1. INTRODUCCIÓN

Los agregados que se utilizan en el concreto pueden ocupar hasta – partes del volumen total del concreto y pueden influir en mayor o menor grado en la trabajabilidad, propiedades mecánicas, la durabilidad y porosidad del mismo. También disminuyen los costos y proporcionan estabilidad. Por lo que la caracterización de los agregados es indispensable para diseñar y predecir el comportamiento del concreto.

Los concretos elaborados en la Península de Yucatán utilizan agregado de roca caliza triturada cuyas principales características son alta porosidad, alta absorción, densidades bajas, alta fragilidad y alta densidad de finos, que, en comparación con agregados de poca absorción, estás características son propias de un agregado deficiente (Moreno y Arjona, 2011). Por lo que, en este tipo de concretos, la fase agregado afecta las propiedades mecánicas del concreto tales como la Resistencia a la Compresión (RC) y el Módulo de Elasticidad (ME), generando la necesidad de utilizar mayores cantidades de cemento para alcanzar los requerimientos mecánicos objetivos.

Por su parte, Solís y Moreno (2012) investigaron la RC máxima para el diseño de concreto con Agregado Calizo Triturado de Alta Absorción (ACTAA) con relaciones a/c entre 0.20 y 0.45 con cantidades de cemento desde 460 a 1300 kg/m³, sin considerar adiciones puzolánicas. La RC máxima fue aproximadamente de 500 kg/cm² a 28 días, y una RC promedio de aproximadamente 600 kg/cm² a edades posteriores. No se observó que la RC del concreto aumentara significativamente debido a un incremento mayor a 850 kg/m³ de cemento, debido a que los agregados ya habían llegado a su máxima capacidad.

Siendo el cemento el material del concreto más costoso tanto económicamente como ambientalmente, utilizar materiales cementicios suplementarios podría ser considerado una necesidad. Las puzolanas son materiales silíceos o sílico-aluminosos que por sí mismos poseen un poco o ningún valor cementicio pero que lo tendrán divididos finamente o en presencia de humedad, reaccionando químicamente con el hidróxido de calcio (CH) a temperaturas normales para formar compuestos que poseen propiedades cementantes (ASTM C-125). Por lo que las puzolanas pueden ser utilizadas para sustituir parcialmente el cemento portland o como adiciones minerales al concreto, obteniendo propiedades mecánicas similares o mayores que en concretos base cemento portland.

En Yucatán, la aplicación de puzolanas no es común debido a que en su relieve no se encuentran regiones volcánicas y la industria no genera residuos con características puzolánicas. Sin embargo, ^{Aportela y Pardo L. (2002)} estudiaron la factibilidad técnica de utilizar ceniza del volcán Popocatépetl como material cementante en el concreto con ACTAA, los autores observaron que la RC disminuyó conforme se le incorporaba ceniza de volcán por sustitución de cemento portland y agregado fino.

En la región de Nava, México, existe una carboeléctrica que produce grandes cantidades de ceniza volante (CV) debido a la quema del carbón pulverizado. Por su origen, esta CV es clasificada como artificial, y por su composición química de óxidos se considera de Clase F, según la ASTM C 618. Se han reportado concretos de alta resistencia mecánica a la compresión con altos contenidos de CV de la región de Nava y con contenidos bajos de cemento Pórtland (100 - 150 kg/m³), siendo imprescindible el uso de aditivo superfluidificante para ambas dosificaciones para alcanzar la trabajabilidad esperada (^{Valdez P. et al 2007}). En el trabajo de Valdez P. et al. no se investigó acerca de la actividad puzolánica de la C.V; sin embargo, al verse incrementada la RC de un concreto, comúnmente el ME tiende a incrementar también y la C.V. de Nava se posicionó para ser un material potencialmente útil en la industria del concreto.

