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Uso de la ceniza de fondo como reemplazo porcentual del cemento portland en la elaboraci�n de mortero

 

Use of bottom ash as a percentage replacement for portland cement in the production of mortar

 

Utiliza��o de cinzas de fundo como substituto percentual do cimento Portland na produ��o de argamasas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: mcalderero5130@utm.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 23 de septiembre de 2022 *Aceptado: 18 de octubre de 2022 * Publicado: 12 de noviembre de 2022

 

 

        I.            Ingeniera Civil, Estudiante de la Maestr�a en Ingenier�a Civil Menci�n: Construcci�n de Viviendas de Inter�s Social, Instituto de Posgrado de la Universidad T�cnica de Manab�, Investigadora Independiente, Asesora de Proyectos de la Constructora Soluciones Inmobiliarias Teodanmar C.L, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

      II.            Ingeniera Civil, Mag�ster Scientiarum en Energ�a Docente Principal Tiempo Completo Departamento de Construcciones Civiles, Facultad de Ciencias Matem�ticas, F�sicas y Qu�micas de la Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

 

Resumen

Se evalu� el reemplazo porcentual de cemento portland por ceniza de fondo, producto del proceso de elaboraci�n de ladrillo artesanal cocido, para ser usado en mortero de pega ecol�gico con un an�lisis del comportamiento mec�nico del �Mortero Cemento para mamposter�a Tipo S� NTE Inen 2818 para reemplazar porcentualmente el cemento por ceniza de fondo, proveniente de una ladrillera artesanal en Manab�- Ecuador. Se realizaron probetas para someterlas al ensayo: Determinaci�n De La Resistencia A La Compresi�n De Morteros En Cubos De 50mm De Arista, NTE INEN 2 518:2010 con muestras patr�n y con reemplazos del 5, 10, 15 por ciento; teniendo como resultado mejoras en la resistencia a la compresi�n con un reemplazo del 5 por ciento y una disminuci�n en su resistencia al llegar al 10%. Tambi�n se analiz� la capacidad puzolana de la ceniza de fondo mediante el Estudio De Infrarrojo Por Transformada De Fourier usando un espectrofot�metro. �Obteniendo una banda caracter�stica de materiales cementantes. Finalmente se determina que reemplazando alrededor del 5% de cemento portland en un dise�o de mortero es posible y permitir�a el reingreso del residuo al sector de la construcci�n.

Palabras clave: Cemento Portland; Mortero; Construcci�n artesanal de ladrillo; Ceniza de fondo.

 

Abstract

The percentage replacement of portland cement by bottom ash, product of the baked artisanal brick production process, was evaluated to be used in ecological glue mortar with an analysis of the mechanical behavior of the "Cement Mortar for masonry Type S" NTE Inen 2818 for Percentage replacement of cement by bottom ash, from an artisanal brick factory in Manab�-Ecuador. Specimens were made to submit them to the test: Determination of the Compression Resistance of Mortars in 50mm Edge Cubes, NTE INEN 2 518:2010 with standard samples and with replacements of 5, 10, 15 percent; resulting in improvements in compressive strength with a 5 percent replacement and a decrease in its strength when it reaches 10%. The pozzolan capacity of the bottom ash was also analyzed by Fourier Transform Infrared Study using a spectrophotometer. obtaining a characteristic band of cementitious materials. Finally, it is determined that replacing around 5% of portland cement in a mortar design is possible and would allow the re-entry of the residue to the construction sector.

Keywords: Portland cement; Mortar; Handcrafted brick construction; Background ash.

