En la Tabla 3-3 se resumen los resultados de las propiedades físicas más importantes de los agregados utilizados, mientras que en la Fig. 3-31 se muestra su distribución granulométrica.
Tabla 3-2 Propiedades físicas de los agregados utilizados para la fabricación de concreto Tipo de agregado Peso volumétrico seco compacto (kg/m3) Densidad (g/cm3) Absorción (%) Humedad (%) Módulo de finura (%) Tamaño máximo (mm) AR 1362 2.20 6.55 2.14 - 19 AN 1584 2.50 0.44 0.28 - 19 AFN 1511 2.43 4.08 6.66 2.73 4.76
De acuerdo a sus propiedades físicas, el AR se clasifica como Tipo II, según RILEM, 1994 (absorción ≤10% y densidad 2000 kg/m3) y puede ser usado
para fabricar concreto estructural sin limitación de reemplazo.
0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80 100 % q ue pa sa
Abertura del tamiz (mm) AFN
Límite sup. ASTM C33 Límite sup. ASTM C33
5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 % q u e p as a
Abertura del tamiz (mm)
AR AN
Límite sup. ASTM C33 Límite inf. ASTM C33
Fig. 3-24 Distribución granulométrica de los agregados gruesos y finos
3.3 Mezclas de Concreto 3.3.1Resistencia mecánica
La resistencia mecánica del CS es menor hasta en un 15% aproximadamente que el concreto normal, esto se atribuye a la baja densidad del agregado reciclado, a su mayor absorción lo que representa mayor porosidad del
Sani, Moriconi et al. 2005; Xiao, Li et al. 2005; Rahal 2007). En el comportamiento mecánico del CS también influye la cantidad de agregado reciclado en el mismo (Etxeberria, Vázquez et al. 2007). Lo anterior se observa en la. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Resistencia mínima requerida en la mayoría de los proyectos en México R es is te n ci a a co m p re si ó n (M Pa )
Tiempo de curado (días)
AN 100% CPC AR 100% CPC AR 30% CV AR 10% HS
Fig. 3-25 Resistencia a la compresión de los CS a las distintas edades de curado
La pérdida de resistencia a compresión de la mezcla AR, con respecto a la mezcla de concreto convencional (AN) se atribuye, por un lado, a la mayor porosidad del agregado reciclado (manifestado por su alta absorción del 6.55%) y a su menor densidad (2.20 kg/m3) con respecto al agregado natural (0.44% de absorción y densidad de 2.50 kg/m3) y por otro, al incremento en las ZTI por el uso de agregado reciclado.
La baja resistencia de la mezcla CV con respecto de la mezcla AR no era el esperado ya que en los estudios de las pastas MCH aunque el proceso de reacción era lento la cantidad de CH era menor que en la pasta CP y muy similar a la pasta CH a 28 días de curado aunque investigaciones anteriores (Fraay, Bijen et al. 1989; Roszczynialski 1992; Xu 1992; Bijen y Pietersen 1994) reportan que la reacción puzolánica de la CV con el C-H se lleva a
cabo lentamente debido a diferentes factores, pero principalmente por el tamaño grande y la estabilidad de las partículas esféricas para disociarse, generando zonas preferenciales (principalmente en la ZTI) con partículas de CV sin reaccionar y por consiguiente debilitando mecánicamente la microestructura; sin embargo, por tratarse de una reacción química puede acelerarse con un incremento en la temperatura o con el uso de activadores alcalinos.
Por lo tanto esta baja resistencia se atribuye además del lento proceso de reacción de la ceniza, a la ZTI producida por los agregados reciclados en este CS y los sitios preferenciales de falla que propician las partículas de CV sin reaccionar.
El Comportamiento de la mezcla HS era el esperado de acuerdo con los resultados de la caracterización de la pasta HS, por el mayor consumo del CH durante la reacción puzolánica y el subsecuente aumento de CSH; lo anterior por las características químicas; por otra parte, respecto a sus características físicas como el tamaño promedio de la partícula que refina la matriz cementante y es más homogénea, tal como se observó en las imágenes de las Fig. 3-20,Fig. 3-21, Fig. 3-22 y Fig. 3-23; así mismo la reactividad que presenta debido al área superficial tan alta, que permite la una actividad puzolánica mayor que da como resultado resistencias a edades tempranas como se observó en la resistencia a la compresión.
