Ingeniera Civil / El objetivo del presente Trabajo de Título, es estudiar la factibilidad de uso de la puzolana natural existente en la Región Metropolitana como fuente de aluminosilicato en la síntesis de geopolímeros. En la actualidad, existen numerosos estudios relacionados con el uso de puzolana como fuente de aluminosilicato, lo que lleva a investigar su uso debido a la gran disponibilidad de dicho componente en el país. Para llevar a cabo esta investigación, se realizan ensayos con puzolana natural, cuyos resultados revelan que si es utilizada como fuente de aluminosilicato pura, no se logra activar. El bajo contenido de alúmina incide en las bajas resistencias de la puzolana, por lo que al agregar materiales con contenido de alúmina mayor se elevan las resistencias mecánicas. Para determinar si es factible su uso, se estudia entonces la incorporación de cantidades variables de otras fuentes de aluminosilicato tales como, ceniza volante y escorias de alto horno provenientes de Cemento Melón y Huachipato, con el fin de lograr la activación de la puzolana. De acuerdo a los resultados, se deduce que la adición de escoria en proporción 25% en peso de la fuente total de aluminosilicato a activar, sería suficiente para alcanzar resistencias de 20 MPa y con la adición de ceniza volante se logran resultados similares pero con un contenido significativamente mayor (75% de adición). Si se requiere de una resistencia mayor, es necesario agregar una cantidad mayor de escoria (50% de la componente total fuente de aluminosilicato), en donde la resistencia se eleva a los 34 MPa, y finalmente, si es la escoria el material preponderante, con un 75%, se alcanzan resistencias del orden de los 55 MPa. Por otra parte, mientras la composición de la escoria cumpla una razón SiO2/Al2O3 de 3.0 o superior, sirve como fuente de aluminosilicato para poder sintetizar geopolímeros. Así lo demuestra el estudio presente, en donde se utilizan 2 tipos diferentes de escoria: escoria de alto horno proporcionada por Huachipato y por Cemento Melón, con las que se obtienen geopolímeros que a los 28 días de edad, alcanzan resistencias mecánicas a la flexotracción de 55 MPa.

La preocupación por los altos requerimientos de energía y la fuerte emisión de gases contaminantes, problemas que enfrenta la industria cementera, ha impulsado, en forma creciente, una tendencia mundial a buscar y estudiar métodos más eficientes, tanto en la fabricación del cemento como en la elaboración del hormigón, que permitan utilizar como aglomerante, materiales cementíceos suplementarios de menor costo económico y ambiental. El objetivo del presente trabajo de título es estudiar la posibilidad de incorporar contenidos mayores de puzolana a la mezcla, para obtener un determinado nivel de resistencia, a través de una optimización del proceso de mezclado de los componentes del hormigón. Para esto, se elaboraron hormigones de razones agua/material cementíceo 0.4, 0.5 y 0.6 y proporción de puzolana en el material aglomerante de 0%, 20% y 40% mediante dos métodos de mezclado. El primero de ellos corresponde al mezclado convencional de una etapa, donde el orden de adición de los componentes al mezclador es áridos, cemento, parte del agua y finalmente el resto de ella, y el segundo corresponde a un mezclado en etapas, que inicialmente mezcla a alta velocidad la pasta cementicia para luego ser combinada en distintas fases con los áridos. El diseño de las mezclas contempló el ajuste de las fracciones gruesas y finas de los áridos a la banda granulométrica entregada por la RILEM y del contenido de agua al requerido para obtener asentamiento de cono entre 12 y 16 [cm]. En forma complementaria, se estudió el efecto de utilizar áridos presaturados y a temperaturas significativamente mayores a la de la pasta aglomerante, para verificar el efecto de una posible alteración en la calidad de la pasta en la zona de transición árido/pasta (ITZ), que justifique el control de la temperatura de los áridos en la etapa de mezclado. El comportamiento de los hormigones estudiados frente a la inclusión de puzolana en el material cementíceo para ambos sistemas de mezclado fue el esperado, apreciándose un aumento de la resistencia el disminuir la razón agua/cemento y el contenido de puzolana en el material cementíceo. El mezclado en etapas disminuyó el descenso de cono del hormigón, la densidad