1. Educación

ESTUDIO DEL DESEMPEÑO DE LAS DIATOMITAS EN LA ELABORACION DE
CONCRETOS DE ALTA RESISTENCIA
Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco- Perú
Autor: Dheivis Yury Jara Vilca 1
SINOPSIS
El concreto al ser el material más usado en la construcción necesita adaptarse a los nuevos
requerimientos cada vez más específicos que demanda el sector de la construcción, de este
hecho es que nosotros podemos hablar de un concreto de alta resistencia, en la actualidad la
elaboración de este tipo de concreto integra principalmente el uso de la microsilice, el
problema radica en que la microsilice es un producto importado el cual no es fácil de
conseguir en nuestro país y es bastante costoso, es así como surge la opción del empleo de
las diatomitas para la elaboración de este tipo de concretos, siendo un producto nacional,
económico, y por su alto contenido de óxido de sílice en su composición química similar a la
microsilice se estima tener semejantes y mejores resultados. Por tal motivo El objetivo de este
trabajo es evaluar el desempeño y potencial de la diatomita en la elaboración de concretos
de alta Resistencia, Utilizando una metodología principalmente experimental. Elaborando 7
diseños de mezclas en total (1 concreto convencional, 3 concretos con 5%,10% y 15% de
diatomitas y 3 concretos con 5%,10% y 15% de microsilice) con la finalidad de comparar el
desempeño de cada concreto en las diferentes pruebas a las que serán sometidas de acuerdo a las
normativas del ASTM, y por ultimo determinar si la diatomita es un buen adicionanté o no para
los concretos de alta resistencia y establecer el mejor porcentaje de adición.
Palabras Claves: Concreto de alta Resistencia, Diatomitas, Microsilice, superplastificante
1. Introducción
En la actualidad existe una demanda cada vez más creciente de infraestructura moderna capaz
de satisfacer las exigencias de seguridad, comodidad y economía, utilizando materiales
sustentables, el concreto al ser el material más usado en la construcción necesita adaptarse a los
nuevos requerimientos cada vez más específicos, y de este hecho es que nosotros podemos
hablar de un concreto de alta resistencia. Los concretos de alta resistencia requieren en su
composición la incorporación de aditivos y adiciones los cuales le permiten adquirir mejores
propiedades tanto mecánicas como de durabilidad en comparación que un concreto patrón. Por
lo que se requieren productos especiales ya sea aditivos o materiales adicionantes, los cuales
deben tener un alto contenido de óxido de sílice pues en el proceso de hidratación del cemento
se desarrolla la hidratación del silicato tricalcico responsable de la adquisición de resistencia del
concreto durante su proceso de maduración, por lo que se estima que a mayor oxido de sílice
mayor resistencia, es por ello que se habla de la microsilice como componente indispensable
para la producción de concretos de alta resistencia.
el problema radica en que la microsilice es un producto importado el cual no es fácil de
conseguir en nuestro país y es bastante costoso, por lo que se plantea en este estudio la
utilización de un producto natural denominado diatomitas o tierras diatomeas que es una roca
sedimentaria silícea de origen orgánico, compuesta esencialmente por sílice amorfa conteniendo
un alto porcentaje de óxido de sílice en su composición química, siendo un producto
nacional, económico, y por su alto contenido de óxido de sílice en su composición química
similar a la microsilice se estima tener semejantes y mejores resultados. Por tal motivo El
objetivo de este trabajo es evaluar el desempeño y potencial de la diatomita en la
elaboración de concretos de alta Resistencia.
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Estudiante, Dheivis Yury Jara Vilca [email protected]
2. Objetivos
- Evaluar el desempeño y potencial de la diatomita en los concretos de alta resistencia.
-Proponer la adición de diatomitas para la elaboración de concretos de alta resistencia.
3. Discusión
Para entender de mejor manera el tema que se abordara en la presente investigación se dará a
conocer un breve marco teórico.
3.1 Concreto de Alta Resistencia
Según el American concrete Institute (ACI), un concreto de alta resistencia es aquel concreto
que supere una resistencia a la compresión de 560 kg/cm2. Siendo aquel que reúne una
Combinación especial de requerimientos de desempeño y uniformidad que no siempre pueden
ser logrados usando materiales tradicionales, mezclado normal, criterios de colocación normales
y prácticos de curado ordinarios
3.2 Aditivos Superplastificante
Denominados también reductores de agua de alto rango los cuales tiene por finalidad reducir en
forma importante el contenido de agua del concreto manteniendo una consistencia dada y sin
producir efectos indeseables sobre el fraguado, igualmente se emplean para incrementar el
asentamiento sin necesidad de aumentar el contenido de agua en la mezcla de concreto.
