La sostenibilidad de la construcciones de hormigón

 

La sostenibilidad es una característica de la actividad humana que evalúa la capacidad que tal actividad tiene para ser desarrollada permanentemente, durante generaciones, y consumiendo aquéllos recursos naturales imprescindibles en las menores cantidades posibles, de modo que el desarrollo actual de dicha actividad no comprometa la posibilidad de que las próximas generaciones puedan seguir desarrollándola. Este concepto tiene una gran amplitud ya que la acción de consumir hay que entenderla como cualquier disminución

o perjuicio de los recursos disponibles, entroncando de este modo y de forma directa, con la protección del medio ambiente.

Obviamente cualquier actividad con pretensiones de desarrollarse debe aunar, a la satisfacción de una necesidad requerida por la sociedad, unas condiciones que merezcan una valoración positiva de su desarrollo, tanto desde el punto de vista económico (dicha actividad debe ser económicamen­te viable) como social (dicha actividad debe desarrollarse en unas condiciones de trabajo saludables para las personas que la ejercen).

Por lo tanto, la sostenibilidad es una expresión de respon­sabilidad social que tiene que ver con el ahorro de los recursos naturales no renovables, con el respeto al medio ambiente y que se aplica en el tiempo. Forman parte de ella:

aspectos de ahorro (energético, de recursos naturales, etc.)

aspectos medioambientales (control de emisión de gases de efecto invernadero, valorización de residuos, etc.)

aspectos sociales (generación de empleo, seguridad y salud en el trabajo, etc.)

aspectos económicos (productividad, eficiencia en la accesibilidad al producto, etc.).

La sostenibilidad es un parámetro relativo que se emplea siempre para comparar. No existen actividades sostenibles, como valor absoluto. Existen actividades más o menos soste­nibles en comparación con otras.

Cuando se cuantifica la sostenibilidad de dos actividades

o dos productos diferentes, se pretende compararlos entre sí y, por tanto, dicha cuantificación debe realizarse con un pro­cedimiento homogéneo que partirá de que ambas actividades

o productos cubren la misma necesidad con idénticos requi­sitos. Dicha cuantificación se hace globalmente, con ánimo de integrar en ella la totalidad de los aspectos a considerar. Ello lleva a realizarla en un periodo largo de tiempo durante el cual se producirán todas las circunstancias previsibles y se manifestarán todos los aspectos valorables. Este periodo se identifica con el ciclo de vida del producto que el desarrollo de la actividad en cuestión crea para satisfacer la necesidad demandada.

Dicho producto final tiene, a lo lardo de su vida útil, un balance de consumos (gastos menos ahorros) y de impacto ambiental (deterioros menos correcciones) necesarios para la producción de las materias primas, para la elaboración del producto como tal, para la utilización de dicho producto final por parte de los usuarios a lo largo de a vida útil de aquél, para reducir a residuos, y deshacerse de los mismos, el citado producto final ya obsoleto e inservible.

La suma de todos los consumos e impactos dividida por el tiempo de vida útil en que el producto final considerado ha

servido a la sociedad (a los usuarios del mismo) es un valor del análisis del ciclo de vida en el que se establezcan los

que forma parte del índice que cuantifica la sostenibilidad del producto final evaluado. Cuanto menor es este valor mayor es la sostenibilidad de la actividad o del producto evaluado.

Tras aplicar el mismo procedimiento de evaluación desde cada uno de los aspectos considerados en la sostenibilidad (aspectos sociales, económicos, medioambientales y energé­ticos) y utilizando los coeficientes de ponderación necesarios que permitan, como si de unidades homogéneas se tratara, operar con los diferentes índices parciales de sostenibilidad, se obtiene un valor total, o agregado, que es el índice de sostenibilidad o índice que cuantifica la sostenibilidad del producto final evaluado.

Por tanto, para medir la sostenibilidad es necesario acor­dar, previamente, un modelo de cuantificación y tratamiento criterios de valoración y ponderación a aplicar.

Cuando el producto final a considerar es una construcción de hormigón cabe plantear el siguiente balance de consumos e impacto ambiental.

-A corto plazo, durante:

• la obtención de materias primas

• la producción del hormigón

• la ejecución de la construcción

• -A largo plazo, durante:

• la vida de servicio, es decir el balance de consumos del usuario durante la utilización de la construcción

• la evaluación y el mantenimiento de dicha cons­trucción

• la deconstrucción o demolición de la construcción, después de su vida útil, ya obsoleta e inservible

• el reciclado de los residuos propios de la demoli­ción que, de este modo, se aprovechan

En general, al cuantificar la sostenibilidad de las construc­ciones, el balance de consumos e impacto ambiental a corto plazo, tal y como se ha descrito anteriormente, es muy inferior al mismo balance realizado a largo plazo en los capítulos indi­cados. En consecuencia el resultado de dicha cuantificación es que el hormigón es un material muy adecuado para una construcción más sostenible porque:

• El hormigón proporciona inercia térmica y reduce la demanda energética de la construcción y, por tanto, el consumo de energía que realizará el usuario durante toda la vida útil de la construcción.

• El hormigón proporciona a la construcción una vida útil muy elevada.

• El hormigón proporciona una elevada resistencia últi­ma al fuego, aumentando la seguridad de las personas y de los patrimonios y evitando daños colaterales de gran relevancia social.

• El hormigón ofrece un aislamiento acústico suficiente para asegurar el confort del usuario, ahorrando el con­sumo de otros materiales.

• El hormigón reduce los gastos de conservación y mantenimiento, durante la vida útil de la construcción, a valores irrelevantes.

• El hormigón, al final de su vida útil, es reciclable, pudiendo formar parte, como material granular recicla­do, de nuevas construcciones.

