2.1 Materiales

El cemento utilizado fue tipo CP-II-F-32 RS (Resistente a los Sulfatos). Se eligió este tipo de aglomerante debido a su rápida ganancia de resistencia y ausencia de aditivos. El contenido de adiciones minerales contenidas en otros tipos de cemento podría contribuir al refinado y relleno de los poros del interior del hormigón, lo que dificulta la entrada de agentes agresivos y mejora la durabilidad.

Se utilizó polvo de mármol y polvo de grava granítica, donde las fracciones de los materiales se pueden apreciar en la (Figura 1(a) y (b)). Se utilizó agregado fino natural (arena), de origen cuarzo, utilizado en la región (Figura 1 (c)). La arena fue adquirida por una empresa teniendo en cuenta sus características físicas. El material se encontraba en estado húmedo por lo que fue necesario corregir su contenido de agua mediante secado natural.

Figura 1 Fracciones de partículas de polvo de mármol (a) polvo de piedra triturada granítica (b) agregado fino natural (c). 

El aditivo utilizado fue Techniflow 520, de MC Baushemie. Este aditivo plastificante fue utilizado en la dosificación matricial de hormigones con una densidad másica de 1,08 kg/L.

Los áridos naturales gruesos utilizados tenían un diámetro máximo de 19 mm y un módulo de finura de 6,48 mm. En esta investigación no se expuso la curva granulométrica del material, pero el tipo de agregado utilizado se clasificó como grava 1.

2.2 Métodos

3.1 Análisis granulométrico de los áridos

Del análisis granulométrico de los agregados se verificó que el agregado natural fino (arena) presentó un módulo de finura de 2,15 y un diámetro máximo de 4,8 mm, siendo clasificado como un agregado de granulometría media. Los áridos reciclados denominados piedra triturada y polvo de mármol presentaron, respectivamente, un módulo de finura de 2,73 y 3,88, ambos superiores al del árido natural fino. El diámetro máximo de las partículas de árido reciclado fue de 4,8 mm, pudiendo clasificarse como material de granulometría media. Cada tamiz utilizado presentó una fracción retenida de agregados, donde fueron pesados ​​y sirvieron para proyectar la curva granulométrica. En el tamiz #6,3 mm no se retuvo material; #4,8 mm, 0,29 g; #2,4 mm, 3,03 g; #1,2 mm, 10,88 g; #0,60 mm, 32,26 g; #0,30 mm, 71,38 g; #0,15 mm, 97,32 g.

En cuanto al polvo de mármol, la cantidad de partículas retenidas en cada tamiz fue: #4,8 mm, 0,42 g; #2,4 mm, 22,35 g; #1,2 mm, 70,83 g; #0,60 mm, 95,05 g; #0,30 mm, 99,51 g; #0,15 mm, 99,96 g. En cuanto al polvo de cascajo granítico, la cantidad de partículas retenidas en cada tamiz fue: #4,8 mm, 0,16 g; #2,4 mm, 15,77 g; #1,2 mm, 42,70 g; #0,60 mm, 58,78 g; #0,30 mm, 72,17 g; #0.15mm, 99.96 83.35g. Para ambos, la cantidad total ensayada fue de 300 g.

La (Figura 2) muestra las curvas de distribución granulométrica del agregado fino natural, polvo de mármol y cascajo granítico. Es posible observar que las curvas del agregado fino natural y de la piedra triturada granítica se comportan de manera similar, pudiendo ambas ser utilizadas dentro de los límites establecidos por la norma brasileña NBR 7211 (ABNT, 2019), como también lo observa ^{Barros e Fucale (2016}), que utilizó áridos reciclados en la producción de hormigón. Sin embargo, la curva referente al polvo de mármol no se ajusta a los límites establecidos por la norma, presentando partículas con dimensiones de 1,18; 0,6 y 0,3 mm en exceso.

Figura 2 Distribución del tamaño de los agregados. 

Se realizó la prueba de contenido de material en polvo. La arena natural presentó un contenido de material fino del 7 %, mientras que el polvo de mármol y el polvo de cascajo granítico presentaron una tasa del 12,5 % y 10,3 %, respectivamente, presentando un incremento de más del 50 % con respecto al agregado natural. Sin embargo, a pesar de que los agregados reciclados tienen un alto contenido de material pulverulento, este resultado permite que ese aumento permanezca dentro del límite establecido por la norma para agregados reciclados de residuos sólidos según NBR 15116 (^{ABNT, 2004}), que no supera el 20%.

De acuerdo con ^{Souza (2019}), los agregados de granulometría continua, que no presentan exceso o deficiencias de partículas de ninguna dimensión, producen las mezclas de concreto más trabajables y económicas, sin embargo, las demás características de los agregados, como la característica de dimensión máxima y el módulo de finura. En la (Tabla 2), se presentan los resultados de los demás ensayos de caracterización de los agregados finos.

De acuerdo con los datos presentados en la (Tabla 2), comparando los valores del módulo de finura de los agregados con los límites establecidos por la NBR 7211 (^{ABNT, 2009}), tanto la arena natural como el polvo de grava granítica presentan módulo de finura dentro de las zonas aprovechables. principalmente el polvo de piedra granítica que encaja en la zona óptima. Sin embargo, el polvo de mármol no cae dentro de la zona utilizable.

