Estudio Microestructural de Concretos Sustentables aplicando Técnicas Avanzadas

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(1)Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.. Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas TESIS. Que para obtener el Grado de: Doctor en Ciencias de Materiales. Presenta: Susana Paola Arredondo Rea Directores de tesis: Dr. Miguel Ángel Neri Flores -. Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.. Dr. Jorge Luis Almaral Sánchez –. Universidad Autónoma de Sinaloa-FIM. Dr. José Manuel Gómez Soberón –. Universidad Politécnica de Cataluña-EPSEB. Dr. Facundo M. ALmeraya Calderón -. Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.. Chihuahua, Chih., México a 28 de Febrero de 2011..

(2) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. ii.

(3) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Agradecimientos A Dios, por darme la oportunidad de llegar hasta aquí. En la Universidad Autónoma de Sinaloa, a la Dirección General de Investigación y Posgrado y al Dr. Antonio Corrales Burgueño, rector actual y creador del Programa Institucional de Doctores Jóvenes. En la Facultad de Ingeniería Mochis de la UAS, al Dr. Jorge Luis Almaral Sánchez, al Ing. Eleazar Luna Barraza. En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, al Dr. Miguel Ángel Neri Flores, al Dr. Facundo Almeraya Calderón, a la Dra. Citlalli Gaona Tiburcio, al Dr. Alberto Martínez Villafañe, al Dr. José Guadalupe Chacón Nava al M.C. Victor Orozco Carmona, al M.C. Adán Borunda Terrazas y a todo el personal técnico y administrativo que prestó apoyo. En el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología al Director Juan Carlos Romero Hicks. En la Universidad Autónoma de Chihuahua, al Dr. José Castañeda Ávila y al personal de laboratorio de construcción. En la Universidad Autónoma de Nuevo León, al Dr. Alejandro Durán Herrera, al Dr. Gerardo Fajardo San Miguel y al personal técnico. En la Universidad Politécnica de Cataluña, al Dr. José Manuel Gómez Soberón y al personal del laboratorio de materiales. En el Gobierno del Estado de Sinaloa al Lic. Alejandro Higuera Osuna. A Grupo Cementos Chihuahua. En la familia a Mi esposo, Mi hijo, Mis padres, Mis hermanos y Mis suegros. iii.

(4) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Dedicatoria La sabiduría que desciende del cielo es ante todo pura, y además pacífica, bondadosa, dócil, llena de compasión y de buenos frutos, imparcial y sincera. Santiago 3:17. Este trabajo está dedicado a…… Dios por darme la sabiduría y humildad necesaria para llegar aquí; y por regalarme a la mejor familia y amigos que me fortalecen día a día…….. A todos aquellos que creen que un solo granito de arena puede cambiar el desierto entero; entre ellos…… Mi motivación: Ramón y Juan Sebastián Mi inspiración: Mariel y Juan A quienes me recuerdan lo frágil y humana que soy: Juan Jesús y Leonardo†. Con amor……….. Paola. iv.

(5) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Índice Agradecimientos ............................................................................................................... iii Dedicatoria ....................................................................................................................... iv Índice................................................................................................................................. v Índice de figuras............................................................................................................... vii Índice de tablas................................................................................................................. ix Resumen............................................................................................................................ x Abstract............................................................................................................................ xi 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................12 1.1 Antecedentes ....................................................................................................................................12 1.1.1 Sustentabilidad y desarrollo .........................................................................................................12 1.1.2 Componentes del concreto ..........................................................................................................17 1.1.3 Materiales alternativos en el concreto.........................................................................................18 1.1.4 Tipos de concreto .........................................................................................................................43 1.1.5 Microestructura de Pastas de materiales cementantes hidratados (MCH) y Concreto ...............44 1.1.6 Concreto con características de sustentabilidad ..........................................................................48 1.2 Planteamiento...................................................................................................................................53 1.3 Justificación.......................................................................................................................................54 1.3.1 Justificación ambiental .................................................................................................................55 1.3.2 Justificación económica................................................................................................................56 1.4 Hipótesis ...........................................................................................................................................57 1.5 Objetivos ...........................................................................................................................................57 1.5.1 Generales......................................................................................................................................57 1.5.2 Específicos ....................................................................................................................................57. 2. MATERIALES Y MÉTODOS..................................................................................................59 2.1 Materiales .........................................................................................................................................59 2.1.1 Mezclas de Concreto ....................................................................................................................59 2.1.2 Pastas de materiales cementantes hidratados.............................................................................60 2.2 Métodos............................................................................................................................................61 2.2.1 Caracterización de Materiales cementantes y pastas MCH .........................................................61 2.2.2 Mezclas de Concreto ....................................................................................................................67 2.2.3 Propiedades mecánicas ................................................................................................................69 2.2.4 Porosidad......................................................................................................................................70 2.2.5 Microestructura............................................................................................................................72. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................................88 3.1 Materiales Cementantes y pastas de MCH .......................................................................................88 3.1.1 Propiedades físicas y químicas de los MC.....................................................................................88 3.1.2 Difracción de Rayos X (DRX) .........................................................................................................89 3.1.3 Análisis Térmico............................................................................................................................97. v.

(6) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. 3.1.4 Microestructura..........................................................................................................................103 3.2 Caracterización de los agregados....................................................................................................108 3.3 Mezclas de Concreto.......................................................................................................................109 3.3.1 Resistencia mecánica..................................................................................................................109 3.3.2 Porosidad....................................................................................................................................111 3.3.3 Microestructura..........................................................................................................................112. 4. CONCLUSIONES............................................................................................................... 124. Referencias .................................................................................................................... 125. vi.