y la exudación, y aumentó el contenido de aire y la consistencia de éste, convirtiéndolo en un material más aglomerado y homogéneo. Comparando las resistencias a 7, 28 y 56 días, se concluye que los beneficios entregados por el mezclado en etapas, que permite mejorar la zona interfacial árido/pasta del hormigón mediante una más eficiente hidratación y aprovechamiento del cemento Pórtland y la puzolana utilizados y una mayor homogeneización del hormigón, aumenta la resistencia del hormigón a temprana edad, en promedio, en un 14%. A los 28 y 56 días, el aumento de resistencia producido por uso del mezclado en etapas es del orden de un 4% y un 1% respectivamente. Esta diferencia se debe a que a los 7 días el hormigón fue más susceptible a los cambios en la hidratación que se produjeron por la previa mezcla de la pasta, no así a los 28 y 56 días cuando la hidratación se encuentra estabilizada. A partir de las resistencias de los hormigones elaborados en etapas con áridos a temperaturas altas y normales se concluye que esta alteración disminuye las resistencias en un 16, 11 y 1% en los hormigones elaborados con material cementíceo con 0, 20 y 40% de adición puzolánica respectivamente, lo que se explicaría por el deterioro de la zona interfacial. La incorporación de puzolana redujo significativamente la pérdida de resistencia, lo que sería atribuible a una menor susceptibilidad de los cementos puzolánicos a la aceleración del proceso de hidratación por efecto de altas temperaturas.

Ingeniera Civil / La presente investigación estudia la factibilidad de producir hormigón geopolimérico a base de ceniza volante con bajo contenido de calcio proveniente de la central termoeléctrica Ventanas. Se intenta replicar y transferir la experiencia y desarrollo alcanzado para la producción de este material a nivel internacional, particularmente basándose en investigaciones australianas. El trabajo preliminar desarrollado siguiendo las pautas de la práctica australiana dejó no obstante, en evidencia la existencia de incompatibilidades en las materias primas disponibles a nivel industrial en el país (fuente de aluminosilicatos, solución alcalina y agregados). Lo anterior obligó a ajustar la metodología del estudio a las condicionantes impuestas por los materiales, principalmente la ceniza volante, componente básico del geopolímero que presentaba un alto contenido de carbón residual, superior al 20%, determinado mediante el ensayo de pérdida por calcinación. Se debió partir por mejorar el comportamiento de la fuente de aluminosilicatos para lo que se recurrió por una parte a mejorar la ceniza volante disponible mediante tamizado y a recurrir a la incorporación de otras adiciones como escoria de alto horno y microsílice. Por otra parte, se procedió a ajustar experimentalmente las relaciones solución alcalina/fuente de aluminosilicatos, que originalmente era igual a 0,35 aumentándola a 0,65. También se modificó el proporción de áridos en la mezcla. Para estudiar cómo afecta la variación de algunos parámetros en las propiedades de la pasta geopolimérica se fabricaron probetas a escala de laboratorio. Dentro de los parámetros en estudio, se analizó la variación de porcentaje de pérdida por calcinación de la ceniza, la granulometría de los áridos, el contenido de agua extra, entre otros. Resultando en resistencias a compresión de aproximadamente 20 MPa a los 7 días en morteros geopoliméricos a base de ceniza volante que aumentó a 30 MPa con adición de un 30% de escoria de alto horno. Los resultados verifican la potencial utilización del hormigón geopolimérico como un nuevo material en el rubro de la construcción, ya que es una alternativa sustentable que presenta propiedades y resistencias mecánicas similares o mejores que el hormigón convencional. En la industria de los elementos prefabricados este material debido al desarrollo de resistencias tempranas que presenta, tendría significativas ventajas con relación al hormigón convencional, ya que puede ser desmoldado al término del curado térmico y además alcanza su resistencia final a los 7 días. Por otro lado, se propone seguir investigando sobre las tecnologías que se utilizan para mejorar la calidad de la ceniza volante, de modo de conseguir una mayor reducción del contenido de carbón residual y así obtener un significativo mejoramiento de las propiedades mecánicas del material.

