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1. Introducción
En la actualidad, uno de los problemas ambientales más profundos y nocivos que circunda al mundo es el calentamiento global y la contaminación. La demanda de los productos orgánicos e inorgánicos ha incrementado esta problemática por el consumismo innecesario de estos, generando residuos sólidos de diferentes fuentes, teniendo algunos un mayor impacto ambiental con respecto a otros. Se estima que en la ciudad de Cali, Colombia, debido a todos los procesos en el campo de la construcción, involucrando procesamiento de materias primas, producción o fabricación de materiales al igual que la demolición de edificaciones e infraestructuras, se generan diariamente un promedio de 2.480 m3 de estos residuos sólidos, de los cuales sólo el 40% es reutilizado (Ortiz y Silva, 2013). El mal aprovechamiento de estos residuos y los grandes volúmenes de escombros generados, han llevado a que las industrias tengan la necesidad de darles una nueva utilidad para clasificarlos como una familia de materias primas las cuales se pueden valorizar y reutilizar con diferentes fines, entre ellos procesos industriales como la reincorporación de estos residuos en materiales compuestos de matriz cementicia, tal como el concreto o mediante la producción de elementos prefabricados (DAGMA, 2015; Mattey, et al. 2014).
Por otra parte, el concreto y el mortero al ser el material más extensamente usado en la construcción (Pliya & Cree, 2015), el cual entre sus ingredientes principales se encuentra el cemento Portland (OPC), quien contribuye entre el 5 - 7% del total de las emisiones antropogénicas globales de CO2, y por lo tanto es un objetivo importante mitigar estas (Fry, 2013; Worrell, et al. 2009; Malhotra, 2000). Consecuentemente un gran reto para la industria de la construcción es satisfacer la necesidad de consumo y al mismo tiempo reducir las emisiones de CO2. Con base a estas razones, varios estudios se han centrado en encontrar alternativas para reemplazar el cemento Portland (Aprianti, 2017), encontrando materiales provenientes de diferentes fuentes, como son los subproductos agroindustria-les, industriales o marinos, entre otros. En su mayoría, estos materiales vienen a través de procesos naturales o artificiales (acciones humanas). A nivel mundial se produce una gran cantidad de desechos tales como cenizas volantes, ceniza de cascarilla de arroz, humo de sílice y escoria de alto horno (Yu, et al. 2017; Wang, et al. 2017; Pedro, et al. 2017; Dad-setan y Bai, 2017; Antiohos, et al. 2014). El uso de estos subproductos o desechos contribuye a resolver los problemas de manejo de estos materiales, reduce el costo del concreto y da una solución satisfactoria a los problemas ambientales (Aprianti, 2017).
Sin embargo, hay un desecho o escombro proveniente de los residuos de construcción y demolición (RCD) o por proceso de la industria cerámica que ha sido poco estudiado y sería un gran aporte a la problemática actual que existe en Colombia sobre el manejo de estos desechos. Aproximadamente el 45% de los RCD se atribuye a productos cerámicos tales como ladrillos, tejas y Porcelana (Reig, et al. 2013), ya que el ladrillo es una de las unidades de mampostería más común empleada en el medio de la construcción. Los ladrillos convencionales se producen a partir de la mezcla de materias primas de arcilla, como material plástico, con la adición de arena, como material no plástico, y se cocen en el horno a una temperatura que varía de 850 a 950 °C. La producción anual mundial de ladrillos se sitúa actualmente en alrededor de 1391 mil millones de unidades y se espera que la demanda de ladrillos esté subiendo continuamente a medida que el proceso de construcción aumente en todo el mundo (Zawrah, et al. 2016; Zhang, 2013). Estos residuos, pueden ser empleados como material cementicio suplementario ya que cuando la arcilla se coce a temperaturas entre 500 y 900 °C, ocurre un proceso de deshidroxilacion en los minerales arcillosos, favoreciendo la formación del metacaolin, el cual es un material amorfo con alto grado de reactividad dando lugar a la actividad puzolánica de la arcilla (capacidad de reacción con hidróxido de calcio y agua para formar compuestos cementicios (Schackow et al., 2015). Un estudio sobre el empleo de del residuo de mampostería (RM) como adición a concretos autocompactante se llevó a cabo para analizar su efecto como sustitución del cemento, obteniendo resultados satisfactorios tanto en estado fresco y endurecido con sustituciones del 10 y 20% en peso del CPO por RM (Silva, et al. 2015).
