Por Chad Bruce, presidente de GluDown, Inc.
Resumen ejecutivo
GluDown, Inc. y KRÜSS Scientific han dedicado los últimos 18 meses a medir losas de concreto de montaje vertical y a evaluar el impacto del uso de compuestos de curado, agentes antiadherentes como compuestos de curado y la aplicación de densificadores a la superficie del concreto antes del proceso de encofrado.
Con el analizador de superficies móvil (MSA) de KRÜSS podemos medir la energía libre superficial (SFE) de estas losas y calcular el trabajo de adhesión y la tensión interfacial entre la superficie y los adhesivos que se utilizarían para unir materiales en un proyecto de encolado o en un proyecto sin agujeros.
Hemos llegado a la conclusión de que los agentes de curado químicos que se aplican a las losas de hormigón prefabricadas alteran de manera fundamental la energía libre superficial del hormigón.
Además, en el caso de los agentes desmoldeantes y densificadores que se aplican antes del proceso de moldeado, pueden provocar una incompatibilidad entre la superficie y el adhesivo, lo que puede dar lugar a un fallo prematuro del adhesivo. Por otra parte, puede ser necesario modificar el momento de aplicación de un agente químico al hormigón para el postmoldeado o el montaje de los paneles.
Recomendamos que se establezca una especificación para la compatibilidad entre la losa tilt-up preparada y el adhesivo, de la siguiente manera:
Adhesión: ≥65 mN/m
Tensión interfacial: ≤7 mN/m
Con esta estandarización, nuestro objetivo es reducir al mínimo el trabajo innecesario y los retrasos en los proyectos debidos a la incompatibilidad entre el agente de curado y el adhesivo.
Conceptos básicos
Si has trabajado en el sector de la construcción con paneles prefabricados durante la última década, seguro que has oído hablar, has visto o has llevado a cabo algún proyecto «Glue Down» o «No Hole».
De hecho, para muchos contratistas, los trabajos con el sistema Glue Down se han convertido en el método de encofrado preferido, dejando atrás métodos tradicionales como taladrar y clavar materiales a la losa.
Sin embargo, incluso al mejor contratista le ha pasado alguna vez que un proyecto le ha llevado a decir: “El pegamento no funciona”.”
En algunas circunstancias, conviene que el contratista y su equipo vuelvan a leer el artículo de la revista “Tilt-Up Today” de la primavera de 2018 titulado «Gluing Down: Best Practices» (Pegado: mejores prácticas) para asegurarse de que se están siguiendo correctamente todos los procedimientos y métodos. Quizás el equipo comenzó a encofrar un poco antes de que el contenido de humedad de la losa bajara por debajo del 15%, o quizás no prepararon adecuadamente la losa y aplicaron el adhesivo sobre polvo, lo que provocó una mala adherencia.
¿Y si lo hubieran hecho todo a la perfección y aun así tuvieran problemas?
Ecuaciones y definiciones
En 2020, GluDown, Inc. comenzó a investigar estos problemas en las obras. Lo que se descubrió fue que algunas prácticas cada vez más comunes en el sector están reduciendo la energía libre superficial (SFE) de la losa de concreto. Esta reducción de la SFE puede provocar que los adhesivos fallen prematuramente.
Para comprender este estudio, debemos presentar dos ecuaciones.
La primera es la ecuación de Young, que establece que existe una relación entre el ángulo de contacto θ y la tensión superficial del líquido σl, la tensión interfacial σsl Español de América Latina (es-419) entre el estado líquido y el sólido, y la energía libre superficial σs del sólido. El ángulo de contacto con uno o más líquidos puede utilizarse para determinar el SFE de un sólido. Véase la imagen de la derecha.
La segunda ecuación establece que la energía libre superficial de un sólido, medida en mN/m (milinewtons por metro), es la suma de sus componentes dispersiva y polar:
Energía libre superficial: σ = σD + σp
σD = energía libre de superficie de dispersión
σp = energía libre de superficie polar
Con estas dos ecuaciones, podemos calcular la energía libre superficial de una losa de concreto y comprender y predecir mejor su compatibilidad con un adhesivo.