 

Resumo

A porcentagem de substitui��o do cimento Portland por cinza de fundo, produto do processo de produ��o artesanal de tijolos cozidos, foi avaliada para ser utilizada em argamassa colante ecol�gica com an�lise do comportamento mec�nico da "Argamassa de cimento para alvenaria Tipo S" NTE Inen 2818 para Percentagem substitui��o de cimento por cinza de fundo, de uma olaria artesanal de Manab�-Equador. Foram confeccionados corpos de prova para submet�-los ao ensaio: Determina��o da Resist�ncia � Compress�o de Argamassas em Cubos de Borda de 50mm, NTE INEN 2 518:2010 com amostras padr�o e com substitui��es de 5, 10, 15 por cento; resultando em melhorias na resist�ncia � compress�o com uma substitui��o de 5 por cento e uma diminui��o na sua resist�ncia quando atinge 10%. A capacidade pozolana das cinzas de fundo tamb�m foi analisada por Fourier Transform Infrared Study usando um espectrofot�metro. obten��o de uma banda caracter�stica de materiais ciment�cios. Por fim, determina-se que a substitui��o de cerca de 5% do cimento Portland em um projeto de argamassa � poss�vel e permitiria a reentrada do res�duo no setor de constru��o.

Palavras-chave: Cimento Portland; Argamassa; Constru��o artesanal de tijolos; Cinzas de fundo.

 

Introducci�n

La construcci�n de obras civiles constituye uno de los ejes principales del crecimiento econ�mico de la sociedad, en contraste, es una de las industrias que m�s contribuye a la contaminaci�n ambiental principalmente por su gran cantidad de emisiones de carbono y a la poca importancia enfocada a la reutilizaci�n de recursos en los procesos constructivos (Gordillo y Elizalde 2018). Actualmente Manta, se encuentra dentro de los cantones en auge inmobiliario, lo cual resulta en una demanda creciente de materiales para la construcci�n de viviendas, siendo uno de estos el ladrillo de arcilla, material que es obtenido en ladrilleras informales establecidas en diferentes localidades, un asentamiento de varias f�bricas de ladrillo se encuentra en el kil�metro 18 de la v�a Portoviejo-Manta. En las ladrilleras tradicionales que cuecen arcilla para la elaboraci�n de su producto , aproximadamente del volumen de combustible utilizado para el cocido del ladrillo el 10% corresponde al residuo generado (Rinc�n y Wellens 2011). El principal residuo es la ceniza de fondo y �sta representa un problema de dos aristas para la industria ladrillera, en primer lugar, la b�squeda de una disposici�n final que cumpla la normativa ambiental vigente ecuatoriana y, en segundo lugar, implementar un sistema de disposici�n final que no represente costos adicionales de producci�n. Por la naturaleza informal y en v�a de regularizaci�n de la industria ladrillera, los residuos de ceniza de fondo no siempre llegan a disponerse sin causar un impacto ambiental negativo. Debido a lo previamente descrito, el encontrar un re ingreso de la ceniza de fondo a la industria de la construcci�n representa una necesidad tanto ambiental como productiva, tributar�a a la disminuci�n del uso de recursos no renovables en nuevas construcciones e implementar�a la reutilizaci�n de residuos en la construcci�n de obra civil.

Los objetivos de la presente investigaci�n son: evaluar el reemplazo porcentual de cemento portland por ceniza de fondo, producto del proceso de elaboraci�n de ladrillo cocido, para su uso en mortero de pega ecol�gico., identificar las caracter�sticas f�sico-qu�micas y puzol�nicas de la ceniza de fondo de las ladrilleras, ensayar el comportamiento del mortero de pega con reemplazo porcentual de ceniza fondo mediante ensayos de Cemento Hidr�ulico Determinaci�n De La Resistencia A La Compresi�n De Morteros En Cubos De 50mm De Arista, NTE INEN 2 518:2010 y establecer la influencia del reemplazo porcentual sobre la resistencia del dise�o mortero de pega establecido.

 

Materiales y m�todos

Residuos en las empresas ladrilleras

Como consecuencia del proceso industrial de las ladrilleras, se obtiene ceniza de fondo a manera de residuo contaminante. El manejo y disposici�n final de este sub producto constituye un inconveniente ambiental y de procesos para la industrial ladrillera. Existen procesos para reutilizar las cenizas al proponerla de material constituyente en la elaboraci�n de mortero de hormig�n simple que pudiera ser utilizado en la construcci�n de viviendas de inter�s social.