Por otra parte, el hidróxido de calcio (Ca(OH)2), o cal hidratada se utilizó durante siglos en todos los tipos de morteros como un polvo o como una masilla. Se diferencia de los aglutinantes hidráulicos utilizados actualmente (ej: OPC) porque endurece lentamente, debido a una reacción que ocurre entre la cal y el CO2 de la atmósfera, esta reacción genera carbonato de calcio (CaCO3). Pero también el Ca(OH)2 (CH) puede combinarse con la sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3) presente en los materiales puzolánicos y agua (necesario para la hidratación) para formar silicatos de calcio y aluminatos de calcio (Matias et al., 2014).
El presente trabajo, tiene como objetivo evaluar el empleo del residuo de mampostería y pasta (en masilla) de cal apagada como materiales suplementarios al cemento Portland para la producción de concreto para fines de construcción. Para ello se evaluaron varias mezclas ternarias de OPC, RM y CH mediante un diseño de mezclas de vértices extremos.
2. Programa experimental
2.1 Materiales
Cemento Portland de uso general de acuerdo a la NTC 121 (Tipo UG) fue usado para todas las mezclas de concreto. La composición química y las características físicas se muestran en la Tabla 1. El residuo de mampostería fue obtenido a partir de una remodelación de una obra pública (Edificio localizado en la Universidad del Valle) como se aprecia en la Figura 1. Este RCD se adecuó mediante una molienda primaria en una trituradora de mandíbula y posterior molienda en un molino de bolas.
TABLA 1 COMPOSICIÓN QUÍMICA Y CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL CEMENTO (OPC), RESIDUO DE MAMPOSTERÍA (RM) Y CAL HIDRATADA (CAL)
La composición química del RM empleado como material cementicio suplementario se presenta en la Tabla 1. El RM presenta los requerimientos químicos y físicos citados en la ASTM C618 como son la sumatoria de los componentes químicos (SiO2 + Fe2O3 +Al2O3) y el índice de actividad puzolánica (IAP) (Tabla 2). La cal utilizada fue una cal comercial (Calco de Colombia®), y sus características se muestran en la Tabla 1. Se empleó arena de rio como agregado fino con un tamaño máximo de 4,75 mm, y grava triturada con un tamaño máximo de agregado de 19 mm acorde con los estándares de la ASTM C33. El agregado fino presento una gravedad específica y absorción de agua de 2680 kg / m3 y 1,79% respectivamente, y el agregado grueso tiene una absorción de agua de 0,92% y una gravedad especifica de 2870 kg /m3 Agua potable fue usada para la elaboración de las mezclas y curado de todos los especímenes de los concretos. Jugo de fique se empleó como aditivo plastificante para mantener la trabajabilidad.
2.2 Proporciones de Mezcla y Preparación
El diseño de mezcla del concreto se llevó a cabo para obtener una resistencia de 18 MPa a los 28 días de curado y una trabajabilidad (asentamiento) de 35 mm - 50 mm según la American Concrete Institute ACI 211.1. El RM y CAL reemplazaron al OPC de 0% a 20% en peso para un contenido total de material cementicio de 350 kg/m3, la proporción entre los agregados se estableció mediante la curva de Fuller y Thompson (57% arena y 43% grava) y la relación agua / aglutinante (a/c) se mantuvo constante en 0,54 mediante el empleo de jugo de fique como aditivo plastificante. Los detalles de las mezclas del concreto se muestran en la Tabla 3. La producción del concreto se realizó en un mezclador (trompo) de 50 litros de capacidad. En primera instancia se introdujeron en el trompo la arena y grava y se realizó un mezclado con un tercio del total de agua de mezcla durante un minuto. La cantidad total de OPC u OPC+RM+CH se mezclaron en un recipiente separado y luego se incorporaron el trompo con otro tercio del agua y se mezcló durante dos minutos. Finalmente se añade el agua restante con la dosis de jugo de fique según sea el caso y se mezcló durante 180 minutos para producir el concreto fresco.
