pág. 7182
TIEMPO DE FRAGUADO Y CONSISTENCIA
NORMAL DEL CEMENTO PORTLAND IP-30
CON AGREGADOS DE ESFERAS DE
POLIESTIRENO
SETTING TIME AND NORMAL CONSISTENCY
OF PORTLAND CEMENT IP-30 WITH POLYSTYRENE
SPHERE AGGREGATES
Fernando Rocha Argote
Docente de la Facultad de tecnología de la Universidad del Valle Univalle , Bolivia
pág. 7183
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i2.11120
Tiempo de Fraguado y Consistencia Normal del Cemento Portland IP-30
con Agregados de Esferas de Poliestireno
Fernando Rocha Argote
1
fernando.rocha.argote@gmail.com
https://orcid.org/0009-0000-7728-0432
Docente de la Facultad de tecnología de la
Universidad del Valle UNIVALLE
Bolivia
RESUMEN
El objetivo de este estudio es evaluar el efecto de las esferas de poliestireno expandido a distintas
fracciones de volumen sobre las características físicas del cemento Portland utilizando una
distribución cubica simple. Las variables estudiadas fueron: consistencia normal y tiempo de
fraguado. Estas características son medidas con la técnica de la aguja de Vicat mediante el uso de
las normas vigentes de los materiales de construcción Norma Boliviana NB-11, ACI y ASTM. El
empleo de aditivos en cementos mejora la trabajabilidad y la porosidad, permitiendo fabricar
morteros y hormigones con alto rendimiento y con propiedades mecánicas adecuadas para su empleo
como morteros de albañilería, revoque, enlucido y grandes estructuras. En la actualidad existen un
sinnúmero de aditivos que mejoran las características del cemento y por ende las características del
concreto y morteros, ya sea mejorando la resistencia, la durabilidad y la trabajabilidad, sin embargo,
los usos de estos aditivos en cementos suelen provocar elevados costos de producción y operación
por lo que incorporar materiales residuales como poliestireno y aplicar un modelo físico conforme
a la problemática es de gran utilidad.
Palabras clave: cemento portland, poliestireno, consistencia normal, tiempo de fraguado
1
Autor principal
Correspondencia: fernando.rocha.argote@gmail.com
pág. 7184
Setting Time and Normal Consistency of Portland Cement IP-30 with
Polystyrene Sphere Aggregates
ABSTRACT
The objective of this study is to evaluate the effect of expanded polystyrene spheres at different
volume fractions on the physical characteristics of Portland cement using a simple cubic distribution.
The variables studied were: normal consistency and setting time. These characteristics are measured
with the Vicat needle technique through the use of current standards for construction materials,
Bolivian Standard NB-11, ACI and ASTM. The use of additives in cements improves workability
and porosity, allowing the manufacture of mortars and concretes with high performance and with
mechanical properties suitable for use as masonry mortars, plastering, plastering and large structures.
Currently there are countless additives that improve the characteristics of cement and therefore the
characteristics of concrete and mortars, either by improving resistance, durability and workability,
however, the uses of these additives in cements usually cause high costs of production and operation,
so incorporating residual materials such as polystyrene and applying a physical model according to
the problem is very useful.
Keywords: portland cement, polystyrene, normal consistency, setting time
Artículo recibido 23 marzo 2024
Aceptado para publicación: 25 abril 2024
pág. 7185
INTRODUCCIÓN
Actualmente existe una imperiosa necesidad de reducir el consumo de materias primas y energía,
así como la disminución de los residuos. Esto se puede lograr integrando los residuos en procesos
productivos, así como su incorporación a materiales de construcción. (Gatani, M. Argüello R. Sesín
S. 2010) Estos nuevos materiales de construcción son ecológicamente más eficientes permitiendo
un ahorro de materias primas y de consumo energético. Distintos residuos agroindustriales y
poliméricos están siendo estudiados. (Del Rey R. Alba J. Ramis, J. Sanchís V. J. 2011)
El poliestireno expandido representa el 0,1% del total de los residuos sólidos urbanos. Varias
organizaciones de más de treinta países, han suscrito un acuerdo internacional sobre el reciclado
comprometiéndose a promover el uso del poliestireno reciclado en la más amplia gama de
aplicaciones posibles. (Martínez C. Laines J. 2013)
El poliestireno es un polímero termoplástico espumado con estructura celular cerrada. Es
biológicamente inerte y no toxico que posee interesantes propiedades tales como su baja densidad,
aislamiento térmico, comportamiento hidrofóbico, y resistencia química a ácidos y álcalis (Short, A.
