Revista Tendencias en Docencia e

Investigación en Química

2019

Año 5

Número 5

Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México

P á g i n a | 514

Efecto de cargas inertes en las propiedades del concreto polimérico

Padilla Ramírez Amando José*, Panamá Armendáriz Mauricio Iván, Hurtado López Grissel, Flores Bustamante Antonio, López Ruiz Manuel de Jesús

Universidad Autónoma Metropolitana, Departamento de Materiales. Av. San Pablo No. 180, Azcapotzalco, Ciudad de México. C.P. 02200. México. *Autor para correspondencia: ajpr@uam.azc.mx

Recibido: 04/agosto/2019

Aceptado: 04/octubre/2019

Palabras clave: Concreto polime rico, agregados inertes, BMC reciclado

Keywords: Polymer concrete, inert aggregates, recycle BMC

RESUMEN

Se presenta un estudio comparativo entre tres tipos de cargas para elaborar concreto polimérico (CP). En particular, las cargas participan en un alto porcentaje en el concreto polimérico. Generalmente entre un 70 al 85% en peso, por lo que su selección resulta importante no solo desde el punto de vista de costos, sino también en las propiedades del CP. Los agregados considerados son: carbonato de calcio o calcita empleado usualmente en CP, reciclado de BMC de desecho y microesferas de bajo peso específico. Los resultados de ensayos físico mecánicos muestran que el BMC puede ser empleado en la elaboración de CP, con la ventaja de tener un costo por litro ligeramente menor a la calcita y de esta manera darle un uso al BMC de desecho. Esto permite potencialmente reducir la contaminación plástica por los desechos de este proceso de termoformado de BMC.

ABSTRACT

This work presents a comparative study between three different fillers for manufacturing polymer concrete (PC). Fillers content in PC represents 70% to 85% in weight. For this fact, selection of filler is important; from the viewpoint of the cost as well as the physical and mechanical properties of PC. Selected fillers are: calcium carbonate or calcite, which is usually employed in PC, recycles BMC from waste of thermoforming process and lightweight micro spheres. Physical and mechanical results shown that recycle BMC could use as filler for PC, with cost additional advantage, since the cost per liter of PC based on BMC is lower than PC based on calcite. This allows the use of recycle BMC and the potential contamination reduction of thermoforming BMC process.

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Introducción

El concreto polimérico, es un material compuesto a base de resinas termofijas y cargas minerales (agregados inertes) y eventualmente reforzada con fibra de vidrio. Las ventajas de este tipo de concreto son una mayor resistencia mecánica, alta resistencia al medio ambiente y agentes químicos, mínima absorción de agua, aislante eléctrico y transparente a las radiaciones electromagnéticas.

En particular, los agregados inertes participan en un alto porcentaje en el concreto polimérico. Generalmente entre un 70 al 85% en peso, por lo que su selección resulta importante no solo desde el punto de vista de costos, sino también en las propiedades en el estado fresco como en el estado sólido del concreto polimérico.

De la información disponible en la literatura (Asif A. and Anis A. 2013, Czarnecki L 2007 y Wahby 2003) y resultados preliminares, usando el mismo tipo de agregado, en este caso arena sílice, muestran una resistencia mecánica de concreto polimérico mayor en un 100% en comparación con el concreto hidráulico Portland, y un peso específico ligeramente menor, aproximadamente en un 20%, tal y como lo muestra los datos de la tabla 1.

Tabla 1. Propiedades del concreto polimérico y del concreto Portland (Asif y Anis, 2013; Czarnecki, 2007; Wahby 2003).

Muestra

Densidad

media

g/cm3

Resistencia a

la compresión

Kg/cm2

Cemento Hidráulico 2.40 23.5

Concreto polimérico 2.04 52.0

Por lo anterior, la mayoría de las propuestas de optimización de los concretos poliméricos se orientan a controlar y evaluar el efecto de las siguientes variables:

• Tipo de carga (arenas y micro-esferas de vidrio)

• Contenido de carga

Metodología

Este estudio se enfoca en la caracterización de diversos tipos de agregados inertes y el efecto que presentan en las propiedades físicas y mecánicas del concreto polimérico.

El concreto polimérico es evaluado en:

• Su densidad,

• Su resistencia a la compression

Diseño experimental

El trabajo está orientado en la determinación del efecto de cada agregado en: la densidad del concreto, la fluidez, y en su resistencia a la compresión.

Por lo que se determinó primeramente las características de los agregados. En este estudio se agregan dos cargas nuevas no utilizadas antes:

• BMC reciclado con el objeto de darle un aprovechamiento a este desecho.

• Microesferas de aluminosilicato de baja densidad (del orden de 0.25 a 0.33 g/cm3), con el objeto de bajar el peso específico del concreto polimérico.