El decidido compromiso con el medio ambiente y la innovación que la industria fabricante del cemento lleva a cabo para aumentar la sostenibilidad del mismo, reduce notablemente el balance de consumos e impac­to ambiental a corto plazo, durante la obtención de las materias primas para la fabricación del hormigón, aumen­tando la sostenibilidad de la construcción que emplea este material.

El cumplimiento del protocolo de Kyoto; la valorización de residuos, tanto en el caso de utilizarlos como componentes (adiciones) como en el caso de emplearlos como combus­tibles alternativos; el control de incineración de residuos, especialmente de los compuestos orgánicos persistentes; la aplicación de las mejores técnicas disponibles de producción; la implantación de sistemas de gestión medioambiental cer­tificados y la prevención y minimización de riesgos laborales que se realiza, todo ello, durante el proceso de producción del cemento, aumenta la sostenibilidad de la construcción de hormigón.

La valorización de residuos, tanto industriales como urba­nos, completa la gestión de los mismos, evita los vertederos y las emisiones de gases por fermentación que en ellos se producen, evita procesos de incineración de residuos a tem­peratura insuficiente para la destrucción de los compuestos orgánicos y, en definitiva, forma parte de cualquier política medioambiental integral responsable.

La reducción de consumos e impacto ambiental a corto plazo es, cuantitativamente, menos importante, en el caso de la construcción de hormigón, que la reducción que se produce, en los mismos conceptos, a largo plazo durante la vida útil de lo construido y, por tanto, la sostenibilidad de dicha construcción está más influida por el comportamiento de la propia construcción ya en servicio que por la obtención de materias primas y el proceso constructivo. No obstante, el empeño en mejorar la sostenibilidad en el periodo inicial de la actividad (corto plazo) mejorando los procesos de obtención de materias primas y el proceso constructivo, es una forma positiva de contribuir a alcanzar una mayor sostenibilidad y, en este sentido, es un ejercicio de respon­sabilidad social.

En definitiva, una construcción de hormigón será más sostenible cuando en ella:

-todo el proceso, tanto la obtención de materias primas como el propio proceso constructivo, se desarrolle bajo un sistema de gestión medioambiental, certifica­do voluntariamente

• se utilicen cementos con adiciones

• se utilicen cementos producidos bajo directrices que emanan de marcos juridico-administrativos funda­mentados en el cumplimiento del protocolo de Kyoto

• se utilicen cementos obtenidos por procesos que incorporen materias primas que produzcan menos emisiones de CO₂

• se utilicen cementos obtenidos por procesos que incorporen materias primas que necesiten menos temperatura de cocción

• se utilicen cementos obtenidos consumiendo menos energía proporcionada por combustibles primarios (fósi­les), empleando combustibles alternativos no fósiles

• se utilicen cementos obtenidos por procesos que consumen, valorizándolos, residuos industriales o de cualquier otro tipo, disminuyendo los volúmenes de vertedero

• se utilicen, para la fabricación del hormigón, áridos procedentes de procesos de reciclado

• se recuperen zonas de cantera, después de realizar en ellas las correspondientes actividades de tipo extractivo

• se utilice, para la fabricación del hormigón, agua reci­clada

• se optimice la calidad del hormigón y se reduzca la cuantía de las armaduras

• se reduzca el consumo de materiales de modo compatible con el cumplimento de las exigencias de durabilidad

-se emplee hormigón de calidad tal que permita alargar la vida útil de las construcciones

• la reglamentación de seguridad y salud en el trabajo regule todas y cada una de las actividades desarrolla­das durante todos los procesos y se impulse la erradi­cación de accidentes

• la innovación de los procedimientos aumente la productividad, la competitividad y la eficiencia en el acceso del usuario a las construcciones.

Resistencia a los cloruros en el concreto adicionado con escoria de alto horno

1. INTRODUCCIÓN

El deterioro de las estructuras que se encuentran ubicadas cerca del mar se puede presentar por la entrada de los iones cloruro a la matriz de concreto, luego de lo cual éstos pueden llegar a alcanzar el acero de refuerzo e iniciar el proceso de corrosión. Por ello es de vital importancia implementar en nuestro país procedimientos que permitan establecer cuál mezcla de concreto es la más indicada para estos casos.

El objetivo fundamental de la investigación es determinar cómo afecta la adición de escoria de alto horno, el tiempo de curado y la resistencia a compresión de la mezcla en la penetración de los iones cloruro sobre la matriz de concreto, de manera que se puedan dar recomendaciones para aumentar la durabilidad de las estructuras expuestas a este tipo de ambientes.

Investigaciones anteriores elaboradas en otros paises han mostrado los beneficios que trae la adición de escoria de alto horno para evitar en alguna medida el paso de los iones cloruro a través del concreto, y así evitar la posible corrosión del acero de refuerzo. Tal es el caso del estudio realizado por Tarek y colaboradores [2] quienes trabajaron con tres grupos de concretos distintos: concreto sin adiciones, adicionado con ceniza volante y concreto adicionado con escoria. Los resultados mostraron un ingreso de cloruros menor en el concreto con escoria, en comparación a las otras mezclas. Resultados similares fueron encontrados por Misra y colaboradores [3] quienes trabajaron con concretos de diferentes edades. De ahí la importancia de hacer un estudio que evaluara las propiedades de las mezclas diseñadas con materiales nacionales.

2. PRINCIPIO DEL ENSAYO

2.1 EQUIPO

Para desarrollar una investigación encaminada a este objetivo, se utilizó un equipo basado en la norma ASTM 1202 "Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration" [1] elaborado en el país (Figura 1). Este ensayo permite dar una calificación al concreto evaluando su habilidad para dejar pasar los iones cloruro, y así poder comparar un concreto con respecto a otros.

