Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 28, No. 04, octubre-diciembre de 2023. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 y ISSN-e: 2344-7214
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Morteros pigmentados con elevada
impermeabilización para su uso en acabados
Pigmented mortars with high waterproofing for use in finishes
H. L. Calambás-Pulgarin ; J.E. Díaz-Rosero
DOI: https://doi.org/10.22517/23447214.25298
Artículo de investigación científica y tecnológica
Abstract— In the present study, the development of pigmented
cement mortar for outdoor applications, aiming to replace
traditional finishes, especially in pool settings, was investigated.
The study used the properties of workability, particle size, and
strength from a commercial sample (CS) as a reference, complying
with regulations for pool finishes. In the initial stage, the
additive/binder (A/B) and water/cement (W/C) ratios were varied
to achieve workability similar to the CS reference. Compression
strength and porosity were evaluated as response variables
according to ASTM C642 standards at 1, 7, and 28 days of curing.
In a subsequent stage, the aggregate/cement ratio was reduced to
enhance mechanical performance and reduce porosity.
Additionally, colorants were introduced, and compression
strength at 1, 7, and 28 days, three-point flexural strength, and the
percentage of permeable pores at 28 days were assessed.
Pigmented mortars exhibited compressive strengths exceeding 35
MPa, flexural strengths exceeding 5 MPa, and a volume
percentage of pores below 8% after 28 days of curing.
Index Terms— Absorption, compression, impermeability,
mortars, porosity, resistance,
Resumen— En el presente estudio se investigó el desarrollo de un
mortero de cemento pigmentado, para su uso en aplicaciones de
exteriores que reemplacen acabados tradicionales especialmente
en piscinas. Para el desarrollo del estudio, se tomó como referencia
las propiedades de trabajabilidad, tamaño de partícula y
resistencia de una muestra comercial (MC) que cumple con la
normativa para acabados de piscina. En una primera etapa, se
varió la relación aditivo/cementante (A/C) y agua/cemento hasta
obtener una trabajabilidad similar a la muestra de referencia MC.
Como variables de respuesta, se evaluó la resistencia a la
compresión y la porosidad según la norma ASTM C642 a 1, 7 y 28
días de curado. En una segunda etapa del estudio se redujo la
relación agregado/cemento con el objetivo de obtener un material
con mejor desempeño mecánico y con baja porosidad.
Adicionalmente, se incorporaron colorantes y se evaluó la
resistencia a la compresión a 1, 7 y 28 días, resistencia a flexión a
tres puntos y el porcentaje de poros permeables a 28 días.
Morteros pigmentados con resistencias superiores a 35 MPa a
compresión, 5 MPa a flexión y porcentaje de volumen de poros
inferiores a 8% después de 28 días de curado
Este manuscrito fue sometido el 24 de marzo de 2023, aceptado el 18 de
septiembre de 2023 y publicado el 15 de diciembre de 2023.
Este trabajo fue desarrollado en Tecnoparque nodo Cali y en el departamento
de I+D+I del centro ASTIN, pertenecientes al Servicio Nacional de Aprendizaje
– SENA.
H. L. Calambás-Pulgarin, Grupo de Investigación en Desarrollo de
Materiales y Productos, Centro Nacional de Asistencia Técnica a la Industria
(ASTIN), SENA, Cali 760003, Colombia; Grupo de Innovación y Desarrollo
Palabras claves— Absorción, compresión, impermeabilidad,
mortero, porosidad, resistencia.
I.
INTRODUCTION
CTUALMENTE la industria de la construcción viene en
crecimiento al igual que los materiales e insumos
requeridos para su desarrollo. Con el fin de optimizar los
procesos de fabricación del concreto o morteros y mejora de los
materiales para construcción, se han desarrollado diferentes
tipos de aditivos que se agregan al concreto en la etapa de
mezclado para modificar algunas de las propiedades de la
mezcla. La finalidad de estos aditivos es producir excelentes
comportamientos de los concretos con relaciones bajas de
agua/cemento. [1] Entre los aditivos para concreto de mayor
impacto se encuentran los plastificantes y superplastificantes,
los cuales permiten aumentar la manejabilidad de las pastas de
cemento y por lo tanto la del concreto. Este incremento en la
manejabilidad hace posible disminuir el contenido de agua y de
cemento manteniendo la fluidez del material y su resistencia.