El ejemplo visual más conocido de una superficie con baja energía libre superficial son las gotas de agua sobre un auto recién encerado.
La cera se aplica a la pintura del automóvil para protegerla del agua y de la acumulación de residuos. Lo hace creando una superficie de baja energía libre sobre la pintura. Cuando la pintura se expone a estos elementos, estos no pueden adherirse a la superficie y se deslizan por ella.
Por el contrario, si rociaras agua sobre un automóvil al que no se le ha aplicado cera desde hace tiempo, el agua se “mojaría” o se extendería y no se escurriría tan fácilmente, ya que se adhiere parcialmente a la pintura. Este es un ejemplo de una superficie con alta energía libre superficial.
SFE: medición rápida y sencilla
Antes de profundizar en por qué la energía libre superficial es importante para el sector de la construcción con paneles prefabricados, queremos presentar la herramienta que utilizamos para realizar las mediciones.
KRÜSS Scientific es un fabricante de instrumentos que miden la energía libre superficial en prácticamente cualquier superficie. Analizador de superficies portátil
En concreto, su Analizador de Superficies Móvil (MSA), un sistema compacto y portátil, aplica dos pequeñas gotas de líquido (agua y diiodometano) sobre una superficie determinada. Mediante los ángulos de contacto y la ecuación de Young, puede calcular la energía libre superficial en cuestión de segundos.
Como se puede observar en las imágenes, el sistema mide el ángulo de contacto de los dos líquidos (agua y diiodometano) aplicados sobre un sustrato conocido. Al igual que en la imagen del agua sobre la pintura recién encerada, los dos líquidos forman burbujas en la superficie. A continuación, el sistema mide y registra los ángulos de contacto y calcula la energía libre superficial. En la muestra de prueba anterior, el ángulo de contacto del agua es de 118,7° y el del diiodometano es de 75,3°.
A lo largo de los últimos 18 meses, GluDown ha colaborado con KRÜSS para llevar el MSA por todo Estados Unidos, midiendo las superficies de hormigón de losas de hormigonado por elevación en diversas etapas del proceso de encofrado. Y, al hacerlo, hemos documentado el impacto de los curadores químicos en el SFE del hormigón y cómo estos agentes afectan la compatibilidad química con los adhesivos que se utilizan habitualmente en el proceso de encofrado.
Solo hormigón, nada más
En el método tilt-up, las losas suelen verterse por secciones, y las fratasadoras autopropulsadas, junto con las fratasadoras manuales, se utilizan casi de inmediato para alisar y compactar la superficie.
De este modo, los contratistas proporcionan al nuevo propietario del edificio una bonita losa de cimentación y una excelente superficie de colada para los paneles.
Además, este tratamiento de la superficie del hormigón reduce su porosidad y constituye un primer paso para facilitar su curado adecuado.
Es en este momento de la vida del hormigón cuando la medición de su energía libre superficial refleja fielmente las propiedades del hormigón.
En las últimas décadas, la industria ha pasado de utilizar curados generales a emplear principalmente agentes químicos de curado, como densificadores, compuestos de curado y agentes antiadherentes. Cada uno de estos agentes químicos añade una capa a la superficie del hormigón que influye directamente en su SFE.
Por lo tanto, es antes de la aplicación de estos agentes cuando se realiza nuestra medición de referencia.
Las imágenes que se muestran a continuación son una representación típica de las gotas de agua y diiodometano aplicadas sobre hormigón sin tratar. Como se puede observar en la imagen, las gotas han humedecido la superficie de manera significativa, lo que da lugar a ángulos de contacto bajos para ambos líquidos o a un alto SFE. El ángulo de contacto promedio del agua es de 24,8° y el del diiodometano es de 13,2°.
En un mundo ideal, esta superficie de hormigón con un alto SFE está lista para una unión adhesiva satisfactoria.
Sin embargo, este no es el contexto en el que opera hoy en día el sector del tilt-up. Los plazos se han acortado y el uso de un proceso de curado lento, como el curado general, ya no es habitual ni viable.
De ahí la introducción de agentes de curado químicos.
Modificación de la SFE con agentes de curado
Vamos a comenzar el análisis sobre los agentes de curado con el agente químico más básico y, posiblemente, el más antiguo: un compuesto tradicional para el curado del hormigón.
Es importante señalar que existe una gran variedad de compuestos de curado y agentes químicos para el concreto, y que sería una tarea titánica probarlos todos. Por lo tanto, para este estudio nos hemos centrado en un grupo selecto de productos químicos comunes en cada segmento.
En general, los compuestos de curado ayudan a controlar la evaporación del agua del concreto y, al hacerlo, evitan la contracción y la formación de grietas. Al aplicarlos mientras el concreto aún está húmedo, la membrana actúa como amortiguador a medida que el concreto se seca. Pero, ¿qué sucede una vez que el concreto se ha curado? ¿Cómo afecta esta nueva capa a la superficie del concreto?
Mediante el MSA, medimos losas prefabricadas que se habían curado con un compuesto de curado y se habían dejado secar entre 3 y 14 días. Las imágenes siguientes muestran los ángulos de contacto típicos de una superficie de hormigón curada con un compuesto de curado.
Lo que salta a la vista de inmediato es que los ángulos de contacto de las gotas han aumentado significativamente con respecto al hormigón sin tratar. El ángulo de contacto medio con el agua ha pasado de 24,8° a 41,2°, y el del diyodometano, de 13,2° a 55,4°. Por el contrario, la energía libre superficial de la superficie del hormigón ha disminuido.
Analicemos qué ocurre si tomamos la misma medida en una superficie de concreto a la que se le aplicó un agente antiadherente como compuesto de curado.
Agua – Ángulo medio: 108,2°
Como se puede ver, los ángulos de contacto han aumentado más allá no solo de los
hormigón sin revestimiento, pero son considerablemente más altas que las de curado
compuesto. Obsérvese el ángulo de contacto medio con el agua de 108,2° y el ángulo con el diyodometano de 93,2°. Esto constituye un ejemplo casi perfecto del comportamiento del agua sobre pintura recién encerada y demuestra lo que mejor hace el agente antiadherente: impedir la adhesión.
Por último, los densificadores se utilizan cada vez más en las primeras etapas de la vida útil del concreto y, en algunos casos, casi inmediatamente después del vertido. A continuación se muestran imágenes de una superficie de concreto en la que se aplicó un densificador antes que cualquier otro agente químico.
En estas imágenes se puede observar que la gota de agua formada se asemeja al hormigón sin revestimiento (ángulo promedio de 22,7°) y que el diiodometano (ángulo promedio de 66,2°) se asemeja más al compuesto de curado. Esta relación inversa entre las gotas y sus ángulos de contacto se analizará más adelante en este documento.
Términos de vocabulario rápido
Para poder reunir toda esta información, debemos definir algunos términos:
- Trabajo de adhesión (WA) = resistencia de la unión a corto plazo
o Piensa en una nota Post-it®. La primera vez que la pegas en una superficie funciona bien, pero con el tiempo la fuerza de adhesión puede disminuir.
o Cuanto mayor sea el número, mejor.
- Tensión interfacial (YSL) = resistencia de la unión a largo plazo
o Piensa en un adhesivo de anclaje. Una vez colocado y curado, el adhesivo es extremadamente resistente y no se va a mover de su sitio sin un martillo neumático.
o Cuanto menor sea el número, mejor.
Volviendo a la ecuación de la energía libre superficial (σ = σD + σp), es importante señalar que el SFE se compone de dos elementos. Dependiendo de cómo se combinen las propiedades polares y dispersivas del sólido (hormigón) y del líquido (adhesivo), varía su compatibilidad.
- Polar (σp) = cuando algo tiene energía libre superficial polar, se ve atraído químicamente por el agua
- Dispersivo (σD) = cuando algo tiene una energía libre superficial dispersiva, no se ve atraído químicamente por el agua
Los diagramas siguientes simplifican este tema. Las flechas azules representan una energía libre superficial polar y las flechas amarillas representan una energía libre superficial dispersiva.
