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Introducción
Gracias a sus características, el concreto se destaca como uno de los materiales más usados en la industria de la construcción. Estudios han revelado que el concreto ha llegado a considerarse como el producto de mayor consumo por los seres humanos después del agua.1 Dentro de sus cualidades se destacan una adecuada resistencia mecánica, durabilidad, costos razonables y gran asequibilidad. Sin embargo, debido a los altos consumos de cemento que se emplean en su manufactura, diversos estudios han revelado que el empleo del concreto no es respetuoso con el medio ambiente, ya que para producir un metro cubico de cemento una cantidad equivalente de CO2 es arrojado a la atmosfera, lo que convierte a la industria cementera en responsable del 9% de las emisiones de CO2 a nivel global. Ante esto, diversas investigaciones han propuesto el uso de materiales puzolánicos derivados de desechos agrícolas como remplazo parcial del cemento, como una estrategia para mitigar los efectos negativos hacia el medio ambiente derivado del consumo masivo del concreto. Dentro de los materiales más utilizados se encuentran las cenizas de cascara de arroz, ceniza de cascara de coco, la ceniza de bagazo de caña, entre otras.2 La ceniza de bagazo de caña de azúcar se ha utilizado como agregado puzolánico reciclado gracias a su composición química, sustituyendo el cemento por 10%, 20% y 30% de ceniza. Los resultados obtenidos de este estudio permitieron concluir que los concretos con valores más bajos de sustituciones de ceniza de 10% y 20%, no influyeron significativamente en las propiedades mecánicas del concreto al compararse con los especímenes de control.3
Por otra parte, también se evaluaron concretos conteniendo remplazos de ceniza de hasta el 20% en edades de 120 días. Los resultados mostraron que, si bien existió una disminución de la resistencia a la compresión a la edad de 28 días, también se registró un aumento a edades tardías de 120 días, lo que fue atribuido a la acción puzolánica a través del tiempo.4, 5 En otro estudio donde fueron evaluados remplazos de hasta 60% de cemento por ceniza de bagazo de caña, los resultados mostraron una disminución en la resistencia a la flexión y compresión del concreto de hasta 75% a la edad de 28 días, aunque también mostraron un aumento hasta en el 20.82% en la resistencia a la absorción.5
Es en el contexto antes discutido que las investigaciones encaminadas a evaluar las propiedades mecánicas de concretos elaborados con materiales suplementarios derivados de desechos agrícolas, como la ceniza de bagazo de caña, en combinación con agregados reciclados, es de gran interés técnico-científico. La información generada permitirá conocer los alcances y limitaciones de dichos concretos para su uso potencial como materiales de bajo impacto ambiental para la industria de la construcción.
Materiales y métodos
Para el desarrollo de este proyecto de investigación, los materiales cementicios utilizados fueron: cemento portland compuesto con una gravedad especifica de 3.15, clasificado como CPC 30R de acuerdo con los estándares mexicanos; ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) cribada por el tamiz No. 200; los agregados fino y grueso utilizados fueron arena de río con un módulo de finura de 2.83 y una densidad de 2,350 kg/m³ y agregado grueso triturado con un tamaño de máximo de agregado de 3/4” y con una densidad de 2,850 kg/m3 (ASTM 138-01a). Los análisis granulométricos se presentan en la Figura 1.
El agregado reciclado de arcilla termoexpandida (ARAT), con una densidad de 1,360 kg/m3 y un porcentaje de absorción del 15.71%. Las propiedades de los agregados utilizados se resumen en la Figura 2.
Diseño y proporciones de las mezclas
Para la elaboración de especímenes de prueba, se diseñaron nueve mezclas de concreto de acuerdo con el método de volúmenes absolutos del Instituto Americano del Concreto (ACI) 211.1, 1985, considerando remplazos de cemento portland de 0%, 10% y 20% por ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) y sustituciones de agregado grueso convencional por 0%, 50% y 100% de agregado reciclado de arcilla termoexpandida (ARAT) (Figura 3). Dichas mezclas comprendieron una mezcla control y el resto se organizaron en dos categorías principales: cuatro combinaciones binarias (CBI), que consistieron en mezclas con remplazos de Cemento-ARAT y cemento-CBCA. Y cuatro combinaciones ternarias (CTE), que representaron mezclas con la combinación de Cemento-ARAT y CBCA. Se llevaron a cabo tres réplicas para cada tipo de mezcla, generando un total de 81 especímenes de concreto. Todas las mezclas mantuvieron una relación agua/materiales cementantes (w/cm) de 0.50. Para proporcionar una visión detallada de las proporciones utilizadas en las nueve mezclas, se presenta la información correspondiente en la Figura 4.