En diferentes pa�ses asi�ticos se ha estudiado la reutilizaci�n generando el denominado �eco-cemento�, es fen�meno se basa en el problema existente y creciente en pa�ses desarrollados por la alta demanda en la industria de la construcci�n lo cual ha resultado en la alta cantidad de emisiones del CO2 producido en la elaboraci�n de cemento tradicional, las emisiones de CO2 en pa�ses desarrollados como Jap�n llegan a 7 millones de toneladas al a�o (Sakai et al. 2005).

 

La industria ladrillera en ecuador

En ecuador la industria ladrillera es est� denominada mediante la clasificaci�n CIIU (Clasificaci�n Industrial Internacional Uniforme) en C 239: C391 y C2392; est� conformada en un 95% por microempresas con un personal de menos de 10 individuos, en Manab� se identificaron 186 empresas relacionadas a la fabricaci�n del ladrillo de las cuales 180 son microempresas con un personal de menos de 10. El porcentaje de empresas a nivel nacional en Manab� corresponden a un 16%. (Instituto Nacional de Estad�stica, 2015). Una de las caracter�sticas en las empresas peque�as en Ecuador es la informalidad o inexistencia de procesos debidamente ejecutados para el manejo de residuos siendo el principal sub producto de la industria ladrillera la ceniza de fondo en conjunto con la ceniza volante.

 

Ceniza de fondo y ceniza volante

La ceniza de fondo corresponde al residuo luego de la combusti�n de material carbonado que queda asentada en el lugar de quema, en contraste la ceniza volante es la porci�n de ceniza que escapa mediante el viento o corrientes de viento internas del lugar de quema. Ambos sub productos de la combusti�n son considerados desechos inorg�nicos y seg�n la normativa ambiental:

�Aquellos desechos que sin ser peligrosos, por su naturaleza, pueden impactar al ambiente o a la salud, debido al volumen de generaci�n y/o dif�cil degradaci�n y, para los cuales se debe implementar un sistema de recuperaci�n, reuso y/o reciclaje con el fin de reducir la cantidad de desechos generados, evitar su inadecuado manejo y disposici�n, as� como la sobresaturaci�n de los rellenos sanitarios municipales� (TEXTO UNIFICADO DE MEDIO AMBIENTELEGISLACION SECUNDARIA DE 2017).

 

La actividad puzolana

Es la propiedad de un material de reaccionar con hidr�xido de calcio y agua para formar silicato de calcio y componentes de calcio aluminados consiguiendo desarrollar fuerza de cohesi�n. La actividad puzolana es medida utilizando el m�todo UNE-EN-196-5 del est�ndar europeo. Consiste en medir la concentraci�n de calcio en una soluci�n acuosa que contiene cenizas. La ceniza de fondo tendr� propiedades puzolanas menores que la cantidad te�rica necesaria. (Men�ndez et al. 2013).

Ambos tipos de ceniza poseen propiedades puzolanas y adem�s un efecto de relleno que tiende ser incluso m�s importante al momento de evaluar morteros. En el caso de la ceniza volante existen estudios que comprueban sus propiedades positivas al ser usadas como material constituyente de cemento portland en morteros y hormigones en contraste con la menor cantidad de estudios ejecutados para la utilizaci�n de ceniza de fondo para los mismos fines. En comparaci�n entre la ceniza volante y la ceniza de fondo, la ceniza de fondo es m�s densa y presenta menor p�rdida por quema, adem�s requiere mayor cantidad de agua en la elaboraci�n de morteros, su capacidad puzolana va a depender del tama�o de la part�cula que en el caso de la ceniza de fondo a utilizarse en reemplazos de cemento depender� de la calidad de molido. (Sanjuan, Men�ndez, y Argiz 2018).

