Mejoramiento de la resistencia del concreto mediante el uso de ceniza en la ciudad de Huancayo – 2019 Improvement of the concrete resistance through the use of ash in the city of Huancayo – 2019
Cuba, B.1; Mallma, A.1 y Condori, J.2 Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Civil 2 Universidad Continental, Facultad de Ingeniería, Carrera Profesional de Ingeniería Eléctrica Av. San Carlos N° 1980, Urbanización San Antonio, Huancayo-Perú 1
Email: 72262439@continental.edu.pe 72575756@continental.edu.pe 48150368@continental.edu.pe
Resumen En este trabajo podemos mostrar los datos que obtendremos al adicionar ceniza volante al concreto, desarrollada por los estudiantes de la Universidad Continental. El cemento que se utilizo es el cemento portland y las cenizas volantes provenientes de la combustión del carbón en la planta Eléctrica Electro Centro se utilizaron para incorporar 5% y 10% de ceniza volante al contenido de cemento o de arena triturada de los diseños originales, manteniendo constante la cantidad de agua de mezclado del concreto. De los resultados obtenidos se puede deducir que el asentamiento y la densidad del concreto varía de acuerdo a la cantidad en porcentaje que se agrega la ceniza volante en el diseño de mezcla para obtener mejores resistencias en los ensayos de concreto en estado endurecido. Palabras clave: concreto, adiciones al concreto, cenizas, ceniza volante
Abstract In this work we can show the data that we will obtain by adding fly ash to the concrete, developed by the students of the Continental University. The cement used is portland cement and fly ash from the combustion of coal in the Electro Centro Electric plant was used to incorporate 5% and 10% fly ash to the cement or crushed sand contents of the original designs, keeping the amount of concrete mixing water constant. From the results obtained, it can be deduced that the settlement and density of the concrete varies according to the amount in percentage that fly ash is added in the mixture design to obtain better resistance in the hardened concrete tests.
Key Words: concrete, additions to concrete, ash, fly ash
Introducción Según, Hemández (2008. p. 306), el concreto es el material más usado en todo el mundo, principalmente en la industria de la construcción de edificios, lo cual genera un elevado impacto ambiental que debe ser mitigado desde el diseño del material, su producción y hasta su aplicación en las construcciones (Villas, 1995). El concreto es un material durable, económico y versátil; de tipo compuesto formado por una matriz de liga que tiene como función principal mantener unida y aglutinada a la mezcla; y diversas dispersiones que son los materiales aglutinados y que dan volumen y cuerpo al compuesto (Shackelford, 1995). En la actualidad la investigación, el desarrollo y la transferencia de tecnologías de nuevos materiales de ingeniería aplicados a la innovación y el mejoramiento de productos tienen un papel importante, dado que se busca fortalecer la producción de productos amigables con el medio ambiente y que a su vez posean buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión, entre otras cosas. En la industria la fabricación del cemento Portland (CP), el principal componente del concreto, ha aumentado como consecuencia del crecimiento poblacional, y se ha convertido en una de las principales industrias contaminantes debido a la emisión de grandes volúmenes de sustancias en estado gaseoso que se producen durante el proceso de obtención del Clinker (Gonzales, 2012). Entre las adiciones al concreto que poseen actividad pusilánima se encuentran el humo de sílice, compuesto básicamente por sílice amorfa, proveniente de la industria del ferrosilicio; y las cenizas volantes (CV), el cual es un residuo contaminante obtenido durante la combustión del carbón en centrales termoeléctricas y calderas industriales. Las características químicas de las CV dependen del tipo de carbón que las originan y de las variables del proceso de combustión donde se generan, tales como temperatura, tiempo de residencia del carbón, entre otras (Ahmaruzzaman, 2010). Las cenizas volantes se constituyen en un residuo ecológicamente problemático que deben eliminar las centrales termoeléctricas evitando que permanezcan en los depósitos donde son almacenados y ubicadas al aire libre. Esta práctica se convierte en un peligro ambiental, ya que su contacto con el agua, el suelo y el aire, genera graves problemas de contaminación (Cifuentes P. & Ferrer J., 2006). Siendo la contaminación ambiental, cambio indeseable en las características físicas, químicas o biológicas del aire, el agua, el suelo y otros factores ambientales que pueden afectar de manera adversa la salud, la supervivencia y las actividades de los seres vivos. Entonces existe una necesidad apremiante y continua de desarrollar nuevos métodos de