3.3.2 Porosidad
En la Tabla 3-4 se presentan los resultados de absorción, porosidad y densidad de las mezclas de CS bajo estudio.
Tabla 3-3 Absorción, porosidad total y densidad aparente determinadas por ASTM C642
Mezcla Absorción (%) Porosidad Total (%) Densidad aparente (g/cm3)
AN 10.87 22.01 2.61
AR 13.09 26.47 2.59
CV 11.66 23.06 2.58
HS 7.78 16.70 2.60
Los resultados indican que el reemplazo total de los agregados gruesos naturales por agregados reciclados aumenta la absorción y la porosidad total del concreto en 21 y 20%, respectivamente. Sin embargo, al reemplazar CP por 10% de HS, tanto la absorción como la porosidad total se ven considerablemente disminuidas en porcentajes de 41 y 37%, mientras que al reemplazar CP con 30% CV, la absorción disminuye en 11% y la porosidad en 15%.
3.3.3 Microestructura
3.3.3.1 Zona de transición interfacial (ZTI)
Las imágenes de la Fig. 3-26 muestran la ZTI de las mezclas de concreto en la Fig. 3-26 a, se observa la matriz cementante de forma regular y bien definida la ZTI entre el agregado y la matriz cementante, con mayor refinamiento y mayor homogeneidad se presenta la matriz cementante de la mezcla HS Fig. 3-26 d. En el área que rodea al agregado en estas mezclas no se observa un efecto pared pronunciado, aunque las zonas porosas son mayormente visibles en la mezcla CP, como se explicó en la morfología de las pastas la adición de HS en el concreto mejora su textura, y refina sustancialmente los poros (ver Tabla 3-3 Absorción, porosidad total y
densidad aparente determinadas por ASTM C642), y da como resultado un mejor comportamiento que la mezcla CP fabricada con 100% de agregado natural.
En la Fig. 3-26 b y c, se muestran la ZTI de la mezcla AR y CV, las cuales son más porosas visualmente que la mezclas CP y HS, con un efecto de pared visible y más pronunciado en la mezcla CP. Las partículas de CV también son visibles en el área cercana al agregado, como se explicó en el apartado de resistencia mecánica, éste posicionamiento de la partícula genera sitios preferenciales de falla. La mezcla AR presenta un matriz cementante con mayor porosidad que las demás pastas, lo que se confirma con el incremento de la porosidad total (Tabla 3-3 Absorción, porosidad total y densidad aparente determinadas por ASTM C642); así mismo aunque la ZTI de de la mezcla AR es visualmente más porosa el comportamiento mecánico es mejor que el de la mezcla CV. En la imagen del mezcla AR también se observa la antigua pasta que rodea al agregado natural, lo que manifiesta que el agregado reciclado dentro del nuevo concreto como se muestra en la imagen se comporta como un solo elemento y la ZTI antigua no influye en la porosidad de la nueva ZTI.
Fig. 3-26 ZTI de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS 3.3.3.2 Análisis de Imagen
Anhidros
Las imágenes a,b, c y d de la Fig. 3-27, se seleccionaron para visualizar la fase de anhidros presentes en cada una de las mezclas en estudio. Las mezclas que presentan mayor % de área en color negro son las CP (a) y CV (c). La primera debido a los granos de cementos sin hidratar o en proceso de hidratación y la segunda por la presencia de las partículas de CV también sin hidratar, las cuales tienen forma redondeada (c). En las mezclas AR y HS esta fase está presente en áreas menores.
Fig. 3-27 Imágenes de CS, fase anhidros para cuantificación; a) AN, b) AR, c) CV, d) HS
En la Fig. 3-28 se muestra la cantidad de material anhidro a diferentes distancias del agregado.
