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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO Instituto Tecnológico de Oaxaca

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA TALLER DE INVESTIGACION “

¨MUCÍLAGO DE NOPAL COMO ADITIVO NATURAL

¨

PRESENTA: ELORZA RAMIREZ DANIEL HERNANDEZ CANSECO CLAUDIA FATIMA KEVIN ARTHUR HERNANDEZ LOPEZ DIVINA LIBERTAD

CATEDRÁTICO:

Ing. Cuauhtémoc GRUPO: IC-B HORA: 13:00 - 14:00

OAXACA DE JUÁREZ, OAXACA

ENTREGA: 06/NOVIEMBRE / 2016

PROBLEMA El concreto es uno de los materiales de mayor uso en la industria de la construcción, porque se le puede moldear en una gran variedad de formas, colores y texturas para ser utilizados en un número ilimitado de aplicaciones (Kosmata, 2004). Actualmente se fabrican concretos en los cuales existe una diversidad de los materiales y aditivos que se pueden utilizar para obtener un concreto que pueda soportar condiciones ambientales adversas. Actualmente se incorporan en el concreto natural o industrial como son: las cenizas volantes, escorias de alto horno, humo de sílice puzolanas naturales para mejorar su endurecido Por todo esto el planteamiento del problema será: Servirá el mucilago de nopal como un aditivo natural en la elaboración de concreto hidráulico para aumentar su resistencia a la compresión y para lograr ser un retardante del fraguado

ANTECEDENTES Para el estudio de esta investigación, se efectuara una revisión de temas relacionados al cemento con la incorporación de aditivos minerales, sintéticos y naturales, observando que el actual interés experimental consiste en el desarrollo de aditivos naturales que mejoren la durabilidad del concreto permitiendo el desarrollo de una homogeneidad en la microestructura Algunas investigaciones que encontramos que se han hecho al respecto de esto son: Chandra (1982): Investigaron la influencia de la adición de un material orgánico “Black gram” en mezclas de mortero. Elaboraron prismas de mortero de 4x4x16 cms y 4x4x8 cms con una relación cemento-arena de 1:3 y relación agua- cemento de 0.50. Se determinó la absorción de agua por capilaridad secando los especímenes a 105°C. Estos autores sugieren que la adición orgánica puede ser utilizada como un agente introductor de aire en morteros debido a que interactúa como un polímero dispersante pero que en presencia de aceite se reduce el contenido de aire. La incorporación del material orgánico incrementó las propiedades hidrofóbicas en los morteros, lo cual se explica debido a que las biomoléculas contienen tanto grupos polares (o cargados iónicamente) como regiones no polares, por lo tanto son simultáneamente hidrofílicas e hidrofóbicas. Esto le atribuye a las proteínas presentes en el material orgánico “black gram” una interrelación en la hidratación de las pastas de cemento expuestos en una interface y capilaridad estructural incrementando su reactividad con los iones de Ca+2 y los carboxilatos presentes en la proteína.

Cárdenas (1997): Evaluaron la preparación del mortero de cal con la incorporación del extracto del nopal. El mortero de cal preparado de esta manera se ha utilizado durante muchos siglos para restaurar y proteger edificios históricos contra la penetración del agua. La incorporación del extracto de nopal se redujo la absorción de agua y se incrementó considerablemente la permeabilidad de los muros de los edificios históricos. Chandra (1998) investigaron el efecto que tiene el uso del extracto de nopal en las propiedades de mortero y concreto ordinario. La relación agua/cemento fue de 0.50 constante para todas las mezclas y se utilizó una solución de mucílago de nopal para reemplazar el 0%, 50% y 100% del agua de mezclado. Los resultados indicaron que la trabajabilidad del mortero mezclado con 50% de solución de mucílago fue mejor que la mezcla de referencia (a/c), pero fue mejor aún en la mezcla que se le adicionó solución de mucílago de nopal al 100%, esto debido al efecto que proporcionan los polisacáridos del nopal que reducen la fricción. Además demostraron que el mucílago de nopal interacciona con los productos de la hidratación del cemento, reduce el tamaño y cantidad de los cristales de hidróxido de calcio. El mucílago de nopal posee propiedades retardantes, lo cual retrasó el desarrollo de la resistencia a edad temprana, ya que la resistencia a la compresión a los 28 días fue mayor en los especímenes de referencia, después, la resistencia mejoró y a los 90 días los especímenes con solución de nopal al 100% sobrepasaron notablemente la resistencia alcanzada por los especímenes de referencia. La absorción de agua, disminuyó en los especímenes que tenían 50% de solución de mucílago, pero a mayor proporción de mucilago se redujo más la absorción. Los autores atribuyen esto a la capa que forma el mucílago de nopal y debido a los complejos de calcio formados durante la interacción del mucílago con los iones divalentes de calcio, de la misma forma que pasa en los polímeros sintéticos, se sellan los poros y de ésta manera hace una estructura más compacta