2.3 Diseño de experimento
En la Tabla 4 se presentan las condiciones de diseño, con el fin de maximizar la resistencia a la compresión, relacionada con las proporciones de CAL, RM y OPC, se planteó un diseño de mezclas de vértices extremos, el cual implica sólo una porción del espacio de experimentación de un simplex, debido a las restricciones sobre cada una de las componentes para producir una mezcla óptima. El diseño de vértices extremos genero 13 experimentos (3 puntos vértice, 3 puntos de doble combinación, 3 puntos axiales y 4 puntos centrados), asignados al azar a las unidades experimentales (mezcla de concreto), midiendo como resultado la resistencia a la compresión.
Para el análisis de los resultados, se planteó un modelo cuadrático Sheffe, el cual es representado en la Ecuación 1. El modelo está dado por:
Donde la variable de respuesta (y) es la resistencia a la compresión, ßι son los coeficientes lineales del modelo y las Xs representa las componentes de la mezcla para q=3 componentes de la mezcla. Este modelo cuadrático permite involucrar no solo efectos lineales sino también los efectos cuadráticos e interacciones en el caso de ser significativas.
En el caso de este estudio se presentaron tres componentes de la mezcla: CAL, RM y OPC. Con el fin de simplificar la visualización de este diseño, se proporciona una gráfica de diseño simplex de las componentes consideradas en la Figura 2, como puede apreciarse están restringidas y coincide con un triángulo dentro de la región simplex.
2.4 Métodos de prueba
2.4.1 Resistencia a la compresión y tracción indirecta
Cilindros de 7,62 cm de diámetro x 15,24 cm de altura fueron moldeados para la resistencia a la compresión y tracción indirecta. Estos ensayos se realizaron en una maquina ELE Soiltest con capacidad de 1000 kN a una velocidad constante. La resistencia a la compresión se determinó a las edades de 7, 28 y 60 curado según la ASTM C39. El ensayo de tracción indirecta se realizó basado en la ASTM C496 a 28 y 60 días de curado. Para cada edad, se ensayaron 3 especímenes y el valor medio de estas es el reportado.
2.4.2 Propiedades de permeabilidad
Los ensayos de transporte seleccionados fueron la prueba de absorción y porosidad para determinar la porosidad total y la absorción de acuerdo con la ASTM C642, donde las muestras se secan, sumergen y luego se hierven en agua para determinar el volumen de poros después de 28 y 60 días, y la sorptividad capilar (succión capilar) fue también evaluada mediante la aplicación del procedimiento estándar EMPA-SIA 162/1 (Fagerlund, 1982), en donde se permite que el agua pase a una muestra seca a través de un proceso más gradual de succión capilar, y la masa de la muestra es monitoreada como función del tiempo.
3. Resultados y discusiones
3.1 Resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión de las mezclas de concreto con relación a/c constante se muestran en la Figura 3. Se puede observar que las mezclas con mayor porcentaje de RM (M2, M3, M5 y M6), presentaron las mayores resistencias a largas edades, esto puede ser atribuido a su comportamiento puzolánico, aunque a los 7 días de curado las mezclas con diferentes porcentajes de RM presentaron una menor resistencia a la compresión en comparación a la mezcla de referencia (M1), como el caso de las mezcla M2 y M3 que solo tenían adición de RM y presentaron una disminución cercana a 13% y 5,8% respectivamente. Sin embargo, la mezcla M5 presento una mayor resistencia en un 4,87% y la mezcla M6 en un 9,64% a los 7 días de curado. A mayores edades se observa el efecto beneficioso en la resistencia de las mezclas que presentan en su composición el RM. A los 60 días la ganancia de resistencia de la mezcla M6 fue de 13,22% con respecto a M1, lo que apunta que a mayores edades de curado el efecto puzolánico de esta adición sería más notoria (Schackow, et al. 2015).
Figura 3 Resistencia a la compresión de las mezclas con adiciones de Residuo de Mampostería y Cal hidratada como reemplazo del Cemento Portland
3.1.1 Análisis de diseño de experimentos
La resistencia de las muestras a los 28 días de curado oscilaron entre 16 y 26,21 MPa, La mayoría de las mezclas presentaron valores por encima del objetivo propuesto de 18 MPa para las aplicaciones básicas de construcción, a excepción de los concretos que contenían 20% de CAL y 80% de OPC como cementante los cuales presentaron una resistencia de 16 MPa. Con el fin de medir estos efectos, en la Tabla 5, se muestra el análisis de varianza, se ajustó un modelo cuadrático utilizando la técnica de mínimos cuadrados.
