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Revista 14 ucp chile- el clinker

  1. 1. revistadelaconstrucción volumen 8. nº 1 edición semestral ISSN 0717 - 7925agosto 2009 EscueladeConstrucciónCivil,PontificiaUniversidadCatólicadeChile 14
  2. 2. Estimados lectores: En esta nueva edición quisiéramos agradecer a todos aquellos que han confiado en nosotros y en forma muy especial, a los investigadores extranjeros por el creciente interés de ser parte de nuestro proyecto, lo que felizmente nos ha instado a aumentar los artículos de nuestra publicación. Nuestro desafío es mejorar constantemente en cada publicación y proporcionar a nuestros investigadores una ventana al conocimiento para el mundo, es por eso que instamos a nuevos investigadores a ser parte de este proyecto, enviando sus aportes a nuestro comité editorial el que analizará, evaluará y recomendará su publicación y de esta forma podremos compartir nuestros avances tecnológicos y científicos con la comunidad interesada. En esta edición presentamos doce artículos, los cuales pretenden colaborar al fortalecimiento de diferentes líneas de investigación relacionada con algunos de los aspectos constructivos de interés y discusión actual. Como es tradición, damos nuestro reconocimiento a los recientes egresados de la Escuela de Construcción Civil, quienes pondrán su formación integral a disposición de los nuevos desafíos, siempre presentes en cualquier proyecto de edificación. Finalmente, agradecer el apoyo de nuestros lectores y de las empresas patrocinantes, pues sin ellos, este proyecto no sería posible. Atentamente, Dr. Miguel Andrade Garrido Editor responsable Revista de la Construcción Escuela de Construcción Civil Pontificia Universidad Católica de Chile revistadelaconstrucción
  3. 3. Comité Evaluador: CRISTIÁN PIERA GODOY: Director de la Escuela de Construcción Civil de la Pontificia Universidad Católica de Chile, Profesor titular de la Escuela de Construcción Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile. OLADIS MARICI TROCONIS DE RINCÓN: Ingeniera Química, Magíster en Corrosión, Universidad del Zulia, Venezuela, Consultora de la Gobernación del Estado de Zulia, Venezuela. VÍCTOR MANUEL JARPA: Constructor Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile, Consejero de la Cámara Chilena de la Construcción. JOSÉ CHARÓ CHACÓN: Constructor Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile, Profesor de la Escuela de Construcción Civil, Universidad Andrés Bello. JOSÉ CALAVERA RUIZ: Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Ingeniero Técnico de Obras Públicas. MANUEL RECUERO: Doctor en Ciencias Físicas, Universidad Autónoma de Madrid, España, Profesor Titular, Universidad Politécnica de Madrid, E.T.S.I Industriales, España. ANDRÉ DE HERDE: Ingeniero Civil, Arquitecto, Université Catholique de Louvain, Bélgica, Profesor Ordinario, Decano Facultad de Ciencias Aplicadas de la Universidad Católica de Lovaina, Bélgica. LEONARDO MEZA MARÍN: Constructor Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile, Profesor Adjunto, Doctor en Ingeniería Acústica, Universidad Politécnica de Madrid. CARLOS BOSIO MATURANA: Ingeniero Civil, Universidad de Buenos Aires, Argentina, Máster en Dirección de Empresas Constructoras e Inmobiliarias (MDI), Universidad Politécnica de Madrid. JAVIER RAMÍREZ: Licenciado en Arquitectura, Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, México, Doctor en Arquitectura, Unidad de Postgrado de Arquitectura, UNAM, México. NATHAN MENDES: Doctor en Ingeniería Mecánica de la Universidad Federal de Santa Catarina, profesortitulardelaPontificiaUniversidadCatólicadeParaná,coordinadordelProgramadepostgrado en Ingeniería Mecánica de la PUCPR, presidente de la Asociación regional de la International Building Performance Simulation Association (IBPSA) y director de la oficina regional de la Asociación Sur- Brasileña de Refrigeración, Aire Acondicionado, Calentamiento y Ventilación (ASBRAV). MIGUEL ANDRADE GARRIDO: Doctor en Ciencias de la Educación, Pontificia Universidad Católica de Chile, Profesor Adjunto y Coordinador de Investigación y Publicaciones de la Escuela de Construcción Civil de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Director CRISTIÁN PIERA GODOY Editor Responsable MIGUEL ANDRADE GARRIDO (mandradg@uc.cl) Comité Editorial Ejecutivo: FELIPE VIDAL S. LEONARDO MEZA M. MARCELA BUSTAMANTE S. Dirección Postal Revista de la Construcción: Av. Vicuña Mackenna 4860, Macul. Santiago de Chile Escuela de Construcción Civil Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago Fonos: 56-2-354.45.51 56-2-354.45.65 Fax: 56-2-553.64.89 e-mail: rdlc@uc.cl www.construccioncivil.puc.cl LA REVISTA DE LA CONSTRUCCIÓN SE ENCUENTRA INDEXADA EN: – Science Citation Index Expanded – ISI – Directory of Open Acess Journals – DOAJ – Sistema Regional de Información en Línea para Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal – LATINDEX
  4. 4. Sumario Estructuras y propiedades de clinkers de cemento Portland obtenidos con combustibles residuales Trezza, M. - Scian, A.. / Argentina DURACON: influencia de la acción del medio ambiente en la durabilidad del concreto. Parte 2. Resultados de Chile después de 5 años de exposición Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal, A. M. - De Barbieri, F. - / Chile Trocónis, O. / Venezuela Thermal improvement of perforated ceramic bricks Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. - Vidal, S. - Saelzer, G / Chile Evaluación y comparación de la calidad de la materialidad del sistema Royal Building versus albañilería confinada de ladrillos hechos a máquina utilizados en la construcción de viviendas sociales en la comuna de Colina Andrade, M. - Callealta, F. / Chile La gestión del conocimiento y la industria de la construcción Ferrada, X. - Serpell, A. / Chile La gestión estratégica aplicada al sector construcción: una propuesta basada en gestión de capital intelectual Alvarado, L. - Varas, M. - Sánchez, L / Chile KPLs in the UK’s construction industry: using system dynamics to understand underachievement Roberts, M. / UK - Latorre, V. / Chile Aplicaciones de la Administración Integral de Proyectos en la industria de la construcción. Primera parte, proyectos inmobiliarios Veas, L. - Pradena, M. / Chile Método de análisis plano con contribución espacial Pupo, N. - Recarey, C. / Cuba Evaluación de la fricción superficial entre suelos y materiales compuestos Jara, G. / Chile - Fort-López, L. / España Ensayo Fénix, una nueva metodología para medir la resistencia a la fisuración en mezclas asfálticas Valdés, G. / Chile - Pérez-Jiménez, F. - Botella, R. / España Influencia de la cohesión sobre los movimientos de un muro pantalla y su profundidad de empotramiento Sanhueza, C. / Chile Proyecto de normalización de mezclas asfálticas Reportaje Bitumix S. A. Estamos en Chile para contribuir a mejorar la calidad constructiva, con una metodología que entrega una vivienda 100% estructural, aislación térmica y acústica Titulados 4 ] 13 ] 24 ] 36 ] 46 ] 59 ] 69 ] 83 ] 91 ] 103 ] 134 ] 114 ] 126 ] 136 ] 139 ]
  5. 5. ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 Structure and Properties of Portland Cement Clinkers Obtained with Waste Fuels Estructura y Propiedades de Clinkers de Cemento Portland Obtenidos con Combustibles Residuales Autores TREZZA, M. Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro, Argentina email: mtrezza@fio.unicen.edu.ar Fecha de recepción Fecha de aceptación 04/04/2009 27/04/2009 SCIAN, A. Centro de Tecnología de Recursos Minerales y Cerámica, CCT-CONICET La Plata, UNLP, Argentina
  6. 6. páginas: 4 - 12 [ Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [Trezza, M. - Scian, A.] Residuos combustibles, provenientes de diferentes procesos industriales, son usual- mente usados en la producción de clinkers de cemento Portland con intención de aprovechar su energía residual, reducir costos de producción y/o estabilizar sus- tancias tóxicas y metales pesados. En este trabajo se estudia el efecto que genera en la estructura y propiedades del clinker de cemento Portland, cuando este se obtiene usando diferentes residuos como parte del combustible requerido en la producción. Waste fuels, coming from industries are usually used in the Portland cement production in order to save energy, costs and/or to stabilize toxic substances and heavy metals inside the clinker. This work focuses on the effect produced on the Portland cement clinker structure, when it is obtained using different waste as part of the fuel in the process. Esas modificaciones estructurales, oca- sionadas por la presencia de residuos en la estructura de los silicatos, deter- minaron consecuencias en la velocidad de hidratación, resistencia mecánica y distribución porosimétrica. Se estudiará, además, la lixiviación de los diferentes clinkers a fin de establecer la capacidad de la matriz de cemento para la solidificación/estabilización de residuos peligrosos. The structural modifications determined by the waste presence in the silicate structure brought consequences in the hydration rate, mechanical resistance and pore size distribution which will be analyzed in this work. The lixiviation of the different clinkers was also studied in order to establish the ability of the cement matrix to solidification and/ or stabilization the dangerous wastes. Abstract Key words: clinker, waste fuels, dangerous wastes, solidification and/or stabilization. Palabras clave: clinker, combustibles residuales, residuos peligrosos, solidificación/ estabilización. Resumen