(7) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Índice de figuras Fig. 1-1 Esquematización de la microestructura del concreto: a) Convencional, b) Reciclado ............. 48 Fig. 1-2 Composición básica de los desperdicios de demolición ......................................................... 55 Fig. 2-1 a) Trituradora de mandíbula utilizada para fabricación del AR b) Abertura para obtención del tamaño máximo del agregado c) AR en proceso de triturado ............................................................ 66 Fig. 2-2 a) Separación por tamaños en medios mecánicos, b) Separación manual, c) AR separado, tamaño 19 mm ................................................................................................................................. 66 Fig. 2-3 Morfología de los agregados utilizados a) AN b) AR c) AFN................................................... 67 Fig. 2-4 Proceso de preparación y curado de las probetas de concreto .............................................. 69 Fig. 2-5 Ensayo de resistencia a la compresión en probetas cilíndricas............................................... 70 Fig. 2-6 Preparación previa de las probetas: a) Corte de probetas, b) Sometimiento a ultrasonido .... 71 Fig. 2-7 Configuración del proceso de saturación de las probetas ...................................................... 72 Fig. 2-8. Localización y sentido de los puntos de partida para la toma de imágenes en MEB ............. 76 Fig. 2-9 Imagen de MEB original en modo retrodispersado de pasta y agregado................................ 76 Fig. 2-10 Imágenes obtenidas del mapeo por puntos sobre la ZTI localizada en la Fig. 2; Al, Ca, Fe, Mg, Na y Si........................................................................................................................................ 77 Fig. 2-11 Histograma de escala de grises de imagen original.............................................................. 78 Fig. 2-12 Imagen resultante de Si+Al+Fe+K+Mg+Na........................................................................... 79 Fig. 2-13 Imagen Si-2Ca ..................................................................................................................... 80 Fig. 2-14 a) Imagen compuesta final (Fig. 5+Fig.6) b) Máscara agregado grueso ................................ 81 Fig. 2-15 a) Imagen original b) Segmentación y binarización de imagen después de aplicación de operación de límites (Thresholding) .................................................................................................. 81 Fig. 2-16 Imagen correspondiente a la porosidad, la cuál será cuantificada ...................................... 82 Fig. 2-17 Imagen correspondiente al material anhidro....................................................................... 82 Fig. 2-18 Franjas de 10 m de espesor aproximadamente para análisis a diferentes distancias del agregado a) 0-10 m b) 10-20 m c) 20-30 m d) 30-40 m d) 40-50 m ......................................... 84 Fig. 2-19 Imágenes finales sobre las que se realizó el análisis y medición de áreas correspondientes a anhidros, porosidad y pasta de MCH respectivamente. ..................................................................... 85 Fig. 2-20 Áreas analizadas sobre la imagen final de anhidros a) 10 m, b)20 m, c) 30 m, d) 40 m, e) 50 m f)distancia >30 m (zona de pasta)......................................................................................... 86 Fig. 2-21 Áreas analizadas sobre la imagen final de porosidad a) 10 m, b)20 m, c) 30 m, d) 40 m, e) 50 m f)distancia >30 m ............................................................................................................. 86 Fig. 2-22 Áreas analizadas sobre la imagen final de pasta CSH, a)10 m, b)20 m, c)30 m, d)40 m, e)50 m f)distancia >30 m .............................................................................................................. 86 Fig. 3-1 Patrones de difracción de MC sin hidratar............................................................................. 90 Fig. 3-2 Morfología de las fases más importantes presentes en las pastas de MCH............................ 91 Fig. 3-3 Difractograma de pastas MCH a cero días de curado............................................................. 92 Fig. 3-4 Identificación de fases principales de las pastas de MCH a cero días de curado..................... 92 Fig. 3-5 Difractogramas de pastas MCH a 28 días de curado .............................................................. 93 Fig. 3-6 Identificación de fases principales a 28 días de curado.......................................................... 93 vii.

(8) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Fig. 3-7 Difractogramas de pastas MCH a 90 días de curado .............................................................. 94 Fig. 3-8 Identificación de fases principales en pastas de MCH a 90 días de curado............................. 94 Fig. 3-9 Difractogramas de pastas MCH a 180 días de curado ............................................................ 95 Fig. 3-10 Identificación de fases principales en pastas MCH a 180 días de curado.............................. 95 Fig. 3-11 Termogramas TGA de pastas MCH a las diferentes edades de curado; a) cero días, b) 28 días, c) 90 días, d) 180 días........................................................................................................................ 99 Fig. 3-12 a) Termograma DTA de pastas MCH a cero días de curado, b) Ampliación de la zona CH de termograma (a)............................................................................................................................... 100 Fig. 3-13 a) Termograma DTA de pastas MCH a 28 días de curado, b) Ampliación de la zona CH en termograma (a)............................................................................................................................... 100 Fig. 3-14 a) Termograma DTA de pastas MCH a 90 días de curado, b) Ampliación de la zona CH en termograma (a)............................................................................................................................... 101 Fig. 3-15 a) Termograma DTA de pastas MCH a 180 días de curado, b) Ampliación de la zona CH en termograma (a)............................................................................................................................... 101 Fig. 3-16 Cuantificación de CH de porcentaje en peso de las pastas MCH a las diferentes edades de curado ............................................................................................................................................ 102 Fig. 3-17 Morfología del CP ............................................................................................................. 103 Fig. 3-18 Morfología de la CV .......................................................................................................... 104 Fig. 3-19 Morfología del HS ............................................................................................................. 104 Fig. 3-20 Morfología de pastas MCH a cero días de curado; a) y b) CP, c) y d) CV, e) y f) HS ............. 105 Fig. 3-21 Pastas MCH a 28 días de curado a) CP, b) CV y c) HS.......................................................... 106 Fig. 3-22 Pastas MCH a 90 días de curado a) CP, b) CV, c) HS ........................................................... 107 Fig. 3-23 Pastas MCH a 180 días de curado a) CP, b) CV, c) HS ......................................................... 108 Fig. 3-24 Distribución granulométrica de los agregados gruesos y finos........................................... 109 Fig. 3-25 Resistencia a la compresión de los CS a las distintas edades de curado ............................. 110 Fig. 3-26 ZTI de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS............................................................................... 114 Fig. 3-27 Imágenes de CS, fase anhidros para cuantificación; a) AN, b) AR, c) CV, d) HS ................... 115 Fig. 3-28 Cantidad de Anhidros en % de área de cada una de las distancias propuestas (franjas 10 m) ....................................................................................................................................................... 115 Fig. 3-29 Cantidad de Anhidros en % de área de la zona de pasta (>30 m)..................................... 116 Fig. 3-30 Fase pasta CSH; a) AN, b) AR, c) CV, d) HS ......................................................................... 117 Fig. 3-31 Cantidad de CSH en % de área de cada una de las distancias propuestas (franjas 10 m).. 119 Fig. 3-32 Cantidad de CSH en % de área de la zona de pasta (>30 m)............................................. 119 Fig. 3-33 Fase porosidad de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS............................................................ 120 Fig. 3-34 Cantidad de porosidad en % de área de cada una de las distancias propuestas (franjas 10 m)................................................................................................................................................. 121 Fig. 3-35 Porosidad en % de área de la zona de pasta (>30 m)....................................................... 122 Fig. 3-36 Relación Ca/Si de los CS .................................................................................................... 123. viii.

(9) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Índice de tablas Tabla 1-1Comparativo de la generación de RC con otros países y entidades...................................... 22 Tabla 1-2 Datos Mundiales sobre reciclaje de RCD y MCS.................................................................. 24 Tabla 1-3 Influencia del AR en las propiedades mecánicas del concreto ............................................ 28 Tabla 1-4 Características generales de los materiales puzolánicos (Escalante-García 2002). .............. 32 Tabla 1-5.- Requerimientos químicos para el uso de la ceniza volante en concreto de cemento portland (Malhotra 2002).................................................................................................................. 42 Tabla 1-6 Análisis químico del HS de la producción del silicio metal y 75% de aleación de ferrosilicio (por ciento)....................................................................................................................................... 43 Tabla 2-1 Parámetros con los que se realizaron los difractogramas de las pastas de MCH ................. 64 Tabla 2-2 Características y proporciones de las mezclas de prueba (relativo a 1m3 de concreto) ....... 68 Tabla 2-3 Cantidad de imágenes construidas para análisis................................................................. 87 Tabla 3-1 Propiedades físicas y composición químicas de los materiales cementantes ...................... 88 Tabla 3-2 Propiedades físicas de los agregados utilizados para la fabricación de concreto ............... 109 Tabla 3-3 Absorción, porosidad total y densidad aparente determinadas por ASTM C642 ............... 112. ix.