Figura 1. Imagen general del equipo de permeabilidad rápida a cloruros. De izquierda a derecha: Celdas de cloruro, tajeta de contiene las resistencias, fuente que suministra el voltaje al sistema y multimetro encargado de tomar las mediciones

El equipo de permeabilidad rápida a cloruros mide fundamentalmente la corriente sobre una muestra de concreto por donde están atravesando iones cloruro en una sola dirección. La cantidad de iones que atraviesa la muestra depende de las propiedades resistentes del concreto a este paso iónico. Las medidas recolectadas en el ensayo se utilizan para calcular al final la carga eléctrica total que ha atravesado la muestra durante 6 horas, y de esta forma determinar la capacidad del concreto para evitar el paso de iones cloruro.

Este equipo consta de 4 partes específicas: unas celdas, una tarjeta, una fuente de voltaje y un multímetro. Las celdas están hechas en acrílico y son las encargadas de albergar las muestras de concreto en la mitad y ponerlas en contacto en sus extremos con dos líquidos distintos, para generar el proceso de transporte iónico. La tarjeta es la parte encargada de hacer pasar la corriente presentada por el trasporte de iones en la muestra de concreto a través de una resistencia conocida y así poder detectar la caída de voltaje relacionada con la corriente que atraviesa la probeta. La fuente de voltaje es la encargada de suministrar el voltaje para acelerar el proceso de transporte iónico y obtener resultados en 6 horas, que es la duración del ensayo. El multímetro es el aparato que mide la caída de voltaje en la resistencia de la tarjeta, y registra este valor cada 3 minutos aproximadamente, para luego poder bajar todos los datos a un computador al final del ensayo. La Figura 2 muestra un esquema del circuito que conforma este equipo.

Figura 2. Esquema del circuito que conforma el equipo de permeabilidad rápida a cloruros

2.2 PROCEDIMIENTO

El procedimiento de ensayo de cloruros comienza dos días antes de evaluar la permeabilidad de la muestra. El primer día se corta una probeta de 10 cm de diámetro y 5 cm de alto de un cilindro más grande que cumpla con ese diámetro. El corte se hace de manera que las dos caras paralelas de la muestra sean lo más horizontales posible y se observe claramente el agregado. No se toman probetas de los extremos del cilindro grande, sino de la parte media. Para tapar la parte horizontal de la muestra, es decir la parte curvada, se aplica un sellante que detenga la salida del líquido en esa dirección. Así los iones cloruro solo tienen una dirección por la cual desplazarse: ésta es entre las dos caras paralelas de la probeta. El sellante aplicado se deja secar.

Al segundo día se somete la probeta al vacío. Para esto se utiliza una bomba de vacío que pueda generar una presión de 1 mm de mercurio. La probeta se introduce en un compartimiento que se pueda sellar herméticamente y tenga una conexión a la bomba de vacío. Se somete la muestra al vacío durante 3 h a la presión indicada (1 mm Hg). Pasadas las 3 horas se mide una cantidad de agua previamente hervida y enfriada a temperatura ambiente, para llenar el compartimiento que contiene la muestra, que en este caso es un recipiente metálico.

Este tiene una válvula unida a una manguera por medio de la cual se introduce el agua sin necesidad de destaparlo (Figura 3). Se incorpora el agua y se deja la presión por 1 h más. Este procedimiento se hace con el objetivo de sacarle el aire a la muestra y prepararla para que sea más factible la generación de canales por donde puedan fluir los iones cloruro. Luego de terminar el proceso de saturación se deja la muestra sumergida en el agua durante 18 h.

Figura 3. Equipo de vacio para la saturación de las muestras

Al tercer día, es decir el día del ensayo, se extrae la muestra del agua y se coloca entre las celdas del equipo de cloruros. Se atornilla hasta que las celdas y la muestra de concreto queden sin espacios entre sí (Figura 4). Por un pequeño agujero que tiene cada celda se introduce en una de ellas cloruro de sodio al 3% (NaCl) y en la otra hidróxido de sodio al 0.3% N (NaOH) hasta que se llenen por completo los compartimientos. Estos líquidos son los que contienen los iones que van a pasar de un lado a otro de la muestra de concreto. Luego se procede a hacer todas las conexiones pertinentes y se aplica el voltaje estipulado, que debe ser de 60 V de acuerdo a la norma [1].

Figura 4. Celdas de acrílico sujestas a la probeta de concreto por medio de tornillos

El ensayo dura 6 horas, luego de las cuales se recolectan los datos de voltaje tomados por el multímetro y se introducen a un software que los divide por el valor de la resistencia en la tarjeta para hallar los datos de corriente en cada lapso de tiempo. Finalmente, el sistema calcula la integral de corriente vs. tiempo, de manera que se obtiene la carga total (en unidades de coulombs) que pasa por la muestra durante las 6 horas. La Tabla 1 muestra la calificación dada por la norma ASTM 1202 [1] a un concreto para los diferentes rangos de iones que pueden atravesar la probeta.

Tabla 1. Penetrabilidad del ión cloruro basada en la carga que pasa, según la norma ASTM 1202 [1]

3. VARIABLES DE ESTUDIO

3.1 ETAPA DE CALIBRACIÓN

Para la etapa de calibración del equipo sólo se utilizaron tres tipos de concreto. Todos tenían la relación agua/cementante (a/c) de 0.84 y cemento tipo III, pero con tres diferentes porcentajes de escoria: 0% escoria, 26% de escoria y 40% de escoria (este porcentaje es obtenido del cementante total). También se introdujo como variable el nivel de voltaje con el que se hacía el ensayo, para determinar cuál de ellos era el más indicado de los corrientemente usados para esta prueba. Se hicieron ensayos con 15, 30 y 60 V. La edad del concreto estaba entre los 50 y 60 días. La Tabla 2 muestra las características del cemento y la escoria utilizados en las mezclas de concreto.