  7. 7. [ ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 4 - 12Trezza, M. - Scian, A.] Introducción A partir de los años 70 las empresas ligadas a la ges- tión de residuos y las industrias cementeras inician una etapa de coprocesamiento de residuos peligrosos a fin de valorizar los mismos al utilizar el poder calo- rífico residual de estos desechos para cubrir en parte la energía requerida en la fabricación del clinker de cemento Portland. Esta tecnología válida en todo el mundo, se perfila como una alternativa muy interesante en nuestro país. Especialmente considerando que las industrias argentinas generan gran cantidad de residuos que en muchos casos están siendo almacenados sin control ni recaudo alguno o se les da un destino incierto. Los prerrequisitos indispensables que estos residuos deben cumplir para ser utilizables como combustibles alternativos en la fabricación del cemento Portland son: • Las emisiones producidas por la planta de cemen- to no deben incrementarse por la utilización de combustibles alternativos. • La calidad y compatibilidad del cemento con el medio no debe disminuir. • La utilización de material residual como combus- tible alternativo no debe incrementar costos, más bien debe generar un beneficio económico Se espera que las altas temperaturas del proceso, las condiciones químicas del horno y el tiempo de reten- ción de los gases en el interior del mismo destruyan por completo los compuestos orgánicos (Materiales, 1997) (Siempre que se cumplan las condiciones de operación esperadas para el horno: tiempo, tempera- tura, atmósfera oxidante). Las sustancias inorgánicas (óxidos, sales inorgánicas, metales pesados, cenizas en general) necesariamente aparecerán en el polvillo (como material particulado que escapa con los gases residuales del horno), quedarán en los refractarios o atrapados en el clinker. En este último caso los compuestos inorgánicos y metales pesados se com- binarán con los silicatos que se forman durante la clinkerización, convirtiendo los compuestos tóxicos en inofensivos o menos nocivos. En cuanto a las óxidos inorgánicos y metales pesa- dos, diferentes autores (Mollah M.Y., 1995; Diez J.M., 1997; Asavapisit S., 1997; Madrid J., 1997; Kakali G., 1990; Mollah M.Y., 1993, TashiroC., 1977; Odler I., 1980; Hanna R.A., 1995; Murat M., 1997) han estudiado este punto encontrando que la ma- triz de cemento Portland normal o con adiciones es adecuada para la solidificación/estabilización (S/E) de metales como Zn, Cu, Pb, Cd, entre otros. Reportan, además, la formación de fases intermedias en el sistema CaO- SiO2 - Al2 O3 - óxido metálico, que son estabilizadas durante la clinkerización y/o hidratación del cemento Portland, encontrando que en todos los casos el comportamiento depende de las condiciones del sistema y de las concentraciones de los contami- nantes. Sin embargo, no estudian el efecto conjunto de diferentes metales en concentraciones variables, tal como se incorporan a través de los combustibles residuales. Se presentan en este trabajo los resultados com- parativos de estudios realizados sobre diferentes clinkers elaborados en condiciones de laboratorio, con distintos niveles de adición de residuos como reemplazo parcial del combustible. Los porcentajes de reemplazo se mantuvieron dentro de los límites aceptados en las plantas industriales. Los sistemas analizados surgen de la clinkerización de polvo cru- do en presencia de carbón residual de petróleo de alto poder calorífico (C), una mezcla combustible de marca registrada usada actualmente como com- bustible alternativo en la industria cementera (M) (Trezza M.A. 2005), aceite usado de automotores (A) (Trezza M.A., 2000), neumáticos usados (T) y virutas residuales de curtiembre contaminadas con cromo (V) (Trezza M.A., 2007). Estas últimas con el propósito adicional de dar disposición definitiva a un residuo potencialmente peligroso. Materiales y métodos El material crudo utilizado en este trabajo corres- ponde a una mezcla industrial provista por una cementera local. Su análisis químico fue realizado por fluorescencia de rayos X y las principales fases cristalinas caracterizadas por difracción de rayos X (DRX). Las fases cristalinas mayoritarias observadas fueron CaCO3 (calcita) y SiO2 (cuarzo). Entre los constituyentes cristalinos minoritarios se detectó muscovita [KAl2 Si3 AlO10 (OH)2 ]. Es habitual en Argentina el reemplazo del 20% del combustible tradicional por alternativo, lo que implica usar hasta 2 kg de combustible residual por cada 100 kg de clinker producido. De acuerdo a estos niveles de reemplazos aceptados, se prepararon para
  8. 8. páginas: 4 - 12 [ Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [Trezza, M. - Scian, A.] este estudio diferentes mezclas de polvo crudo a las que se les incorporaron directamente las cenizas aportadas por el combustible alternativo después de su combustión total y de acuerdo al porcentaje de reemplazo establecido. Considerando el 20% de reemplazo como máximo, las muestras de estudio se prepararon pensando que: el total de cenizas producidas se incorporaba al clinker; solo la mitad; o una cuarta parte. También se adicionó un exceso de cenizas a fin de establecer tendencias. Se realizo el análisis químico de los principales com- ponentes de las cenizas a fin de determinar la com- posición de óxidos inorgánicos y metales pesados incorporados. Estos últimos (principalmente Co, Cr, Cu, Pb, Zn, Mo, Ni y Sb, entre otros) se detectaron en el orden de trazas en las cenizas de aceites de automotores y de la mezcla combustible. En el caso del carbón, sus cenizas solo incorporan calcio, sílice y álcalis. Los neumáticos incorporaron Ca, Zn, Al, Fe, P y otros metales minoritarios como Pb, Cu, Ni, Cd y Tl. En las cenizas de virutas de curtiembre solo se encontró cromo (Cr2 O3 ) y Na2 SO4 . En todos los casos los resultados se compararon con un clinker de referencia (sin adición alguna). Para la preparación de las diferentes muestras se pesaron cuantitativamente las cenizas y el material crudo y se mezclaron en seco. Las muestras fueron pelletizadas y luego clinkerizadas en horno-mufla, con velocidad de calentamiento de 10°C/minuto hasta temperatura final de 1.450°C y mantenidas a esa temperatura durante una hora. La velocidad de enfriamiento también fue controlada a fin de asegurar la permanencia de las fases hidráulicas deseadas. Los distintos clinkers sintetizados fueron molidos en un molino oscilante Herzog HSM 100 con cámara de acero al vanadio. Se molieron iguales cantidades de cada clinker durante igual tiempo a fin de hacer comparativo el ensayo. El tiempo de molienda se estableció de forma tal que la superficie específica quede dentro del rango utilizado en los cementos normales. Sobre los clinkers molidos se realizaron los siguientes ensayos: Medición de la superficie específica por el método Blaine (IRAM 1623), medición de la tempe- ratura de cono pirométrico equivalente, (TCPE) según IRAM 12507, análisis térmico diferencial (ATD/TG) y difracción de rayos X (DRX). Para estos dos últimos ensayos se utilizaron: un equipo NETZCH STA 409 y un difractómetro PHILIPS PW 3710, respectivamente. Cuando se consideró necesario se realizaron ensayos de lixiviación. A las diferentes edades de hidratación las pastas con W/C= 0.4 fueron analizadas por ATD/TG y DRX. Se realizaron además estudios de porosimetría por intrusión de mercurio en un equipo Carlo Erba Mi- cropore 2000, y se midieron las resistencias a la compresión sobre pastas a distintas edades (3, 7 y 28 días) utilizando una máquina J.J. INSTRUMETS modificada. Resultados y discusión Los difractogramas obtenidos de los diferentes clinkers sintetizados en presencia de cenizas de los diferentes combustibles alternativos usados, mos- traron cristalinidad variable según su naturaleza y concentración al ser comparados con la referencia. Cuando el combustible fue aceite usado de auto- motores se obtuvieron clinkers con fases mejor cris- talizadas si la incorporación de cenizas era mínima, observándose que este efecto disminuía al aumentar la incorporación, indicando que en bajas proporcio- nes las impurezas actúan como mineralizadores del sistema. Al usar la mezcla combustible en las propor- ciones especificadas se observó en cambio una mayor cristalinidad de las fases cuando la incorporación era máxima, superando a la referencia y a los demás clinkers de su serie. En este caso la fase cristalina mayoritariamente formada fue C3 S, los restantes clinkers presentaron una mayor proporción de la fase C2 S y menor cristalinidad. Los clinkers sintetizados en presencia de carbón no mostraron tendencias tan marcadas, sino características de cristalidad semejan- tes a la referencia. Cuando se analizaron los clinkers obtenidos con cenizas de neumáticos se observó cristalinidad variable, inversión de las intensidades relativas de los principales picos de los silicatos y un corrimiento de los mismos a menores valores de d. A la inversa, se observó al incorporar virutas de curtiembre. Estos corrimientos estarían determinados por la inclusión de sustancias incorporadas a través de las cenizas a las redes de los silicatos por for- mación de solución sólida con los mismos. A modo de ejemplo la Figura 1 muestra los difractogramas obtenidos para el clinker sintetizado en presencia de cenizas de neumáticos (correspondiente a un 20% de
  9. 9. [ ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 4 - 12Trezza, M. - Scian, A.] Figura 1 Difractogramas referencia y T20 (neumáticos, con 20% de reemplazo) reemplazo de combustible tradicional por alternati- vo), comparativamente con el clinker referencia. La mayor cristalinidad de las fases formadas (especial- mente C3 S) generaron una mayor dificultad de molien- da, la que se pudo observar a través de la medición de la superficie específica (Blaine) de los diferentes clinkers, medidas luego de entregarle a todos igual energía de molienda por unidad de masa. El comportamiento del clinker durante la molienda está directamente relacionado a la textura y estructu- ra de los cristales y fases vítreas (amorfas) formadas durante la clinkerización (Tsivilis S., 1994). Podría pensarse que la adición de impurezas al material cru- do afecta las propiedades fisicoquímicas del líquido formado durante la clinkerización, determinando la formación preferencial de algunas fases respecto de otras, afectando la microestructura del clinker. Esto determinó que a pesar de moler en iguales condicio- nes a todos los clinkers, la superficie específica (SE) obtenida fuera muy diferente. Para los clinkers obtenidos en presencia de cenizas de aceite usado de automotores (A) se midió en ge- neral mayor SE a mayor porcentaje de incorporación, indicando que el material obtenido era cada vez más blando (mayor porcentaje de fase amorfa). El efecto contrario determinó la presencia de cenizas de mez- cla combustible y de neumáticos: a mayor porcen- taje de incorporación menor SE. Esto coincide con lo observado por DRX, o sea, a mayor cristalinidad mayor dureza, y por lo tanto mayor requerimiento de energía para alcanzar la misma SE. Los carbones no afectaron la molienda, y las cenizas de virutas residuales de curtiembre determinaron un comportamiento dispar, aumentando la SE para pe- queñas incorporaciones y disminuyéndola a mayores, siempre comparadas con la referencia. El ensayo de cono pirométrico equivalente (CPE) se rea- lizó sobre las mezclas crudas del material de referencia y con la adición de cenizas de los diferentes combusti- bles residuales y en los porcentajes de ensayo.