^{Siddique R. (2003)} investigó las propiedades mecánicas del concreto (RC y ME) con adiciones minerales de CV en un 10%, 20%, 30%, 40% y 50%; en los resultados se obtienen valores mayores a la referencia en todas las adiciones, además el autor concluye que la CV clase F puede ser utilizada para uso estructural.

Las porosidades registradas en el concreto con ACTAA en Yucatán oscilan entre el 18% y 25% para diferentes relaciones a/c, siendo éste un valor muy elevado a comparación de concretos elaborados con otro tipo de agregados. La disminución de la porosidad en la pasta cementante con el uso de CV de la región de Nava se propone como una solución para que el concreto con ACTAA incremente sus propiedades mecánicas.

El objetivo de estudio fue determinar la factibilidad del uso de la CV para disminuir la porosidad e incrementar la RC y ME del concreto con ACTAA. Estudiando también, la posibilidad de un ahorro en la cantidad de cementante con las mezclas de sustitución parcial de cemento por CV. Sin embargo, viéndolo desde el punto social, darle un uso y espacio a un desecho industrial como la CV también tiene un impacto importante para la región aledaña donde se produce.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Los materiales utilizados para la fabricación de los especímenes de las mezclas de concreto fueron caracterizados con base en la normativa de la Sociedad Americana para ensayos y materiales (ASTM). Se utilizó cemento portland compuesto CPC 30R en la fabricación de los especímenes debido a que es uno de los cementos más utilizados en la península de Yucatán y en este proyecto se trata de ver la aplicabilidad de la CV en condiciones normales de trabajo en obra. Este cemento cumple con los requerimientos de la norma ^{NMX C-414 ONNCCE}.

Se obtuvo la morfología de la CV mediante un análisis de imagen con un microscopio electrónico de barrido (SEM), la composición química de óxidos por medio de fluorescencia de rayos x (FRX), la distribución de tamaño de partícula (DTP) por medio de difracción laser. Adicionalmente se obtuvieron el índice de actividad resistente (IAR) y la densidad.

El método de proporcionamiento del concreto para el diseño de mezclas usado fue el del Instituto Americano del Concreto (ACI 211.1), con dos modificaciones:

Se diseñaron 10 mezclas de concreto, con relación agua/material cementante (a/mc) de 0.5 y de 0.7. En la Tabla 1 se presenta la nomenclatura de cada mezcla de concreto para fines prácticos de lectura. Cada mezcla fue de 55 litros. La cantidad de especímenes de concreto se presenta en la Tabla 2. Los especímenes fueron elaborados conforme a la norma ASTM C 31 y tuvieron un curado sumergido en agua con hidróxido de calcio.

Se determinó la RC, ME y porosidad de acuerdo a las normas ASTM correspondientes.

3. RESULTADOS

En la Tabla 3 se presenta la caracterización física de los agregados grueso y fino: Peso volumétrico, densidad, absorción, resistencia a la abrasión y módulo de finura. Los valores presentados son el promedio de 3 muestras. En las Figuras 1 y 2 se presentan las granulometrías del agregado grueso y el agregado fino. Se puede observar que solo el agregado fino llega a los estándares especificados por las normas ASTM C33.

Para que la CV propuesta pudiera ser utilizada de acuerdo a la norma ASTM C 618, debería cumplir con una cantidad de óxidos, una fineza y un IAR. La sumatoria de la cantidad de óxidos de aluminio, silicio y hierro deberá tener como mínimo un 70%. La densidad de la CV obtenida de acuerdo a las especificaciones de la ASTM C 311 y ASTM C 188 fue de 2.0 g/cm³. En la Tabla 4 se puede observar la caracterización de la CV utilizada.

Se determinó la distribución granulométrica de la ceniza volante por medio de la técnica de DTP por medio de láser con el equipo MICROTRAC (Figura 3). La norma ASTM C 618 nos dice que la muestra de CV no deberá retener más del 35% por la malla no. 325, la cual tiene un tamaño de 45 micrómetros.

