1. Introducción

El concreto es el material más usado en la industria de la construcción (^{Majhi y Nayak, 2019}; ^{Zhang et al. 2019}), por la versatilidad, rentabilidad y confiabilidad que presenta, lo que ha conllevado que en los últimos años la producción de cemento Portland haya alcanzado 4,1 mil millones de toneladas al año (^{Tang et al. 2019}). La elaboración de este aglomerante, demanda una gran cantidad de materias primas y consumo energético considerable, lo que produce emisiones de CO₂ a la atmosfera (Bulatovic et al. 2017). Por lo que la necesidad de encontrar materiales que puedan sustituir el cemento es evidente, ya que con ello se evitaría una gran cantidad de emisiones de dióxido de carbono por cada tonelada de cemento producida. Además de la problemática que causa la fabricación de cemento Portland, en la actualidad se genera una gran cantidad de residuos de construcción y demolición (RCD) debido a la excavación, construcción, demolición o mantenimiento de las obras civiles (^{Wong et al. 2018}; ^{Muduli y Mukharjee, 2019}), los cuales son depositados en vertederos y como relleno en canteras donde ya no se extrae material, lo cual conduce a un aumento de costo por el transporte y eliminación (^{Bravo et al. 2015}).

Los RCD consisten en su mayoría en residuos sólidos de tipo inertes como concreto, mortero, ladrillo, metal, cerámica, madera, plástico y vidrio, los cuales pueden ser reciclados (^{Islam et al. 2019}). Los ladrillos o residuos de mamposteria son el segundo material más empleado en la construcción después del concreto (^{Wong et al. 2018}; ^{Gálvez-Martos et al. 2018}), el cual hace parte de los RCD. Además, este residuo se genera también durante su fabricación (^{Ercikdi et al. 2015}). Por ejemplo, en Brasil, la industria ladrillera genera una cantidad considerables de ladrillos no conformes (principalmente debido a la falta de homogeneidad de las materias primas, resultado en la aparición de grietas y roturas) (^{Schackow et al. 2015}). Por otra parte, en países como China, en los últimos años, sus actividades de demolición y reconstrucción han generado una gran cantidad de residuos de ladrillos que alcanzan los 0,4 billones de toneladas anuales (^{Li et al. 2016}). En India, la mayoría de sus edificaciones son construidas con ladrillos de arcilla, por lo que anualmente se fabrican 250 mil millones de ladrillos (^{Kulkarni y Rao, 2016}), lo que generaría también residuos de este material. En la Unión Europea EU los ladrillos de arcilla constituyen el 30% del total de los RCD y alcanzando hasta cantidades más altas en países como España, el cual es de 54% (^{Silva et al. 2019}). Los residuos de ladrillo o de mampostería de ladrillo de arcilla son considerados como puzolanas, por su capacidad de reaccionar con el Ca(OH)₂ producido en las reacciones de hidratación del cemento Portland (^{Lin et al. 2010}; ^{Silva et al. 2019}). Sin embargo, en estado crudo, las arcillas no presentan actividad puzolanica, por lo que deben ser sometidas a un tratamiento térmico para permitir a este material pasar de un estado cristalino a un estado más o menos amorfo mediante la deshidroxilación (^{Mohammed, 2017}). Para lograr este fenómeno (evaporación del agua ligada químicamente en la arcilla), estas deben de someterse a temperaturas entre 500 °C y 900 °C donde se da la formación de metacaolín y materiales amorfos (^{Ercikdi et al. 2015}; ^{Schackow et al. 2015}). Por estas características, el polvo de ladrillo de arcilla podría emplearse como un material cementiceo suplementario, lo cual traería beneficios ambientales derivado de la menor demanda de cemento Portland y reducción en la cantidad de desecho.