Ingeniero Civil / Tesis no autorizada por el autor / El objetivo principal de este estudio es investigar sobre el desempeño de hormigones con aditivos de impermeabilización por cristalización, particularmente el grado de mejoramiento de las propiedades de durabilidad, en hormigones confeccionados con cementos Pórtland puzolánicos, los cuales abarcan mayormente la industria nacional. Este estudio es de carácter comparativo, en donde se evalúa el comportamiento de hormigones y morteros con aditivo impermeabilizante por cristalización en comparación a sus respectivos hormigones y morteros patrones. Se confeccionaron dos series de hormigones de prueba, diferenciándose cada una, principalmente, por su dosis de cemento. Una serie posee una dosis de cemento de 280 kg/m³, mientras que la otra serie fue confeccionada con una dosis de 360 kg/m³. En cada serie se elaboraron dos hormigones, uno patrón y otro al cual se le incorporó el aditivo de impermeabilización, en una dosis de un 0,8% con respecto a la dosis de cemento. Además de hormigones, se elaboraron morteros de prueba para algunos ensayos específicos, en donde se utilizaron los mismos materiales que para los hormigones de prueba. El programa experimental propuesto abarcó ensayos enfocados a una caracterización general del hormigón y ensayos dirigidos a evaluar propiedades de durabilidad. Se consideraron ensayos con el objeto de evaluar el comportamiento en permeabilidad, ataques internos, ataques externos y, considerando que una de las particularidades de los hormigones a los que se les incorpora aditivos de impermeabilización por cristalización es el potencial de auto sellado de fisuras, se planteó una experiencia para evaluar el auto sellado en probetas cilíndricas a las cuales se les induce una fisura diametral, evaluando el flujo filtrante por la fisura ante una carga variable de presión hidráulica. Con respecto a las propiedades referentes a la durabilidad del hormigón; se concluye que en los hormigones confeccionados con cementos Pórtland puzolánicos el aditivo de impermeabilización por cristalización empleado mejora las características de impermeabilidad del hormigón, como la absorción capilar y el índice de vacíos permeables, cualidades importantes al momento de evaluar la entrada de agentes solubles agresivos. Además, se pudo observar que es posible mejorar las características de impermeabilidad de un hormigón al incorporar aditivo de impermeabilización por cristalización, haciéndolas comparables a un hormigón con mayor dosis de cemento. Por otra parte, se evidenció que el aditivo de impermeabilización por cristalización mejora el comportamiento de los hormigones ante ataques internos, correspondientes a reacciones de los álcalis del cemento con agregados pétreos reactivos (reacción álcali árido).

