Elaboración de concreto con residuos de basalto

Resumen

Este estudio investiga la viabilidad de utilizar basalto como sustituto parcial del cemento en la elaboración de concreto, analizando su resistencia. En primer lugar, se determinó que el basalto presenta altos niveles de silicio y calcio, similares a los del cemento. Posteriormente, se prepararon mezclas con 5%, 10%, 15% y 20% de basalto en lugar de cemento.

Los resultados mostraron que hasta un 10% de basalto reduce la resistencia únicamente en un 13% en comparación con el concreto tradicional. Sin embargo, al superar el 15%, la resistencia disminuye de manera significativa. Esto se debe a que el basalto afecta la unión entre las partículas de cemento y los agregados, haciendo que el concreto sea más propenso a pequeñas fracturas.

Finalmente, este estudio busca fomentar la sostenibilidad en la construcción mediante el uso de materiales alternativos y la reducción del consumo de cemento, promoviendo prácticas más ecológicas.

1. Introducción

La industria de la construcción, como motor clave del desarrollo económico, se enfrenta a la imperativa necesidad de adoptar prácticas sostenibles y eficientes que minimicen su impacto ambiental. En este contexto, la investigación y aplicación de tecnologías innovadoras para la producción de concreto se erigen como elementos cruciales. Además, uno de los enfoques más prometedores en este ámbito es la utilización de residuos mineros en la elaboración de concretos. De esta manera, no solo se mitiga la acumulación de desechos industriales, sino que también se mejora la sostenibilidad de la construcción.

2. Metodología

En esta sección se describe el proceso de elaboración del concreto con residuos de basalto. En primer lugar, se estudiaron las propiedades físicas y químicas del material. Posteriormente, se realizaron mezclas sustituyendo el cemento por basalto en proporciones del 5%, 10%, 15% y 20%. Con ello, fue posible evaluar el comportamiento del material bajo diferentes niveles de sustitución.

Asimismo, para determinar las características del basalto, fue necesario realizar un muestreo en el banco de extracción de material pétreo. De esta manera, se analizó material de desecho mediante la toma de muestras representativas de la mina. Posteriormente, estas muestras sirvieron como base para los análisis físicos y químicos desarrollados en la investigación..

2.1.   Caracterización química del basalto

Se utilizó un equipo especializado para analizar la composición del basalto. De esta manera, se determinó que contiene principalmente silicio, aluminio y calcio, lo que lo convierte en un posible sustituto del cemento. Además, se realizó un estudio de microanálisis con el objetivo de determinar con mayor precisión la naturaleza del material. Asimismo, este análisis permitió complementar la caracterización química del basalto y validar los resultados obtenidos. Finalmente, los resultados se presentan en la Figura 2.1 y en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Composición química del basalto

Elemento	Wt%
O	47.44
Na	3.90
Mg	0.90
Al	9.31
Si	29.60
K	1.51
Ca	3.93
Fe	3.41
Total	100

En la figura 2.1. Se observa la presencia de elementos mayoritarios de silicio, aluminio, calcio, hierro; como elementos minoritarios: potasio y magnesio.

Figura 2.1. Elaborado por Abril Morales. Microscopía Electrónica de barrido con microanálisis por dispersión de Rayos X (SEM-EDS) Microfotografía del basalto: a) Imagen general, b) resultado del microanálisis general.

2.2.   Elaboración de especímenes de concreto

Una vez definida la composición de la mezcla, se procede a la elaboración de los especímenes de concreto con residuos de basalto. Este proceso implica la preparación cuidadosa de muestras representativas. Asimismo, se siguen protocolos estandarizados para garantizar la reproducibilidad y la fiabilidad de los resultados experimentales. De esta forma, se asegura la calidad y consistencia de las pruebas realizadas. Además, se minimizan posibles variaciones que puedan afectar la interpretación de los resultados.