3.3 Microsilice
Según el Comité 116 del ACI (American Concrete Institute), define a la microsilice como: Una
silice no cristalina muy fina producida por hornls de arco electrico como un subproducto de la
fabricacion de silicio metalico o ferro silicio.
3.4 Diatomitas
“La diatomita o tierras diatomeas es una sustancia no metálica compuesta esencialmente por
sílice amorfa generada por la fosilización de organismos acuáticos microscópicos.” (Naranjo de
Lawrence 1999)
Las diatomitas se clasifican como una roca sedimentaria silícea de origen orgánico. La fuente de
toda diatomita es un organismo vivo denominado diatomea, las cuales son prolíficas y
microscópicas algas acuáticas unicelulares, que poseen dos valvas silíceas situadas dentro de la
capa externa del plasma. El tamaño de la valva de la diatomea varía según la especie,
aproximadamente entre 5 y 150 mm de diámetro. Este organismo tiene la capacidad de extraer
sílice de su hábitat natural acuoso.
Entre sus características se puede observar que la diatomita pura y seca es una sustancia blanca,
de poca densidad aparente. Absorbe entre 1 y 4 veces su peso de agua, así como también, tiene
gran capacidad de absorción de aceite. Es atacada únicamente por álcalis fuertes y por el ácido
fluorhídrico.
Los yacimientos de diatomitas conocidos en el Perú son:
- Piura: Bayóvar
- Ica: Pisco, Ocucaje
-Arequipa: Tarucani, Polobaya y Chiguata
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-Ayacucho: Quicapata, Tambillos y Quinua
- Junín: Concepción y Yanacancha
4. Desarrollo
4.1 Metodología
La metodología empleada fue principalmente experimental, Para fines de la investigación se
elaboraron: Un diseño patrón (Concreto convencional), y seis diseños manteniendo constantes
la cantidad de cemento y la relación A/C que se emplearon en el diseño del concreto patrón, Se
elaboraron 3 concretos adicionando 5%,10% y 15% de diatomita y 3 concretos adicionando
5%,10% y 15% de microsilice haciendo un total de 7 tipos de concreto. Para luego someterlas a
un proceso comparativo en cada una de las pruebas de acuerdo al ASTM para finalmente llegar
a determinadas conclusiones.
4.2 Materiales
4.2.1 Agregados
Para el presente trabajo se utilizaron agregado grueso de la cantera de wilque-Cusco empleando
el Huso 56 de la norma técnica peruana NTP 400.037.
Es bien sabido que para la obtención de concretos de alta resistencia se deben utilizar agregados
de Tamaño Máximo Nominales bajos ya sea de 1/2” a 3/8”, pero en la ciudad del Cusco donde
se realizó la presente investigación las canteras producen agregados de TMN 1” a ¾ ”
principalmente, dentro de los objetivos de esta investigación es que pueda ser reproducida y
utilizada sin la necesidad de utilizar agregados especiales, sino utilizando los agregados de la
zona por lo que se decidió utilizar huso 56 con un TMN de 1”.
El agregado fino se utilizó de la cantera de Rumicolca-cusco empleando la NTP 400.012.
Para el agregado Fino
HUSO GRANULOMETRICO
NTP 400.012
Porcentaje que pasa(%)
120.00%
100.00%
80.00%
60.00%
40.00%
20.00%
0.00%
10
1
tamaño de los tamices
Cuadro 1: granulometría del agregado fino
Para el agregado Grueso
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0.1
Huso 56 - NTP 400.037
Porcentaje que pasa(%)
120.00%
100.00%
80.00%
60.00%
40.00%
20.00%
0.00%
-20.00%
100
10
1
tamaño de los tamices
Cuadro 2: granulometría del agregado grueso
Propiedades físicas
Agregados
Fino
Grueso
Rumicolca
Wilque
Cantera
2575
2576
Peso específico seco (kg/m3)
1”
TMN
2.49
2.43
Porcentaje de absorción
(%)
4.1
1.69
Contenido de humedad (%)
Cuadro 3: propiedades físicas de los agregados
Cabe mencionar que el diseño de mezclas que se utilizo fue de la empresa de premezclados
PYMAC S.A. basadas en el método DIN 1045 por tal motivo algunas propiedades como peso
unitario se obviaron.
4.2.2 Diatomitas
En el presente trabajo de investigación se utilizó la diatomita denominada Fillite por su alto
contenido de sílice extraída por la Compañía Minera Agregados Calcáreos S.A. cuya cantera se
encuentra en el departamento de Junín. El proceso al el que es sometido este material es,
simplemente, el de extracción, molienda y embolsado.