OBJETIVO General Utilizar el mucílago de nopal como un aditivo natural en la elaboración de concreto hidráulico, con el objeto de mejorar sus propiedades mecánicas y micro estructurales en estado endurecido.

Específicos • Determinar la forma más adecuada de extracción y preservación del mucílago de nopal y caracterizar su viscosidad. • Evaluar la resistencia a la compresión axial y módulo de elasticidad en mezclas de concreto con diferentes proporciones de mucílago de nopal. • Determinar el efecto del mucílago de nopal en la deformabilidad, el fraguado y la hidratación de pastas de cemento. • Analizar la microestructura de pastas con la adición de mucílago de nopal a edades de 28, 56 y 120 días.

Hipótesis 1. El uso del mucílago de nopal en pastas de cemento produce un refinamiento de la microestructura y por lo tanto disminuye la porosidad e incrementa la resistencia a la compresión axial y el módulo de elasticidad. 2. El mucílago de nopal disminuye la deformabilidad de las pastas de cemento. 3. El mucílago de nopal incrementa el tiempo de fraguado de la pasta de cemento.

Metas Las metas de nuestro proyecto son más que nada, alcanzar el mejoramiento óptimo del concreto hidráulico, así mismo hacer que más personas conozcan la producción de dicho concreto con lo que al mismo tiempo conocerá los beneficios que tendremos ya sea a corto o largo plazo. Una meta principal también es que el concreto hidráulico nos salga con un mejor presupuesto en su fabricación, con lo que tendremos ahorros en la elaboración de este. Con la fabricación de este concreto tratamos de ayudar al medio ambiente ya que se incluiría el nopal el cual es un elemento no contaminante. También una meta mas es el alcanzar una resistencia y un fraguado mejor que nos da el concreto cotidiano.

METODOLOGIA

Los ensayos para observar los cambios en las propiedades físicas y mecánicas de los morteros y pastas son los que se mencionan detalladamente en este capítulo. La experimentación se realizó en morteros con adiciones porcentuales de los aditivos botánicos reemplazando una cantidad determinada de cemento por cada una de éstas, teniendo una serie de cubos con y sin aditivo; sirviendo estos últimos como referencia y comparativo del comportamiento presentado por aquellos que si contuvieron adición. El cemento es un material con propiedades tanto adhesivas como cohesivas, las cuales le dan la capacidad de aglutinar fragmentos minerales para formar un sólo elemento. Esta definición comprende una gran variedad de materiales cementantes. Para efectos de construcción, el significado del término cemento se restringe a materiales aglutinantes utilizados con piedras, arena, ladrillos, bloques de construcción, etc. Los principales componentes de este tipo de cemento son compuestos de cal. Los cementos que se utilizan en la fabricación de concreto tienen la propiedad de fraguar y endurecer con el agua, en virtud de que experimentan una reacción química con ella y, por tanto, se denominan cementos hidráulicos. Los aditivos botánicos que se emplearon en esta investigación son el nopal y la sábila deshidratada. Estas dos plantas pertenecientes a la familia de las cactáceas, se obtuvieron, después de un minucioso proceso, en forma deshidratada y en polvo. La empresa Therbal, SA de CV, fue la que proporcionó los productos para las adiciones. La adición de los componentes botánicos en la fabricación de los morteros, es con el fin de observar los cambios en las propiedades físicas y mecánicas de las pastas. Al ser plantas que se desarrollan en medios áridos o semiáridos, éstas absorben gran cantidad de agua. Por esa razón, a la pasta deberá agregársele una mayor cantidad de agua, comparada con la cantidad necesaria para fabricar una pasta sin adiciones botánicas. Es por ello que esta investigación inició con el cálculo de la cantidad óptima de agua para obtener una pasta de cemento de consistencia normal, según la norma ASTM C-187 (2004) La fabricación del cemento requiere de controles rigurosos en su producción; por lo que se realizan diversas pruebas de calidad en los laboratorios de fábricas donde se elabora este producto para asegurarse de que posea la calidad que se especifica, y de que esté dentro de los requisitos que marcan las normas de cada país. Sin embargo, es conveniente hacer pruebas de aceptación o lo que es más común, examinar las propiedades del cemento que se va a usar para alguna aplicación especial. La determinación de los tiempos de fraguado inicial y final de las pastas de cemento se realizarán en una mezcla de cemento con consistencia normal. Por tanto, es necesario

