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PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

1

“ARCILLA FLUIDA COMO MATERIAL DE PROTECCIÓN CORTA FUEGO EN ESTRUCTURAS METÁLICAS DE LÁMINA DELGADA”

ANDRÉS F. MONTEALEGRE RODRÍGUEZ

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA 2013

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

2

PROYECTO DE GRADO “ARCILLA FLUIDA COMO MATERIAL DE PROTECCIÓN CORTA FUEGO EN ESTRUCTURAS METÁLICAS DE LÁMINA DELGADA”

PRESENTADO POR: ANDRÉS F. MONTEALEGRE RODRÍGUEZ. CÓDIGO: 2144209

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA

BOGOTÁ D.C. 2013

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

3

TABLA DE CONTENIDO Página ……………………………………………………………………………………………………..

9

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2. JUSTIFICACIÓN

…………………………………………………………………………………………………………………………………

10

3. OBJETIVOS

…………………………………………………………………………………………………………………………………

11

3.1.

OBJETIVO GENERAL ………………………………………………………………………………………

11

3.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

……………………………………………………………………….11

4. DELIMITACIÓN CONCEPTUAL DEL PROBLEMA 5. ESTADO DEL ARTE

………………………………………………………………………………..

12

…………………………………………………………………………………………………………………………………

13

6. TIPOS DE ARCILLAS …………………………………………………………………………………………………….. 15 …………………………………………. 17

6.1.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA ARCILLA

6.2.

SEGÚN SU FUSIBILIDAD

6.3.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ARCILLAS …………………………………………………………18

6.4.

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS ARCILLAS

6.5.

ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LAS ARCILLAS …………………………………………………………19

6.6.

MATERIALES ACOMPAÑANTES

7. CLASIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS

………………………………………………………………………..

17

…………………………………………. 18

…………………………………………………………20

………………………………………………………………………………21 ………………………………………………………………………..

23

7.1.

LADRILLOS REFRACTARIOS

7.2.

SILICOALUMINOSOS ……………………………………………………………………………………….

23

7.3.

LADRILLOS DE ALTA ALUMINA ……………………………………………………………………….25

7.4.

LADRILLO ANTIACIDO ANTAC ………………………………………………………………………..

27

7.5.

FORMAS PRE-VACIADAS

7.6.

AISLANTES

………………………………………………………………………..

29

………………………………………………………………………………………

29

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4 Página

8. MATERIALES UTILIZADOS COMO RELLENOS EN ESTRUCTURAS METALICAS 8.1.

…………………………………………………………………………………………………………………………………

31

SOPORTES METÁLICOS RELLENOS DE HORMIGÓN

…………………………………………. 31 ……………………………………..

33

9. OTROS MATERIALES UTILIZADOS EN CONTROL DE INCENDIOS 9.1.

ESPUMA DE POLIURETANO

………………………………………………………………………..

33

9.2.

BARRERAS CORTAFUEGO

………………………………………………………………………..

33

9.3.

PROPIEDADES DE LOS SELLADORES CORTAFUEGO

…………………………………………. 34

9.3.1.

ENDOTERMIA

………………………………………………………………………..

34

9.3.2.

FLEXIBILIDAD

………………………………………………………………………..

34

9.4.

TIPOS DE SELLADORES CORTAFUEGO

…………………………………………………………35 …………………………………………………………35

9.4.1.

SELLADOR DE ORIFICIOS

9.4.2.

SELLADORES ACRÍLICO INTUMESCENTE

…………………………………………. 35

9.5.

ALMOHADILLAS CORTAFUEGO ………………………………………………………………………..

36

9.6.

COLLARES CORTAFUEGO

………………………………………………………………………..

36

9.7.

BARRERAS CUBREJUNTAS

………………………………………………………………………..

36

9.8.

REVESTIMIENTOS

……………………………………………………………………………………….

37

10. CONCRETOS REFRACTARIOS DENSOS 10.1.

……………………………………………………………………….39

CONCRETOS SILICO - ALUMINOSOS

…………………………………………………………39

11. DATOS COMPLEMENTARIOS

………………………………………………………………………………………

41

12. INVESTIGACIONES PREVIAS

………………………………………………………………………………………

42

13. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

………………………………………………………………………..

43

13.1.

DESCRIPCIÓN GENERAL

………………………………………………………………………..

43

13.2.

ARCILLA UTILIZADA

………………………………………………………………………..

43

13.3.

DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO

13.4.

PREPARACION DE LA ARCILLA Y LLENADO DE LAS PROBETAS

…………………………………………………………44 …………………………… 50

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5 Página

13.5.

REALIZACIÓN DE LA PRUEBA EN HORNO A ALTA TEMPERATURA (1000 °C) ……….

52

14. ANÁLISIS DE RESULTADOS OBSERVADOS DESPUÉS DE LA PRUEBA EN EL HORNO……………………

54

…………………………..

58

14.1.

ANALISIS - PERDIDA DE SECCIÓN ELEMENTOS METALICOS

14.2.

NORMATIVIDAD

14.3.

MATRIZ VENTAJAS Y DESVENTAJAS

……………………………………………………………………………………….

60

15. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

…………………………………………………………64

……………………………………………………………………….65

15.1.

CONCLUSIONES RESPECTO A LOS OBJETIVOS

…………………………………………. 67

15.2.

PROCESO CONSTRUCTIVO RECOMENDADO

…………………………………………. 69

16. ANEXO No. 1 INVESTIGACIONES PREVIAS ………………………………………………………………………..

71 16.1.

PROPIEDADES DEL ACERO

16.2.

SISTEMAS DE PROTECCIÓN

………………………………………………………………………..

71 ………………………………………………………………………..

77

17. BIBLIOGRAFÍA

………………………………………………………………………………………………………

82

18. INFOGRAFÍA

………………………………………………………………………………………………………

83

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6

INDICE DE TABLAS Pagina 1. TABLA No. 1 - CLASIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS

………………………………………………………………………………………………

22

2. TABLA No. 2 - COMPARATIVA DE PROBETAS

………………………………………………………………………………………………

56

3. TABLA No. 3 – COMPARATIVA PÉRDIDA DE SECCIÓN DIAMETRAL PROBETAS …………………….

4. TABLA No. 4 - RESUMEN CARACTERISTICAS DE MATERIALES

59

………………………………………………………………………

76

5. TABLA No. 5 - RESUMEN SISTEMAS DE PROTECCIÓN ………………………………………………………………………………………………

81

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7

INDICE DE GRÁFICAS Pagina 1

GRAFICA No. 1 (RESULTADOS DE TABLA No. 3)

…………………………………………………….

59

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8

INDICE DE FIGURAS 1. FIGURA No.1 - REVESTIMIENTO EN CONCRETO

……………………………………………………

Pagina 32

2. FIGURA No. 2 – PRODUCTOS INTUMESCENTES

……………………………………………………

38

3. FIGURA No. 3 - PROBETAS METÁLICAS ANTES DE LA PRUEBA ………………………………………

44

……………………………………………………

45

5. FIGURA No. 5 - PREPARACIÓN DE ARCILLA FLUIDA ……………………………………………………

45

6. FIGURA No. 6 – MEZCLADO DE ARCILLA PARA LOGRAR FLUIDEZ

46

4. FIGURA No. 4 - EMBAZADO DE ARCILLA FLUIDA

…………………………

7. FIGURA No. 7 – HERRAMIENTA MECANICA QUE SE UTILIZA PARA MEZCLADO

……………

46

8. FIGURA No. 8 - LLENADO DE LOS MOLDES O PROBETAS

………………………………………

47

9. FIGURA No. 9 - PROBETAS LLENAS CON ARCILLA FLUIDA

………………………………………

47

10. FIGURA No. 10 - PROBETAS DENTRO DEL HORNO ELÉCTRICO ………………………………………

48

………………………………………

50

……………

51

…………………………

52

………………………………………

53

15. FIGURA No. 15 - PIRÓMETRO MIDIENDO UNA TEMPERATURA SUPERIOR A 1000 °C

……………

53

16. FIGURA No. 16 – ESTADO DE LAS PROBETAS DESPUÉS DE REALIZADA LA PRUEBA

……………

54

…………………………

55

18. FIGURA No. 18 - ESTADO FINAL DE LAS PROBETAS ……………………………………………………

55

11. FIGURA No. 11 - LLENADO PREVIO DE LAS PROBETAS

12. FIGURA No. 12. - CAMBIOS OBSERVADOS EN LA DISMINUCIÓN DEL VOLUMEN 13. FIGURA No. 13 - ESTADO DE LA ARCILLA EN LAS PROBETAS (DIA 6) 14. FIGURA No. 14 - EL PIRÓMETRO Y LA TERMOCUPLA

17. FIGURA No. 17 - ESTADO FINAL DE LA PROBETA Y LA ARCILLA

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En las estructuras metálicas de lámina delgada para edificaciones se utilizan diferentes perfiles que al soldarse forman un tubular. Como ejemplo podemos tomar dos perfiles en C, que unidos y soldados por la mitad forman el tubular, los cuales a su vez son utilizados como vigas y columnas de diferentes secciones para conformar la estructura metálica. Estos tubulares contienen espacios vacíos llenos de aire. Este contenido de oxigeno permite que en caso de presentarse un incendio el fuego se propague. El proyecto busca un material alternativo diferente del concreto para llenar los espacios vacíos con el fin de controlar el fuego, el cual es arcilla fluida.

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2. JUSTIFICACIÓN

Se busca un material resistente al fuego para que sea utilizado como material de relleno en estructuras metálicas de lámina delgada, con el fin de reducir al mínimo el oxígeno que hay en los espacios vacíos de dichas estructuras, y lograr de este modo disminuir la propagación del fuego en caso de incendios, mejorando la resistencia al fuego en factor de tiempo de exposición. El material escogido es arcilla fluida, es abundante, de fácil consecución y económico, por lo que se considera ideal para dicho fin.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL:

Realizar un experimento que determine la posibilidad de utilizar la arcilla fluida como material corta fuego en estructuras metálicas de lámina delgada.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

 Determinar la facilidad de utilizar la arcilla fluida como material corta fuego en estructuras metálicas de lámina delgada.  Identificar las propiedades físicas de la arcilla y su resistencia al calor.  Buscar complementos y materiales ya desarrollados que trabajen en conjunto con la arcilla y para comparar el control que ejercen del fuego en caso de incendios en estructuras metálicas de lámina delgada.  Utilizar como referencia las normas, NTC 1480 “Elementos de construcción.

Ensayo de resistencia al fuego” y la ASTM E119 “Método Estándar en Pruebas de Incendio para Construcción y Materiales de Edificaciones”.