Ademas de la problemática generada por los RCD, en la actualidad los estándares de construcción han cambiado, por lo que las modificaciones en el concreto son oportunas (^{Gill y Siddique, 2018}). El concreto autocom-pactante (CAC) se adapta muy bien a los requerimientos actuales, debido a sus propiedades en estado fresco principalmente, como la capacidad de paso, capacidad de llenado o deformabilidad y estabilidad (resistencia a la segregación) (^{Abd Elaty y Ghazy, 2018}). Por otra parte, el rendimiento en estado endurecido de los concretos es de gran importancia, por lo que la durabilidad a largo plazo es un factor a tener en cuenta. La variación de las características mecánicas del concreto a lo largo del tiempo es una consecuencia de los ataques químicos, físicos y ambientales. Entre los ataques más comunes que afectan la resistencia a la compresión es el ataque por sulfatos (^{Liu et al. 2012}).

El ataque por sulfatos causa daños significativos en los materiales cementiceos, debido a las reacciones que se producen con la pasta, generando la formación de la etringita expansiva (3CaO-Al₂O₃-2CaSO ₄-31H₂O) y yeso (CaSO ₄-2H ₂O), y en algunos casos la formación de la taumasita (CaSiO₃-CaCO₃-CaSO₄-15H ₂O) la cual requiere de bajas temperaturas, humedad, iones carbonatos y fuente de silicato de calcio (^{Skaropoulou et al. 2013}). La resistencia a sulfatos de los materiales a base de cemento depende de varios factores entre los que esta la estructura del poro, la disponibilidad de C₃A y Ca(OH)₂ (^{Irbe et al., 2019}). Esto puede mejorarse mediante el empleo de Clinker con un contenido inferior de C₃A o disminuyendo la cantidad de C₃A mediante el empleo de un material cementicio suplementario, ya que además de tener un efecto dilución en el C₃A, puede consumir la portlandita (Ca(OH)₂).

El empleo de RCD como componente del concreto juega un papel importante actualmente en las actividades de ingeniería respecto al impacto ambiental y de sostenibilidad en la fabricación de este material compuesto. El uso del residuo de mampostería (RM) como reemplazo parcial del cemento Portland disminuye el impacto negativo y los costos en la elaboración de concreto autocompactante (CAC). Sin embargo estudios sobre la durabilidad de CAC con RM no han sido realizados. Por ello, el propósito de esta investigación fue evaluar el efecto del RM proveniente de la demolición y remodelación de viviendas sobre la resistencia de concretos autocompactantes expuesto a una solución de sulfato de sodio, durante un periodo de 360 días.

2. Programa Experimental 2.1. Materiales

2.1.2. Residuo de mampostería (RM)

El residuo de mampostería se obtuvo de remodelaciones y construcciones de viviendas familiares (Figura 1). Después de su muestreo, el RM se sometió a un proceso de conminación en un molino de bolas hasta obtener un tamaño de partícula impalpable, cercano al del OPC empleado.

Figura 1 Residuo de mampostería generado en construcción y remodelación de viviendas familiares 

2.2. Proporciones de mezcla

Tres mezclas en total se desarrollaron. Una fue la mezcla de control (PATRON), y otras dos mezclas (25% RM y 50% RM) fueron elaboradas reemplazando el 25% y 50% del cemento Portland por residuo de mampostería. El contenido de los agregados se fijó en 1581,32 kg/m³ y se mantuvo constante el contenido de agua y de superplastificante en 202,5 kg/m³ y 5,3 kg/m³ respectivamente. Los diseños de mezclan se registraron en la Tabla 2.

2.3 Métodos de prueba

3. Resultados y discusiones

3.2 Propiedades en estado endurecido

3.2.1. Resistencia a la compresión

Curados en agua potable

La Figura 2 muestra la resistencia a la compresión de los concretos autocompactantes curados en agua potable a diferentes días de curado, donde se observa un incremento a medida que aumentan los días de curado. La resistencia inicial (28 días de curado) la mezcla que presento la mayor resistencia fue el CAC PATRON, con un valor de 49,54 MPa, siendo en un 21,7% y 43,2% más resistente que las mezclas 25% y 50% RM respectivamente, cabe destacar que en esta edad de curado se presenta la principal diferencia de resistencia entre el CAC PATRON y los CAC con RM. Esto se atribuye a que cuando se emplea una adición mineral por OPC, se puede producir diferentes efectos como son, el efecto dilución, efecto filler o la acción puzolanica (^{Bonavetti y Rahhal, 2006}), en donde a esta edad de curado para los CAC con RM predomino el efecto dilución, lo que trae como consecuencia la disminución de la resistencia, a medida que aumenta el porcentaje de sustitución del cemento Portland. Sin embargo, 180 días después, la mezcla 25% RM alcanza la resistencia desarrollada por el CAC PATRON, esto atribuido a la reacción puzolanica que presenta el RM, la cual es más notoria a los 360 días, donde el CAC con 25% de RM supera la resistencia del CAC de referencia en 3,5%.

