew et al., 2013, Ismail and Mohd.Saman, 2014, Martirena

et al., 2014).

Esta investigación se centra en el estudio de los productos obtenidos por la

tecnología EM en el Instituto Finlay (MEF), como plastificantes en pastas de

cemento portland. Caracterizar parcialmente este tipo de productos ayudará a

explicar sus mecanismos de acción y en gran medida al proceso de

optimización para obtener un aditivo MEF, con buenas propiedades como

plastificante.

1.2 Tecnología de Microorganismos Eficientes (EM)

1.2.1 Surgimiento de la tecnología EM

La denominación de la tecnología proviene del inglés: Effective Microorganisms

(EM), que en español se le reconoce como microorganismos efectivos (EM) o

eficientes, también se les denomina en la bibliografía como Microorganismos

Benéficos (MB). Surge en los primeros años de la década del ochenta por el

Dr. Teruo Higa, profesor de la Facultad de Agronomía de la Universidad de

Ryukyus en Japón. Esta tecnología nace como respuesta a la necesidad de

sustituir el uso intensivo de fertilizantes químicos y pesticidas en la agricultura,

para preservar la salud de los humanos (Higa and Parr, 1994, Yatim et al.,

2009).

1.2.2 Definición de Microorganismos Efectivos

El concepto de Microorganismos Eficientes, es basado en la coexistencia y

coprosperidad de varios microorganismos con una capacidad asombrosa de

reavivar, restaurar y conservar el medio en que se encuentren, son

cuidadosamente seleccionados en su medio natural y multiplicados con

diversos procedimientos.

También se han descrito como la coexistencia de un cultivo mixto de

microorganismos beneficiosos anaerobios y aeróbicos, que contienen

predominantemente, poblaciones de lactobacillus, levaduras, bacterias

fotosintéticas, actinomicetos y otros organismos (Higa and Parr, 1994).


28

1.2.5 Proceso de obtención de los EM

Los productos EM, se obtienen por fermentación microbiana en condiciones de

anaerobiosis (ausencia de oxígeno) (Higa et al., 2003). Las materias primas

empleadas en esta tecnología abarcan: hojarasca, una fuente de almidón

(subproductos de fuentes de cereales tales como arroz o trigo), una fuente de

lactobacillus (suero de leche, yogur o leche fresca sin pasteurizar) y una fuente

de azúcares (miel de caña). En una primera etapa se prepara un sustrato sólido

y se deja fermentar en un tanque hermético durante 25 días. Posteriormente, el

resultado de este proceso se utiliza como inóculo para obtener un fermentado

líquido de microorganismos benéficos.

De forma general se puede catalogar como un líquido concentrado de olor

agridulce con un pH acido que puede oscilar entre 3,2 y 5 que puede usarse

puro o diluido.

1.2.3 Caracterización biológicas del EM

Originalmente Teruo Higa declaró que los componentes podrían llegar a ser 83

especies diferentes de microorganismos para formular el EM. Pero con los

posteriores estudios, llegó a la conclusión de que esencialmente solo habían 15

o menos clases de microorganismos primarios. Sin embargo, las tres grupos

generales de microorganismos presentes en la tecnología son; poblaciones de

lactobacillus, levaduras y bacterias fotosintéticas (Yatim et al., 2009).

1.2.4 Caracterización química del EM

En cuanto a la caracterización química de los productos EM, no suele

encontrase mucha información hasta el momento. En este sentido, (Martirena

et al., 2014) caracterizaron los productos obtenidos en el Instituto Finlay (MEF),

como si fuera un plastificante químico, teniendo en cuenta los requisitos de la

norma NC 228-1: 2005 (NC228-1, 2005) y un estudio de la composición

química elemental por Espectrofotometría de Absorción Atómica. Como

resultado principal obtenido en este trabajo se puede señalar el bajo contenido

de sólidos totales, alta acidez y densidad similar al agua (ver tabla 1.1). La

composición química muestra una gran variedad de componentes metálicos

(ver tabla 1.2), lo que evidencia la complejidad química de estos productos.


29

Tabla 1.1: Valores de la densidad picnométrica, de sólidos totales y del pH de MEF.

Tabla 1.2: Composición elemental del MEF

Elementos (mg/L) MEF

Na+ 56,40

K+ 2890,13

Fe total 45,44

Mn2+ 6.97

Mg2+ 107.11

Cu2+ 1.13

Ni2+ 0.79

Co2+ 0.54

Zn2+ 1.80

Ca2+ 45.12

N total 57.40

P total 6.09

1.2.5 Aplicaciones generales de los productos EM

Al principio, el EM se consideró como una alternativa al uso de químicos

agrícolas, pero desde entonces ha evolucionado y se ha extendido su uso a la

ganadería, para solucionar problemas medioambientales, en procesos

industriales, y en la promoción de la salud natural en los seres humanos. Debe

ser enfatizado, sin embargo, que estos productos no son un químico sintético,

Características Químico -Físicas MEF

Densidad (picnométrica) g/ml 1,01

% de los sólidos totales (TS) 2,32

pH 3,40


30

ni un medicamento, sino tal vez una de las herramientas naturales más

positivas que se ha descubierto. Ha sido introducido cuidadosamente en

nuestra biosfera común a lo largo de los últimos veinte años, y tiene un historial

de resultados nada más que favorables para todas las formas de vida en la

Tierra (2014). A continuación se citan algunas de sus principales aplicaciones:

La tecnología EM, han tenido una marcada aplicación en la agricultura donde

se encuentran una gran variedad de productos con disímiles funciones tales

como: fijación del nitrógeno atmosférico, descomposición de basuras orgánicas

y de residuos, reciclaje y disponibilidad creciente de los alimentos de planta,

degradación de tóxicos incluyendo los pesticidas, solubilidad de fuentes

nutrientes insolubles entre otros (Higa and Parr, 1994).

El uso de los (EM) para reducir volúmenes de lodo de aguas residuales se ha

sugerido a menudo como factible en plantas de tratamiento de aguas

residuales o sistemas de tratamiento de aguas residuales en sitio tales como

tanques sépticos (Szymanski and Patterson, 2003).

Se puede utilizar el EM en la vida diaria de muchas maneras: para limpiar

cocinas y baños con EM, hacer compost (materia orgánica en descomposición,

que se destina al abono de las tierras) de los residuos orgánicos de las

cocinas, se emplea para mantener el jardín en condiciones sanas y naturales,

se puede utilizar para lavar la ropa, mejora la calidad de nuestra agua potable y

la salud de nuestros animales (2014).

En la búsqueda de soluciones al deterioro de las estructuras de hormigón en

Japón (Higa et al., 2003) llevaron a cabo una investigación y se desarrolló un

hormigón con microorganismos eficientes. Estos autores encontraron que la

trabajabilidad del hormigón fresco mejoró y la resistencia inicial incrementó,

entre otras propiedades que se mejoraron.

(Yatim et al., 2009) determinó que los productos EM contribuyen en una

actividad superficial de gran alcance. Agregando el EM en la mezcla de

hormigón fresca, la resistencia a la compresión aumentó después de 3 y 7 días

en (30 - 50%), con respecto a los hormigones ordinarios. También, el uso de


31

estos productos, redujo el efecto de la carbonatación en el hormigón y formó un

ambiente neutral dentro de este.

En las otras investigaciones realizadas (Higa et al., 2003, Siong Andrew et al.,

2013, Ismail and Mohd.Saman, 2014, Venkovic et al., 2014, Martirena et al.,

2014), han utilizado productos que se obtienen por esta tecnología, como

modificadores de algunas propiedades del hormigón en estado fresco y

endurecido.

1.1.5.6 Antecedentes del uso de EM en Cuba

La tecnología EM se introducido de forma experimental en algunas

instituciones como es el caso de la estación experimental “Indio Hatuey” y el

instituto Carlos J. Finlay en Cuba, que desde el año 2008 hasta la fecha han

encontrado su utilización en la agricultura y en la purificación de las aguas

residuales así como en otras aplicaciones. En el año 2008 un equipo de

investigadores de CIDEM de conjunto con las anteriores instituciones

comenzaron la investigación del producto como bioplastificante para

hormigones, y los resultados preliminares de las investigaciones son realmente

alentadores para la industria del cemento (Abreu Rodríguez, 2011, Mora López,

2012, Cabrera Pérez, 2013, Peña León, 2013, Brizuela, 2013), siendo

corroborado por otros investigadores han demostrado que productos similares

al EM tienen propiedades plastificantes (Martirena et al., 2014)

En la investigación realizada por (Venkovic et al., 2014), determinaron que la

adición de este bioplastificante, mejora la fuerza de hidratos del silicato del

calcio (C-S-H) realzando la cohesión y la fricción de nano-granos sólidos, y

disminuye el índice absoluto de la relajación a largo plazo. El análisis

estadístico de los resultados de la muesca, también sugiere que este producto

inhibe la precipitación de C-S-H de una densidad más alta.

1.3 Caracterización de los aditivos

1.3.1 Características físico-química

Las propiedades físico-químicas de un aditivo nos dan información acerca de

su naturaleza química. La mayoría de estas propiedades suelen ser fáciles de


32

determinar, como el color, contenido en sólidos, pH, peso específico, tensión

superficial, viscosidad y conductividad eléctrica (Palacios et al., 2003).

A través de la caracterización físico-química de un aditivo se puede detectar,

por ejemplo, la presencia de un componente aireante en un superplastificante

cuando, a pesar de no ser un surfactante, presenta una baja tensión superficial.

Además una elevada viscosidad del aditivo indica que está constituido por un

polímero de elevado peso molecular; o el hecho de que el aditivo tenga una

elevada conductividad eléctrica significa que contiene una gran cantidad de

electrolitos (Palacios et al., 2003).

En la actualidad existen una gran cantidad de normas que describen los

métodos de ensayo para la determinación de numerosas propiedades físico-

químicas (Palacios et al., 2003), como el pH descrito en la NC 271-4: 2003

(NC271-4, 2003), sólidos totales NC 271-1: 2003 (NC271-1, 2003), sólidos

solubles (Cabrera Pérez, 2013, Brizuela, 2013) y densidad NC 271-2: 2003

(NC271-2, 2003).

1.3.1.1 Composición química e iónica

Para describir la composición química de un aditivo se debe hacer un análisis

elemental completo, así como una determinación cualitativa y cuantitativa de

los iones que lo componen.

1.3.1.1.1 Análisis elemental

Los elementos químicos que tienen un mayor interés en la caracterización de

los aditivos son: carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), azufre

(S) y elementos alcalinos como sodio (Na), calcio (Ca) y potasio (K) (Palacios

et al., 2003).

Normalmente, los contenidos en C, H, N y O se determinan mediante métodos

microanalíticos rutinarios de química orgánica, que se realizan directamente

sobre los aditivos sólidos. Mediante este análisis se obtienen el (80-90%) del

total de los componentes de los aditivos. El contenido en azufre se determina

mediante métodos específicos o bien mediante análisis de disoluciones diluidas


33

a través de ICP (del English Inductively Coupled Plasma) (Palacios et al.,

2003).

El contenido en otros elementos, como iones metálicos, se puede determinar

mediante ICP o espectroscopía de absorción atómica (EAA). Otra forma de

determinar elementos como Ca, S y Cl, es a través de espectroscopía de

fluorescencia de rayos x en líquido o en estado sólido (Palacios et al., 2003).

1.3.2 Caracterización estructural

Una vez conocida la composición química e iónica de los aditivos es importante

llevar a cabo una identificación de los grupos funcionales y de las estructuras

características de los mismos. Las técnicas más empleadas para la

caracterización estructural son: espectroscopía ultravioleta-visible (UV-VIS),

espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía

Raman por transformada de Fourier (FT-Raman) y espectroscopía por

resonancia magnética nuclear (RMN) (Silverstein RM et al., 2005, Pérez

Martinez and Ortiz del Toro, 2010).

1.3.2.1 Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR).

La característica principal de la espectroscopía infrarroja es que permite

identificar especies químicas a través de la determinación de la posición

(número de onda) a la que distintos grupos funcionales presentan bandas de

sorción en el espectro Infrarrojo IR (Palacios et al., 2003).

El aditivo MEF que se utiliza en este trabajo de diploma, a diferencia de los

aditivos que se utilizan hoy en la industria de la construcción, no presenta una

composición química (Brizuela, 2013, Martirena et al., 2014). Es un aditivo que

se obtiene de la fermentación de varios microorganismos con diferentes

materias primas, lo que hace más compleja la caracterización de este aditivo,

pues la variedad de metabolitos que se obtienen es amplia. Conocer la

composición química-física del aditivo MEF, es una necesidad, debido que a

través del conocimiento de la misma, se puede conocer la sustancia/as

presentes que influyen en la interacción del sistema plastificante-cemento-

agua.