Ingeniero Civil / En la siguiente memoria se estudió la eficiencia de una ceniza volante como inhibidora del fenómeno de etringita retardada (DEF), este fenómeno expansivo ha sido uno de los grandes problemas de las estructuras de hormigón de grandes dimensiones y/o altos calores de hidratación, provocando agrietamientos, disminuyendo su resistencia y durabilidad. Este fenómeno se presenta entre 2 a 20 años después de la confección del hormigón y se sabe que uno de los principales factores que influyen en el origen del fenómeno son las altas temperaturas, ya que la etringita (producto normal de la hidratación del hormigón, dispersa homogéneamente en la matriz de hormigón), se vuelve inestable al sobre pasar los 70°C las primeras horas desde su confección, transformándose en un mono sulfato de menor volumen y mayor estabilidad, el cual una vez que el hormigón se encuentra endurecido y en servicio, bajo condiciones húmedas o parcialmente húmedas se transforma nuevamente en etringita, generando esfuerzos internos y probablemente agrietamientos en el hormigón. En el presente trabajo se estudiara el efecto de una ceniza volante como remplazante de cemento portland en diferentes dosificaciones, manteniendo el contenido de SO3 en un rango normal entre 2,8-3,5%, para esto se confeccionaran una serie de probetas las cuales serán sometidas a curados a temperatura y ciclos de humedecimiento y secado, con el fin de homologar las condiciones óptimas para que se produzca el fenómeno DEF y acelerar las expansiones que este conlleva, se utilizó esta metodología ya que se cuenta con un estudio anterior en el cual se realizaron los mismos ensayos, pero en ese caso se estudió el desempeño de una puzolana natural. Luego de un periodo de 120 días de medición de expansiones se concluyó que hormigones con una dosificación de 70% de cemento Portland y 30% de ceniza volante o puzolana es suficiente para controlar e inhibir el fenómeno DEF.

Ingeniero Civil / El ataque interno en el hormigón debido a la acción de sulfatos presentes en su matriz, genera reacciones químicas expansivas que pueden originar micro fisuras y una degradación progresiva del material. Los sulfatos pueden provenir de diversas fuentes, en particular pueden provenir de los materiales con los que se confecciona el hormigón. En ese ámbito, los áridos pueden ser una fuente importante de incorporación de este tipo de sales, sobre todo en zonas, como el litoral costero del norte de Chile, en las cuales por sus características climáticas es recurrente encontrar áridos con altos contenidos de sulfatos, mayores a los que la norma NCh163 Of.2013 acepta. La normativa actual principalmente limita el contenido de sulfatos al interior del hormigón, ya sea con requisitos a los materiales constituyentes y/o al contenido total de sulfatos con que resulta el hormigón. En este contexto es recurrente la discusión sobre la factibilidad de uso de áridos con contenidos de sulfatos por sobre los límites normativos, considerando el desempeño del hormigón y el potencial real de daño que puede ocasionar la reacción de los sulfatos con respecto, principalmente, al grado de resistencia del hormigón y los materiales, en particular los cementos, que se utilizan en el país. En este trabajo se estudian hormigones con resistencias a compresión, a los 28 días en cubos de 20 cm, que van desde los 15 MPa a los 82 MPa, mientras que los contenidos de sulfatos (SO4-2), en los áridos, abarcan desde el 0,30% al 1,44%. La evaluación del desempeño de cada hormigón se realizó midiendo la expansión de probetas en el tiempo, hasta los 180 días, lo cual representa un indicativo del grado de fisuración interior por efecto de las reacciones químicas expansivas de los sulfatos. Los hormigones estudiados fueron confeccionados con materiales disponibles comercialmente en el país. En particular, se utilizó un cemento portland puzolánico de origen nacional y áridos provenientes del río Maipo. Además, la incorporación del sulfato se realizó artificialmente, a través de la incorporación de yeso, en cantidades controladas, en la matriz del hormigón. A partir de los resultados obtenidos, se concluye que la forma en que la NCh 170 Of.2016 limita el contenido interno de sulfatos en el hormigón, sí representa el comportamiento real de los hormigones ante el ataque interno por sulfatos, es más, el límite podría relajarse de 2,0% a 2,6%. De igual manera, se observa que el expresar el contenido interno total de sulfatos (expresado como SO4-2, referidos al peso del cemento y considerando el aporte de todos los materiales constituyentes), también representa el comportamiento real de los hormigones atacados internamente por sulfato, donde el límite de contenido interno total de sulfatos podría ser fijado en 6,5% para los distintos hormigones estudiados.