(10) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Resumen De la fabricación de concretos sustentables hechos con agregado grueso reciclado y añadiendo diferentes proporciones de materiales puzolánicos (humo de sílice y ceniza volante), el comportamiento físico-químico, la porosidad y microestructura del nuevo producto obtenido fue estudiado. Sobre especímenes de prueba, los diferentes parámetros que definen las mínimas propiedades demandadas de este producto fueron determinados de acuerdo con las correspondientes regulaciones para garantizar su durabilidad y estabilidad (mecánica y microestructural). De los resultados puede ser deducido que con 100% de agregado grueso reciclado y materiales puzolánicos, mayor resistencia a compresión fue obtenida con respecto a las probetas de referencia.; además, del análisis de imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido, una baja porosidad en la nueva zona de transición interfacial y una densa matriz cementante fue encontrada. Consecuentemente, es recomendable delimitar el uso de estos materiales (agregados de concreto reciclado) a determinados valores de rangos de porosidad o a la adición de materiales puzolánicos capaces de disminuir la estructura porosa y garantizar una mayor densidad estructural del material.. x.

(11) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Abstract. From the fabrication of sustainable concretes made with recycled concrete coarse aggregates and adding different proportions of pozzolanic active additions (Silica Fume [SF] and Fly Ash [FA]) the physico-chemical behaviour, porosity and microstructure of the new obtained product was studied. On tests specimens the different parameters that define the minimal demanded properties to this product were determined according with the corresponding regulations for guaranty the durability and stability (mechanical and microstructural) of these materials. From the results it can be deduce that with 100% of recycled concrete aggregates and pozzolanic materials, major compressive strength that the one specified in regulations and the one determined in reference specimens was obtained; besides from SEM image analysis a low porosity in the new interfacial transition zone and dense cementitious matrix were found. Consequently, it is recommended to delimit the use of these materials (recycled concrete aggregates) to determined values of ranks of porosity or to the addition of pozzolanic materials able to diminish the porous network and to guarantee a greater structural density of the material.. xi.

(12) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. 1. INTRODUCCIÓN. 1.1 Antecedentes 1.1.1 Sustentabilidad y desarrollo Desde finales de los años 80’s hasta hace poco menos de una década se iniciaron campañas acerca del cuidado de los recursos naturales y el medio ambiente fue entonces que inició a escucharse el concepto de desarrollo sustentable, el cual ha venido definiéndose y teniendo algunos cambios en cuanto a conceptos, más no en enfoque, lo que hasta hoy de manera más común es conocido y además es citado por expertos e investigadores de diferentes áreas, ya que este concepto es aplicable a casi todas las industrias conocidas, así como también puede tomarse como un cambio de actitud de manera particular en cada uno de los seres humanos. Algunos conceptos se presentan aquí y el enfoque que cada autor le ha dado a través del tiempo. Mebratu (Mebratu 1998) documento de 1997 realiza una revisión de los conceptos de sustentabilidad y desarrollo sustentable, donde de acuerdo a otros autores citados el concepto tuvo sus inicios en 1972, en la Conferencia sobre ambiente humano de las Naciones Unidas en Estocolmo, donde se reconocía la importancia de la administración ambiental y el uso de la evaluación ambiental como una herramienta de administración (DuBose, Frost et al. 1995), lo cual representó un gran paso en el concepto de desarrollo sustentable. Alrededor del mismo tiempo de la conferencia de Estocolmo un grupo de reconocidos científicos y personalidades se reunieron en Roma, para observar la crisis ambiental global, la cual se expandía a velocidad alarmante. Este grupo produjo un reporte comprensible del estado del ambiente natural. Este reporte enfatizaba que la sociedad industrial podría exceder la mayoría de los límites ecológicos en cuestión de décadas, si se seguía promoviendo el tipo de economía de crecimiento observado en la 12.

(13) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. década de 1960 y 1970. En los años siguientes, la terminología evolucionó en términos como, “ambiente y desarrollo”, “desarrollo sin destrucción” y “desarrollo ambientalmente racional”. Finalmente el término “eco-desarrollo” aparece en la revisión del Programa Ambiental de las Naciones Unidas en 1978. Por este tiempo, empezó a ser reconocido internacionalmente que las ideas. ambientales. y. de. desarrollo. necesitaban. ser. consideradas. conjuntamente. Aún así el término de desarrollo sustentable no aparece hasta años después en el reporte de “World Commission on Environment and Development (WCED)” , llamado Nuestro futuro común (Our common future) (Mebratu 1998). La comisión sobre ambiente y desarrollo (WCED), por sus siglas en inglés, encabezada por G.H. Brundtland, Primer Ministro de Noruega, se inició como un cuerpo independiente en 1983 por las Naciones Unidas. Su escrito reexaminó los problemas críticos del ambiente y desarrollo del planeta y formuló propuestas realistas para resolverlos, y asegurar que el progreso humano pueda sostenerse a través del desarrollo sin llevar a la quiebra los recursos de las futuras generaciones ((WCED) 1987). Entonces apareció el término Desarrollo Sustentable o Sustentabilidad, la cual según el reporte de la WCED o también llamado reporte Brundtland, la define textualmente como: “Desarrollo que cumple las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de cumplir las necesidades de las generaciones futuras” ((WCED) 1987).. En la estrategia para la conservación del mundo (World Conservation Strategy). en. 1991. se. definieron. nueve. principios. respecto. a. la. sustentabilidad y la conservación del planeta, la cual fue conjuntamente desarrollada con la Unión por la conservación del mundo (IUCN), el programa ambiental de la Naciones Unidas (UNEP) y la Fundación por la 13.

(14) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Naturaleza del Mundo Salvaje (WWF), los nueve principios de una sociedad sustentable son (Munro and Holdgate 1991): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.. Respeto y cuidado por la comunidad de vida. Mejorar la calidad de la vida humana. Conservar la vitalidad y diversidad de la tierra. Minimizar la reducción de los recursos no renovables. Obtener capacidad para el cuidado de la tierra Cambiar actitudes y prácticas Establecer comunidades para el cuidado de sus propios ambientes. Proveer de una red de trabajo para la integración del desarrollo y la conservación. 9. Crear una alianza global.. El desarrollo sustentable es una búsqueda continua, es una misión para el futuro desarrollo de la sociedad humana. Una sociedad sustentable genuina es aquella que inicia desarrollos en formas sustentables (Yip Robin and Poon 2009). Los cambios encontrados en una cultura sustentable son reflejos del nivel de sustentabilidad en una sociedad y estos cambios pueden ser medidos de tiempo en tiempo. Las mediciones resultantes dan información muy importante para los que toman decisiones en los gobiernos y en el sector privado, para examinar la magnitud de los cambios que tomaron lugar en un periodo de tiempo. Los resultados pueden se útiles para la revisión y el ajuste de políticas en el orden de mejorar los cambios de acuerdo a las necesidades de la sociedad (Yip Robin and Poon 2009). La construcción sostenible, conceptualizada por Kibert,. es minimizar el. consumo de recursos básicos (energía, agua, materiales y tierra) a través del comportamiento del ciclo de vida de la construcción (Kibert 1994). Por lo anterior se ha incrementado y se ha invitado a que el desarrollo sustentable forme parte en la toma de decisiones a diferentes niveles, como una herramienta imprescindible en las industrias independientemente del tipo que éstas sean. Dentro de la industria de la construcción se han tomado 14.