  10. 10. páginas: 4 - 12 [ Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [Trezza, M. - Scian, A.] El valor de temperatura de cono pirométrico equi- valente obtenido para la muestra original fue de 1.520°C. Al ensayar el material obtenido con car- bón residual el valor obtenido se redujo, indicando que el material incorporado actúa como fundente disminuyendo el valor de temperatura de CPE en 20°C para todos los porcentajes de adición. El uso de cenizas de aceite usado determinó un incremen- to de la TCPE con el aumento de la incorporación, señalando un efecto refractario de las cenizas en el sistema. Por su parte, al agregar virutas de cur- tiembre, la TCPE no se vio afectada cuando la in- corporación fue mínima, pero cantidades mayores disminuyeron ligeramente (aprox. 5ºC) dicha tempe- ratura, aunque este efecto no pudo correlacionarse con el porcentaje incorporado. Cuando se realizó el ensayo añadiendo las cenizas de la mezcla combustible, se observó que la temperatu- ra de CPE aumentó, indicando que su presencia hace al material más refractario y este efecto es función de la cantidad de impurezas incorporadas. Además, es interesante destacar en este ensayo que el cono no se dobló a la temperatura señalada, sino que el mismo se fundió de manera violenta, perdiendo totalmente su forma. Esto se perfila como muy peligroso, pues puede ocasionar problemas en los refractarios de los hornos de producción. Se realizó el análisis térmico diferencial (ATD) y ter- mogravimétrico (TG) en forma reversible (calen- tamiento-enfriamiento) y en iguales condiciones térmicas en que se elaboraron los clinkers sobre las distintas muestras de polvo crudo, con y sin las incorporaciones de cenizas. El programa de tempe- ratura utilizado intentó reproducir las condiciones dentro del horno. Los estudios por ATD/TG de las muestras con incor- poración de las diferentes adiciones presentaron igual aspecto general, con ligeros corrimientos en las temperaturas de clinkerización y cristalización. A modo de ejemplo la Tabla 1 muestra algunos resultados obtenidos para diferentes combustibles con máximo reemplazo. El ligero aumento de la temperatura de clinkerización y la variación de la temperatura de cristalización ob- servada en algunos casos indica un corrimiento de la zona de formación y permanencia de la fase fundida. Esto determina las modificaciones estructurales que fueron detectadas por DRX, diferentes temperaturas de CPE y superficie específica de material molido con respecto a la referencia. Cabe destacar además que al utilizar aceite usado de automotores, se suma al corrimiento de picos la falta de definición de la tem- peratura de clinkerización, lo que puede deberse a problemas difusionales. Estos aumentan el rango de temperatura donde ocurre la reacción e involucra un pequeño incremento de la entalpía de reacción. En el caso del clinker sintetizado en presencia de viru- tas contaminadas con cromo (V), dada la peligrosidad del cromo y el alto contenido que estas poseen (2% Cr2 O3 ) se realizaron ensayos de lixiviación a fin de verificar la S/E del contaminante. El ensayo realizado implica la extracción durante 18 hrs. en solución de pH= 5. El cromo lixiviado fue oxidado a Cr(VI) y cuantificado colorimétricamente. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 2. Tabla 2 Lixiviación de cromo en los diferentes clinkers (ppm = mgCr (VI)/kg clinker) Tabla 1 Temperaturas de reacción para las diferentes muestras Muestra Temperatura de clinkerización (°C) Calentamiento Temperatura de clinkerización (°C) Enfriamiento Referencia 1.345,6 1.285,1 Carbón residual 1.350,0 1.280,5 Mezcla combustible 1.354,9 1.290,0 Virutas 1.348,0 1.278,3 Aceite usado 1.342,1 1.275,0 Muestra ppm cromo incorporado al clinker ppm cromo lixiviado % cromo lixiviado % cromo retenido mg Cr(VI)/L solución lixiviante V1 84,15 Nd - - 0,17 V2 126,31 41,42 32,79 67,21 0,824 V3 168,42 37,98 22,55 77,45 0,7597
  11. 11. [10 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 4 - 12Trezza, M. - Scian, A.] Los resultados obtenidos señalan un alto porcenta- je de cromo retenido. En Argentina, la Ley 24.053 (1992) de residuos peligrosos, regulada por el De- creto 831/93, establece en el Anexo VI los límites permitidos para contaminantes químicos peligrosos. En el caso del cromo este valor es de 5mg Cr/litro de lixiviante. Tal como se observa en la última columna de la Tabla 2. Los valores obtenidos están muy por debajo del máximo permitido. Esto determina que además de aprovechar la energía residual de estas virutas se ha encontrado un lugar adecuado para la S/E de estos residuos peligrosos. Al estudiar el comportamiento de los diferentes clinkers durante la hidratación por técnicas de DRX y espectroscopia IR a 3, 7 y 28 días, no se observó en ningún caso la formación de nuevas fases o diferencias significativas con la referencia. Solo se presentaron variaciones en la intensidad del pico de CH (hidróxido de calcio) que se correlaciona con la velocidad de hidratación temprana y se atribuyeron a las diferencias de SE, ya que en la mayoría de los caos esas diferencias desaparecían a los 28 días. Sin embargo, al realizar las curvas calorimétricas de las primeras 48 hrs. de hidratación todos los clinkers mostraron diferencias con respecto a la referencia y en función del porcentaje incorporado. Con excep- ción de la mezcla combustible que determinó un atraso de la hidratación temprana, las restantes incor- poraciones en general aceleraron el inicio y final del fraguado, dependiendo este efecto del porcentaje in- corporado, aunque el efecto no siempre fue función directa del mismo. A modo de ejemplo se muestran, en la Figura 2, las curvas obtenidas en presencias de cenizas de neumáticos con diferentes porcenta- jes de incorporación respecto a la referencia (T0). Estos estudios indican que la velocidad de hidrata- ción temprana se ve afectada por la incorporación de cenizas. Las impurezas incorporadas aceleran la velo- cidad de hidratación (principio y final del fraguado) con respecto a T0, y dentro de la serie se observa que la velocidad aumenta hasta T10 (10% de reemplazo), para luego volver a hacerse menos veloz a mayores porcentajes de reemplazo (T20 y T30). La influencia de las cenizas de neumáticos sobre las características estructurales del clinker y su com- portamiento durante la hidratación temprana es función del porcentaje incorporado, aunque parece existir una cantidad “límite”, superada la misma, el efecto se invierte. Los ensayos de porosimetría se realizaron sobre muestras hidratadas 45 días (w/c= 0,4). Varios auto- res (Metha K.P., 1993; Neville A.M., 1981) coinciden en que la distribución de tamaños de poros es el mejor criterio para evaluar las características de los huecos capilares mayores de 50 nm de una pasta de cemento hidratada. Esta porosidad va en detrimento de la resistencia e impermeabilidad, mientras que los huecos menores de 50 nm tienen mayor influen- cia sobre la contracción por secado y el creep. Las muestras ensayadas prácticamente no presentaron macroporosidad entre 30 y 5 µm. La macroporosidad influye directamente sobre la resistencia mecánica del material, en consecuencia es de esperar que no afecte estos valores. En cuanto a las muestras con carbón residual, acusa- ron macroporos recién por debajo de 6 µm. La zona de micromesoporos (desde 6.000 hasta 4 nm) mostró un crecimiento recién después de 400 nm, tamaño mucho menor que en la referencia. Figura 2 Curvas calorimétricas, primeras 48 hrs. de hidratación para diferentes clinkers obtenidos en presencia de cenizas de neumáticos
  12. 12. páginas: 4 - 12 [ 11Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [Trezza, M. - Scian, A.] En la zona de micromesoporos (desde 6.000 hasta 4 nm) las muestras de la serie mezcla combustible mostraron una gran similitud tanto en la distribu- ción como en el volumen de poros entre sí y con la referencia, pero esta última mostró en todo el rango de tamaños una menor porosidad. Cuando se analizaron las muestras obtenidas en presencia de virutas se encontró que la de dopaje intermedio poseía la mejor distribución de tamaño de poro y la menor microporosidad en todo el rango. Los resultados de resistencia a la compresión a la edad de 3, 7, 14 y 28 días se analizaron en todos los casos. En el caso de aceite usado de combustibles se obtuvieron valores de resistencia mecánica variables con el porcentaje de incorporación de cenizas. Los valores más altos y superiores de resistencia se dieron con incorporaciones mínimas de cenizas, como pue- de observarse en la Figura 3. Con los otros combus- tibles se observaron valores ligeramente inferiores a la referencia en edades tempranas. Sin embargo, en el caso de la mezcla combustibles estas diferencias desaparecieron a los 28 días. Algo similar ocurrió con la virutas donde además el valor de resistencia creció con el aumento del dopaje. El carbón residual determinó valores de resistencia mecánica menores a la referencia, de igual manera que los neumáticos. Conclusiones En términos generales se puede decir que la in- corporación de impurezas a través del uso de los combustibles alternativos utilizados en este trabajo modifican principalmente las temperaturas de for- mación y permanencia de la fase fundida formada durante la clinkerización (temperaturas de clinkeriza- ción y cristalización). Esto determina modificaciones en la microestructura del clinker obtenido, lo que se refleja en una mayor o menor energía requerida para la molienda –aunque no en todos los casos fue importante–, y en otras propiedades como: tiempo de fraguado, resistencia mecánica y distribución de diámetro de poros de los cementos hidratados. Específicamente se puede concluir en: • El carbón residual de petróleo, usado por su alto poder calorífico, al no incorporar mayor cantidad de residuos al sistema, no altera significativamen- te las propiedades estudiadas del clinker, aunque esto depende del porcentaje de incorporación. • La utilización de la mezcla combustible, que incor- pora trazas metálicas al sistema, modifica princi- palmente la estructura cristalina de las fases for- madas durante la clinkerización. Esto determina mayores requerimientos energéticos de molienda al aumentar el porcentaje de incorporación y re- quiere control. • La utilización de aceite usado de automotores como combustible alternativo, que incorpora trazas metálicas al sistema, modifica principal- mente la estructura cristalina de las fases for- madas durante la clinkerización. Esto determina mayores requerimientos energéticos de molienda y mejora las propiedades mecánicas del material obtenido. • La incorporación de virutas de curtiembre conta- minadas con cromo, determinó modificaciones estructurales que se vincularon a la solidificación/ estabilización de los contaminantes. Esta confi- nación se vio confirmada a través de los ensayos de lixiviación. Los demás parámetros medidos no mostraron diferencias significativas con la refe- rencia. • La utilización de neumáticos usados, que incorpo- ra principalmente metales como Zn y Pb, deter- minó como los casos anteriores, modificaciones estructurales que resultaron en general en un mayor requerimiento de molienda. Figura 3 Módulo de resistencia a rotura a 3 y 28 días v/s porcentaje de cenizas de aceite usado en automotores
  13. 13. [12 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 4 - 12Trezza, M. - Scian, A.] Referencias 1. Asavapisit S., Fowler G. and Cheeseman C.R., Solution chemistry during cement hydration in the presence of metal hydroxide wastes, Cem Concr Res (1997) 27, 8, pp. 1249-1260. 2. Diez J.M., Madrid J. and Macías A., Characterization of cement-stabilized Cd wastes. Cem Concr Res (1997) 27, 4, pp. 479-485. 3. Editorial, La minimización de residuos: una estrategia empresarial. Materiales (1997) 2, 6, pp. 14-18. 4. Hanna R.A., Barrie P.J., Cheeseman C.R., Hills C.D., Buchler P.M. and Perry R., Solid state 29Si and 27Al and FTIR study of cement pastes containing industrial wastes and organics. Cem Concr Res (1995) 25, 7, pp.1435-1444. 5. Kakali G., Kasselouri V. and Parissakis G., Investigation of the effect of Mo, Nb, W and Zr oxides on the formation of portland cement clinker, Cem Concr Res (1990) 20, 1, pp.131-138. 6. Ley 24051: Residuos peligrosos - generación, manipulación, transporte y tratamiento Normas (1992). Decreto 831/93 (in Spanish). 7. Madrid J., Diez J.M, Goñi S. and Macías A., Durability of cement matrices used for stabilization of hazardous wastes, International Conference Durability of Concrete, Ed. V.M. Malhotra (1997), pp.1527-1551. 8. Metha K.P. and Monteiro P.J.M. Concrete, structure, properties and materials. Prentice Hall, New York (1993). 9. Mollah M.Y. A., Vepati R.K., Lin T-C. and Cocke D.L., The interfacial chemistry of solidification/ stabilization of metals in cement and pozzolanic material systems, Waste Management (1995)15, 2, pp. 137-148. 10. Mollah M.Y.A., Hess T. and Tsai Y-N., An FTIR and XPS investigation of the effects of carbonation on the solidification/stabilization of cement based systems- portland type V with zinc, Cem Concr Res (1993) 23, 4, pp. 773-784. 11. Murat M., Sorrentino F., Effect of large additions of Cd, Pb, Cr, Zn to cement raw meal on the composition and the properties of the clinker and the cement. Cem Concr Res (1997) 26, 3, pp. 377-385. 12. Neville A.M. Tecnología del concreto. Prentice Hall, New York (1981). 13. Odler I. and Schmidt O., Structure and properties of Portland cement clinker doped with zinc oxide. J Am Ceram Soc (1980) 63, 1-2, pp.13-16. 14. Tashiro C., Takahashi H., Kanaya M., Hirakida I. and Yoshida R., Hardening property of cement mortar adding heavy metal compound and solubility of heavy metal from hardened mortar, Cem Concr Res (1977) 7, 3, pp. 283-290. 15. Trezza M.A., Scian A.N., Burning waste as an industrial resource, their effect on Portland cement clinker, Cem Concr Res (2000) 30, pp. 137-144. 16. Trezza M.A., Scian A.N., Waste Fuels: their effect on Portland cement clinker, Cem Concr Res (2005) 35 pp. 438-444. 17. Trezza M.A., Scian A.N., Waste with chrome in the Portland cement clinker production, Journal of Hazardous Materials (2007) 147, pp. 188-196. 18. Tsivilis S. and Thomson M., Influence of cadmium on the hydration of C3A. Cem Concr Res (1994) 24, 7, pp.1359-172.