34

En trabajos realizados por (Yatim et al., 2009, Siong Andrew et al., 2013) donde

se emplean estos tipos de productos EM, como aditivos no se reporta la

composición química de estos.

1.4 Cemento. Reacciones de hidratación del cemento

El cemento desde el punto de vista químico se trata en general de una mezcla

de silicatos y aluminatos de calcio, obtenidos a través del cocido de calcáreo,

arcilla y arena. El material obtenido, molido muy finamente, una vez que se

mezcla con agua, se hidrata y solidifica progresivamente. Estos son productos

que amasados con agua, fraguan y endurecen formándose nuevos compuestos

resultantes de reacciones de hidratación, que son estables tanto al aire como

sumergidos en agua (Jiménez et al., 1987).

1.4.1 El cemento Portland.

Este es el tipo de cemento más utilizado como aglomerante para la preparación

del hormigón. Es el producto que se obtiene por la pulverización del clinker

Portland con la adición de una o más formas de sulfato de calcio.

Durante la reacción de hidratación del Cemento Portland Ordinario (CPO), el

volumen del sólido aumenta por la formación de los productos de hidratación,

pero el volumen total decrece. Esto se debe a que el volumen específico del

agua es menor cuando está enlazada químicamente, que cuando está en

estado no asociado; por lo tanto las reacciones de hidratación van

acompañadas generalmente de una reducción en el volumen total del sistema

(Alujas Díaz, 2010, Taylor, 1990).

1.4.2 Composición Química del Cemento Portland

El clínker de cemento Portland contiene cuatro compuestos químicos

mayoritarios: silicato tricálcico (C3S), silicato dicálcico (C2S), aluminato tricálcico

(C3A) y ferrita aluminato tetracálcico (C4AF), esta última fórmula es la

composición promedio de una serie de soluciones sólidas entre C6A2F y C6AF2),

junto con varios compuestos minoritarios, como óxido de magnesio (MgO, cal

libre y sulfatos de álcalis (Betancourt Rodríguez, 2009c).


35

Estos cuatro compuestos químicos mayoritarios, son los principales minerales

del cemento portland, de carácter básico la cal y la magnesia, de carácter ácido

la sílice y la alúmina (Betancourt Rodríguez, 2009b). Estos componentes no se

encuentran libres en el cemento, sino combinados formando silicatos,

aluminatos y ferritos cálcicos, que son los componentes hidráulicos del mismo

o componentes potenciales (Jiménez et al., 1987, Betancourt Rodríguez,

2009c). Un clinker de cemento Portland de tipo medio contiene:

Silicato tricálcico (3CaO·SiO2) .................................. 40% a 50%

Silicato bicálcico (2CaO·SiO2) .................................. 20% a 30%

Aluminato tricálcico (3CaO·Al2O3) ............................ 10% a 15%

Aluminatoferrito tetracálcico (4CaO·Al2O3·Fe2O3) ....... 5% a 10%

1.4.3 Hidratación del cemento Portland. Etapas de hidratación

La fase inicial de hidratación se llama fraguado y se caracteriza por el paso de

la pasta del estado fluido al estado sólido. Posteriormente, continúan las

reacciones de hidratación, alcanzando a todos los constituyentes del cemento

que provoquen el endurecimiento de la masa y que se caracterice por un

progresivo desarrollo de resistencias mecánicas. El fraguado y endurecimiento,

no son más que dos estados separados convencionalmente; en realidad solo

hay un único proceso de hidratación continuo (Soria, 1972, Betancourt

Rodríguez, 2009d).

Las dos principales reacciones de hidratación, que originan el proceso de

fraguado y endurecimiento son:

2(3CaO.SiO2) + 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2

(alita) (agua) (tobermorita) (portlandita)

2(2CaO.SiO2) + 4H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2

(belita) (agua) (tobermorita) (portlandita)

Los dos compuestos de silicato cálcico, tienen casi el mismo proceso de

hidratación. Sólo se distinguen por la cantidad de hidróxido de calcio

(portlandita) que se forma y por la cantidad de calor de hidratación liberado

durante las reacciones. El producto principal de la hidratación, es el


36

hidrosilicato de calcio (tobermorita), el cual constituye la fase más importante

de los productos de hidratación del cemento Portland y es precisamente el

mineral que aporta las buenas propiedades mecánicas y químicas que posee el

cemento, el cual aparece en forma de gel.

Como puede apreciarse, en la reacción de hidratación de la alita se forma

mayor cantidad de portlandita (hidróxido de calcio) que en la de la belita, lo cual

debe tenerse muy en cuenta en el comportamiento químico de los cementos,

pues la cal es el elemento básico que contribuye a la ocurrencia de la mayoría

de los tipos de corrosión, o sea que se trata de un compuesto débil tanto desde

el punto de vista mecánico-resistente como químico (Betancourt Rodríguez,

2009d).

El primer componente en reaccionar en el cemento Portland es el aluminato

tricálcico (C3A), con una duración rápida y corta hasta (7-28) días. Después el

silicato tricálcico, con una aportación inicial importante, continúa durante

bastante tiempo. A continuación el silicato bicálcico con una aportación inicial

débil y muy importante a partir de los 28 días (Soria, 1972).

El silicato tricálcico es el compuesto activo por excelencia del cemento, pues

desarrolla una resistencia inicial elevada y un calor de hidratación también

elevado, es el segundo componente en reaccionar en el cemento, con una

aportación inicial importante y continua durante bastante tiempo. Fragua

lentamente y tiene un endurecimiento bastante rápido. En el cemento de

endurecimiento rápido y en los de alta resistencia, aparece en una proporción

superior a la habitual (Soria, 1972, Tejero Juez, 1987).

Por otra parte, el silicato bicálcico es el tercer componente en reaccionar en el

cemento, con una aportación inicial débil y muy importante a partir de los 28

días, y es por eso, que desarrolla en el cemento la resistencia a largo plazo, es

lento en su fraguado y en su endurecimiento. Su estabilidad química es mayor

que la del silicato tricálcico, por ello los cementos resistentes a los sulfatos

llevan un alto contenido de silicato bicálcico (Soria, 1972, Tejero Juez, 1987).

El aluminato tricálcico, es el compuesto que gobierna el fraguado y las

resistencias a corto plazo, además es el primer componente en reaccionar en


37

el cemento Portland, con una duración rápida y corta hasta (7-28) días. Su

estabilidad química es buena frente al agua de mar, pero muy débil a los

sulfatos. Al objeto de frenar la rápida reacción del aluminato tricálcico con el

agua y regular el tiempo de fraguado del cemento, se añade al clinker piedra de

yeso (Soria, 1972, Tejero Juez, 1987).

1.4.3.1 Etapas de la hidratación del cemento. El proceso de hidratación

experimenta las siguientes fases:

1. Proceso inicial rápido: Disolución de los iones e hidratación inicial

2. Período inactivo, de inducción: Formación de ettringita

3. Periodo de aceleración: Inicio de la hidratación de los silicatos

4. Período de deceleración

5. Periodo de difusión estacionario. Reacciones a largo plazo: agotamiento del

sulfato.

El primer pico de calor se forma durante los primeros (10-15) minutos y,

principalmente, se debe a la formación de ettringita. El segundo pico coincide

con la conversión de ettringita a monosulfato y el tiempo que pasa antes de que

la conversión empiece depende de la cantidad de sulfato disponible.

1.4.4 Cinética de la hidratación.

El estudio de cinética es, esencialmente, una descripción matemática de los

pasos que determinan la velocidad de las reacciones y, como tal, depende de

la correcta selección y modelizado de los procesos implicados (Alujas Díaz,

2010).

Pueden ser identificadas tres etapas que determinan la velocidad durante el

periodo medio y final de la hidratación, que son:

1.- Nucleación y crecimiento del cristal.

2.- Disolución en la superficie del C3S.

3.- Difusión a través de las capas hidratadas.

En el Cemento Portland, la velocidad de reacción de la hidratación en los

primeros días es: C3A > C3S > C4AF > C2S


38

1.5 Calorimetría en la hidratación del Cemento Portland (CPO)

Una de las técnicas que puede ser empleada para el seguimiento continuo de

la reacción de hidratación en pastas de cemento es la Calorimetría Isotérmica.

Esta ha ganando en importancia en los estudios de la hidratación del CPO

(Alonso and Palomo, 2001, Emoto and Bier, 2007). Se basa en la medición de

la velocidad de liberación de calor en función del tiempo, bajo un régimen

isotérmico. También aprovecha el carácter altamente exotérmico de las

reacciones de hidratación del CPO. De esta forma, la cantidad de calor total

acumulado, es directamente proporcional a la cantidad de productos de

hidratación generados y puede tomarse como una medida del grado de

reacción alcanzado por el sistema. La medida de la velocidad o flujo de

liberación de calor, provee información acerca de la cinética y los mecanismos

de hidratación (Alujas Díaz, 2010).

1.5.1 Ensayo Calorimétrico

La calorimetría isotérmica es una susceptible y versátil herramienta para

estudiar la hidratación del proceso del cemento. Su operación está basada en

la compensación de potencia eléctrica requerida para calentar una muestra, el

calor medido es prácticamente compensado por energía eléctrica. Las

muestras, separadas y aisladas, repercuten en un experimento cuyo control

termodinámico permite obtener resultados más precisos. Este método toma en

cuenta además de los incrementos en temperatura, la potencia consumida para

lograr el incremento de temperatura (Sandberg and L. R. , 2003).

1.5.1.1 Curvas de calorimetría

Existen dos convenciones diferentes al representar los efectos térmicos: las

reacciones exotérmicas que exhibe la muestra pueden ser mostradas como

picos positivos o negativos dependiendo del tipo de tecnología o de

instrumentación utilizadas en la realización del experimento (Pungor and

Horvai, 1994). El resultado de este experimento es una curva de flujo calorífico

versus tiempo: Esta refleja el proceso de hidratación del cemento y permite

identificar el efecto de la adición de un componente, el que se refleja en un

cambio de la curva de hidratación. La integral de esta curva representa el calor

liberado.


39

1.6 Reología. Definición

El término reología significa "el estudio de la deformación y el flujo de la

materia". La Real Academia Española define reología como: estudio de los

principios físicos que regulan el movimiento de los fluidos. Una definición más

moderna expresa que la reología es la parte de la física que estudia la relación

entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir

(Fuentes Aguilar, 2008).

Es trascendental valorar la reología en las mezclas de cemento al utilizar los

aditivos, para ello es preciso conocer las características de la conducta del flujo

de una mezcla mientras esta se espesa, y la pérdida de laborabilidad,

estabilidad y compactibilidad, en pastas, morteros y hormigones para poder

realizar comparaciones (Wallevik and Wallevik, 2011).

1.3.1 Suspensiones reológicas. Hormigones, pastas y morteros

Los morteros y hormigones son materiales compuestos por un líquido viscoso

con partículas sólidas en suspensión que en escala macroscópica puede fluir

como un líquido. Por esta razón es considerado como una suspensión

reológica según varios autores (Roussel and Coussot, 2005, Roussel, 2006,

Fuentes Aguilar, 2008).

1.3.2 Modelos más utilizados para describir el comportamiento reológico

de pastas morteros y hormigones

Los modelos más utilizados que describen el comportamiento reológico de los

fluidos son: el Pseudonewtoniano, el de Bingham: plástico ideal, el de Ostwald

y de Waele: Pseudoplástico o dilatante (Blaß, 1972), el de Herschel y Bulkley:

pseudoplástico o dilatante con tensión de fluencia (Coussot, 1994), y el de

Casson: pseudoplástico con tensión de fluencia (Kruyt and Verël, 1992). El más

utilizado para describir el comportamiento reológico de pastas, morteros y

hormigones, es el modelo de Bingham.

Las sustancias conocidas como “fluidos no-Newtonianos” (pastas, morteros y

hormigones) pueden ser modeladas utilizando la ecuación de Bingham (modelo

plástico ideal), cuya ecuación es:


40

.

Donde: es el Límite de fluencia que se debe sobrepasar para que el fluido

se ponga en movimiento, es la viscosidad plástica, es la velocidad de

deformación transversal y es la tensión del flujo (Roussel, 2006, Wallevik,

2006, Banfill, 2006).