En la Tabla 5, se muestra el análisis de varianza para determinar la significancia de la regresión, el cual cumple con los supuestos sobre el error del modelo a niveles de significancia mayores del 10%. Inicialmente se encontró que el modelo planteado es adecuado a un nivel de significancia del 65,6% (p-valor) y con respecto a las interacciones entre dos efectos no fueron significativos, sin embargo la interacción de tercer orden si es significativa (p-valor 0,045), en el modelo se dejó la interacción de segundo orden CAL*RM dado que mejora el ajuste del modelo con un R2 de 83,6% considerado un valor alto, indicando que estos términos contribuyen a la explicación de la resistencia a la compresión presentada por el concreto.
La ecuación que se puede utilizar para optimizar la resistencia a la compresión está dada en la Ecuación 2.
Optimización de la resistencia a la compresión
A partir de la Ecuación 2, se planteó la optimización (maximizar) de la variable de respuesta (resistencia a la compresión), para un valor mínimo de 18 MPa con un valor objetivo de 23 MPa. En la Figura 4, se muestra una alta predicibilidad (D=1), para valores de resistencia a la compresión de 24 MPa, cuando se tiene condiciones como:
Cal: 5,49%, RM: 14,51%, OPC: 80%
Cal: 0,99%, RM: 19,01%, OPC: 80%
Los valores de CAL es posible que usufructúen entre 0 y 5,3% aproximadamente y RM entre 16 y 20%, mientras se le adicione el mínimo de cemento (80%) y la predicción de la resistencia se mantiene en aproximadamente 24 MPa.
En la Figura 5, se presenta el gráfico de contornos de la resistencia a la compresión, en este se evidencia que efectivamente para valores de OPC cercanos al 80 % con valores de RM cercanos al 20% y valores bajos de CAL se obtienen resistencias a la compresión de aproximadamente 24 MPa, es decir el área de las resistencias más alta se encuentra en el vértice izquierdo de la gráfica.
3.2 Resistencia a la tracción indirecta
La resistencia a la tracción indirecta se muestra en la Figura 6, en donde se puede observar la misma tendencia mostrada en los concretos evaluados a la resistencia a la compresión, debido a que estos dos ensayos guardan una relación entre sí. La resistencia a la tracción indirecta depende de varios factores como el tipo de agregado o la distribución de tamaño de partícula. Se puede observar que las mezclas con mayores cantidades de residuo de mampostería (M2 y M3) comparada con M1 (mezcla de referencia) y las demás mezclas, mostraron mayores resistencia a la tracción indirecta, este comportamiento puede ser atribuido a la forma y la estructura del residuo de mampostería ya que al tener una alta rugosidad, tiene una mayor fuerza adhesiva con las partículas de cemento (Ge, et al. 2015). Al momento de aumentar el porcentaje de cal hidratada en la mezcla, disminuye incluso para las mezclas que contiene residuo de mampostería, esto sucede debido a que la fuerza adhesiva entre las partículas de cal hidratada, residuo de mampostería y cemento es menor. Al aumentar la cal hidratada, hay un mayor número de partículas de este material, y por ende una menor presencia de RM y CPO dentro de la mezcla lo que hace que disminuya la resistencia.
3.3 Prueba de permeabilidad del agua
3.3.1. Absorción, densidad y porosidad
El porcentaje de absorción, densidad y porosidad de las mezclas planteadas en el diseño de experimentos se determinaron mediante las directrices de la ASTM C642 y los resultados se registraron en la Tabla 5 y 6 para 28 y 60 días de curado respectivamente.