Tabla 2. Características del cemento y la escoria utilizados en los ensayos

3.2 ETAPA DE ENSAYOS DEFINITIVOS

En la etapa de los ensayos definitivos se utilizaron 6 diferentes relaciones a/c: 0.84, 0.74, 0.67, 0.55, 0.51 y 0.46 con cemento tipo III en todos los casos. El voltaje utilizado sería uno solo y lo daría la etapa previa de calibración, de acuerdo a la consistencia de los resultados obtenidos. También se varió el porcentaje de escoria en las mismas proporciones de la etapa de calibración. Aunque todas las muestras se ensayaron a 90 días se modificaba el tiempo de saturación en la piscina de curado, de tal forma que un grupo de tres muestras ensayadas a los 90 días hubiera tenido una saturación previa en la piscina durante 14 días, mientras que otro grupo de tres se ensayaba a los mismos 90 días, pero con el tiempo de saturación anterior de sólo 7 días.

Para la realización de los ensayos se escogieron como variables principales la relacion a/c, el tiempo de saturación o curado y el porcentaje de escoria. Las dos primeras se seleccionaron por la importancia vital que tienen en la conformación de un concreto de resistencia y desempeño mecánico adecuados.

La variación del porcentaje de escoria usada tenía como objetivo indicar cuál era la cantidad óptima para el desarrollo de un concreto resistente a los cloruros.

Adicionalmente se hicieron ensayos de resistencia a compresión simple para todas las fundidas y a edades de 3, 7, 28 y 56 días. También se realizaron ensayos de absorción, densidad, porosidad, velocidad de onda de ultrasonido y módulos de elasticidad en las muestras de concreto. El ensayo de velocidad de ultrasonido consistía en hacer pasar ondas por el cilindro de concreto, de tal forma que se midiera el tiempo que requieren dichas ondas para atravesar la probeta. Se elaboró dos veces la fundida con relación a/c de 0.84, para que se pudieran obtener porcentajes de variación con respecto a la repetitividad de los ensayos. En la Tabla 3 se resumen los ensayos realizados.

Tabla 3. Resumen de las pruebas realizadas y número de muestrasa ensayadas

4. RESULTADOS

4.1 ETAPA DE CALIBRACIÓN

Para verificar si la obtención de resultados experimentales a través del aparato de permeabilidad y el software nuevos eran adecuados, se ensayaron muestras de concreto obtenidas de la misma bachada, con el mismo proceso de curado y a igual edad en este equipo y en un equipo importado. Estas pruebas se hicieron con 60 V en la fuente y los tres porcentajes de escoria ya mencionados. La Tabla 4 muestra los resultados y porcentajes de variación obtenidos.

Tabla 4. Resultados comparativos para el ensayo de permeabilidad rápida a cloruros en el equipo nacional y en el equipo importado

Por efectos de disponibilidad de muestras fue posible hacer más ensayos en los dos equipos con probetas que contenían 0% de escoria. Se hicieron cesiones de estos ensayos durante dos días (filas 4 y 5 de la Tabla 4). Las pruebas con muestras que contenían 26% y 40% de escoria se elaboraron en un solo día (filas 6 y 7 de la Tabla 4).

Al comparar los resultados obtenidos en los dos equipos, se observa una diferencia en los datos del 20% en promedio, y la norma acepta diferencias entre dos laboratorios distintos del 51%. Además, en todos los casos y sin excepción alguna la calificación dada a los concretos de acuerdo a la Tabla 1 fue la misma en los dos equipos. También se observa que para las probetas con 40% de escoria y parte de las que no tenían escoria los valores en el equipo nacional fueron mayores que los del equipo importado. En el caso de las probetas con 26% de escoria los valores en el equipo nacional resultaron menores, y en la parte restante de las muestras ensayadas en un día y correspondientes a concreto sin escoria, el valor en el equipo nacional estuvo en el medio de los obtenidos en el equipo importado. No se observa una tendencia definida.

Por otro lado, para conocer el comportamiento del equipo nacional frente a ciertas variaciones se hicieron ensayos con los tres porcentajes de adición y los tres voltajes en la fuente ya mencionados. Los resultados se muestran en la Figura 5. En esta gráfica se observa que el ensayo resulta ser mucho más sensible a los 60 V, es decir que las diferencias entre los tres concretos (mezclas con diferentes porcentajes de adición) son más notorias para este voltaje. Como el objetivo principal era comparar unos concretos con otros es muy útil el resultado arrojado por los ensayos a 60V. Por esta razón y porque lo especifica la norma estandarizada [1], las fundidas definitivas se ensayaron a 60V.

Figura 5. Carga total vs. voltaje utilizado para los diferentes porcentajes de adición. Relación agua cementante (a/c) de 0.84 y 50 días de edad

4.2 ETAPA DE ENSAYOS DEFINITIVOS

La Figura 6 muestra la carga que atravesó las muestras vs. la resistencia a compresión del concreto para 28 días de edad y los dos periodos de saturación estudiados (7 y 14 días). La Figura 7 muestra las mismas variables pero para resistencias a compresión de 56 días de edad. Los porcentajes de reducción de la carga son en promedio del 45% entre las mezclas sin escoria y las mezclas con 26% de escoria, del 59% entre las mezclas sin escoria y con 40% de escoria, y del 26% para el cambio de mezcla con 26% de escoria a 40% de escoria. Esto se explica porque la escoria reacciona con el hidróxido cálcico Ca(OH)2 proveniente de la hidratación del cemento, lo que permite modificar la estructura porosa del concreto progresivamente a medida que aumenta su edad, y por lo tanto reduce el paso de los iones cloruro.