Fig. 3-28 Cantidad de Anhidros en % de área de cada una de las distancias propuestas
La tendencia de las mezclas dentro de la gráfica establece que el material anhidro se encuentra en mayor cantidad a mayor distancia del agregado. La mezcla de CP presenta mayor cantidad de material anhidro en todas las distancias. La mezcla HS tiene un 68% menos cantidad de material anhidro que la CP, este comportamiento coincide con la reactividad del HS.
La mezcla AR presenta un 41% menor cantidad y la mezcla CV tiene un 38% menos que la mezcla CP. Lo anterior confirma la observación visual en la. La cantidad de material anhidro en la mezcla CP, se encuentra en los rangos reportados por Diamond y Huang en el 2001 (Diamond y Huang 2001).
Fig. 3-29 Cantidad de Anhidros en % de área de la zona de pasta (>30m)
En la zona de pasta el comportamiento se mantiene, siendo la mezcla CP con mayor contenido de material anhidro y la mezcla HS la de menor contenido.
Pasta-CSH
En la Fig. 3-30 se observa mayor cantidad de área en color oscuro, lo cual representa la pasta CSH, en la mezcla HS, lo que era de esperarse, debido y
sustentado a los resultados anteriores, tanto en las mezclas de concreto, como en las pastas de MCH.
Fig. 3-30 Fase pasta CSH; a) AN, b) AR, c) CV, d) HS
La mezcla CV se observa con un área en color negro similar a la mezcla CP lo cual coincide con la morfología de las pastas y el resultado de las técnicas de caracterización por DRX y TGA donde el comportamiento como matriz cementante son similares entre sí, pero contrarios en el comportamiento mecánico.
La mezcla con una ligera menor cantidad de áreas negras es la AR, lo cual era de esperarse, ya que el proceso de hidratación en la matriz cementante es el mismo que en la mezcla CP, ya que están fabricadas con el mismo cemento portland. Por lo tanto se puede validar el comportamiento de las pastas para compararse con la matriz cementante de los concretos en
estudio, ya que el agregado reciclado no afecta la evolución de los productos de hidratación de la matriz cementante.
La Fig. 3-31 muestra la cantidad de CSH en % de área, donde puede observarse que a todas las distancias de estudio la mezcla HS se mantuvo por encima de las demás mezclas, de nuevo se atribuye a la alta reactividad del HS, así como, al refinamiento de los poros que disminuye el efecto pared alrededor del agregado y a la actividad puzolánica que consume el CH para convertirlo en CSH; con respecto de la mezcla CP la HS contiene 22% más cantidad de CSH.
La mezcla CV también presenta el mismo comportamiento que en las pastas MCH con respecto al CP; contiene solamente 3% más CSH que la mezcla CP, y de nuevo esto se presenta debido a la baja reactividad de la CV usada en esta investigación.
La mezcla AR tiene 7% menos CSH que la mezcla CP, esto se debe al efecto pared producido alrededor del agregado, el cual presenta áreas sin matriz cementantes; como se observa en el comportamiento de la curva correspondiente a esta mezcla hasta las 30 m, donde su comportamiento iguala a la mezcla CP. Lo anterior manifiesta que el uso de agregado reciclado propicia la ausencia de matriz cementante alrededor de él.
Fig. 3-31 Cantidad de CSH en % de área de cada una de las distancias propuestas (franjas
10m)
En la zona de pasta ( Fig. 3-32 ) la cantidad de CSH sigue la misma tendencia que en la ZTI, con la diferencia de que la mezcla AR es similar en esta zona a la mezcla CP. La mezcla CV en esta zona aumentó y aquí es un 6% mayor la cantidad de CSH que la mezcla CP y la mezcla HS tiene un 27% más que la mezcla CP.
Porosidad
La porosidad en áreas de color negro para cada mezcla se muestra en la Fig. 3-33 Fase porosidad de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS, donde es visible la mayor área oscura en la imagen (b), correspondiente a la mezcla AR, seguida de la mezcla CV (c), donde también es visible la separación entre la matriz cementante y el agregado, la mezcla CP (a) muestra una cantidad menor de áreas en color oscuro, aunque de tamaños grandes, con respecto a las áreas visualizadas en la mezcla HS (d).