1.3.3 Parámetros que afectan la reología

Los parámetros que aparecen en los modelos reológicos dependen de las

propiedades de la suspensión y de muchas variables. Por ejemplo:

Concentración

Granulometría (gruesos y finos)

pH (si la suspensión no es neutra)

1.3.4 Efecto de los plastificantes en la reología en pastas, morteros y

hormigones

Los factores como la composición mineralógica del cemento, reactividad

química del relleno, distribución de tamaño de partícula, textura de la superficie

y forma geométrica de polvos (el cemento y rellenos), así como las condiciones

modeladas y equipos de medición, pueden influir en la reología de las pastas,

morteros y hormigones. De todos estos factores, la relación agua-cemento (a/c)

y la superficie específica, son los más importantes. Sin embargo, el tipo de

plastificante usado, también influye en las propiedades del flujo de las pastas

cementicias debido a sus mecanismos de dispersión (Vikan et al., 2007).

Cuando no se agrega ningún plastificante, las partículas sólidas tienden a

formar aglomerados, que retienen el agua dentro. En las mezclas donde se

utilizan plastificantes las partículas sólidas se dispersan y la aglomeración se

reduce. Esta dispersión de las partículas sólidas aumenta la fluidez del

hormigón directamente. Al mismo tiempo, la reducción de la aglomeración

debido a la dispersión aumenta la densidad del embalaje y así la cantidad de

agua en exceso en el hormigón (Fung and Kwan, 2010).


41

1.3.5 Ensayos reológicos en pastas

1.3.5.1 Ensayos en pastas

Como ya se ha expuesto muchos de los materiales en la industria o la

naturaleza se comportan como fluidos con una tensión de fluencia (que es el la

tensión mínima de deformación irreversible). Mientras que la tensión de

fluencia puede ser considerada como una propiedad de un material único, esta

puede medirse utilizando herramientas reológicas convencionales. A menudo

las pruebas son caras, consumen tiempo y dan demasiadas informaciones

cuando sólo se necesita el valor de rendimiento de plástico. In situ, aun se

prefieren las pruebas más sencillas y económicas, las cuales no pueden ser

fácilmente interpretadas en los términos reológicos, ellas no proveen

parámetros físicos y característicos del material, pero las pruebas han

demostrado a través los años que son viables para diferentes clases de

materiales en términos de su capacidad de ser echado (Roussel and Coussot,

2005).

1.3.5.1.1 Ensayo del minicono de Abrams

El método del Minicono (mini-slump test) ha sido desarrollado por la Portland

Cement Association publicado como en 1979 por la ASTM como método no

normalizado para ensayos reológicos de pastas cemento que presenta la

ventaja de ser rápido, emplear mínimas porciones de pasta y permitir el estudio

de un gran número de variables experimentales. También ha sido definido en

una norma cubana NC 235: 2012 (NC235, 2012).

Se utiliza para determinar la plasticidad y su variación con el tiempo y la

reducción de agua en las pastas de cemento con la introducción o no de

aditivos químicos y adiciones, así como el control de cemento con diferentes

composiciones mineralógicas. Para la determinación de estas propiedades se

hace necesaria la medición del área de esparcimiento alcanzada (pastilla

conformada) como consecuencia de la caída por gravedad al retirar el

troncocono que la contiene.


42

1.3.5.1.3 Ensayo aguja de Vicat.

El tiempo de fraguado es una variable muy importante, variable que ya que

permite conocer el tiempo de que se dispone para la mezcla, transporte,

colocación en obra y compactación correcta de los morteros y hormigones.

Todos estos hechos determinan la importancia de conocer el tiempo del

fraguado inicial de los cementos, característica especificada en las distintas

normas. La Norma cubana NC 524: 2007 (NC524, 2007) “Cemento hidráulico—

método de ensayo—terminación de la consistencia normal y tiempos de

fraguado por Aguja Vicat” especifica un método de ensayo para la

determinación de la consistencia normal y el tiempo de fraguado inicial y final

del cemento hidráulico mediante la aguja de Vicat.

Conclusiones parciales

1. Los aditivos tienen gran importancia para la producción de pastas,

morteros y hormigones. Para Cuba resultan altamente costosos y por

ello se requiere contar con productos alternativos obtenidos en el país y

con menor costo.

2. A partir de estudios previos, encabezados por el CIDEM y con la

participación de varias instituciones nacionales, se cuenta con un

bioproducto elaborado con tecnología de Microorganismos eficientes con

moderada acción plastificante y que requiere altas dosificaciones.

3. Algunas de las características del Bioproducto MEF-32 no cumplen con

los requisitos establecidos por las normas cubanas para aditivos tales

como: pH.

4. Se cuenta con ensayos estandarizados que permiten evaluar el efecto

plastificante de los bioproductos MEF en pastas de cemento.

5. El entendimiento de sus mecanismos de acción contribuye en gran

medida al proceso de optimización del aditivo MEF como plastificante.

Capítulo II. Materiales y métodos empleados, para la determinación de las propiedades

reológicas de pastas de cemento P-35

43

Capítulo 2. Materiales y métodos empleados, para la determinación de las

propiedades reológicas de pastas de cemento P-35

La investigación se realizó en las siguientes entidades: Centro de Bioactivos

Químicos (CBQ), Instituto Biotecnología de las Plantas (IBP) y Centro de

Estudios de Química Aplicada (CQA); todos ellos pertenecientes a la

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. También se realizaron parte

de los estudios, en el Laboratorio Central de la Empresa Nacional de

Investigaciones Aplicadas de Villa Clara (ENIA VC).

2.1 Materiales utilizados en la elaboración de las pastas de cemento

Portland. Caracterización de los materiales utilizados en la investigación

Para realizar esta investigación se utilizaron los siguientes materiales:

Cemento Portland P-35, de la fábrica Karl Marx ubicada en la provincia

de Cienfuegos.

Superplastificante Dynamon SRC 20 (MAPEI).

Bioproductos MEF producidos en el Instituto Finlay con y sin variación

en el proceso de su producción y modificaciones en el pH.

ácido láctico 85 % Fluka

ácido acético glacial 99.7 % (p.a) Panreac

mezclas de los ácidos acético y láctico

acetato de sodio 99 % (p.a) (Uni-Chem)

Los materiales que se definen a continuación, se utilizaron para la elaboración

de pastas de cemento P-35, a partir de las dosificaciones establecidas en el

diseño de cada ensayo.

2.1.1 Agua

Se utilizó agua potable, evaluada por la práctica como adecuada para la

producción de pastas, morteros y hormigones, cumpliendo con la (NC353-04,

2004).



44

2.1.2 Cemento

El cemento utilizado fue el Portland P-35, elaborado en la fábrica Karl Marx de

la provincia de Cienfuegos. La caracterización de este fue realizada en la ENIA

VC, teniendo en cuenta las especificaciones de calidad establecidas por la

norma cubana (NC95, 2001) Cemento Portland. Especificaciones para la

evaluación de la conformidad. Este material se clasifica como un cemento

Portland P-35, con las características que se muestran en el Anexo.1 (ver

Tabla 1).

2.1.3 Aditivos

Para el trabajo experimental se utilizó como referencia el aditivo comercial

superplastificante: Dynamon SRC 20 (MAPEI) y el bioproducto MEF-19

fabricado en el 2012 y utilizado en las siguientes investigaciones (Peña León,

2013, Cabrera Pérez, 2013, Brizuela, 2013, Martirena et al., 2014), ya que fue

el bioproducto con mayor efecto plastificante, pero este no se produjo de forma

industrial. De ahí que se hizo necesario realizar una producción a mayor

escala, pero con los mismos estándares de calidad con que se fabricó el MEF-

19. A este nuevo producto se le nombró MEF-32. Por esta razón se hizo

necesario colocar al MEF-19 como patrón de comparación.

Se sometieron a evaluación como plastificantes los bioproductos MEF-32 y

MEF-32 con modificaciones de pH, MEF tipo 1, MEF tipo 2, MEF tipo 3, MEF

tipo 4, MEF tipo 5 y MEF tipo 6, todos ellos obtenidos por fermentación

microbiana en el Instituto Finlay (Cuba).

También se utilizaron soluciones de los ácidos láctico (60; 100 y 150) mg/mL y

acético (10; 30 y 60) mg/mL, las mezclas de ambos en relaciones de (3:1; 1:3;

1:1), así como soluciones de acetato de sodio (40.4 y 80.8) mg/mL y todas

estas se evaluaron como plastificantes para determinar sus influencias.

2.1.3.1 Dynamon SRC 20 (MAPEI)

Dynamon SRC 20 es un aditivo líquido superfluidificante para hormigones

premezclado caracterizados por una baja relación agua/cemento (a/c), altas



45

resistencias mecánicas y largo mantenimiento de la laborabilidad. Es un aditivo

de base acrílica modificada sin formaldehido (MAPEI) (Anexo 2 ver Tabla 1).

2.1.3.2 Bioproductos MEF

Los bioproductos MEF modificados fueron logrados por fermentación

microbiana en el Instituto Finlay, La Habana, Cuba.

El bioproducto MEF-32 se produjo de igual forma que el producto MEF-19, pero

a una escala mayor de producción y en fecha diferente.

También se obtuvieron dos productos derivados del MEF-32, al adicionar

hidróxido de sodio (NaOH) de concentración 1 mol/L, hasta obtener un pH igual

a 7 y otro producto con pH igual a 12. En lo adelante se les nombra MEF-32

pH=7 y MEF-32 pH=12.

El bioproducto MEF tipo-1 se produjo según lo establecido en el Instituto Finlay

para la primera fermentación en cuanto a las proporciones de materias primas

iniciales.

El bioproducto MEF tipo-2 se produjo con el doble de la concentración de

materias primas utilizadas en la primera fermentación.

El bioproducto MEF tipo-3 se produjo con el cuádruple de la concentración de

materias primas utilizadas en la primera fermentación.

El bioproducto MEF tipo-4 se produjo en las mismas condiciones de la primera

fermentación pero sin madre sólida (una de las materias primas que aporta

inóculo microbiano y proviene de una fermentación previa en estado sólido).

El bioproducto MEF tipo-5 se produjo con el doble de la concentración de

materias primas utilizadas en la primera fermentación, pero sin madre sólida.

El bioproducto MEF tipo-6 se produjo con el cuádruple de la concentración de

materias primas utilizadas en la primera fermentación, pero sin madre sólida.



46

2.1.3.3 Soluciones de los ácidos láctico y acético, mezclas de estos y una

sal

Fueron preparadas soluciones de los ácidos láctico y acético, a las

concentraciones, en que se pueden encontrar estos en los bioproductos MEF,

teniendo en cuenta los límites establecidos en los requisitos de calidad de la

producción de los bioproductos MEF. El ácido láctico puede estar presente en

un rango de (60-90) mg/mL y el ácido acético (10-30) mg/mL.

Solución de ácido láctico 150 mg/mL: Se tomó una alícuota 7.3 mL de ácido

láctico concentrado y se introdujo en frasco volumétrico de 50 mL y se enrazó

con agua destilada, teniendo en cuenta en este cálculo el porciento de pureza

del ácido (85 %) y la densidad del mismo (1.206 g/mL).

Solución de ácido láctico 100 mg/mL: Se tomó una alícuota 4.9 mL de ácido

láctico concentrado y se introdujo en frasco volumétrico de 50 mL y se enrazó


del ácido y la densidad del mismo (1.206 g/mL).

Solución de ácido láctico 60 mg/mL: Se tomó una alícuota de 30 mL de la

solución de ácido láctico 100 mg/mL y se introdujo en frasco volumétrico de 50

mL y se enrazó con agua destilada.

Solución de ácido acético 90 mg/mL: Se tomó una alícuota 4.3 mL de ácido

acético concentrado y se introdujo en frasco volumétrico de 50 mL y se enrazó


del ácido (99.7%) y la densidad del mismo (1.05 g/mL).

Solución de ácido acético 30 mg/mL: Se tomó una alícuota de 16.7 mL de la

solución de ácido acético 90 mg/mL y se introdujo en frasco volumétrico de 50


Solución de ácido acético 10 mg/mL: Se tomó una alícuota de 5.6 mL de la

solución de ácido acético 90 mg/mL y se introdujo en frasco volumétrico de 50




47

Se prepararon tres mezclas de ácido láctico y acético en relaciones (3:1; 1:1;

1:3) en términos de concentración a continuación se describe su preparación:

Mezcla 1: es la mezcla (3:1), esta se obtiene al mezclar 4.9 mL de ácido láctico

concentrado, con 15 mL de una solución de ácido acético 100 mg/mL, y se

enraza con agua destilada en frasco volumétrico de 50 mL. Donde en esta, las

concentraciones de los ácidos presentes se encuentran en 100 y 30 mg/mL

respectivamente.