(15) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. medidas y muchos investigadores se han preocupado por atender este concepto dentro de la misma. Así mismo en la industria del cemento y del concreto ya que como se explica posteriormente la industria del cemento, es una de las principales generadores de los gases invernadero. El concreto a base de cemento portland es percibido como un material verde (ambientalmente amigable) en relación con otros materiales de construcción. Sin embargo, mucho hay que hacer para reducir grandemente el impacto ambiental de la industria del concreto (Mehta 2001). La producción de cemento en el mundo actualmente es de 6.1 billones de toneladas, lo que representa alrededor del 7% global de emisiones de dióxido de carbono dentro de la atmósfera. Producir una tonelada de cemento portland. requiere de alrededor de 4 GJ de energía, y la. manufactura de clínker de cemento portland emite aproximadamente 1 tonelada de dióxido de carbono dentro de la atmósfera (Malhotra 1999; Mehta 1999). Mehta (Mehta 2001) antes de iniciar a describir el impacto ambiental y cómo reducirlo en la industria del concreto explica para tener un entendimiento general de cómo los actuales problemas ambientales tienen que ver con las opciones de tecnología. Y lo señala como sigue: asumiendo que (D) es el daño ambiental y está en función de tres factores interrelacionados entre sí y lo expresa matemáticamente: ‫) ܹ ∗ܫ ∗ ܲ(݂ = ܦ‬. Donde P es la población, I es un índice del crecimiento urbano e industrial y W un indicador del grado en que la cultura promueve el consumo excesivo de los recursos naturales. El exponencial e insostenible pronóstico de emisiones de CO2 durante el siglo 21 está basado sobre un aumento de la población de 6 a 9 millones, con su correspondiente crecimiento en desarrollo industrial y 15.

(16) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. urbanización que puede resultar en tres cuartas partes de la población mundial viviendo en zonas urbanas y asumiendo un pequeño o ningún cambio en el excesivo consumo de recursos naturales. Como W tiene un efecto multiplicador en el daño ambiental, se puede controlar el daño ambiental controlando este factor. Entonces de acuerdo con otros autores en lo anterior, es necesario tomar medidas para disminuir el consumo de los recursos naturales e iniciar el uso de materiales que puedan reusarse y tengan un comportamiento aceptable dentro de cada industria. El desarrollo sustentable dentro de la construcción, como en la manufactura del concreto es el enfoque principal de este trabajo de investigación por lo que en párrafos posteriores se presentan datos y características de los avances e investigaciones relacionados con estas industrias. El concreto ordinario típicamente contiene alrededor de 12% de cemento y 80% de agregados por volumen. Esto significa que globalmente, para elaborar concreto, se está consumiendo arena, grava y roca triturada a una velocidad de 10 a 11 billones de toneladas cada año. La industria del concreto además usa grandes cantidades de agua fresca; para la mezcla de agua. solamente. es. aproximadamente. 1. trillón. de. litros. cada. año.. Estimaciones confiables no están disponibles, pero grandes cantidades de agua fresca han venido siendo usadas por las mezcladoras de la industria del concreto y para el curado del concreto (Mehta 2001). El sector de la edificación y la construcción es uno de los mayores productores de CO2 y las perspectivas del cambio climático urgen a reducir estas emisiones. El impacto de los edificios de concreto sobre el ambiente es principalmente debido al clínker, el cual es el principal material. usado en. todo el mundo para producir cemento (Habert y Roussel 2009).. 16.

(17) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. El proceso de construcción crea un amplio rango de efectos ambientales cuantificables incluyendo el uso de energía, emisiones, uso de agua y desperdicios sólidos y líquidos (Cole 1998). En los últimos 10 años se le ha dado una mayor importancia dentro de la comunidad científica a este problema para reducir, tanto las emisiones de gases invernadero, como el uso de los recursos naturales que se involucran en los productos finales de las mismas. Por todo lo anterior se confirma que la producción de concreto genera un impacto ambiental alto y que se deben tomar las medidas necesarias para fabricar el mismo material con un menor impacto ambiental, además que ayude al consumo de deshechos y sea éste material un destino final aprovechable para los mismos; así como benéfico, tanto para la población como para el medio ambiente. 1.1.2 Componentes del concreto Se especifican los componentes del concreto; así como el mismo material de acuerdo con las definiciones establecidas en la norma ASTM C125 y las consideraciones para su clasificación. Bajo la norma ASTM C133 para los agregados y la ASTM C150 para la clasificación del Material cementante. El concreto es un material compuesto que consiste esencialmente de un medio aglomerante dentro del cual están embebidos partículas o fragmentos de agregados. En el concreto de cemento hidráulico, el aglomerante está formado de una mezcla de cemento hidráulico y agua (Mehta y Monteiro 2006). Material cementante Es un material inorgánico o mezcla de materiales inorgánicos que fraguan y desarrollan resistencia por la reacción química con el agua debido a la formación de hidratos y que son capaces de hacerlo bajo el agua. 17.

(18) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Cemento Portland Es un cemento hidráulico producido por la pulverización del clínker esencialmente de silicatos de calcio hidráulicos, que usualmente contienen uno o más de las formas de sulfato de calcio como una adición interna de molienda. Agregados Es un material granular, tal como arena, grava, roca triturada, escoria granular de alto horno triturada, o residuo de la construcción y la demolición (RCD) que es usado con un medio cementante para producir posteriormente concreto o mortero. . Agregado grueso: Partículas de agregado más grandes que 4.75 mm,. o que son retenidos en el tamiz No. 4. . Agregado fino: Partículas más pequeñas que 4.75 mm pero más. grandes que 75 m, o retenidas en el tamiz No. 200. . Grava: Es el agregado grueso resultado de la desintegración natural. por el desgaste de roca. . Arena: es usado como agregado grueso y es resultado de la. desintegración natural por el desgaste de la roca o por el triturado de piedra. . Roca triturada: Es el producto del triturado industrial de rocas, cantos. rodados o grandes adoquines.. 1.1.3 Materiales alternativos en el concreto Existen diversos materiales que pueden ser usados en la fabricación del concreto para disminuir el consumo de cemento y de agregados naturales y contribuir a que esta industria adquiera un perfil sustentable a los materiales por sus características y propiedades cementantes se les ha llamado Materiales Cementantes Suplementarios (MCS) y a los agregados producto de la demolición y la construcción se les llama (RCD); así como a los 18.

(19) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. agregados procedentes de concreto triturado se les llamó agregado reciclado (AR) para este trabajo de investigación . En particular, la demanda de cemento Portland se incrementa conforme aumenta la población mundial. Sin embargo, la industria asociada a la generación. de. este. tipo. de. cemento. involucra. altos. requerimientos. energéticos y una fuerte emisión de contaminantes. En la actualidad no existe un material alternativo que pueda ser utilizado como material de bajo costo en construcciones de gran volumen (Escalante-García 2002). Se puede definir un material adhesivo alternativo como aquel que tenga propiedades cementosas per se o latentes (que requieren ser potenciadas externamente), esto es, que pueda emplearse como substituto parcial o total del cemento Portland (Escalante Gracía 2002). Becchio et al. (Becchio, Corgnati et al. 2009) en su documento expresan que muchos intentos para tratar de mejorar la sustentabilidad del concreto y la transformación en un material de construcción de bajo impacto se han hecho. Se ha expandido el uso de combustibles alternativos como biomasa, llantas, aceites usados, solvente usados, para la producción de clínker es visto por la industria como la mayor oportunidad significante para mejorar la sustentabilidad y reducir las emisiones y el consumo de combustibles fósiles. Propone el uso de madera de desperdicio como un agregado para fabricar concreto aligerado. Habert and Roussel proponen dos estrategias ambientales, la primera es la sustitución de clínker por adiciones minerales en el cemento para reducir el costo ambiental del material por un volumen dado de material; la segunda es la reducción del volumen de concreto necesario para un proceso de construcción dado por el mejoramiento del comportamiento del concreto (Habert y Roussel 2009).. 19.