Figura 6. Carga total vs. resistencia a compresión a los 28 días para los dos tiempos de saturación

Figura 7. Carga total vs. resistencia a compresión a los 56 días para los dos tiempos de saturación

Además de esto se observa que en términos generales hay una reducción de la carga que atraviesa la muestra con un aumento en la resistencia a compresión del concreto. Esto se explica porque la porosidad del concreto está directamente relacionada con la resistencia que tenga la muestra. Por eso para resistencias a compresión altas se espera que estos concretos tengan mucha más resistencia al paso de los iones, como sucedió en la presente investigación.

Al comparar los resultados obtenidos entre los datos a los 7 y 14 días de saturación, se observa que a excepción de dos datos, se presenta menor paso de iones con 14 días de saturación, tanto para los concretos adicionados como para los que no tenían adición. Esto demuestra la importancia vital de agua de curado en el proceso de conformación final del concreto. Es importante anotar que las mayores diferencias entre los dos días de saturación se presentaron para el concreto sin adiciones. Esto indica que en el periodo de saturación las mezclas de concreto sin adiciones se hidrataron rápidamente, en comparación a las otras. Sin embargo se observó en el comportamiento global de los resultados, que las cargas obtenidas fueron mucho menores en el concreto adicionado, para todas las mezclas estudiadas. Este efecto de reducción drástica de la permeabilidad del concreto sin adiciones no alcanza a generar una estructura porosa para evitar el paso de los iones cloruro en un nivel similar al del concreto con escoria. Sólo para las resistencias más altas (50 y 60 MPa) el concreto no adicionado tiene una permeabilidad a los cloruros igual a la alcanzada en el concreto adicionado con 26 % de escoria, pero este último tiene resistencias de tan sólo 30 MPa. En este caso, el concreto con adiciones tiene un proceso de hidratación más efectivo.

Las resistencias a compresión del concreto fueron inversamente proporcionales a la relación agua/cementante (a/c). Para las menores relaciones a/c se presentaron las mayores resistencias. Si se comparan las resistencias obtenidas entre los concretos adicionados y sin adicionar, se observó que hay una reducción de la misma para los concretos con adiciones: de 10% en promedio entre concretos sin adiciones y con 26% de escoria, de 27% entre concretos sin escoria y concretos con 40% de escoria; y de 19% entre concretos con 26% de escoria y 40% de escoria.

El rango de resistencias obtenido para el concreto con 40% de escoria fue de 20 a 50 MPa, de 28 a 55 MPa para el concreto con 26% de escoria, y de 30 a 65 MPa en un concreto sin adiciones. Esto muestra que los concretos con un reemplazo de escoria, a pesar de tener una relación agua/cementante (a/c) igual que el concreto no adicionado, no alcanzan los valores de resistencia de este último.

Los datos de absorción, densidad, porosidad y velocidad de ultrasonido indicaron mayor número de poros en el concreto adicionado con escoria. Inicialmente se pensó que estos resultados eran debidos a la diferencia de edad entre los ensayos, ya que la mayoría de estos se realizaron a 28 días, mientras que los de permeabilidad a cloruros a 90 días (fundidas definitivas). Pero las velocidades de ultrasonido mostraban un comportamiento poroso del concreto adicionado a los 56 días de edad, y los ensayos de permeabilidad a cloruros de la etapa de calibración fueron hechos a 50 y 60 días de edad del concreto. Para esta edad el material ya presentaba reducciones altas de permeabilidad a los cloruros al aumentar el porcentaje de adición.

Por esta discrepancia entre la porosidad del concreto y la capacidad para dejar pasar los iones cloruro, se formularon hipótesis que trataran de explicar lo que puede causar tal diferencia:

- Para el transporte de iones cloruro a través de la matriz de concreto es necesario que la estructura porosa del mismo tenga cierta continuidad y forme canales adecuados por los que puedan desplazarse los iones cloruro. Los poros individuales no son los que permiten el paso de los cloruros, sino la conexión entre ellos es la que hace las sustancias nocivas lleguen a la parte interna del concreto. Por eso es posible que aunque las mezclas de concreto adicionadas sean menos densas y alcancen mayor porosidad que los concretos no adicionados, éstos sean poros cerrados y no conectados. Su tamaño con relación a toda la muestra evaluada puede ser considerable, pero si la escoria no da una continuidad porosa, los cloruros no pueden penetrar.

- El tamaño de los poros en los concretos adicionados se pudo haber reducido considerablemente, pero el número de estos pequeños poros pudo haber aumentado. Es por eso que la medida de porosidad de una muestra resulta ser mayor para las mezclas con escoria.

Sin embargo la reducción en el diámetro de los poros puede haber sido tal que genera canales para el paso de los iones cloruro muy irregulares, tortuosos y angostos, lo que hace que el transporte de los cloruros disminuya, o al menos tenga menor velocidad.

- El aumento de la porosidad puede deberse al aumento de volumen de unos poros de la muestra, pero no de toda la estructura porosa del concreto. Se sabe que a mayor cantidad de agua en la mezcla los procesos de hidratación son más irregulares.

Es posible que debido a la hidratación de la escoria (la cual involucra sustancias que contienen agua) unida a la hidratación del cemento, el agua total tomada haya sido mayor, en comparación a una mezcla compuesta solamente por cemento. Esto pudo haber generado diferencias marcadas en el tamaño de los poros. Es decir, que un porcentaje de los vacíos tuviera un tamaño elevado, mientras el otro gran porcentaje haya permanecido con un tamaño reducido. El aumento de volumen de sólo un sector de los poros puede no tener mayor influencia sobre la permeabilidad del concreto con escoria, pero sí sobre el valor de porosidad total de la muestra.

Los procesos anteriormente mencionados pudieron actuar de forma individual o combinada para dar explicación a los comportamientos observados en el laboratorio y a los resultados obtenidos sobre las muestras de concreto.