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4. DELIMITACIÓN CONCEPTUAL DEL PROBLEMA

En elementos tubulares que forman estructuras metálicas de lámina delgada, principalmente en columnas, se presentan espacios vacíos, en los cuales por están llenos de aire hay abundancia de oxígeno, el cual puede ser un factor determinante para contribuir a la propagación del fuego. Se busca llenar estos espacios con la arcilla fluida con el fin de controlar y disminuir el riesgo de propagación de incendios, teniendo en cuenta que toda edificación debe tener, de acuerdo a su uso, un control o estructura contra el fuego y las respectivas vías de evacuación señalizadas y accesibles.

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5. ESTADO DEL ARTE

HISTORIA. “Las arcilla cocida al fuego, es uno de los medios más baratos de producir objetos de uso cotidiano, y una de las materias primas utilizada profusamente, aún hoy en día. Ladrillos, vasijas, platos, objetos de arte, e incluso sarcófagos o instrumentos musicales, tales como la ocarina, fueron modelados con arcilla. La arcilla también se utiliza en muchos procesos industriales, tales como la producción de cemento, elaborar papel, y obtener sustancias de filtrado.

Los arqueólogos utilizan las características magnéticas de la arcilla cocida, o transformada en producto cerámico, para fechar los elementos arcillosos que han permanecido con la misma orientación y compararlos con otros periodos históricos, en bases de hogueras, hornos, etc.”1.

“El fuego ha cautivado a la Hombre durante siglos. Sin embargo, aquello que desde antaño ha sido objeto de fascinación, puede dar paso, en cuestión de segundos, a la más absoluta de las devastaciones.

Poder prever la respuesta de las estructuras frente a los múltiples fenómenos que ocasiona el fuego, implicará el estudio de las propiedades de los materiales de uso más frecuente en la construcción - acero, madera, hormigón, aluminio y elementos de fábrica –, así como las soluciones constructivas más empleadas. El conocimiento de los

1

Recuperado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla (2013)

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aspectos empíricos, normativos y económicos permitirá la planificación de cualquier construcción garantizando la seguridad y la protección frente a incendios.”2

2

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010) pág. 3.

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6. TIPOS ARCILLAS

La arcilla no es una roca primitiva, es producto de la descomposición de otras rocas. Se presenta en terrenos llamados estratificados, que se dividen en capas en capas separadas unas de otras. La arcilla pura es silicato de aluminio llamado comúnmente caolín.

“Pueden ser de dos clases, según su procedencia:

1. Primarias o residuales: Formadas in situ, o sea, donde se desintegró la roca.

Contienen partículas sin ninguna clasificación, desde caolinizadas hasta fragmentos de roca y minerales duros e inalterados. Por su heterogeneidad no son de mucha aplicación en la industria cerámica.

2. Secundarias o sedimentarias: Han sido transportadas y depositadas en pantanos, lagos, el océano, etc. Están clasificadas por tamaño debido al transporte. Tienen mejores condiciones para la industria cerámica. “ 3

La Arcilla es de gran importancia en la construcción nacional por ser materia prima para la fabricación de cemento, cerámica y los elementos más utilizados en nuestro país para edificaciones el ladrillo y el bloque.

“Generalmente la Arcilla es untuosa, suave al tacto y exhala olor a tierra húmeda.”4

3

CALDERON ARTEAGA C. H (2001) Producción y comercialización del ladrillo Recuperado de: http://www.monografias.com/trabajos14/ladrillocolomb/ladrillocolomb.shtml

4

Recuperado de: http://www.construmatica.com/buscador/construpedia/arcilla+expansiva

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“Las partículas de la Arcilla tienen unas dimensiones comprendidas entre 0,002 y 0,0001 mm. de diámetro y proceden de la descomposición de rocas de Feldespato.

Tiene la propiedad de que, puesta en agua, se hincha, pudiendo absorber hasta 200 veces su peso en agua.

El Feldespato es un material casi tan duro como el Cuarzo, pero atacado por los agentes atmosféricos se convierte en arcilla.

El Feldespato es un silicato alumínico-alcalino y cálcico, denominándose: 

Ortoclasa al Feldespato potásico



Albita al Feldespato alumínico -sódico



Anortita al Feldespato cálcico “ 5

El feldespato como cualquier otro mineral tiene importancia, ya que de su descomposición obtenemos otras rocas y la arcilla, que para nuestro interés particular es el material a utilizar, como relleno de las estructuras metálicas.

Hay que darle un valor especial, pues es un mineral formador de roca, (es el componente principal de las rocas ígneas) y su presencia en las rocas nos da indicios sobre las condiciones físicas y químicas en la que se ha formado la roca, así como la arcilla. Con todo esto, se determina si la arcilla es más o menos resistente al fuego y a las altas temperaturas.

5

Cerámica (pastas y vidriados). Claude Vittel. Paraninfo, S.A. Madrid (1986). Pág. 56

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6.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA ARCILLA • Material de estructura laminar.

• Su masa se expande con el agua.

• Con la humedad se reblandece y se vuelve plástica.

• Al secarse su masa se contrae en un 10% • Generalmente se le encuentra mezclada con materia orgánica.

• Adquiere gran dureza al ser sometida a temperaturas mayores a 600°C.

6.2 SEGÚN SU FUSIBILIDAD “Según el punto o grado de cocción, podríamos hablar de dos tipos de arcilla: 

Arcillas refractarias: Arcillas y caolines cuyo punto de fusión está comprendido entre 1.600 y 1.750ºC. Por lo general son blancas, grises y poco coloreadas después de su cocción.



Arcillas fusibles ó arcillas de alfarería: Arcilla cuyo punto de fusión se alcanza por encima de los 1.100ºC. Son de color castaño, ocre, amarillo o marfil tras su cocción y se suelen encontrar cerca de la superficie del suelo. Suelen contener ilita acompañado de una proporción de caliza, óxido de hierro y otras impurezas.” 6

Lo anterior indica que para la utilización de arcilla como material corta fuego en columnas de estructuras metálicas de lámina delgada, la mejor opción serían las arcillas 6

Arcilla y vidriado para el ceramista. Daniel Rodees. Ediciones CEAC. Barcelona (1990). Pág. 232

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refractarias, las cuales controlarían la propagación de llamas con mayor efectividad, pues su resistencia al calor es superior a las otras arcillas.

6.3 PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ARCILLAS. 

Elasticidad: Producida por la mezcla de la arcilla con una adecuada cantidad de agua.



Endurecimiento: Lo sufren a ser sometidas a la acción de calor.



Color: este se debe a la presencia de óxidos metálicos.



Absorción: Absorben materiales tales como aceites, colorantes, gases, etc.

6.4 PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS ARCILLAS.

La arcilla pura es bastante resistente a la acción química de los reactivos; sin embargo, es atacada por algunos reactivos, sobre todo si se le aplican en condiciones apropiadas de presión, temperatura y concentración. 

El ácido clorhídrico y el sulfúrico concentrados la descomponen a una temperatura de 250 a 300º C y actúan más lentamente sobre arcilla calcinada.



Algunos álcalis como sosa y potasa atacan el silicato alumínico si hay calentamiento prolongado y la transforman en silicatos dobles de sodio o potasio y aluminio.



El anhídrido bórico la trasforma en una masa vítrea (vitrificado) más atacable pro los reactivos químicos.



Con mayor facilidad actúa el ácido fluorhídrico y los fluoruros ácidos formando fluoruro de Al y de Si.

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“Pero para la industria cerámica, las propiedades más importantes son las relacionadas con las reacciones efectuadas entre los diferentes silicatos de la arcilla para formar compuestos de ciertas características como resistencia, dureza, aumento de densidad, disminución de absorción, según la reacción que haya tenido lugar.”7

De lo anterior puede deducirse que las características químicas de las arcillas demuestran que efectivamente son un buen material para tener en cuenta en reacción al fuego, pues presentan resistencia, dureza y absorción de grandes cantidades de calor cuando se presentan temperaturas elevadas, pues la arcilla reacciona durante un tiempo prolongado.

6.5 ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LAS ARCILLAS. 

La eliminación del agua higroscópica se da a una temperatura de aproximadamente 100º C, aún no pierde su agua de composición y conserva la propiedad de dar masas plásticas.



Con una temperatura entre 300 y 400º C el agua llamada de combinación es liberada, perdiendo la propiedad de dar masas plásticas aunque se le reduzca a polvo y se le añada suficiente agua.



Entre 600 y 700º C el agua en la arcilla es totalmente eliminada.



Por la acción del calor entre 700 y 800ºC adquiere propiedades tales como dureza, contracción y sonoridad, la sílice y la alúmina comienzan a formar un silicato anhidro (Mullita: Al2O3 SiO2).

7

Recuperado de: http://ferreyranovoapaolo.blogspot.com (2008)

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Esta combinación se completa al parecer entre 1100 y 1200º C.



Hacia los 1500º C aparecen los primeros síntomas de vitrificación.

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En los puntos anteriores se explica el proceso de la reacción de las arcillas al ser expuestas a calor prolongadamente. Se ve claramente que las altas temperaturas afectan la arcilla transformándola lentamente, pero esta transformación es de estado plástico a sólido. Durante este proceso se contaría con tiempo suficiente para detectar y contener las llamas, en caso de incendio.

6.6 MATERIALES ACOMPAÑANTES.

La arcilla presenta algunos materiales acompañantes como son:

Granos de cuarzo, feldespato, micas, carbonatos (Ca y Mn), compuestos de hierro (óxidos, carbonatos, silicatos y sulfuros) y material orgánico.” 8

8

Tratado de cerámica. Finn Lynggaard. Ediciones Omega, S.A. Barcelona (1983). Pág. 154

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7. CLASIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS

Existen diferentes tipos de arcillas, las cuales presentan una gran variedad de características tanto físicas como químicas, de acuerdo a su composición, color, usos y demás factores. Para el caso particular de este experimento podemos apreciar en la Tabla No.1 la cual se presenta a continuación, los diferentes tipos de arcillas y sus características principales. Se debe tener en cuenta principalmente el tipo de arcilla No. 9 que recibe el nombre de “arcilla común”, la cual pertenece al grupo de arcillas secundarias o transportadas, pues fue este tipo de arcilla la que se utilizó en el experimento práctico, debido a su facilidad de consecución y por lo mismo su bajo costo en el mercado nacional.

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TABLA NO. 1 – CLASIFICACIÓN DE LAS ARCILLAS

PRIMARIAS O RESIDUALES NOMBRE COMUN 1.Granito o feldespato semicaolinizado

2.Caolin Residual 3.Arcillas basálticas residuales 4. Arcillas primarias; cenizas volcánicas descompuestas

COLOR CUANDO SE QUEMA

PROPIEDADES REFRACTARIAS

DUREZA ORIGINAL

USOS

Claro

Medias o bajas

Roca descompuesta

Artículos blancos

Blanco

Altas

Blanda

Artículos blancos, refractarios, papel y vidrio

Oscuro

Bajas

Blanda

Ladrillos

Oscuro

Bajas

Blanda

Ladrillos, tejas

SECUNDARIAS O TRANSPORTADAS 5. Caolín secundario

Blanco

Altas

Blanda

6. Arcilla globular 7.Arcilla cristal 8. Arcilla adherente 9. Arcilla Común 10. Minerales alumínicos combinados 11. Arcilla mala, refractaria terracota.