Mezcla 2: es la mezcla (1:1), esta se obtiene al mezclar 22.5 mL de una

solución ácido láctico 100 mg/mL, con 22.5 mL de una solución de ácido

acético 100 mg/mL, y se enraza con agua destilada en frasco volumétrico de 50

mL. Donde en esta, las concentraciones de los ácidos presentes se

encuentran en 45 mg/mL respectivamente.

Mezcla 3: es la mezcla (1:3), esta se obtiene al mezclar 15 mL de una solución

ácido láctico 100 mg/mL, con 4.8 mL de de ácido acético concentrado, y se

enraza con agua destilada en frasco volumétrico de 50 mL. Donde en esta, las

concentraciones de los ácidos presentes se encuentran en 30 y 100 mg/mL

respectivamente.

También se prepararon soluciones de acetato sodio a las concentraciones

40.4 y 80.8 mg/mL de esta sal, ya que al interactuar el ácido acético con las

partículas de cemento, es muy probable que se formen las sales: acetato de

calcio, magnesio, sodio y potasio. A continuación se describe como se

prepararon estas soluciones:

Solución de acetato de sodio 40.4 mg/mL: para ello se pesó 5.05 g de acetato

de sodio (99 %) de pureza y se enrazó en volumétrico de 25 mL con agua

destilada y se obtuvo una solución concentración final de 202 mg/mL de la sal.

De esta se tomó una alícuota de 20 mL y se enrazó con agua destilada en

matraz de 100 mL.

Solución de acetato de sodio 80.8 mg/mL: Se tomó una alícuota 20 mL de la

solución de 202 mg/mL de acetato de sodio y se enrazó con agua destilada en

matraz de 50 mL.



48

Para el desarrollo de este trabajo se realizó la siguiente marcha experimentar

(ver Figura 2.1).

Figura 2.1. Marcha Experimental



49

2.2 Caracterización de los bioproductos MEF

2.2.1. Caracterización químico –física de los bioproductos MEF

Las propiedades físico-químicas de un aditivo nos dan información acerca de

su naturaleza química (Palacios et al., 2003). Con el objetivo de conocer estas

propiedades se realizaron las determinaciones siguientes: pH establecido en la

NC 271-4: 2003 (NC271-4, 2003), % Sólidos Totales en la NC 271-1: 2003

(NC271-1, 2003), densidad picnométrica en la NC 271-2: 2003 (NC271-2,

2003), conductividad eléctrica (Chiruchi et al., 1996), Sólidos Totales disueltos

métodos electrométrico (Chiruchi et al., 1996) y sólidos solubles por

refractometría (Cabrera Pérez, 2013).

2.2.1.1 Determinación del pH. Procedimiento

La determinación del pH de los bioproductos MEF se realizó según la norma

cubana NC 271-4: 2003 (NC271-4, 2003).

Equipos y utensilios:

pH metro marca HI 2211 pH/ ORP METER.

Beaker de 50 mL como mínimo, para lograr un mayor manejo del

electrodo.

Agua destilada.

Varilla de cristal (agitador).

Papel de filtro.

Procedimiento:

1. Se calibra el medidor de pH con solución tampón de pH de 4, 7 y 10 en

dependencia del rango conocido del aditivo en cuestión, a una

temperatura de 20 ºC.

2. Se toman 3 muestras del aditivo de 40 mL, en un vaso precipitado de 50

mL.

3. Se introducen el electrodo y el sensor de temperatura del medidor de pH

dentro del vaso precipitado luego de haber homogeneizado la muestra.

4. Se toma el valor de la lectura del pH.



50

5. Para la expresión de los resultados se toma el valor medio de los tres

valores.

2.2.1.2 Determinación del % Sólidos Totales. Procedimiento

La determinación del % de sólido totales de los bioproductos MEF se realizó

según la norma cubana NC 271-1: 2003 (NC271-1, 2003).

Equipos y utensilios.

Balanza Sartorius Modelo TE124S.

Estufa Boxun.

Arena sílice normalizada procedencia Societe Nouvelle du Litoral

(Francia).

Procedimiento:

1. Se reintroducen de 20-30 g de arena sílice en un pesafiltro o cápsula de

Petri.

2. Se coloca el pesafiltro o cápsula de Petri en estufa durante 17h a 105 ±

2 ºC.

3. Se introduce el pesafiltro en una desecadora, se enfría hasta

temperatura ambiente y se determina su masa con una aproximación de

0,001g.

4. Se toman aproximadamente 4 g del aditivo, con una precisión de 0,001

g, utilizando una pipeta, esparciéndolo lentamente en forma homogénea

sobre la superficie de la arena.

5. Se determina la masa del conjunto con una aproximación de 0,001 g. Se

coloca el pesafiltro con muestra en estufa a 105-110 ºC por un tiempo

suficiente como para que después de enfriada y pesada, se obtengan

pesadas constantes.

Expresión de los resultados:

Método de cálculo. El contenido de sólidos totales se determina aplicando la

siguiente expresión:



51

Donde:

A: Masa del residuo seco (masa del frasco con arena y residuo menos masa

del frasco con arena) (g)

M: Masa de la muestra (masa del frasco con arena y muestra menos masa del

frasco con arena) (g)

A los resultados obtenidos se le aplica el test de Dixon para eliminar los valores

erráticos o atípicos.

2.2.1.3 Determinación de la densidad picnométrica. Procedimiento

La determinación de la densidad del bioproducto MEF-32 se realiza según la

norma cubana NC 271-2: 2003 (NC271-2, 2003) y los resultados se expresan

g/cm3.

Equipos y Utensilios:

Balanza Sartorius Modelo TE124S

Picnómetro Gay Lussac 50 mL

Procedimiento:

1. Se pesa limpio y seco el picnómetro Gay Lussac (Anexo 3) para

determinar su masa.

2. Se llena completamente el picnómetro Gay Lussac con la muestra de

aditivo.

3. Se coloca la tapa, teniendo especial cuidado de que la muestra suba

hasta el extremo superior de ésta.

4. Se deja en reposo el picnómetro con la muestra en el local donde se

realizan las pesadas, a una temperatura estable sin diferir en más de 1

ºC de los 25 ºC.

5. Se pesa el picnómetro con la muestra en la balanza analítica

Expresión de los resultados:



52

Donde:

D- densidad (g/cm3)

m1 -masa del picnómetro vacío (g)

m2 -masa del picnómetro con la muestra (g)

V -volumen de la muestra especificada por la capacidad del picnómetro (cm3)

A los resultados obtenidos se le aplica el test de Dixon para eliminar los valores

erráticos o atípicos.

2.2.1.4 Determinación de la conductividad eléctrica (CE)

Procedimiento

La determinación de la conductividad eléctrica de los bioproductos se realiza

según (Chiruchi et al., 1996).


Conductímetro HI 2300 EC/ TDS/ NaCl METER.

vaso precipitado 45-50 mL como mínimo, para lograr un mayor manejo

del electrodo.

Papel de filtro.

Agua destilada.


Procedimiento:

1. Se toman tres muestras del aditivo de 30-40 mL, en un beaker de 50 mL.

2. Se selecciona el modo de C.E.

3. Se introduce la celda de conductividad dentro del beaker luego de ser

homogenizada la muestra.

4. Se toma el valor de la lectura del C.E (μS/cm).


valores.



53

2.2.1.5 Determinación de los Sólidos Totales Disueltos (STD)

Procedimiento

La determinación de los Sólidos Totales Disueltos de los bioproductos se

realiza según (Chiruchi et al., 1996).


Conductímetro HI 2300 EC/ TDS/ NaCl METER.

Beaker 50 mL como mínimo, para lograr un mayor manejo del electrodo.

Papel de filtro.

Agua destilada.


Procedimiento:

1. Se toman 3 muestras del aditivo de 40 mL, en un vaso precipitado de 50

mL.

2. Se selecciona el modo de STD.

3. Se introducen la celda de conductividad dentro del beaker luego de

homogenizar la muestra.

4. Se toma el valor de la lectura de STD.


valores.

2.2.1.5 Determinación del % sólidos solubles por refractometría.

Procedimiento

La determinación de % sólidos solubles por refractometría de los bioproductos

se realiza según la metodología descrita en los trabajos de diploma (Peña

León, 2013, Cabrera Pérez, 2013, Brizuela, 2013).


Refractómetro (PCE 032).

Micro pipeta (GILSON).



54

Procedimiento:

Se colocó una gota del aditivo (70 μL) en el refractómetro, se observó la escala

de medición y se anotó el resultado de la cantidad de sólidos solubles (Cabrera

Pérez, 2013).


Para determinar la identificación de los grupos funcionales y de las estructuras

características de los mismos, se utilizo la técnica, espectroscopía infrarroja por

transformada de Fourier (FTIR) (Pérez Martinez and Ortiz del Toro, 2010), la

cual se recomienda para este tipo de investigaciones (Palacios et al., 2003).

La determinación del espectro infrarrojo de un aditivo es un requisito de la NC

228-1: 2005 (NC228-1, 2005) que presenta correspondencia con estándares

internacionales como la CAA-056TC: 2004 (CAA-056TC, 2004).

2.2.2.1 Determinación del espectro infrarrojo (IR) al producto MEF-32

El espectro infrarrojo se le realizó solo al bioproducto MEF-32, debido a que ha

sido seleccionado para estudiarlo como aditivo plastificante y ha sido producido

de forma industrial. Para llevar a cabo el espectro (IR) se tomó una porción de

10 mL del bioproducto y se introdujo en una liofilizadora, para extraer el agua

presente en este, por un tiempo de 72 horas a 0.02 mb de presión /-50 grados

Celsius.


Liofilizadora Freezer Dryer Part. No.101521 CHRIST ALPHA 1-2 LD plus

Espectrómetro WQF-510

Procedimiento:

El espectro IR del producto MEF-32 se registró cualitativamente en un

espectrofotómetro FTIR, las mismas se analizaron en fase líquida en forma de

película fina sobre ventanas de bromuro de potasio KBr, de la siguiente

manera:



55

1. Se extiende una gota de la solución sobre una de las ventanas de KBr,

se une esta con otra ventana para evitar el derrame y/o la evaporación

de la solución.

2. Se registra el espectro del Background minutos antes de registrar el

espectro de la muestra, para colectar el ruido ambiental.

3. Se colocan las ventanas con la muestra en el soporte para ventanas, y

se registra el espectro de la misma según los parámetros de registro

seleccionados (4 cm-1 de resolución en el rango de 4000 a 650 cm-1).

4. Se realiza el espectro al producto.

2.3 Determinación del efecto plastificante de los bioproductos MEF,

ácidos carboxílicos, sales, mezclas y los aditivos de referencia

Con el objetivo de determinar el efecto plastificante de los bioproductos MEF,

de los ácidos carboxílicos identificados en estos y de sus sales; en pastas de

cemento P-35, se realizaron ensayos con el método del Minicono, para

determinar el índice de plasticidad. Para ello, se tomó en cuenta la norma

cubana NC 235: 2012 (NC235, 2012) “Pastas de cemento—determinación de

la plasticidad y su variación en el tiempo por el método del Minicono”. Como

referencia se utilizaron los aditivos MEF-19 y el superplastificante Dynamon

SRC 20.

2.3.1 Determinación del índice de plasticidad por el método del minicono

Procedimiento

Los ensayos de minicono según la NC 235: 2012 (NC235, 2012), se realizaron

en el laboratorio de la unidad de desarrollo analítico del Centro de Bioactivos

Químicos (CBQ), a temperatura de 20 ± 2 °C y humedad controlada (60-65) %.

Se fijó la relación agua/cemento (a/c) a 0.45, para homologar con las

investigaciones realizadas anteriormente (Peña León, 2013, Cabrera Pérez,

2013, Brizuela, 2013).

La velocidad de agitación se fijó en 300 rpm, la cual es diferente al requisito de

la norma NC 235: 2012 (NC235, 2012), porque el instrumento utilizado es

confiable a partir de de esta velocidad y se seleccionó un impelente del



56

agitador (varilla agitadora) similar al utilizado en los ensayos de Calorimetría

Isotérmica en el Laboratorio del (CQA), para homologar los protocolos de

mezclado de pastas en los ensayos de plasticidad y cinética de la hidratación

del cemento. Para el mezclado se emplearon recipientes cilíndricos de

diámetro base ligeramente superior al diámetro de la hélice de la varilla

agitadora para facilitar la agitación uniforme de la pasta y limitar la adherencia a

las paredes (ver Figura 2.2).

Figura 2.2. Equipos, utensilios y procedimiento minicono. Arriba procedimiento del Minicono. Debajo de izquierda a derecha Agitador, impelente, minicono, pie de rey.