Figura 2 Resistencia a la compresión de CAC con RM curadas en agua 

Expuesto a la solución al 5% de Na ₂ SO ₄

La Figura 3 muestra los resultados de resistencia a la compresión de los CACs inmersos en la solución de Na₂SO₄ al 5%, donde la resistencia inicial indica la resistencia a la compresión justo antes de comenzar su periodo de exposición en esta solución, la cual corresponde a 28 días de curado en agua. A los 28 días de exposición se puede observar que todas las mezclas presentaron un aumento de la resistencia, esto atribuido a la formación de la etringita la cual al inicio de su formación tiene cierto impacto positivo en la resistencia, ya que aumenta la compacidad del concreto (^{Majhi y Nayak, 2019}). A los 90 días de exposición, la mezcla PATRON presento una disminución de la resistencia de 7,62% en comparación la resistencia presentada a los 28 días de exposición, esto debido a que la etringita empezó a tener un crecimiento excesivo dentro del concreto que puede tener efectos adversos, como la perdida de resistencia, sin embargo, la resistencia obtenida a esta edad, sigue siendo mayor a la presentada en el inicio del ensayo. A los 180 días y 360 días la resistencia de esta mezcla presento una pérdida significativa, esto atribuido a la expansión y agrietamiento producido por la etringita.

Figura 3 Resistencia a la compresión de CAC con RM expuestas a una solución de Na₂SO₄ 

Los CAC con RM en ninguna de las edades de exposición presentaron caída de resistencia, lo que demuestra que el RM tuvo un comportamiento positivo frente al ataque del sulfato de sodio, debido a la menor disponibilidad de hidróxido de calcio debido al efecto dilución por el menor contenido de cemento además de la reacción puzolanica, que fija este compuesto.

La Figura 4 muestra los valores relativos de la resistencia a la compresión. Los valores ilustrados son la relación entre la resistencia a la compresión de las concretos autocompactantes sumergidos en la solución de Na₂SO₄ y sus valores de referencia correspondiente a la misma edad curados en agua. Se puede concluir que el CAC PATRON fue el más afectado a la exposición en la solución de sulfato de sodio, mientras que las mezclas con RM presentaron un aumento de resistencia a la compresión en cada uno de los periodos de exposición evaluados respecto a sus correspondientes especímenes de referencia.

Figura 4 Cambio de la resistencia a la compresión de CAC expuestos a la solución de Na₂SO₄ en relación con los curados en agua 

3.2.2 Expansión

La expansión de las barras de los CACs expuesta en la solución de Na₂SO₄ se presenta en la Figura 5. Se puede observar, para la mezcla PATRON, la expansión ocurre en dos etapas. Una primera etapa desde el inicio de la exposición hasta los 140 días, donde la expansión es muy baja, algunos autores la denominan periodo de inducción (^{Santhanam et al. 2002}). Al final del periodo de inducción, inicia la etapa 2, la cual es marcada por una expansión alta que continua a una velocidad elevada hasta que la probeta se desintegra, esto debido al aumento de la cantidad de etringita y yeso, la cual ya no puede acomodarse en la estructura del concreto.

El mecanismo de ataque que se presenta en la solución de Na₂SO₄, de acuerdo a ^{Santhanam et al (2003}) después del periodo durmiente (inducción), en la zona superficial de las barras de CAC se da la formación de etringita y yeso, la cual se comporta como una piel que trata de expandirse, cuando lo logra y empieza la generación de grietas en el interior del concreto, que con el tiempo la zona de la superficie empieza a deteriorarse debido a la penetración continua de la solución, la cual, al momento de alcanzar las zonas interiores agrietadas, reacciona con los productos de hidratación, conduciendo a la deposición de etringita yeso en las grietas y poros, debido a que estos lugares son los mejores sitios para la nucleación. En esta zona, al suceder esto empieza a ocurrir expansiones, causando fuerzas de tracción en la mezcla, lo que origina nuevas grietas en la zona interior. En esta instancia, en el concreto se presentan tres zonas distintas, la superficie desintegrada, la zona de deposición de los productos de ataque y la zona interior químicamente inalterada, cuando estas tres zonas están en el concreto el ataque progresa a un ritmo constante hasta que se produce la desintegración por completo (^{Santhanam et al. 2003}).

Los CAC con RM, presentaron una reducción de la expansión drástica, ya que el empleo de adiciones activas disminuyen la permeabilidad de los CACs, lo que reduce la penetración de la solución de sulfato. Por otra parte, el RM es capaz de fijar la portlandita por la reacción puzolanica, lo que reduce la formación de yeso, lo que disminuye el efecto negativo del ataque de la solución de Na₂SO₄.

Figura 5 Expansión de CAC expuestos en la solución de Na2SO4 durante 365 días 

3.2.3. Microestructura (Micrografía Electrónica de barrido)

Las Figuras 6 y 7 muestran los productos microestructurales formados en las muestras curadas en agua y en la solución de sulfato de sodio mediante la técnica SEM. En la Figura 6 se aprecia las pastas a los 360 días de curado en agua, donde se puede observar una estructura compacta (magnificación x 1000), evidenciando una microestructura continúa, debido a un proceso de hidratación avanzado lo que conduce a una estructura compacta y densa (Sikandar et al. 2019). Por otra parte, a una magnificación mayor (x2000) se observa etringita (AFt) en forma de agujas y otros productos de hidratación incluido el silicato de calcio hidratado (C-S-H).

Figura 6 Imágenes SEM de pastas curadas en agua por un periodo de 360 días 

Figura 7 Imágenes SEM de pastas expuestas en Na2SO4 por un periodo de 360 días 

En la Figura 7 se observan los principales productos de deterioro como son el AFt y yeso (Y) (CaSO₄-2H ₂O) en las diferentes pastas, los cuales generan posteriormente expansión y agrietamiento (^{Liu et al. 2019}). En las micrografías a una magnificación de x 1000 se puede apreciar pequeñas microgrietas que presentan las diferentes mezclas debido al ataque por los iones sulfatos. Al mismo tiempo, a una magnificación x 2000, los principales productos de la reacción química de la pasta con los iones sulfatos fueron láminas irregulares y cristales afilados en forma de aguja.

En comparación, con las muestras curadas en agua, hay pequeña manifestación de daños menores en las muestras con presencia de RM, indicando que estas mezclas exhibieron una insignificante incidencia la cual genero un hinchazón y agrietamiento mínimo, que por el contrario, en la mezcla PATRON se manifestó de gran manera.

3.2.3 Caracterización de minerales por análisis de DRX

Generalmente, el ataque de sulfatos a concretos se presenta cuando los iones sulfatos penetran la estructura de este material compuesto a través de los poros capilares y reaccionan con componentes (C3A, AFm no hidratado, alúmina reactiva de los MCS, portlandita etc) de la pasta de cemento y produce productos expansivos (etringita y yeso) (^{Li et al. 2019}), los cuales generan agrietamiento y perdida de resistencia. Estos productos pueden ser identificados por DRX.

Para investigar los productos formados, las muestras en su totalidad se recolectaron, molieron y se analizaron por DRX. Los patrones de DRX de las mezclas PATRON, 25% RM Y 50% RM curadas en agua y expuestas en la solución de Na₂SO₄ se muestran en la Figura 8. Las fases de las pastas después de 360 días de exposición en la solución de sulfato de sodio son principalmente etringita (E), yeso (Y), cuarzo (Q) y calcita (C), lo que sugiere que si se ha presentado un ataque químico con sulfato (Chen et al. 2017). Además, es evidente que la intensidad de los picos de etringita y yeso es mayor en las muestras sumergidas en Na₂SO₄ que las curadas en agua para todas las mezclas, lo que está relacionado con la reacción química entre los iones sulfatos y los productos de hidratación del cemento Portland. Por otra parte, hay que destacar la menor intensidad del pico de portlandita en las mezclas expuestas en la solución de sulfato de sodio, lo que demuestra que la matriz de los diferentes CAC ha sufrido cierto deterioro por el ataque de sulfatos, ya que estos iones reaccionan con esta fase (Ca(OH)₂ para formar la etringita y el yeso (^{Li et al. 2019}), conjuntamente con esta reacción, también se presenta en la reacción puzolanica y el efecto dilución en las mezclas con RM.

Figura 8 Patrón de DRX de las muestras curadas en agua y expuesta a la solución de Na2SO4 al 5%, (a) PATRON, (b) 25% RM y (c) 50% RM 

3.2.4. Análisis FTIR

La técnica FTIR se llevó a cabo para identificar los diferentes grupos funcionales presente en la pasta de los CACs. Como se observa en la Figura 9, las bandas 3445 cm^-1 y 1649 cm^-1 son causadas al estiramiento y flexión del grupo O-H atribuido particularmente al yeso (^{Shaheen y Pradhan, 2017}), la cual es más intensa para las pastas expuestas en la solución de Na2SO4 en comparación con las curadas en agua. Por otra parte, hay una banda pequeña del grupo O-H a 3663 cm^-1 atribuida a la presencia de hidróxido de calcio de la pasta, la cual es más notoria para la muestra PATRON. La presencia de etringita como lo indica el DRX, fue corroborado por la presencia del pico Al-O a 874 cm^-1 en todas las mezclas (^{Shaheen y Pradhan, 2017}), por otra parte, la banda a 1120 cm^-1, la cual es más pronunciada en las mezclas expuesta a la solución de sulfato, sobre todo en la mezcla PATRON, es debido al estiramiento asimétrico de los enlaces S-O en los grupos SO4^-2, denotando también la presencia de etringita (^{Asensio de Lucas et al. 2016}). Sin embargo, el yeso también muestra una banda de absorción en el rango entre 1100 a 1200 cm^-1 correspondiente a las vibraciones u3 del SO4^-2 presente en este compuesto (^{Choudhary et al. 2015}). Por otra parte, las bandas ubicadas entre 601 cm-1 a 776 cm^-1 también se asocian al yeso, las cuales son debido a las vibraciones u1 y u4 de SO4^-2 (^{Shaheen y Pradhan, 2017}). La banda alrededor de 1430 cm^-1 pertenece a la vibración de estiramiento típica de C-O, correspondiente al carbonato de calcio (^{Cai et al. 2018}). La banda a 975 cm^-1 a esta edad de hidratación corresponde a la precipitación del C-S-H amorfo.

Figura 9 Espectro FTIR de las mezclas PATRON, 25% RM y 

4. Conclusiones

Las conclusiones extraídas de esta investigación sobre el desempeño de concretos autocompactantes en estado fresco, y endurecido expuesto a sulfato de sodio se enumeran a continuación.

El empleo del residuo de mampostería en general mejora las propiedades de trabajabilidad de los concretos autocompactantes. Estas propiedades evaluadas mediante el flujo de asentamiento por cono de Abrams, embudo en V y caja en L, en todos los CAC estuvieron en el rango adecuado para este tipo de concreto.

La resistencia a la compresión de los CACs se ve afectada por la presencia de RM, la cual es mas notoria a edades tempranas, y aún más para el concreto con 50% de RM. Sin embargo como la mayoría de materiales puzolanica (ceniza volante y escoria), la resistencia aumento a edades avanzadas, siento mayor la resistencia a la compresión para el CAC 25% RM a los 360 días de curado en comparación al CAC PATRON.

La exposición de los concretos autocompactantes en la solución de sulfato de sodio genera en la matriz la formación de etringita y yeso, que proporciona una expansión interna conllevando al deterioro del concreto, sin embargo, es notorio que la formación de estas dos fases es menor en las mezclas con 25% y 50% RM, lo cual es evidente en la menor intensidad de los picos de etringita y yeso en los patrones de DRX en comparación con la mezcla con 100% cemento Portland (PATRON).

La adición del residuo de mampostería (RM) tiende a mejorar la resistencia al ataque por sulfato del concreto autocompactante, la cual es más notorio a edades prolongadas de exposición