Se encontró que la mezcla con mayor absorción a los 28 días de curado fue la M10 y la menor M5, con un porcentaje de absorción de 7,469% y 6,147% respectivamente, lo que representa un 4,4% más de absorción en la mezcla M10 y 4,4% menos de absorción en la mezcla M5 en comparación con la mezcla de referencia (M1). A los 60 días de curado todas las mezclas presentaron una menor absorción y volumen de poros permeables. La menor absorción de las mezclas con presencia de RM en su composición con respecto a la mezcla M1 es posiblemente debido al refinamiento de poros (Ge, et al. 2015; Schackow, et al. 2015). Con respecto al aumento de la cal hidratada, a los 28 y 60 días de curado se observa que tiene un mayor porcentaje de absorción, menor densidad y mayor volumen de poros permeables ya que a excesivas cantidades de cal hidratada o Ca(OH)2, que también se presenta en la reacción de hidratación de cemento como un subproducto y más conocido como portlandita, se considera excesivo su presencia en la mezcla, por lo que esta precipita en el medio y actúa como un agente expansivo, que ayuda a aumentar la porosidad del concreto (Damene, et al. 2016).
Con respecto al porcentaje del volumen de poros permeables, en la Figura 7 se aprecia el comportamiento de este a los 28 y 60 días de curado.
Figura 7 Resistencia a la compresión de las mezclas con adiciones de Residuo de Mampostería y Cal hidratada como reemplazo del Cemento Portland
En la Figura 7 se observa el comportamiento de las mezclas con respecto al porcentaje de poros permeables, en donde las mezclas ternarias con cemento, cal hidratada y residuo de mampostería (M4, M5, M6, M7 y M8) reduce la porosidad de las mezclas, debido al efecto puzolánico que tiene el RM y el hidróxido de calcio adicional que hay en la mezcla, lo que genera una reacción puzolánica resultando en la formación de un gel llamado tobermorita que contiene silicatos/aluminatos cálcicos hidratados, el cual es el mismo producto que se genera en la hi-dratación del cemento. Este gel reduce el volumen de los poros permeables, por lo tanto aumenta la densidad y disminuye la absorción (Schackow, et al. 2015; Dopico, et al. 2008).
3.3.2. Succión Capilar
Los resultados de succión capilar de las mezclas diseñadas experimentalmente se muestran en las Tablas 7 y 8 a los 28 y 60 días respectivamente.
A los 28 días de curado, la rata de absorción primaria se ve favorecida con la incorporación de la cal hidratada en la dosificación de las diferentes mezclas, consiguiendo el valor más alto de todas las mezclas. La mezcla M7 (87% CPO, 7% CH y 7% RM) presenta el mayor coeficiente de absorción capilar (K) 0,0354 Kg/m2seg1/2 y el menor valor de la resistencia a la penetración de agua 1,703 x 107 s/m2; esto afecta a la durabilidad del concreto.
A los 60 días de curado, se aprecia que en la mayoría de los casos, la tendencia de la resistencia a la penetración de agua para muestras es aumentar, esto puede ser debido a una mayor hidratación del cemento y la reacción puzolánica de las mezclas con RM. Las mezclas con mayor resistencia a la penetración (m) (M4, M5, M6, M7 y M8) tienden a tener una mejor durabilidad en el concreto debido a que al tener un mayor m, es más complicado la penetración de agentes externos en el concreto, además que al hidratarse toda la mezcla (Cemento, puzolana y cal hidratada), generan cristales que bloquean los poros y esto hace este concreto menos permeables (Barbhuiya, et al. 2009). Cabe recordar que la reacción que produce el residuo de mampostería y la cal hidratada se forman a edades tardías de curado, característico de las reacciones puzolánicas (Matias, et al. 2014).
4. Conclusiones
En el presente estudio, se investigó sistemáticamente las propiedades en estado endurecido de las mezclas ternarias de CPO, RM y CH en concreto. Con base en los resultados, se pueden extraer las siguientes conclusiones:
El empleo del residuo de mampostería proveniente de los residuos de construcción y demolición en mezcla con cal hidratada son una alternativa viable como reemplazo del cemento hasta en un 20%. Ya que de esta forma se da un aprovechamiento a los RM, los cuales son una problemática ambiental debido a su alto volumen producido en remodelaciones, construcciones y demoliciones.
Cuando la cantidad de residuo de mampostería es mayor en la mezcla, la resistencia a la compresión presenta un mejor desempeño en comparación al patrón, cuando la mezcla presenta mayores cantidades de cal hidratada.
La sinergia observada en las mezclas ternarias CPO/RM/CH se atribuye a los efectos físicos y químicos, como son el efecto filler del CH y puzolánico del RM.