El uso de ceniza volante como material sustito de cemento en la elaboraci�n de hormig�n ha sido evaluado con diferentes porcentajes de reemplazo, y se encontr� que del 0% a 7% de reemplazo no afecta negativamente a la resistencia requerida para dise�os de hormig�n de 210 kg/cm2, (Huaquisto C�ceres y Belizario Quispe 2018).

Al ser similares las caracter�sticas f�sico-qu�micas de la ceniza volante y de fondo su comportamiento al usarse como reemplazo de cemento portland en morteros produce efectos similares. (Sanjuan, et al. 2018). Debido al tama�o de las part�culas de la ceniza de fondo mayor al de la ceniza volante, debe ser triturada hasta cumplir con la granulometr�a especificada por el ACI para el cemento portland y as� obtener resultados similares a aquellos con ceniza volante. (Men�ndez et al. 2013).

Tambi�n es posible un reemplazo total del cemento portland en el hormig�n cuando se usa en tabletas prefabricadas que normalmente son usadas como paredes en la industria de construcci�n inmobiliaria, obteniendo resistencias m�nimas requeridas siempre y cuando la ceniza volante sea activada de forma alcalina mediante aditivos siguiendo la normativa ASTM C618-12, 2014 que caracteriza el tipo de ceniza volante y dicta el procedimiento para su alcalinizaci�n. Al usar este reemplazo de material, se logra reducir en un 55% la huella de carbono en la elaboraci�n de tabletas prefabricadas de hormig�n. (Prieto Berm�dez y Monta�o Santoyo 2018).

Cuando la ceniza de fondo utilizada tiene un comportamiento puzol�nico adecuado, se pueden realizar reemplazos en morteros de hasta un 25% alcanza los requerimientos de resistencia a la compresi�n de la normativa europea, considerando que mientras mayor sea el reemplazo mayor ser� la porosidad y por consiguiente existir� disminuci�n en la resistencia. (Men�ndez et al. 2013).

Al implementar modelos de mortero en los cuales se integre ceniza con propiedades puzolanas, debe considerarse el m�dulo de finura de los agregados finos como la arena. Debido a que la arena fina normalmente implica que el mortero requiere mayor hidrataci�n por su absorci�n de agua, el factor agregado de ceniza intensificar� este aspecto, requiriendo un dise�o correcto del mortero considerando las propiedades granulom�tricas de los �ridos a utilizar, entre ellos la variable de absorci�n, dentro de las caracter�sticas positivas de este aspecto se encuentra la posibilidad de su aplicaci�n en el recubrimiento m�s no el soporte de cargas, aporta a sus propiedades impermeabilizantes pudiendo aplicarse en el recubrimiento de paredes de viviendas y as� evitar infiltraciones menores de agua.

En morteros de arena gruesa con un reemplazo de hasta un 1% de ceniza de or�genes agr�colas se obtienen resistencias tales que pueden ser utilizados en recubrimientos de pavimentos y muros portantes, sobretodo en localidades donde la humedad sea alta, tales como riveras o cercanas a las zonas influenciadas por corrientes marinas. (Angulo y Junior 2018)

Para fines de uso en hormig�n armado, es necesario ingresar una nueva variable de an�lisis siendo esta la influencia de la ceniza de fondo en la corrosi�n. Para una relaci�n a/c de 0.6 y un reemplazo porcentual de cemento por ceniza volante disminuye el potencial de corrosi�n. (Ganoza Aguilar y Maceda Alvarez 2018).

 

M�todos

La investigaci�n posee un enfoque cuantitativo, ya que usar� la recopilaci�n de datos num�ricos para medir la resistencia a la compresi�n de probetas ensayadas mediante la norma NTE INEN 2 518:2010, entonces se proceder� a evaluar la hip�tesis propuesta en funci�n a los resultados obtenidos. La presente investigaci�n pretende aportar datos locales de materiales alternativos para su uso en vivienda de inter�s social en Manta-Ecuador, se eligi� mediante la observaci�n de campo las ladrilleras que existen en la v�a Operativa Refiner�a Del Pac�fico ingresando 400 metros desde la Ruta del Spondylus, la ladrillera es artesanal y no posee nombre; sus coordenadas son latitud: -1.012441 y longitud -80.689360�.