2.3.1.1 Equipos, utensilios y materiales

Equipos y utensilios

Minicono metálico de 19 mm de diámetro superior, 38 mm diámetro

inferior y 57 mm de altura, manteniendo similares proporciones del

ensayo de asentamiento del hormigón fresco NC 235: 2012 (NC235,

2012).

Agitador de laboratorio tipo Heidolfph RZR 50, con varilla agitadora de

hélice (impelente).

Láminas de plástico para colocar las pastas



57

Espátula de metal

Vaso de precipitado (beaker) o recipiente plástico de 500 mL de

capacidad con tapa ranurada

Bureta de 50 mL

Paños de secado (tela)

Reloj

Balanza analítica (+/-0,0001g) TE-124S, Sartorius

Pie de rey (0,1 mm de precisión)

Refractómetro (PCE 032)

Materiales:

- Agua: Cumple con las especificaciones de la NC 353-04: 2004 (NC353-

04, 2004).

- Cemento: P-35. Procede de la fábrica de cemento Karl Marx, en

Cienfuegos.

- Aditivos:

MEF 19, MEF tipo-1, MEF Tipo-2, MEF tipo-3, MEF tipo-4, MEF tipo-

5 y MEF tipo-6

MEF 32 a pH= 3,44 (MEF-32, MEF-32 a pH inicial )

MEF con pH=7

MEF con pH=12

ácido láctico

ácido acético

acetato de sodio

Mezcla 1

Mezcla 2

Mezcla 3

SRC-20

Procedimiento:

Para la determinación de la plasticidad de la pasta de cemento con y sin

aditivo, el procedimiento de trabajo se basó en la (NC235, 2012) y se describe

a continuación:



58

1. Se pesaron 100 ± 0,0002 g de cemento y se vertieron en el recipiente

cilíndrico.

2. Se preparó una solución con el aditivo (se pesó en balanza analítica) a las

dosis de ensayo en base al peso del cemento y el volumen de agua calculado

para la relación a/c=0.451.

3. Se introdujo la paleta del agitador (Heidolfph RZR 50) dentro del recipiente

cilíndrico y lentamente se añadió la solución del aditivo y agua de amasado,

con el beaker que se apoyó en el eje de la varilla de agitación (Figura. 2.2).

4. Se puso en movimiento el agitador a una velocidad de 300 r.p.m. durante

dos minutos.

5. Se detuvo el mezclado, se tapó el recipiente con la tapa ranurada y se dejó

reposar la mezcla durante tres minutos.

6. Se puso nuevamente en movimiento el agitador y se mezcló durante dos

minutos más.

7. Se colocó el minicono sobre la placa de plástico.

8. Se detuvo el agitador. Se vertió la pasta con la ayuda de una espátula dentro

del Minicono. Se enrasó con la espátula y se eliminó el exceso de pasta en el

extremo superior y lateral del Minicono.

9. Se mantuvo en reposo el Minicono durante un minuto y se levantó

verticalmente con movimiento rápido dejando caer la pasta hasta que la

superficie interior del Minicono quedó completamente limpia.

10. Se dejó la pasta en reposo durante 24 h, y se midió su diámetro con un pie

de rey. Por cada pastilla (pasta endurecida) se midieron ocho diámetros y se

calculó el área. Con este dato se calculó el índice de plasticidad.

Todos los utensilios empleados se lavaron con agua corriente y se secaron

antes de usarse nuevamente2.

1 El ajuste de agua para los aditivos MEF se realizó en base a la determinación del



59

2.3.2.1 Ajuste de agua por sólidos solubles en bioproductos MEF

Con el valor de los sólidos solubles (S.S) obtenido mediante la observación por

refractometría, se calculó el volumen de agua ajustado para mantener una

relación (a/c) constante al utilizar los aditivos descritos anteriormente, según las

formulas siguientes:

Dónde:

%APC: Es el por ciento o dosis del aditivo en (g).

%S.S: Es el por ciento de sólidos solubles en el aditivo en observados en el

refractómetro.

X: Es la cantidad de (S.S) en el aditivo en (g).

Dónde:

AAA: Es el agua aportada por el aditivo.

Dónde:

CCE: Es la cantidad de cemento utilizado en el ensayo (g)

CA: Es la cantidad de agua según la relación (a/c).

Dónde:

AA: Es el agua ajustada.

2 Los utensilios utilizados para el pesaje y ajuste de agua de los aditivos se lavaron con

agua potable y agua destilada para garantizar una mayor confianza en los resultados obtenidos



60

2.3.2.2 Cálculos para la determinación del índice de plasticidad utilizando

el Minicono

Para medir el diámetro de la pastilla, calcular el área y el índice de plasticidad

se utilizó la NC 235: 2012 (NC235, 2012). Diámetro medio de la pastilla y área:

Se midió ocho veces el diámetro de la pastilla (con pie de rey) a diferentes

ángulos recorriendo toda su circunferencia. Se determinó el diámetro medio y

se calculó el área como la de un círculo.

Donde d: diámetro de cada medición

Cálculos para el índice de plasticidad

–

Dónde:

IP: es el índice de plasticidad

Ap: es el área de la pasta con aditivo

Ao: es el área de la pastilla sin aditivo

2.3.1.2 Dosificación y series de ensayos

Se hicieron tres réplicas por cada serie de ensayo (Tabla 2.3.1). En cada fecha

que se realizó un ensayo con aditivos también se montó la serie patrón.

El bioproducto MEF-19 (aditivo de referencia) fue utilizado en dosis de 2, 6 y

8% en peso del cemento.

El bioproducto MEF-32 se utilizó a la dosis de 2, 6 y 8 % en peso del cemento.

Tanto el MEF-32 a pH=7 como el MEF-32 a pH=12 se usaron en dosis del 2%

en peso del cemento.



61

El ácido acético a concentraciones como se encuentra en el MEF (10-30) mg/

mL fue usado a las dosis de 2% en peso del cemento.

El ácido láctico a concentraciones como se encuentra en el MEF (30-90) mg/

mL a las dosis de 2% en peso del cemento.

El acetato de sodio fue usado en dosis al 2% en peso del cemento.

Las mezclas de los ácidos carboxílicos (Mezcla 1, Mezcla 2 y Mezcla 3), fueron

utilizadas en dosis de 2% en peso del cemento.

Para las series de los bioproductos MEF modificados en su proceso de

obtención (MEF tipo 1, MEF tipo 2, MEF tipo 3, MEF tipo 4, MEF tipo 5, MEF

tipo 6), se probaron a la dosis del 2 % en peso del cemento.

El superplastificante Dynamon SRC-20 (aditivo de referencia) fue empleado en

dosis de 0.25, 0.5, 0,75 y 1.0 %.

Tabla 2.3.1 Matriz experimental.

Series Plastificantes Réplicas

0. Patrón. 3 (por día)

1. MEF-19 (2%) 3

2. MEF-19 (6%) 3

3. MEF-19 (8%) 3

4. MEF-32 (2%) 3

5. MEF-32 (6%) 3

6. MEF-32 (8%) 3

7. MEF-32 a pH=7 (2%) 3

8. MEF-32 a pH=12 (2%) 3

9. ácido acético (2%) 3

10. ácido láctico (2%) 3

11. acetato de sodio (2%) 3

12. Mezcla 1 (2%) 3

13. Mezcla 2 (2%) 3



62

14. Mezcla 3 (2%) 3

15. MEF tipo 1 (2%) 3

16. MEF tipo 2 (2%) 3

17. MEF tipo 3 (2%) 3

18. MEF tipo 4 (2%) 3

19. MEF tipo 5 (2%) 3

20. MEF tipo 6 (2%) 3

21. Dynamon SRC-20 (0,25%) 3

22. Dynamon SRC-20 (0,50%) 3

23. Dynamon SRC-20 (0,75%) 3

24. Dynamon SRC-20 (1%) 3

2.4 Evaluación de la influencia del bioproducto MEF en la cinética de la

hidratación de las pastas de cemento (Calorimetría isotérmica)

Los ensayos reológicos de las pastas tienen la ventaja de ser rápidos, son

necesarios para conocer su comportamiento físico y marcan en la práctica el

aporte de los aditivos, pero brindan poca información sobre los procesos que

pueden ser responsables de esta fluidez. Para entender mejor su

comportamiento, fue necesario realizar el ensayo de Calorimetría Isotérmica y

así evaluar las modificaciones de la cinética en la hidratación del cemento

producida por la adición del bioproducto MEF-32 con y sin modificaciones en el

pH, los bioproductos MEF tipo 3 y MEF tipo 6, los ácidos carboxílicos (acético y

láctico), sus mezclas y el aditivo comercial Dynamon SRC 20.

El estudio se realizó en el laboratorio del CQA y con este se pudo identificar el

efecto de la adición de los aditivos antes mencionados en la cinética de la

hidratación del cemento P-35. Esta investigación se realizó a temperatura de

20 ± 2°C. La relación agua/cemento (a/c) se fijó igual a 0,45.



63

2.4.1 Equipos, utensilios y materiales


Calorímetro: Thermometric TAM AIR

Cronómetro

Balanza (+/-0,0001g)

Espátula

Agitador de laboratorio tipo Kika, con varilla agitadora de hélice

(impelente)(Igual que para el minicono).

Goteros desechables

Paños de secado

Materiales:

- Agua: Cumple con la (NC353-04, 2004).

- Cemento: P-35. Procedente de la fábrica de cemento Karl Marx en la

- provincia de Cienfuegos

- Aditivos:

MEF-32 a pH inicial

MEF-32 a pH=7

MEF-32 a pH=12

ácido láctico (100 mg/mL)

ácido acético (30 mg mL)

Mezcla 1

SRC 20

Procedimiento:

Se le aplicó el mismo protocolo de mezclado del ensayo del minicono descrito

en el acápite 2.3. Para el ensayo de calorimetría isotérmica se mezcla con el

agitador 100 g de cemento y 45 g de agua, para una relación a/c=0,45 (igual

que en el minicono). Se llenó el frasco con 10 g de mezcla que se colocó

dentro del calorímetro. Esto se realizó con los goteros desechables y puntas de

micro-pipeta para facilitar una mayor exactitud. Se pesó 4,341 g de agua para

usarla como referencia. El equipamiento estaba conectado a la computadora



64

con el propósito de monitorear el índice de generación de calor. Las muestras

se mantuvieron en el equipo durante 3 días.

2.4.2 Dosificación y series

La dosis empleada para el bioproductos MEF-32 y sus modificaciones en el pH

fueron al 2 %. Los ácidos carboxílicos (acético y láctico) y su mezcla (Mezcla 1)

fueron utilizados al 2 %. El aditivo SRC 20 fue utilizado 0,5 % con respecto al

peso del cemento.

Tambien se incluyeron los bioproductos MEF tipo 3 y MEF tipo 6, a la dosis de

2%.

Se tuvo en cuenta a todos los % empleados el agua aportada por cada aditivo

para mantener la (a/c) a 0,45. La dosificación se muestra en la Tabla 2.4.1.

Tabla 2.4.1 Dosificación de las muestras para el ensayo de calorimetría

Aditivo Cantidad de aditivo (g)

Cemento (g) Agua ajustada (g)

Patrón 0 100 45,000

MEF-32 a pH inicial (2%) 2 100 43,060

MEF-32 a pH=7 (2%) 2 100 43,060

MEF-32 a pH=12 (2%) 2 100 43,060

MEF tipo 3 (2%) 2 100 43,268

MEF tipo 6 (2%) 2 100 43,232

ácido acético (2%) 2 100 43,020

ácido láctico (2%) 2 100 43,092

Mezcla 1 (2%) 2 100 43,148

Dynamon SRC 20 (0,5%)

0,5 100 44,826

2.5 Determinación de la consistencia y tiempo de fraguado. Ensayo de la

de la Aguja de Vicat, procedimiento

Este ensayo se llevó a cabo para determinar la influencia del cambio del pH del

MEF-32 en la consistencia y tiempos de fraguado en el cemento hidráulico P-

35 mediante el ensayo de la aguja de Vicat. Este se realizó en los laboratorios



65

de la Empresa de Investigaciones Aplicadas de Villa Clara (ENIA VC), a una

temperatura de 22 ± 2°C.

2.5.1.1 Ensayo de la Aguja de Vicat. Procedimiento

La Norma (NC524, 2007) “Cemento hidráulico—Método de ensayo—

Determinación de la consistencia normal y tiempos de fraguado por Aguja

Vicat” establece un método para determinar la consistencia normal de los

cementos, que se basa en la resistencia que opone la pasta de cemento a la

penetración de la sonda de un aparato normalizado, llamado Aparato de Vicat.