Por último, la norma ASTM C 618 nos indica que la CV clase F deberá tener un IAR mínimo a los 7 o 28 días de 75% para que pueda ser considerado su uso en el concreto. En la Tabla 5 se presentan los resultados.

Las imágenes de SEM fueron tomadas a 1000 y 10000 aumentos (Figura 4).

En cuanto a las mezclas de concreto diseñadas se utilizaron las siguientes proporciones sin el ajuste de humedad de los agregados (Tabla 6). Los resultados de las pruebas de RC a los 28 y 91 días, ME a 28 días y la porosidad a 91 días se pueden ver en las Tablas 7, 8 y 9 consecutivamente.

4. DISCUSIÓN

El agregado grueso no cumplió con la granulometría que estipula la norma ASTM C 33, tiene una insuficiente cantidad de agregado de tamaño 3/8”; esto puede deberse a una mala trituración. La absorción del agregado grueso es alta debido a su alta porosidad y la densidad es baja. En cuanto al agregado fino, su granulometría cumplió con los requerimientos de la norma ASTM C 33. De acuerdo a su módulo de finura se considera como una arena mediana. Sin embargo, la densidad y la absorción son similares al agregado grueso. La CV cumplió con los requerimientos de contenido de óxidos mínimo, se sumaron un 91.1%, lo cual la clasifica como una CV Clase F; así como también obtuvo un índice de actividad resistente de 75% a 7 días y de 82% a 28 días cumpliendo con los requerimientos de la norma. La densidad de la CV es menor que la del cemento y los agregados, sin embargo, esta entre los valores que menciona ^{Neville, 1998}. La CV no cumplió con los requerimientos de fineza para su uso como puzolana; si observamos el punto marcado en la Figura 3, solo el 28.83% tiene el tamaño de partícula de 44 micrómetros; sin embargo, no se llevó a la molienda porque el objetivo era observar el fenómeno de la CV en las propiedades mecánicas en su forma original, sin ningún tipo de modificación a como fue obtenida. Al usarse la CV como adición mineral, un porcentaje de volumen del agregado fino es sustituido. De acuerdo a la norma ASTM C 33, la CV tendría muchos finos para utilizarse como “agregado”; sin embargo, la fineza de origen de la C.V. le daría un mejor empaquetamiento a la mezcla de concreto. En las imágenes de SEM tomadas (Figura 4), se observa que la CV está conformada por partículas esféricas.

En el diseño de mezclas se observó una disminución en la cantidad del agregado fino conforme se agregaba CV sin importar si fue por sustitución de cemento o como adición mineral (Figura 5). Esto se debe a que la CV ocupa más volumen que el cemento portland para poder alcanzar el peso de sustitución requerido en el diseño de mezclas por la diferencia de densidades, entonces, al tener mayor volumen de pasta cementante, se refleja una reducción del volumen del agregado fino y, por lo tanto, en su peso. Por lo que la incorporación de la CV provee un ahorro de materia prima.

La RC en los especímenes de relación a/mc de 0.5, la mezcla ACV-10 alcanzó una mayor RC que la que propone el ACI 211 que es de 334.4 kg/cm² a los 28 días, los otros especímenes no alcanzaron el estándar. En los especímenes de 91 días de edad, las mezclas MR, ACV-10 y ACV-20 obtuvieron mayor RC que la RC objetivo del ACI, sin embargo, comparada con la MR de 91 días, ninguna mezcla con CV obtuvo una mayor RC.

En los especímenes de relación a/mc de 0.7 todas las mezclas alcanzaron la RC que propone el ACI 211 de 200 kg/cm2, excepto por la SCV-40, a los 28 días y 91 días de edad. La CV no mejoró la RC en ninguna sustitución y/o adición mineral comparada con las mezclas de referencia, por lo que se puede decir que los aumentos de RC de 28 a 91 días son debido al cemento. Mediante un análisis de varianza (ANOVA), se buscó una relación entre la relación a/mc, el porcentaje de sustitución o adición de CV y la edad del concreto para predecir la RC del concreto (Tabla 10). Se tomó como variables independientes la edad del concreto, la relación a/c real, la relación de volumen de CV/volumen total de la mezcla y la variable dependiente fue la RC como se muestra en la Tabla 10. Mediante una regresión múltiple en el programa se obtuvo la ecuación 1.