(20) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Se ha establecido el uso de desperdicio, deshechos o material subproducto de industrias, el cual está definido por algunos autores, como cualquier subproducto de alguna actividad humana e industrial que no tiene un valor residual (Becchio, Corgnati et al. 2009). También dentro de la industria de la construcción se puede definir al desperdicio producto de ella como una mezcla de materiales inertes o no inertes provenientes de la construcción, excavación, renovación, demolición, trabajos de caminos y otras actividades relacionadas con la construcción. Los materiales. inertes comprenden. materiales inertes suaves como suelo, tierra y lodo y los materiales inertes duros como rocas y concreto roto. Los materiales no inertes incluyen desperdicios de metal, madera, plásticos y desperdicios de empaques (Poon 2007). Ya que una gran demanda de materiales de construcción ha tomado lugar en la industria de la edificación especialmente en la última década generada por el crecimiento de la población que causa una escasez de materiales de construcción, los ingenieros civiles han estado cambiando para convertir los desperdicios industriales en materiales útiles para edificación y construcción. Aun. así,. la. acumulación. especialmente. en. países. de en. desperdicios desarrollo. ha. que. no. resultado. son. manejados. en. incremento. preocupante de impacto ambiental (Becchio, Corgnati et al. 2009). De acuerdo a documentos publicados el uso de desperdicios en el concreto y la construcción, tomó auge en los últimos 10 años, donde investigadores proponen diversas alternativas de reciclaje, en cuanto a agregados y adiciones minerales como sustitución del cemento, para mejorar las propiedades. y. el. comportamiento. del. concreto. fabricado. con. estos. materiales.. 20.

(21) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. En esta investigación se proponen como materiales alternativos el concreto triturado sano y subproductos de procesos industriales como la ceniza volante y el humo de sílice. En seguida se realiza una revisión a lo que está publicado en cuanto a la fabricación de concreto con materiales producto del reciclado o que tienen características para poder ser reciclados. 1.1.3.1. Agregados reciclados (AR). La explotación de recursos naturales hoy en día es alarmante debido a las exigencias del ritmo de vida que se lleva en la actualidad. Uno de los muchos recursos por demás explotados son los agregados naturales para la elaboración de cemento y concreto, debido principalmente a lo útil, por no decir indispensable que se ha vuelto este material compuesto en nuestros días, tanto para el desarrollo de infraestructura como para el. desarrollo. urbano, vivienda y otros rubros (Etxeberria 2004). Los agregados ocupan la mayor fracción en volumen en el concreto: los principales. componentes. en. concreto. convencional. son. usualmente. agregados naturales, rocas de río y trituradas. Hoy en día, la trituración de agregados gruesos y la extracción de rocas naturales de lechos de río representan una ulterior escasez del material natural. Entonces, otro camino para transformar concreto en un material de construcción más sustentable es sustituir agregados naturales con otros alternativos (Becchio, Corgnati et al. 2009). El impacto ambiental causado por los Residuos de Construcción y Demolición (RCD) es muy alto según estadísticas en Países Asiáticos y Europeos, los cuales están a la vanguardia en el reciclaje de este tipo de materiales. Como estrategias para contribuir en la sustentabilidad de esta industria se está proyectando mejorar la durabilidad del concreto y el reemplazo parcial o total de sus ingredientes por materiales reciclables, tales como Materiales 21.

(22) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Cementantes Suplementarios (MCS) mismos que son subproductos de procesos industriales, los cuales se describen en apartados posteriores, RCD y concreto premezclado de desecho, estos dos últimos para fabricación de Agregados Reciclados (AR) con distintas aplicaciones. Con respecto a los RCD generados en México no hay datos globales, sin embargo, en el Estado de México en 2008 se realizaron estimaciones de los residuos producto de la industria de la construcción a través de cálculos indirectos y una comparativa con datos de otros países. Dichos resultados se muestran en la tabla 1-1 (Hernández Espinosa de los Monteros 2008). Tabla 1-1Comparativo de la generación de RC con otros países y entidades Generación de RC País/Ciudad (Ton/día). Comunidad Europea. 19673. Estados Unidos. 5626. República de Chile. 12276. Distrito Federal. 5076. Estado de México. 5059. A estas cifras habría que sumarle los residuos de demolición (RD) de estructuras que cada año son demolidas por haber alcanzado su límite de uso y los residuos generados por fenómenos naturales, tales como sismos, huracanes, inundaciones, etc. El reciclaje del residuo de construcción y demolición ha sido estudiado desde los años 50. En particular, no existen claros apuntes que lo señalen como un elemento a ser desechado de funciones resistentes, sin embargo debido a la 22.

(23) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. gran escasez experimental sobre las características estructurales y de durabilidad de que dispone dicho material, su empleo ha venido limitado a usos carentes de solicitación significativa del material, como puede ser la ejecución de viales de tráfico (Etxeberria 2004). Durante las pasadas décadas, ha sido reconocido con creciente preocupación que los desperdicios del sector de la construcción y la demolición son de gran volumen y que este volumen se incrementa año con año (Debieb y Kenai 2008). Según se estima, arriba de un billón de toneladas de desperdicios de la construcción y demolición han sido depositados en bases de carreteras y terraplenes cada año, a pesar de este hecho que es una tecnología rentable están disponibles para reciclar la mayoría de los desperdicios como un reemplazo. parcial. de. agregado. grueso. en. las. mezclas. de. concreto. (Corinaldesi y Moriconi 2001). El estudio de las propiedades de los agregados reciclados y las propiedades básicas del concreto reciclado han ido de más en más en pocas décadas, haciendo el seguimiento un número de países para establecer estándares o recomendaciones que soporten su uso (González-Fonteboa y Martínez Abella 2007). Sin embargo, pocas investigaciones se han llevado a cabo en el campo del comportamiento estructural (comportamiento bajo condiciones de flexión, corte, torsión, enlace, etc.) (Mukai y Kikuchi; Yagishita, Sano et al. 1993). Como alternativa de solución se han usado agregados reciclados para elaboración de concreto desde tiempo atrás. En los estados Unidos los escombros de la demolición del concreto en pavimentos se ha triturado y reutilizado como agregado en la estabilización de bases de un gran número de proyectos de construcción de carreteras. De una forma u otra el concreto ha sido reciclado satisfactoriamente en otros países como Sudáfrica, los 23.

