El Nopal (Opuntia ficus-indica) como aditivo natural en la trabajabilidad, resistencia y durabilidad en mezclas de cemento comercial colombiano.

CAPÍTULO 1. GENERALIDADES............................................................... 21

1.1. RESUMEN............................................................................................... 23

1.2. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA............... 23

1.3. JUSTIFICACIÓN. ................................................................................... 27

1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN................................................. 30     

    1.4.2. Objetivos específicos.......................................................................... 30

1.5. DELIMITACIONES................................................................................ 31     

    1.5.1. Delimitación geográfica..................................................................... 31

1.6. DELIMITACIÓN TÉCNICA.................................................................. 32

      1.6.1. Normas ASTM............................................................................. .. 32

      1.6.2. Normas Técnicas colombianas (NTC)........................................ 32

1.7. DESCRIPCIÓN METODOLÓGICA....................................................... 32

       1.7.1. Alcance de la investigación.......................................................... 32

               1.7.1.1. Descriptiva..............................................................................32

               1.7.1.2. Correlacional.......................................................................... 33

1.8. HIPÓTESIS..............................................................................................34

       1.8.1. Métodos para validar o rechazar las hipótesis planteadas ... 34

       1.8.2. Formulación del diseño factorial............................................... 36

               1.8.2.1. Análisis del modelo con efectos fijos........................................ 36

       1.8.3. Formulación de las hipótesis de la investigación..................... 39

               1.8.3.1. Trabajabilidad (manejabilidad)................................................ 39

               1.8.3.2. Resistencia mecánica.............................................................. 39

               1.8.3.3. Durabilidad............................................................................ 39

1.9. VARIABLES.............................................................................................40

1.10. IMPLEMENTACIÓN DE INTERVALOS DE CONFIANZA...............40

CAPÍTULO 2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA...............................................45

2.1. EL CEMENTO Y SUS PERSPECTIVAS A FUTURO............................47

2.2. EL USO DE ADITIVOS EN LAS MEZCLAS DE CEMENTO...............49

2.3. EL NOPAL............................................................................................... 52

       2.3.1. Origen y distribución de los nopales.......................................... 53

       2.3.2. Los nopales como recurso natural............................................. 53

       2.3.3. Tipos y características de Opuntia............................................ 55

               2.3.3.1. Mucílago de nopal.................................................................. 57

2.4. EL NOPAL COMO ADITIVO EN LAS MEZCLAS DE CEMENTO......................................... 58

CAPÍTULO 3. SELECCIÓN Y EXTRACCIÓN DE NOPAL COMO ADITIVO......................... 67

3.1. RESUMEN.............................................................................................. 69

3.2. METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DEL GÉNERO OPUNTIA............................ 69

       3.2.1. Extracción de material de trabajo............................................. 70

               3.2.1.1. Selección de metodología de extracción de material de trabajo....................... 70

       3.2.2. Proceso de molido y pulverización del material de trabajo.............................................. 72

3.3. ANÁLISIS DEL PROCESO DE SELECCIÓN Y EXTRACCIÓN DEL NOPAL COMO MATERIAL DE TRABAJO................... 74

       3.3.1. Especie de nopal seleccionada..................................................... 74

       3.3.2. Selección del material de trabajo............................................... 77

       3.3.3. Rendimientos del material de trabajo....................................... 78

               3.3.3.1. Determinación de dimensiones y masas representativas en los procesos de extracción y las unidades estructurales del nopal como aditivo............... 81

CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN DEL NOPAL Y MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN...................... 103

4.1. RESUMEN............................................................................................ 105

4.2. PROCEDIMIENTOS Y TÉCNICAS UTILIZADAS PARA  CARACTERIZAR EL NOPAL, EL CEMENTO Y AGREGADOS....... 106       

        4.2.1. Caracterización química del nopal (Opuntia Ficus Indica)......................................... 108               

                4.2.1.1. Actividad de agua.............................................................................. 108

               4.2.1.2. Caracterización bromatológica del nopal (Opuntia ficus-indica).................................. 109

               4.2.1.3. Técnicas de caracterización por espectroscopia vibratoria....... 121

        4.2.1.4. Caracterización superficial y composición química elemental del nopal........................... 127

               4.2.1.5. Caracterización termogravimétrica del nopal......................... 132

       4.2.2. Caracterización de los materiales conformacionales de las mezclas cementantes.................................. 134