determinar para cualquier pasta de cemento, el contenido de agua necesaria para producir la consistencia normal. Al agregar agua al cemento se produce una pasta, contiene fluidez a medida que se le va aumentando el contenido de agua. La consistencia normal es un estado de fluidez alcanzado por la pasta del cemento, que tiene una propiedad óptima de hidratación. Es esencial que la pasta, una vez que ha fraguado, no sufra gran cambio en su volumen ya que en condiciones de esfuerzo podría ocasionar rompimiento del cemento endurecido. En particular, no debe haber una expansión apreciable; la cual, en condiciones de esfuerzo podría ocasionar un rompimiento de la pasta de cemento endurecida. El siguiente procedimiento fue tomado de la norma internacional ASTM C187 (2004). La consistencia se mide por medio de un aparato llamado Vicat, en honor de la persona que lo diseñó y utilizó por primera vez. La prueba consiste en penetrar la pasta de cemento con un émbolo de 10 mm de diámetro, acondicionado dentro de un soporte de agujas, como se muestra en la fig. 2.1. La pasta de cemento y agua se mezcla en la forma prescrita, y se coloca en el molde. Enseguida se pone el émbolo en contacto con la superficie superior de la pasta, y la profundidad de penetración depende de la consistencia. Se dice que la pasta de cemento tiene su “consistencia normal” cuando la varilla de 10 mm de diámetro penetra en dicha pasta 10 + 1 mm contados a partir de la superficie libre durante los 30 s en que se permitió su deslizamiento. El contenido de agua de la pasta estándar se expresa como porcentaje por peso de cemento seco, y el valor normal varía entre 26 y 33%. Tal expansión puede tener lugar debido a una hidratación retardada o lenta, o a otra reacción de algún compuesto presente en el cemento endurecido, particularmente la cal libre, la magnesia libre o el sulfato de calcio. La prueba se obtiene con diferentes porcentajes de agua hasta que por interpolación se consiga su consistencia normal. El fraguado es el fenómeno por medio del cual la pasta de cemento cambia de plástico ha endurecido, y es posterior al fenómeno de hidratación. El tiempo de fraguado inicial es el transcurrido desde la adición del agua hasta alcanzar el estado de plasticidad y semidura; en otras palabras, es el tiempo del que se dispone para fabricar, transportar, vibrar y colocar el concreto en obra. Por otro lado, el tiempo de fraguado final va desde el fraguado inicial hasta que se endurece la pasta, y se vuelva indeformable. El tiempo de fraguado se mide mediante un aparato de Vicat con distintos accesorios de penetración, siguiendo el procedimiento de la norma ASTM C-191 (2004). Para determinar el fraguado inicial se utiliza una aguja, del mismo equipo de Vicat, con diámetro de 1 mm, como se muestra en la fig. 2.2. Esta aguja penetra en la pasta de consistencia normal colocada en un molde

especial, bajo un peso prescrito. Cuando la pasta ha endurecido lo suficiente para que la aguja penetre 25 + 1 mm de la base, se determina el tiempo de fraguado inicial. El tiempo que transcurre para que la aguja no deje marca visible en la pasta, se denomina fraguado final. En la BS 12:1978 se describe un tiempo mínimo de 45 min, para cemento Pórtland normal, de fraguado rápido, de alto horno y para cemento Pórtland de bajo calor BS 1370:1979; el tiempo de fraguado de cemento de alta alúmina se describe en la BS 915:1972 de entre 2 a 6 h. El fraguado final se determina por medio de una aguja similar adaptada a un aditamento metálico ahuecado, de forma tal que deje un borde circular de corte de 5 mm de diámetro, colocado a 0,5 mm detrás de la punta de la aguja. Se dice que se ha llevado a efecto el fraguado final cuando la aguja, bajada lentamente hacia la superficie de la pasta, se imprime sobre ella; pero los bordes de corte circular no pueden hacerlo. Debe recordarse que la velocidad de fraguado y la rigidez de endurecimiento; es decir, la obtención de resistencia, son completamente independientes una de otra.