Fuente: Fotografía de los autores.
Figura 3 Agregado reciclado de arcilla termoexpandida y ceniza de bagazo de caña de azúcar.
Pruebas mecánicas
Durante la fase experimental se evaluaron las propiedades mecánicas de los concretos a edades de 7,14 y 28 días. Previo a su evaluación, todos los especímenes se sumergieron en agua a una temperatura de 21 ± 2 °C hasta la edad de prueba. La resistencia a la compresión se ensayó en cubos de 100 mm x 100 mm x 100 mm, de acuerdo con la norma NMX-C-083-ONNCCE-2014. Para obtener índices de resistencia a tensión indirecta (prueba brasileña) se emplearon cilindros de 100 mm x 200 mm, los cuales se sometieron a compresión diametral de acuerdo con la norma NMX-C-163-ONNCCE-2019. Finalmente, para las pruebas de flexión, se manufacturaron 27 vigas de concreto de 50 mm x 50 mm x 200 mm, de acuerdo con la norma NMX-C-191-ONNCCE-2015. Los detalles, dimensiones de los especímenes, normativa utilizada y configuración de las pruebas mecánicas, se muestran en las Figuras 5 y 6, respectivamente.
Resultados y discusión
Resistencia a la compresión
Los resultados derivados de las pruebas de resistencia a la compresión de los concretos elaborados con combinaciones binarias (Cemento-ARAT y cemento-CBCA) y ternarias (Cemento-ARAT-CBCA), se muestran en la Figura 7 y 8, respectivamente.
Como se observa en la Figura 7, en concretos con CBI se experimentó una disminución de resistencia a la compresión en todos los casos en comparación con la mezcla control (M1). Un análisis más detallado reveló que la muestras conteniendo 50% (M2) y 100% de sustitución de ARAT (M3) presentaron disminuciones de 7.53% y 12.48% respectivamente; por lo que, de acuerdo con las normativas mexicanas, se encuentran dentro de los parámetros considerados para concretos Clase I (NTC-RSEE), debido a que tuvieron resistencias a la compresión superiores a 250 kg/cm2. Por su parte, las muestras elaboradas con un 10% de CBCA (M4) tuvieron reducciones del 20.23% con respecto al control (M1), mientras las que fueron elaboradas con el 20% de CBCA (M5) redujeron su resistencia en 24.95% al compararse con el control. Cabe destacar que las mezclas M3 y M5 alcanzaron valores de resistencia menores a 250 kg/cm2 y superiores a 200 kg/cm2, por lo que se encuentran dentro de los parámetros considerados como concretos Clase II de acuerdo con las normativas mexicanas (NTC-RSEE).
Con relación a los concretos elaborados con combinaciones ternarias (cemento-ARAT-CBCA), los resultados mostrados en la Figura 8 indican que cuando se utilizó 50% y 100% de ARAT en combinación con 10% de CBCA (M6 y M7) se presentaron disminuciones en la resistencia a la compresión de 20.39% y 33.23% con respecto al control (M1). De la misma manera, cuando se utilizó un remplazo de 20% de CBCA en combinación con 50% (M8) y 100% de ARAT (M9) se presentaron reducciones de 35.00% y 36.79% al compararse con el control (M1). Dichos resultados permiten concluir que el uso de CBCA en combinación de ARAT tiende a disminuir la resistencia a la compresión en mínimo 20%, y dicha tendencia fue más evidente a medida que se incrementó el contenido de estos materiales en el concreto. Resultados similares fueron encontrados por Abdulkadir, et al.,6 y Chindaprasirt, et al.,7 quienes evaluaron el uso de CBCA en porcentajes del 0%,10% y 20%, y del 0%, 20%, 40% y 60% respectivamente. Concluyendo que si bien existe una disminución de la resistencia mecánica a medida que se aumenta el porcentaje de sustitución de este CBCA, concluyeron que el porcentaje óptimo se encuentra en el 20% con respecto al peso del cemento.
Resistencia a la tensión
Los resultados de las pruebas de tensión indirecta se presentan en la Figura 9. Como ahí se puede observar, los concretos elaborados con combinaciones binarias (CBI) experimentaron una disminución en la resistencia a la tensión en todos los casos en comparación con la mezcla control (M1). Un análisis más detallado permitió observar que, para concretos conteniendo remplazos de 50% (M2) y 100% de ARAT (M3), las disminuciones en la resistencia fueron de 0.52%, y 15.24%, respectivamente. Lo cual indica una clara tendencia a la baja en la resistencia a la tensión a medida que se incrementó el remplazo de agregado convencional. La misma tendencia se observó en concretos elaborados con remplazos de 10% de CBCA (M4), presentando disminuciones del 12.20% y reducciones de 27.32% para concretos elaborados con sustituciones de 20% de CBCA (M5).