Con el resultado obtenido del minicono se procedió a hallar la consistencia

normal en la pasta de cemento y a partir de este resultado se determinó el

tiempo de fraguado inicial y final mediante la aguja de Vicat y así se comprobó

si el MEF posee como característica ser un retardador o acelerador de

fraguado. Se cometieron dos réplicas por cada serie.

2.5.1.2 Determinación de la consistencia normal

Este método de ensayo se utilizó para definir la cantidad de agua requerida en

la preparación de la pasta de cemento hidráulico y poder determinar el tiempo

de fraguado.

Se consideró que la pasta obtuvo una consistencia normal, cuando la barra,

después de ser liberada, penetró en un punto (10 ± 1 mm) por debajo del nivel

original de la superficie en 30 s (NC524, 2007). Se realizaron varias pruebas

con diferentes pastas variando el porcentaje de agua hasta que se obtuvo la

consistencia normal.

La determinación de la consistencia normal del sistema cemento-agua-aditivo,

se realizo a la dosis del 2% del MEF-32 y sus modificaciones en el pH y 0.50

% para el aditivo comercial SRC 20 como patrón. Se determinó la cantidad de

agua necesaria para que la pasta alcance la consistencia normal.

Una vez conocido el volumen de agua necesario para alcanzar la consistencia

normal, se determinaron los tiempos de fraguado inicial y final. En el anexo 4,

se muestran los accesorios y el equipo aguja de Vicat utilizados).



66

2.5.1.3 Determinación del tiempo de fraguado

Las dosificaciones con las cuales se logró la Consistencia Normal, se utilizaron

para la determinación del tiempo de fraguado por la Aguja de Vicat a través de

procedimiento descrito en la (NC524, 2007).

2.5.1.4 Equipos, utensilios y materiales


Amasadora.

Aparato de Vicat

Espátulas

Balanza (CONTROLS)

Pesa de 1000 g ( para realizar la calibración de la balanza)

La amasadora cumple con los requisitos exigidos en la norma NC 524: 2007

(NC524, 2007).

Accesorios de la amasadora:

Paleta (Anexo 4).

Recipiente de amasado (Anexo 4).

El aparato Vicat tiene la posibilidad de ajustarle dos tipos de agujas diferentes

(una de 50 mm y otra de 1 mm) en dependencia del ensayo. Las características

del ensayo se encuentran abordadas en la NC 524: 2007 (NC524, 2007).

Materiales:

- Agua: Cumple con la NC 353-04: 2004 (NC353-04, 2004)

- Cemento: P-350. Procedente de la fábrica de cemento Karl Marx, de

Cienfuegos.

- Aditivos:

MEF-32 a pH=3,44

MEF-32 a pH=7



67

Procedimiento:

El procedimiento seguido fue el de la norma NC 524: 2007 (NC524, 2007).

2.5.1.5 Dosificación y series

La dosificación para la muestra patrón fue:

- Cemento: 650 g

- Agua por tanteo (mL)

- MEF-32 con su pH inicial y sus modificaciones.

Para este ensayo se definieron siete series (Tabla 2.5.1).

Tabla 2.5.1 Series en el ensayo de la Aguja de Vicat.

Series Plastificantes Dosis de adición en

peso de cemento (%)

0. Patrón. 2

1. MEF-32 a pH inicial 2

2. MEF-32 a pH=7 2

Capítulo III. Análisis y discusión de los resultados de los ensayos realizados a pastas

de cemento P-35

68

Capítulo 3. Análisis y discusión de los resultados de los ensayos

realizados a pastas de cemento P-35

En el presente capítulo se realizó el análisis de los resultados obtenidos

mediante la caracterización químico-física, así como los ensayos reológicos y

calorimétricos realizados en pastas de cemento P-35.

Este análisis se efectuó estableciendo comparaciones entre los resultados de

los parámetros que se determinaron en la caracterización y parámetros

reportados en la bibliografía especializada.

3.1 Caracterización del bioproducto MEF-32

3.1.1 Caracterización químico –física de los bioproductos MEF

En la Tabla 3.1 se muestran los resultados obtenidos, de la caracterización

químico-física realizada al bioproducto MEF-32 y a las referencias MEF-19, y al

aditivo comercial Dynamon SRC 20.

Al analizar el valor de la densidad del bioproducto MEF-32 se comprobó que

se encuentra en valores no alejados de las referencias. Además los valores

para los tres aditivos están cercanos a la densidad del agua. Al comparar los

resultados de los sólidos totales (ST), los valores para el MEF-32 y para la

referencia MEF-19, son inferiores con respecto al Dynamon SRC-20. Por lo

general los aditivos comerciales presentan valores de ST de (20-40) % (Alonso

et al., 2007, Ghorab et al., 2012).

En cuanto a los valores de pH obtenidos para el MEF-32, se observa que el

mismo está en la zona ácida de la escala del pH, lo cual concuerda con las

condiciones del proceso de fermentación para desarrollar este bioproducto.

Este valor es similar al obtenido para la referencia MEF-19. Según las normas

NC228-1: 2005 y CAA-056TC: 2004 (NC228-1, 2005, CAA-056TC, 2004)

exigen que los aditivos tienen que tener un pH 7, debido a que aditivos con

valores de pH por debajo de este punto, pueden afectar la pasividad de los

hormigones en dependencia de la dosis a utilizar. En la investigación realizada

por Yatim (2009) con productos obtenidos mediante la tecnología de


de cemento P-35

69

microorganismos eficientes (EM) y pH ácidos, al utilizar dosis mayores del

10%, se afectaba la pasividad del hormigón (Yatim et al., 2009).

Por otro lado, al analizar los valores de la conductividad eléctrica (C.E)

obtenidos para el MEF-32, se deduce que existe una elevada presencia de

electrolitos (sustancias iónicas en solución) en este (Palacios et al., 2003).

Comúnmente, los electrolitos existen como disoluciones de ácidos, bases o

sales. También las soluciones de electrolitos pueden resultar de la disolución

de algunos polímeros. Al comparar los valores C.E con respecto a las

referencias, se observa que estos están en la misma escala de los mS/cm,

para el caso del MEF-19 es conocido que presenta una composición química

con varios metales disueltos (Martirena et al., 2014) y los polímeros como el

Dynamon RSC-20 en disolución contienen múltiples centros cargados.

Es de señalar la diferencia establecida en el parámetro Sólidos Solubles (S.S)

del aditivo MEF-32 con respecto al Dynamon SRC 20.

Tabla 3.1: Caracterización químico-física.

Ensayo MEF-32 MEF-19 Dynamon SRC 20

Densidad picnométrica (g/cm3) 1,02 1,01 1,12

Sólidos totales S.T (%) 2,15 2,32 42,00

pH 3,44 3,40 6,21

Conductividad eléctrica C.E (mS/cm) 7,71 6,45 9,29

Sólidos totales disueltos T.D.S (g/L) 3,85 3,19 5,06

Sólidos solubles S.S (%) 2,40 3,20 30,20


En la identificación de los grupos funcionales del bioproducto MEF-32, donde

se utilizó la técnica espectroscopía infrarroja transformada de Fourier (FTIR)

(Pérez Martinez and Ortiz del Toro, 2010), recomendada para este tipo de

investigaciones (Palacios et al., 2003) se corroboró que este bioproducto tiene

en su composición varios grupos funcionales. La determinación del espectro

infrarrojo de un aditivo es un requisito de la norma NC228-1:2005 (NC228-1,


de cemento P-35

70

2005) que presenta correspondencia con estándares internacionales (CAA-

056TC, 2004).

En la Figura 3.1.1 se muestra el espectro FTIR a este bioproducto. En este se

observan cinco tipos de bandas fundamentales. A continuación se describen

cada una de ellas:

1: Banda ancha e intensa con centro en 3390 cm-1, típica de la vibración de

valencia del grupo OH asociado por puentes de hidrógeno3.

2: Dos bandas en 2923 y 2881 cm-1, típicas de vibraciones anti-simétricas y

simétricas de valencia de los carbonos Sp3 unidos a hidrógenos en compuestos

orgánicos saturados.

3: Banda en 1733 cm-1, correspondiente a la vibración de valencia de grupos

carbonilos C=O.

4: Banda en 1610 cm-1, típica de la vibración de deformación N-H.

5: Bandas en 1230 y 1133 cm-1, correspondiente a vibraciones C-O.

Todas las bandas señaladas anteriormente están presentes en componentes

como los carbohidratos, ácido láctico y otros que se encuentran formando parte

del suero de leche y melaza que son materias primas para la elaboración del

MEF-32.

3 puede también quedar solapada la banda de valencia NH, dentro de la banda ancha e

intensa del OH.


de cemento P-35

71

Figura 3.1.1: Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier en el MEF-32.

3.2 Determinación del efecto del pH, concentración de sólidos solubles y

el contenido de ácidos carboxílicos del bioproducto MEF-32, en la

plasticidad y cinética de hidratación de pastas de cemento P-35

En la Figura 3.2, se observan los índice de plasticidad (IP) obtenidos a través

del ensayo del Minicono, para el bioproducto MEF-32 y las referencia MEF-19 y

el Dynamon SRC-20. Al analizar estos resultados se comprobó el efecto

plastificante de los productos MEF aunque inferior con respecto al aditivo

comercial, a pesar de que este último fue utilizado a una dosis menor (0.25 %).

Además, esta referencia fue usada a la dosis del 2 % en peso de cemento,

pero en este último caso con una dilución hasta alcanzar igual valor de S.S que

en el MEF-32. Esto demuestra la eficiencia que presenta el superplastificante,

debido a que este está formado por moléculas diseñadas para ejercer un

esparcimiento marcado en las mezclas de cemento.

Por otro lado, al comparar los resultados del IP entre el MEF-32 y el MEF-19,

se observa que en el caso del MEF-32 los resultados fueron menores (Figura

3.2.1) en todas las dosis empleadas, y se mantuvo la tendencia de trabajos


de cemento P-35

72

similares realizados con el MEF-19, donde a medida que se incrementó la

dosis aumentó el IP (Peña León, 2013, Cabrera Pérez, 2013, Brizuela, 2013).

Estos resultados fueron corroborados con la utilización de un análisis de

varianza multifactorial, donde se seleccionó como variable dependiente IP (%)

y como factores: aditivos (MEF-32 y MEF-19), dosis (2 %, 6 % y 8 %) y réplicas

(3) el cual se muestra en la tabla de la ANOVA (Anexo 5). Como resultado de

este estudio se determinó que tanto el tipo de aditivo (Figura 3.2.2), como las

dosis utilizadas (Figura 3.2.3), tienen una influencia estadísticamente

significativa sobre el I.P % con un 95.0 % de nivel de confianza, porque los

valores-P son menores que 0.05.

Figura 3.2.1: Efecto de plasticidad en las pastas de cemento P-35 por la adición del los aditivos (MEF-32, MEF-19 y SRC 20 normal y diluido).

Figura 3.2.2: Comparación entre los aditivos MEF-32 (1) y MEF-19 (2).

9.06

40.76

75.26

25.57

73.40 82.60

252.65

150.81

0

50

100

150

200

250

300

0.25 2 6 8

IP %

Dosis de aditivo (%)

MEF-32

MEF-19

Patrón SRC-20

Patrón SRC-20 diluido

1 2

Means and 95.0 Percent LSD Intervals

Aditivo

34

44

54

64

74

I_P

%


de cemento P-35

73

Figura 3.2.3: Análisis de la influencia de la dosis de los bioproductos MEF-32 y MEF-

19) sobre el IP.

3.2.1 Efecto del pH

Se comprobó que el aumento del pH del MEF-32, influye en sus propiedades

como plastificante. Esto se realizó porque este bioproducto no cumple con el

requisito establecido por la norma NC 228-1:2005 (NC228-1, 2005), ya que su

pH es de 3.44. Para ello se estudio el efecto plastificante del producto MEF-32,

con un MEF-32 a pH=7 y otro MEF-32 a pH=12. En la Tabla 3.2 se muestran

algunas características químico-físicas determinadas a estos productos

modificados.

Tabla 3.2: Características químico-física del MEF-32 y modificaciones en el pH.

Parámetros MEF-32 pH=3.44

MEF-32 pH=7

MEF-32 pH=12

Conductividad eléctrica C.E (mS/cm) 7,71 14,89 18,17

Sólidos totales disueltos T.D.S (g/L) 3,85 7,45 9,10

Sólidos solubles S.S (%) 2,4 2,6 2,8

Como se aprecia en la Tabla 3.2, al aumentar el pH en el MEF-32, aumenta la

conductividad eléctrica y sólidos totales disueltos, en los bioproductos

modificados, aumentando así el número de electrolitos disueltos en estos. Sin

embargo, los resultados de los sólidos solubles (por refractometría) son

similares para los tres bioproductos.