(24) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Países Bajos, Reino Unido, Alemania, Francia, Rusia, Canadá y Japón (Olorunsogo y Padayachee 2002). En. Norteamérica,. Europa. y. Japón. alrededor. de. dos. tercios. de los. desperdicios de la construcción y la demolición consisten en escombros de mampostería y concreto viejo. Este representa una gran oportunidad para la industria del concreto para mejorar sus recursos productivos por el uso de agregados gruesos. derivados de los desperdicios de la demolición. En. muchas partes del mundo, los desperdicios de las arenas de dragado y la minería pueden ser procesados para usarse como agregados finos. El reciclaje de estos desperdicios a pesar del algún costo de procesamiento es apropiado económicamente, particularmente en países donde el terreno es escaso y los costos de disposición de desperdicio son muy altos. Además, los depósitos de agregados vírgenes ya se han agotado en muchas áreas, y la transportación de agregados a largas distancias puede ser mucho más cara que usar un agregado reciclado local de bajo costo o gratuito. El concreto reciclado en algunos casos, ha sido usado como relleno de pavimentos, el cual es mejor que las tierras de relleno pero esto es un “subreciclado” en el sentido que los agregados vírgenes siguen siendo usados (Poon 2007). En la Tabla 1-2 se resume un reporte reciente en cuanto a la producción de RCD y MCS y el porcentaje de utilización de estos materiales con carácter de reciclables en E.U.A. y en distintos países (Schimoller et al 2000). Tabla 1-2 Datos Mundiales sobre reciclaje de RCD y MCS Millones de toneladas País. Suiza. Año. Material. Porcentaje usado Producido. Usado. Pavimento asfáltico. 0.80. 0.76. 95. Residuos de demolición de. 1.50-2.00. Poco. -. 1999. 24.

(25) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. edificios y carreteras. Dinamarca. Alemania. Holanda. E.U.A.. Escoria de alto horno. 1.00. 0.70. 70. Concreto de demolición. 1.06. 0.90. 85. Pavimento asfáltico. 0.82. 0.82. 100. Cerámicos (ladrillos). 0.48. 0.33. 0.69. Cenizas volantes. 1.06. 1.06. 100. Pavimento asfáltico. 12.00. 6.00. 50. Concreto y otros de demolición en carreteras. 20.00. 11.00. 0.55. Cenizas volantes. 3.10. 2.70. 87. Pavimento asfáltico. 7.70. 7.70. 100. Concreto de demolición de edificios. 9.20. 9.20. 100. Cenizas volantes. 0.85. 0.85. 100. Residuos de demolición de edificios*. 123. 123. 100. Cenizas** volantes. 63. 63. 100 (20% en concreto). 1997. 1999. 1999. 1996. * Tomado de U.S. Geological Survey Circular C1177 (USGS, 2005) ** Tomado de ACI 232.2R-03 (ACI, 2003). En los países asiáticos principalmente países como Corea y China, se ha presentado un elevado y creciente desarrollo en la investigación de estos agregados, debido a la problemática a la que se enfrentan, la cual significa, falta de recursos naturales y materiales, por su situación geográfica, su 25.

(26) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. creciente población y, por lo tanto la demanda de viviendas, infraestructura y desarrollo. Es por esta razón que en estos países se ha desarrollado fuertemente el estudio de estos agregados para su aplicación y además no sólo se estudia el comportamiento físico y mecánico, sino también el aspecto de durabilidad, en la cual se enfocan principalmente a la penetración de cloruros por el ambiente al que están expuestas la mayoría de las estructuras, que es el ambiente marino. En Corea se generan alrededor de 2,000,000 de toneladas de material de desecho de la construcción anualmente, por lo que se han desarrollado estudios para usar agregado de concreto reciclado en construcciones urbanas (Ann, Moon et al. 2008). En Hong Kong, la industria de la construcción produce cerca de 37,000 toneladas de desperdicio de construcción y demolición cada día, la cual es aproximadamente cuatro veces más que el desperdicio sólido municipal. Pero la escasez de terreno para nuevos sitios de disposición y el fin de mayores reclamaciones de terrenos para proyectos en el futuro cercano, tienen encendida la alarma en Hong Kong para buscar alternativas en el uso de los desperdicios de construcción y demolición. Recientemente se han abierto sitios temporales de recolección de estos desperdicios y producción de agregados reciclados (Poon, Shui et al. 2004). La disposición del desperdicio de construcción y demolición es difícil y económicamente excesivo con respecto a la dificultad de encontrar áreas de terraplén en donde colocarlos. Una estrategia para satisfacer todos los requerimientos se observa en el reciclado (Sani, Moriconi et al. 2005). La industria del cemento y el concreto ha contribuido en la solución de estos problemas análogos; un ejemplo típico es el extenso crecimiento del uso de cenizas volantes y humo de sílice en las pastas de cemento (Malhotra y Ramezanianpour 1994). En el mismo camino, los agregados reciclados cada 26.

(27) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. vez más han sido usados como sustitutos de los agregados naturales (Sani, Moriconi et al. 2005). El uso de agregados de concreto reciclado adquiere un particular interés en construcción civil en cuanto a desarrollo sustentable. Diversos estudios demuestran la factibilidad del uso de concreto triturado como agregado grueso (Recomendación de la RILEM 1994; Lamond, Campbell et al. 2002), su uso ha sido incorporado en las regulaciones de muchos países. Los agregados reciclados usualmente muestran características particulares como una gran porosidad y absorción, y más baja densidad y resistencia que los. agregados. naturales.. Además. algunos. estudios. sobre. agregados. reciclados de concreto indican diferencias en las características de la Zona de Transición Interfacial ZTI. entre la pasta de cemento y los agregados. (Casuccio, Torrijos et al. 2008). Recientemente, técnicas microestructurales han sido aplicadas al estudio de las propiedades de los agregados reciclados gruesos. Lo que se ha encontrado en algunos casos es que el proceso de reciclaje puede mejorar sus propiedades comparado con el agregado grueso de arenisca natural (Nagataki, Gokce et al. 2004). Respecto a los efectos de los agregados reciclados sobre las propiedades mecánicas del concreto, la mayoría de previas investigaciones confirman que la reducción en la rigidez (i.e. módulo elástico) es más alta que la reducción en resistencia (Rasheeduzzafar y Khan 1984; RILEM 1994; Lamond, Campbell et al. 2002); estudios más recientes muestran la misma tendencia (Katz 2003).. 27.

(28) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Tabla 1-3 Influencia del AR en las propiedades mecánicas del concreto. Autor. % de sustitución de AR grueso. % pérdida de resistencia a compresión a 28 días. % caída de módulo de elasticidad. Sagoe et al., 2001. 100. 0. -. Gómez-Soberón, 2002. 100. 12. 10.1. Katz A., 2003. 100. 25. 50.2. Topcu y Sengel, 2004. 100. 24. 13. Xiao J. et al., 2005. 100. 25.6. 45. Martínez y Mendoza, 2006. 100. 7. 3.1. Rahal K., 2007. 100. 10-14. 24. Cassuccio M., et al., 2008. 100. 15. 18. Berndt, 2009. 100. 16. 21. Los agregados de concreto reciclado, particularmente el agregado reciclado de mampostería, tiene porosidad más alta que el agregado natural. Por lo tanto, con una trabajabilidad dada, el agua requerida para la realización de un concreto fresco tiende a ser alta y las propiedades mecánicas del concreto endurecido son adversamente afectadas. El problema puede ser resuelto por el uso compuesto de agregados naturales y reciclados o usando aditivos reductores de agua y ceniza volante en el concreto (Corinaldesi, Tittarelli et al. 2001).. 28.