12. Shale Siliceo, calcáreo 13. Arcilla estratificada

Blanco Marrón Marrón Marrón

Altas Altas Altas Altas

Blanda Dura Blanda Blanda

Artículos blancos. Vidrio, papel Refractarios Refractarios Refractarios Refractarios

Marrón

Altas

Blanda

Refractarios

Marrón

Medias o bajas

Blanda

Bajas

Dura

Bajas

Blanda

Bajas

Blanda

14. Arcilla aluvial

Oscuro Oscuro

Oscuro

15. Loess Descompuesto

Oscuro

Bajas

Blanda

16. Arcillas de lagos glaciares

Oscuro

Bajas

Blanda

17. De desgaste por acción glaciar

Oscuro

Bajas

Blanda

Tabla No. 1 – Clasificación de las arcillas.9

9

CALDERON ARTEAGA C. H (2001) Producción y comercialización del ladrillo

Alfarería, estructuras Ladrillo estructural, teja Ladrillo estructural Ladrillo, teja Ladrillo estructural, teja Ladrillo estructural, teja, materas.

Ladrillo estructural, teja, materas.

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7.1 LADRILLOS REFRACTARIOS “Los Ladrillos Refractarios utilizados son de dos tipos, según su contenido de arcillas con sílices o alúminas. Sus características les permiten soportar temperaturas muy elevadas, aunque ambos se comportan de diferente manera.

Los ladrillos silico aluminosos se fabrican a partir de arcillas seleccionadas, constituidas esencialmente por silico aluminatos hidratados con pequeñas cantidades de otros óxidos.” 10 Dentro de este grupo se encuentran los siguientes productos:

7.2 SILICOALUMINOSOS:

“U-32: CPE 32 ½ (1724ºC) Ladrillos

silico

aluminosos

prensados,

clasificados

como

altamente

refractarios(High Duty), diseñados para aplicaciones con temperaturas y requerimientos mecánicos moderados, como son por ejemplo calderas, calentadores de aire, revestimientos de respaldo en zonas agresivas, hornos túnel para cerámica roja y blanca, etc.

U-33: CPE 33 (1739ºC) Ladrillos silico aluminosos prensados, clasificados como súper refractarios (Super Duty), cuyas características principales son: buena resistencia mecánica y al Recuperado de: http://www.monografias.com/trabajos14/ladrillocolomb/ladrillocolomb.shtml 10

Recuperado de: //www.urbipedia.org/index.php/Ladrillo_Refractario (2013)

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choque térmico y baja contracción. Algunos ejemplos de aplicaciones típicas son: Cámaras de combustión, chimeneas, hornos túnel de cerámica roja y blanca, calderas, zona fría de hornos rotatorios de cemento y en general donde además de una alta temperatura de servicio, sea importante una buena resistencia al choque térmico y al ataque moderado de escorias y agentes químicos.

ER-40: CPE 34(1763ºC) Ladrillos silico aluminosos prensados, clasificados como súper refractarios (Super Duty), cuyas características principales son baja porosidad, alta resistencia mecánica y al ataque por monóxido de carbono (bajo contenido de Fe2O3) y buena estabilidad dimensional. Algunos ejemplos de aplicaciones típicas son: Estufas de alto horno, incineradores, calderas y en general aplicaciones bajo condiciones severas de abuso mecánico y térmico.

AQ-45M: CPE 34(1763ºC) Ladrillos silico aluminosos prensados, clasificados como súper refractarios (Super Duty) de alta quema, cuyas características principales son: baja porosidad, alta resistencia mecánica y al ataque por álcalis y por monóxido de carbono, alta resistencia al ataque por escorias y mínima deformación bajo carga en caliente y buena estabilidad dimensional. Por su bajo contenido de hierro resisten al ataque por monóxido de carbono, por lo tanto se recomiendan en procesos donde existan atmósferas reductoras.

Los ladrillos de alta quema son también más resistentes a la abrasión que los ladrillos de quema convencional. Algunos ejemplos de aplicaciones típicas son: Fondos de alto

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horno, estufas de alto horno, checkers de hornos de vidrio, chimeneas, ciclones y hornos de galvanizado.

7.3 LADRILLOS DE ALTA ALUMINA Los ladrillos refractarios de alta alúmina tienen contenidos de alúmina entre el 50 y el 85%.

Son altamente resistentes a la deformación bajo carga en caliente, a la abrasión, al choque térmico, de excelente resistencia a la acción de escorias y gases corrosivos a altas temperaturas y poseen además propiedades mecánicas muy altas.

Dentro de este grupo se encuentran los siguientes productos:

ALUM – 50 Ladrillo con 50% de alúmina, diseñado para aquellas aplicaciones donde se requiere mayor resistencia a la temperatura que la del ladrillo silico aluminoso súper refractario. Se usa principalmente para revestir hornos de cal, zonas de calentamiento y precalcinación de hornos rotatorios de cemento, calderas de trabajo pesado, techos de hornos de calentamiento de palanquilla, hornos túneles, revestimientos de respaldo de distribuidores de colada continua, etc.

BAUXAL – 60 Ladrillo con 60% de alúmina, resistente a los óxidos metálicos y fundentes alcalinos. Posee una excelente estabilidad volumétrica a altas temperaturas. Se usa principalmente para revestir cámaras de combustión, incineradores, hornos de fritas,

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hornos de calentamiento de palanquilla, zonas de calcinación y transición en hornos rotatorios de cemento y cal, etc.

En esta calidad está disponible también el BAUXAL 60N, caracterizado por su bajo contenido de Fe203 (< 1.2%), para aplicaciones donde la resistencia al ataque por monóxido de carbono sea requerida. Las demás propiedades son comparables con las del BAUXAL 60.

BAUXAL – 70 Ladrillo con 70% de alúmina, de alta densidad, con excelente balance de propiedades físicas (resistencia mecánica) y químicas (resistencia al ataque por escorias y a la penetración de metales fundidos) lo que conlleva a una vida útil más larga en hornos que trabajan en condiciones de operación muy severas como zonas de transición de hornos rotatorios de cemento, cucharas para procesos metalúrgicos, techos de hornos de fritas, incineradores, etc.

BAUXAL – 80 Ladrillo con 80% de alúmina, de alta densidad, baja porosidad y excelente resistencia mecánica a altas temperaturas, lo que lo hace resistente a la penetración de escorias y de metales fundidos, a la abrasión, y a la acción de fundentes. Se usa principalmente para revestir cucharas para acero, ferroníquel y otros procesos metalúrgicos, zonas de transición y sinterización de hornos rotatorios para cemento, bóvedas de hornos eléctricos de arco, etc.

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BAUXAL – 85 Ladrillo con 85% de alúmina, de liga fosfática y quemado. Posee excepcional resistencia al choque térmico, al ataque por álcalis, a la penetración de aluminio fundido, a la erosión por escorias y a la abrasión. Se caracteriza en su grupo por ser el ladrillo de mayor resistencia mecánica y de más alta refractariedad. De los ladrillos de alta alúmina es de los de menor porosidad. Entre sus usos se encuentra el revestimiento de fondos de paredes de hornos de aluminio, anillos de tapas de hornos eléctricos de arco, enfriadores planetarios de hornos de cemento, cucharas de acería y procesos metalúrgicos, etc.

7.4 LADRILLO ANTIACIDO ANTAC El ladrillo antiácido ANTAC es producido con materias primas especialmente seleccionadas para obtener un producto de muy baja absorción de agua y baja solubilidad en los ácidos (excepto el ácido fluorhídrico). Este tipo de ladrillo está diseñado para construir pisos, tanques de almacenamiento de ácidos, revestimientos de equipos de procesos químicos y, en general, otras aplicaciones donde se requiere resistencia al ataque por ácidos. Es utilizado también en los revestimientos internos de chimeneas donde puede presentarse condensación de ácido sulfúrico de los gases de combustión como en las termoeléctricas.

El Ladrillo ANTAC cumple las especificaciones del ladrillo químicamente resistente Tipo II según la norma ASTM C-279.

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ERSIL El ERSIL es un ladrillo de sílice, diseñado para el revestimiento de cubilotes y otros hornos de fundición de hierro, principalmente...

CTE El CTE es un ladrillo extruido silico aluminoso, de baja densidad, muy buena resistencia mecánica, de liga cordierítica, bajo coeficiente de dilatación térmica lineal, lo cual le confiere una excelente resistencia al choque térmico. Es un producto especialmente diseñado para el revestimiento de los carros de los hornos túneles de la industria cerámica estructural (ladrillo rojo, tejas, pisos, tubos).

CCORD Es un producto diseñado para fabricar formas especiales cuya principal característica es la alta resistencia al choque térmico la cual es impartida por el mineral de cordierita, el cual es la principal fase mineralógica presente en este producto. Posee además una excelente resistencia mecánica. Los principales usos de este producto se encuentran en la industria cerámica en forma de soportes, columnas, placas y en general todo el mobiliario ("kiln furniture") para la carga en los hornos de vajillas, porcelana sanitaria y porcelana eléctrica.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

29

TP Ladrillo

refractario

liviano,

fabricado

en

forma

de

tableta

(split)

de

230*114*19mm, indicado para revestir los pisos exteriores de piscinas (por ser de baja densidad y antideslizante), asaderos, hogares de chimeneas caseras, etc. CPE 35(1717ºC)

7.5 FORMAS PRE-VACIADAS

Son ladrillos para usos especiales fabricados a partir de concretos refractarios. Se recomiendan para aplicaciones en las cuales la forma de los ladrillos es compleja.

Algunas de las principales aplicaciones son las Secciones Delta de las tapas de hornos eléctricos de arco, canales de metal, portabuzas, entre otras.” 11

7.6 AISLANTES “Los ladrillos refractarios aislantes se caracterizan por su baja densidad, la cual les confiere una baja conductividad térmica. Esta propiedad los hace óptimos para ser empleados en hornos industriales donde el ahorro energético es una importante condición de diseño.

Son fabricados con materias primas y procesos especiales para obtener alta porosidad, baja densidad y alta refractariedad.