El material que se ha utilizado como aditivo se obtuvo mediante el siguiente procedimiento:

De este material procesado se utilizaron concentraciones de 0.1 y 0.3% con respecto al peso del cemento (CPC-30R). Se mezclaron primero el cemento y el extracto de nopal, posteriormente se agregó la arena clasificada, una vez homogenizado el material se le adicionó el agua para obtener el mortero y así poder colocarlo en los moldes. En tanto para la prueba de resistencia del cemento, esta se llevó a cabo de acuerdo al Método de Muestreo y Pruebas de materiales (MMP), referente a Resistencia a la compresión del Cemento Portland de la Secretaría de Comunicaciones y transportes (SCT). Por lo que se consideró lo siguiente: •Se utilizó una prensa calibrada para los ensayes de compresión •Maquina agitadora para mallas, para la revisión de la granulometría de la arena.

•Mallas con las especificaciones indicadas para la arena. •La proporción utilizada en masa de los materiales secos para elaborar el mortero estándar fue de una relación de 1 cemento/2.75 arena graduada, usando una relación agua-cemento de 0.485 •El mortero elaborado se depositó en moldes con cavidades cúbicas de 50 mm por lado, en capas de 25 mm compactándola con el pisón 32 veces en aproximadamente 10 s. Esta compactación se efectuó mediante cuatro ciclos de ocho golpes adyacentes repartidos sobre la superficie del mortero, hasta culminar con la siguiente capa. •Los cubos se dejaron en un espacio con una temperatura de 25 ºC y con una humedad relativa. de 80 % durante 24 hrs. Posteriormente se dejaron curando en agua. •Los cubos fueron ensayados en periodos de 3, 7, 14 y 28 días Al analizar el comportamiento de los especímenes de cemento sin aditivo se observó que no cumple con la resistencia mínima de 20MPa a los 3 días, así mismo con las concentraciones del 0.1 y 0.3% de mucilago de nopal, no se logró alcanzar la resistencia mencionada esto se observa en la figura 1. Al observar los resultados de todos los especímenes ensayados a los 28 días se puede notar que tampoco alcanzaron la resistencia mínima de 28, sin embargo, lo que sí se puede apreciar es que los especímenes a los que se les agregó el 0.1 y 0.3% del aditivo presentaron mejoría en la resistencia con respecto a los que se elaboraron sin aditivo en el cemento CPC-30R. Es importante mencionar que no es recomendable que el resultado obtenido, en base a resistencia del cemento, sea usado para pronosticar la resistencia del concreto, ya que este tiene otras variables que modifican su resistencia como: calidad de agregado, mezclado del concreto, procedimientos constructivos y condiciones ambientales.

FIGURA 1. Comportamiento del cemento CPC-30R con aditivo (mucílago de nopal) y sin aditivo

BIBLIOGRAFIA 1. Steven H. Kosmatka, Beatrix Kerkhoff, William C. Panarese, y Jussara Tanesi, 2004, Diseño y Control de Mezclas de concreto, Portland Cement Associaton (PCA), 25, 45, 64. 2. Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), 2002, Características de los Materiales, Calidad del cemento Portland,1-5. 3. González Herrera Iván, tesis “Estudio de la resistencia a la compresión y reducción de la permeabilidad del cemento hidráulico con el extracto de nopal”, 2007, 22,23. ASTM C-109 (2005). “Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (Using 2-in. or [50-mm] Cube Specimens)” ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA. ASTM C-187 (2004). “Standard Test Method for Normal Consistency of Hydraulic Cement” ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA. ASTM C-191 (2004). “Standard Test Method for Time of Setting of Hydraulic Cement by Vicat Needle”ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA. ASTM C-230 (2003). “Standard Specification for Flow Table for Use in Tests of Hydraulic Cement” ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA. ASTM C-305 (2003). “Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency” ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA. Damazo, D. “Edificios prefabricados en concreto para vivienda de interés social,” Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, México, D.F. (2006). Martínez Vargas, M.R. “Adición para mortero utilizando puzolanas naturales,” Tesis de Licenciatura en Ingeniería Civil, Universidad Marista de Querétaro A.C., diciembre, Santiago de Querétaro, Querétaro, México. (2005). Neville, A.M. “Tecnología del Concreto,” Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, 3ª Edición, México, D.F., México. (1992).