Posteriormente, los especímenes se elaboraron con un diseño de mezcla de media solicitación, correspondiente a una resistencia de 200 Kg/cm². Esta resistencia se utiliza comúnmente en la construcción de edificaciones de poca altura. Para ello, la mezcla se obtuvo mediante el método de peso establecido en la norma ACI 211.1-91, denominada “Práctica Estándar para Seleccionar el Proporcionamiento de Concreto de Peso Normal, Pesado y Masivo”. Asimismo, dicho método permite definir proporciones adecuadas para cada uno de los componentes de la mezcla.

2.2.1. Diseño de mezcla

El diseño de la mezcla se realizó bajo las siguientes consideraciones. Para ello, se empleó el software libre Concrete Mix Design. Asimismo, se utilizaron los parámetros detallados en la Tabla 2.2 para garantizar la correcta dosificación de los materiales.

Tabla 2.2. Diseño de mezcla de concreto

Parámetro
Revenimiento (mm)	75 máximo
	25 mínimo
Tamaño máximo agregado (mm)	19
Cantidad de agua de mezcla (kg/m3) de acuerdo con el tamaño máximo de agregado	205
Porcentaje de aire en mezcla sin entrada de aire	2
Relación agua cemento de acuerdo con la resistencia a la compresión	0.69
Módulo de finura agregado fino	2.8
Porcentaje de absorción de agregado grueso	1.5
Porcentaje de absorción de agregado fino	5

Como se mencionó anteriormente, se elaboraron especímenes cilíndricos de 10 cm de diámetro y 20 cm de altura para la prueba de compresión; el residuo de mina (basalto) se utilizó como sustituto de -cemento con una dosificación de: 5%, 10%, 15% y 20% (Tabla 2.3.), en sustitución del cemento.

Tabla 2.3. Dosificación de concreto con basalto como sustituto de cemento

Sistema	Agua Kg/m3	Cemento Kg/m3	Agregado grueso Kg/m3	Agregado fino Kg/m3	Basalto Kg/m3	Relación A/C
0%	260.26	297.1	1054	788.9	0	0.69
5%	260.26	282.25	1054	788.9	14.85	0.69
10%	260.26	267.39	1054	788.9	29.71	0.69
15%	260.26	252.53	1054	788.9	44.56	0.69
20%	260.26	238.88	1054	788.9	58.22	0.69

2.4.  Curado de los cilindros de concreto

El curado adecuado de los cilindros de concreto es esencial para maximizar su resistencia y durabilidad. De hecho, se implementan técnicas específicas de curado adaptadas a las características particulares de los materiales utilizados. De esta forma, se optimiza el proceso de endurecimiento y se minimiza la aparición de posibles defectos. Asimismo, se favorece un desarrollo más uniforme de las propiedades mecánicas del material.

Además, el curado resulta fundamental para alcanzar la máxima resistencia del concreto. Por ello, después de desmoldar las muestras, estas se sumergieron en agua durante 28 días con el fin de asegurar su óptimo desempeño. Asimismo, este procedimiento contribuye a obtener resultados más confiables durante la evaluación de las propiedades mecánicas del material. En consecuencia, se garantiza una mejor representatividad de los resultados obtenidos en los ensayos.

2.5.  Ensayo de compresión de los especímenes de concreto

Para las pruebas de compresión de cada cilindro se realizó el ensayo de acuerdo con las especificaciones de la normativa ASTM C39/C39M. En primer lugar, se aplicó una carga gradual hasta alcanzar la falla, registrando la carga máxima aplicada. Posteriormente, se registró la resistencia a la compresión máxima alcanzada por cada cilindro. Finalmente, se compararon los valores obtenidos entre los distintos sistemas en estudio.

3. Resultados

3.1.   Prueba de resistencia a la compresión

En los especímenes de concreto con residuos de basalto elaborados con sustituciones de cemento de hasta un 10%, se observó la presencia de formaciones alargadas similares a bastones en la superficie de ruptura generada después de los ensayos mecánicos. Sin embargo, estas formaciones desaparecieron en los sistemas con más del 15% de basalto (ver figura 3.3).