2 6 8

Means and 95.0 Percent LSD Intervals

Dosis

0

20

40

60

80

100I_

P %


de cemento P-35

74

En la Figura 3.2.4 se observa que en el MEF-32 a pH=3.44 y MEF-32 a pH=7,

los IP aumentan con el aumento de la dosis de aditivo, no así en el caso del

MEF-32 a pH=12, el cual a las dosis de 6 y 8 % en peso de cemento, el IP

disminuyó en relación con el MEF-32 a pH=3.44. Por esto se selecciona desde

el punto de vista de IP al MEF-32 con pH=7 como el de mejor resultado ya que

en todas las dosis ensayadas existió un incremento de 4.55 %, 1.46 % y 13.24

% respectivamente con respecto al MEF-32 pH=3.44, aunque el aumento

logrado, está lejos de los valores que se alcanzan con el superplastificante

Dynamon SRC-20. Este producto modificado permite el cumplimiento con uno

de los requisitos establecidos en la norma NC 228-1:2005 (NC228-1, 2005), lo

cual era uno de nuestros objetivo antes propuesto.

Figura 3.2.4: Efecto de plasticidad en las pastas de cemento P-35 por la adición de los aditivos (MEF-32 y sus modificaciones en el pH).

Todo este estudio fue verificado a través del análisis de varianza multifactorial,

donde se seleccionó como variable dependiente IP (%) y como factores:

aditivos (MEF-32 pH=3.44, MEF-32 pH=7 y MEF-32 pH=12), dosis (2 %, 6 % y

8 %) y réplicas (3). Como se observa en la tabla de la ANOVA (Anexo 6), tanto

el aditivo como la dosis, tuvieron una significación a considerar, porque los

valores-P fueron menores que 0.05. Estos factores tienen un efecto

estadísticamente significativo sobre IP (%) con un 95.0 (%) de nivel de

confianza. En el análisis de las interacciones (Anexo 6), se obtuvo que la

interacción entre los factores aditivo-dosis, fue estadísticamente significativa

9.06

40.76

75.26

13.61

42.22

88.50

17.91 38.82

58.10

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

2 6 8

IP %


MEF-32 pH=3.44

MEF-32 pH=7

MEF-32 pH=12

SRC-20


de cemento P-35

75

porque el valor P fue menor que 0.05 y en el gráfico de estas interacciones

(Figura 3.2.5) se puede corrobora este resultado. Esto es indicativo de la

influencia del pH en las propiedades plastificantes del bioproducto MEF-32, con

esta modificación puede emplearse a dosis menores en peso de cemento con

mayor efecto plastificante.

Figura 3.2.5: Tabla interacciones aditivo-dosis en el bioproducto MEF-32 con modificaciones del pH. MEF-32 pH=3.44 (1), MEF-32 pH=7 (3), MEF-32 pH=12 (4).

3.2.2 Efecto de los sólidos solubles

Se comprobó la influencia del contenido de sólidos solubles del bioproducto

sobre el IP. Los productos MEF fabricados a escala de laboratorio, donde se

variaron las condiciones en el proceso de producción de cada uno de ellos con

aumento del contenido de materias primas (MP) iniciales condicionaron los

resultados del IP. En la Tabla 3.3, se muestran sus características químico-

físicas determinadas.

Tabla 3.3: Características químico-física de los bioproductos con modificaciones en el proceso de producción.

MEF Tipo Descripción pH C.E (mS/cm) T.D.S (g/L) S.S (%)

1 Fermentación 1 3,4 8,86 4,42 3,0

2 Doble concentración MP

Fermentación1 3,6 13,73 6,84 6,2

3 Cuádruple concentración MP

Fermentación1 3,5 20,83 10,37 17,0

4 Fermentación 1 s/ madre sólida 3,4 6,32 3,16 3,8

5 Doble concentración MP

Fermentación 1 s/ madre sólida 3,5 10,39 5,16 6,4

Interacciones y 95.0% de Fisher LSD

C.Aditivo

0

20

40

60

80

100

C.I

_P

%

1 3 4

C.dosis

2

6

8


de cemento P-35

76

6 Cuádruple concentración MP

Fermentación 1 s/ madre sólida 3,5 16,55 8,18 14,0

Como se aprecia, a mayor concentración de las MP, se obtienen mayores % de

S.S, donde los mayores los presentó el bioproducto MEF tipo 3 con un 17 % de

S.S. Esto se debe a un incremento de la concentración de cuatro veces las MP

utilizadas en la fermentación primaria. También el MEF tipo 6 presentó un

elevado por ciento de S.S con 14 %, debido a que fue elaborado de forma

similar que el MEF tipo 3, pero sin MP. Con respecto al resto de las

propiedades determinadas (C.E y TDS) en los MEF tipo-3 y tipo -6 son los que

presentan mayores valores, todo esto al parecer está relacionado con el

aumento de MP.

Al realizar el ensayo del minicono con estos bioproductos a la dosis de 2 % en

peso de cemento, los resultados obtenidos fueron alentadores en cuanto al

incremento del IP (Figura 3.2.6).

Figura 3.2.6: Comparación del efecto provocado por los diferentes bioproductos MEF sobre el IP.

Como se observa en la Figura 3.2.6, los mayores IP fueron obtenidos por los

bioproductos MEF tipo 3 y MEF tipo 6, con respecto al patrón MEF-32 con un

incremento de 121.93 % y 99.35 % respectivamente. Esto justifica la teoría que

en los bioproductos MEF, a medida que se concentre más el producto se

obtendrán mayores IP.

5.09 22.76

6.66

130.99

4.84

6.24

9.54

108.41

9.06

150.81

0

50

100

150

200

250

300

0,25 2,0

IP %

Dosis de aditivo (% )

MEF tipo-1

MEF tipo-2

MEF tipo-3

MEF tipo-4

MEF tipo-5

MEF tipo-6

MEF-32

Patrón SRC-20 diluido


de cemento P-35

77

También se realizó un análisis de varianza multifactorial, donde se seleccionó

como variable dependiente IP (%) y como factores: aditivos (MEF-32, MEF tipo

1, MEF tipo 2, MEF tipo 3, MEF tipo 4, MEF tipo 5 y MEF tipo 6) y réplicas (3).

Como se observa en la tabla de la ANOVA (Anexo 7), el aditivo tiene una

significación a considerar, porque el valores-P es menor que 0.05, este factor

tienen un efecto estadísticamente significativo sobre I.P (%) con un 95.0 % de

nivel de confianza.

3.2.3 Efecto del contenido de ácidos carboxílicos (láctico y acético)

En la Figura 3.2.7, se observan los resultados obtenidos en los IP con los

ácidos láctico, acético y sus mezclas a las concentraciones posibles en la que

estos se pueden encontrar en los bioproductos MEF, según los valores

reflejados en los informes de calidad de estos.

A través de este estudio se determinó que el ácido acético es uno de los

responsables del IP ocasionado por los bioproductos MEF, debido a que su

adición en las pastas de cemento en las concentraciones establecidas (10-30)

mg/mL incrementó el IP, no así con el ácido láctico a ninguna de las

concentraciones ensayadas. Además se obtuvo que a menor concentración de

ácido acético mayor fue el IP, incluso mayor que el MEF-32 utilizado como

referencia. Sin embargo, en el caso de las mezclas ensayadas la mezcla 1 fue

la que modificó IP de las pastas de cemento, que es donde el ácido láctico está

a mayor concentración y el acético a menor concentración, pero este resultado

es menor que el MEF-32.


de cemento P-35

78

Figura 3.2.7: Efecto de los ácidos carboxílicos (ácido láctico HLac y ácido acético HAc) y sus mezclas en el IP de las pasta de cemento.

En la Figura 3.2.8, se observa los resultados obtenidos en los IP, al añadir la

sal acetato de sodio a la dosis 2 % en peso del cemento, en concentraciones

de 40.4 mg/ml y 80.8 mg/ml. Este estudio se basó en la idea de que es

probable que al interactuar el MEF con la pasta de cemento, esta sea una de

las sales que se forma en esta interacción. Se obtuvo como resultado que

estas disoluciones presentan IP al interactuar con la matriz cementicia, donde a

la concentración menor, se obtuvo mayor IP y este resultado es mayor que el

IP del MEF-32.

Figura 3.2.8: Efecto del acetato de sodio sobre el IP de pastas de cemento P-35.

9.99 4.09 9.06

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

2

IP %


acetato de sodio 40.4 mg/ml

acetato de sodio 80.8 mg/ml

MEF-32

SRC-20


de cemento P-35

79

3.3 Cinética de hidratación del cemento (Calorimetría isotérmica)

Durante la hidratación del cemento se producen reacciones exotérmicas. El

calor de hidratación es un aspecto fundamental que influye en el fraguado y en

el comportamiento característico de los cementos Portland. El ensayo de

calorimetría isotérmica, permitió observar las modificaciones que introdujo las

adiciones de los diferentes productos tratados, a las dosis de 2 % en peso de

cemento y para la referencia SRC-20 a la dosis de 0.5 %.

La Figura 3.3.1 y Figura 3.3.1a, se muestran la cinética de hidratación del

cemento P-35 con los productos descritos en el acápite 2.1


de cemento P-35

80

Figura 3.3.1: Cinética de hidratación de cemento P-35, utilizando los productos descritos en el acápite 2.1 como aditivos

Figura 3.3.1a: Ampliación a mayor

escala de la figura 3.3.1

Se realizó un análisis por separado en función de las modificaciones del

bioproducto MEF (pH, MP), ácidos carboxílicos y sus mezclas, para ganar en

claridad y poder determinar cómo influyen estos productos sobre el cemento P-

35.

Tal es el caso de la Figura 3.3.2, en donde se analizó el comportamiento de la

cinética de hidratación del cemento al añadir el bioproducto MEF-32 y sus

modificaciones en el pH. Al analizar la figura 3.3.2a con aumento de la escala

en la zona de interacción del aditivo-CSH (Silicatos hidratados), se apreció

como se desplazan las curvas de los bioproductos hacia la derecha con

respecto al tiempo, lo que indica un efecto de retardo con respecto a la curva

sin aditivo. Es de señalar que cuando se emplea el MEF-32 a pH=3.44 (ácido)

se obtienen curvas con menor calor de hidratación en comparación con la

pasta de cemento sin aditivos, mientras que tanto el MEF-32 a pH=12 como el

MEF-32 a pH=7 presentaron curvas con mayor calor de hidratación que la

pasta de cemento sin aditivo, notándose el mayor calor de hidratación en el

bioproducto MEF-32 a pH=7. También se observó que los cambios de pH

tienen mayor influencia sobre los silicatos que en los aluminatos.


de cemento P-35

81

Figura 3.3.2: Cinética de hidratación de cemento P-35, utilizando el bioproducto MEF-32 y sus modificaciones en el pH como aditivo.

Figura 3.3.2a: Ampliación a mayor escala de la Figura 3.3.2.

Al observar la Figura 3.3.3a, se analizó que tanto las curvas de los

bioproductos modificados en el proceso de producción (MEF tipo 3 y MEF tipo

6) como la del MEF-32, tiene un desplazamiento en el tiempo hacia la derecha

con respecto a la pasta de cemento sin aditivo, lo que infiere un retardo en el

fraguado. También se observó tanto el MEF tipo 3 como el MEF tipo 6

aumentan el calor de hidratación, notándose más este efecto en el bioproducto

MEF tipo 3.

Tanto aumentar el pH como las MP en los bioproductos MEF aumentan el calor

de hidratación con efecto sobre la fase CSH y un desplazamiento en el tiempo

a la derecha de la pasta de cemento sin aditivo, lo que indica un retardo del

fraguado.

Figura 3.3.3: Cinética de hidratación de cemento P-35, utilizando el bioproducto MEF-32 y sus modificaciones en la proceso de producción como aditivo.



de cemento P-35

82

El estudio de los ácidos carboxílicos (acético y láctico) y la mezcla de estos

(Mezcla-1) a como se encuentran en el bioproducto MEF-32 en la cinética de

hidratación (Figura 3.3.4a), demostró que tiene un desplazamiento en el tiempo

hacia la derecha con respecto a la pasta de cemento sin aditivo, lo que infiere

un retardo en el fraguado. También se observó que tanto los ácidos

carboxílicos como su mezcla disminuyen el calor de hidratación. Es de señalar

que tienen mayor influencia sobre la fase aluminatos que en los silicatos.

Figura 3.3.4: Cinética de hidratación de cemento P-35, utilizando ácidos carboxílicos (acético y láctico) y la mezcla de estos (Mezcla 1) como aditivo.


