- Autor: Abril Adamari Morales Cervantes
- Fecha de elaboración: 20 de septiembre 2024
- Fecha de publicación: 30 de octubre 2024
- Categoría para la web: Investigaciones
Resumen
Este estudio investiga si se puede usar basalto en lugar de cemento en el concreto, analizando su resistencia. Se encontró que el basalto tiene altos niveles de silicio y calcio, similares a los del cemento. Se probaron mezclas con 5%, 10%, 15% y 20% de basalto en lugar de cemento. Los resultados mostraron que hasta un 10% de basalto solo reduce la resistencia en un 13% comparado con el concreto tradicional. Sin embargo, al usar más del 15%, la resistencia baja significativamente. Esto se debe a que el basalto afecta cómo se unen las partículas de cemento y los agregados, haciendo que el concreto sea más propenso a pequeñas fracturas. Este estudio busca promover prácticas más ecológicas en la construcción al reducir el uso de cemento. Este estudio busca fomentar la sostenibilidad explorando materiales alternativos y reduciendo el consumo de cemento, promoviendo prácticas más ecológicas en la construcción.
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. Uno de los enfoques más prometedores en este ámbito es la utilización de residuos mineros en la elaboración de concretos, una práctica que no solo busca mitigar la acumulación de desechos industriales, sino también mejorar la sostenibilidad de la construcción.
2. Metodología
En esta sección se describe cómo se elaboró el concreto con basalto. Se estudiaron las propiedades del basalto, y se realizaron mezclas con 5%, 10%, 15% y 20% de basalto en lugar de cemento..
Para la determinación de las características físicas y químicas del Basalto, fue necesario realizar un muestreo sobre el banco de extracción de material pétreo, se analizó material de desecho tomando muestras significativas de la mina.
2.1. Caracterización química del basalto
Se usó un equipo especializado para analizar la composición del basalto. Se encontró que contiene principalmente silicio, aluminio y calcio, lo que lo hace un posible sustituto del cemento. (ver figura 2.1), así como el estudio del microanálisis con el objeto de determinar la naturaleza del material estudiado 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. Este proceso implica la preparación cuidadosa de muestras representativas, siguiendo protocolos estandarizados para garantizar la reproducibilidad y la fiabilidad de los resultados experimentales.
Los especímenes de concreto se elaboraron con un diseño de mezcla de media solicitación, correspondiente a una resistencia de 200 Kg/cm2; la cual es utilizada para construir edificaciones de poca altura. Para la obtención de la mezcla de concreto, diseñada por el método de peso (ACI 211.1-91). “Práctica Estándar para Seleccionar el Proporcionamiento de Concreto de Peso Normal, Pesado y Masivo”.
2.2.1.Diseño de mezcla
El diseño de la mezcla se realizó bajo las siguientes consideraciones. Para el diseño se utilizó el software libre (Concrete Mix Design) con los siguientes parámetros (tabla 2.2.).
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. Se implementan técnicas específicas de curado, adaptadas a las características particulares de los materiales utilizados, con el fin de optimizar el proceso de endurecimiento y minimizar la aparición de posibles defectos.
El curado es esencial para maximizar la resistencia del concreto. Después de desmoldar las muestras, se sumergieron en agua durante 28 días para asegurar que alcanzaran su máxima resistencia.
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). Aplicar una carga hasta que se alcance la falla, registrando la carga máxima aplicada. Registrar la resistencia a la compresión máxima alcanzada por cada cilindro. Por último, se comparan los valores de resistencia a la compresión obtenidos de los distintos sistemas en estudio.
3. Resultados
3.1. Prueba de resistencia a la compresión
Se realizaron pruebas para medir la resistencia de los cilindros de concreto, registrando cuánta carga podían soportar antes de romperse.
Los resultados de los ensayos de compresión revelaron una disminución en la resistencia a la compresión con la adición de basalto como sustituto parcial del cemento . En concreto, la incorporación de hasta un 10% de basalto resultó en una reducción del 15% en la resistencia a la compresión en comparación con el concreto convencional sin adiciones de basalto, como se muestra en la Tabla 3.1.
Estos hallazgos tienen importantes implicaciones para el diseño de mezclas de concreto. La reducción de la resistencia a la compresión con la adición de basalto debe ser cuidadosamente considerada en aplicaciones estructurales donde esta propiedad es crítica. Aunque el uso de basalto puede ofrecer ventajas en términos de costos y sostenibilidad, su impacto en la resistencia mecánica del concreto limita su utilización a porcentajes relativamente bajos.
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 en hasta una proporción de 10%, se revelaron la presencia de formaciones alargadas similares a bastones en la ruptura generada después de los ensayos mecánicos. Estas formaciones desaparecieron en los sistemas mayores de 15 % de sustituto de basalto (ver figura 3.3).
Este comportamiento puede deberse a cómo el basalto interactúa con el concreto. Cuando se añade mucho basalto, puede afectar la forma en que las partículas de cemento y los agregados se unen, lo que hace que el concreto sea más vulnerable a pequeñas grietas cuando está bajo presión. Esto indica que la estructura interna del concreto se debilita a medida que se usa más basalto, posiblemente porque hay menos elementos que ayudan a que el concreto sea fuerte.
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 lugar de cemento, la resistencia del concreto se reduce, pero esta disminución es aceptable para ciertas estructuras. Sin embargo, al usar más del 15%, la resistencia disminuye considerablemente, lo que indica que hay un límite en la cantidad de basalto que se puede usar sin debilitar el concreto.
En las imágenes microscópicas, se vieron formaciones alargadas similares a bastones en las muestras con hasta un 10% de basalto, pero estas desaparecieron al usar más del 15%. La presencia de estos bastones en mezclas con 5% y 10% de basalto podría ayudar a distribuir mejor las tensiones, lo que aumenta la resistencia. En cambio, las mezclas con 15% y 20% de basalto fueron más frágiles y menos resistentes.
Esto se debe a que el basalto puede afectar cómo se unen las partículas de cemento y los agregados, haciendo que el concreto sea más propenso a pequeñas grietas cuando está bajo presión.
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