Materiales

Resina

Se emplea una matriz de resina termofija a base de una resina poliéster no tixotrópica de baja viscosidad. Esta resina es ampliamente usada en concretos poliméricos (Bonig 1964 y Nava 2005). La viscosidad de la resina es de 197 cp @ 25°C, determinada usando un viscosímetro Brockfiel, con aguja #3, a 60 rpm.

Las cargas empleadas son:

• BMC reciclado procedente de la molienda de material de desperdicio. El BMC es un material conformado en mayor parte (alrededor de un 60% en peso) por cargas del tipo de carbonato de calcio, fibra de vidrio corta (entre 10 y 15% w), y el resto por resina poliéster y aditivos. Debido a que proviene de una molienda, el BMC ofrece una amplia distribución de tamaños de partícula que van desde malla 8 hasta malla 100.

• Carbonato de calcio con un tamaño medio de partícula de 44 micras.

• Micro esfera de alumino silicato M200, de baja densidad (0.25 g/cm3) con un tamaño medio de partícula de 76 micras.

Ensayos

El concreto polimérico es evaluado en:

• En su densidad, mediante picnómetro de acuerdo a la Norma ASTM D-854

• En su resistencia a la compresión, usando como probetas cubos de 5cm de lado y empleando una prensa hidráulica de acuerdo a la Norma NMX-C-051-ONNCCE.

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Resultados y discusión

Caracterización de materias primas

Las propiedades de la resina poliéster determinadas fueron:

1. Densidad en estado líquido mediante picnometría, resultando un valor medio de densidad de 1.108 g/cm3.

2. Viscosidad de la resina, determinada en viscosímetro Broockfield a la temperatura de 25°C. El grafico de la figura 1, muestra la relación de la viscosidad con la rapidez de giro de la aguja, observándose que la viscosidad permanece prácticamente constante (alrededor de 50,000 MPa*seg) en el rango de velocidad de giro. Lo que muestras se trata de una resina newtoniana (no tixotrópica).

Figura 1. Viscosidad de resina poliéster en función de la velocidad

de giro usando viscosímetro Brookfield.

3. Densidad en el estado sólido, determinada usando un picnómetro de sifón y obteniendo una densidad media de 1.18 g/cm3.

4. Resistencia mecánica a la compresión. Se determinó utilizando bloques del material en cubos de 5 cm de lado. La resistencia a la compresión media es del orden de 61.5 MPa

La tabla 2, muestra los valores medios de las propiedades determinadas en las cargas inertes empleadas en este estudio.

Tabla 2. Valores medios de las propiedades determinadas en las

cargas inertes.

Carga Densidad

g/cm3

Absorción de agua

%

Tamaño de partícula

medio micras

Carbonato de calcio

2.6 <1% 325

BMC reciclado

1.98 <1% 2,360

Carga ligera 0.29 5% 76

Se encontró una importante variación en las densidades de las cargas empleadas en el análisis de los tres concretos poliméricos en los cuales variaba el volumen del contenido de la carga.

Efecto de las cargas en la densidad del concreto polimérico

La densidad resultante del concreto polimérico depende de manera directa y prácticamente lineal de la densidad y contenido de carga en la formulación del concreto.

De esta forma, las cargas de BMC reciclado y de carbonato de calcio (con densidades de 1.91 y 2.6 g/cm3 respectivamente), incrementan la densidad del concreto polimérico, alcanzando densidades de 2.0 y 1.6 g/cm3, cuando se tiene un contenido de prácticamente similar del 60% en volumen de carga, para ambos tipos de concreto. Por otro lado, la inclusión de microesferas reduce la densidad del concreto polimérico logrando densidades desde 1g/cm3 hasta 0.7 g/cm3, dentro del rango de ensayo. La figura 2 muestra gráficamente los valores de densidad de los tres tipos de concretos.

Figura 2. Efecto del contenido de cada tipo de carga en volumen

en la densidad del concreto polimérico.

Efecto de las cargas en la resistencia a la compresión del concreto polimérico

El concreto con base en BMC reciclado

Al presentar un aumento en el contenido de la carga de hasta

un 50% en su volumen aproximadamente presenta una

tendencia al incremento en la resistencia a la compresión. A

concentraciones mayores la resistencia disminuye debido a

la reducción de mojado de la resina sobre las partículas de

carga lo que genera espacios vacíos que provocan la

disminución mecánica del concreto.

El concreto con base en carbonato de calcio

Muestra también una tendencia similar a la del concreto de BMC, pero la resistencia a la compresión alcanza valores mayores a 100 MPa a concentraciones de la carga del orden de 45% en volumen. A partir de este contenido de carga la resistencia mecánica disminuye.