Fig. 3-33 Fase porosidad de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS
En la Fig. 3-34 se muestra la cuantificación de porosidad en función de la distancia del agregado. Puede observarse que la porosidad de las mezclas CP y HS en las primeras 30 m de distancia del agregado son similares y mantienen la tendencia a estabilizarse en la zona mayor a 30 m, donde el efecto pared del agregado no afecta. La baja porosidad de la mezcla CP se atribuye al agregado natural, y no a la matriz cementante, ya que, la mezcla AR tiene las mismas características de la matriz cementante de la mezcla CP; además que el agregado natural disminuye el efecto pared alrededor de él,
con lo cual la porosidad de la ZTI como se muestra en los resultados no es alta.
La mezcla HS por su parte la baja porosidad se atribuye a las propiedades de la matriz cementante compacta, homogénea y con gran cantidad de CSH, características que le proporciona el HS y disminuyen el efecto del agregado reciclado en la ZTI, mejorando sustancialmente las propiedades del CS.
La mezcla CV presenta una mayor porosidad en la ZTI, debido además del efecto del agregado a las partículas sin reaccionar de la ceniza volante; pero en la zona de pasta presenta porosidad menor que la mezcla AR, con lo cual se podría decir que la CV mejora la calidad de la matriz cementante en lo que se refiere a porosidad, propiciada por el uso de agregado reciclado.
Fig. 3-34 Cantidad de porosidad en % de área de cada una de las distancias propuestas
(franjas 10m)
La porosidad en la zona de pasta de las mezclas mantiene la tendencia de los resultados en ZTI, a excepción de la mezcla AR que presenta en esta zona una porosidad del 88% menos que la que presenta en la ZTI, lo cual
confirma el impacto que tiene el agregado reciclado en la ZTI del nuevo concreto, en lo que a porosidad se refiere ( Fig. 3-35 ).
Fig. 3-35 Porosidad en % de área de la zona de pasta (>30m)
Relación Ca/Si
La relación Ca/Si de las mezclas se presenta en la Fig. 3-36 donde se puede observar que la mayor relación la tiene la mezcla AR, aunque no es muy superior a la mezcla CP (5% más), ya que la matriz cementante de ambas mezclas son iguales; la CV presenta una relación menor de 14% con respecto de la mezcla CP y la mezcla HS tiene una relación Ca/Si del 56% menor que la mezcla CP.
4 CONCLUSIONES
1. La cantidad de CH en las pastas CP es mayor que en las pastas CV y HS, debido a la actividad puzolánica de los MCS.
2. La pérdida de resistencia a la compresión en la mezcla de concreto AR, se atribuye a las propiedades físicas del agregado reciclado, alta absorción y baja densidad.
3. El agregado reciclado en el concreto produce una ZTI mayor que el agregado natural y es mayor el efecto pared producido.
4. La ceniza volante reduce la porosidad en la ZTI y en la zona de pasta del CS; pero sin un estímulo externo para acelerar el proceso de hidratación disminuye la resistencia a la compresión, debido a los sitios preferenciales de falla que generan las partículas de CV sin reaccionar. 5. El HS reduce la ZTI, disminuye la porosidad de toda la matriz cementante, produce mayor porcentaje de CSH, tiene una relación Ca/Si 56% mayor que la mezcla CP y aumenta la resistencia a la compresión de este tipo de concreto.
6. El HS mejora las propiedades químicas, físicas y
microestructurales del concreto sustentable.
7. La cantidad de material anhidro en las mezclas aumenta a mayor distancia del agregado, la mezcla CP es la que presenta mayor cantidad. 8. La porosidad en la ZTI es mayor que en la zona de pasta; así mismo la porosidad disminuye a mayor distancia del agregado donde la curva tiene un comportamiento estable.
9. La distancia umbral que define la frontera de la ZTI es de alrededor de 30 m.
10. Los resultados obtenidos por la técnica de análisis de imagen muestran buena correlación con respecto a los obtenidos por otras técnicas de caracterización.
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