Aquí se presenta una comparación entre las composiciones químicas de diatomita de otros
países. Se observa que la peruana está dentro del promedio de los valores extranjeros lo
que la hace atractiva comercialmente para el mercado internacional.
Cuadro 4: Composición química de algunas diatomitas naturales (% en peso)
Componente
SiO2
%
Al2O3 %
CaO
%
MgO
%
Pérdidas por
calcinación %
Lompoc, USA*
89.7
3.7
0.3
0.6
3.7
Jalisco, México*
91.2
3.2
0.2
0.4
3.6
* Lefond 1983
**Compañía Minera Agregados Calcáreos S.A. 2003
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Junín, Perú**
87.20
3.49
0.47
0.79
4.4
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4.2.3. Cemento
Se utilizó el cemento portland Tipo I Sol.
4.2.3 Agua
Red pública del distrito de San Sebastián-Cusco
4.2.4 Microsilice
La microsilice usada fue SIKA FUME, de la empresa de aditivos Sika, se presenta en polvo fino
de color gris, y cumple con la norma ASTM C-1240, poseyendo en su composición química un
93 % de óxido de sílice (SiO2).
Características:
Apariencia: polvo gris.
Gravedad específica: 2.20
Superficie especifica: 18000 – 22000 m2/kg
Partícula: Amorfa de forma esférica.
Finura (diámetro Promedio): 0.1-0.2 µm.
Porcentaje que pasa 45 µm: 95-100%.
Cuadro 5. Análisis químico de la microsilice Sika Fume
SiO2
93.0% mínimo
Fe2O3
0.8 % máximo
Al2O3
0.4 % máximo
CaO
0.6 % máximo
MgO
0.6 % máximo
Na2O
0.2 % máximo
K2O
1.2 % máximo
C (libre)
2.0 % máximo
SO2
0.4 % máximo
Perdida por ignición
3.5 % máximo
Fuente: Ficha técnica del producto Sika Fume
4.2.6 Superplastificante
Se utilizó el aditivo VISCOCRETE 20HE, de la empresa Sika la cual se presenta en forma
líquida siendo un reductor de agua de alto rango cumpliendo la normativa ASTM C-494.
4.2.7 Diseño de mezclas
El diseño de mezclas que se empleó para elaborar los 7 tipos de concreto fue el de la empresa
PREMEZCLADOS Y MAQUINARIAS CUSCO S.A. (PYMAC) la cual se basa en el diseño de
mezclas DIN 1045.
Para los 7 diseños se mantuvo constante la cantidad de cemento como también la relación
Agua/cemento, la cantidad de superplastificante variaba a medida que se utilizaba mayor
cantidad de diatomita como microsilice con la finalidad de mantener una similar consistencia.
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Cuadro 5: Resumen de los diseños de mezcla
Concreto Concreto Concreto Concreto Concreto
Concreto
Concreto
Patrón
con 5% con 5% de con 10%
con 10%
con 15%
con 15%
(CC)
de
microsilice
de
de
de
de
diatomita
(M5)
diatomita microsilice diatomitas microsilice
(D5)
(D10)
(M10)
(D15)
(M15)
700
700
700
700
700
700
700
Cemento (Kg/m3)
868.3
826.4
828.6
784.4
788.9
742.5
749.2
Arena (kg/m3)
578.5
550.6
552.1
522.6
525.6
494.7
499.1
Piedra (Kg/m3)
176
179.1
179.1
195.6
195.6
198.7
212.2
Agua (L/m3)
35
70
105
Diatomita
(Kg/m3)
35
70
105
Microsilice
(Kg/m3)
21
28
28
21
21
28
14
Superplastificante
(L/m3)
2
2
2
2
2
2
2
Aire (%)
5. Ensayos y resultados
5.1 Ensayo de Revenimiento o Slump
Realizado según norma ASTM C143. El equipo usado fue el cono de Abrams.
Asentamiento-ASTM C143
2450
Asentamiento (pulg)
2400
2350
2300
2250
2200
2150
2100
D5
M5
D10
M10
D15
Notamos que a medida que aumentamos el % de diatomita el asentamiento disminuye con el
mismo % de superplastificante disminuyendo su trabajabilidad, lo contrario sucede con la
microsilice pues a mayor adición de esta mayor trabajabilidad para evitar la segregación se
utilizo menor % de superplastificante en el concreto con 15 % de microsilice(M15).
En términos generales se observa todos los concretos se obtienen un buen asentamiento el cual
nos da una buena trabajabilidad la cual nos va permitir bombear el concreto sin ningún
problema.