En general, los ladrillos aislantes se utilizan como respaldo de ladrillos densos de mayor refractariedad y conductividad térmica. Pueden emplearse como revestimiento de

11

Recuperado de: http://www.alfredosteckerl.com/productos/erecos/erecos2.htm (2013)

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30

trabajo de hornos, pero únicamente cuando no están sometidos a agentes agresivos como abrasión, corrosión o erosión por metales fundidos, escorias o gases de altas velocidades. Ejemplos: UA – 20 Ladrillo refractario aislante del grupo 20. Para utilizar a 2.550 ºF (1.400 ºC) máximo en la cara caliente. CPE: 30(1665ºC) UA – 23 Ladrillo refractario aislante del grupo 23. Para utilizar a 2.550 ºF (1.400 ºC) máximo en la cara caliente. CPE: 31(1683ºC) UA – 26 Ladrillo refractario aislante del grupo 26. Para utilizar a 2.600 ºF (1.400 ºC) máximo en la cara caliente. CPE: 31(1683ºC) UA – 28 Ladrillo refractario aislante del grupo 28. Para utilizar a 2.730 ºF (1.500 ºC) máximo en la cara caliente. CPE: 34(1763ºC)” 12

12

Recuperado de: www.cinterfor.org.uy/public/spanish/region/ampro/cinterfor/sid/servicio/enciclop/tomo3/84.pdf (2011)

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

31

8. MATERIALES UTILIZADOS COMO RELLENOS EN ESTRUCTURAS METÁLICAS.

En la actualidad son pocos los materiales utilizados como material de relleno en estructuras metálicas en todo el mundo. Así mismo la información que existe con respecto a este tema es escasa.

Podría decirse que el concreto fluido, es el material más común utilizado para éste fin.

Los concretos fluidos son bombeados dentro de la estructura para rellenar los vacíos y dar más estabilidad a la misma, o para recubrirla en caso de columnas hechas con perfiles I, como se puede ver en la Fig. No.1, pero la razón principal de su utilización en estructuras metálicas es que sirvan de material corta fuego en caso de incendios.

8.1 SOPORTES METÁLICOS RELLENOS DE HORMIGÓN

Como anteriormente hemos dicho, se utilizan con frecuencia soportes formados por dos perfiles unidos con presillas, siendo prácticamente corriente rellenar y revestir éstos soportes con hormigón. Así se consigue una buena protección contra el fuego.

“A falta de una reglamentación que permitiera tener en cuenta la colaboración de éste hormigón en la resistencia, venía despreciándose esta posibilidad, sin embargo, y para aprovecharla, se han determinado mediante una serie de ensayos la carga total que puede resistir los soportes revestidos o rellenos de hormigón y se ha obtenido que la colaboración del hormigón no es nada despreciable” 13

13

Recuperado de: www.upm.es/canalUPM/notasprensa/Doc2008011501.html (2013)

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

Fig. No.1 - Revestimiento en concreto14

14

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010) pág. 25

32

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

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9. OTROS MATERIALES UTILIZADOS EN CONTROL DE INCENDIOS

Actualmente se encuentra en el mercado una gran variedad de productos que junto con el relleno de las columnas con arcilla, pueden ayudar a disminuir y controlar los incendios en estructuras metálicas. Algunos de estos productos son:

9.1 ESPUMA DE POLIURETANO: Que se han venido desarrollando para remplazar el concreto ya que es un método más rápido aunque sigue siendo costoso.

Otro material que está en estudio para ser utilizado como relleno de vehículos es la espuma metálica de aluminio, la cual podría utilizarse así mismo en estructuras metálicas de edificaciones, pero su costo es elevado.

“Esta espuma se trata, en realidad, de un conjunto de bolas porosas de aluminio de diferentes densidades, cubiertas de un material adhesivo. Tras un proceso de curado en cámara climática, se unen a las paredes interiores de los tubos, a los que dotan de una mayor resistencia a flexión, con lo que se incrementaría la seguridad de la carrocería del autocar si éste volcase.” 15

9.2 BARRERAS CORTAFUEGO: Dentro de la construcción de un edificio el medio más común de contención del fuego es la separación por paredes, cuya eficiencia dependerá del material de la pared, de su espesor, de las aberturas pasantes y de su altura sobrante respecto del techo. Sin embargo, dado que en toda construcción habrán artefactos y personas, es necesario proveerle servicios de fuerza motriz, agua, 15

Recuperado de: http://www.universia.es/html_estatico/portada/actualidad/noticia_actualidad/param/noticia/jejch.html (2013)

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

34

climatización, telefonía, computación y por ende las paredes deberán ser penetradas por los cables y cañerías que transportan estos servicios de un lado a otro a través de orificios, los cuales también podrán ser atravesados por fuego, calor y gases tóxicos (los que asifixian y matan), disminuyendo por ende el poder de resistencia al fuego de dichas paredes A efectos de poder restablecer el poder “cortafuego” de las paredes y cielos rasos se deberá efectuar el sellado de todos los orificios con un material capaz de mantener la resistencia al fuego de la pared, a tal efecto existen los denominados selladores cortafuego.

9.3 PROPIEDADES DE LOS SELLADORES CORTAFUEGO: Es la principal característica, se basa en la aptitud del sellador de aumentar de tamaño cuando es expuesto a la acción del calor del fuego a efectos de obturar al máximo posible el orificio que rellena.

9.3.1 ENDOTERMIA: Absorbe el calor y forman un chamuscado sobre la superficie formando una barrera que impide el pasaje del fuego

9.3.2 FLEXIBILIDAD: Permite que la pared o el orificio se expanda o contraiga, se adapta para lugares con múltiples cambios de temperatura, vibraciones o movimientos sísmicos.

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35

9.4 TIPOS DE SELLADORES CORTAFUEGO Existen diferentes tipos de selladores en el mercado, los principales de ellos son:

9.4.1 SELLADOR DE ORIFICIOS: Se trata de una sustancia hermética no combustible, diseñada para sellar aberturas y brechas en muros y cielos rasos internos.

Al aplicarse, cura y rellena el orificio. También hay espumas que al colocarse se expanden y llenan las cavidades.

9.4.2 SELLADORES ACRÍLICO INTUMESCENTE PARA PASAJE DE CABLES/DUCTOS DE SERVICIO: Es una sustancia elastomérica selladora diseñada para prevenir el pasaje del fuego de un recinto a otro en los orificios de pasaje donde haya cañerías de servicios tales como cables, bandejas, tuberías de material no combustible o ductos de aire acondicionado. Expuesto al calor del fuego, el material, intumescente, se expande rellenando las brechas más pequeñas a efectos de mantener la integridad del sellado e impedir la propagación del fuego de un compartimiento a otro.

Cuando se requiere una cierta capacidad portante, alta resistencia al agrietamiento y desmenuzamiento se pueden optar por morteros en conjunto con refuerzos apropiados Cuando los cables transmiten datos o comunicaciones conviene utilizar un marco metálico que por un lado contenga el material intumescente reactivo al calor y que por el otro provea rigidez, este marco tiene un tope movible para el caso en que haya que colocarlo sobre cables pre-instalados. Expuesto al calor del fuego, el material interno intumescente se expande y llena el marco impidiendo la propagación del fuego de un compartimiento a otro.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

36

9.5 ALMOHADILLAS CORTAFUEGO: Provee una opción flexible previniendo la propagación del fuego desde un compartimiento a otro donde hay aperturas para cañerías de servicios que pasen a través de muros o pisos con resistencia al fuego de hasta 4 horas. Son resistentes a la humedad, y aplicables como una solución versátil donde las cañerías deben ser regularmente cambiadas. Cuando se exponen al fuego, los materiales de relleno se expanden para formar una barrera de aislamiento duradera manteniendo la integridad del sellado e impidiendo la propagación del fuego de un recinto a otro.

9.6 COLLARES CORTAFUEGO: Consisten en un aro metálico que actúa como cubierta exterior y que contiene en su interior un material intumescente que se expande al ser sometido al fuego. Ideal para tuberías plásticas que atraviesan muros, techos y cielos rasos. Al ser expuesto al calor del fuego, el material intumescente contenido dentro del collar se expande y ejerce presión sobre la tubería ardiente causando que la abertura se bloquee e impida el pasaje de fuego de un recinto a otro. Estos collares pueden llegar a resistir el fuego hasta 4 horas.

9.7 BARRERAS CUBREJUNTAS: Están compuestas de una espuma compresible retardarte al fuego, revestida de un reactivo intumescente al fuego que forma sello en la Brecha. La espuma retardarte al fuego provee una barrera efectiva contra el pasaje inicial de humo, a medida que la espuma chamusca lentamente, la brecha es rellenada

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

37

por la sustancia intumescente, formando un sello para prevenir la propagación de fuego, humo y gases desde un recinto a otro.

9.8 REVESTIMIENTOS: En este caso la idea no es proveer un sellado a un orificio de pasaje sino proteger a un elemento estructural de la construcción del fuego.

En el caso de las estructuras metálicas, es aconsejable utilizarlos, ya que su resistencia al fuego disminuye un 50 % al alcanzar 500ºC de temperatura. Estos revestimientos intumescentes al ser expuestos al fuego se ablandan y generan una reacción química que produce un chamuscado. Este chamuscado tiene excelentes propiedades aislantes y baja conductividad del calor impidiendo el ascenso de la temperatura que socava la resistencia estructural del acero. Los recubrimientos intumescentes son principalmente pinturas, esmaltes o imprimantes, como se puede ver en la Fig. No. 2.

Hay también resinas termoplásticas en base acuosa que se aplican para cables o paquetes de cables que impiden la creación de llama e inhiben la producción de humo derivado del quemado del aislamiento y los gases tóxicos asociados. Esta opción se adapta cuando hay largos tendidos de cables y se quiere minimizar la pérdida o reemplazo de cables por incendios especialmente cuando sirven instalaciones industriales complejas.

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Fig. No. 2 – Productos Intumescentes16

16

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010) pág. 25

38

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39

10. CONCRETOS REFRACTARIOS DENSOS

Son mezclas de materiales refractarios molidos con una granulometría adecuada y aditivos ligantes. Los concretos desarrollan inicialmente una liga hidráulica, que les confiere buenas propiedades mecánicas en frío. Con el incremento de la temperatura se desarrolla la liga cerámica, que les confiere alta resistencia mecánica en el uso.

Los concretos refractarios ofrecen ventajas frente a los ladrillos, tales como: * Mayor agilidad en la aplicación. * Ausencia de juntas en la mampostería, lo cual redunda en economía de combustible al impedir el paso de gases calientes o aire frío. * Racionalización y reducción de inventarios de formas especiales.

10.1 CONCRETOS SILICO – ALUMINOSOS

CONCRAX UG Concreto refractario para uso general en aplicaciones cuya temperatura de trabajo no exceda de 1320ºC. Aplicaciones típicas de este concreto son: el revestimiento de calderas, plataformas de carros de hornos túneles, entre otras. Tiene un tamaño máximo de grano de 5 mm.

CONCRAX 1500 Concreto refractario silico –aluminoso denso. Para aplicaciones generales en zonas cuya temperatura de trabajo no exceda de 1540 ºC, como en calderas, hornos de

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40

tratamiento térmico, hornos de foso, etc. Por su amplio campo de aplicación es una de las marcas de ERECOS más conocidas y usadas.