Debido al desarrollo tecnológico que ha tenido el hormigón en los últimos años, se ha generado una tendencia a la mayor fisurabilidad a edad temprana. Para abordar el estudio de este comportamiento, se ha puesto a punto un método de ensayos que permite conocer la influencia de dos procesos de elaboración y distintas variables de composición, que afectan al proceso de secamiento y retracción del hormigón. Para ello, nos hemos basado en la metodología entregada por la norma ASTM C 1579, la cual evalúa la fisuración en hormigones con adiciones de fibras, para proponer una metodología que permita evaluar la retracción en el proceso de secado del hormigón. El objetivo de este estudio es comparar las características de fisuración de hormigones con altas dosis de material cementicio, en el ensayo de retracción impedida, teniendo como variables la finura y contenido de puzolana en el material cementicio, y el método de elaboración de la mezcla. Para cumplir este objetivo, se prepararon cuatro dosificaciones diferentes de material cementicio, los que fueron mezclados mediante un método de mezclado convencional y en dos etapas, para luego ser puestos bajo condiciones de alta evaporación. De los resultados obtenidos se tiene que a mayor porcentaje de puzolana, el tiempo de aparición de la fisura disminuye para los hormigones confeccionados mediante método de mezclado convencional, sin embargo, para los hormigones confeccionados mediante el método de mezclado en dos etapas, este tiempo se mantiene más bien constante, con leves diferencias entre los tiempos obtenidos. En cuanto a los hormigones con distinta finura de la puzolana adicionada, no se observa un diferencia sustancial en los resultados obtenidos. En cuanto al ancho de la fisura, el general son mayores para los hormigones confeccionados con el método de mezclado convencional, mientras que no existe una diferencia clara en los anchos de fisura promedio para hormigones confeccionados con material cementicio de distintos porcentajes o finuras en la puzolana.

La preocupación por el desarrollo de materiales más amigables con el Medio Ambiente en el ámbito de la construcción ha impulsado una toma de conciencia en todos los niveles. La idea de reciclar el hormigón desechado, usándolo como árido para nuevo hormigón, forma parte de este proceso de gestión sustentable al que el mundo está apuntando. A la fecha, se han realizado varios estudios sobre este material, sobre todo en Estados Unidos y Europa. De esta forma, investigar las características y potenciales beneficios del hormigón con árido reciclado en Chile parece la continuación lógica de esta puesta en marcha. El objetivo del presente Trabajo de Título es constatar y analizar la influencia de la modificación del proceso de fabricación de hormigones con árido reciclado, cuantificando el aporte del uso de árido reciclado en términos de costo, tiempo, y sustentabilidad. Para esto, se elaboraron hormigones con 0%, 30%, y 50% de árido reciclado grueso mediante dos métodos de mezclado. El primer método corresponde al mezclado convencional en una etapa, en el cual el orden de adición de los componentes es árido, cemento, porción del agua y finalmente el resto de ellos. El segundo método corresponde a un mezclado en dos etapas, en las cuales primero se mezclan el cemento y el árido reciclado con la mitad del agua necesaria, y luego se añade el árido virgen y el resto del agua. El diseño de las mezclas contempló el ajuste del contenido de agua para lograr un cono de 6-8 cm y una razón A/C de 0.58 aproximadamente. Comparando las resistencias a compresión a 4, 7 y 28 días, se concluye lo siguiente: como se esperaba, mientras más alto el contenido de árido reciclado, más baja la resistencia a compresión; por otro lado, el método de mezclado en etapas no mejoró la resistencia a compresión de los hormigones con árido reciclado (ocurrió lo contrario). Sin embargo, se lograron valores de resistencia a compresión altos y suficientes para usar este material como hormigón estructural. En cuanto a impermeabilidad, se concluye que, al mezclar en etapas los hormigones reciclados, se mejoró su capacidad a no absorber el agua en el caso del hormigón con 50% de árido reciclado; sin embargo, en los otros casos, el resultado no fue tan concluyente como en este. Por lo tanto, la modificación del método de mezclado no resultó eficiente al mejoramiento de las propiedades del hormigón, pero eso no excluye el uso, incluso estructural, del hormigón reciclado como árido.