En la figura 3.3.5 se observa las curvas correspondiente al acumulado en

pastas de cemento P-35, utilizando los productos descritos en el acápite 2.1

como aditivos. Como resultado se puede observar como todas la curvas

presentan el mismo comportamiento, donde a partir de las 20 h, aumentó los

valores de esta variable.

Figura 3.3.5: Curvas correspondiente al calor acumulado en pastas de cemento P-35,

utilizando los productos descritos en el acápite 2.1 como aditivos


de cemento P-35

83

3.4 Caracterización de propiedades reológicas

3.4.1 Ensayo de consistencia normal y tiempos de fraguado

3.4.1.1 Consistencia normal

Según la NC 524: 2007, (NC524, 2007), para determinar el tiempo de fraguado

es necesario previamente lograr la consistencia normal de las pastas (se refiere

a la determinación de la cantidad de agua requerida para preparar la pasta de

cemento hidráulico; Aguja de Vicat). Los datos relativos al contenido de agua

para lograr esta consistencia con la adición de los bioproductos MEF-32 y

modificaciones en el pH, aparecen en la Figura 3.4.1. Como se observa la

adición del bioproducto MEF a la dosis del 2 % en peso de cemento, permite

obtener una consistencia normal con un menor porciento de agua de amasado,

que la pasta obtenida sin plastificante. Además la modificación en el pH del

bioproducto MEF-32 no afectó esta consistencia normal.

Figura 3.4.1: Efecto del bioproducto MEF-32 y sus modificaciones en el pH sobre la consistencia normal en pastas de cemento P-35.

3.4.1.2 Tiempo de fraguado

En la Figura 3.4.2 se muestra que el incremento del pH en el bioproducto MEF

no afectó los tiempos de fraguado de pastas de cemento P-35 a la dosis de 2

% en peso de cemento.

24.15

22.31 22.31 22.31

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

24.50

Sin aditivo MEF-32 pH inicial MEF-32 pH = 7 MEF-32 pH = 12

Agu

a p

ara

con

sist

en

cia

no

rmal

(%

)

Aditivo y dosis (%)

% Agua en la mezcla


de cemento P-35

84

Figura 3.4.2: Tiempos de fraguado del MEF-32 y sus modificaciones en el pH sobre las pastas de cemento P-35

3.5 Conclusiones parciales del capítulo

1. Se demostró que el bioproducto MEF-32 presenta una elevada complejidad

química, a través de los ensayos químico-físicos realizados y la

determinación de grupos funcionales.

2. Se caracterizaron desde el punto de vista químico-físicos, los productos

modificados en cuanto a pH y a la concentración de S.S, mostrándose

diferencias entre ellos.

3. Se comprobó que el bioproducto MEF-32 a pH 7 aumentó el IP de las pastas

de cemento P-35 a las dosis utilizadas con respecto al MEF-32 inicial.

4. Los bioproductos MEF tipo-3 y MEF tipo-6, obtenidos por modificaciones en

el proceso de producción, presentaron elevados IP con respecto al MEF-32 a

la dosis de 2 %, por tener mayor contenido de S.S.

5. El ácido acético presentó IP a las concentraciones ensayadas a la dosis de 2

% y el IP aumentó, con la disminución de la concentración de este. También

se determinó que la sal acetato de sodio presentó influencia sobre la

plasticidad de las pastas, al igual que la mezcla de ácido láctico y acético

tipo 1 (mezcla 1).

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

Sin aditivo MEF-32 pH inicial MEF-32 pH = 7

Tie

mp

o (

h)

Aditivo

Tiempo inicial de fraguado (h)

Tiempo final de fraguado (h)


de cemento P-35

85

6. La calorimetría isotérmica demostró que los bioproductos MEF ensayados

tuvieron efecto en la cinética de hidratación sobre el cemento en las fases de

los CSH y aluminatos. Igualmente se evidenció el efecto del retardo del

fraguado.

7. El bioproducto MEF modificado (incremento del pH) no afectó las

propiedades reológicas de consistencia normal y tiempos de fraguados en

las pastas de cemento P-35.

Conclusiones Generales

86

Conclusiones Generales

1. A través de la caracterización parcial que incluyó parámetros tales como:

densidad picnométrica, pH, conductividad eléctrica, sólidos totales disueltos,

sólidos totales, sólidos solubles y la identificación de grupos funcionales, se

comprobó que el bioproducto MEF-32 presenta una elevada complejidad

química.

2. Se comprobó que el pH y la concentración de S.S en el bioproducto MEF-32,

tuvieron influencia en la plasticidad de las pastas de cemento P-35. El

incremento del pH modificó las características químico-físicas del MEF-32 y

provocó un aumento en el IP. De igual forma, un aumento de la

concentración de S.S a través de la modificar el contenido de MP en el

proceso fermentativo condujo a un incremento en el IP.

3. El papel de los ácidos carboxílicos (acético y láctico) en el efecto

plastificante del bioproducto MEF-32 se comprobó a través de los ensayos

realizados.

4. La calorimetría isotérmica demostró que los bioproductos MEF ensayados

tuvieron efecto en la cinética de hidratación sobre el cemento en las fases de

los CSH y aluminatos. Igualmente se evidenció el efecto del retardo del

fraguado.

5. El bioproducto MEF modificado (incrementó del pH) no afectó las

propiedades reológicas de consistencia normal y tiempos de fraguados en

las pastas de cemento P-35.

Recomendaciones

87

Recomendaciones

1. Continuar la caracterización química de estos bioproductos con otras

técnicas como: Plasma Inductivamente acoplado (ICP), Espectroscopía

de absorción atómica (EAA, métodos Cromatográficos y Espectroscopia

de UV/visible y Espectroscopia de Resonancia magnética nuclear

(RMN).

2. Profundizar en el estudio del efecto de los ácidos carboxílicos y sus

sales en la plasticidad de pastas de cemento P-35.

3. Realizar otros ensayos sobre propiedades reológicas y físicas de pastas

elaboradas con bioproducto MEF modificado (pH, contenido de S.S)

Bibliografía

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Anexos

96

Anexos

Anexo1: Caracterización del cemento P-35

Tabla 1: Propiedades del Cemento P-35 (Cienfuegos).

®

EMPRESA NACIONAL DE INVESTIGACIONES

APLICADAS

Unidad de Investigación para la Construcción

R-4-15-04.D

INFORME TECNICO DE CEMENTO

TIPO DE CEMENTO: P-35

FABRICA PRODUCTORA: Cienfuegos

ENSAYO UNIDAD

FECHA

DE

ENSAYO

RESULTADO ESPECIFICACIONES INCERT

Tiempo de Fraguado Inicial min 14-02-13 145 ≥ 45 ---

Tiempo de Fraguado Final h 14-02-13 4.15 ≤ 10 ---

Consistencia Normal % 14-02-13 24.6 --- ---

Finura de Molido del cemento % 14-02-13 4,5 --- ---

Peso Específico Real del Cemento g/cm3 -- -- --- --

Resistencia a Compresión a 7 días MPa 14-02-19 31,9* ≥ 25,0 ± 0,68

Resistencia a la Flexo-tracción a 7 días MPa 14-02-19 7,3* ---- ± 1,00

Resistencia a Compresión a 28 días MPa 14-03 -12 42,05* ≥ 35,0 ± 1,06

Resistencia a la Flexo-tracción a 28

días MPa

14-03-12

8,9*

----- ± 0,38

Anexos

97

Observaciones: Se usa la NC 95:2011 Cemento Portland. Especificaciones, para la evaluación de la conformidad.

(*) Conforme

(**) No Conforme

Las incertidumbres declaradas para los resultados de ensayos están expandidas con un factor de cobertura k=2.

No se realizó el ensayo de Peso específico real, por no tener querosén certificado.

El laboratorio está disponible para cooperar con el cliente en cualquier momento, en la interpretación de los resultados que se

emiten en este informe o en cualquier otra exégesis técnica en la que estén involucrados los mismos.

Elaborado por: Lic. Aída Martínez

Martín Firma:

Revisado por: Ing. María de los Ángeles

Cabrera

Firma:

Anexos

98

Anexo 2: Características técnicas del Dynamon SRC 20.

Dynamon SRC 20 (ver tabla 2.2) es una solución acuosa al 22% de polímeros

acrílicos (sin formaldehidos) capaces de dispersar eficazmente los gránulos de

cemento y de favorecer un desarrollo lento de los productos de hidratación del

cemento.

Tabla 1: Datos técnicos del Dynamon SRC 20. Datos técnicos (valores característicos)

Aspecto: líquido

Color: ámbar Densidad (kg/l) : 1,12 + 0,02 a +20ºC

Porcentaje extracto seco (%): 42 ± 1.5 Acción principal: aumento de la trabajabilidad y/o reducción del

agua de amasado, mantenimiento de la trabajabilidad para largos períodos

Clasificación: superfluidificante retardador, reductor de agua de alta eficacia según UNI EN 934-2

Dosificación en volumen

de 0,5 a 1,0 litro por cada 100 kg de cemento (de partes finas) para hormigones premezclado.

Cloruros: ausentes

Almacenamiento: 12 meses; proteger de las heladas Clasificación de peligrosidad según Directiva 88/379 CEE:

ninguna

Requerimiento del empleo del aditivo.

Dynamon SRC 20 desarrolla la máxima acción dispersante cuando es añadido

después de los otros componentes de la mezcla (cemento, áridos, minerales o

filler y al menos un 80% del agua de la mezcla).

Anexos

99

Anexo 3: Picnómetro Gay Lussac.

Figura 1.: Picnómetro Gay Lussac

Anexos

100

Anexo 4: Accesorios y el equipo Aguja de Vicat utilizado

Figura 1. Paleta Figura 2. Recipiente

Figura 2. Equipo Vicat

Anexos

101

Anexo 5: Tabla ANOVA, comparación entre MEF-19 y MEF-32.

Análisis de Varianza para IP % - Suma de Cuadrados Tipo III

Fuente Suma de

Cuadrados Gl

Cuadrado

Medio Razón-F

Valor-

P

EFECTOS

PRINCIPALES

A:E.Aditivo 1061.31 1 1061.31 12.98 0.0367

B:E.Dosis 8849.22 2 4424.61 54.13 0.0044

C:E.replica 30.7456 2 15.3728 0.19 0.8376

INTERACCIONES

AB 524.594 2 262.297 3.21 0.1798

AC 70.1824 2 35.0912 0.43 0.6856

BC 118.159 4 29.5398 0.36 0.8248

RESIDUOS 245.225 3 81.7418

TOTAL

(CORREGIDO) 13154.3 16

Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual

La tabla ANOVA descompone la variabilidad de IP % en contribuciones debidas

a varios factores. Puesto que se ha escogido la suma de cuadrados Tipo III

(por omisión), la contribución de cada factor se mide eliminando los efectos de

los demás factores. Los valores-P prueban la significancia estadística de cada

uno de los factores. Puesto que 2 valores-P son menores que 0.05, estos

factores tienen un efecto estadísticamente significativo sobre IP % con un 95.0

% de nivel de confianza.

Anexos

102

Anexo 6: Tabla ANOVA, MEF-32 y sus modificaciones en el pH.


Fuente Suma de

Cuadrados Gl

Cuadrado

Medio

Razón-

F

Valor-

P

EFECTOS

PRINCIPALES

A: Aditivo 448.822 2 224.411 11.55 0.0044

B: dosis 16491.2 2 8245.58 424.49 0.0000

C: replica 128.469 2 64.2347 3.31 0.0898

INTERACCIONES

AB 1080.02 4 270.004 13.90 0.0011

AC 97.618 4 24.4045 1.26 0.3619

BC 48.4465 4 12.1116 0.62 0.6588

RESIDUOS 155.396 8 19.4245

TOTAL

(CORREGIDO) 18449.9 26






uno de los factores. Puesto que 3 valores-P son menores que 0.05, estos

factores tienen un efecto estadísticamente significativo sobre IP % con un 95.0

% de nivel de confianza.

Anexos

103

Anexo 7: Tabla ANOVA, Bioproductos y sus modificaciones en el proceso

de producción.


Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-

F

Valor-P

EFECTOS

PRINCIPALES

A:B.Aditivo 76656.0 7 10950.9 413.29 0.0000

B:B.replica 12.5586 2 6.27931 0.24 0.7926

RESIDUOS 317.961 12 26.4967

TOTAL

(CORREGIDO)

77019.1 21






uno de los factores. Puesto que un valor-P es menor que 0.05, este factor

tiene un efecto estadísticamente significativo sobre IP % con un 95.0 % de nivel

de confianza.

incremento del efecto plastificante del bioproducto mef-32

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