CONCRAX 1700

Concreto refractario denso de alta alúmina. Para aplicaciones generales en zonas donde la temperatura no exceda a 1650ºC. Posee alta refractariedad y conserva sus propiedades mecánicas a altas temperaturas. Se usa para revestir calderas, hornos de calentamiento de palanquilla, hornos de forja, hornos rotatorios, lanzas de inyección de gases, etc.

CORAL 80

Concreto refractario aislante, de baja densidad y baja conductividad térmica. Por su refractariedad se puede usar para el aislamiento de zonas expuestas a fuego directo moderado como en calderas, bloques para quemadores, revestimiento de ductos, regeneradores y unidades de ruptura catalítica, aislamiento de vagonetas para hornos túneles e incineradores. Temperatura máxima de servicio recomendada 1260ºC.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

41

11. DATOS COMPLEMENTARIOS “No solo es importante la prevención del incendio sino también la contención del fuego. Si bien la prevención del origen de los incendios es muy importante, no deja de serlo también la contención de la propagación de las llamas, el calor y los gases tóxicos. Según estadísticas, si los Bomberos no logran intervenir dentro de los primeros minutos de iniciación del incendio, la probabilidad de una propagación generalizada comienza a crecer en forma exponencial, pudiendo tener como resultado final un edificio envuelto en llamas y graves secuelas de daño material y pérdida de vida humana. La severidad potencial de tal propagación generalizada está íntimamente asociada con las características constructivas del edificio.

Si el fuego es contenido estructuralmente por las particiones (paredes) cerca de su fuente de origen podrá ser entonces fácilmente extinguido por los Bomberos.

Controlar el movimiento del fuego también implica controlar el movimiento del humo y de los gases tóxicos que liberan los materiales de construcción, el aislamiento térmico y los revestimientos de los cables Es sabido que la más grande amenaza a la vida humana es la perdida de oxigeno consumido por el fuego y la inhalación de estos gases tóxicos.”17

17

Recuperado de: www.gamasi.com.ar/data/archivos/articulos/11_firestop.pdf (2013)

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

42

12. INVESTIGACIONES PREVIAS El tema principal del presente documento “Arcilla fluida como material de protección corta fuego en estructuras metálicas de lámina delgada”, a pesar de ser relativamente nuevo y del cual se encuentra poco material para soporte y fuentes de apoyo investigativo, si debe contemplar el contenido y conclusiones de investigaciones previas existentes sobre algunos trabajos que relacionan otros temas, específicamente materiales y sus propiedades físico-químicas, en relación directa con su resistencia al fuego.

De esta forma debemos considerar datos obtenidos de experimentos previos en materiales utilizados en construcción de viviendas y estructuras, los cuales se pueden apreciar en el Anexo No. 1 de este documento.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA 13.

PROCEDIMIENTO

EXPERIMENTAL

43 “ARCILLA

FLUIDA

COMO

MATERIAL DE PROTECCIÓN CORTA FUEGO EN ESTRUCTURAS METÁLICAS DE LÁMINA DELGADA”

13.1. DESCRIPCIÓN GENERAL: Se realizará una prueba de alta temperatura (1000ºC) a la arcilla fluida, contenida en un total de 10 probetas metálicas (Ver Fig. 3 pág. 44) de 15 cms de longitud, estás probetas fueron hechas con tubo metálico contra incendios de 2”, el cual se soldó a una base igualmente metálica, para sostenerlo.

Se realizará el experimento dividiendo las probetas en 3 grupos (3 probetas por grupo) y una (1) probeta desocupada.

13.2. ARCILLA UTILIZADA: La arcilla utilizada en el experimento, según la tabla de clasificación de las arcillas (Ver. Tabla No. 1 pág. 22), es arcilla común de tipo secundaria o transportada, la cual es de fácil consecución a nivel nacional y bajo costo. Esta arcilla presenta las siguientes propiedades: NOMBRE COMUN

COLOR CUANDO SE QUEMA

PROPIEDADES REFRACTARIAS

DUREZA ORIGINAL

USOS

9. Arcilla Común

Marrón

Altas

Blanda

Refractarios

Extracto Tabla No. 1 Pag. 22 El color de la arcilla varía según la cantidad de agua y silicato de sodio que se utiliza en cada una de las preparaciones. Sus propiedades refractarias son altas, lo cual es necesario para una alta resistencia al fuego.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

44

Fig. No. 3 - Probetas metálicas, antes de realizar la prueba en el horno a alta temperatura.

13.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO: El procedimiento para la preparación de la arcilla fluida es el siguiente:

1.

Se toma arcilla común, la cual se puede conseguir en una cantera donde se

fabriquen productos con este material, comúnmente conocidos como “chircales”. Se debe agregar agua en proporción de 1 a 3 (tres partes arcilla por una de agua). Para esto se pesa el agua y la arcilla, lo que facilita la determinación de las cantidades de material que se debe utilizar. La fluidez de la arcilla depende de la observación de la persona que la está preparando y debe tener en cuenta que entre mayor sea la fluidez (cantidad de agua), mayor será el tiempo de secado de la mezcla (Ver Fig. No. 4).

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

45

Fig. No. 4 - Embazado de arcilla fluida.

2.

Se agrega silicato de sodio en una proporci贸n no mayor al 3%. El silicato de sodio ayuda a que la arcilla se disuelva con mayor facilidad y que no se generen grumos durante el mezclado con el agua.

Fig. No. 5 - Preparaci贸n de arcilla fluida, donde se agrega silicato de sodio.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA 3.

46

A continuación se debe batir la mezcla, preferiblemente con alguna herramienta

mecánica o motorizada. En este caso en particular se utilizó una hélice movida por un motor. La hélice se encuentre en el extremo de eje, el cual se encuentra unido al motor en el otro extremo. (Ver Figuras. 6 y 7).

Fig. No. 6 – Mezclado de la arcilla para lograr fluidez.

Fig. No. 7 – Herramienta mecánica que se utiliza para mezclado.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA 4.

47

Después de batir la mezcla hasta encontrar el punto de fluidez que se desea, se

procede a llenar las probetas o moldes para empezar el proceso de secado durante 5 días como mínimo. (Ver Fig. No. 8).

Fig. No. 8 - Llenado de los moldes o probetas.

5.

Una vez llenadas las probetas se debe dejar la arcilla de 5 a 7 días, pues al meter

la arcilla demasiado húmeda en el horno de cocción, ésta reacciona y estalla, salpicando el interior del horno y dejando los recipientes con espacios vacíos. (Ver Fig. No. 9).

Fig. No. 9 - Probetas llenas con la arcilla fluida.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

6.

48

Después de trascurridos 5 días, es cuando se tiene la arcilla seca en su punto

adecuado. Se toman las probetas y se realiza la prueba de alta temperatura en el horno.

El proceso inicia con el calentamiento del horno durante 5 horas, pues este es el tiempo que tarda el horno en alcanzar los 1000 ºC. (Ver Fig. No. 10).

Fig. No. 10 - Probetas dentro del horno eléctrico en el inicio de la prueba a alta temperatura.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

49

Una vez se alcanza la temperatura deseada, se apaga el horno y se deja enfriar lentamente. El horno no se puede abrir inmediatamente pues el cambio extremo de temperatura afectara los materiales en su interior, por lo tanto se debe dejar enfriando durante toda la noche, hasta que la temperatura descienda hasta estabilizarse con la temperatura ambiente.

Posteriormente una vez enfriado el horno, se puede abrir la puerta principal, extraer las probetas y se realizan las observaciones respectivas para determinar el comportamiento del metal y de la arcilla en cuanto a su reacci贸n a la temperatura como conjunto.

7.

Se repite el procedimiento desde el paso No. 1 para los dos grupos de probetas

restantes, modificando el contenido de agua en relaci贸n con la arcilla y por lo tanto el contenido de silicato de sodio (Proporci贸n 1:4 y 1:5).

8.

Se observan los resultados y se realiza la comparaci贸n entre los tres grupos de

probetas estudiados.

PROYECTO DE GRADO ARCILLA FLUIDA

50

13.4 PREPARACION DE LA ARCILLA Y LLENADO DE LAS PROBETAS. DIA 1 Una vez se tienen todos los materiales y las probetas manufacturadas y listas, se prepara la arcilla fluida y se vierte en las probetas, dej谩ndolas a ras. (Ver Fig. No.11) Para la preparaci贸n de la arcilla se debe tener en cuenta las proporciones de agua, arcilla y silicato de sodio.

Fig. No. 11 - Llenado previo de probetas.

DIA 2 Se observa contracci贸n en la arcilla debido a la evaporaci贸n del agua. Se toman medidas para determinar cambios en el volumen, color o cualquier otro que sea observado.

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51

DIA 3 La evaporación de agua continúa y la arcilla se sigue contrayendo lentamente, La pasta ha bajado cerca de 5mm, desde su posición inicial. (Ver Fig. No. 12).

Fig. No. 12. - Cambios observados en la disminución del volumen de la arcilla contenida en las probetas. (Día 3).

DIA 4 Se nota una disminución en el volumen de la arcilla contenida en las probetas.

Esta disminución es de 7 mm aproximadamente.

DIA 5 La pasta arcillosa ha bajado 1.5 cms en las probetas y se nota algo cuarteada debido a la pérdida considerable de agua.

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52

DIA 6 La pasta se encuentra prácticamente igual al día anterior. Esto indica que la perdida de agua será mínima de este punto en adelante, por lo cual se procederá a realizar la prueba de calor. (Ver Fig. 13).

Fig. No. 13 - Estado de la arcilla en las probetas (Día 6).

13.5 REALIZACIÓN DE LA PRUEBA EN HORNO A ALTA TEMPERATURA (1000 °C).

Una vez obtenido el punto máximo de secado de la arcilla dentro de las probetas después de 6 días, se realiza la prueba en el horno a una temperatura aproximada de 1000 ºC. El procedimiento se lleva a cabo en un horno eléctrico especial para cocción de cerámica.

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53

Para medir los cambios de temperaturas se utiliza un instrumento llamado pirómetro de altas temperaturas. Este mide la temperatura por medio de una punta metálica que va dentro del horno a través de un pequeño orificio que tiene la puerta. La punta metálica lleva el nombre de termocúpla. (Ver Figuras 14 y 15)

Fig. No. 14 - El Pirómetro y la Termocúpla, utilizados para medir la temperatura dentro del horno eléctrico.

Fig. No. 15 - Pirómetro midiendo una temperatura superior a los 1000 °C

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14. ANÁLISIS DE RESULTADOS OBSERVADOS DESPUÉS DE LA PRUEBA EN EL HORNO.



Después de dejar las probetas dentro del horno por un tiempo superior a 5 horas aproximadamente, tiempo que tarda el horno en llegar a la temperatura de 1000 ºC, se debe dejar enfriando hasta el otro día si abrirlo, para que no haya un cambio brusco de temperatura que deteriore los materiales y afecte sus propiedades.