reciclaje para la ceniza volante de carbón frente a sus peligros y sus aplicaciones actuales y potenciales incluido el uso en la mejora del suelo, industria de la construcción, industria cerámica, catálisis, etc. (Yao, y otros, 2015). En este artículo mostraremos los resultados de la evaluación del desempeño mecánico y la durabilidad de concretos adicionados con Ceniza, para analizar su composición estructural y luego realizar pruebas mecánicas a las probetas sometidas a 7, 14 y 28 días. Algunas otras importantes propiedades físicas de los agregados son: la forma y textura de las partículas, la porosidad, la absorción, la densidad, la adherencia, la resistencia, etc. También es de suma importancia la granulometría de los agregados, y el tamaño máximo del agregado (para la grava), tanto en el comportamiento del concreto en estado plástico, como en su estado endurecido (Chan Yam, José Luis, y Solís Carcaño, Rómel, y Moreno, Eric Iván 2003. p. 39). La ceniza volante, como subproducto, es utilizada para la fabricación de vidrio, cerámica, ladrillos, para capas de firmes de carreteras, para cama de tubos, y elaboración de hormigones. En el último caso, la ceniza volante se puede adicionar de tres formas diferentes: a) adición activa incorporada directamente en la mezcladora; b) adición inerte, es decir, como elemento sustituto o complementario de las fracciones finas de los áridos, cuando éstos son deficitarios en ellas, y c) molida conjuntamente con el clínker en la preparación de cementos tipo II, IV y V (Ramírez, J). Las bajas relaciones agua/cemento, obtenidas como consecuencia de la adición de ceniza volante, permiten reducir la retracción por secado y la resistencia a la abrasión en concretos fluidos. Los resultados obtenidos consolidan los argumentos técnicos y ecológicos para seguir promoviendo el uso de concretos con ceniza volante (Valdez, Duran, Rivera, & Juárez, 2007). El empleo de cemento sulforresistente y adiciones mejora las características mecánicas y durables de los hormigones frente a sulfatos. Las adiciones de humo de sílice presentan una intensa actividad puzolánica a edades tempranas y una estructura porosa más compacta que no experimenta grandes modificaciones con el tiempo. Un comportamiento distinto tiene la ceniza volante y la escoria de alto horno, ya que muestran una evolución positiva de sus propiedades mecánicas y microestructurales a edades más largas, por tanto, hormigones elaborados con cementos sulforresistentes y adiciones, mejoran las características mecánicas y microestructurales de la matriz cementicia (Bernal Camacho, Mahmoud Abdelkader, Reyes Pozo, y Moragues Terrades, 2013).
Materiales y Métodos Para la preparación de las muestras del concreto se utilizará cemento portland tipo 1 NTP 334.009, ASTM C150, a agregados, cenizas. Cemento Portland. El cemento Portland es un conglomerante o cemento hidráulico que cuando se mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontinuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón.
La ceniza es el producto de la combustión de algún material, compuesto por sustancias inorgánicas no combustibles, como sales minerales. Parte queda como residuo en forma de polvo depositado en el lugar donde se ha quemado el combustible (madera, basura, etc.) y parte puede ser expulsada al aire como parte del humo. (ceniza. https://www.ecured.cu/Ceniza).
Tabla 2. Características de la ceniza volante
Los agregados son un conjunto de partículas, de origen natural o artificial, que pueden ser tratados o elaborados. Pueden tener tamaños que van desde partículas casi invisibles hasta pedazos de piedra, junto con el agua y el cemento, conforman el trío de ingredientes necesarios para la fabricación de concreto. (Agregados para la elaboración de concreto. (www.supermix.com.pe) La importancia del uso, tipo y calidad correcta del agregado no se puede subestimar. Los agregados fino y grueso ocupan cerca del 60% al 75% del volumen del concreto, e influyen fuertemente en las propiedades tanto en estado fresco como endurecido, en las propiedades de la mezcla del concreto. (Agregados para la elaboración de concreto. (www.supermix.com.pe) Los agregados deben de ser transportados y acopiados de manera que se evite su segregación y contaminación, debiendo mantener las características granulométricas de cada una de sus fracciones hasta su incorporación a la mezcla, tienen que cumplir con las especificaciones técnicas establecidas en las normas ASTM C33 y NTP 400.037. (Agregados para la elaboración de concreto. (www.supermix.com.pe) Las características de los agregados son las que se muestran en la tabla 1. Para la determinación de la resistencia del concreto se realizaron probetas cilíndricas, de 30cm de altura y diámetros de 15cm. Las probetas permanecieron en el molde de 20 a 24 horas, después fueron curados bajo agua hasta el momento del ensayo a temperatura ambiente controlada media de 14°C. Tabla 1. Características de los agregados
Fuente: Elaboración en base a ensayos de laboratorio. Se elaboran 3 tipos de mezcla de concreto, y se considerará como variable el porcentaje de ceniza en el concreto, para todas las muestras de concreto se trabajará con un solo diseño de mezcla.