Las curvas granulométricas de los áridos reciclados se evaluaron por separado para entender cómo se comportan sus partículas, lo que ayuda a una mejor distribución de los porcentajes utilizados. Incluso utilizados en conjunto, es necesario un análisis individual como se propone en la investigación, debido a que las características de estos materiales son diferentes. Una característica similar es el área específica, ya que ambos tienen altos niveles de materiales finos que, a su vez, requieren un mayor porcentaje de agua o una mayor relación agua/cemento (a/c).

Según ^{Souza (2019}), cuanto mayor sea el módulo de finura, mayores serán las dimensiones del agregado (como fue el caso del polvo de mármol), además, los agregados con módulo de finura similar tienden a producir compuestos cementosos con características similares, pero esto depende de otros factores como el tamaño máximo de cada agregado y la presencia de materiales pulverulentos. También según el mismo autor, cuanto mayor es la dimensión característica máxima, menor es el área superficial a cubrir por la pasta de cemento, lo que puede influir en la reducción de costos en la fabricación del hormigón, pero esto depende de otros factores, como la presencia de materiales pulverulentos.

3.2 Análisis de consistencia (prueba de asentamiento)

Todas las mezclas fueron evaluadas de acuerdo a sus características físicas, las cuales abarcan el comportamiento de los materiales cementicios en cuanto a trabajabilidad. En la (Figura 3), las mezclas se analizaron por separado y se obtuvieron los resultados del asentamiento del “cono tronco” en cm. Se puede observar que las mezclas que contienen un 50% de residuos sólidos industriales, tienen un comportamiento similar a los compuestos de referencia. Las mezclas que contenían 100% presentaron un revenimiento en “tronco cónico” de 4 cm, lo que indica que el material tiene mayor superficie específica, por lo que consume mayor cantidad de agua.

Figura 3 Representación de la trabajabilidad (obtenida mediante el Test de Slump) de los diferentes tipos de golpes. 

Aunque el agregado fino natural y el polvo de cascajo presenten sus rangos granulométricos dentro de los límites establecidos por la norma, ninguna de las 3 (tres) mezclas presentó revenimientos entre 10 cm y 16 cm, lo que, según la NBR 8953 (^{ABNT, 2015}) ser ideal para la ejecución de los elementos estructurales.

Observando (Figura 3), se puede apreciar que las mezclas que contenían un 50% de residuos sólidos industriales presentaron una trabajabilidad alrededor de un 11,11% menor al compararlas con las mezclas de referencia, lo que demuestra su factibilidad para el desarrollo de nuevos compuestos cementosos con fines estructurales. Sin embargo, las mezclas que contenían el 100% de agregados sólidos industriales presentaron un revenimiento 55,56% menor al compararlas con las mezclas de referencia.

El polvo de mármol mostró características desfavorables cuando se mezcló con agua, donde se depositaron sus granos, formando un material pulverulento. Además, el material tenía una característica viscosa cuando se saturaba, lo que influía negativamente en la trabajabilidad de los compuestos cementosos (hormigón).

3.3 Análisis de la resistencia axial a la compresión

El uso de residuos sólidos industriales en la estructura matricial de los materiales cementicios (hormigón) proporciona un mejor comportamiento físico-mecánico que, a su vez, llena los vacíos/intersticios debido a la superficie específica de estos materiales, según los resultados obtenidos. a través de la clasificación granulométrica. Todos los análisis se realizaron a los 7, 14, 21 y 28 días y los resultados se expresaron en el gráfico que se muestra en la (Figura 4).

Figura 4 Resistencia media a compresión axial de composites cementosos. 

Las mezclas con un 50% de residuos sólidos industriales en su composición dotaron al material de mayor eficiencia mecánica en comparación con la referencia (CPs), las cuales fueron superiores a 20 MPa a los 7 días. Sin embargo, los resultados de las mezclas de referencia y con áridos 100% reciclados tienen un comportamiento similar a los 28 días de análisis, donde los valores obtenidos fueron de 27,94 MPa y 27,47 MPa, respectivamente. Es posible notar que todas las mezclas tienen una correlación muestral significativa, es decir, los (R²) varían alrededor de 0,900 y 0,920.

Considerando los análisis realizados, se observó que las mezclas que contenían 50% de residuos sólidos industriales proporcionaron un incremento en la resistencia a la compresión a los 28 días de aproximadamente 4% en comparación con las mezclas de (REF), lo que se considera un valor adecuado en la frente a la presentación de las características físicas de los materiales objeto de estudio. Estos compuestos dieron valores más significativos, sin embargo, a los 7 días resultaron con un comportamiento ligeramente superior al compararlos con las mezclas de referencia.