Al día siguiente se procede a abrir horno y se retiran las piezas del interior.



Como se observa en la Fig. No. 16, las probetas se descascararon solo en la parte externa, donde hubo mayor combustión, pero no se deterioraron en la parte interna donde la arcilla se endureció adquiriendo propiedades de roca.

Fig. No. 16 – Estado de las probetas después de realizada la prueba a alta temperatura en el horno eléctrico.

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55

Los resultados observados y analizados pueden apreciarse de una forma más gráfica en la Tabla No. 2, donde se realiza una comparación de los diferentes grupos de probetas y por cada uno de ellos, se realiza un comentario dentro de la casilla “Observaciones”.

Fig. No. 17 - Estado final de la probeta y la arcilla después de ser sometidos a altas temperaturas en el horno eléctrico (Probeta con mezcla 1:3, llenado 100%).

Fig. No. 18 - Estado final de las probetas – Se pierden partículas del metal por descascaramiento de las capas que lo conforman.

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TABLA No. 2 - COMPARATIVA PROBETAS Número de probetas: 10.

Tiempo de exposición al calor: 5 horas.

Temperatura Máxima: 1000°C. PROBETA

1

2

3

4

5

CONTENIDO AGUA

0

1:3

1:3

1:3

1:4

% ARCILLA

OBSERVACIONES

0

Esta probeta se ensayó sin contenido de arcilla para determinar la reacción del metal dentro del horno una vez expuesto al calor y tener un punto de inicio para realizar la comparación con las demás probetas del ensayo. El deterioro del elemento fue muy superior comparativamente con los elementos que contaban con algún contenido de arcilla.

100%

El resultado observado es ideal, considerando que el descascaramiento fue mínimo. El color de la probeta cambió a un color azul oscuro, pero conservando sus propiedades generales.

La pérdida de sección metálica es mínima.

75%

50%

100%

El resultado es similar a la probeta del 100%, pero se evidencia que en el 25% que no cuenta con la ayuda de la arcilla para disipar el calor, la sección metálica sufrió más, tornándose más oscura y perdiendo una sección mayor.

En esta probeta refleja la importancia de la arcilla, pues se resalta la diferencia entre secciones. La mitad con arcilla presento una mejor resistencia al calor que la mitad vacía.

En este grupo el principal cambio fue que se agregó mayor cantidad de agua. Por lo tanto fue necesaria una menor proporción de silicato de sodio. Sin embargo el tiempo de secado fue un poco mayor. Los resultados en la prueba de horno son similares, ya que la muestra de arcilla se coció de forma similar al grupo anterior.

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PROBETA

6

7

8

9

10

CONTENIDO AGUA

1:4

1:4

1:5

1:5

1:5

57

% ARCILLA

OBSERVACIONES

75%

Se observan unos resultados similares a la probeta con mezcla 1:3. Descascaramiento de las paredes externas de la probeta , color oscuro, cocción de la arcilla en el interior

50%

La diferencia de esta probeta en comparación con la muestra de 1:3, fue que la muestra de arcilla se encogió un poco más dejando más grietas en el material.

100%

El material presento muchas grietas debido a que el tiempo de secado no fue suficiente, pues el contenido de agua es mayor que los dos grupos anteriores. Sin embargo, también se evidencia que el material sufre menos cuando está protegido y trabaja en conjunto con la arcilla. Hay mayor protección en esta probeta que en las de 75% y 50%.

75%

El material interior (arcilla) se agrietó mucho, permitiendo crear espacios grandes. El efecto del calor sobre el metal produjo un color oscuro y descascaramiento superiores a los observados en los otros grupos de probetas.

50%

Los resultados obtenidos son similares a la probeta con contenido de 75%. Se observa gran deterioro del metal, perdida de sección por descascaramiento y color oscuro. El material arcilloso presentó muchas grietas.

TABLA No. 2 - Comparativa Probetas.

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14.1 ANALISIS - PERDIDA DE SECCIÓN ELEMENTOS METALICOS

Tomando como referencia los resultados observados en el ensayo y según lo descrito en la Tabla No. 2, se considera que la mejor opción para trabajar los dos materiales en conjunto, “estructura metálica de lámina delgada con arcilla fluida como material corta fuego”, en cuanto a tiempos de secado, porcentaje de agua (fluidez) y resultados obtenidos después del sometimiento al calor (prueba de horno) es la mezcla de porcentaje 1:3, con llenado a tope (100%), pues esta probeta fue la perdió una menor sección por descascaramiento en sus paredes externas, lo que demuestra que es más resistente al fuego en función del tiempo de exposición.

Esto lo podemos evidenciar según los resultados obtenidos y tabulados en la siguiente tabla (Ver Tabla No.3), así como con su respetiva gráfica (Ver Grafica No. 1), en las cuales representa la pérdida de sección en las paredes exteriores de cada probeta, debido a la acción del calor (descascaramiento). Las medidas están dadas en milímetros (mm).

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TABLA No. 3 – COMPARATIVA PÉRDIDA DE SECCIÓN DIAMETRAL PROBETAS PROBETA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PORCENTAJE DE MEZCLA 0 1:3 1:3 1:3 1:4 1:4 1:4 1:5 1:5 1:5

PORCENTAJE DE MEZCLA 0 100% 75% 50% 100% 75% 50% 100% 75% 50%

PERDIDA DE SECCIÓN DIAMETRAL (mm) 8 1 2 2 3 3 4 4 5 6

TABLA No. 3 – Comparativa pérdida de sección diametral probetas.

GRAFICA No. 1 (RESULTADOS DE TABLA No. 3)

Grafica No. 1 (Resultados Tabulados de Tabla No. 3).

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14.2 NORMATIVIDAD

La normatividad propuesta para ser tenida en cuenta con respecto al tema del proyecto, se enumera a continuación:

1. NTC 1480 - ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN.

ENSAYO DE

RESISTENCIA AL FUEGO.

2. UNE 23093 - ENSAYO DE LA RESISTENCIA AL FUEGO DE LAS ESTRUCTURAS Y ELEMENTOS DE LA CONSTRUCCION.

Según la normatividad existente se debe tener claridad en varios aspectos o conceptos que clasifican los materiales en cuanto a sus propiedades físico-químicas y la relación que tienen estas propiedades en cuanto a la combustión del material y la propagación del fuego a través de estructuras conformadas por dichos materiales.

Como consecuencia de esto, se debe hacer énfasis en las definiciones relacionadas con el tema tratado.

“En primer lugar, la resistencia al fuego de un material es el tiempo durante el cual éste es capaz de permanecer cumpliendo las funciones para las que son colocados durante el transcurso de un incendio. Los factores que limitan la resistencia de un material son:

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 Estabilidad mecánica bajo la carga real a que esté sometida.  Estanqueidad a las llamas, o tiempo que tarda la muestra en perder su integridad - formándose grietas y dejando pasar las llamas-.  Emisión de gases inflamables por la cara no expuesta y procedente de la muestra o elemento ensayado.  Aislamiento térmico, es decir, el paso del calor a través del elemento ensayado.

Así, según el cumplimiento de estas últimas se distinguen: cortafuegos, si cumple las cuatro; parallamas, si mantiene los tres primeros; estable al fuego, si únicamente se da el primero. En el caso de estable al fuego, y según la UNE 23093, se clasifican los materiales en EF-30, EF-60, EF-90, EF-120, EF-180 indicando el número, los minutos en perder la estabilidad.”18.

Según esta información que nos suministran las normas se puede afirmar que el conjunto de estructura metálica de lámina delgada, trabajando en conjunto con la ayuda de la arcilla fluida, logra cumplir la propiedad de cortafuegos, pues sus propiedades originales no se ven afectadas sino al superar los 1000 °C, factor determinante en cualquier ensayo de sometimiento al fuego. El trabajo en conjunto de los dos materiales logra mejorar notablemente la resistencia del metal al fuego disminuyendo espacios con oxígeno, lo cual a su vez disminuye las condiciones favorables para la combustión. Sin

18

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010). Pág.1

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embargo para determinar otras características propias del material serían necesarios una serie de ensayos complementarios y mayor tiempo de investigación.

Así mismo, se deben tener en cuenta otros factores que son definidos por las normas, los cuales están definidos de la siguiente manera: “La reacción al fuego es aquello que un material puede aportar al desarrollo del mismo.

Es, por tanto, una propiedad intrínseca del material, que favorece el crecimiento del fuego.

La determinación de ésta radica en la cuantificación de parámetros constructivos de los distintos elementos tras someterse a condiciones determinadas y definidas de presión y calentamiento. Los factores que determinan la reacción al fuego son:  La combustibilidad, que clasifica el material según sea capaz de mantener o no el fuego  El poder calorífico: la cantidad de calor que el material libera por unidad de peso en combustión completa. Esencial en el desarrollo del fuego.  Inflamabilidad: facilidad que tiene un combustible para emitir gases que ardan.

Depende del flujo de calor, la posibilidad de escape de los gases y el punto de inflamación (temperatura a la cual el combustible es capaz de emitir gases que ardan con llama al ser expuestos a una chispa o llama auxiliar).

Todo lo anterior tiene como consecuencia que, para que se produzca inflamación, tanto la fuente calorífica como el material deben cumplir ciertas condiciones. De este modo

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existe una fuente de calor óptima que inflama el material en función de la forma de presentación y la puesta en obra.”19

Una vez más se aprecia de manera evidente que estas propiedades como son: La combustibilidad, el poder calorífico y la inflamabilidad, son notablemente menores en el conjunto de estructura metálica de lámina delgada, junto con la arcilla fluida, por lo que se puede observar una vez es retirado el conjunto del horno de combustión, pues se ha visto afectado en menor proporción que cuando trabaja solo la pieza metálica sin la arcilla.

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14.3 MATRIZ VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Tomando como referencia el marco teórico y la experiencia obtenida mediante el experimento practico realizado con la prueba de probetas con relleno de arcilla fluida en horno a alta temperatura (1000°C), se elaboró una matriz de ventajas y desventajas de la utilización de arcilla fluida como material corta fuego en estructuras de lámina delgada.

VENTAJAS  El conjunto propuesto de arcilla fluida como material corta fuego en estructuras metálicas de lámina delgada, reaccionó adecuadamente mejorando las condiciones de las probetas metálicas, en cuanto a su resistencia al fuego, cuando fueron expuestas a las altas temperaturas dentro del horno.  La arcilla utilizada es arcilla secundaria de tipo común, la cual es de fácil consecución a nivel nacional, así como económica.  Los materiales adicionales utilizados en la elaboración de la arcilla fluida son económicos, abundantes y no representan peligro de intoxicación o contaminación ambiental.  El sistema de almacenamiento de la arcilla fluida está conformado por un sistema de tanques disponibles en el mercado, lo cuales no representan un dificultad mayor para su consecución e instalación  El proceso constructivo propuesto es sencillo y de rápida ejecución, requiriendo equipos mínimos y un tiempo corto para su realización.