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

0% 20% 40% 60% 80%

De

nsi

da

d g

/cm

3

Contenido de carga % en volumen

BMC rec

Carbonato

Microesfera

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Concreto reforzado con microesferas base de alumino

silicato M 200

La resistencia disminuye fuertemente con el incremento de

la carga en el concreto, de tal forma que a niveles de carga

del 50% en volumen la resistencia es 6 veces inferior a la

resistencia de la resina pura empleada en la elaboración del

concreto.

La variación de valores a la compresión y comportamiento

mecánico de los tres tipos de concretos poliméricos se

muestra en la figura 3.

Figura 3. Variación de la resistencia a la compresión de los tres

tipos de concreto polimérico con el contenido de carga en cada uno

de ellos.

Correlación resistencia versus densidad

En los tres tipos de concretos poliméricos, existe una relación directa entre su densidad y la resistencia a la compresión. A mayor densidad mayor resistencia. Los gráficos de las figuras 4 y 5 muestran estas tendencias. En particular en la figura 5 se muestra una correlación lineal de todos los datos de densidad y resistencia correspondientes a los tres tipos de concretos poliméricos.

Figura 4. Variación de la resistencia a compresión con la densidad

en cada tipo de concreto polimérico.

Figura 5. Correlación entre la densidad y resistencia a la

compresión de los tres tipos de concretos poliméricos.

Efecto de las cargas en el costo del concreto polimérico

Un punto relevante es el costo del producto para fines de aplicación industrial, por lo que se realiza este breve análisis de costo de materiales para cada tipo de concreto polimérico.

Las figuras 6 y 7 muestran los costos volumétricos de cada tipo de concreto en función del contenido de carga, a medida que incrementa la carga, se reduce gradualmente el costo del concreto. En estas Figuras se grafican los costos de todas las formulaciones elaboradas. En este caso, el concreto con menor costo por litro resulta ser el concreto a base de BMC reciclado, seguido por el concreto a base de carbonato de calcio y finalmente el concreto a base de microesfera de alumino silicato.

Es importante hacer notar, que la reducción de costo para los concretos a base de BMC y carbonato de calcio, en los porcentajes que se alcanza la mayor resistencia mecánica, la reducción en costo es de 47% y 38% respectivamente con respecto al de a resina poliéster.

Figura 6. Variación del costo en función del contenido de carga de

cada tipo concreto polimérico.

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0% 20% 40% 60% 80%

Re

sist

en

cia

a c

om

pre

sió

n M

Pa

Contenido de carga % en volumen

BMC

Carbonato

Microesfera

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10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

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Co

sto

Pes

os/

litro

Contenido de carga % volumen

BMC

Carbonato

Microesfera

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Figura 7. Variación del costo por litro en función del contenido de

carga de cd tipo de concreto polimérico.

Conclusiones

La inclusión de los tres tipos de carga empleados en los concretos poliméricos tiene efectos diversos en las propiedades de los mismos.

Respecto a los concretos a base micro esfera se reduce la densidad del concreto polimérico, se observa también una reducción de la resistencia mecánica a niveles del concreto Portland, lo cual es poco atractivo.

En el caso de los concretos a base de carbonato de calcio, al ser esta carga la de mayor densidad, favorece una mayor resistencia mecánica en el concreto. Y si bien reduce también el costo, este resulta ser ligeramente mayor al del concreto a base de BMC

Finalmente el BC como se menciona anteriormente presenta un costo por litro inferior en un 15% al del carbonato de calcio, también su resistencia máxima mecánica es menor en un 18% a la del concreto base carbonato de calcio.

Con base a estos datos se puede recomendar el uso de BMC reciclado en l elaboración de concreto polimérico, ya que además permitiría contribuir a uso de desechos y mejorar al medio ambiente.

Referencias

Asif Ali., Anis Ansari (2013). Polymer Concrete as Innovative Material for Development of Sustainable Architecture, 2nd International Conference on Emerging Trends in Engineering & Technology, April 12-13, 2013, College of Engineering, Teerthanker Mahaveer University, Moradabad India.

Boenig H. (1964). Unsaturated Polyesters Structures and Properties, Elsevier Science, Inc., New York.

Czarnecki L., (2007). Concrete-polymer Composites: Trends Shaping the Future, Int. J. Soc. Eng. Resour. 15, 1.

NAVA I. (2005 Polyesters Unsaturated, Encyclopedia of Polymer Science and Technology,). John Wiley & Sons, Inc. Vol. 11.

Wahby W.S., (2003). Fifty Years History of Polymers in Concrete in Review, American Concrete Institute, International SP-214.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0% 22% 49% 60% 72%

Co

sto

Pes

os/

litro

Contenido de carga % volumen

BMC

Carbonato

Microesfera