(29) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. En México el estudio de este tipo de agregados como posibles sustitutos no ha. tenido. un. gran auge, debido. a que. en. nuestro. país. se. tiene. principalmente, en las zonas costeras grandes bancos de agregados naturales, esto gracias a la gran cantidad de ríos que los proveen y depositan en su trayecto hacia el mar. Sin embargo existen zonas geográficas en las que no se tiene acceso fácilmente a ellos, tales como la región norte y centro del país, en las que el proceso de adquisición de agregados es la explotación de bancos de caliza, basalto, andesita, entre otras, los cuales necesitan para obtener el tamaño especificado un proceso de trituración y cribado, que pudiera ser muy similar al que se realizaría con el concreto reciclado. Por otra parte no es necesario llegar al punto de que el uso de estos materiales se convierta en una necesidad, ya sea por exigencias internacionales o por falta de sitios de disposición final en algunas regiones de nuestro país, para iniciar a investigar el comportamiento e ir teniendo una base de información que fundamente su uso y sea regulado. La situación actual del reciclaje de RCD y MCS en México es incipiente, salvo en el Distrito Federal y el Estado de México que ya cuentan con iniciativas y actividades de reciclaje de RCD. Por ejemplo, la Secretaría del Medio Ambiente del Estado de México, a partir de la publicación de la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos (LGPGIR, 2003), publicó en el año 2008 una Norma Técnica Estatal Ambiental (NTEA-011SMA-RS-2008) que establece los requisitos para el manejo de los residuos de la construcción. Dicha norma establece en el apartado 6.4.5 que los residuos de la construcción podrán utilizarse, siempre y cuando estos materiales cumplan con las especificaciones técnicas del proyecto en las siguientes obras: sub-base para caminos, sub-base para estacionamientos, carpetas asfálticas para vialidades secundarias, construcción de terraplenes, cubiertas intermedias. para. rellenos. sanitarios,. construcción. de. andadores. y. construcción de bases para guarniciones y banquetas. Cabe mencionar que 29.

(30) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. existe una sola planta recicladora en el Estado de México, que recibe los residuos de la construcción con base en la norma aplicable para el Distrito Federal, la cual fue publicada en la Gaceta Oficial del Distrito Federal y se oficializó el día 12 de julio de 2006 en su publicación número 80, en las páginas 17 a la 25, la nueva Norma Ambiental para el Distrito Federal NADF007-RNAT-2004 (Comité de Normalización Ambiental y Federal 2006), establece la clasificación y especificaciones de manejo para residuos de la construcción en el Distrito Federal. En la Unión Europea y Asia, países como Bélgica (Guía), Holanda (NEN 5905:97), Alemania (DIN 4226-100), España (EHE-08) y Japón (JIS A 5021), por mencionar algunos cuentan ya con normas y guías que regulan el uso de los agregados reciclados en la fabricación del concreto, teniendo como base investigaciones previas y controlan la calidad del agregado reciclado principalmente con dos parámetros: la densidad y la absorción de éstos y de ahí parte su clasificación. La mayoría de las normativas no establecen un límite de reemplazo de agregado grueso reciclado a excepción de la normativa alemana y española que lo limitan a un 20% sin investigación previa de las propiedades del nuevo concreto. En cuanto al uso o sustitución en mezclas de concreto de CV y HS no existe una normativa como tal, pero el ACI tiene recomendaciones (ACI 232.2R-03 y ACI 234R-06) para el uso en concreto de cada uno de estos materiales. En América, la norma ASTM C33 (ASTM International, 2008) permite sólo el uso de ACR para fabricar concreto. En la sección 9.1 establece que el agregado grueso puede consistir de grava natural, grava triturada, roca triturada, escoria enfriada al aire o concreto hidráulico triturado. Sin embargo, no especifica información sobre cantidades de reemplazo ni criterios de calidad. La utilización del AR, según las distintas normativas internacionales no se limita la cantidad a utilizar en la fabricación de concreto salvo en Alemania y España. 30.

(31) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. 1.1.3.2. Materiales cementantes suplementarios (MCS). Los materiales cementantes suplementarios engloban a todos aquellos productos de origen natural o subproductos de la industria que pueden adicionarse a las mezclas de concreto o reemplazar parcialmente al cemento portland. Algunos de estos materiales conocidos también como adiciones minerales y materiales puzolánicos por mencionar algunos engloban a las cenizas volantes de diferente origen y clase, metacaolines, humo de sílice, escorias y todos aquellos que tengan una actividad puzolánica o cementante. El término puzolana tiene dos distintos significados. El primero indica las rocas piroclásticas, esencialmente vítreas y algunas zeolitas, las cuales se encuentran alrededor de Pozzuoli (del antiguo Puteoli del tiempo de los romanos) o de alrededor de Roma. El segundo significado incluye a todos aquellos materiales inorgánicos, naturales o artificiales, los cuales endurecen en agua cuando son mezcladas con hidróxido de calcio (CaOH) o con materiales que puedan liberar. hidróxido de calcio (clínker de cemento. portland) (Massazza 2008). Los materiales puzolánicos son finalmente divididos en materiales silíceos que son adicionados al concreto en relativamente grandes cantidades, generalmente en el rango de 20 a 70% por masa del total del material cementante. Aun así, las puzolanas naturales. en su estado primitivo sin. ningún tratamiento o después de una activación térmica siguen siendo usadas en algunas partes del mundo, debido a las consideraciones económicas y ambientales y a que muchos subproductos industriales. han. vuelto a ser los recursos primarios en el concreto (Mehta y Monteiro 2006). La clasificación de las puzolanas más comúnmente aceptada es la que concierne al origen de las puzolanas, es por estos que la primera subdivisión es entre materiales naturales y artificiales. La división entre puzolanas naturales y artificiales no está bien definida. Pero la clasificación de 31.

(32) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. puzolanas es básicamente idéntica a la propuesta en el 6to. Congreso de la Química del Cemento realizado en Moscú en 1974. El único cambio significativo fue la introducción del humo de sílice dentro de las puzolanas artificiales. el cual empezó a ser usado después del Congreso de Moscú. (Massazza 2008). Las puzolanas son aquellos materiales de composición rica en SiO2, similares a las cenizas volcánicas utilizadas por los romanos. Ejemplos de éstos son la ceniza volcánica (empleada en nuestro país), la sílice condensada, algunos caolines, ceniza de cascarilla de arroz y desechos geotermales. La Tabla 1-4 presenta un resumen de algunas de sus características. Todos estos materiales pueden ser empleados como reemplazo parcial del cemento Portland y algunos como reemplazo total. Los materiales puzolánicos son así llamados por la interacción química con los productos de hidratación del cemento, principalmente [Ca(OH)2]; la reacción que describe tal proceso es llamada “reacción puzolánica” (Escalante-García 2002): x Sde la puzolana + y CHdel cemento + z H Cy·Sx·H(y+z). Tabla 1-4 Características generales de los materiales puzolánicos (Escalante-García 2002). Procesamiento adicional requerido. Características. Origen. Sílice condensada. Aglomeración para su manejo. Partículas esféricas < 1m. Alta área superficial. Vapores condensados de la producción de carburo de silicio.. Ceniza volcánica. Molienda. Reactividad variable, partículas de forma irregular.. Emisiones volcánicas.. Ceniza de cascarilla de arroz. Calcinación, se aprovecha el calor generado como combustible.. Morfología irregular, tamaño muy fino, alta área superficial.. Producción de grano de arroz. 32.