DESVENTAJAS  Por ser un sistema nuevo, se desconocen muchas variables e incluso dificultades que pueden aparecer en la práctica.  Las pruebas en concretos y otros materiales que han sido utilizados para el mismo fin y que han sido ampliamente estudiados durante más tiempo, reflejan que estos materiales trabajan adecuadamente y en forma eficiente.  El material propuesto no funciona adecuadamente de forma inmediata, sino aproximadamente a partir del sexto día después de su colocación, que es cuando ya ha presentado un secado adecuado.

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15. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

Debemos tener en cuenta que para utilizar la arcilla fluida como material de relleno en columnas de estructuras metálicas, la mejor opción es fluir la arcilla in situ. Utilizando una mezcla de proporción 1:3 con llenado a tope (100%). Para esto se debe contar con recipientes grandes, por ejemplo tanque de asbesto cemento o tanques plásticos en PVC o materiales comerciales del sector, como los que se utilizan para almacenamiento de agua, en los cuales se debe preparar la mezcla.



La arcilla utilizada que se recomienda es una arcilla común secundaria o trasportada, debido a sus propiedades, facilidad de consecución y bajo costo.



Así mismo se debe contar con una herramienta que sirva para revolver la arcilla con el agua y el silicato, con el fin de alcanzar el punto de fluidez que se desea.



Las columnas se deben llenar por partes, durante 2 o 3 días. Esto con el fin de evitar que la parte superior quede sin protección pues la arcilla durante el proceso de secado pierde agua por evaporación y se contrae. Así que para que la arcilla seque más rápido y no haya espacios sin llenar. Una vez realizado el llenado a tope, se debe dejar secar minino 8 días. Al finalizar el proceso se puede utilizar un material sellante en los extremos, como una espuma de poliuretano.

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

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La arcilla es una opción a tener en cuenta para ser utilizada como material de llenado en estructuras metálicas, ya que su costo es menor en comparación con el del concreto, que es el otro material hasta ahora utilizado.



Tomando como referencia los resultados observados en el ensayo y según lo descrito en la Tabla No. 3, se considera que la mejor opción para trabajar los dos materiales en conjunto, “estructura metálica de lámina delgada con arcilla fluida como material corta fuego”, en cuanto a tiempos de secado, porcentaje de agua (fluidez) y resultados obtenidos después del sometimiento al calor (prueba de horno) es la mezcla de porcentaje 1:3, con llenado a tope (100%), pues esta perdió una menor sección por descascaramiento en sus paredes externas, lo que demuestra que es más resistente al fuego en función del tiempo de exposición.



Se recomienda utilizar una pintura resistente al fuego, en las paredes externas de la estructura metálica, para aumentar su resistencia al fuego en función del tiempo.



Según las definiciones de las normas de referencia, se evidencia que en el conjunto de estructura metálica de lámina delgada con arcilla fluida se disminuyen las condiciones favorables para la combustión y deterioro del conjunto por efecto del fuego, logrando con esto un mayor tiempo de resistencia al fuego, ocasionando un menor deterioro del metal. Todo esto conduce

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finalmente a que el conjunto trabaje dentro de lo que se define como material cortafuegos.

15.1 CONCLUSIONES RESPECTO A LOS OBJETIVOS 

“Realizar un experimento que determine la posibilidad de utilizar la arcilla

fluida como material corta fuego en estructuras metálicas de lámina delgada.”

Comentario: El objetivo principal del trabajo, que era realizar el experimento para determinar la posibilidad de utilizar un material alternativo como lo es la arcilla fluida, para el llenado de estructuras de lámina delgada con el fin de contener el fuego, se cumplió satisfactoriamente. Se demostró que es posible combinar la arcilla con agua y silicato de sodio para hacerla fluida y facilitar de esta manera su vertimiento dentro de columnas en estructuras de lámina delgada.



Determinar la facilidad de utilizar la arcilla fluida como material corta fuego en

estructuras metálicas de lámina delgada.

Comentario: El objetivo se cumplió y se puede ver su profundización en las recomendaciones, conclusiones y sistema constructivo recomendado.



Identificar las propiedades físicas de la arcilla y su resistencia al calor.

Comentario: El objetivo se desarrolla en el marco teórico, donde se describen las propiedades físicas y químicas de las arcillas. De igual manera, en la parte teórica, se definen las propiedades específicas de la arcilla utilizada en el experimento, la cual es abundante en el territorio nacional de y de fácil consecución.

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

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Buscar complementos y materiales ya desarrollados que trabajen en conjunto con la arcilla y para comparar el control que ejercen del fuego en caso de incendios en estructuras metálicas de lámina delgada.

Comentario: el objetivo se cumple en el marco teórico, donde se describen materiales y sistemas adicionales y/o complementarios que pueden utilizarse en conjunto con el material y sistema constructivo propuesto como tema principal del trabajo de investigación. 

Utilizar como referencia las normas, NTC 1480 “Elementos de construcción. Ensayo de resistencia al fuego” y la ASTM E119 “Método Estándar en Pruebas de Incendio para Construcción y Materiales de Edificaciones”.

Comentario: El objetivo se cumple al tener en cuenta las conclusiones, indicaciones y recomendaciones de las dos normas propuestas como marco de referencia dentro del trabajo de investigación.

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15.2 PROCESO CONSTRUCTIVO RECOMENDADO

La forma de lograr que el material propuesto, arcilla fluida como material corta fuegos en estructuras de lámina delgada, sea colocado dentro de una estructura metálica de lámina delgada, es el siguiente:

1. Realizar el proceso necesario para hacer que la arcilla adquiera las propiedades de un elemento líquido para una mezcla de proporción 1:3 con llenado a tope (100%) pues de esta fluidez depende la facilidad de colocación del material dentro de las columnas en una estructura metálica de lámina delgada. Este proceso fue descrito previamente (Ver Pág.

40), utilizando la arcilla

recomendada.

2. Disponer de los equipos necesarios para realizar la mezcla, tal como se describe en el procedimiento.

3. Contar con un sistema de almacenamiento para el fluido, lo suficientemente grande (Ej.: tanques de asbesto-cemento o PVC) donde se coloque el material una vez esté en estado líquido.

4. Utilizar un sistema de bombeado similar al que se utiliza para la colocación de concreto en obras de construcción, el cual debe con la potencia suficiente para alcanzar los lugares altos.

5. Bombear la arcilla fluida dentro de los elementos verticales (columnas) que conforman la estructura metálica, disminuyendo al máximo los espacios vacíos que contienen oxígeno, el cual contribuye a la propagación del fuego.

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6. Dejar secar la arcilla durante 8 días como mínimo para que pierda su propiedad líquida y quede fija dentro de la estructura.

7. Una vez cumplido el tiempo de secado del material, el cual se contrae porcentualmente, se debe utilizar un sistema, material o elemento para sellar los extremos donde se presenta agrietamiento de la arcilla una vez se seca. Este material puede ser una espuma de poliuretano o un sellante epóxico, el cual disminuirá los espacios de contracción y agrietamiento, donde podría haber contenido de oxígeno.

8. De igual manera, como paso final se pueden utilizar pinturas a base de polímeros, las cuales protegerán externamente la estructura. Esto con el fin de evitar descascaramiento y aumentar los tiempos de resistencia del material al fuego.

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16. ANEXO No. 1 – INVESTIGACIONES PREVIAS DE MATERIALES PARA CONSTRUCCIÓN “Por análisis térmico, se deberá tener en cuenta la posición del fuego. Factores a considerar: si el material está en el exterior o en el interior, o si es muro delimitador, entre otros. Las acciones térmicas vendrán determinadas por el flujo de calor neto (suma de convección y radiación) sobre la superficie del elemento Por análisis mecánico, se tendrá que cumplir que resista al fuego en el tiempo, tanto en temperatura como en capacidad mecánica. Las dilataciones impuestas y coartadas causadas por cambios de temperatura tendrán como resultado unas acciones sobre la estructura.”

Así mismo, de estudios previos, podemos recopilar los datos más relevantes en cuanto al Acero, material que trabajará en conjunto con la arcilla fluida. Estos datos se resumen a continuación:

16.1 PROPIEDADES DEL ACERO Para el caso de este material se recopilaron los datos principales que deben ser tenidos en cuenta, haciendo énfasis principalmente en el punto de vista térmico, y sabiendo de antemano que son independientes según el tipo de acero y del uso de estos aceros, así como de su resistencia, pero que el comportamiento general es el mismo.

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â&#x20AC;&#x153;a â&#x20AC;&#x201C; Densidad La densidad del acero puede ser considerada independiente de la influencia de la temperatura e igual a 7850 đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/đ?&#x2018;&#x161;3.

b â&#x20AC;&#x201C; Calor EspecĂ­fico El calor especĂ­fico crece con la temperatura llegando a un pico alrededor de la temperatura eutectoide (o mĂĄxima) y decreciendo a partir de ĂŠste. Se modela:

Mientras que el acero comĂşn tiene un enorme crecimiento a los 730ÂşC, debido a la transformaciĂłn quĂ­mica de ferrita-perlita a austenita, el calor especĂ­fico del acero inoxidable crece de manera constante hasta altas temperaturas (ver Fig. 2a 2b). đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;=450+0.28đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;2.91â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;4đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;2+1.37â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;7đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;3 [đ??˝đ??žđ?&#x2018;&#x201D; â&#x2C6;&#x2014;đ??ž]

c â&#x20AC;&#x201C; Conductividad TĂŠrmica La conductividad tĂŠrmica presenta doble dependencia. En el aspecto tĂŠrmico, a mayor temperatura, el acero se comporta con conductividad tĂŠrmica menor el aspecto mecĂĄnico, muestran ligera dependencia con la resistencia nominal del acero.

Se considera Ăşnicamente el efecto de la temperatura: đ?&#x153;&#x2020;đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x161;â&#x2C6;&#x2014; đ??ž 54â&#x2C6;&#x2019;3.33â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;2đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D; 20Âşđ??śâ&#x2030;¤đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;<800Âşđ??ś 27.3 800Âşđ??śâ&#x2030;¤đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;<1200Âşđ??ś

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En cĂĄlculos aproximados, estĂĄ permitido tomar la conductividad tĂŠrmica del acero como 45 đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x161;â&#x2C6;&#x2014; đ??ž. En cuanto al acero inoxidable, ĂŠste tiene un comportamiento totalmente opuesto. Partiendo desde valores mucho menores a los del acero al carbono, con el aumento de la temperatura, el acero inoxidable acaba alcanzando valores superiores.

d â&#x20AC;&#x201C; DifusiĂłn TĂŠrmica Contando con los datos de conductividad tĂŠrmica, los datos de calor especĂ­fico y admitiendo el valor estĂĄndar de la densidad, una relaciĂłn sensiblemente lineal de difusiĂłn tĂŠrmica con la temperatura a partir de 750ÂşC.

e â&#x20AC;&#x201C; CaracterĂ­sticas MecĂĄnicas Para las curvas tensiĂłn-deformaciĂłn obtenidas en el acero a distintas temperaturas, se aprecia una ligera ganancia inicial en resistencias.