  14. 14. [ 13Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 DURACON: Effect of the Environment on Reinforced Concrete Durability. Results of Chile after 5 years of Exposure DURACON: Influencia de la Acción del Medio Ambiente en la Durabilidad del Concreto. Parte 2. Resultados de Chile después de 5 años de Exposición Autores VERA, R. - VILLARROEL, M. DELGADO, D. Grupo de Corrosión, Instituto de Química, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso emails: rvera@ucv.cl, villarroel.maria@gmail.com, diana.delgado@ucv.cl Fecha de recepción Fecha de aceptación 15/05/2009 02/06/2009 CARVAJAL, A. M. Escuela de Construcción Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile email: acarvajg@uc.cl DE BARBIERI, F. Armada de Chile email: fdebarbieri@armada.cl TROCONIS, O. Coordinador Internacional Proyecto DURACON, Centro de Estudios de Corrosión, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela email: oladis@mail.luz.ve
  15. 15. [14 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 13 - 23Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. ] En esta investigación se presentan los re- sultados obtenidos en Chile en el marco del proyecto internacional “Influencia de la acción del medio ambiente en la durabilidad del concreto, DURACON”, que considera las investigaciones de 11 países (Argentina, Bolivia, Brasil, Chile, Colombia, Costa Rica, México, España, Uruguay, Portugal y Venezuela) que se inició en el año 2002. El proyecto consi- dera la exposición de probetas armadas y sin armar durante al menos 5 años en estaciones localizadas en ambien- te marino (Valparaíso-PUCV) y urbano (Santiago-PUC). Para ello se diseñaron hormigones de relación agua/cemento 0,45 y 0,65 y la caracterización se realizó determinando resistencia a la compresión y tracción, módulo de elasticidad, resisti- vidad, absorción capilar, absorción total This study presents the results obtained in Chile under the international project “Influence of Environmental Action in the durability of concrete, DURACON” that joins 11 countries (Argentina, Bolivia, Brazil, Chile, Colombia, Costa Rica, Mexico, Spain, Uruguay, Portugal and Venezuela) that began in 2002. The project considers the exposure of reinforced concrete specimens for at least 5 years at stations located in the marine environment (Valparaíso- PUCV) and urban (PUC-Santiago). The concrete specimens were designed with w/c 0.45 and 0.65 and characterized by determining the compressive strength and tensile strength, elastic modulus, resistivity, capillar y absorption, absorption and total porosity. The corrosion of steel was evaluated by corrosion potential and corrosion current and depth of carbonation in y porosidad. La corrosión del acero se evaluó mediante potencial de corrosión y corriente de corrosión, como también se midió profundidad de carbonatación en el hormigón para determinar estado crítico del inicio de la corrosión. En la estación marina los aceros se man- tienen aún en estado pasivo, mientras que en la urbana se evidencia actividad de un acero en probeta con razón a/c 0,45, con recubrimiento de 15 mm, como también en uno de los aceros de probeta de razón a/c 0,65, lo que se asocia al ambiente in- dustrial de alta contaminación en el sector donde se encuentra la estación, y que representa el tipo de ambiente de esta ciudad, y a los altos valores de absorción capilar que mostraron los hormigones de ambas relaciones agua/cemento, compa- rado con otros países. the concrete to determine the critical onset corrosion. The steels in Marine Station are still in passive state, while in urban area showed activity one steel in specimen with w/c 0.45, with 15 mm concrete coating, as well as in one of the steels with w/c 0.65. The results showed that in the marine station the reinforced steel in both concretes were in passive state, while in the urban station, one of the steels have activity for w/c ratio 0.45, covering 15 mm, and indications of activity in specimens of w/c ratio 0.65 associated to the high pollution of the industrial atmosphere where the station is located (similar to the atmosphere of the city) and to the highest values of capillary absorption that showed concretes of both w/c ratios, compared to the situation of the other countries. Abstract Key words: reinforced concrete, atmospheric corrosion, durability, chloride, carbonation. Palabras clave: hormigón armado, corrosión atmosférica, durabilidad, cloruro, carbonatación. Resumen
  16. 16. páginas: 13 - 23 [ 15Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. Introducción El hormigón armado es un material compuesto for- mado por una matriz de hormigón y barras de acero, donde la durabilidad de la estructura se basa tanto en una protección física que entrega el hormigón, disminuyendo el ingreso de sustancias agresivas hacia el acero, como en una protección química otorgada por el medio básico (iones OH- ), prove- niente de la hidratación del cemento, que permite la formación de oxohidróxidos de hierro protectores sobre la superficie del acero, disminuyendo la velo- cidad de corrosión de la armadura. Sin embargo, a pesar de todos los estudios y adelantos por lograr la vida útil proyectada de estas estructuras, la corro- sión del acero de refuerzo sigue estando presente, especialmente en ambientes agresivos como marino e industrial (1-5). De ahí la importancia de realizar el proyecto DURA- CON que contempla la participación de 11 países, cuyo objetivo general es caracterizar la durabilidad de hormigón armado en diferentes condiciones am- bientales en Iberoamérica. Resultados preliminares después de un año de exposición muestran claramen- te diferencias entre el comportamiento del hormigón armado expuesto a microclimas específicos (marino y urbano). En atmósferas marinas, el contenido de cloruro en el medio es un factor decisivo en la pro- babilidad de ocurrencia del fenómeno de corrosión en el acero de refuerzo (6-7). Por otra parte, en atmósferas urbanas los factores más importantes que influyen en la corrosión del ace- ro embebido en hormigón son: calidad del hormigón, contenido de dióxido de carbono (CO2 ) y tiempo de humectación (TDH) (7-8). En este contexto, en una publicación previa de los autores después de un año de exposición de las muestras de hormigón, se informó que el acero de refuerzo se encontraba pasivo en ambos ambientes y para los dos tipos de mezclas estudiadas (9). Por tanto, el objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos en Chile después de 5 años de exposición de las muestras de hormigón. Procedimiento experimental El cemento utilizado fue un cemento Portland puzo- lánico grado corriente, cuya composición se indica en la Tabla 1. Las mezclas de hormigón se prepararon con una relación a/c de 0,45 y 0,65 cuyo contenido se presenta en la Tabla 2. El curado de las probetas fue realizado en cámara húmeda (90-100%H.R, 17- 23 ºC) por un período de 28 días (9). Para la realización de este trabajo se fabricaron probetas cilíndricas de hormigón sin armadura, de 15x30 cm para las caracterizaciones físico-mecánicas y prismáticas de 15x15x30 cm para ser expuestas en las estaciones de ensayo. Se confeccionaron también Tabla 1 Composición del cemento Tabla 2 Proporciones de las mezclas utilizadas Si O2 Al2 O3 Fe2 O3 CaO MgO NaO2 K2 O SO3 Mn2 O3 P2 O5 TiO2 P.I Cal libre C3 S C5 S C4 AF C3 A Sup. Esp. m2 /kg Puzolánico 21,5 4,6 3,3 62,0 2,7 0,2 0,4 2,2 0,08 0,09 0,30 2,8 0,5 66,0 16,0 11,14 6,6 360 29,7 Mezcla Contenido (kg/m3 hormigón) / Proporción Cemento Agua Grava Arena Aditivo a/c: 0,65 323/L 210/0,65 911/2,82 911/2,82 --- a/c: 0,45 387/L 174/0,45 929/2,40 929/2,40 4,64 Plastiment FF-86
  17. 17. [16 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 13 - 23Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. ] probetas de 15x15x30 cm con 6 armaduras de acero al carbono (A 44–28 H) con espesores de recubri- miento de 1,5, 2,0 y 3,0 cm para ser expuestas al medio ambiente (9). La caracterización mecánica de las mezclas com- prendió las medidas de resistencia a compresión a 28 y 90 días (Norma ASTM C 39), resistencia a la tracción indirecta (Norma ASTM C 496) y módulo de elasticidad (Norma ASTM C 469). Por otra parte, la caracterización física del hormigón se determinó por medidas de resistividad (manual DURAR) (1), absorción total y porosidad total (Norma ASTM C 642), absorción capilar (técnica de Fagerlund) y per- meabilidad a cloruros (Norma ASTM C 1202). A B Figura 1 Estación atmosférica (A) Valparaíso (B) Santiago La estación atmosférica de Valparaíso se encuentra localizada en Lat. Sur 32ºS, Long. 71º W, a una dis- tancia lineal de 170 m de la costa y 11 m de altura sobre el nivel del mar (Figura 1A). En la misma figura se muestra la estación atmosférica de Santiago, la que se encuentra ubicada en Lat. 33.5ºS, Long. 70.5ºO y a una altura de 800 m sobre el nivel del mar (Figura 1B). Los parámetros meteorológicos medidos mensual- mente fueron: humedad relativa, temperatura, tiem- po de humectación y cantidad de lluvia caída, y como contaminantes atmosféricos: contenido de cloruro, de sulfato y de dióxido de carbono. El comportamiento electroquímico del acero se eva- luó determinando mensualmente el potencial de corrosión (Ec), resistencia de polarización (Rp) y corriente de corrosión (Ic) utilizando un potencios- tato–galvanostato GSEC 2.0, como referencia un electrodo de cobre sulfato de cobre saturado y como contraelectrodo una lámina de cobre. Se analizó la cara expuesta y no expuesta a la dirección del viento. El frente de carbonatación de las muestras de hormi- gón expuestas se determinó usando la Norma UNE 112-011-94. Resultados y discusión Caracterización físico-mecánica del hormigón En la Tabla 3 se presentan los datos obtenidos para la caracterización de los diferentes tipos de hormigón empleados en este estudio, donde en general los resultados se encuentran dentro de los valores acep- tados por las normas chilenas con una compactación y elasticidad aceptable. En ella se confirma que un incremento en la relación agua/cemento produce un aumento en la porosidad y especialmente en la absorción capilar y por tanto una disminución en el grado de compactación de la mezcla, de esta ma- nera el volumen de intersticios y aire presentes en el hormigón reducen la resistencia a la compresión y tracción, como también el módulo de elasticidad. El incremento en la porosidad (mezcla a/c 0,65) pro- duce un aumento en la absorción y permeabilidad de la mezcla, y una disminución en su resistividad
  18. 18. páginas: 13 - 23 [ 17Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. Tabla 3 Características físico-mecánicas de las mezclas Características Mezcla a/c: 0,45 a/c: 0,65 Resistencia a la compresión, 28 días (MPa) 43,60 19,80 Resistencia a la tracción (MPa) 2,78 1,94 Módulo de elasticidad (GPa) 26,30 19,10 Resistividad (KΩcm) 8,88 6,20 Absorción total (%) 2,44 5,21 Porosidad total (%) 8,95 17,02 Absorción capilar (k/m2 s1/2 ) 0,027 0,0341 Resistencia a penetración de agua, m(s/m2 ) 2,50 x 107 2,25 x 107 Sorción capilar, S (m/s1/2 ) 2,0 x 10-4 2,11 x 10-4 Porosidad efectiva, ε (%) 13,50 16,13 Permeabilidad al cloruro (coul) --- 7.339 Peso unitario (kg/m3 ) 2.419 2.355 eléctrica, facilitando el acceso de agentes agresivos externos como los iones cloruro, permitiendo que estos deterioren en un menor tiempo la armadura de refuerzo de las probetas de hormigón. A su vez, al comparar los resultados de sorción capilar se ob- servan valores del mismo orden de magnitud para las dos mezclas utilizadas y los datos corroboran un hormigón recomendado para ambientes menos severos. Es importante hacer notar que los hormigones de ambas razones a/c muestran los más altos valores relativos de absorción capilar con respecto a la de los otros países participantes, hecho que se vuelve muy importante al transcurrir cinco años de inves- tigación. Caracterización atmosférica de las estaciones La evaluación mensual de los parámetros climáticos y ambientales y el uso de las normas ISO 9223 a 9226 permiten clasificar la agresividad de las atmósferas de las estaciones (10-13). Los parámetros más impor- tantes usados en esta investigación fueron tempe- ratura, humedad relativa, tiempo de humidificación (τ), cantidad de lluvia caída, velocidad y dirección del viento, concentración de cloruro (salinidad, S), concentración de dióxido de azufre, SO2 (P) y con- centración de dióxido de carbono (CO2 ). En las Figuras 2 y 3 se muestra la variación de los diferentes parámetros meteorológicos evaluados mensualmente para la estación de Valparaíso y San- tiago, respectivamente. En las Figuras 4 y 5 se muestra la variación de los contaminantes atmosféricos evaluados mensual- mente para la estación de Valparaíso y Santiago, respectivamente. Según la norma ISO 9223 [10] que clasifica la agre- sividad de las atmósferas considerando el tiempo de humectación (τ) y la deposición de los contaminantes en el ambiente (salinidad, S y compuestos sulfurados, P), a la estación de Valparaíso le correspondería una clasificación de τ4 , S1 , P1 , propio de un ambiente ma- rino. En cambio, la estación de Santiago se clasifica como una estación urbana ya que le corresponde τ3, S0 y P0 con un alto contenido de CO2 . Por tanto, los parámetros principales que afectan el proceso de co- rrosión del acero de refuerzo deberán ser el contenido de cloruro y de dióxido de carbono. Sin embargo, en un hormigón carbonatado también es importante considerar los valores de humedad relativa (HR), tiem- po de humidificación (τ) y cantidad de lluvia caída.