Por lo tanto, la principal función de un aditivo es mejorar las
propiedades de la pasta cementante, permitiendo ahorrar
materiales y manteniendo la fluidez del material, sin afectar su
resistencia final [2].
Por otra parte, en los últimos años ha aumentado la tendencia
a utilizar las superficies del mortero a la vista como elemento
de terminación, desarrollándose tratamientos y técnicas
especiales para el concreto arquitectónico, donde se busca
diseño, belleza y durabilidad a través de formas, colores,
acabados y texturas de superficie, sin afectar sus características
mecánicas y estructurales [3].
Un elemento que aporta factores diferenciadores muy
apreciables es el color [4]. Por lo tanto, a través de este trabajo
se busca desarrollar un mortero pigmentado, que cumpla con
los requerimientos en cuanto a propiedades físicas y
estructurales, manejabilidad y fácil aplicación. Por lo tanto,
inicialmente se estudió el comportamiento de los morteros con
diferentes porcentajes de aditivo para definir las condiciones
adecuadas de conformado a partir de las propiedades mecánicas
de Productos y Procesos – IDEPP, FAORA LABS, A&S Consultoría y
Suministros S.A.S, Cali, Colombia (hlcalambas@misena.edu.co)
J.E. Díaz-Rosero, Grupo de Investigación en Desarrollo de Materiales y
Productos, Centro Nacional de Asistencia Técnica a la Industria (ASTIN),
SENA, Cali 760003, Colombia; (jhersondiaz@hotmail.com))
A
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y del criterio económico. Una vez definidas las condiciones
óptimas se buscó reducir la porosidad y agregar color al
cemento para mejorar sus propiedades y características.
II.
MATERIALES Y MÉTODOS
A.
Materiales
Para la elaboración de las mezclas, se utilizó un cemento
blanco de uso concretero marca Argos con elevada resistencia
inicial según con norma ASTM C 109 [5]. Como agregado, se
utilizó un material particulado rico en cuarzo, con un índice de
finura de 3,53 y tamaño máximo de 4,75 mm (Tamiz No. 4).
En la segunda etapa se utilizaron pigmentos inorgánicos a
base de óxido de hierro (negro) y aluminato de cobalto (Azul).
B.
Métodos
1)
Obtención de los morteros
TABLA I.
RELACIÓN AGUA/CEMENTANTE Y ADITIVO/CEMENTANTE PARA LA
OBTENCIÓN DE LOS MORTEROS
MUESTRA
RELACIÓN
AGUA/CEMENTANTE
MC
0,40
M1
0,40
M2
0,35
M3
0,30
En la primera fase del trabajo (Tabla I), se estudió la
relación, aditivo/cemento en los morteros, utilizando una
muestra comercial de referencia (MC) y 3 muestras
experimentales (M1, M2 y M3).
Considerando que, en MC por ser de tipo comercial se
desconoce el tipo y cantidad de aditivo empleado durante la
producción del cemento (Tabla I), para la preparación de las
muestras experimentales se varió el porcentaje de aditivo de
tipo policarboxílico con el que se desarrollaron los morteros,
manteniendo constate en todas las muestras la relación
agregado/cemento (1,7).
Por otra parte, la relación agua/cementante (a/c) se
modificó, para obtener una trabajabilidad similar en todos los
morteros, buscando la obtención de una pasta fluida. Lo cual
permitió presentar valores de relación a/c relativamente bajos
(a/c < 50), teniendo en cuenta que otros autores han
demostrado que bajos valores de relaciones a/c limitan la
formación de poros y mejoran las propiedades mecánicas. [6]
En la segunda fase, se adicionó color en los morteros, para la
obtención de los morteros pigmentados, de acuerdo con las
condiciones presentadas en la tabla II.
TABLA II
RELACIÓN PIGMENTO/CEMENTO Y AGUA/(CEMENTO+PIGMENTO) PARA LA
OBTENCIÓN DE LOS MORTEROS PIGMENTADOS
* PIGM: pigmento
* CEM: cemento + pigmento
En este caso se utilizó la menor relación aditivo/cementante
que corresponde a 0.05 (tabla I) y la proporción agua/cemento
se redujo a 0.20 con el fin de disminuir la porosidad de los
morteros [6]. Mientras que la relación, agregado/cemento, se
mantiene constante respecto a la primera fase 1 (1.7).