Kinniburgh W. 1978). El poliestireno se puede encontrar en perlas, que se pueden considerar como
un tipo de árido artificial de naturaleza polimérica, no absorbente y ultraligero (densidad menor de
300 kg/m3) (Sussman, V. 1975). Estos áridos permiten la fabricación de materiales de construcción
ligeros como concretos y morteros, teniendo como base el cemento.
La literatura en el campo de concretos y morteros con incorporación de esferas de poliestireno esta
principalmente dedicada al estudio de estos materiales en su estado endurecido como la
caracterización de las propiedades mecánicas y térmicas (Ganesh Babu, K. Saradhi Babu D. 2003),
dejando de lado las propiedades en su estado fresco como el tiempo de fraguado y consistencia
normal (Tang W. C. Lo Y. Nadeem A. 2008). Cuando se trata de estudiar las propiedades de
concretos y morteros en su estado fresco hacemos referencia a las propiedades ya mencionadas
tomando como énfasis el cemento que es la base en la elaboración de estos materiales de
construcción, en este caso se estudia la pasta de cemento según la incorporación de agua. (Jiménez
M. 2009)
pág. 7186
La cantidad de agua necesaria paraque la pasta de cemento alcance una fluidez óptima se lo
denomina consistencia normal (Acuña E., Abdon A. 2022). Una vez alcanzado el nivel óptimo de
fluidez la pasta de cemento pasa por un proceso de endurecimiento a través del tiempo. El tiempo
transcurrido desde el momento que se agrega el agua a la pasta hasta que pierde viscosidad, se
denomina tiempo de fraguado inicial que indica que la pasta esta semidura y parcialmente hidratada.
Posteriormente la pasta sigue endureciendo hasta que deja de ser deformable, volviéndose rígida y
resistente; el tiempo descrito hasta este punto se denomina tiempo de fraguado final, e indica que el
cemento se encuentra aún más hidratado. A partir de este momento empieza el proceso de
endurecimiento y la pasta ya fraguada va adquiriendo resistencia. (Abanto Castillo F. 2009.)
La determinación de los tiempos de fraguado da una idea del tiempo disponible para mezclar,
trasportar, colocar, vibrar y apisonar los concretos y morteros de una obra, así como el tiempo
necesario para empezar el curado.
MATERIALES Y MÉTODOS
Los materiales empleados son:
▪ Cemento Warnes IP-30con resistencia mínima de 30 MPa a 28 días. (SOBOCE)
▪ Poliestireno extruido en forma de perlas con 2 mm de diámetro.
La medida de los tiempos de fraguado y consistencia normal se obtiene siguiendo los métodos de la
norma ASTM C 187-98, AASHTO T-129, ASTM C-191, además se emplea los criterios de la norma
boliviana NB-011 mediante al aparato de Vicat (figura 1).
Figura 1. Aparato de Vicat.
pág. 7187
La incorporación de las esferas de poliestireno será distribuida de forma cubica simple siguiendo el
modelo de Maxwell-Raileygh. Dicho modelo fue estudiado para obtener las propiedades térmicas
de materiales compuestos a base de cemento, cuyos resultados fueron satisfactorios (Rocha F. 2017).
El modelo de Maxwell-Raileygh para medios heterogéneos debe respetar el espacio mínimo de las
esferas inmersas en un medio continuo, que debe ser superior al diámetro de las mismas, con base a
la suposición de independencia de cada esfera (James Clerk Maxwel, M.A. 1873). Con base a la
definición de dicho modelo respetando la independencia de cada esfera se obtendrá un material
heterogéneo compuesto de una fase continua que corresponde a la pasta de cemento y a otra fase
discontinua que será las esferas de poliestireno.