Los ensayos de módulos de elasticidad no mostraron un comportamiento definido para los diferentes porcentajes de adición. Sólo se observó que este módulo aumentaba, como era lógico, al reducir la relación a/c.

El porcentaje de variación máximo para el ensayo de cloruros entre las dos mezclas iguales (con relación agua/cementante de 0.84) fue de 31.7%. La norma [1] no da un valor máximo de variación para los ensayos de muestras de diferente bachada, sino de probetas obtenidas de una misma mezcla. Sin embargo, se esperaría que la variación entre las probetas de diferente bachada pero con las mismas proporciones, materiales y características tuviera valores similares o mayores al dado por la norma [1] para muestras de una misma bachada, que en este caso es del 42%. En ningún ensayo realizado este número fue superado.

5. CONCLUSIÓN

De acuerdo a los resultados obtenidos en el estudio, para proteger a las estructuras ubicadas cerca del mar y que se encuentran bajo la acción de los cloruros se deben utilizar mezclas con adición de escoria de alto horno (la misma usada en la presente investigación) en un porcentaje que esté alrededor del 25 % del total de material cementante, relaciones agua/ cementante inferiores o iguales a 0.51 y mezclas con resistencias a compresión elevadas (en lo posible iguales o superiores a 40 MPa). Concretos con estas características presentaron permeabilidades a los cloruros de 2000 coulombs. Esto permite catalogar el material como un concreto con permeabilidad baja a los cloruros.

También es recomendable la implementación de técnicas adecuadas de curado en obra, que permitan como mínimo mantener el agua de mezcla dentro de los elementos estructurales durante los primeros días de conformación.

Revista de Ingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes.

Desarrollo de una bomba reciprocante de doble efecto para desalinización de agua por medio de ósmosis inversa

INTRODUCCIÓN

El proceso de ósmosis inversa (OI) se usa para desalinizar agua salobre. Éste se destaca por su bajo consumo energético, comparado con otros procesos de desalinización que se realizan en regiones costeras, la cuales carecen de agua potable adecuada para el consumo humano.

Pinilla y Moreno [1] ilustran el desarrollo de una pequeña planta para desalinización de agua por OI diseñada para operar en la región de la alta Guajira Colombiana, donde no existe conexión con las redes nacionales de acueducto y electricidad. La pequeña planta es energizada con el recurso eólico y fue desarrollada para el abastecimiento de pequeñas comunidades indígenas (rancherías).

Una planta desalinizadora la conforman, primordialmente, el equipo de bombeo y la membrana de OI. El primero representa cerca del 40% del costo total de la planta, lo que hace más difícil su promoción como solución tecnológica. Una bomba para tal aplicación alcanza un valor de US$ 2 500. Una alternativa es el desarrollo de un sistema de bombeo tecnológicamente más simple y cuya manufactura sea viable por entidades capacitadas de la zona. Sistemas con tales características son inexistentes en la industria colombiana y su único acceso es por importación directa [2].

Las bombas usadas en plantas de OI son de desplazamiento positivo reciprocante de alta velocidad, acción múltiple, efecto múltiple y recorridos cortos [1]. Estas condiciones de operación requieren diseños complejos y procesos de manufactura complicados. El manejo de altas cargas dinámicas a menores velocidades permite tamaños mayores y máquinas más simples, lo cual posibilita tanto un diseño más accesible como manejar alta eficiencia de manera global en el sistema [3]. Bombas con estas características no existen en el comercio ya sea por su baja presión de trabajo, su excesivo caudal o su imposibilidad de manejo de agua con alta concentración de sales disueltas [2].

BOMBA DE ACCIÓN SIMPLE CON DOBLE EFECTO

Los requerimientos hidráulicos de la membrana de OI inversa para desalinización de agua de mar y operación en el mínimo rango de consumo energético son: presión máxima de 5.5 MPa (800 psi) y caudal de entrada a la membrana de 3.78 L/min (1 gpm). Se necesita entregar un pequeño caudal a una alta presión; para esto se desarrolla un sistema de bombeo de desplazamiento positivo reciprocante de baja velocidad, largo recorrido, de acción simple y doble efecto.

La bomba desarrollada es impulsada con un motor eléctrico de potencia nominal igual a 745 W (1 hp) a velocidad nominal de 1 750 rpm. El motor tiene acoplado un ciclo reductor con relación de 87:1, por lo que se obtiene una velocidad de excitación de la bomba de 0.33 rps (20 rpm) y un momento-par máximo de 335 Nm. Un mecanismo biela manivela se encarga de convertir el movimiento rotacional en movimiento lineal reciprocante en el vástago. La bomba de acción simple con doble efecto aprovecha todo el recorrido del pistón en la cámara de bombeo, lo cual permite entregar el mismo caudal con menores tamaños del equipo teniendo menores fuerzas presentes en él para trabajar a la misma presión.

Todo el sistema de bombeo se construyó en acero inoxidable AISI 304, esencial para la operación con agua salobre (35 000 mg/L de sales disueltas). Un esquema del sistema desarrollado se ilustra en la Figura 1.

Figura 1. Equipo desarrollado.

El equipo está diseñado para trabajar a una presión máxima de 6.9 MPa. (1 000 psi). Las válvulas de cheque en la succión y descarga controlan el funcionamiento del sistema de acción simple y doble efecto. Por consideraciones en el diseño de bombas de doble efecto, el diámetro del pistón es de 44.45 mm (1.75 in) y el diámetro del vástago es de 19 mm (0.75 in) con una carrera del pistón de 80 mm. Al operar la bomba a velocidad de 20 rps se logra entregar un caudal cercano a 3.78 L/min. El equipo, operando con una presión de 4.8 MPa (700 psi), ejerce fuerzas en el vástago de 8.6 kN, por lo cual demanda gran robustez en su montaje.