El proceso de mezclado se realizó de manera análoga a los
morteros tradicionales, siguiendo las indicaciones de la norma
NTC 112-2021 [7]: se vierte el agua en el recipiente de la
mezcladora, se agrega el cemento y se mezcla en velocidad
lenta por 30 segundos, verter la arena durante 30 segundos,
luego, 30 segundos a velocidad media, detener por 90
segundos y en los primeros 15 raspar el material de las
paredes, finalmente, mezcla rápida por 60 segundos.
La mezcla obtenida fue llevada a moldes cilíndricos de 30
mm de diámetro por 60 mm de altura. Posteriormente se
fragua a temperatura ambiente por 24 horas y se curan en agua
durante los tiempos establecidos para su caracterización.
En el caso de los morteros pigmentados de la fase 2, se
mezcló previamente el pigmento con el cemento y se procedió
de la misma forma que en la fase 1, obteniendo morteros como
se muestra en la Fig. 1, que son piezas prismáticas de 100 x
25 x 25 cm. Adicionalmente se obtuvieron muestras
cilíndircas.
Fig. 1. Muestras de morteros pigmentados. de izquierda a derecha: sin
pigmento, con pigmento azul y con pigmento negro
2)
Caracterización de los morteros
Se realizó caracterización física de los morteros después del
respectivo curado a cada edad, a continuación, se describen las
técnicas utilizadas en este estudio:
i)
Volumen de poros permeables
Se aplicó la norma ASTM C642 [8] para la determinación de
características de absorción, porosidad y densidad de los
morteros, básicamente consiste en tomar cuatro pesos: seco,
después de inmersión en agua por 48 horas, después de hervir y
peso en agua. Con estos pesos se aplican ecuaciones descritas
en dicha norma, para calcular las propiedades en mención.
ii)
Resistencia a la compresión
Fue evaluada la resistencia a la compresión a 1, 7 y 28 días
de curado en una Máquina Universal de ensayos mecánicos
marca HUNG TA, modelo: HT- 2402 con una celda de 100 kN,
con certificado de calibración 12852 expedido por ICCLAB.
MUESTRA
COLOR
Relación
PIGM*/cemento
Relación
AGUA/CEM**
P1
Sin Color
0
0,20
P2
AZUL
3
0,20
P3
AZUL
10
0,20
P4
NEGRO
3
0,20
P5
NEGRO
10
0.20
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iii)
Resistencia a la flexión
En los morteros pigmentados, se evaluó la resistencia a la
flexión a tres puntos, usando una maquina Universal marca
HUNG TA, modelo: HT- 2402 con una celda de 5 kN, con
certificado de calibración 12852 expedido por ICCLAB a una
velocidad de 1 mm/min. Para evaluar la resistencia se usa:
incremento de la resistencia con un aditivo orgánico fue
observado también por Jayasingh y colaboradores [9], donde se
presentan aumentos entre 2 y10% respecto a la resistencia a la
compresión sin aditivo debido a la aceleración en la conversión
de portlandita a calcita, por la carbonatación que genera la
presencia orgánica del aditivo [9].
La mayor resistencia a la compresión se obtiene para la
Donde,
�
�
=
���
���
�
(1)
muestra M3 a 28 días de curado (72 MPa), debido a la mayor
presencia del aditivo y al tiempo de curado, debido a que el
aditivo almacena agua en la etapa inicial de hidratación y la
R
f
es la resistencia a la flexión
F la carga máxima soportada por la probeta
L, la distancia entre los soportes
b el ancho de la probeta
h la altura de la probeta.
iv)
Microscopía electrónica de Barrido SEM
Las superficies de los morteros obtenidos fueron lijadas y
pulidas. Estas superficies se recubrieron con una fina capa de
oro, para ser observadas utilizando un microscopio electrónico
de barrido (SEM) JEOL, JCM 50000 (Tokio, Japón), a un
voltaje de 10 kV. y alto vacío, observado con un aumento de
200X y 3000X.
III.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A)
Fase 1: Efecto de la relación aditivo/cemento en el
concreto
1)
Resistencia a la compresión
libera durante la etapa posterior promoviendo la hidratación a
tiempos mayores de curado, mejorando la resistencia a la
compresión y evitando el agrietamiento de los morteros [10].
Esta muestra (M3) presenta un aumento lineal con el tiempo de
curado incrementándose en un 74% la resistencia a la
compresión desde el día 1 al 28.
Por otra parte, las muestras MC, M1 y M2, el mayor
incremento en la resistencia a la compresión se presenta entre 1
y 7 días de curado.
2)
Volumen de poros permeables
La relación entre la porosidad y el tiempo de curado para las
muestras MC, M1, M2 y M3 se presentan en la Fig. 3.
25
20
15
10
80
70
60
50
5
0
1 7 28
Días de curado
40
30
20
10
0
1 7 28
Días de curado
Fig. 2. Resistencia a la compresión de morteros a 1, 7 y 28 días curado.
En la Fig. 2 se presenta la resistencia a compresión a
diferentes tiempos de curado para los morteros denominados
MC, M1, M2 y M3, donde se observa que, en general las
muestras experimentales presentan mayor resistencia que la
muestra comercial para todas las edades de curado. Se observa
que a medida que aumenta la cantidad de aditivo se incrementa
la resistencia a la compresión, alcanzando en algunos casos,
resistencias superiores al doble de la muestra comercial. Este
Fig. 3. Porcentaje de poros permeables de los morteros a 1, 7, y 28 días de
curado.
En general, se observa que a medida que aumenta la relación
aditivo/cemento en las muestras experimentales, disminuye el
porcentaje de poros permeables a las diferentes edades de
curado [9]. Por otra parte, se puede observar que las muestras
experimentales presentan una menor porosidad después de un
día de curado con relación a la muestra comercial.
En todos los casos, entre el día 1 y 7 de curado se presenta
una disminución considerable de la porosidad, para la muestra
MC (27%), M1 (9%), M2 (12%) y M3 (2%). Mientras que entre
el día 7 y el 28 de curado, no se evidencia una reducción
significativa en el porcentaje de poros permeables en las
muestras [11].
Se evalúo la densidad de los morteros, y oscila entre valores
de 2,35 a 2,42 g/cm
3
, lo que está en concordancia con la
densidad típica de un mortero convencional que se encuentra
entre 2,2 y 2,5 g/cm
3
[12].
Como se puede evidenciar, la porosidad depende de la
MC
M1
M2
M3
Resistencia a la compresión (MPa)
Volumen de poros (%)
MC
M1
M2
M3
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relación aditivo/cementante y la relación agua/cementante (Liu
et al. 2020). Por tal razón en la fase dos se opta por trabajar con
la menor relación aditivo cementante, ya que se obtienen
propiedades similares e incluso superiores a las presentadas por
la muestra comercial, además que representa un menor costo en
materias primas aportando así a la economía del sector. Por otra
parte, se disminuye la relación agua /cemento con el fin de
obtener un concreto con mayores propiedades
impermeabilizantes y con una menor cantidad de poros.
3)
Microscopía electrónica de Barrido SEM
Fig. 4. Micrografías SEM a 200X de los microconcretos a 28 días de
curado, a) MC, b) M1, c) M2 y d) M3.
Mediante microscopía electrónica de barrido, se analizó la
microestructura de las muestras (a) MC, (b) M1, (c) M2, y (d)
M3 a 28 días de curado. En la muestra MC (Fig. 4.a) se observa
la formación de poros, lo cual es consecuente con el estudio de
porosidad realizado, donde MC presenta los más altos valores
de porosidad, adicionalmente en esta micrografía se puede
evidenciar que la interfase entre la matriz cementante (pasta) y
el agregado (ag) no es continua, lo cual se atribuye a que estas
muestras contienen agregados redondeados y lisos, lo que
conlleva a obtener una buena trabajabilidad, pero con una
interface débil [13]. Las imágenes SEM de las muestras
experimentales M1, M2 y M3 (Fig. 4 (b), (c) y (d)
respectivamente) evidencian una interfase continua, sin límites
definidos entre la matriz cementante y el agregado,
proporcionando una buena interacción gracias a la forma
angular y la superficie rugosa de sus agregados, lo cual permite
que el cemento se adhiera adecuadamente sobre el agregado
para iniciar su hidratación. Lo anterior, corrobora lo obtenido
por medio de la evaluación de la resistencia a la compresión,
donde las muestras experimentales superan a la muestra
comercial en todas las edades de curado.