En esta primera imagen, la energía libre superficial (σ) es de 50 mN/m y las flechas polares y dispersivas coinciden perfectamente, por lo que la tensión interfacial es de 0 mN/m. Esto significa que el líquido y el sólido son muy compatibles.
En la segunda imagen, las manos no coinciden y, aunque el SFE (σ) sigue siendo de 50 mN/m, la falta de coincidencia entre las partes polar y dispersiva da lugar a una tensión interfacial de 20 mN/m. Esto es incompatible, lo que podría afectar la resistencia de la unión a largo plazo.
¿Qué significa?
Ahora sabemos que el uso de diferentes agentes químicos como compuestos de curado influye directamente en la energía libre superficial de la losa de concreto. Y también sabemos que los componentes polares y dispersivos de la energía libre superficial pueden afectar la resistencia de la unión de los adhesivos a corto y largo plazo, pero ¿cómo afecta esto a un proyecto de construcción con el método tilt-up?
Supongamos que quieres utilizar un adhesivo en tu proceso de conformado de paneles, pero te gustaría saber qué agente químico de curado te ofrecería las mejores posibilidades de lograr un resultado satisfactorio Pegado trabajo.
Con la herramienta de análisis de adhesión de MSA y KRÜSS, te proporcionamos esa información.
La imagen anterior es un gráfico de curvas de contorno que compara el trabajo de adhesión de un adhesivo común para construcción con paneles prefabricados (adhesivo 1) con las mediciones de SFE obtenidas en tres obras diferentes, en las que se aplicaron tres agentes de curado distintos al hormigón.
En este gráfico se puede observar que la muestra 1, a la que se le aplicó un agente de desmoldeo, presenta la menor fuerza de adhesión, con 56,8 mN/m.
A la muestra 2 se le aplicó un compuesto de curado y presenta una fuerza de adhesión de 84,75 mN/m.
Por último, en el trabajo 3 se utilizó un densificador como compuesto de curado y su trabajo de adhesión fue de 102,64 mN/m.
A juzgar por estas cifras, el densificador presenta claramente la mayor (mejor) adherencia y sería la mejor opción si se utilizara el adhesivo 1 para fabricar paneles.
Sin embargo, como hemos visto anteriormente, el trabajo de adhesión solo mide la resistencia de la unión a corto plazo.
Además, cuando los paneles permanecen expuestos a la intemperie durante días o semanas antes del vertido, debemos asegurarnos de que el adhesivo siga pegado.
Ahí es donde entra en juego nuestro segundo gráfico. Muestra la tensión interfacial o la resistencia de la unión a largo plazo. Recuerda: cuanto menor sea el número, mejor.
En este gráfico, el agente de ruptura de la unión del trabajo 1 registró una tensión interfacial de 6,85 mN/m.
El trabajo 2 con compuesto de curado dio un valor de 0,38 mN/m.
El último sitio (trabajo 3) con el densificador presentó una tensión interfacial de 9,31 mN/m.
A continuación se muestra una tabla resumen de los gráficos para facilitar la comparación:
| Trabajo 1 (rompefianzas) | Job 2 (curación) | Trabajo 3 (densificador) | |
| Trabajo de adhesión | 56.8 | 84.75 | 102.64 |
| Tensión interfacial | 6.85 | 0.38 | 9.31 |
Entre los puntos clave que se desprenden de esta información se incluyen los siguientes:
- Las losas del lugar de la obra tratadas con compuesto de curado y densificador presentaron una mayor fuerza de adhesión que las losas tratadas con agente separador
- El compuesto de curado presentaba una tensión interfacial casi perfecta (menos de 1 mN/m)
- El densificador presentó la peor tensión interfacial, superior a 9 mN/m, y es muy probable que el adhesivo falle prematuramente
Por lo tanto, si un contratista tuviera que elegir el mejor agente de curado para el adhesivo 1, el compuesto de curado sería la mejor opción.
Además, al utilizar un separador de uniones o un densificador como compuesto de curado, el contratista reduciría el rendimiento del adhesivo y se expondría a posibles fallos innecesarios en la adhesión.