MODELAJE TEÓRICO

Wilson [4] describe el comportamiento de un sistema de bombeo de desplazamiento positivo de manera teórica mediante dos ecuaciones, (1) y (2), que modelan la entrega y momento-par del sistema, respectivamente.

El primer término en el lado derecho de cada ecuación describe el comportamiento ideal. Estas ecuaciones son complementadas con términos adicionales que identifican pérdidas de entrega y aumento del momento par requerido para el bombeo, por la geometría y configuración interna del equipo. Es preciso aclarar que la ecuación (1) no tiene en cuenta la pérdida de caudal entregado debido al retraso en la apertura y cierre de las válvulas, causantes de la disminución en el caudal entregado por la bomba. La ecuación (2) hace referencia al momento-par promedio en un ciclo de bombeo, el cual (se asume) se comporta de manera sinusoidal.

El coeficiente C_s en la ecuación (1) proporciona valor al caudal de fugas en los sellos, dada la presión de trabajo del equipo. En la ecuación (2), el coeficiente C_f cuantifica la fricción seca presente en el interior del sistema. C_d evalúa la oposición del fluido de trabajo al movimiento del pistón por efectos viscosos y T_c representa el momento-par inicial, que es independiente de la presión de trabajo y la velocidad de excitación de la bomba. El valor numérico de cada uno de estos coeficientes se determina experimentalmente con la medición de las variables representativas del equipo durante su funcionamiento a diferentes presiones y velocidades. La imposibilidad de operar la bomba desarrollada a diferentes velocidades hace que los dos últimos términos de la ecuación (2) se asuman constantes para este diseño. Para tal efecto, la suma de estos dos últimos términos es un momento-par que tiene en cuenta la pérdida de energía y se representa como T_p en la ecuación (3) [2].

Se define, además, la eficiencia volumétrica como la relación entre el caudal real y el caudal ideal, expresada en la ecuación (4); y la eficiencia mecánica como la relación entre el momento-par ideal y el momentopar actual para la velocidad de excitación de la bomba, como se expresa en la ecuación (5).

En la ecuación (4), se encuentra entonces el Número adimensional de Sommerfeld, el cual se define como:

La presencia del número de Sommerfeld en cada una de las expresiones anteriores permite entender el comportamiento de la bomba de manera adimensional y así predecir el comportamiento del equipo para diversas condiciones de operación, distintas a las logradas en la experimentación (Figura 6). Así, se puede pronosticar el desempeño de la bomba si se desea cambiar el fluido de trabajo, la velocidad o la presión [4].

EVALUACIÓN HIDRÁULICA Y MECÁNICA DE LA BOMBA DE DOBLE EFECTO

La evaluación de la bomba se realizó al medir las variables representativas del sistema a lo largo de un ciclo de bombeo, validando así la teoría explicada anteriormente. Se midió la presión con un transductor de presión de máxima capacidad 6.9 MPa (1 000 psi) colocado a la salida de las válvulas de descarga. El desplazamiento del pistón se midió con un transductor de desplazamiento LVDT (Linear Voltaje Displacement Transducer) con un rango máximo de 10 mm ubicado en el vástago; y la fuerza trasmitida por vástago se midió con una celda de carga diseñada y fabricada en el conector del sistema posterior al buje exterior (Figura 1). Todos los transductores alimentan una tarjeta de adquisición de datos LABJACK que permite adquirir la información en tiempo real directamente en el computador, a una tasa de muestreo de 50 datos por segundo. La presión de trabajo se varia con una válvula de relajación ubicada en la descarga del equipo, para trabajar en un rango de presiones de 1.3 MPa (200 psi) hasta 6.9 MPa (1 000 psi). El caudal entregado es medido en cada ciclo para las distintas condiciones de operación con el uso de una pipeta graduada. La Figura 2 muestra el banco de pruebas construido para el equipo. La experimentación se realizó luego de que el equipo completo alcanzó 7 000 ciclos de operación continua bajo carga. Cada uno de los puntos mostrados en las Figuras 4 a 6 es el resultado de 6 pruebas realizadas en el equipo. El error mostrado en los puntos experimentales es el resultado del error promedio de las seis mediciones realizadas.

Figura 2. Banco de pruebas construido.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se puede observar en la Figura 3 cómo la distribución de fuerza experimental tiene un comportamiento semejante al comportamiento teórico, pero su magnitud es un poco mayor debido a la fricción de partes móviles y el arrastre producido por el fluido con el movimiento del pistón. También se puede ver cómo el retraso en la apertura de las válvulas y la compresión de aire presente en el agua afecta la fuerza.

Con la medición de la fuerza se puede conocer el momento-par en el ciclo reductor para cada presión de trabajo. Del diagrama de Momento-par promedio (rms) vs. Presión de trabajo (Figura 4), se puede conocer la pendiente y el término constante de la ecuación lineal que plantea Wilson [4]. Experimentalmente la relación entre el momento-par y la presión de trabajo se describe por la ecuación (6). La tendencia lineal es típica y corrobora el comportamiento pronosticado por la teoría. De esta manera se conoce el valor del coeficiente de fricción seca y el valor de T_p.

La Figura 5 muestra la diferencia entre el caudal obtenido y el caudal teórico para cada presión de trabajo. Así, se tiene el valor numérico del coeficiente de fugas implícito en la pendiente e indicado en la ecuación (1) y se deduce la ecuación experimental (7). Tanto en la Figura 5 como en la ecuación (7) se puede observar un caudal de fugado constante (S) en el equipo, no previsto por la ecuación (1). Este término corrobora el funcionamiento real de las válvulas presentes en el equipo y un retraso en su apertura. De la misma forma, la tendencia es consecuente con la teoría planteada.