Fig. 5. Micrografía SEM a 3000X de la muestra MC a 28 días de curado.
En la Fig. 5, se presenta la imagen de la muestra comercial
MC ampliada a 3000X, donde se puede apreciar unas formas
alargadas tipo agujas del orden de nanómetros, las cuales se
atribuyen a cadenas de alto peso molecular correspondientes a
polímeros de la familia de los policarboxilatos, los cuales
presentan estas formas características, como también ha sido
reportado por Yang y colaboradores, quienes evaluaron el
efecto de un aditivo policarboxílico sintetizado, sobre la
química del cemento y sus propiedades [14].
B)
Fase 2: Efecto del color: morteros pigmentados
Para el desarrollo de esta fase, se tomó como referencia la
muestra de mortero M1 (relación aditiva/cementante: 0,05)
obtenida en la fase 1. Para lo anterior, se tuvo en cuenta factores
técnicos y económicos (menor uso de aditivo cumpliendo la
resistencia mínima, dada por la muestra comercial). Para este
caso se reduce la relación agua/cemento con el finde de
favorecer la densidad del concreto. Posteriormente se
adicionaron diferentes pigmentos, y se evaluaron las
propiedades mecánicas junto con la porosidad de las muestras,
con el objetivo de obtener como producto final los morteros
pigmentados.
1)
Resistencia a la compresión
Se evaluó a compresión las muestras de los morteros
pigmentados (ver Fig. 6), donde P1 es la muestra optima
definida en la primera fase con una relación agua/cemento de
0.2, mientras que P2, P3, P4 y P5 son las muestras con las
mismas condiciones y adición de pigmento (ver Tabla II).
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Volumen de poros (%)
50
15
40
30
10
20
5
10
0
1 7 28
Días de curado
0
1 7 28
Días de curado
Fig. 6. Resistencia a compresión de muestras con pigmentos, a 1,
7, y 28 días de curado.
En la fig. 6 se puede observar que la adición de pigmentos
disminuye la resistencia a la compresión a todos los tiempos de
curado. Lo anterior se puede atribuir a que se disminuye la
cantidad de cemento ya que se reemplaza por pigmento. Este
efecto se hace más evidente a 28 días, donde los morteros con
mayor cantidad de pigmento presentan menor resistencia. Los
morteros de color negro P5 presentan un detrimento de la
resistencia en todas las edades respecto al de color azul con la
misma cantidad de pigmento (P3), esto puede atribuirse a que
el óxido de hierro que compone el pigmento negro, afectó
negativamente las reacciones de hidratación del cemento.
2)
Volumen de poros permeables
El volumen de poros permeables fue medido para las
muestras pigmentadas a 1, 7 y 28 días de curado, donde se
puede evidenciar (Fig. 7) que el mayor contenido de color azul
y negro, propicia la formación de poros en el microconcreto.
Aunque otros autores han reportado disminución en la
porosidad con la adición del pigmento, considerando que este
actúa como filler, rellenando los espacios en el concreto [15],
sin
embargo
en
este
trabajo
se
reemplazó
cemento
por
Fig. 7. Porcentaje de poros permeables en los morteros pigmentados a 1, 3
y 28 días de curado.
3)
Resistencia a la flexión
En la fig. 8 se presenta la gráfica de la resistencia a la flexión
de los morteros pigmentados a 28 días. Donde se puede
evidenciar que los morteros a relaciones Pigmento/cemento
bajas (Tabla II) no afectan la resistencia a flexión. Sin embargo,
cuando esta relación aumenta, la resistencia a la flexión se
reduce aproximadamente un 15% para ambos pigmentos (azul
y negro).
5
4
3
2
1
0
pigmento, reduciendo la cantidad de material susceptible de
P1
P2
P
-
3
-
P4
P5
hidratarse y formar la pasta cementicia que finalmente es la
responsable del endurecimiento del mortero.