La tendencia es comĂşn a cualquier tipologĂ­a de acero: al sobrepasar cierta temperatura (200ÂşC - 300ÂşC) el acero pierde resistencias de manera sustancial. No obstante, es a destacar que el acero para armaduras activas llega a desarrollar resistencias mayores a las caracterĂ­sticas a 20ÂşC SegĂşn estudios de Kirby, Lapwood y Thompson (2) las pĂŠrdidas en capacidad portante residual son mĂĄs acusadas en acero para pasivas y pretensados. Todos mantienen resistencias residuales a 300ÂşC; mientras que en pasivas y pretensado se alcanza pĂŠrdidas de 50% a 800ÂşC, los perfiles estructurales sĂłlo perderĂ­an 15% (S355 J2) - 30% (S275).

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A efectos normativos, segĂşn EN 1992-1-2, para armaduras de hormigĂłn se proporcionan tablas para el cĂĄlculo de reducciĂłn de resistencia mecĂĄnica del acero pretensado, acero para armar y de alambre, torzales y cordones.

f â&#x20AC;&#x201C; DilataciĂłn TĂŠrmica Las deformaciones tĂŠrmicas en estado libre son relativamente independientes del tipo de acero. La normativa, EN 1992-1-2, sugiere distintas expresiones segĂşn sea para armadura pasiva y perfiles estructurales o acero pretensado. Î&#x201D;đ??ż/đ??ż

1.2â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;5đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;+0.4â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;8đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;2â&#x2C6;&#x2019;2.416â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;4

20Âşđ??śâ&#x2030;¤đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;<750Âşđ??ś1.1â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;2

750Âşđ??śâ&#x2030;¤đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;<860Âşđ??ś2â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;5 đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;6.2 â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;3 860â&#x2030;¤đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;<1200Âşđ??ś En el caso particular del acero inoxidable, la tasa de crecimiento permanece constante hasta aproximadamente 1200ÂşC, donde no experimenta ninguna transformaciĂłn Comparativamente, la expansiĂłn es bastante mayor que para el acero al carbono. Î&#x201D;đ??żđ??ż = 16+4.76â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;3đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;1.243â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;6đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;2 â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x153;&#x192;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;20 â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;6 Los mecanismos de actuaciĂłn de estos materiales son los siguientes: ď&#x201A;ˇ

ReacciĂłn quĂ­mica endotĂŠrmica, que hace que se consuma gran cantidad de calor del incendio, de modo que ĂŠste ya no participarĂĄ en el calentamiento de los elementos.

ď&#x201A;ˇ

Los gases que se generan durante la reacciĂłn intumescente se comportan como refrigerantes de la propia capa intumescente.

ď&#x201A;ˇ

La espuma que se forma, debido a su alta porosidad, es un aislamiento tĂŠrmico muy efectivo.

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Siempre que se vaya a utilizar algún producto intumescente para protección contra el fuego, el espesor de la capa debe ser calculado. Generalmente, a mayor espesor

de

pintura,

dimensionamiento

mayor

puede

protección,

resultar

no

obstante,

contraproducente

ya

cualquier que

sobre-

acarrearía

desprendimientos o defectos superficiales. Para determinarlos se deben aplicar sobre un número determinado de perfiles metálicos protegidos con diferentes espesores y ensayarlos.

Desde el punto de vista químico se diferencian distintos componentes. La resina de la pintura, la cual debe pasar a estado fluido a partir de una cierta temperatura, produce el inicio de la reacción química de los pigmentos. La intumescencia está formada por tres agentes: catalizador, carbonífero y espumante. En cuanto al primero, se trata de un agente que, al descomponerse, produce cantidades considerables de ácido. Este producto (normalmente ácido fosfórico) reacciona con el agente carbonífero formando un éster, de cuya descomposición resulta un residuo carbonoso. Finalmente, el agente espumante libera, en su descomposición, gases inflamables. De este modo, la masa carbonosa se expande formando una espuma porosa responsable del aislamiento térmico” 20

20

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010) pág. 3

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TABLA No. 4 - RESUMEN CARACTERISTICAS DE MATERIALES21 Principales características de los materiales más relevantes para construcción, en cuanto a su resistencia al fuego.

|

21

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010) pág. 17

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De acuerdo a las propiedades de cada material y sus caracterĂ­sticas especĂ­ficas, se han desarrollado diferentes sistemas de protecciĂłn para mejorar la resistencia al fuego de los mismos. A continuaciĂłn la relaciĂłn de los principales:

16.2. SISTEMAS DE PROTECCIĂ&#x201C;N Una vez expuestas las diferentes propiedades y comportamientos frente al fuego de diversos materiales, se pasa a presentar los mĂŠtodos y sistemas de protecciĂłn de elementos estructurales fabricados con los materiales mĂĄs usados en la construcciĂłn: acero, hormigĂłn.

â&#x20AC;&#x153;a â&#x20AC;&#x201C; Morteros de perlita y vermiculita.

La perlita es una roca volcĂĄnica vĂ­trea que, una vez triturada y tras proceso a 1200ÂşC, aumenta su volumen. De este modo se consigue bajos pesos especĂ­ficos, bajas conductividades acĂşstica y tĂŠrmica y se mantienen sus propiedades minerales iniciales.

El mortero de perlita estĂĄ compuesto por ĂĄridos ligeros de perlita y vermiculita, ligantes hidrĂĄulicos y material rodante de proyecciĂłn. Es utilizado en la protecciĂłn pasiva contra el fuego mediante proyecciĂłn por vĂ­a hĂşmeda.

Entre sus caracterĂ­sticas tĂŠcnicas, resulta un mortero de densidad 450-500 đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x201D;/đ?&#x2018;&#x161;3, rugoso y blanquecino tras secado, no combustible (de categorĂ­a M0 segĂşn UNE 23727), de carĂĄcter bĂĄsico (pH 12) y coeficiente tĂŠrmico 0.055 đ?&#x2018;&#x160;/đ?&#x2018;&#x161;â&#x2C6;&#x2014;đ??ž. Su estabilidad y resistencia al fuego alcanza hasta 240 minutos y, al ser calentado, desprende Ăşnicamente vapor de agua.

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Sus campos de aplicación en la protección pasiva contra el fuego son las estructuras metálicas, de madera, de hormigón y de fundición, protección de forjados reticulares de hormigón, protección de paredes y franjas cortafuegos. El espesor a aplicar sobre los distintos elementos vendrá determinado por el factor de forma o masividad de la sección a proteger.

De una manera genérica, el revestimiento de hormigón y mortero es un método utilizado tradicionalmente para proteger estructuras metálicas. La principal ventaja es la alta durabilidad frente a agentes atmosféricos en ambientes corrosivos. Este método no está muy extendido por su alto coste, su gran volumen y por la gran cantidad de tiempo para su fabricación; además las estructuras se ven mucho más solicitadas.

b – Pinturas, barnices e imprimaciones intumescentes.

Los productos intumescentes son una alternativa para la adquisición de la estabilidad al fuego en las estructuras metálicas.

Compuestos a base de polímeros sintéticos con pigmentos intumescentes, su principio de funcionamiento reside en que, fruto de la reacción progresiva de sus componentes con el calor del fuego, se desarrolla una masa carbonosa de coeficiente de transmisión térmica muy bajo y espesor 50 veces el original, de manera que la superficie se transforma en un grueso almohadón aislante.

Como regla general, ofrecen resistencias al fuego R-15 a R-120 y combustibilidad M1 en función del factor de forma de las secciones, del espesor y combinación de tratamientos aplicado. Suelen ver mermadas sus propiedades en ambientes de gases agresivos o humedades elevadas.

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Sobre la superficie limpia se aplica, en primer lugar la capa de imprimación, que tiene por objeto proteger el acero de la corrosión y asegurar a altas temperaturas la perfecta adherencia de la capa intumescente. Sobre la capa de imprimación se aplican las sucesivas capas de pintura intumescentes hasta alcanzar el espesor requerido. La pintura es la que reacciona formando el aislamiento no combustible. Finalmente, el esmalte ignífugo resguarda la capa de recubrimiento de las agresiones exteriores y le da la elasticidad necesaria que permita la dilatación de la pintura en caso de incendio.

En el caso de aplicación para exteriores, la pintura se ha de complementar con esmaltes ignífugos de acabado. Su campo de aplicación se reduce a materiales metálicos y productos de madera.

Las ventajas de este producto son: no necesitan mucho espacio, su aplicación es rápida y permiten ver al elemento sobre el cual se han aplicado. Su principal inconveniente es el alto precio frente a los sistemas anteriores. Otro inconveniente, aunque menos importante, es que para cualquier observador, la presencia de la pintura no es obvia, lo cual puede ser difícil de verificar tiempo después de su aplicación.

c – Revestimientos ablativos La estabilidad de estructuras mixtas ante el fuego se obtiene limitando la temperatura de los aceros y armaduras en el interior del hormigón siendo las más críticas aquellas que tienen un recubrimiento menor. Para tratarlo es posible utilizar revestimientos cerámicos en forma de pasta fluida, cuyo principio de funcionamiento se basa en la intumescencia.

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80

El método de aplicación consiste en pistola y ofrece un acabado similar al de la pintura.

Se aplica a muros, vigas, pilares y forjados ofreciendo resistencias al fuego de hasta R240

d – Paneles y placas rígidos Los paneles rígidos se emplean en aplicaciones específicas contra el fuego, por condicionantes específicos como el acabado, por la dificultad de aplicación de morteros y pinturas o por el predominio de la cuestión económica. Los materiales utilizados para la construcción de estos son el silicato de calcio y el yeso.

Empleados como falsos techos para estructuras metálicas o de madera, en protección de estructura metálica o cableado, estos prefabricados ofrecen resistencias al fuego de hasta 180 minutos y estabilidades de hasta 240 minutos.

Las ventajas de este sistema son la facilidad de puesta en obra y el acabado estético, sin embargo, en comparación a sistemas proyectados ofrecen mayores costes y menores rendimientos”2223

22

Recuperado de: http://www.universia.es/html_estatico/portada/actualidad/noticia_actualidad/param/noticia/jejch.html 2013 23

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010) pág. 18

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TABLA No. 5 - RESUMEN SISTEMAS DE PROTECCIÓN24 En esta Tabla No. 5 adjunta, se referencian los sistemas alternativos más utilizados, de acuerdo al material y se describe la protección que presta cada uno.

24

Materiales de Construcción II. Trabajo Optativo 3º ICCP – ITOP CC (2010). Pág. 23

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