Procedimiento Experimental.
Se realizan dos tipos de muestras; la primera corresponde a una pasta de cemento sin incorporación
de esferas de poliestireno, la cual será la pasta estándar con fracción de volumen cero, luego se elabora
muestras con base al modelo de Maxwell-Raileygh. Para aplicar dicho modelo se desarrolla una
ecuación matemática (Figura 2) para determinar la separación de esferas de acuerdo a las fracciones
de volumen dentro de un material homogéneo, que en nuestro caso es el cemento.
δV =
π
6
(1 + s
d)3 (1)
Donde δV es la fracción de volumen, s es la separación de esferas y d el diámetro de las esferas.
Figura 2. Distribución cubica simple de las esferas de poliestireno.
pág. 7188
El modelo de Maxwell Rayleigh deja de ser válido para fracciones de volumen mayores a 0.2 (Rocha
F. 2017) por tal motivo, las muestras para el análisis de consistencia normal y tiempo de fraguado
tendrán como límite las fracciones de esferas de poliestireno igual a 0.2, realizando ensayos para
fracciones de volumen igual a 0.05, 0.1, 0.15 y 0.2. (figura 3).
Figura 3
Muestras de pastas de cemento con diferentes incorporaciones de esferas de poliestireno. A)
Fracción de volumen de 0.05, B) Fracción de volumen 0.1, C) Fracción 0.15 y D) Fracción de
volumen 0.2.
RESULTADO Y DISCUSIÓN.
Consistencia normal
La fluidez optima de la pasta de cemento se obtiene con una cantidad de agua de 160 ml alcanzando
una consistencia del 32%, variando la penetración de la sonda de Vicat para diferentes fracciones de
volumen (tabla 1 y figura 3)
Tabla 1. Resultado de la penetración de la sonda de Vicat. La norma establece una penetración de
10 ±1 mm.
Identificador
Fracción de volumen
Consistencia Normal (%)
Penetración (mm)
0
32
10
0.05
32
10
0.1
32
10
0.15
32
11
0.2
32
11
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Figura 3. Diagrama de penetración de la sonda de Vicat para la consistencia normal del cemento en
fracciones de volumen de 0, 0.05, 0.1, 0.15 y 0.2
Tiempo de Fraguado
Se obtiene a partir de la consistencia normal. Se analizo diferentes pastas de cemento con
incorporación de esferas de poliestireno de 0, 0.05, 0.1, 0.15 y 0.2. Los resultados de tiempo de
fraguado son los siguientes:
Tabla 2. Resultado de tiempo de fraguado para diferentes fracciones de volumen.
Tiempo
(min.)
Penetración para cada fracción de volumen (mm)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0
40
40
40
40
40
15
39 ± 1
40
40
40
40
30
38 ± 1
39 ± 1
38 ± 2
39 ± 1
39 ± 1
45
37 ± 2
38 ± 1
37 ± 1
38 ± 1
39 ± 1
60
36 ± 2
37 ± 1
36 ± 1
37 ± 2
38 ± 1
75
34 ± 2
34 ± 1
36 ± 2
36 ± 1
38 ± 1
90
31 ± 3
32 ± 2
32 ± 2
35 ± 1
37 ± 1
105
28 ± 3
29 ± 2
30 ± 1
31 ± 2
35 ± 2
120
25 ± 1
26 ± 1
27 ± 1
28 ± 2
31 ± 3
135
23 ± 1
22 ± 3
24 ± 1
25 ± 2
26 ± 2
150
20 ± 2
19 ± 2
22 ± 2
22 ± 3
21 ± 1
165
17 ± 2
16 ± 2
18 ± 2
18 ± 2
16 ± 2
180
14± 2
12 ± 1
14 ± 2
14 ± 1
11 ± 2
pág. 7190
195
11 ± 1
10 ± 1
10 ± 1
11 ± 1
8 ± 2
210
9 ± 2
8 ± 1
7 ± 1
6 ± 2
3 ± 2
225
6 ± 1
4 ± 1
5 ± 1
3 ± 2
0
240
3 ± 1
2 ± 1
2 ± 1
0
255
1 ± 1
1 ± 1
0
270
0
0
Figura 4. Comparación de las distintas penetraciones a través del tiempo para pastas de cemento
con diferentes fracciones de volumen
Según la norma, el fraguado final se da cuando la aguja de Vicat no penetra la pasta de cemento es
decir la penetración es igual a 0, sin embargo, el fraguado inicial empieza cuando la penetración es
35 mm, en este caso resolviendo por interpolación el tiempo de inicio de fraguado para cada fracción