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5.2 Ensayo de Peso unitario
Realizado según norma ASTM C 029
Peso Unitario-ASTM C 029
2450
P.U. KG/M3
2400
2350
2300
2250
2200
2150
2100
D5
M5
D10
M10
D15
M15
CC
Se puede observar claramente que a mayor adición que se le da al concreto disminuirá su peso
unitario, los 3 concretos de diatomita (D5, D10 Y D15) poseen un peso unitario menor que el
concreto convencional (CC) y los 3 concreto con microsilice (M5, M10 Y M15).
5.3 Tiempo de fraguado
Realizado según norma ASTM C 403
Tiempo de Fraguado ASTM C 403
25
HORAS
20
15
10
5
0
D5
M5
D10
M10
D15
M15
CC
Fraguado Inicial
Fraguado Final
Se observa que a mayor adicion de diatomita el tiempo de fraguado es menor en comparación a
los demás concreto, lo cual es bueno para una rápida utilización del concreto y evitar asi gastos
en encofrado.
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5.4 Temperatura
Este método provee un significado para la medición de la temperatura del concreto fresco.
Puede ser usado para verificar la conformidad de un requerimiento de temperatura específico de
un concreto.
Realizado según el ASTM C1064
Temperatura ASTM C1064
TEMPERATURA (°C)
20
19.5
19
18.5
18
17.5
D5
M5
D10
M10
D15
M15
CC
Observamos que el concreto con adicion de 15% de diatomita es aquel que posee mayor
temperatura por lo que su tiempo de fraguado sera menor que los demás concretos lo cual se
corrobora con la prueba de tiempo de fraguado.
5.5 Resistencia a la compresión
Realizado según norma ASTM C 039
Edad del
concreto
1
3
7
28
56
Resistencia a la compresión Kg/cm2
D5
37.28
460.32
626.31
676.28
795.47
M5
19.53
460.94
558.58
654.47
777.11
D10
283.71
456.82
628.96
671.24
850.54
M10
213.43
527.08
664.53
762.10
875.02
D15
82.91
435.02
547.53
720.38
832.67
M15
158.80
514.52
606.75
641.48
789.59
En la tabla presente se observa claramente que el concreto con 10% de adicion de microsilce
alcanzo una resistencia mayor a todos los demás obteniendo 875.02 kg/cm2 ,y el de 10 % de
diatomita obtuvo 850.54 kg/cm2 con una pequeña diferencia con el concreto M10 ambos al os
56 días.
Todas los concretos con adición superan su resistencia al concreto convencional.
Los concretos con 5% y 15% de adición de diatomita son superiores a los de su comparativa en
este caso los concreto de 5% y 15% de microsilice.
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CC
34.33
465.88
512.05
571.76
603.15
6. Conclusiones
-
-
-
El desempeño de las diatomitas en los concretos de alta resistencia es óptimo pues
brinda buenos resultados. Se obtuvieron similares resultados y en otros mejores que los
concretos adicionando con microsilice.
El mejor porcentaje de adición fue el concreto con una adición de 10 % de diatomita
pues obtuvo un valor muy similar de resistencia de su par con microsilice al 10%.
Se deseó que todas las mezclas tuvieran gran plasticidad por el tema de trabajabilidad;
sin embargo, todas las mezclas que contienen diatomita requieren más trabajo y
esfuerzo. Es decir, existe una relación directamente proporcional entre cantidad de
diatomita, trabajo y esfuerzo en comparación que los concretos con microsilice.
El m3 de concreto elaborado con diatomita es más económico que el elaborado con
microsilice.
A mayor adición de diatomita disminuirá el peso unitario.
Con respecto al tiempo de fraguado todos los concretos con diatomita fraguan mucho
mas rápido que los demás concretos permitiendo que estos sean utilizados de manera
rápida siendo conveniente económicamente.
7. Bibliografía
1
-
Patricia Vilca Aranda; “Obtención de concretos de alta Resistencia”; Tesis de Grado
FIC Universidad Nacional de Ingeniería; Lima-2008.
-
Edher Huincho Salvatierra; “Concreto de alta resistencia usando aditivo
superplastificante, microsilice y nanosilice con cemento portland tipo I”; Tesis de Grado
FIC Universidad Nacional de Ingeniería; Lima-2011.
-
Carlos Sanchez Stasiw; “Estudio Experimental del empleo de diatomitas en la
producción de concretos de alto desempeño”; Tesis de Grado FIC Universidad Peruana
de Ciencias Aplicadas; Lima-2008.
-
Anthony Pajuelo Amez, Alvaro Alonso Pómez Montiel; “Concreto de alto desempeño
utilizando nanosilice”; Universidad Nacional de Ingeniería.
-
EMPRESA MINERA REGIONAL GRAU BAYOVAR
(http://www.minerabayovar.com.pe/diatomitas.htm )
Estudiante, Dheivis Yury Jara Vilca [email protected]
S.A.
Diatomitas