Ingeniero Civil / El fenómeno expansivo por formación de etringita tardía en etapa de hormigón endurecido, es un factor a considerar cuando se diseña el hormigón de un elemento estructural de grandes dimensiones, o que por su alta dosificación de material cementicio es necesario considerar los efectos de la generación de calor de hidratación asociada. La aparición de este fenómeno provoca agrietamiento y pérdida de resistencia del hormigón años más tarde del vaciado (2 a 20 años), y se relaciona directamente con altas temperaturas en la etapa inicial de endurecimiento al interior del elemento (núcleo), debido al calor generado por las reacciones de hidratación del material cementicio. Para controlar la temperatura a edades tempranas (que cuando superan los 70 °C, se sabe, puede dar origen a un proceso de transformación del sulfoaluminato de calcio hidratado (etringita) en un monosulfoaluminato de calcio hidratado disperso en la matriz cementicia del hormigón) se toman diversas consideraciones, las cuales están enfocadas en mantener la etringita en un rango de temperatura en el que ésta se mantenga estable. Es deseable desde el punto de vista del proceso constructivo, poder liberarse de estas restricciones, estudiando posibles variaciones a la composición del material cementicio o la incorporación de adiciones, que actúen como inhibidoras de la transformación de la etringita primaria bajo condiciones de curado a altas temperaturas. En el presente trabajo se estudia el efecto de la incorporación de puzolana en reemplazo de cemento portland, como parte del material cementicio, a través de ensayos experimentales, en los que se intenta simular de forma acelerada, el comportamiento durante la etapa de servicio, de un hormigón sometido a altas temperaturas a edades tempranas. A partir de los resultados obtenidos en un periodo de ensayo de 120 días se observa que, al utilizar un material cementicio compuesto con 70% de cemento portland y 30% de puzolana con finura similar a la del cemento portland base, manteniendo el contenido de SO3 dentro del rango típico entre 2,8% a 3,5%, es posible controlar el fenómeno expansivo por formación de etringita tardía. Las probetas que utilizaron este material cementicio, se mantuvieron por debajo de las expansiones sugeridas como indicadoras de potenciales problemas por formación de etringita tardía durante la etapa de servicio.

Ingeniero Civil / El continuo crecimiento demográfico ha traído emparejado una creciente demanda de materiales para satisfacer las necesidades de los proyectos de construcción lo que ha generado impactos ambientales tanto por la sobre explotación de recursos naturales como por el acelerado aumento de los volúmenes de residuos y desechos derivados de estas actividades. Considerando la abundancia de hormigones de desechos que actualmente se disponen en vertederos de la Región Metropolitana y la posibilidad de procesarlos para la obtención de áridos, IDIEM se encuentra desarrollando una línea de investigación para evaluar el comportamiento de hormigones y mezclas asfálticas obtenidas a partir de RCA, entre los que se encuentra el presente estudio sobre microaglomerados asfálticos en frío para tratamiento de mantención de carpetas asfálticas de tráfico medio/liviano. Los microaglomerados asfálticos en frío se diseñaron ajustando la banda granulométrica de los áridos reciclados, disponibles en IDIEM, a la banda de 10 mm de tamaño máximo, recomendada por normas internacionales, junto a diferentes emulsiones asfálticas que resultaron compatibles con estos áridos. La caracterización del comportamiento de los distintos microaglomerados evaluados en este estudio se efectuó según lo establecido en el Manual de Carreteras Vol. 5 y 8. De forma de poder comparar los resultados obtenidos, se confeccionaron microaglomerados utilizando un árido natural de características granulométricas similares a las del árido reciclado. Se concluyó que el comportamiento de los microaglomerados con áridos reciclados, utilizando la emulsión CQS-1H (EA), es comparable al del microaglomerado con árido natural, cumpliendo incluso de mejor forma los plazos de apertura al tráfico. Se plantea continuar la investigación desarrollando emulsiones asfálticas que logren una completa compatibilidad con los áridos y una posterior construcción de cancha de prueba.