de volumen son las siguientes (tabla 3, figura 5 y 6)
Tabla 3. Fraguado inicial y final de pastas de cemento con diferentes fracciones de volumen
Fracción de volumen
Inicio de fraguado (min)
Final de fraguado (min)
0
68
270
0.05
70
270
0.1
79
255
0.15
90
240
0.2
105
225
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Figura 5. Comparación de los tiempos de fraguado inicial
Figura 6. Comparación de los tiempos de final de fraguado
Como se aprecia en las figuras 5 y 6 el tiempo de inicio de fraguado aumenta a medida que las
fracciones de volumen incrementan y el tiempo de final de fraguado disminuye con el incremento
de esferas de poliestireno. En comparación con la muestra estándar o fracción de volumen igual a
cero existe una diferencia creciente en el fraguado inicial de 2 minutos para la muestra de 0.05 de
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fracción de volumen, 11 minutos con la muestra de 0.1 fracción de volumen, 22 minutos con la
muestra de 0.15 y 37 minutos con la muestra de 0.2 fracción de volumen. Para el final de fraguado
comparando los resultados de diferentes fracciones de volumen con la muestra estándar o fracción
de volumen igual a cero existe una diferencia decreciente de 15 minutos con la muestra de 0.1
fracción de volumen, 30 minutos con la muestra de 0.15 y 35 minutos con la muestra de 0.2 fracción
de volumen mientras que la muestra de 0.05 fracción de volumen se mantiene igual que la muestra
estándar o fracción de volumen cero, debido a que las esferas inmersas en la pasta de cemento para
esta muestra son casi despreciables.
CONCLUSIONES
Los resultados experimentales permiten extraer las siguientes conclusiones:
El aumento de la fracción de volumen de las esferas de poliestireno provoca que la pasta de cemento
sea más trabajable.
El aumento de las esferas de poliestireno no afecta la consistencia normal del cemento, es decir a
medida que aumenta la fracción de volumen de poliestireno, la cantidad de agua no varía. Esto se
debe a la propiedad hidrofóbica del poliestireno. Si bien la cantidad de poliestireno vuelve más fluida
la pasta de cemento, esto es compensado con el tiempo que existe en la colocación de las esferas por
capas dentro del molde.
El inicio de fraguado varía con el aumento de fracciones de volumen de poliestireno ocasionando
más tiempo de moldeo de la pasta de cemento.
El final de fraguado tiene efectos adversos al inicio de fraguado, es decir a medida que aumenta las
fracciones de volumen, el tiempo de final de fraguado reduce hasta un tiempo de 35 minutos. Esto
se lo puede atribuir a la exudación de la pasta de cemento. Siendo la pasta elaborada por capas
produciendo exudación en dichas capas por lo que la pasta es más fluida en el inicio ocasionando
una aceleración en la pérdida de agua a medida que se llega a la capa final.
Que una pasta de cemento tenga más tiempo de moldeo y menor tiempo de alcanzar su estado
endurecido es de suma importancia, ya que acelera la producción y ofrece tiempo para lograr un
acabado deseable.
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La incorporación de esferas de poliestireno mejora las propiedades físicas en estado fresco de la
pasta de cemento que a su vez tiene repercusiones en la elaboración de concretos y morteros
volviéndolos más trabajables y de fácil moldeo.
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