En cuanto a las mezclas que contenían el 100% de residuos sólidos industriales, se observó que a los 28 días de análisis obtuvo valores de resistencia axial a la compresión de 27,47 MPa, o sea, un 2% inferior al compararlas con las mezclas de referencia. Este comportamiento será debido al porcentaje de finos presentes en el material ya la relación agua/cemento (a/c). Cuanto mayor sea el contenido de materiales en polvo, mayor será la absorción de agua, lo que dificulta que todas las partículas se humedezcan. Este proceso implica la ausencia de una mejor cohesión y, sobre todo, la formación de vacíos en el interior de la matriz de cemento, lo que conduce a la pérdida de propiedades mecánicas.

El crecimiento de la resistencia a la compresión ocurre linealmente, ya que el aumento en el contenido de partículas de materiales residuales dispersos en la matriz de cemento de las mezclas con 100% no coincide con el buen comportamiento mecánico del material. Además, se sabe que el aumento de la relación de vacíos puede provocar presiones en el interior del compuesto hidratado, formando microfisuras que, cuando se aplica una fuerza, se contraen en las regiones cercanas a la zona de transición del árido/conglomerante.

Para representar mejor los datos obtenidos, ya partir de los valores de la resistencia axial a la compresión a los 7, 14, 21 y 28 días, se realizó un análisis estadístico mediante histograma y ANOVA (método de factor único). Se puede observar, por tanto, que las mezclas analizadas tienen resultados estadísticamente diferentes según el P-valor representativo inferior al 5%, la F > Fcrítica y por la dispersión de los datos circulados en rojo (Figura 5). Cuando existe este comportamiento, se verifica que los datos son significativos a un nivel de confianza del 95%, como se puede observar en la (Tabla 3).

SQ: Suma de cuadrados;

gl: Grado de libertad;

MQ: Media de cuadrados;

F: Prueba F, valor calculado;

P: Nivel de significancia asociado al valor calculado F.

Figura 5 Análisis de la distribución normal de los datos. 

Se realizaron unos análisis correspondientes a los datos obtenidos en el resultado de resistencia a compresión simple, lo que a su vez permitió conocer el comportamiento de cada mezcla. Las muestras evaluadas pasaron por un proceso estadístico cuantitativo (Cuadro 4), donde se observó que los compuestos de referencia tenían una desviación estándar promedio de 1,699 y un coeficiente de variación de 6,081 en comparación con las otras mezclas. Las mezclas con un 50% de residuos industriales tuvieron una desviación estándar de 0,804 y un coeficiente de variación de 2,765, es decir, un 11% y un 15% inferior a los composites de referencia, respectivamente.

3.5 Análisis microestructural

Para comprender el comportamiento microestructural de los composites cementosos, utilizando diferentes porcentajes de residuos industriales, fue necesario realizar análisis difractométricos. Todas las muestras fueron analizadas a los 28 días mediante el ensayo de difracción de rayos X, con el fin de identificar las fases cristalinas presentes en el material en el proceso de hidratación, así como comprender las reacciones de la portlandita en los estados de hidratación. Los patrones XRD se pueden ver en la (Figura 6 (a) y (b)).

Figura 6 Difracción de rayos X de agregado fino natural (a) cemento Portland/aglomerante (b). 

En cuanto al comportamiento de los materiales percusivos, se puede observar que el agregado fino y el cemento Portland presentan una estructura cristalina con picos de intensidad bien definidos, como se puede apreciar en la ((Figura 6) (a)). La detección de los picos de agregado fino se indica en las posiciones 2θ: 21,2º, 26,8º, 36,7º, 40,4º, 50,3, 60,0 y 68,6º, donde se refieren a las fases cristalinas del cuarzo.

En cuanto a la alícuota de cemento Portland, se puede observar la formación de picos de espectros de difracción, donde se identificaron algunas fases. Las posiciones 2θ = 29,5º y 32,2º están formadas por la descomposición de alita (3CaO.SiO₂) y en la posición 2θ = 62,3º hay presencia de silicato tricálcico - (C₃S). Además, en las posiciones 2θ = 27,6º y 32,8º se observa la fase cristalina compuesta por belita (2CaO.SiO₂) y en las regiones 2θ = 30,2º y 31,1º se observa la formación de silicato dicálcico - (C₂S).

La formación de aluminato tricálcico - (C₃A) definida por la correlación química (3CaO.Al₂O₃), se puede observar en las posiciones 2θ = 23,2º y 33,4º. Tenga en cuenta que el aluminato férrico tetracálcico definido por la correlación química (4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃) abreviado como (C4AF), se puede ver en la posición 2θ = 14,7º y el yeso, a su vez, se puede ver en la posición 2θ = 11,8º.

En este contexto, llama la atención que el contenido de (C₃S), (C₂S), (C₃A), (C₄AF) y yeso en alícuotas de cemento Portland está bien definido. Todas las fases cristalinas identificadas en el material, así como la composición química presente en la fase de hidratación del ligante, se correlacionan con los estudios realizados por ^{Geng et al., (2018}).

Todos los resultados, a su vez, influyen directamente en el comportamiento del compuesto cementoso hidratado. Al tratarse de materiales muy delgados y con un área específica elevada, suelen aglomerarse algunas partículas, que influyen directamente en el comportamiento físico-mecánico del material en estudio (el hormigón).