Morteros pigmentados
Fig. 8. Resistencia a flexión de los morteros pigmentados a 28 días de
curado
IV.
CONCLUSIONES
Las muestras experimentales (M1, M2 y M3) obtuvieron
mejor resistencia que la muestra comercial (MC) a las
diferentes edades de curado, y a medida que aumentó la relación
aditivo/cementante se encontró que aumenta también la
resistencia a la compresión de las muestras. La relación
agua/cementante está relacionada con la porosidad y con la
resistencia a la compresión de las muestras, a medida que esta
disminuye, disminuye la porosidad y aumenta la resistencia.
Según las imágenes SEM, se encontró que las muestras
experimentales que poseen agregados angulares y rugosos
presentaron una interfase continua y con alta afinidad respecto
Resistencia a la compresión (MPa)
Resistencia a la flexión (MPa)
P1
P2
P3
P4
P5
P1
P2
P3
P4
P5
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a la interfase de la muestra comercial, la cual no presenta buena
afinidad debido a que esta posee agregados redondeados y lisos.
En la segunda etapa, se obtuvieron morteros pigmentados de
elevado desempeño, debido a que se redujo la relación
agua/cementante y la relación agregado/cementante; después de
28 días de curado, se alcanzaron resistencias a compresión de
hasta 35 MPa, resistencia a flexión mayor a 5 MPa y volumen
de poros permeables menor a 8%. Lo anterior indica que se
logró obtener morteros pigmentados de alta impermeabilidad y
propiedades mecánicas elevadas, lo que los hace idóneos para
aplicaciones de acabados, en especial en su uso en piscinas.
REFERENCIAS
Heidy Lorena Calambás Pulgarín, nació en Silvia, Cauca,
Colombia. Recibió el título de pregrado como Ingeniera Física
de la Universidad del Cauca, en Popayán, Colombia. Fue
becaria doctoral del Centro de Tecnología de Recursos
Minerales y Cerámica (CETMIC -UNLP) y recibió su título de
Doctora en Química de la Universidad Nacional de La Plata,
Argentina.
Entre 2015 y 2020 se desempeñó como experta en la línea de
Biotecnología y Nanotecnología en el Tecnoparque nodo Cali,
del Centro Nacional de Asistencia Técnica a la Industria
ASTIN-SENA regional Valle, asesorando más de 40 proyectos
de base tecnológica. Entre 2020 y 2023 ha trabajado en la línea
programática de SENNOVA, como Investigadora Experta en el
Centro ASTIN realizando actividades de formulación y
desarrollo de proyectos en torno al área de nuevos materiales.
Autor de más de 10 artículos relacionados con nuevos
materiales y aprovechamiento de residuos agroindustriales.
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1176-9985.
Jherson Eveiro Diaz Rosero, nació en
Cali, Colombia en 1985. Recibió el título de
pregrado como Ingeniero de Materiales en el
año 2009, en la Universidad del Valle, Cali
Colombia. En 2016 recibió el título de
Doctor en Ingeniería con énfasis en
ingeniería de Materiales en la Universidad
del Valle, Cali Colombia. De 2009 a 2016,
participó como asistente de investigación en
proyectos relacionados con materiales cementantes alternativos
basados en subproductos industriales, en el grupo de
investigación de Materiales Compuestos GMC, de la
Universidad del Valle. De 2013 a 2016 tuvo participación como
profesor en calidad de asistente de docencia en el departamento
de Ingeniería de Materiales de la Universidad del Valle, en 2016
docente instructor en el centro ASTIN del Servicio Nacional de
Aprendizaje SENA. Pasantía postdoctoral en el centro Argos
para la Innovación de Cementos Argos S.A. durante 2018 y
2019, y desde 2020 ha desempeñado como experto en la línea
de Biotecnología y Nanotecnología en el Tecnoparque nodo
Valle, asesorando proyectos de base tecnológica, logrando
hasta el momento acompañar el desarrollo de mas 40 prototipos
funcionales con escala de madurez entre TRL6 y TRL8, la
mayoría de estos proyectos, relacionados con Economía
circular. Autor de 8 artículos relacionados con materiales
cementantes y aprovechamiento de residuos industriales.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2885-9365
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