               4.2.2.1. Cemento.............................................................................. 134

               4.2.2.2. Procedimiento para establecer la composición química elemental del cemento................... 135

               4.2.2.3. Caracterización de agregados para las mezclas cementantes............................................. 144

4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE NOPAL, CEMENTO Y AGREGADOS..................... 153

       4.3.1. Resultados de la caracterización química del nopal (Opuntia ficus-indica)................................... 153

               4.3.1.1. Análisis de la actividad de agua en el nopal............................. 153

               4.3.1.2. Análisis de la caracterización bromatológica del nopal............ 155

               4.3.1.3. Técnicas de caracterización mediante espectros copia vibratoria.......................................... 167

               4.3.1.4. Evaluación microestructural y caracterización química elemental mediante SEM-EDS del nopal................................. 173

               4.3.1.5. Análisis termogravimétrico y caloría diferencial del nopal........ 179

       4.3.2. Análisis de la caracterización de componentes en las mezclas de cemento....................................... 182

               4.3.2.1. Caracterización del cemento................................................. 182

               4.3.2.2. Evaluación de los agregados utilizados en mezclas  de cemento....................................... 192

CAPÍTULO 5. EFECTO DEL NOPAL EN LA TRABAJABILIDAD, RESISTENCIA Y DURABILIDAD EN MEZCLAS DE CEMENTO COMERCIAL.................................................. 197

5.1. RESUMEN............................................................................................ 199

5.2. PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS PARA IDENTIFICAR LOS CAMBIOS PRODUCIDOS POR EL NOPAL EN LAS PROPIEDADES FÍSICAS EN LAS MEZCLAS DE CEMENTO.......... 199

       5.2.1. Preparación mecánica de las mezclas de cemento................. 199               

                5.2.1.1. Procedimiento utilizado para la preparación de la mezcla de pasta de cemento.................................. 201

                5.2.1.2. Procedimiento para mezclar morteros de cemento................. 202

       5.2.2. Evaluación del efecto del nopal en la trabajabilidad de mezclas de cemento comercial................................................. 202

               5.2.2.1. Formulación procedimental en la trabajabilidad de mezclas de cemento............................................................. 203

               5.2.2.2. Procedimientos para establecer cambios en los tiempos de fraguado en mezclas de cemento al adicionar nopal............... 208

       5.2.3. Evaluación de la resistencia mecánica de mezclas de cemento comercial................................................................ 220

       5.2.4. Procedimiento utilizado para evaluar el efecto del nopal en la resistencia mecánica en las mezclas de cemento comercial......................................... 223

       5.2.5. Ensayos para determinar el efecto del nopal en la durabilidad de mezclas de cemento comercial..................... 228                   

                5.2.5.1. Procedimiento para establecer la densidad, absorción y vacíos en mezclas cementantes adicionadas con nopal........................ 229

                5.2.5.2. Evaluación de cambios en la estructura de los morteros de cemento en estado endurecido.............................................. 232

                5.2.5.3. Evaluación de los cambios en la estructura cristalina generados por el nopal mediante difracción de rayos X........... 232

5.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DEL NOPAL EN LA TRABAJABILIDAD, RESISTENCIA Y DURABILIDAD EN MEZCLAS DE CEMENTO COMERCIAL..................................... 233

       5.3.1. Evaluación de trabajabilidad en las mezclas de cemento y nopal.......................................................................... 233

                5.3.1.1. Análisis de la consistencia normal y establecimiento de la relación w/c en pastas de cemento......................................... 231

                5.3.1.2. Análisis de la fluidez y establecimiento de la relación  w/c en morteros de cemento al adicionar nopal............................ 237

                5.3.1.3. Evaluación de los cambios en la consistencia y fluidez al adicionar nopal en las mezclas de cemento comercial............. 242

                5.3.1.4. Evaluación de los tiempos de fraguado en mezclas de cemento al adicionar Nopal mediante Aguja de Vicat.............. 246               

                5.3.1.5. Evaluación del nopal en el calor de hidratación y los tiempos de fraguado en mezclas de cemento.......................... 251

       5.3.2. Evaluación de los cambios en la resistencia mecánica en morteros de cemento y nopal.............................................. 260

       5.3.3. Evaluación de la durabilidad en las mezclas de cemento y nopal......................................................................... 267

                5.3.3.1. Análisis de resultados obtenidos en los cambios de la densidad, absorción y vacíos al adicionar nopal en mezclas de cemento........................ 267

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................................ 275

REFERENCIAS ........................................................................................... 279