(33) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Sílice geotérmica. Lavado. Morfología irregular, tamaño submicrónico, alta área superficial. Incrustaciones en líneas de vapor geotermal. (generación de electricidad).. Caolines. Tratamiento térmico hasta 800° C. Tamaño de partícula fina, alta área superficial.. Mineral. Partículas esféricas de tamaño variable o similar o menor a las del cemento portland.. Generadas por la combustión de carbón para la generación de electricidad.. Ceniza volante. El término actividad puzolánica cubre todas las reacciones ocurridas entre los constituyentes activos de las puzolanas, cal y agua. La definición si bien se aproxima, es sin embargo aceptable desde un punto de visto técnico y práctico (Massazza 2008). El término actividad puzolánica incluye dos parámetros, los cuales son, la máxima cantidad de cal que una puzolana puede combinar y la velocidad a la cual esta combinación ocurre. Ambos factores dependen de la naturaleza de la puzolana. y, más precisamente, sobre la calidad y la cantidad de fases. activas. La heterogeneidad de la familia de puzolanas, como bien se sabe es un fenómeno complejo que ocurre dentro de la hidratación, que no permite un modelo de actividad puzolánica para ser definido y solamente permite generales para ser identificado. Existe un acuerdo general en que la cantidad total de cal combinada esencialmente depende de lo siguiente: . La naturaleza de las fases activas. . Su contenido puzolánico. . Su contenido de SiO2. . La relación cal/puzolana de la mezcla. . Tiempo de curado 33.

(34) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Mientras que la velocidad de combinación también depende de: . El área superficial específica (BET) de la puzolana. . Relación agua/mezcla sólida. . Temperatura. Mehta y Monteiro (Mehta y Monteiro 2006), para propósitos de una detallada descripción de la importancia de las adiciones minerales , dividen a este tipo de materiales como sigue: . Materiales naturales: Estos materiales que han sido procesados para el. solo propósito de producir una puzolana. El proceso usualmente involucra la molienda, el tamizado y la separación por tamaños; en algunos casos puede involucrar una activación térmica. . Subproductos de procesos industriales: Estos materiales no son los. productos primarios de la industria que los produce. Los subproductos industriales pueden o no requerir algún procesamiento (por ejemplo secado y pulverización) antes de usarse como adiciones minerales.. Las cenizas de la combustión del carbón y algunos residuos de cosecha como la cáscara de arroz y la paja de arroz, el humo de sílice de ciertas operaciones en industrias metalúrgicas y la escoria granulada ambos de industrias de metales ferrosas y no ferrosas son entre los subproductos industriales que son posible de usar como adición mineral en un concreto de cemento portland. Países como China, India, Los Estados Unidos, Rusia, Alemania, Sudáfrica y el Reino Unido, están entre los más grandes productores. de la ceniza volante del carbón, la cual, su actual taza de. producción, es de algunos 500 millones de toneladas al año, constituyendo los mayores productores de desperdicio industrial en el mundo. Noruega es el principal productor de humo de sílice, mientras que la escoria granulada de alto horno está disponible. en muchos países. Además de estos. materiales, China, India y otros países asiáticos tienen el potencial de. 34.

(35) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. producir grandes cantidades de ceniza de cáscara de arroz (Mehta y Monteiro 2006). Dentro de la industria del cemento y el concreto se han venido usando estos materiales además de la escoria de alto horno con la finalidad de minimizar las cantidades de cemento portland, ya sea adicionándolos en la manufactura del cemento, los cuales han sido llamados cementos compuestos (blended cement), o en la fabricación del concreto sustituyendo parcialmente el cemento portland para mejorar sus propiedades. El estudio de estos materiales se ha llevado a cabo desde hace muchos años con diferentes finalidades en cada caso, los últimos se han enfocado principalmente a la reducción del uso del cemento portland en el concreto, sustituido por MCS y su respectiva caracterización una vez hidratados. Talero (Talero 1996) realizó un estudio comparativo y semicuantitativo de la formación de etringita entre cemento portland ordinario y puzolanas, utilizando la difracción de rayos X. Concluyó que de las puzolanas se formaba más rápidamente la etringita en los primeros 7 y 14 días y en mayor cantidad que el cemento portland, esto lo atribuyó a la mayor cantidad de Al2O3 reactiva presente en las puzolanas. Escalante et al. (Escalante, Mendoza et al. 1999) estudiaron las propiedades de la sílice geotérmica, producto de desecho de una planta geotérmica generadora de electricidad en Cerro Prieto, B.C., México. Se enfocaron en la cantidad de portlandita generada en el proceso de hidratación a diferentes temperaturas y calcularon el agua no evaporable de las pastas en estudio y la compararon con cementos portland, concluyen que las características físicas de este tipo de sílice, lo hacen un material que puede ser usado para sustituir parcialmente al cemento portland, como el humo de sílice.. 35.

(36) Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas. Introducción. Papadakis (Papadakis 1999), evaluó el efecto de la ceniza volante con bajo contenido de calcio en morteros de cemento portland en sustitución tanto del cemento, como de la arena y midió resistencia, calor, agua enlazada, contenido de portlandita y porosidad. Este mismo estudio lo realizó utilizando ceniza volante con alto contenido de calcio (Papadakis 2000). En el año 2000 (Escalante y Sharp 2000) estudiaron el efecto de la temperatura en la temprana hidratación de dos pastas de cemento portland procedente de plantas de México y tres pastas de cemento compuesto, el cual fue sustituido parcialmente en cada pasta con 60% de escoria granulada de alto horno, 30% de ceniza volante pulverizada y 22% de ceniza volcánica mexicana. Esta investigación se llevó a cabo por la técnica de medición de Calorimetría de conducción isotérmica. Iribarne et al. (Iribarne, et al. 2001) llevaron cabo un estudio físico y químico de la hidratación de cenizas procedentes de la combustión, para ello fabricaron morteros de arena y cenizas compuestas y los sometieron a curado. El enfoque principal de esta investigación fueron los productos de hidratación, y estos fueron correlacionados con sus propiedades físicas. Escalante et al. (Escalante, Gómez et al. 2001) compararon la reactividad de dos tipos de escoria de alto horno en cementos portland compuestos bajo diferentes condiciones como las temperaturas de curado, de donde se obtuvieron el agua no evaporable, la cantidad de portlandita producida en cada pasta. Escalante y Sharp (Escalante y Sharp 2001) evaluaron diferentes cementos compuestos con cenizas volantes, ceniza volcánica y escoria granulada de alto horno en sustitución del cemento portland. Las pastas fueron hidratadas a. varias. temperaturas. y. midieron. las. propiedades. mecánicas. y. la. microestructura de cada una de ellas.. 36.