En lo que respecta a los concretos con combinaciones ternarias (CTE), los resultados presentados en el Figura 10 mostraron que la resistencia a la tensión a los 28 días de edad disminuyeron en todos los casos en comparación con la mezcla control (M1). Siendo estas reducciones del 14.00% para concretos elaborados con 50% de ARAT (M6) y de 6.64% para concretos conteniendo 100% (M7), ambos en combinación con 10% de CBCA en sustitución de cemento portland. Por su parte, aquellos concretos elaborados con 20% de CBCA, en combinación con 50% (M8) y 100% de ARAT (M9), disminuyeron en un 22.76% y 25.08%, respectivamente.
Resistencia a la flexión
Como se observa en la Figura 11, los resultados de resistencia a la flexión obtenidos de los concretos manufacturados con combinaciones binarias (cemento-ARAT y cemento-CBCA), a 7, 14 y 28 días de edad, revelaron una disminución de la resistencia a la flexión en todos los casos al compararlos con el control. Estas reducciones fueron del 4.61% y 19.08% para concretos conteniendo sustituciones de 50% (M2) y 100% de ARAT (M3). Por su parte, aquellos concretos conteniendo sustituciones de cemento por 10% de CBCA (M4) redujeron su resistencia en 21.05%, mientras aquellos conteniendo 20% de CBCA (M5) disminuyeron en un 29.43% con respecto a la mezcla control (M1).
Similar a las mezclas binarias, en concretos con mezclas ternarias (CTE) se experimentó una disminución de resistencia a la flexión en comparación con la mezcla control. Como se observa en la Figura 12, para concretos conteniendo 50% de ARAT en combinación con 10% de CBCA (M6) disminuyeron su resistencia a la flexión con respecto al control (M1) en un 24.24%, y en mezclas elaboradas con 100% de ARAT en combinación con 10% de CBCA (M7) presentaron una disminución del 30.662%. Por su parte, aquellos concretos manufacturados con 50% de ARAT y 20% de CBCA (M8) redujeron su resistencia a la flexión en un 34.87% y las mezclas elaboradas con 100% de ARAT y 20% de CBCA (M9) disminuyeron su resistencia en un 26.97%, al compararse con la mezcla control (M1).
Conclusiones
Con base en los resultados derivados de la evaluación de las propiedades mecánicas de concreto elaborado con agregados reciclados de arcilla termoexpandida (ARAT), ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA), en combinaciones binarias (cemento- ARAT y cemento- CBCA) y combinaciones ternarias (cemento- ARAT - CBCA), se puede concluir lo siguiente:
Los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión revelaron que: en las combinaciones binarias (CBI) se observaron reducciones en diversos rangos, las cuales fluctuaron entre 7.53% y 24.95% al compararse con la mezcla control. Sin embargo, a pesar de estas disminuciones, todas las mezclas se situaron dentro de las resistencias solicitadas para concretos estructurales f’c= 250 kg/cm2 a 200 kg/cm2 para concretos Clase I y Clase II, de acuerdo con las normas técnicas mexicanas.
En el caso de los concretos elaborados con combinaciones ternarias (CTE), los cuales incorporan combinaciones de cemento-CBCA y ARAT, se observaron reducciones en la resistencia a la compresión de entre 20.39% y 36.79% con respecto a la mezcla control. Estos resultados indican que, excepto para la mezcla M6, la combinación de dichos materiales tiende a disminuir considerablemente la resistencia a la compresión, alcanzando valores inferiores a 200 kg/cm2, por lo que se pueden considerar concretos no estructurales de acuerdo con la normativa mexicana.
Las pruebas a tensión indirecta revelaron que, en todos los casos, la incorporación de ARAT o CBCA en combinación con cemento tendieron a disminuir dicha propiedad mecánica. Los porcentajes de reducción con respecto al control fluctuaron entre 0.52% y 27.32% para concretos binarios (CBI), y entre 6.64% y 25.08% para concretos ternarios (CTE).
Los datos obtenidos de las pruebas a flexión mostraron que, al igual que las pruebas de compresión y tensión indirecta, la adición de ARAT o CBCA en combinación con cemento, tendieron a disminuir la resistencia a la flexión en concretos binarios (CBI) en porcentajes que fluctuaron entre 4.61% y 29.43% con respecto a la mezcla control. Y en el caso de concretos ternarios (CTE) dichas reducciones estuvieron en un rango desde 24.24% hasta 34.87%.
Según los resultados de las tres propiedades mecánicas evaluadas, el orden de desempeño de las mezclas fue el siguiente:
