aprovechamiento de una ceniza de fondo de …
TRANSCRIPT
APROVECHAMIENTO DE UNA CENIZA DE FONDO DE CALDERA
EN LA FABRICACION DE UN CONCRETO LIVIANO.
ALEXANDRA GONZÁLEZ MUÑOZ.
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA-CALI
FACULTAD DE INGENIERIA
INGENIERIA DE MATERIALES
SANTIAGO DE CALI
2015
2
APROVECHAMIENTO DE UNA CENIZA DE FONDO DE CALDERA
EN LA FABRICACION DE UN CONCRETO LIVIANO.
Presentado por
ALEXANDRA GONZÁLEZ MUÑOZ.
Trabajo de grado para optar el título de Ingeniera de Materiales.
Director
INGENIERA MARIBEL AMU BOLAÑOS
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA-CALI
FACULTAD DE INGENIERIA
INGENIERÍA DE MATERIALES.
SANTIAGO DE CALI
2015
3
AGRADECIMIENTOS
Primero a Dios por permitirme tener la posibilidad y los medios para llegar a esta
etapa universitaria y por darme la sabiduría y dedicación con mis labores como
estudiante y poder llegar hasta la etapa final de este gran recorrido.
A mis padres porque ellos son el motor y los que hacen que cada día tenga más
ganas de salir adelante para cumplir mis ideales, a toda mi familia, mis amigos,
mis hermanos y mis abuelos, en especial a mi abuela que siempre soñó con
verme el día de mi grado y sé que desde el cielo va estar muy feliz por este logro.
A Andrés porque fue de gran apoyo en esta etapa y siempre estuvo a mi lado
cuando sentía mucha angustia por los obstáculos que se me presentaban.
A mi profesora Maribel porque me guio en la etapa más importante de este trabajo
y me aclaro el camino que debía seguir para llegar al final de una de las etapas
más importantes de mi vida. Gracias a todos los que de alguna manera aportaron
una parte de ellos para desarrollar con éxito este trabajo de grado.
4
DERECHOS DE AUTOR
El desarrollo de la investigación para consolidar el trabajo de grado, constituido
por gráficas, tablas de resultados, figuras, imágenes y bibliografías, son propiedad
intelectual de mi autoría ALEXANDRA GONZÁLEZ MUÑOZ en conjunto con la
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI.
Por tal motivo la reproducción parcial o total del documento queda prohibida, sin
permiso de los autores anteriormente mencionados.
5
CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................. 10
NOTA ACLARATORIA. .......................................................................................... 11
1. INTRODUCCIÓN. ........................................................................................... 12
2. OBJETIVOS. ................................................................................................... 13
2.1. OBJETIVO GENERAL. ............................................................................. 13
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. .................................................................... 13
3. PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN. ............................................................ 14
4. MARCOS DE REFERENCIA. .......................................................................... 15
4.1. MARCO DE ANTECEDENTES. ............................................................... 15
4.2. CONCEPTOS DE REFERENCIA. ............................................................ 19
4.2.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CENIZAS: ................................................. 19
4.2.2. AGREGADO NATURAL: .................................................................... 19
4.2.3. CONCRETO TRADICIONAL O CONVENCIONAL: ........................... 20
4.3. PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS. ................................................. 20
4.3.1. GRANULOMETRÍA: ........................................................................... 20
4.3.2. MÉTODO GRÁFICO DE FULLER Y THOMPSON: ............................ 21
4.3.3. TAMAÑO: ........................................................................................... 22
5. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL. ................................................................ 23
5.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN. ..................................................................... 23
5.2. MATERIAS PRIMAS. ................................................................................ 23
5.2.1. DESCRIPCIÓN: ................................................................................. 23
5.2.2. CARACTERIZACIÓN: ........................................................................ 24
5.3. DISEÑO DE MEZCLAS. ........................................................................... 27
5.4. DISEÑO EXPERIMENTAL ....................................................................... 30
5.5. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL
CONCRETO ADICIONADO. .............................................................................. 32
5.5.1. ENSAYO DE COMPRESIÓN: ............................................................ 32
5.5.2. ENSAYO DE SUCCIÓN CAPILAR: .................................................... 33
6
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS. ........................................................................... 34
6.1. DENSIDAD DE LOS AGREGADOS: ........................................................ 34
6.2. GRANULOMETRÍA................................................................................... 35
6.3. PROPIEDADES FISÍCAS DEL CONCRETO. ........................................... 36
6.4. RESULTADOS DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN: ........................ 37
6.5. ENSAYO DE SUCCIÓN CAPILAR. .......................................................... 41
7. CONCLUSIONES. ........................................................................................... 43
8. BIBLIOGRAFIA. .............................................................................................. 44
7
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Número de mezclas y días de ensayo. .................................................... 25
Tabla 2. Análisis granulométrico para agregados finos (NTC 174). ....................... 26
Tabla 3. Análisis granulométrico para agregados gruesos (NTC 174). .................. 26
Tabla 4. Proporciones de los agregados en las mezclas de concreto. .................. 29
Tabla 5. Especificaciones del diseño experimental. ............................................... 30
Tabla 6. Densidad de los agregados. .................................................................... 34
Tabla 7. Propiedades físicas de las mezclas de concreto. .................................... 36
Tabla 8. Análisis de varianza de la resistencia a la compresión. (R2= 96,92%) ..... 38
Tabla 9. Prueba de Tukey, para la resistencia a la compresión. (=5%) ............... 39
Tabla 10. Ecuaciones para determinar velocidad de succión capilar. .................... 42
8
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES.
Ilustración 1. Relación entre resistencia a la compresión y proporción de
reemplazo. ............................................................................................................. 17
Ilustración 2. Relación entre el porcentaje de ceniza adicionado y la conductividad
térmica. .................................................................................................................. 17
Ilustración 3. Curva de resistencia a la compresión para los concretos adicionados
con CFC. ................................................................................................................ 18
Ilustración 4. Esquema del proceso de obtención de cenizas. .............................. 19
Ilustración 5. Curvas granulométricas máximas, medianas y mínimas. ................. 21
Ilustración 6. Etapas de la metodología experimental. ........................................... 23
Ilustración 7. Identificación y descripción de las materias primas. ......................... 24
Ilustración 8. Proceso de extracción por cuartiles. ................................................. 25
Ilustración 9. Procedimiento de diseño. ................................................................. 28
Ilustración 10. Equipo para medir la resistencia a la compresión de concretos
marca Pinzuar. ....................................................................................................... 32
Ilustración 11. Discos de concreto para ensayo de succión capilar. ...................... 33
Ilustración 12. Corte transversal de os concretos elaborados. .............................. 34
Ilustración 13. Curva de gradación de los agregados. ........................................... 36
Ilustración 14. Resultados de ensayo de resistencia a compresión. ...................... 37
Ilustración 15. Comportamiento de las probetas frente al ensayo de compresión. 39
Ilustración 16. Fallas en los cilindros de concreto. ................................................. 40
Ilustración 17. Tipos de fallas reportados por la norma. ........................................ 41
Ilustración 18. Velocidad de succión capilar para los 4 tipos de mezclas. ............. 41
9
ÍNDICE DE ECUACIONES.
Ecuación 1. Densidad aparente. ............................................................................ 27
Ecuación 2. % Absorción de agregados. ............................................................... 27
Ecuación 3. Ecuación para el cálculo de contenido de cemento. .......................... 29
Ecuación 4. Incremento de unidad de masa por área. ........................................... 33
10
RESUMEN
El presente trabajo se realizó con el fin de establecer, desde la investigación, el
comportamiento físico y mecánico de un concreto tradicional cuando se le adiciona
en diferentes proporciones una ceniza liviana de fondo de caldera (CFC)
subproducto de la quema de caña de azúcar durante la fabricación de papel. Éste
subproducto reemplazó parcialmente al agregado grueso y fino en el concreto
hidráulico que, en el caso particular de esta investigación, corresponde a grava de
origen natural producto de la trituración de rocas de cantera y arena del rio cuaca.
La etapa experimental se inició con el muestreo en sitio de la ceniza de fondo de
caldera, seguido de la separación manual de la misma antes de pasar a la
realización de un análisis granulométrico basado en la norma NTC-77 en una
tamizadora eléctrica marca PINZUAR. Para identificar las propiedades de los
agregados se realizaron pruebas de densidad bajo la norma NTC-176. Finalmente,
a partir del método ACI se realizaron mezclas de concreto con la CFC como
agregado, se evaluó el comportamiento mecánico según lo establecido en la
norma NTC-673, los cilindros fueron evaluados en la máquina de ensayos
universales de referencia PINZUAR PC42D [1].
Como datos relevantes se observó que, a medida que se aumenta el contenido
de CFC tiende a disminuir la densidad del concreto; esto es debido a que la CFC
es un agregado de naturaleza porosa gracias a su procedencia. También, se
observó que la resistencia a la compresión disminuye con el aumento de CFC
debido a que este material contribuye a la presencia de una gran cantidad de
espacios vacíos al interior del concreto. La velocidad de succión capilar del
concreto aumentó en la mezcla que contenía mayor porcentaje de finos; esto es
explicado por el alto porcentaje de absorción que por naturaleza poseen estos
agregados.
11
NOTA ACLARATORIA.
Este trabajo se inició en el primer periodo del 2014 como un proyecto de semillero
de investigación bajo la dirección del profesor Edward Fernando Toro, lo que dio
paso a extender la investigación y convertirlo en un trabajo de grado para optar
por el título de ingeniera de materiales. A partir de esto y con la ayuda del profesor
se inició la etapa del anteproyecto de trabajo de grado, y la metodología
desarrollar el diseño de mezclas y a evaluar el efecto que la CFC tiene al
incorporarse en el concreto. Por razones institucionales, en el segundo periodo del
año 2015 esta investigación paso a ser dirigida por la profesora Maribel Amú
Bolaños. Con la profesora Maribel se reforzó la parte teórica que ya se había
desarrollado con el anterior director, se hizo un seguimiento del análisis de los
resultados y las conclusiones para el trabajo final que se hará entrega a la
facultad.
12
1. INTRODUCCIÓN.
En la actualidad el planeta se enfrenta al impacto ambiental generado por las
acciones que realiza el ser humano provocando problemas ambientales. El
ambiente puede ser alterado de diversas formas, tanto natural como
artificialmente, entre las cuales encontramos las actividades domésticas y
económicas del ser humano como una de las causas principales del deterioro
ambiental. De estas actividades podemos mencionar, la minería, la contaminación
atmosférica a causa de las industrias, la agricultura, la construcción, etc. La
contaminación de la industria papelera, es una de las tantas actividades humanas
que atentan contra el equilibrio ecológico, ya que produce desechos que
perjudican el medio ambiente. Para mitigar los problemas ambientales existen
medidas que se pueden tomar para contribuir a la disminución de este problema
producido por la industria productora de papel. Entre estos procesos podemos
encontrar el reciclaje y clasificación de residuos, reutilización como compostaje o
relleno y aprovechamiento de todos los residuos que la industria genera, ya que el
almacenamiento y transporte es un gasto que la industria tiene de más en sus
procesos. La valorización de los residuos es la mejor solución para disminuir los
problemas ambientales que se presentan actualmente, entre estos encontramos el
aprovechamiento de las cenizas de fondo de caldera como agregado liviano para
la fabricación de un concreto de baja densidad [2].
Si comparamos el concreto tradicional con el concreto liviano se puede evidenciar
que poseen un rango de densidades entre 2240 a 2400 kg/m³ y 1440 a 1840 kg/m³
respectivamente. Para aplicaciones no estructurales el concreto liviano deberá
tener una resistencia superior a 17.0 MPa. El concreto aligerado se fabrica
mediante la combinación de agregado grueso liviano con agregado fino de peso
normal. La sustitución total del agregado grueso de peso normal por liviano reduce
la densidad del concreto aproximadamente a 1600 kg/m³ [3]. El concreto liviano es
fundamental para reducir peso en las construcciones, reduciendo la carga muerta
de una estructura permitiendo disminuir la cimentación.
El propósito de esta investigación es fabricar un concreto liviano a partir de la
incorporación de la ceniza de fondo de caldera, residuo de la industria papelera,
como agregado de baja densidad. Según un reporte técnico del ministerio de
minas y energía [3], este tipo de agregado es escaso en la región, por lo tanto,
existe un déficit de construcciones de concreto celular y de esta manera se genera
una falta en el desarrollo económico en la industria de la construcción.
13
2. OBJETIVOS.
2.1. OBJETIVO GENERAL.
Elaborar un concreto aligerado utilizando como agregado una ceniza de fondo de
caldera obtenida como residuo del proceso de fabricación de papel.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Caracterizar las materias primas para elaborar el concreto. (Determinar la
densidad, absorción y la gradación de la CFC, la arena y grava disponibles
para la elaboración del concreto.
Elaborar el diseño de mezclas del concreto adicionado con ceniza de fondo
de caldera.
Evaluar las propiedades físicas y mecánicas del concreto adicionado con
cenizas de fondo de caldera.
Determinar la velocidad de succión capilar de los concretos elaborados.
14
3. PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN.
El sector de la construcción está entre los principales responsables del desarrollo
económico en el Valle del Cauca con un crecimiento del 16.9 % en el incorporado
del PIB 2013 del departamento. Sin embargo, existen necesidades en la
innovación y alternativas de construcción; los cuales generen disminución en la
carga muerta de la edificación, tales como: concretos autocompactantes,
bombeados y livianos que se pueden fabricar a partir de esquisto, arcilla, pizarra y
escoria produciendo concreto estructural ligero de 1350 a 1850 kg/m3 en peso y
con la piedra pómez, perlita, vermiculita y diatomita producen un concreto aislante
ligero de 250 a 1450 kg/m3 en peso; los agregados mencionados con anterioridad,
en su mayoría, son importados y de alto costo, es decir que existe escases de
agregados livianos en la región. Los agregados son importantes debido a que
ayudan a disminuir el peso en las construcciones [4].
Por otra parte, en la industria de producción de papel a partir del bagazo de caña
de azúcar se generan diferentes tipos de residuo tales como: polvillo de bagazo,
lodos de cal, lodos de la PETAR y ceniza de fondo de caldera; este último produce
una cantidad de 500 kg/día (según la entrevista que se realizó en la empresa en el
año 2013), el cual genera a la empresa costos de trasporte, mano de obra y
espacios de disposición; creando altos costos en la producción. También, se
registra una contaminación ambiental y paisajista debido a la acumulación del
residuo [5].
Por lo anteriormente expuesto en la presente investigación se estudia la
posibilidad de incorporar un subproducto de la industria papelera como posible
alternativa de agregado liviano por medio de un diseño de concreto utilizando el
método ACI con el propósito de obtener propiedades similares a los concretos
aligerados convencionales. Por lo tanto, en este proyecto se estudió el
aprovechamiento del residuo industrial (Ceniza de fondo de caldera) para la
fabricación de concreto liviano que tenga aproximadamente una densidad de 1.8
g/cm3 y resistencia a la compresión de 17 MPa [6].
15
4. MARCOS DE REFERENCIA.
4.1. MARCO DE ANTECEDENTES.
En la actualidad las ciudades de América Latina y el Caribe tienen una tasa de
urbanización del 80% superando a los países desarrollados [6]. Lo que conlleva a
la expansión territorial y modificación del área urbana. En Colombia el crecimiento
urbano se inició desde el siglo pasado, en el último censo realizado por el DANE
(Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas), se determinó que el 75%
de la población colombiana se encuentra ubicada en el área Urbana [7].
Dentro del crecimiento histórico de la ciudad de Santiago de Cali se destacan tres
etapas de expansión poblacional, la primera etapa se presentó entre los años
1938-1973 cuando la ciudad paso de tener 128.634 habitantes a 991.534, la
segunda etapa se presentó a finales de la década de 1970 fecha para la cual la
ciudad contaba con 1.429.026 habitantes y la tercera etapa se presentó entre los
años entre 1985-2005 cuándo la población se incrementó a 2.075.380 habitantes.
Se estimó que la Ciudad de Santiago de Cali para el 2013 contaba con 2.319.684
habitantes [8]. Las etapas de expansión poblacional expuestas anteriormente se
encuentran asociadas a las migraciones producto del conflicto armado y el
desplazamiento forzoso al cual la población colombiana es sometida en la
actualidad, el proceso migratorio se realizó por habitantes de municipios vecinos a
la Ciudad.
Los procesos de crecimiento poblacional aumentan la demanda de vivienda en el
suelo urbano, en la ciudad de Cali en el año 2012 la oferta de vivienda era de
3.172 unidades [9], lo que se tradujo en procesos de construcción masiva de
vivienda en las áreas de expansión urbana, generando la necesidad de innovar en
las construcciones y modificar las estructuras debido a que se deben minimizar la
carga muerta de las edificaciones y conservar el modelo antisísmico con el que se
ha venido trabajando.
A partir de todo esto, no solo en Colombia, sino también en el mundo entero se
han desarrollado diferentes modelos de concreto aligerado, con diferentes
agregados de bajo peso, donde se han encontrado un sin número propiedades
que pueden resultar al adicionar un agregado de fondo de caldera a un concreto
tradicional.
16
En el 2013 Diana Bajare, Janis Kazjonovs y Aleksandrs Korjakins diseñaron un
concreto con agregados livianos provenientes de los residuos industriales. La
producción de concreto ligero con los agregados a partir de subproductos
industriales y residuos sólidos peligrosos, como cenizas volantes, escorias, lodos,
etc. es muy reconocida. Esta investigación proporciona posibilidades de reutilizar
un producto no metálico, como lo es el residuo de las fábricas de reciclaje de
escoria de aluminio, para la fabricación de agregados livianos y concreto ligero
[10]. La fabricación de agregados livianos de ceniza se simuló en el laboratorio
mediante la sinterización de la escoria para producir los desechos en el horno
rotatorio. Los agregados resultaron con densidad aparente de 320 kg/m3 a 620
kg/m3.
En el 2014, Chi Sun Poon y Binyu Zhang, estudiaron la influencia de las cenizas
de fondo de caldera, con sus siglas en inglés (BA), incorporándolas en el concreto
para determinar y evaluar propiedades de aislamiento térmico. El agregado se
estudió de forma sistemática. En total se diseñaron seis mezclas de concreto para
ensayar su resistencia a la compresión a la edad de 28 días, que tuviesen una
resistencia de 17 MPa y con una relación agua/cemento de 0,6 incluyendo una
mezcla patrón que se diseñó para comparar resultados. También, se diseñaron
otras cinco mezclas de concreto adicionado con cenizas de fondo de caldera
sustituyendo el agregado fino por 25%, 50%, 75% y 100% de BA triturado con una
relación agua/cemento de 0,39. Los resultados para las propiedades del concreto
endurecido mostraron que, para la mezcla de concreto adicionado con 100% de
BA, se obtiene una densidad de aproximadamente 1.500 kg/m3. Igualmente, se
determinó que el concreto adicionado presenta menor resistencia y rigidez en
comparación con el concreto patrón. La prueba de aislamiento térmico
(Determinación de constante de conductividad térmica, K) demostró que, al utilizar
el agregado liviano poroso, la conductividad térmica podría bajar alrededor de 70%
en comparación con la mezcla patrón; entre más BA se utilice para reemplazar el
agregado fino, el valor de conductividad térmica podría ser menor. Los resultados
de este estudio demostraron que es factible producir concreto adicionado con BA
en un alto volumen para ser utilizado en aplicaciones donde el aislamiento térmico
sea una condición de diseño [11].
En la ilustración 1, se observan los resultados de resistencia a la compresión en
relación a la proporción de reemplazo de ceniza de fondo de caldera donde se
demuestra que, a mayor porcentaje adicionado de ceniza, menor es la resistencia
a la compresión. Al igual que la ilustración 2, donde se muestra la propiedad de
17
conductividad térmica que posee un comportamiento similar ya que es
inversamente proporcional cuando se le adiciona una cantidad de ceniza mayor.
Ilustración 1. Relación entre resistencia a la compresión y proporción de
reemplazo.
Fuente [11].
Ilustración 2. Relación entre el porcentaje de ceniza adicionado y la conductividad térmica.
Fuente [11].
En el artículo científico elaborado por Manuel G. Beltrán y Francisco Agrela, de la
universidad de Córdoba España, determinan las propiedades mecánicas y la
durabilidad de un concreto elaborado con cenizas de fondo como agregado grueso
donde concluyen, que en general, los valores de las propiedades mecánicas y de
durabilidad disminuyen cuando se incorpora la ceniza a diferentes porcentajes
reemplazando el agregado grueso convencional, lo que los llevo a estudiar la
incorporación de las cenizas de fondo como un sustituto del agregado fino en la
fabricación del concreto. En esta parte de la investigación se enfocaron en
18
reemplazar el agregado fino del concreto en un porcentaje por las partículas finas
de la ceniza de fondo de caldera. Se diseñó un método de dosificación eficaz que
se puede aplicar para obtener una relación óptima entre el elemento a adicionar y
los demás agregados del concreto tradicional para evaluar las propiedades
mecánicas y de durabilidad con el fin de conocer cuál es la manera óptima de
adicionar las cenizas de fondo de caldera en los concretos tradicionales. Los
resultados mostraron que las propiedades del concreto se deterioraron, y se
obtuvieron las siguientes conclusiones: adicionar este tipo de subproducto como
agregado para el concreto no garantiza una alta resistencia debido a que las
cenizas de fondo de caldera (CFC) presentan una alta absorción y baja densidad,
y una gran cantidad de materia orgánica que se encuentra en este subproducto.
Sin embargo, esta ceniza presenta una distribución de tamaño de partícula
adecuado, de modo que es posible utilizarla como un sustituto para la arena
natural, pero no en grandes proporciones debido a su baja densidad. También
reconocieron que la densidad del concreto después de endurecer fue menor, y la
capacidad de absorción de agua fue mayor. Este hecho se debe a la alta
porosidad del agregado lo que garantiza la aparición de gran cantidad de poros en
el concreto adicionado. Con todo esto los autores consideraron que las CFC se
pueden utilizar en reemplazo de agregados finos y gruesos en el concreto pero
esta adición se debe hacer en proporciones de menor porcentaje, con el fin de
utilizar este concreto adicionado en paredes no estructurales que no requieran
altas exigencias técnicas [12].
En la ilustración 3, se encuentran datos relacionados con la curva de esfuerzo en
MPa para las diferentes mezclas elaboradas a 30, 60 y 90 días de curado.
Ilustración 3. Curva de resistencia a la compresión para los concretos adicionados con CFC.
Fuente [12].
19
4.2. CONCEPTOS DE REFERENCIA.
4.2.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CENIZAS:
Las cenizas se clasifican en dos tipos principales los: la ceniza de fondo o bottom
ash (BA) y ceniza volante o fly ash (FA). La primera es la que precipita en el fondo
de la caldera donde es extraída por gravedad y luego transportada hasta un silo
de almacenamiento. Por otra parte, la ceniza volante es expulsada junto con los
gases de combustión y es atrapada en los filtros del sistema de recolección de
finos, y desde ahí es transportada al silo de almacenamiento. En dicho silo se
mezclan ambos tipos de ceniza donde se identifica como ceniza compuesta para
después ser hidratada y transportada hasta un acopio o relleno ubicado al interior
de la planta. La ilustración 4 muestra un esquema del proceso de obtención de las
cenizas [13].
Ilustración 4. Esquema del proceso de obtención de cenizas.
Fuente [13].
4.2.2. AGREGADO NATURAL:
Los agregados naturales son materiales inertes, de forma granular que constituyen
entre el 70-80% en volumen del concreto; gran parte de las propiedades del
concreto, en estado plástico y endurecido, dependen de las características y
propiedades de estos materiales [14]. Los áridos naturales están conformados por
material mineral, tales como arena, grava y piedra triturada; estos materiales son
fundamentales para formar el concreto. Los agregados naturales se extraen de
montañas a través de una excavación abierta.
20
4.2.3. CONCRETO TRADICIONAL O CONVENCIONAL:
Es un material compuesto particulado, que se encuentra constituido por material
granulado (Grava y Arena) que se compactan por un aglutinante (Cemento). Las
propiedades mecánicas y físicas del concreto se determinan por la relación agua-
cemento, por la cantidad de cemento, estado de los materiales (Grava y Arena). El
comportamiento de un sistema heterogéneo, en este caso el concreto, dependen
de las características físicas y químicas de sus constituyentes y de la interacción
entre ellos [14].
4.3. PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS.
4.3.1. GRANULOMETRÍA:
El análisis granulométrico consiste en la distribución por tamaños de diferentes
minerales, la clasificación en agregados gruesos y finos; la importancia de este
ensayo se debe a la determinación de la gradación del agregado, debido a la
heterogeneidad de tamaños, la ceniza de fondo de caldera se compara con el
agregado tradicional basado en la norma NTC-77 donde se utilizaron los
siguientes tamices para pasar los agregados gruesos (50,8 mm, 38,1 mm, 25,4
mm, 19,0 mm, 12,7 mm, 9,51mm) y finos (4,76 mm, 2,38 mm, 1,19 mm, 0,595
mm, 0,297 mm, 0,149 mm ) [14].
En la ilustración 5, se muestra la gradación de los agregados tradicionales, el
comportamiento granulométrico es variado, las curvas granulométricas entre
agregados tradicionales presentan diferencias siendo materiales con diversidad de
tamaños en las partículas que lo componen, esta característica dificulta la
gradación de los agregados alterando las propiedades del concreto [15].
21
Ilustración 5. Curvas granulométricas máximas, medianas y mínimas.
Fuente [15].
La curva mediana representa la curva ideal, la máxima y mínima asimila el
comportamiento del agregado grueso y fino respectivamente, estos datos
representan a las propiedades que deben tener los agregados según la
bibliografía [15].
4.3.2. MÉTODO GRÁFICO DE FULLER Y THOMPSON:
El método gráfico de Fuller y Thompson es un proceso que permite establecer las
proporciones óptimas entre los agregados gruesos y finos, identificando
relaciones arena-grava para obtener la máxima densidad del concreto. El método
de Fuller y Thompson estipula que la combinación entre la arena y la grava debe
presentar los mínimos espacios posibles, y que el comportamiento granulométrico
se debe asemejar a la curva ideal. Este comportamiento óptimo teóricamente
establece la mejor gradación de la curva con la máxima densidad y por lo tanto
mayor resistencia [14].
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80
% q
ue p
asa
Tamiz (mm)
Minima
Maxima
Mediana
22
Una gradación de forma continua permite que la máxima compacidad del concreto
en estado fresco y por lo tanto la máxima densidad en estado endurecido con la
consecuente máxima resistencia. La forma y textura de los agregados influye
sobre las propiedades del concreto, la textura rugosa mejora la adherencia entre el
agregado y la pasta de cemento. Es importante tener en cuenta que las
proporciones entre la arena y la grava se deben obtener por este método, debido a
que sus granulometrías determinan el porcentaje que debe ser adicionado para
cada mezcla [14].
4.3.3. TAMAÑO:
El tamaño del agregado de cenizas de fondo de caldera es heterogéneo como
consecuencia del manejo y disposición que se le da durante el proceso de
obtención del papel; este tamaño también se va a ver afectado por la baja
densidad del mismo. Teniendo en cuenta esta propiedad la CFC va a presentar
una menor densidad si es comparada con la del agregado tradicional [16].
23
5. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.
5.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN.
El estudio a realizar es de carácter experimental basado en el método ACI para
diseño de concretos; al concreto se le adiciona ceniza de fondo de caldera y se
evalúa la resistencia a la compresión a edades tardías (30, 60, y 90 días).
También, se evalúan propiedades físicas del concreto como la densidad, succión
capilar y absorción. En la ilustración 6, se muestran las etapas de la metodología
experimental que se llevó a cabo para el desarrollo de la investigación.
Ilustración 6. Etapas de la metodología experimental.
5.2. MATERIAS PRIMAS.
5.2.1. DESCRIPCIÓN:
Grava: el diseño de concreto se realizó con una grava triangular, de forma
irregular, producto de la trituración de las rocas que extraen de las canteras,
con un tamaño máximo nominal de ¾”, lo que nos determina que las
Consulta bibliográfica permanente
Etapa 1:
Caracterización
de las materias
primas.
Etapa 2:
Elaboración
del concreto.
.
Etapa 3:
Evaluación de las
propiedades
físicas y
mecánicas.
Grava, arena y
ceniza de
fondo de
caldera.
Etapa 4:
Análisis de
los
resultados.
Siguiendo el
método ACI.
Resistencia a la
compresión,
densidad y absorción,
y succión capilar.
24
partículas de este tamaño se utilizan como agregado grueso. Ver imagen A
de la Ilustración 7.
- Arena: representa a los agregados finos del concreto con un tamaño
máximo nominal de ½”, de forma granular redondeada y de diferentes
tamaños, es una arena de origen natural del rio cauca. Ver imagen B de la
ilustración 7.
- Cenizas de fondo de caldera (CFC): provenientes de la quema de la caña
de azúcar para la fabricación de papel, las CFC son los residuos de mayor
peso que quedan en la caldera los cuales son humedecidos y apilados en el
patio de la planta. Ver imagen C de la ilustración 7.
Ilustración 7. Identificación y descripción de las materias primas.
5.2.2. CARACTERIZACIÓN:
5.2.2.1. Muestreo aleatorio simple (MAS):
Las cenizas de fondo de caldera debido a su origen presentan una elevada
heterogeneidad que genera dificultades dentro del proceso de aprovechamiento;
por lo cual, se desarrolla un muestreo aleatorio simple que permite establecer la
variabilidad del agregado de bajo peso [17], que consiste en la separación por
cuartiles del material extraído directamente de la planta. La ilustración 8 muestra el
proceso de caracterización por cuartiles.
A. Grava. B. Arena. C. Ceniza de Fondo.
25
Ilustración 8. Proceso de extracción por cuartiles.
5.2.2.2. Granulometría norma NTC 77:
La ceniza de fondo y los agregados convencionales son tamizados para
establecer su distribución granulométrica; esta caracterización permite
teóricamente predecir las posibles combinaciones de agregados para obtener
propiedades adecuadas en el concreto [18]. Con base al método grafico Fuller y
Thompson, se les realizó un análisis granulométrico que determinó las
proporciones de arena, grava y CFC óptimos para obtener un diseño de mezcla de
concreto adecuado.
A las mezclas se le realizaron 3 observaciones para cada edad de curado y para
evaluar propiedades físicas y mecánicas en las edades estipuladas como se
demuestra en la tabla 1.
Tabla 1. Número de mezclas y días de ensayo.
Días de curado para ensayo de resistencia a la compresión.
No. Mezclas
30 60 90 Total
Patrón 3 3 3 9
1 3 3 3 9
2 3 3 3 9
3 3 3 3 9
Los materiales que fueron utilizados como agregados tradicionales y las cenizas
de fondo de caldera, se caracterizaron bajo las Norma Técnica Colombiana NTC
174 y NTC-77, la cual permitió establecer los requisitos de gradación para ser
utilizados como agregados, y la calidad de los estos.
26
Agregado fino:
El agregado fino está constituido de arena natural, arena triturada o una mezcla de
ambas. La norma NTC-174 permitió desarrollar una correcta gradación [19]. Estas
especificaciones se ilustran en la tabla 2.
Tabla 2. Análisis granulométrico para agregados finos (NTC 174).
Agregado Grueso:
El agregado grueso debe estar compuesto de grava triturada, para establecer la
gradación el agregado grueso debe cumplir requisitos para el tamaño máximo y
nominal, que se identifican en la norma NTC-174 la cual determina las
especificaciones de los agregados para concreto [20]. Estas especificaciones se
muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Análisis granulométrico para agregados gruesos (NTC 174).
Tamiz NTC 32 Porcentaje que pasa
1" 100
3/4" 100 a 90
1/2" 80
3/8" 50 a 70
No. 4 20 a 40
No. 16 0 a 10
Densidad y absorción:
La densidad es una propiedad intrínseca del material, la cual relaciona la masa y el volumen del agregado; y se ve afectada por la presencia de porosidades e impurezas adheridas al material [21].
El proceso de extracción por cuartiles garantizó que la caracterización de la
materia prima fuese un proceso de cuarteo homogéneo. A las muestras extraídas,
se les efectuó el ensayo de densidad basada en la norma NTC-176; con los datos
obtenidos en este ensayo se realizaron los cálculos matemáticos para determinar
Tamiz NTC 32 (ASTM E11) Porcentaje que pasa
9,5 mm 100
4,75 mm 100 a 90
2,36 mm 80 a 100
1,18 mm 50 a 85
600 25 a 60
300 10 a 30
150 2 a 10
27
la densidad y el porcentaje de absorción de los agregados con la con las
ecuaciones 1 y 2 respectivamente.
Ecuación 1. Densidad aparente.
Ps: Peso seco de la masa Vm: Volumen ocupado por la masa
Ecuación 2. % Absorción de agregados.
5.3. DISEÑO DE MEZCLAS.
Para el diseño de la mezcla de concreto se utilizó la metodología sugerida por el
comité A.C.I.-211. De acuerdo con este comité, en la medida de lo posible, la
selección de las propiedades de una mezcla de concreto debe estar basada en
datos de ensayos (propiedades de los materiales) o experiencias con los
materiales que realmente se van a utilizar. Se debe tener en cuenta: las
propiedades del cemento, calidad del agua y propiedades de los agregados [22].
El procedimiento de diseño de mezclas, se basa en el método de “ensayo y error”,
que en este caso converge rápidamente con el sistema de “ajuste y reajuste”. El
procedimiento que se siguió en el proceso de diseño de una mezcla de concreto
sugerido por el comité A.C.I.-211 se muestra en la ilustración 9:
28
Ilustración 9. Procedimiento de diseño.
El diseño de mezclas realizado sirvió para determinar las especificaciones y
proporciones necesarias en la fabricación de un concreto liviano de acuerdo con el
procedimiento determinado por Diego Sánchez de Guzmán [14]. A continuación se
enlistan las características definidas con respecto al uso del concreto a elaborar.
1. Selección del asentamiento.
Consistencia: Media.
Asentamiento: 50-100 mm
Ejemplo de tipo de construcción: Pavimentos compactados a mano,
losas, muros, vigas.
Sistema de colocación: Colocación manual.
Sistema de compactación: Secciones medianamente reforzadas, sin
vibración.
2. Selección del tamaño máximo del agregado.
Para agregados de formas angulares: D < 1.4 P
Dimensión mínima de la sección: 6-15 cm.
Tamaño máximo: 19 mm.
Selección del
asentamiento.
Selección del
tamaño máximo
del agregado.
Estimación del
contenido de
aire.
Estimación del
contenido de
agua de
mezclado.
Determinación
de la
resistencia de
diseño.
Selección de
la relación
A/C.
Cálculo del
contenido de
cemento.
Estimación de
las
proporciones
de agregados.
Ajuste por
humedad de
agregados.
Ajuste a las
mezclas de
prueba.
29
3. Estimación del contenido de aire.
Contenido de aire en porcentaje (por volumen).
Naturalmente atrapado: 2
Exposición ligera: 3,5
Exposición moderada: 5
Exposición severa: 6
4. Estimación del contenido de agua de mezclado.
Asentamiento: 75 mm.
Agua de mezclado: 203 Kg/m³ de concreto.
5. Determinación de la resistencia de diseño.
Resistencia especificada fˈc (Kg/cm²): Menos de 210.
Resistencia del diseño de la mezcla fˈcr (Kg/cm²): fˈc + 70 Kg/cm²;
210 + 70= 280 Kg/cm².
6. Selección de la relación agua-cemento.
Relación agua-cemento en peso.
Límite superior: 0,59
Línea media: 0,48
Límite inferior: 0.45
7. Calculo del contenido de cemento según la ecuación 3:
Ecuación 3. Ecuación para el cálculo de contenido de cemento.
C =
; C =
8. Estimación de las proporciones de los agregados.
Volumen del agregado grueso por volumen unitario del concreto:
0,66
Módulo de finura: 2,40.
Durante la fabricación del concreto se manejaron tres probetas para cada tipo de
mezcla las cuales, se diseñaron determinando las proporciones bajo el método
gráfico. Las proporciones de cada mezcla son especificadas en la tabla 4.
Tabla 4. Proporciones de los agregados en las mezclas de concreto.
No. Mezclas Proporción de mezclas
Patrón 45% arena - 55% grava
1 50% CFC - 50% grava
2 43% arena - 57% CFC
3 70% AT - 30% CFC
30
Ver anexo B, donde se determina los porcentajes de cada mezcla según la elaboración del método gráfico.
5.4. DISEÑO EXPERIMENTAL
Con el propósito de determinar la influencia de la CFC, y analizar las propiedades
físicas y mecánicas en el concreto endurecido, se elaboraron 4 mezclas: una es la
mezcla patrón, y tres mezclas que contienen diferentes proporciones de arena,
grava y CFC.
Factores, niveles y tratamientos:
La tabla 5 reporta los factores y niveles del diseño experimental. En total se
trabajó con 12 tratamientos resultado de la combinación de factor mezclas y factor
días de curado.
Tabla 5. Especificaciones del diseño experimental.
FACTORES NIVELES TRATAMIENTOS
MEZCLA
PATRON MEZCLA1 MEZCLA 2 MEZCLA3
SON LOS MISMOS NIVESLES DEL FACTOR MEZCLA
DIAS DE CURADO (BLOQUE )
30 60 90
Variables de respuesta:
Resistencia a la compresión (MPa).
Absorción (%).
Velocidad de succión capilar (m². s^½).
Densidad (g/cm3 ).
Unidad experimental:
Son las probetas a las cuales se les medirán las variables de respuesta. Todas las
probetas son elaboradas según los requerimientos de los ensayos determinados
en las normas ASTM y/o NTC.
31
Aleatorización:
Los tratamientos se asignaron al azar a cada unidad experimental, dentro de cada
nivel del factor bloque (días de curado). Dada las condiciones en que se realizó el
experimento se planteó un diseño de bloques completos al azar.
El modelo que representa a este diseño es:
ijiijy i= 1, 2, 3, 4 j=1, 2, 3
Supuestos sobre el error del modelo:
),0(~ 2 Nij , con varianza constante e independiente.
Hipótesis asociadas al modelo:
Para Ho, el tipo de mezcla no tiene ningún efecto sobre las propiedades físicas y
mecánicas del concreto endurecido.
Ho=
Para Ha, pueden existir diferencias entre las propiedades físicas y mecánicas del
concreto endurecido.
Ha=≠´
Para el análisis de los resultados del modelo tales como: anova, pruebas post
anova y gráficos se utilizó el paquete estadístico Minitab 16.
Numero de observaciones repetidas:
Para cada mezcla se fabricaron 3 observaciones repetidas con la intención de
tener mayor seguridad en la evaluación de las propiedades.
32
5.5. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL
CONCRETO ADICIONADO.
5.5.1. ENSAYO DE COMPRESIÓN:
Los ensayos de compresión se realizaron de acuerdo con las normas NTC 550 Y
NTC 673 [23] en el laboratorio de la Universidad San Buenaventura de Cali. Para
los ensayos de compresión se elaboraron 3 muestras por cada mezcla definida en
el diseño experimental.
La resistencia a la compresión se evalúo a 30, 60 y 90 días de curado. Las
especificaciones y el equipo utilizado se muestran en la ilustración 10.
Ilustración 10. Equipo para medir la resistencia a la compresión de concretos marca Pinzuar.
33
5.5.2. ENSAYO DE SUCCIÓN CAPILAR:
Este ensayo se realizó a 30 días de curado siguiendo el procedimiento de la
norma ASTM C 1585, 2004 [24]; la cual, determina la metodología para calcular la
velocidad de succión capilar en un concreto endurecido. Se elaboraron 3 muestras
para cada una de las mezclas establecidas. En la ilustración 11 se muestran los
cortes transversales y las muestras durante el procedimiento.
Ilustración 11. Discos de concreto para ensayo de succión capilar.
A. Mezcla patrón. B. Probetas en contacto
con el agua.
Para calcular la velocidad de succión capilar se utilizó la siguiente ecuación:
Ecuación 4. Incremento de unidad de masa por área [25].
34
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS.
6.1. DENSIDAD DE LOS AGREGADOS:
Las densidades de la ceniza de fondo de caldera, de la grava y de la arena son
reportadas en la Tabla 6. La densidad del agregado de bajo peso (Ceniza de
fondo de caldera) es 35% menor comparada con la grava y 5% mayor que la
densidad de la arena. Estas deferencias son debidas a la naturaleza de la CFC ya
que es un agregado altamente poroso; como lo reportan en el artículo de
referencia [12], donde determinan que la CFC presenta una alta absorción, baja
densidad y una gran cantidad de materia orgánica.
Tabla 6. Densidad de los agregados.
Agregados Densidad, g/cm3
Grava 2,71
Ceniza de Fondo 2,36
Arena 2,31
Tras una inspección visual de la sección transversal de los concretos elaborado,
se identifica la presencia de poros en el material (ver ilustración 12). En la imagen
A (mezcla patrón) se observa una aparición mínima de poros, en comparación con
la imagen B (mezcla 1); se puede decir que la presencia de porosidades son
producto de la adición de la CFC.
Ilustración 12. Corte transversal de os concretos elaborados.
A. Mezcla patrón. B. Mezcla 1 (Grava + CFC).
35
6.2. GRANULOMETRÍA.
La ilustración 13 muestra las curvas granulométricas de la arena, la grava y la
CFC. Se observa que la arena presenta un porcentaje elevado de finos con una
baja gradación en los tamaños que pasan por las aberturas de los tamices
superiores al tamiz No. 8 es decir, que pasa el 100% de la arena indicando con
esto que se trata de un agregado totalmente fino. La grava presenta un alto
contenido de partículas grandes, alrededor del 87%, ya que se encuentra un
mayor porcentaje de retenidos en los tamices de ¾” y No. 4. La combinación de
estos dos agregados tendrá como resultado una mejor acomodación en las
partículas disminuyendo la aparición de espacios entre ellas, lo que resultara en
un concreto con una compactación óptima [14].
La ilustración 13 también reporta la gradación de la ceniza de fondo de caldera.
Según el comportamiento granulométrico, si se toma como referencia el de los
agregados tradicionales [19], se observa variabilidad en los tamaños de partículas
contenidas en este agregado, ya que está constituida por el 68% de partículas
gruesas y un 32% de partículas finas, esto lo convierte en un agregado fácil de
incorporar en el concreto debido a que su gradación permite que se compacte en
conjunto con la arena y la grava para obtener una mezcla resistente cuando se
endurece el cemento. De acuerdo a lo reportado por Manuel G. Beltrán y
Francisco Agrela [12]. La incorporación de CFC en porcentajes finos y gruesos
genera mejores propiedades que cuando se incorpora este material en un solo
tamaño; la presencia de una variación adecuada en las partículas hace posible
obtener un concreto con alta resistencia.
El comportamiento de la distribución granulométrica de la ceniza de fondo de
caldera es similar a la curva ideal (Ver ilustración 13).
36
Ilustración 13. Curva de gradación de los agregados.
Teóricamente [14], se estableció que, un agregado con una distribución igual o
similar a la curva ideal permite obtener un concreto de alta resistencia a la
compresión, pero para garantizar esta propiedad también se tiene en cuenta las
propiedades intrínsecas de los agregados.
6.3. PROPIEDADES FISÍCAS DEL CONCRETO.
En la tabla 7 se muestran los resultados de las propiedades físicas del concreto
después de endurecer, donde se ilustra cómo varia la densidad y la absorción en
las diferentes mezclas elaboradas.
Tabla 7. Propiedades físicas de las mezclas de concreto.
Mezcla Peso Saturado (gr) Peso Seco (gr) % Absorción
de agua Densidad
g/cm3
Patrón 3221,2 2504,6 7,2 2,05
1 2857,2 2036,7 8,2 1,82
2 2443,6 1419,8 10,3 1,56
3 2884,4 2105,5 7,8 1,84
0
20
40
60
80
100
120
1 1/2 1 3/4 1/2 3/8 No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100
% P
asa p
or
ab
ert
ura
tam
iz
No. Tamiz
Granuometría.
Arena Grava CFC Ideal
37
Las cenizas de fondo de caldera se encuentran en su mayoría constituidas por
partículas que poseen como principal característica una alta porosidad, y debido a
esto se convierte en un agregado muy absorbente; esta característica del
agregado incrementa la absorción de gua en el concreto endurecido cuando se le
adiciona un mayor porcentaje de CFC. Al analizar el comportamiento la mezcla 2,
se observa un aumento aproximado del 30% en la absorción de agua; sin
embargo, la mezcla 1 que contiene una cantidad similar de CFC presenta un
menor porcentaje de absorción, esto es debido a la presencia de grava que por su
naturaleza es un agregado que inhibe la absorción.
La densidad del concreto endurecido es inversamente proporcional a la cantidad
adicionada de agregado de bajo peso; por lo que, se puede observar que al
aumentar la cantidad adicionada de CFC disminuye la densidad permitiendo
obtener un concreto liviano.
6.4. RESULTADOS DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN:
Con el ensayo de resistencia a la compresión se evaluó la influencia de la ceniza
de fondo de caldera en las propiedades mecánicas del concreto endurecido, las
diferentes condiciones arrojaron los resultados mostrados en la Ilustración 14.
Ilustración 14. Resultados de ensayo de resistencia a compresión.
1 2 3 4
RESISTENCIA A 30 DIAS 32,33 14,34 15,00 19,47
RESISTENCIA A 60 DIAS 29,66 13,34 16,65 22,83
RESISTENCIA A 90 DIAS 31,71 13,39 15,05 24,90
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
Esfu
erz
o (
MP
a)
Resistencia a la compresión.
38
Para el análisis del modelo, se inició con la validación de los supuestos los cuales
se satisficieron a niveles de significancia mayores al 10%, (normalidad 0.1 y
homogeneidad al 74.3% y 79.8% ver anexo A).
El análisis de varianza (tabla 8) muestra que se tiene un experimento bien
controlado dado que la suma de cuadrados de los efectos (565,64) es mayor que
la suma de cuadrados de los errores (17.98); los que permite explicar la
variabilidad de la resistencia a la compresión. El nivel de significancia del 0.0001,
indica que hay diferencias significativas entre las mezclas; tales diferencias se
analizan en una prueba post anova.
Tabla 8. Análisis de varianza de la resistencia a la compresión. (R2= 96,92%)
Fuente Grados de libertad. Suma de
cuadrados. Cuadrados
medios. F P
Días de curado 2 2,32 1,16 0,39
Mezclas 3 563,32 187,77 62,66 0,0001
Error 6 17,98 3
Total 11 583,62
La tabla 9, muestra los resultados de Tukey la cual, con nivel de significancia del
5% permite determinar que:
La mezcla 1 (CFC + grava) y la mezcla 2 (CFC + arena) ejercen el mismo
efecto sobre la resistencia a la compresión (MPa). Esto puede ser debido a
que en promedio, la cantidad adicionada de CFC a las dos mezclas es la
misma (50% aproximadamente). También se observa que la mezcla 3
ejerce un efecto diferente en comparación a las mezclas 1 y 2; esto se debe
a que la cantidad de CFC adicionada es menor (30% aproximadamente).
Cuando se adiciona un mayor porcentaje de cenizas de fondo de caldera a
la mezcla, tiene como efecto la reducción de la resistencia a la compresión.
Esto se puede comparar con lo mencionado en el artículo de referencia
[11], donde se concluye que la cantidad de CFC adicionada es
inversamente proporcional, debido a la alta porosidad y el bajo peso de las
CFC ya que, la aparición de poros en el material permite que os espacios
vacíos sean representativos para esta propiedad.
39
El efecto que ejerce la mezcla patrón sobre las propiedades mecánicas es
diferente al que ejercen las demás mezclas.
Tabla 9. Prueba de Tukey, para la resistencia a la compresión. (=5%)
Mezclas N Media Agrupación
0:patron 3 31,19 A 3:mezcla 3 3 22,4 B 2:mezcla 2 3 15,57
C
1:mezcla 1 3 13,74
C
La ilustración 15 muestra el comportamiento que ejercen las mezclas sobre la
resistencia a la compresión. La mezcla 3 cumple con los parámetros del diseño
con un promedio de 22.4 MPa.
Ilustración 15. Comportamiento de las probetas frente al ensayo de compresión.
mezcla3mezcla2mezcla1patron
32,5
30,0
27,5
25,0
22,5
20,0
17,5
15,0
mezclas
Me
dia
de
la
re
sis
ten
cia
a l
a c
om
pre
sio
n (
MP
a)
40
El tipo de falla que las probetas cilíndricas presentaron durante el ensayo de
resistencia a la compresión es mostrado en la ilustración 16.
Ilustración 16. Fallas en los cilindros de concreto.
Imagen A (mezcla patrón). Imagen B (mezcla 3
Grava, Arena y CFC).
Imagen C (mezcla 1, grava
y CFC).
Imagen D (mezcla 2, arena
y CFC).
Tras un ensayo de inspección visual y basándose en el esquema de identificación
de fallas de la norma NTC 673 [23] (ver ilustración 17) se identificó que: la mezcla
patrón y mezcla 3 presentaron una falla de tipo cono la cual representa la falla
óptima para este tipo de probetas según lo reporta la norma. Para las mezclas 1 y
2 se interpreta una falla de tipo grieta o columnar; esto es debido a la baja
resistencia que presentaron estas dos mezclas. Este efecto se puede justificar con
el artículo de referencia [28] donde los autores Alfonso Suarez y Angélica Vargas
mencionan que este tipo de falla se presenta para concretos adicionados con
agregados altamente porosos.
41
Ilustración 17. Tipos de fallas reportados por la norma.
6.5. ENSAYO DE SUCCIÓN CAPILAR.
Los datos obtenidos con el ensayo de succión capilar permiten determinar la
velocidad en función del tiempo a la que un concreto absorbe agua la cual es
mostrada en la ilustración 18. La tabla 10 muestra las ecuaciones obtenidas a
partir de los datos de la ilustración 18 y con la que se determinó la velocidad de
succión capilar para los cuatro tipos de mezclas en estudio.
Ilustración 18. Velocidad de succión capilar para los 4 tipos de mezclas.
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
900,00
0 50 100 150 200 250
Velocidad de succión capilar.
Lineal (Mezcla patrón ) Lineal (Mezcla 1)
Lineal (Mezcla 2) Lineal (Mezcla 3)
42
Tabla 10. Ecuaciones para determinar velocidad de succión capilar.
Mezcla Ecuación Velocidad de succión capilar g/ (m².
s^½).
Patrón
2,3
Mezcla 1
2,2
Mezcla 2
4,9
Mezcla 3
1,6
Para la mezcla patrón los resultados obtenidos en este ensayo son razonables
según la literatura [25] debido a que, los valores de la velocidad de succión capilar
obtenidos corresponden a los de un concreto tradicional de las mismas
características (relación a/c inferior a 0,45) y oscilan entre 1 y 3 g/ (m². s^½). La
mezcla 2 presenta una velocidad de succión capilar elevada debido a que está
compuesta por dos agregados altamente absorbentes; según lo mencionado en la
ley de mezclas este concreto va a absorber tanto como absorban lo materiales
que lo componen [25]. Como consecuencia se obtendrá una rápida degradación
del concreto. Las mezclas 1 y 3 presentan un comportamiento estable dentro del
rango de valores de la velocidad de succión capilar, es decir que la mezcla 3 se
encuentra entre los parámetros de un concreto durable.
43
7. CONCLUSIONES.
Se comprobó por medio de las pruebas de caracterización, según la norma
NTC-176, y la norma NTC-77 que la ceniza de fondo de caldera presenta
características adecuadas para ser adicionada al concreto como un agregado de
bajo peso; debido a que presenta una densidad 35% menor que la de la grava y
similar a la densidad de la arena. También, se obtuvo como resultado una buena
gradación que contribuye a la compactación del concreto ya que contiene
partículas gruesas en un 68% y finas en 32%. Por otro lado se encontró que la
CFC es un material altamente poroso debido a su naturaleza, es decir que
contribuye a la absorción de agua para el concreto alrededor de un 30%.
A mayor porcentaje de CFC adicionado mayor fue su porcentaje de absorción es
decir, que representa un comportamiento directamente proporcional a este efecto.
En las mezclas 1 y 2 se aprecia un incremento en la absorción (aproximadamente
el 30%) y una disminución en la densidad con un valor promedio de 1,6 g/cm3;
esto es debido a que el porcentaje adicionado de CFC fue igual o mayor al 50%
con lo que se afectaron las propiedades físicas debido al incremento en la
velocidad de succión capilar lo que permite que en el material exista una baja
durabilidad, y también se vieron afectadas las propiedades mecánicas porque
redujo la resistencia a la compresión más de un 20%.