Donde: ƒ’ c = RC en kg/cm², Edad= Edad del concreto en días, a/c = Relación a/c real, Vol. C.V. /m³ = Relación de volumen de CV por m³.

Para el uso de la ecuación 1, se deben tomar las siguientes consideraciones:

Con el fin de tener un punto de comparación, se determinó el ME de cada mezcla con las formulas propuestas por las Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcción del Distrito Federal (NTC RDF) para concreto clase 2 y peso volumétrico menor a 2200 kg/m³ (ecuación 2), las normas de diseño del ACI 318 para concretos con peso volumétrico entre 1440 kg/m³ y 2480 kg/m³ (ecuación 3) y una investigación realizada en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán (FIUADY) por Hernández en el 2013 donde establece una relación entre las densidades de los agregados y la raíz cuadrada de la RC para predecir el ME en concretos con ACTAA, (ecuación 4). La comparación de los resultados se encuentra en la Tabla 11.

Donde: E= ME en kg/cm², Wc= Peso volumétrico del concreto en estado fresco en kg/m³, f’c= RC en kg/cm², GEAG (adimensional)= Gravedad específica del agregado grueso (densidad SSS), GEAF (adimensional)= Gravedad específica del agregado fino (densidad SSS), f’c (kg/cm²)= RC del concreto.

Con el objetivo de hacer una similitud con la fórmula de las NTC- RCDF, se determinó la función de K del ME obtenido en la experimentación, con una regresión lineal ajustada en el programa de Microsoft Excel, considerando que para una f’c= 0, se obtendría un ME con valor de 0 (Figura 6). La ecuación obtenida con la regresión lineal fue:

Donde: E= ME en kg/cm², f’c= RC en kg/cm². La ecuación obtenida tiene un valor de K 60% mayor que la que marca la norma NTC RDF, lo cual, lleva a sobredimensionamientos de las estructuras de concreto. Por esto es importante tener una normativa regional de acuerdo al tipo de agregado.

Los resultados de la porosidad, densidad y absorción no variaron significativamente con respecto a la incorporación de la CV en el concreto. Sin embargo, se observó un ligero incremento de porosidad en el concreto conforme se incorporaba CV, ver Tabla 9.

La porosidad es uno de los factores principales que influyen en la resistencia y durabilidad del concreto, mientras más poroso sea el concreto menor es su resistencia mecánica y mayor es su vulnerabilidad ante la agresividad del medio ambiente (^{Mehta y Monteiro 1998}). En la Figura 7 se pueden observar los resultados de la RC del concreto a los 91 días; los resultados parecen indicar lo siguiente: Se observa la tendencia de disminuir la RC al aumentar la porosidad tomando como punto de referencia la mezcla MR; Sin embargo, los porcentajes de porosidad no varían en más del 4%, y la RC de las mezclas de sustitución si tienen una disminución significativa de la RC comparado con los resultados de las MR. En una investigación de laboratorio de la porosidad del concreto con ACTAA (^{Solís y Moreno, 2011}), concluyeron que el criterio de la porosidad como un indicativo en la calidad del concreto no resultó ser adecuado para ACTAA. Los resultados de esta investigación en cuanto a los porcentajes de porosidad y su relación con la RC parecen ratificar lo mencionado.

5. CONCLUSIONES

La CV clase F de la región de Nava, México se recomienda para utilizarse en concretos con ACTAA en modalidad de agregado inerte fino por las siguientes razones:

Si se quisiera usar la C.V. como una puzolana, se recomienda modificar la fineza de la C.V. para mejorar el empaquetamiento del concreto e incentivar la actividad puzolánica.