Este comportamiento puede deberse a la forma en que el basalto interactúa con la matriz del concreto. En particular, cuando se incorpora en altas proporciones, afecta la unión entre las partículas de cemento y los agregados. De esta manera, el concreto se vuelve más vulnerable a la formación de pequeñas grietas bajo presión. Además, este resultado sugiere un debilitamiento progresivo de la estructura interna del material. Por consiguiente, es posible que exista una menor cantidad de elementos capaces de contribuir a su resistencia mecánica.

Tabla 3.1. Parámetros de resistencia a la compresión de concreto con basalto como sustituto de cemento

Sistema	Espécimen 1 (kg/cm²)	Espécimen 2 (kg/cm²)	Espécimen 3 (kg/cm²)	Espécimen 4 (kg/cm²)
0 %	222.74	220.20	190.32	219.22
5 %	209.76	213.18	212.30	211.98
10 %	190.91	189.58	185.19	187.77
15 %	120.77	111.43	111.43	113.10
20 %	85.19	79.45	92.25	86.03

3.3.   Micrografías de ruptura de concretos ensayados mecánicamente

En los especímenes elaborados con sustituciones de cemento por basalto de hasta un 10%, se reveló la presencia de formaciones alargadas similares a bastones en la superficie de ruptura generada después de los ensayos mecánicos. Sin embargo, estas formaciones desaparecieron en los sistemas con sustituciones superiores al 15% de basalto (ver figura 3.3).

Este comportamiento puede deberse a la forma en que el basalto interactúa con el concreto. En particular, cuando se incorpora en altas proporciones, puede afectar la unión entre las partículas de cemento y los agregados. De esta manera, el concreto se vuelve más vulnerable a la formación de pequeñas grietas cuando está sometido a presión. Además, este resultado indica que la estructura interna del material se debilita progresivamente a medida que aumenta el contenido de basalto. Por consiguiente, es posible que exista una menor cantidad de elementos capaces de contribuir a la resistencia mecánica del concreto.

Figura 3.3. Elaborado por Abril Morales.  Micrografías de ruptura de concretos después de pruebas mecánicas. a) Ensayo de compresión del sistema 10 % de basalto, b) Ensayo de tracción del sistema 10 %, c) Ensayo de compresión del sistema 15 % de basalto, d) Ensayo de tracción del sistema 15 %, de basalto, con microscopio electrónico de barrido.

4. Conclusiones

Los resultados muestran que, al agregar hasta un 10% de basalto en sustitución del cemento en el concreto con residuos de basalto, la resistencia disminuye ligeramente. Sin embargo, esta reducción sigue siendo aceptable para determinadas aplicaciones estructurales. Por otro lado, cuando la sustitución supera el 15%, la resistencia disminuye de manera considerable. Por lo tanto, los resultados indican que existe un límite en la cantidad de basalto que puede incorporarse sin comprometer el desempeño del concreto.

Además, en las imágenes microscópicas se observaron formaciones alargadas similares a bastones en las muestras con hasta un 10% de basalto. No obstante, estas estructuras desaparecieron cuando la sustitución superó el 15%. De esta manera, la presencia de dichas formaciones en mezclas con 5% y 10% de basalto podría contribuir a una mejor distribución de las tensiones internas, favoreciendo la resistencia mecánica. En contraste, las mezclas con 15% y 20% de basalto presentaron un comportamiento más frágil y una menor resistencia.

Finalmente, estos resultados sugieren que el basalto influye en la unión entre las partículas de cemento y los agregados. En consecuencia, el concreto puede volverse más susceptible a la aparición de microgrietas cuando se encuentra sometido a esfuerzos de compresión.

Leer también: Cemento Permeable: Una solución sostenible para la urbanización y la preservación de mantos acuíferos subterráneos

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