De todas las mezclas adicionadas con cenizas, la mezcla 3 es la que ofrece un
mejor comportamiento de resistencia a la compresión (22.4 MPa) es decir, que la
mejor manera de incorporar un subproducto de este tipo es como remplazo
aproximado del 30% al total de grava y arena que se va a adicionar al concreto. La
existencia de los tres tipos de agregados hace que se obtenga un concreto que
cumple con las especificaciones de uso debido a que se obtuvo un material con
una densidad de 1.84 g/cm3, y una velocidad de succión capilar estable de 1,6 g/
(m². s^½) es decir, que se encuentran entre los rangos que propone la bibliografía.
A partir de los resultados obtenidos con esta investigación se puede concluir que
se elaboró un concreto que cumple con los parámetros de diseño, y que también
ayuda a disminuir la contaminación del medio ambiente por actividades de la
industria papelera.
44
8. BIBLIOGRAFIA.
[28] Alfonso Suarez, Angélica Vargas. “Análisis, observación y comportamiento estadístico en función del tiempo de una mezcla de concreto de 3000 psi”. 2008. [1]. Anzano, J. El proceso de urbanización en el mundo. El estado urbano. Tipos
de urbanismo. Repercusiones ambientales y económicas. 2010.
[9] CAMACOL. Estudio de oferta y demanda de vivienda en Santiago de Cali y su
area de influencia Candelaria, Jamundi, Palmira y Yumbo. 2012.
[2] Contaminación por causa de residuos sólidos. Problemáticas ambientales
[En línea] [7 de agosto del 2014] disponible en: http://www.um.es/sabio/docs-
cmsweb/problemas_ambientales.pdf.
[7] Departamento administrativo nacional de estadisticas (DANE) . Cambios
sociodemográficos en Colombia. www.dane.gov.co. Periodo inter-censal 1993-
2005.
[13] D. Hardjito and B. V. Rangan. “Development and properties of low-calcium bottom ash-based geopolymer concrete”. 2005. [10] Diana Bajare, Janis Kazjonovs, Aleksandrs Korjakins “Lightweight
concrete with aggregates made by using industrial waste”. 2013.
[15] Gonzalez, Catalina Arboleda. “Permeability and strength changes using recycled concrete aggregates and two-stage mixing approach”. 2011. [14] Guzman, Diego Sanchez de. Tecnologia del concreto y del mortero. Bogota :
BHANDAR EDITORES LTDA, 2001.
[12] Manuel G. Beltrán y Francisco Agrela. “Performance of lightweight foamed
concrete with waste clay brick as coarse aggregate”. 2013.
[20] Manual de gestión integral. Residuos sólidos urbanos, [en linea] [ 5 de marzo de 2015] disponible en: www.cempre.org. [25] Marcos Johel Naber. “Determinación de la capacidad y la velocidad succion capilar de agua del hormigon endurecido”. Proyecto de investigación y desarrollo. 2013. [17] Montgomery. Diseño y analisis de experimentos.
45
[3] NORMA ACI 318 S – 05. Requisitos De Reglamento Para Concreto
Estructural. [En línea] [12 de agosto del 2014] disponible en:
http://www.inti.gob.ar/cirsoc/pdf/publicom/ACI_318-05_Espanhol.pdf.
[18] Normas tecnicas Colombianas. “Especificaciones de los agregados para concreto-ntc 174”. [19] Normas Tecnicas Colombianas NTC . “Especificaciones de los agregados para concreto . 2000-06-21”. [21] Normas tecnicas Colombianas. “Metodo de ensayo para determinar la densidad y la absorcion del agregado grueso ntc-176”. [23] Norma NTC 673. “Ensayo de resistencia a la compresión de especímenes cilíndricos de concreto. 2010-02-17”. [24] Norma ASTM C 1585. Procedimiento para determinar la velocidad de succión capilar del hormigón”. 2004. [26] Norma técnica colombiana (NTC) 77. “Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos”. 2007-09.26. [27] Norma NTC 550. “Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra. 2000-06-21”. [4] Oferta y demanda de agregados en Colombia. [En línea] [23 de agosto del
2014] disponible en:
http://www.upme.gov.co/Docs/Publicaciones/2012/Escenarios_Oferta_Demanda_
Hidrocarburos.pdf.
[6] Organización de las Nacionaes Unidas – ONU. Objetivos del milenio. 2011.
[5] Reporte técnico del ministerio de minas y energía (2003). [En línea] [23 de
agosto del 2014] disponible en:
http://www.anm.gov.co/sites/default/files/DocumentosAnm/glosariominero.pdf
[22] R. Magaña Cruz. “Efecto electroquímico de dos tipos de puzolanas de origen industrial y agrícola en concretos modificados”. 2010. [16] R.V Silva, J de Brito, RK Dhir. “Properties and composition of recycled aggregates from construction and demolition waste suitable for concrete production”. 2014.
46
[8] Velasco, Rodrigo Guerrero. Propuesta de Programa de Gobierno “Cali
incluyente y de oportunidades, Alcaldía de Santiago de Cali. Santiago de Cali. :
s.n., 2012-2015.
[11] Zhang Binyu, Poon Chi Sun. “Use of furnace bottom ash for producing lightweight aggregate concrete with thermal insulation properties”. 2013.
47
ANEXOS. Anexo A.
Granulometrías:
Arena
TAMIZ Peso
retenido (g) Retenido
(%) Retenido acum. (%)
Pasa (%)
3/8 0 0 0 100
No. 4 5,9 0,30 0,30 99,70
No. 8 12,9 0,65 0,95 99,05
No. 16 20,5 1,03 1,98 98,02
No. 30 223,1 11,26 13,24 86,76
No. 50 1548,9 78,14 91,38 8,62
No. 100 157,1 7,93 99,30 0,70
FONDO 13,8 0,70 100,00 0
SUMATORIA 1982,2
MODULO DE FINURA
2,07
PESO PERDIDO 17,8
Grava
TAMIZ Peso
retenido (g)
Retenido (%)
Retenido acum. (%)
Pasa (%)
1 1/2 0 0 0 100
1 0 0 0 100
3/4 0 0 0 100
1/2 860,8 17,7 17,7 82,3
3/8 1929,2 39,7 57,4 42,6
No. 4 1756,2 36,1 93,6 6,4
FONDO 312 6,4 100 0
SUMATORIA 4858,2
PESO PERDIDO 141,8
48
CFC
TAMIZ Peso
retenido (g)
Retenido (%)
Retenido acum. (%)
Pasa (%)
1 1/2 0 0 0 100
1 0 0 0 100
3/4 843,1 17,1 17 82,9
1/2 1694,7 34,3 51 48,6
3/8 785,7 15,9 67 32,7
No. 4 1027,3 20,8 88 11,9
No. 8 344,5 7,0 95 4,9
No. 16 182,1 3,7 99 1,2
FONDO 61,2 1,2 100 0
SUMATORIA 4938,60
PESO PERDIDO 61,40
49
Anexo B.
Método grafico para el cálculo de las proporciones de los agregados en las
diferentes mezclas.
50
51
52
53
Anexo C.
Validación de supuestos:
Normalidad
3210-1-2-3
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
RESID1
Po
rce
nta
je
Media 0
Desv.Est. 1,278
N 12
RJ 0,989
Valor P >0,100
Gráfica de probabilidad de RESID1Normal
Homogeneidad
FACTOR: MEZCLA: Prueba de Levene (cualquier distribución continua) Estadística de prueba = 0,23. Valor p = 0,798
FACTOR BLOQUE: Prueba de Levene (cualquier distribución continua) Estadística de prueba = 0,42. Valor p = 0,743