¿Pero por qué no funciona el pegamento?
Los adhesivos son productos químicos. Y, en términos generales, el uso de productos químicos en combinación con otros productos químicos puede provocar problemas de compatibilidad.
Lo que hemos aprendido tras realizar pruebas de campo con agentes de curado del hormigón y probar diversos adhesivos industriales es que no todos son compatibles entre sí.
¿Recuerdas el ángulo de contacto del hormigón curado con el densificador? La relación entre los ángulos de contacto del agua y el diiodometano era diferente a la de los otros dos agentes de curado. En este caso, el densificador creó una superficie polar (que atrae al agua), a diferencia de la superficie dispersiva que producen los otros dos agentes.
Sin embargo, en nuestro ejemplo, el adhesivo 1 tiene propiedades dispersivas en lugar de propiedades polares. Por lo tanto, si un contratista utiliza el adhesivo 1 sobre la losa con un recubrimiento densificador, se creará un entorno incompatible.
Esto significa que la primera vez que una tormenta llene los paneles, la superficie de hormigón compactada se verá químicamente atraída por el agua. Con el tiempo, el hormigón sustituirá su unión con el adhesivo por una unión con el agua. Esto dejará al contratista con paneles de materiales flotantes. También conocido como el título de este artículo: El pegamento no funciona.
En realidad, el adhesivo estaba destinado a fallar porque era incompatible con la superficie de hormigón compactado.
Este mismo ejemplo puede aplicarse a cualquier combinación de adhesivos de moldeo y agentes de curado.
Especificaciones, responsabilidad y rendición de cuentas
A lo largo de este proyecto, hemos estudiado obras de construcción con el método «tilt-up» —tanto las que tuvieron éxito como las que fracasaron— en las que se utilizaron adhesivos. A partir de estos datos, recomendamos la elaboración de una especificación sobre la compatibilidad entre la losa «tilt-up» preparada y el adhesivo, tal y como se indica a continuación:
- Resistencia de adhesión del sustrato: ≥65 mN/m
- Valor objetivo de tensión interfacial: ≤7 mN/m
Es importante recordar que estas cifras se refieren a la compatibilidad entre un adhesivo y la superficie de una losa de concreto curada.
Como sector, debemos asumir nuestra responsabilidad y ofrecer el mejor camino hacia el éxito a todas las personas que participan en cada proyecto.
Quienes especifican los materiales deben comprender cómo la elección de los agentes químicos que se aplican al concreto antes del encofrado puede influir en el éxito de un trabajo de pegado. Esta información, junto con los valores especificados de adherencia y tensión interfacial, debe comunicarse a los contratistas. Además, deben tener en cuenta que el agente químico especificado podría ser incompatible con cualquier adhesivo de encofrado existente y que el momento de aplicación del agente químico debe modificarse cuando se realice el desencofrado o el montaje de paneles.
Los contratistas deben verificar la compatibilidad del agente especificado, o de los agentes químicos que ellos mismos elijan, con los proveedores y los fabricantes de adhesivos, antes de fabricar los paneles. También deben comprender cómo podrían tener que adaptar sus medios y métodos en función de la combinación de productos químicos.
Si no se siguen estas pautas, un trabajo de pegado que podría haber salido bien podría convertirse en un dolor de cabeza innecesario para todos los involucrados.
Por último, la mera compatibilidad entre un adhesivo y la superficie de hormigón no garantiza el éxito. El encofrado por elevación es un proceso complejo que requiere adhesivos cuyo rendimiento y diseño satisfagan las exigencias de la aplicación. A la hora de seleccionar un adhesivo para encofrado, es importante realizar estudios y pruebas para asegurarse de que el producto sea compatible con el proyecto y cumpla con sus estándares de rendimiento.
Nota final
GluDown, Inc., en colaboración con la Asociación Tilt-Up, está creando un Comité de Energía Superficial de Lajas de Concreto para seguir investigando este tema y ofrecer la mejor orientación a medida que el sector sigue evolucionando.
Si desea formar parte de este comité, póngase en contacto con Chad Bruce en cbruce@gludown.com.
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