Mezcla N°
Porcentaje de ceniza
Numero de muestra
1
0%
3
2 3
5% 10
3 3
Figura 1. Porcentaje de ceniza por muestra Cada tipo de muestra tendrá 3 especímenes, las muestras se encofrarán en viguetas de 6x12 día siguiente se procederá a desencofrar las muestras para posterior fraguado donde permanecerán hasta el día de la rotura según NTP 334.051.
Formato de roturación de las muestras 7 días 21 días 28 días Figura 2. Roturación en días
Fuente: Elaboración en base a ensayos de laboratorio.
El diseño de mezcla fue realizado para un concreto de FC= 210 KG/CM, con un asentamiento de 4.5´´-5.5´´ de slump. Diseño de mezcla del concreto usando el aditivo de ceniza volante Tabla 3. Diseño de mezcla
Resistencia del concreto f'c(kg/cm^2)
Resultados 160 150 140 130 120 0%
5%
10%
E-060
Cobtenido de ceniza volante (%)
Fuente: Elaboración en base a ensayos de laboratorio. Los resultados de la resistencia promedio a la compresión del concreto a los 7, 14 y 28 días se presentan en la tabla 4, con los respectivos % de ceniza volante adicionados a la mezcla de concreto como sustituto parcial del cemento. Datos obtenidos después de haber realizado el ensayo de roturación. Tabla 4. Resistencia a la roturación
Resistencia del concreto f'c(kg/cm^2)
Figura 3. Resistencia de concreto a los 7 días
190 180 170 160 150 140 0%
5%
10%
E-060
Cobtenido de ceniza volante (%)
Fuente: Elaboración en base a ensayos de laboratorio.
Resistencia del concreto f'c(kg/cm^2)
Figura 4. Resistencia de concreto a los 14 días
230 220 210 200 190 0%
5%
10%
E-060
Cobtenido de ceniza volante (%)
Figura 5. Resistencia de concreto a los 28 días
250 Resistencia de concreto f'c(kg/cm'2)
200 150
0% 5%
100
10% E-060
50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Numero de Dias
Figura 6. Comparación de la resistencia del concreto
Discusión La ceniza volante disminuye el asentamiento sin afectar la “trabajabilidad” de ella. Es menos fluida la mezcla con sustituciones de ceniza por arena triturada que la mezcla con sustituciones de cenizas por cemento. La sustitución de ceniza por cemento disminuye la masa unitaria de las mezclas en menor proporción que la adición de ceniza por arena triturada. Por lo tanto, las cenizas volantes contribuyen a la reducción de la masa por metro cúbico de concreto fresco, haciéndolas más livianas en comparación con el concreto patrón. A los 28 días las briquetas de concreto con el contenido del 5% de ceniza volante alcanzan mayores resistencias, por tanto, las cenizas volantes pueden contribuir a mejorar la resistencia a compresión del concreto a edades tan tempranas como los 28 días (Molina B., Moragues T., & Gálvez R., 2008), dándole la calidad requerida. También es factible diseñar concretos adicionados con ceniza volante con la misma resistencia especificada con la certeza que a edades mayores a los 28 días su incremento resistente será mayor que los concretos normales (Cifuentes P. & Ferrer J., 2006). Esta afirmación es corroborada por el presente estudio, por lo que, en todas las dosificaciones realizadas, a medida que aumenta la edad del concreto, aumenta también la resistencia del concreto. Por otro lado, los concretos efectuados con este tipo de residuo alcanzan excelentes propiedades mecánicas y mayor durabilidad por su resistencia a los agresivos ácidos y a la reacción árido-álcali; sin embargo, es necesario tener en cuenta que la reacción de hidratación de la ceniza volante es más lenta que la del cemento Portland, por ello, se
obtienen mejores resistencias, pero en periodos de tiempo más largos (Suárez S., 2010); en consecuencia, sería recomendable considerar para las mezclas de concreto con ceniza volante una edad de diseño mayor a los 28 días (Vásquez P., 2010). En futuros trabajos se recomienda realizar mezclas de concretos adicionadas con cenizas volantes en porcentajes superiores al 5% y menores al 10%, y evaluar las propiedades de desempeño mecánico y durable; de tal manera que se analicen tanto el beneficio como los inconvenientes que traería la inclusión de este residuo en materiales de construcción. Así mismo, se considera importante probar métodos de reducción del nivel de inquemados, tales como procesos de flotación, para mejorar la calidad de la ceniza volante.
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