  19. 19. [18 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 13 - 23Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. ] Figura 2 Estación atmosférica de Valparaíso (A) Humedad relativa (B) Temperatura (C) Tiempo de humidificación (D) Lluvia caída Figura 3 Estación atmosférica de Santiago (A) Humedad relativa (B) Temperatura (C) Tiempo de humidificación (D) Lluvia caída
  20. 20. páginas: 13 - 23 [ 19Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. Figura 5 Estación atmosférica de Santiago. (A) Cloruro (B) SO2 (C) CO2 Figura 4 Estación atmosférica de Valparaíso. (A) Cloruro (B) SO2 (C) CO2
  21. 21. [20 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 13 - 23Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. ] Figura 6 Potencial y corriente de corrosión en función del tiempo para el acero de refuerzo en hormigón de a/c 0,45, cara expuesta en la estación marina de Valparaíso Evaluación del potencial y corriente de corrosión En la Figura 6 se aprecia la variación del potencial de corrosión (Ec) y la velocidad de corrosión (Ic) en función del tiempo, medido para acero de refuerzo con dos diferentes recubrimientos (15 y 20 mm) ubicados en la cara expuesta al medio marino en un hormigón de relación a/c 0,45. En ella se observa que los valores de Ec son ligeramente superiores para un espesor de recubrimiento mayor y que las corrientes de corrosión hasta el momento de informar son similares. Estos resultados muestran que en estas condiciones las armaduras aún se encuentran pasiva- das dado que el potencial de corrosión se encuentra a valores más positivos que -250,0 mV y la corriente de corrosión es ligeramente inferior a 0,10 μAcm-2 . Estos valores son limitantes para diferenciar entre el estado pasivo y activo del acero de refuerzo. Por otra parte, en la Figura 7 se muestran los resultados para un hormigón de relación a/c 0,65. A diferencia de los resultados obtenidos para la mezcla de a/c 0,45, en este caso el acero con un recubrimiento de 15 mm presenta valores de Ec e Ic cercanos a las condiciones de actividad. En cambio, un acero de recubrimiento 20 mm aun se mantiene en condiciones pasivas. En la Figura 8 se presentan los resultados de Ec para acero con recubrimientos de 15 y 20 mm en los dos tipos de mezclas en la estación urbana de Santiago. Los resultados evidencian actividad del acero a 15 mm de recubrimiento en una probeta de hormigón de relación a/c 0,45 y para 20 mm en la misma muestra. El Ec ha comenzado a disminuir a valores cercanos a -400 mV y -200 mV, respectivamente. Este hecho está asociado a una situación puntual, debido a que la muestra por algún tiempo se en- contró sobre el césped de la estación, por tanto, expuesta a condiciones diferentes a las que consi- dera la investigación. El medio es más ácido debido a los abonos agregados al terreno, sumado a la existencia de materia orgánica en descomposición, que pudieron disminuir el potencial de corrosión, y efectivamente provocar actividad de los aceros más cercanos. Se debe sumar a esto los altos valores de absorción capilar de este hormigón, que hacen más efectiva la penetración de agentes externos, que en este caso corresponde a solución acuosa de carácter ácido proveniente del césped abonado con materia orgánica en descomposición, cuyo pH es cercano a 5.
  22. 22. páginas: 13 - 23 [ 21Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. Figura 8 Potencial de corrosión en función del tiempo para el acero de refuerzo en hormigón de a/c 0,45 y 0,65, cara expuesta en la estación urbana de Santiago Figura 7 Potencial y corriente de corrosión en función del tiempo para el acero de refuerzo en hormigón de a/c 0,65, cara expuesta en la estación marina de Valparaíso
  23. 23. [22 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 13 - 23Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. ] Además, es importante considerar que el contenido de CO2 ambiental superior a 1,0 mg/L en la estación urbana corresponde a una alta contaminación, y es propio del tipo de ambiente de la ciudad de Santiago. Por otra parte, los cambios de humedad relativa a lo largo del día tienen variaciones importantes, ya que durante la mañana se registran valores de 85-95% humedad, la que varía hasta llegar al orden de 40% para luego ascender en la noche nuevamente. En la figura 8 se observa que el refuerzo ubicado a 15 mm de recubrimiento en una mezcla de relación a/c 0,65 se comporta de forma inestable, presentando valores de Ec que fluctúan entre –200 mV y 100,0 mV, a diferencia del acero a 20 mm que alcanza potenciales superiores a 0 mV, manteniéndose aun en estado pasivo. Determinación de la profundidad de carbonatación En la Tabla 4 se presentan los resultados de las medidas de profundidad de carbonatación para las muestras en las dos estaciones. Existen diferencias importantes entre la zona urbana y marina durante los primeros años. Esto se puede explicar debido a que el ambiente industrial fue de alta contaminación hasta el año 2004 en la zona de Santiago en que se encuentra la estación (comuna Macul) por lo que se obtuvo una profundidad de carbonatación más alta que en otros países, a diferencia de la zona de Valparaíso, zona costera que históricamente no ha presentado contaminación del tipo industrial. Sin embargo, el escenario en ambas zonas ha ido cam- biando en sus niveles de contaminación, disminuyen- do la velocidad de penetración de CO2 en Santiago, y, por otro lado, aumentando en Valparaíso. Conclusiones • La probabilidad de que la barra de refuerzo presente corrosión en un determinado ambiente dependerá de las condiciones climáticas y con- taminantes del lugar en el que se encuentre expuesto, de la calidad y recubrimiento del hormigón. • Los resultados después de 5 años de exposición al medio atmosférico muestran que el hormigón preparado con una relación de agua/cemento 0,45 proporciona una mayor protección a la ar- madura de acero frente a la corrosión en medio marino y urbano, debido a que el hormigón pre- senta menor absorción y porosidad total, como también una mayor resistencia a la tracción y compresión. • En la estación marina de Valparaíso el acero de refuerzo con un recubrimiento de 15 mm en la mezcla de a/c 0,45 y 0,65 ha comenzado a pre- sentar actividad alcanzando valores de potencial de corrosión cercanos a -200 mV y corrientes de corrosión alrededor de 0,07 μAcm-2. • En la estación urbana se puede detectar un riesgo de corrosión alto en la probeta que estuvo en contacto con un suelo de pH bajo, lo que puede representar un foco de estudio interesante para analizar en esta probeta, que difiere de las simi- lares ubicadas en esta estación. • La profundidad de carbonatación en la estación urbana muestra valores también altos con respec- to a la estación marina, pero estos valores aún no se reflejan en los valores de potencial de corro- sión, que debieran mostrar mayor actividad. Tabla 4 Profundidad de carbonatación de las muestras en ambiente marino e industrial Año Profundidad de carbonatación a/c 0,45 (mm) Profundidad de carbonatación a/c 0,65 (mm) Santiago Valparaíso Santiago Valparaíso 1 6 3,2 11 7,8 2 12,5 4 13 9,7 3 -- -- -- -- 4 19,5 -- 18 -- 5 20 -- 22 --
  24. 24. páginas: 13 - 23 [ 23Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Vera, R. - Villarroel, M. - Delgado, D. - Carvajal A. M. De Barbieri, F. - Troconis, O. Agradecimientos Los autores agradecen a la Dirección de Investigación de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, a la Escuela de Construcción Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile, a la Armada de Chile y al Progra- ma Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el desarrollo (CYTED), Proyecto XV.3 DURACON. Referencias 1. Troconis de Rincón, O. and DURAR Network Members. Manual for Inspecting, Evaluating and Diagnosing Corrosion in Reinforced Concrete Structures. CYTED. ISBN 980-296-541-3, Maracaibo, Venezuela (2000). 2. Alonso, C., Andrade, C., Castellote, M. y Castro, P.: “Chloride threshold values to depassivate reinforcing bars embedded in a standardized OPC mortar”, Cement and Concrete Research, 30(7), 1047-1055, (2000). 3. Moreno, M., Morris, W., Alvarez, M. G. y Duffo, G. S.: “Corrosion of reinforcing steel in simulated concrete pore solutions. Effect of carbonation and chloride content”, Corros. Sci., 46, 2681-2699, (2004). 4. Alonso, C., Castellote, M. and Andrade, C.: “Chloride threshold dependence of pitting potential of reinforcements”, Electrochimica Acta, 47, 3469-3481, (2002). 5. Troconis de Rincón, O., Castro, P., Moreno, E. I., Torres- Acosta, A. A., Morón de Bravo, O., Arrieta, I., García, C., García, D. and Martinez, M.: Chloride profiles in two marine structures-meaning and some prediction”, Building and Environment, 39(9), 1065-1070, (2004). 6. Troconis de Rincón, O. and Duracon Collaboration: “Durability of concrete structures: DURACON, an iberoamerican project. Preliminary results”, Building and Environment, 41, 952-962, (2006). 7. Troconis de Rincón, O. and Duracon Collaborations: “Effect of the marine environment on reinforced concrete durability in iberoamerican countries: duracon project/cyted”, Corros. Sci., 49(7), 2832-2843, (2007). 8. Troconis de Rincón, O. and Duracon Collaborations: “The use of polarization resistance to evaluate the environmental impact on reinforced concretestructures in the iberoamerican region”, ECS Transactions, 3(13), 111-116, (2007). 9. Vera,R.,Delgado,D.,Villarroel,M.,Palma,G.,Carvajal, A. M., “DURACON: Influencia de la acción del medio ambiente en la durabilidad del concreto. Resultados preliminares de Chile”, Revista de la Construcción, 7(2), 56-61, (2008). 10. ISO 9223, Corrosion of metals and alloys, Classification of corrosivity of atmospheres, ISO, Geneva, 1991. 11. ISO 9224, Corrosion of metals and alloys, Guiding values for the corrosivity categories of atmospheres, ISO, Geneva, 1991. 12. ISO 9225, Corrosion of metals and alloys, Corrosivity of atmospheres- methods of measurement of pollution, ISO, Geneva 1991. 13. ISO 9226, Corrosion of metals and alloys, Corrosivity of atmospheres-methods of determination of corrosion rate of standard specimens for the evaluation of corrosivity, ISO, Geneva 1991.
  25. 25. 24 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 Mejoramiento Térmico de Ladrillos Cerámicos Perforados Thermal Improvement of Perforated Ceramic Bricks Autores BUSTAMANTE, W. Escuela de Arquitectura, Pontificia Universidad Católica de Chile email: wbustama@uc.cl Fecha de recepción Fecha de aceptación 03/06/2009 06/07/2009 BOBADILLA, A. Departamento de Ciencias de la Construcción, Universidad del Bío-Bío email: abobadil@ubiobio.cl NAVARRETE, B. Escuela de Construcción Civil, Pontificia Universidad Católica de Chile email: bnava@uc.cl SAELZER, G. Departamento de Diseño y Teoría de la Arquitectura. Universidad del Bío-Bío email: gsaelzer@ubiobio.cl VIDAL, S. Escuela de Construcción Civil. Pontificia Universidad Católica de Chile email: svidal@uc.cl
  26. 26. páginas: 24 - 35 [ 25Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. The main objective of this study was to decrease thermal transmittance (U value) of brick masonry, with minimum cost increase and without use of insulation materials. Within the framework of this study, three new ceramic bricks were developed in order to improve the thermal performance of commonly used brick masonry in Chilean buildings. Design restrictions that keep external dimensions of bricks (14 cm) and fulfil structural requirements of Chilean standards, a country with high seismic activity, El principal objetivo de este estudio es disminuir la transmitancia térmica de la albañilería de ladrillos respecto de las utilizadas en Chile previo a la aplicación de la II fase de Reglamentación Térmica a partir de enero de 2007, incrementan- do al mínimo el costo de este sistema constructivo y sin adicionar materiales aislantes térmicos. En el marco de este estudio se desarrolló un nuevo tipo de ladrillo cerámico con el fin de mejorar su comportamiento térmico al compararlo con otros ladrillos de idéntico mate- rial usado en el país. Las restricciones de diseño para el ladrillo contempla el no aumentar el espesor del muro (14 cm) y cumplir con los requerimientos have been taken into account. Mathematical modelling and measurements of thermal and structural properties were carried out. The new types of bricks were manufactured by a local factory of ceramic products. Laboratory measurements showed that new masonry without stucco reached a U value between 1,64 W/m2 K to 1,80 W/m2 K, significantly lower than 2,22 W/m2 K of the reference masonry. All structural requirements were fulfilled according to Chilean standards of gravitational and seismic loads. estructurales existentes en las Normas chilenas. Para el desarrollo del estudio se realizó una modelación matemática para predecir cualidades térmicas y el comportamiento estructural de las al- bañilerías con el nuevo tipo de ladrillo. Mediciones de laboratorio mostraron que la nueva albañilería sin estuco al- canzó una transmitancia térmica entre 1,64 W/m2 K y 1,80 W/m2 K, significati- vamente menor que 2,22 W/m2 K pre- sentada en la albañilería de ladrillos cerámicos de referencia. Todas los re- querimientos estructurales fueron cum- plidos de acuerdo a lo que establecen las Normas chilenas sobre cargas gravi- tacionales y cargas sísmicas. Resumen Palabras clave: ladrillo cerámico, comportamiento térmico Key words: ceramic bricks, brick thermal performance. Abstract
  27. 27. [26 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 24 - 35Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. ] 1. Introduction In Chile, the Thermal Regulation for housing was ratified by law in March 2000. Its first stage included roofs requirements in 7 different heating degree-day zones. As the Regulation was ratified - prompted by the Ministry of Housing and Urbanism (MINVU) of the Republic of Chile -, studies for a second stage were initiated. This new stage sets demands concerning vertical envelope (walls and windows) and ventilated floors. These demands specify a maximum U-value for walls and ventilated floors as well as a maximum window size according to their thermal behaviour. Although it was important for the country to establish a Regulation of this kind, the required standards are far away from achieving energy- efficiency in residential housing. In fact, in a large part of the country (including Santiago -33°26’S; 70°41’W- with 6 million inhabitants and 40% of the population of the nation) the standard wall U-value required is 1,9 W/m2 k. The standard for Concepción and Talcahuano cities (36°35’S;72°02’W), areas that include urban surroundings and representing 8,1% of the national total inhabitants, was set at 1,7 W/m2 K. However, the standard for a third urban area of central Chile, with 1.540.000 inhabitants and encompassing Valparaiso (33°01’S;71°39’W), Viña del Mar and surrounding areas, was set at 3,0 W/m2 K [1]. A higher standard was set for the south of the country, characterized for its cold climate, reaching 0,7 W/m2 K in the southernmost city in Chile, Punta Arenas (53°00’S;70°58’W), with 117.000 inhabitants [1]. In spite of its weaknesses, the second stage of the Regulation-applied from January 2007- has challenged the building sector to modify their construction systems, particularly those based on brick masonry and reinforced concrete, to be able to comply with the required wall standards for different weather zones. The present thermal quality standards in this kind of walls are insufficient to cover the regulation requirements within most of the national territory. However, most of the available systems are economically and technically unfeasible, and alternatives used in developed countries have not yet been massively introduced in Chile. Since the present U values of ceramic brick walls is slightly over the defined standards, the Ceramic Brick Industry has decided to avoid insulation materials on this type of walls, preferring the strategy of improving thermal behaviour of ceramic bricks. An experimental evaluation made within this research at the Laboratory of Building Physics of the Universidad de Bío-Bío” got U values from 2,0 to 2,48 W/m2 K for different types of ceramic brick walls. In terms of building energy-efficiency and the thermal behaviour proposed by the Second Stage of the Regulation, these thermal insulation standards are considered precarious. Values established in this regulation are below U=1,9 W/m2 K in 5 out of the 7 climatic zones of the country, as defined by the Ministerio de la Vivienda y Urbanismo [1]. The need to introduce changes to the present masonry constructive systems brought about the development of the Project FONDEF D01-l1161, which was carried out by the Universidad del Bíobío, the Pontificia Universidad Católica de Chile, the Université Catholique of Louvain, Belgium, and a group of local companies. Funds were provided by FONDEF of CONICYT (National Commission for Scientific and Technological Research). The main objective of the project was to develop construction technologies to improve higrothermal performance of local brick masonry and concrete walls. This paper shows achieved innovations in the design and manufacturing of ceramic bricks, with improved thermal properties and decreased U-value. These improvements will permit its use in most of the country, fulfilling the requirements mentioned by the Second Stage of the Thermal Regulation. The project focused on the improvement of masonry thermal behaviour of bricks without the use of wall thermal insulation. Design restrictions were to keep the external dimensions of the bricks, and thus fulfil the structural requirements established by Standards in Chile, a highly seismic country. Thermal improved bricks were designed. Before producing them, its thermal behaviour was analyzed through finite elements. This theoretical analysis allowed selecting those bricks that were finally produced in a national industry. The final manufactured bricks were submitted to several lab measurements to study their thermal, as well as structural properties.
  28. 28. páginas: 24 - 35 [ 27Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. 2. Background 2.1 Bricks Morphology Nearly a 100% of industrially produced hollow bricks made in Chile have 14 cm wide, and 29 cm length. The height changes from different manufacturers: from 7,1 to 14,0 cm. The hollowed space inside the bricks varies between 41,2% and 67,4%. Apparent density varies between 0,78 and 1,00 ton/m3 . All ceramic bricks used in Chile have vertical perforations that comply with existing structural requirements due to the high seismic activity in the country. It is known that vertical perforated bricks have better structural performance compared to bricks with horizontal perforations [2]. Practically all local bricks have simple orthogonal perforations with a significant number of straight transversal connections. In practice, these connections work as thermal bridges able to reduce the trajectory of the conduction flow through the thickness of the brick. This explains the low thermal quality of local masonry bricks. Figure 1 shows some ceramic bricks manufactured in Chile. Big perforations in the centre of the brick respond to the need of using this space to install concrete and structural steel bars in the wall. Bibliography shows bricks with a different morphology compared to those produced in Chile. For example, bricks with inner diagonal dividers are fully used in Europe, so as to increase the heat conduction trajectory. These divisions also allow alveolus of low thickness. Probably, their sizes are at a borderline of industrial manufacture feasibility. U-value of 0,46 W/m2 K has been reached in a 40 cm thick wall made of non-porous ceramic bricks [3]. Other studies of a porous clay brick with inner diagonal divider walls used on 40 cm thick walls, measured a U-value of 0,304 W/m2 K [4]. Small size alveolus and their thickness play an important role in the reduction of heat transfer. In fact, in a study analyzing heat flow inside closed cavities with mortar, the heat transfer by convection was negligible when compared to opened cavities. The latter is the result of a mortar discontinuity, which is used to interrupt thermal bridges in a masonry wall [2]. Big cavities help heat transfer, as shown by experiments and analysis of ceramic thermal-brick behaviour [5]. A discussion of the negative effect of partial presence of mortar in the cavities, from a thermal point of view, was also provided in this study [2]. 3. Methodology In order to improve thermal performance of perforated ceramic brick walls, as a first step, an experimental study of thermal behaviour of different brick masonry walls was carried out. U values of these walls, thermal conductivity of certain ceramic samples and equivalent thermal conductivity of different perforated bricks were obtained. As a second step, new morphological design of perforated bricks was defined, using the strategy of avoiding thermal bridges and increasing the trajectory of thermal conduction through inner walls of bricks. Geometrical restrictions for perforated ceramic bricks of Chilean Standards were considered. A numerical study with finite elements was made in order to define the first brick to be fabricated by a local industry. After fabrication of the first type of brick, U value of different wall samples were obtained, using a standard test method of ASTM C236 standard [6]. Some structural properties of walls were also studied with laboratory standard methods. In order to improve some structural properties of the first type of brick, two new different designs were studied considering identical steps: numerical study with finite elements, fabrication, testing for obtaining U value of walls and testing for obtaining structural properties. Figure 1 Bricks manufactured in Chile
  29. 29. [28 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 24 - 35Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. ] 4. Research 4.1 Thermal behaviour of present ceramic brick masonry walls in Chile In a first step, an extended experimental study allowed the determination of the thermal quality of ceramic brick walls available in Chile. This work was performed in the Laboratory of Building Physics, Universidad del Bío-Bío, Concepción, Chile. (Lab accredited by Chilean legislation). The universe included 105 identified masonry walls available in the market. This selection came from different wall models and materials according with official figures. Thirty types of masonry walls were selected from this universe, representing, statistically, 96% of masonry walls constructed in the country. Bricks of these walls were mainly manufactured by two of the most important ceramic brick industries of Chile. Both companies provide 85% of industrial bricks available in the national market. Apart from these, smaller manufacturers and one craftsman producer were included. The different bricks were 14 cm thick, 29 cm long, and their height varied from 7 to 14 cm. The joining mortar was 13 mm thick, and it was made of a normal dosage of sand and cement. For each of the 30 walls the U-value was measured according to the Guarded Hot Box method and following the ASTM C236 Standard [6]. The U- value of all different walls varied from 2,00 and 2,48 W/m2 K. Taking into account the relative frequency of each wall in the universe, the average U-value obtained was 2,27 W/m2 K, ranging between 2,17 – 2,38 W/m2 K and 95% of reliability. Equivalent thermal conductivity, λeq (W/mK) of different local hollow bricks varies between 0,297 and 0,475 (W/mK), with an average of 0,394 (W/mK). The craft-made massive brick reached a thermal conductivity of 0,490 (W/mK). 4.2. Morphological design of bricks to improve thermal performance The new proposal is based on two fundamental concepts (see Figure 2), which are mainly oriented to: a) Generating the less possible thermal bridges: by achieving a geometry which would give to structural bricks a minimum number of transversal inner dividing walls and a maximum number of longitudinal inner dividing walls. b) Generating a maximum thermal trajectory in the brick: by designing transversal inner-dividing walls with a geometry that forces conduction heat flow through a longer path compared to the thickness of brick. Based on the above concepts, and taking into account geometric restrictions imposed by the Chilean NCh 169 Of. 2001 standard [7], three types of brick were developed with geometry and physical properties that include: minimum thicknesses of inner dividing walls and header face; perforation percentages; maximum and minimum areas of alveolus and taking into consideration the manufacturing process conditions of the company involved in the industrial production (see table 1 below). In order to compare properties of the newly developed bricks, a Reference Brick (RB) was considered. This brick represents the most common type used in masonries in the country. 4.3 Numerical modelling of bricks Heat flow was numerically modelled through finite elements in each preliminary version of bricks. The purpose of this exercise was to adjust the design and anticipate the brick’s thermal characteristics before producing them at an industrial scale. Figure 2 Thermal trajectory (conduction) Structural Brick with Diagonal Inner Dividing Walls
  30. 30. páginas: 24 - 35 [ 29Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. The heat flow was simulated under steady-state conditions, regarding the following mechanism of thermal transfer: Solid material: conduction through solid material (clay: λ = 0,49 W/mK). Cavities: conduction and radiation through perforations and alveolus, with λ = 0,025 W/mK in the case of thermal conductivity of the air and an emissivity range between 0,8 and 0,9 for cavity surfaces respectively. Convection was not considered because, as mentioned above, previous studies have established that this is negligible when perforations are small (still air) [2]. Surfaces: external and internal surface convection and radiation were considered. Temperatures taken in account: internal 298 K and external 274 K; surface resistance Rsi = 0,12 m2 K/W in the case of the internal surface and Rse = 0,05 m2 K/W in the case of the external surface, according with standard Chilean NCh 853 Of. 91 [8]. Numerical modelling simulations for walls with each type of brick are shown in Table 1. U values for walls without steel reinforcement, as in confined masonry, were estimated. To estimate the thermal bridge impact due to steel bars, U values of reinforced masonry walls were also analyzed (see Figure 3). This case considers steel through big cavities within bricks, filled with cement mortar. In both cases, estimation of U value takes into account only the brick zone of the wall and not the foundation and bond beam. It is important to mention that Chilean thermal regulation of residential buildings does not specify thermal requirements for bond beam and foundations. Table 1 Properties of produced bricks Figure 3 Reinforced concrete wall
  31. 31. [30 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 24 - 35Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. ] Table 2 shows estimated U values of the four different masonry walls. In case of confined masonry (CM1 and CM2), mathematical modelling estimations showed lower U values than measured ones. These differences –less than 5%–, may be explained by the model’s own limitations. For example, it does not take into account the possibility of cement mortar incorporation into the cavities. According to other experiments carried out in this field [4], the impact of incorporating some cement mortar in perforations during construction process is thermally more relevant than an eventual airflow in the hollow cavities. According to figures of Table 2, U values of reinforced masonry are between 3 and 4% higher than respective confined masonry walls. 4.4 Laboratory measurements of developed bricks An industry representing approximately 35% of the national brick market, fabricated the new brick in its structural version. Measurements, to determine U- value and mechanic properties of masonry specimens prepared with the 3 different types of bricks developed during this research, were carried out according to Chilean and international standards. Mechanical properties were measured in the Material Laboratory of DECON of the Pontificia Universidad Católica de Chile and U values were measured at the Laboratory of Building Physics of the Universidad del Bío-Bío, Chile. The joining mortar thickness of masonry was 13 mm. Measurements did not consider stucco in walls. Wall thickness was 14 cm in all cases. 5. Laboratory procedures and results 5.1 U-value Figure 4 shows the variation of U-value of a masonry wall with respect to the type of brick used. Version 2 of the DIDWS (Diagonal Inner Dividing Walls Structural) brick masonry reached a U-value that was 26% below the value of the Reference Brick (RB). All DIDWS brick versions produced reduced U-values when compared to RB. These measurements were made in a calibrated hot box chamber according to ASTM C236 standard [6]. Figure 4 shows that the three versions DIDWS bricks have U-values below the requirements established by the Chilean Housing Regulations for Santiago and, version 2 (DIDWS2) even fulfils those of the city of Concepción. Table 2 Estimated U values of different masonry wall
  32. 32. páginas: 24 - 35 [ 31Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. 5.2. Compression Strength of individual bricks Figure 5 shows that version 1 of DIDWS bricks have a high compression strength compared with the RB. This is due to a significant increment of solid area, which gives a higher strength (from 54,4% goes up to 61,8%). All DIDWS brick versions are above the required Chilean standard NCh 169 Of2001, for Grade 1 bricks [7]. Measurements were made according to NCh 167 Of 2001 standard. (Construction-ceramic bricks tests) [9]. 5.3 Shear strength of the brick–mortar interface Figure 6 shows that all three versions of DIDWS bricks have a higher bond compared to the RB. Best results are shown by versions 1 2. All DIDWS brick versions fulfil the requirements of the Chilean Standard: NCh 169 for Grade 1 bricks. Measurements were made according to NCh 167 Of 2001. (Construction-ceramic bricks tests) [9]. 5.4. Walls’ Compression Strength Figure 7 shows measurements results observed masonry prism samples exposed to compression. Results obtained for walls built with version 1 2 DIDWS bricks are satisfactory. Values similar to those of the RB were reached. Measurements were made according to NCh 1928 Of 2003 standard. (Reinforced masonry-Requirements for structural design) [10]. Figure 8 shows testing installation. Figure 4 U-value Experiment results Figure 5 Compression strength of individual bricks Experiment results Note Grade1 brick: With minimum compression strength of 15 MPa. MqP: An industrial brick with a perforation percentage below 50%. Figure 6 Shear Strength of the brick–mortar interface Experiment results Figure 7 Prisms compression strength Experiment results
  33. 33. [32 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 24 - 35Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. ] 5.5 Strength to diagonal compression of walls Figure 9 shows that all three versions of DIDWS bricks have a considerable higher level of shear strength compared with the RB testing samples. Average diagonal compression strength was 35% higher. Measurements were made according to NCh 2123 Of 2003 standard. (Confined masonry- Requirements for structural design) [11]. Figure 10 shows the testing equipment utilized in this standard. Prismatic resistance to compression strength and prismatic resistance to diagonal compression strength are fundamental tests to predict masonry wall performance under gravitational loads and/or seismic loads. According to results obtained by Lüders, Hidalgo y Diez [12,13], tests of lateral cyclical loads on bricks of RB type showed that maximum shear strength resistance is 34% lower than the one obtained by static load tests. Extrapolating this result to the DIDWS brick masonry (without steel bars in both directions), maximum shear strength resistance under cyclical load would be around 0,61MPa. 5.6 Strength to lateral impact Problems were observed when the units were exposed to lateral load during the storing process i.e. part of the bottom bricks were fractured while piling. This made necessary the study lateral mechanical properties; this is to say, under the action of perpendicular loads to the wall surface. Impact test were carried out and the bricks were exposed to uniform lateral load. Impact tests were directed to the centre and edges of the bricks. A 529 gr steel ball was dropped from different heights until fractures appeared. Figure 9 Strength to prisms diagonal compression Experiment results Figure 8 Prism compression strength installation Figure 10 Strength to diagonal compression of wall testing equipment
  34. 34. páginas: 24 - 35 [ 33Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. Figure 11 shows lateral load impact experiment results. When impact was applied to the edges, results of DIDWS three versions were similar to those of the RB. Nevertheless, version 1 central area showed an important decrease to the impact strength. For this reason, the central area was reinforced, and this generated versions 2 3 of the DIDWS bricks. Transversal inner dividing walls were introduced; these partially help to improve the impact strength, as shown by results from versions 2 3. In spite of this, the strength level at the centre did not reach the strength of the RB. A considerable improvement in performance would be expected if the lateral faces work as a slab, compared to performances where the lateral face works as a beam as in the case of lab measurements. 5.7 Strength to transversal load A second measurement with the DIDWS brick used a static and a uniform load over a lateral face, simulating a normal load over the wall surface (see following figure). Results are shown in Figure 12. Figure 12 shows that all three versions of the DIDWS brick type have reduced strength to lateral load when compared with the reference brick (RB). Results obtained are 50% below those of the RB. Incorporating transversal inner brick dividing walls did not make a significant improvement with respect to lateral load strength. This brought about structural performance problems of the wall surface when exposed to normal loads. However, it is believed that a 2MPa strength to lateral load is sufficient to adequately resist normal loads on wall surfaces, which generally acts as a building structure. Moreover, strength to lateral load should considerably improve if external walls of bricks work as a slab while locked up by the mortar. 5.8 Perforation percentage of analyzed units Figure 13 shows perforation % changes of all brick versions. All developed versions showed a lower perforation percentage compared with the RB. The increase in the amount of clay used is a disadvantage due to rises in direct costs of production. Figure 11 Strength to lateral impact Experimental results Figure 12 Strength to lateral load Experiment results Figure 13 Brick perforation percentage
  35. 35. [34 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 24 - 35Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. ] 6. Conclusions Experimental and numerical methods have been used to improve the thermal performance of ceramic bricks normally used in Chile. This thermal improvement was made considering structural requirements and geometric restrictions imposed by Chilean standards. Manufacturing feasibility of the new bricks was also taken into account. To prevent significant increases in cost of masonry, thickness of new bricks is 14 cm, as actual bricks manufactured in the country. Masonry walls with new bricks of identical external dimensions showed a lower thermal transmittance (U value) than a reference wall constructed with a ceramic brick normally used in the country. Laboratory measurements showed that the new masonry reached a U value between 1,64 W/m2 K to 1,80 W/m2 K, significantly lower than 2,22 W/m2 K of the reference masonry. The U value decrease was achieved by increasing the trajectory of thermal conduction with diagonal inner dividing walls within the bricks. This diagonal trajectory creates small cavities in bricks, where convection heat-transfer is practically negligible. In other words, geometry of alveolus and dividing walls of bricks generate an important impact in thermal performance of brick masonry. Structural results - even if they show a reduction of some mechanical properties compared with the reference brick masonry- widely fulfil the present constructions standards of masonry in Chile. Results show that all three new developed bricks fulfil the Chilean 2007 Thermal Regulations for Santiago and Valparaíso. In one case (version 2 of DIDWS), U value allows fulfilment of requirements of not only Santiago and Valparaiso, but also Concepción. These cities are the most important urban centres of Chile. It is important to mention that diagonal compression resistance of DIDWS brick masonry – a fundamental property for seismic design - is higher than the RB manufactured in Chile. Therefore, bricks developed within this research are expected to show an appropriate performance under horizontal cyclical events. Nevertheless, dynamic tests are recommended to verify such assessment.
  36. 36. páginas: 24 - 35 [ 35Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [] Bustamante, W. - Bobadilla, A. - Navarrete, B. Vidal, S. - Saelzer, G. References 1. Instituto de la Construcción. Manual de Aplicación de la Reglamentación Térmica. Instituto de la Construcción. Santiago de Chile. 2006. 2. B. Lancarrierre, B. Lartigue; F. Monchoux. Numerical study of heat transfer in a wall of vertically perforated bricks: influence of assembly method. Energy and Building 35 (2003) 229-237. 3. J.P. Oliva. L’isolation écologique. Conception, matériaux, mise en œuvre. Terre vivante. Mens, France. 2001 4. K. Ghazi Waliki, Ch Tanner. U-value of a dried wall made of perforated porous clay bricks. Hot box measurements versus numerical analysis. Energy and Building 35 (2003) 675-680. 5. M. Sait Söylemez. On the effective thermal conductivity of building bricks. Building and Environment 34 (1999) 1-5. 6. American Society for Testing Materials. ASTM C 236. Standard Test Method for Steady-State Thermal Performance of Building Assemblies by Means of a Guarded Hot Box. 7. Instituto Nacional de Normalización. NCh 169.Of2001 Standard. Building Construction - Ceramic Bricks - Classification and requirements. 8. Instituto Nacional de Normalización. NCh 853.Of1991 Standard. Thermal conditioning - Thermal envelope of buildings - Thermal resistance and transmittance calculation. 9. Instituto Nacional de Normalización. NCh 167.Of2001 Standard. Construction. Ceramic Bricks - Test. 10. Instituto Nacional de Normalización. NCh 1928. Of2003 Standard. Reinforced Masonry – Requirements for Structural Design. 11. Instituto Nacional de Normalización. NCh 2123. Of2003 Standard. Confined Masonry – Requirements for Structural Design. 12. Hidalgo P.; Jordán R.; Lüders C. Comportamiento sísmico de edificios de albañilería armada diseñados con las normas chilenas. Departamento de Ingeniería Estructural DIE-Nº 85-1. Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. Enero 1985. Santiago, Chile. 13. Lüders C.; Hidalgo P. Modos de falla en muros de albañilería armada sometidas a cargas horizontales cíclicas. 3a Conferencia Latinoamericana de Ingeniería Sismorresistente. Septiembre 1984. Guayaquil, Ecuador.
  37. 37. 36 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 Assessment and Comparison of the Quality of the Royal Building System with Machine-made Confined Masonry Brick Used in the Construction of Social Housing in the Community of Colina Evaluación y Comparación de la Calidad de la Materialidad del Sistema Royal Building Versus Albañilería Confinada de Ladrillos Hechos a Máquina Utilizados en la Construcción de Viviendas Sociales en la Comuna de Colina Autores ANDRADE, M. Doctor en Ciencias de la Educación Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ingeniería – Escuela de Construcción Civil email: mandradg@uc.cl Fecha de recepción Fecha de aceptación 17/04/2009 20/05/2009 CALLEALTA, F. Magíster (C) Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ingeniería – Escuela de Construcción Civil email: dfaceved@uc.cl
  38. 38. páginas: 36 - 45 [ 37Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [Andrade, M. - Callealta, F.] Este estudio pretende entregar infor- mación sobre una alternativa reciente- mente utilizada por el SERVIU en sus proyectos habitacionales. Se trata del Royal Building System, el cual se basa en una estructura de paneles conectores de PVC rígido que, rellenos de hormigón armado, satisface las necesidades por- tantes y de aislación que el diseño y las necesidades requiera (1). Las particularidades y atributos de este sistema de construcción son presentados This study aims to deliver information about an alternative material recently used by SERVIU in their housing projects. This material is called the Royal Building System, which is based on a structure of rigid PVC panel connectors, filled with reinforced concrete, meeting the important needs and insulation that the design requires (1). The special attributes of this system of construction are presented via the a través de la evaluación y comparación paralela con la albañilería confinada de ladrillos hechos a máquina, considerado como un método tradicional y ya utili- zado. Para ello se evalúan dos proyectos habitacionales realizados por el SERVIU en la comuna de Colina construidos con estas dos materialidades, mediante re- copilación de datos técnicos existentes, aplicación de encuestas de percepción a usuarios y revisión de antecedentes prác- ticos en base a opinión de expertos. parallel assessment and comparison with machine-made confined masonry brick, as a traditional and used method. Under evaluation are two housing projects undertaken by SERVIU in the community Colina, which are built with these two materials. They are evaluated through the use of existing technical data, application of user perception surveys and reviews of studies based on expert opinion. Abstract Key words: Royal Building System, confined masonry brick, social housing, users Perception. Palabras clave: Royal Building System, albañilería confinada de ladrillos, vivienda social, percepción de usuarios. Resumen
  39. 39. [38 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 36 - 45Andrade, M. - Callealta, F.] 1. Introducción 1.1 Antecedentes El Programa del Ministerio Nacional de Vivienda y Urbanismo (MINVU) entrega apoyo a familias de bajos recursos a través de subsidios estatales que permiten mejorar la calidad de vida. Familias que, en lo general, presentan problemas de bajos ingre- sos, hacinamiento, allegamiento, gran cantidad de niños por familia y pocas posibilidades de acceso para elevar su calidad de vida en lo que respecta al área habitacional. Por tal razón, es que el Estado ha puesto como prioridad atender este problema, otorgando apoyo y facilidades para la obtención de la “vivienda propia”, como también la accesibilidad para subsidios para la ampliación y reparación de viviendas sociales. Con el mismo propósito, un Techo para Chile es una fundación sin fines de lucro que, a través de jóvenes universitarios, trabaja con las familias de barriadas en su proceso de erradicación hacia un nuevo barrio que cuente con una comunidad sustentable y una vivienda definitiva de calidad. Participa formalmente como EGIS (Entidad de Gestión Inmobiliaria Social) y PSAT (Prestadores de Servicio de Asistencia Técnica), encargándose de gestionar proyectos de viviendas sociales definitivas, y ampliaciones. Una de sus prin- cipales finalidades es la de mejorar el estándar y la calidad de vida de los beneficiarios, definiendo una nueva generación de viviendas sociales basadas en un enfoque de Integración Social y Comunidades Sustentables (2). Dentro de este objetivo, cobra real importancia el bienestar habitacional y de manera más específica la calidad de la construcción y mate- rialidad de las viviendas. En su búsqueda de desarrollar el empleo de nuevas alternativas de materialidades en sus proyectos, que cumplan con la normativa vigente, que otorguen un mejor confort habitacional, y a su vez que estén al alcance de los fondos que se le asignan por concepto de construcción de viviendas sociales definitivas y ampliaciones, es que la fundación incentiva investi- gaciones que permitan una mayor rigurosidad en la elección de los tipos de materiales a utilizar. En este contexto, el presente estudio pretende entregar in- formación sobre una alternativa recientemente usada por el SERVIU en sus proyectos habitacionales. Este material es el denominado Royal Building System, un sistema relativamente nuevo comparado con otros métodos de construcción. Su origen es Canadá, donde en el año 1994 fue patentado por la empresa Royal Building Technologies Inc. Por sus cualidades de prefabricación, que mejoran los tiempos de construcción, este sistema se ha expandi- do en el mundo con rapidez, siendo distribuido, hoy, a más de veinticinco países en el mundo. En Chile, el producto ha sido utilizado ocasionalmente desde el año 2003, en la construcción de viviendas sociales a través del Programa Fondo Solidario. Las casas son armadas con muros de paneles y conectores de PVC, con ensambles machihembrados y rellenos de hor- migón. Los paneles utilizados en la construcción son traídos desde Argentina, donde se ubica la planta industrial de Royal Group Technologies del Sur S.A. A continuación, se exponen las características y atributos de este sistema de construcción a través de una evaluación y comparación con la albañilería confinada de ladrillos hechos a máquina, considera- do como un método tradicional. 1.2 Objetivo Evaluar y comparar dos materialidades –Royal Buil- ding System y albañilería confinada de ladrillos he- chos a máquina– utilizadas en la construcción de viviendas sociales realizadas por el SERVIU en la comuna de Colina, para entregar argumentos a la fundación un Techo para Chile, que le permitan considerar la utilización de estos materiales en la construcción de futuras viviendas definitivas y am- pliaciones en el desarrollo de sus planes sociales. 2. Desarrollo 2.1 Encuesta de percepción La elaboración de esta investigación está enfocada a realizar un tipo de estudio cuantitativo y cualitati- vo de viviendas sociales, de manera de evaluar dos proyectos habitacionales realizados por el SERVIU en la comuna de Colina construidos con las dos materialidades en evaluación. La población a investigar está formada por viviendas sociales básicas correspondientes a los proyectos:
  40. 40. páginas: 36 - 45 [ 39Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 [Andrade, M. - Callealta, F.] Figura 1 Muestra del Conjunto Habitacional Los Canadienses a) Conjunto Habitacional Los Canadienses, ejecutado el año 2004 para la evaluación del sistema Royal Building. Tabla 1 Conjunto Habitacional Los Canadienses (1a Etapa) Año Proyecto Nº Viviendas m2 2004 Los Canadienses 182 42 b) Conjunto Habitacional Centenario II, ejecutado el año 2000 para la evaluación de la materialidad “Albañilería confinada de ladrillos hechos a máquina”. Tabla 2 Conjunto Habitacional Centenario II (Viviendas Tipo B) Año Proyecto Nº Viviendas m2 2004 Centenario II 403 42,21 Figura 2 Muestra del Conjunto Habitacional Centenario II (Viviendas Tipo B)
  41. 41. [40 ] Revista de la Construcción Volumen 8 No 1 - 2009 páginas: 36 - 45Andrade, M. - Callealta, F.] Posteriormente, se presenta la muestra optada, que consiste en la elección de 100 viviendas sociales, eje- cutadas con paneles de hormigón armado con reves- timiento de PVC y 100 viviendas sociales ejecutadas con la materialidad albañilería confinada de ladrillos hechos a máquina en la comuna de Colina. Para evaluar cada uno de los materiales se con- feccionó una encuesta con el objetivo de medir la percepción que poseen los habitantes de cada una de las poblaciones en estudio. Esta es dirigida a las jefas y/o jefes de hogar, y consiste en un conjunto de ítemes relativos a las medidas habitacionales y/o factores de Bienestar Habitacional que se encuentran definidos en la “Guía de Diseño para un Hábitat Residencial Sustentable” elaborado por la Fundación Chile, como resultado del proyecto de investigación FONDEF/CONICYT Nº D00I1039 (3). Esta encuesta consta de ítemes que evalúan la per- cepción de los usuarios con respecto a la materiali- dad de sus viviendas, en factores como la aislación térmica, aislación acústica, iluminación natural, re- sistencia al fuego, a los sismos y a la lluvia. Las pre- guntas se responden, según un escalamiento de tipo Likert, donde el encuestado manifiesta su reacción eligiendo uno de los cinco puntos o categorías de la escala. Además, se presenta un ítem en el cual las personas pueden proponer mejoras en la construc- ción de su vivienda. 2.2 Resultados de la encuesta A continuación se muestran los resultados de fre- cuencia de las encuestas aplicadas en ambas po- blaciones. Figura 3 Resultados de encuesta de percepción a habitantes del Conjunto Habitacional Los Canadienses Figura 4 Resultados de encuesta de percepción a habitantes del Conjunto Habitacional Los Canadienses

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