De este resultado se deducen los valores de los coeficientes que predicen teóricamente la eficiencia del equipo.

La eficiencia volumétrica se cuantifica como la relación entre el caudal real en un ciclo de operación y el caudal teórico según las dimensiones y velocidad del equipo. La eficiencia mecánica se define como la relación de potencia entregada al agua y la potencia transmitida por el vástago en un ciclo de bombeo. La Figura 6 muestra el comportamiento experimental del equipo y evidencia alta eficiencia mecánica dentro del sistema, semejante a lo reportado por Wilson [4]. Este resultado muestra conservación de energía a lo largo del proceso de bombeo, característica importante para la futura aplicación del equipo. El bajo valor de la eficiencia volumétrica se debe al retraso en el ángulo de apertura de las válvulas de cheque, ya sea para succión o descarga. Este fenómeno se demuestra a través del diagrama indicador de presión para cada condición de trabajo. El diagrama para una presión de trabajo de 4.8 MPa (700 psi) es ilustrado en la Figura 7, donde los ángulos de apertura son mayores a 50° y los ángulos de cierre mayores a 35°. Teóricamente, cada uno de estos ángulos deben ser cero, lo cual garantiza el uso de todo el recorrido del pistón para el bombeo. También tiene influencia el no llenado de la cámara de la bomba al momento de realizar la succión, por el mismo retardo en las válvulas de admisión; así, parte del recorrido expande y comprime aire, disminuyendo el volumen desplazado.

Figura 3. Comportamiento experimental y teórico de la fuerza en el Vástago a 4.8 MPa (700 psi).

Figura 4. Momento par vs. Presión.

Figura 5. Caudal de Fugado vs. Presión.

Figura 6. Comportamiento del equipo desarrollado.

Figura 7. Diagrama Indicador 4.8 MPa (700 psi).

PRUEBAS CON LA MEMBRANA DE OI

Se validó el comportamiento de la bomba como parte del sistema, acoplándola a la membrana de desalinización. Se preparó agua salada con una concentración de 28 000 mg/L de sal disuelta. La determinación de la salinidad del agua se realizó midiendo la conductividad de la misma. Un esquema de la alimentación a la membrana se muestra en la Figura 8, donde se puede ver cómo la membrana recibe un caudal de alimentación (agua salada) y entrega caudales de concentrado y permeado. El caudal de concentrado es mayor que el permeado y contiene las sales removidas por la membrana. Por su parte, el permeado contiene menor cantidad de sales disueltas que el caudal de alimentación y es el caudal objetivo de estudio, ya que esto representa la solución al problema de agua potable.

Figura 8. Esquema de sistema desalinizador.

El comportamiento de la membrana de OI con el sistema de bombeo desarrollado se muestra en la Figura 9. Un caudal permeado de 0.22 L/min con concentraciones inferiores a 1 500 mg/L de sales disueltas hacen del sistema desalinizador (membrana de OI & equipo de bombeo desarrollado) una solución a la necesidad de agua potable para pequeñas comunidades. Es importante que el caudal de recuperación no supere el 13% para asegurar el uso seguro de la membrana de OI según el fabricante. Este porcentaje se define como la razón entre el caudal permeado y la suma de caudal permeado y concentrado. De manera simultánea, se expone los resultados experimentales reportados con el uso de un sistema de bombeo convencional de alto costo [1]. Se observaron comportamientos similares y valores numéricos cercanos entre los resultados de las dos experimentaciones. Lo anterior valida la bomba desarrollada como solución al problema de costo y complejidad tecnológica en la pequeña planta de OI. El resultado del trabajo realizado evidemcia un sistema innovador como solución de bombeo de agua salobre para desalinización con OI en aplicaciones de baja potencia. Los resultados de la experimentación con la membrana sitúan a la bomba desarrollada en condición de sustituir los sistemas de bombeo usados en [1] y poder tener comportamientos aceptables de la pequeña planta de OI.

Figura 9. Pruebas con la membrana de OI.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El trabajo realizado exploró la posibilidad de reemplazar los equipos de bombeo importados, usados actualmente para desalinización de agua por OI, por un diseño tecnológicamente más sencillo, fabricable en Colombia y de menor costo, con el propósito de operar en una pequeña planta de desalinización de bajo consumo de potencia. Se desarrolló un equipo de bombeo de baja velocidad capaz de suplir los requerimientos hidráulicos de la membrana de OI; el diseño presenta adecuadas eficiencias mecánica, volumétrica y general a lo largo de su operación, condiciones necesarias para su operación en una planta energizada con el recurso eólico de zonas costeras en la alta Guajira colombiana. El desempeño de la membrana de OI alimentada con el equipo probado es comparable con el obtenido usando sistemas de bombeo comerciales de más alto costo y tecnología más compleja [5]. De la misma manera, muestra un adecuado desempeño siendo tecnológicamente más simplelo cual evidencia un avance en el diseño respecto a desarrollos previos y base del presente trabajo [6]. Este equipo es un desarrollo preindustrial y probado bajo condiciones de laboratorio, por lo que, al momento de pretender ser industrializado, requiere ajustes tecnológicos con partes y elementos comerciales. Al mismo tiempo y para tal efecto, se recomienda el robustecimiento del sistema de prefiltrado en la planta de desalinización. Las válvulas de succión y descarga presentan alta sensibilidad a la presencia de partículas sólidas dentro del fluido, desmejorando el desempeño del equipo de bombeo. Trabajos futuros deben enfocarse en el robustecimiento de las válvulas del equipo así como a la búsqueda de mejores alternativas en los materiales de los sellos en el pistón, dada la alta salinidad del fluido de trabajo. Es necesario realizar experimentación con la membrana de OI en estado transiente para observar el comportamiento del equipo de bombeo a fluctuaciones de potencia.