Mortero objeto de estudio

En las viviendas de inter�s social localmente el mortero m�s utilizado es el �Mortero Cemento para mamposter�a Tipo S� NTE Inen 2818 tabla 2, por ende, el dise�o del mortero fue ejecutado en base a las dosificaciones indicadas en la NEC CAP�TULO 1 CARGAS Y MATERIALES tabla 1.4 �Tipos de mortero, dosificaci�n��, cuya resistencia a la compresi�n a los 28 d�as es 15 Mpa. La composici�n en partes por volumen indica 1 parte de cemento por cada 3 partes de arena.

 

Figura 1: Proporci�n en peso del dise�o de mezclas para mortero, 2022: Elaboraci�n en base a c�lculos de laboratorio

Fase experimental

Se analiz� la actividad puzolana de la ceniza de fondo a evaluar mediante el procedimiento Estudio De Infrarrojo Por Transformada De Fourier usando un espectrofot�metro. Se fabricaron muestras comparables a una muestra patr�n realizando probetas para la obtenci�n de la resistencia a la compresi�n del mortero a los 7, 14 y 28 d�as integrando una muestra patr�n que dise�aron bajo los par�metros normativos del mortero y tres muestras con cantidades de reemplazo porcentual de cemento en cantidades de 5 %, 10% y 15% respectivamente aplicando NORMA T�CNICA ECUATORIANA NTE INEN 2 518:2010 � (488.pdf s. f.)

 

Tabulaci�n de resultados

Tabulaci�n de datos para elaborar un gr�fico de dispersi�n comparativo entre los resultados a la compresi�n de muestras de reemplazo porcentual y la muestra patr�n a los 7, 14 y 28 d�as

An�lisis de resultados y discusi�n

Caracter�sticas qu�micas de la ceniza de fondo

El an�lisis por infrarrojo permite comparar la composici�n de la ceniza de fondo y la ceniza volante en relaci�n a su contenido, en la tabla 2 se puede observar la banda caracter�stica de las vibraciones de Si-O y Al-O presentes, la banda se encuentra en la regi�n 1040 cm-1 y 1050 cm-1, presentando caracter�sticas qu�micas similares a lo previamente estudiado en geo-pol�meros en los que se reemplaza por completo el cemento por cenizas y aditivos y aun as� presentan propiedades cementantes (Cuervo, Angarita, y Rodr�guez 2012).

 

Figura 2: An�lisis por IR de la ceniza de fondo

 

Caracter�sticas del agregado fino

La arena utilizada fue la cantera Chorrillo de Megarok, al ser uno de los materiales m�s utilizados localmente (Saldarriaga Velasco 2016), a continuaci�n las caracter�sticas del agregado utilizado para la elaboraci�n del mortero obtenidas mediante ensayo en NORMA ASTM C128:

 

Figura 3: Caracter�sticas del agregado fino en base a ensayos de laboratorio

 

Resistencia a la compresi�n obtenida del mortero de pega con reemplazo porcentual de cemento por ceniza de fondo

Luego de los ensayos de laboratorio de resistencia a la compresi�n del mortero se tienen los siguientes resultados:

 

Figura 4: Resumen de resultados de resistencia a la compresi�n de mortero muestra patr�n

(Elaboraci�n: Autora).

 

Figura 5: Resumen de resultados de resistencia a la compresi�n de mortero muestra con 5 % de reemplazo de ceniza

(Elaboraci�n: Autora).

 

Figura 6: Resumen de resultados de resistencia a la compresi�n de mortero muestra con 10 % de reemplazo de ceniza

(Elaboraci�n: Autora).

 

 

 

 

Figura 7: Resumen de resultados de resistencia a la compresi�n de mortero muestra con 15 % de reemplazo de ceniza

(Elaboraci�n: Autora).

 

Comparando las tablas 1,2,3, y 4 se obtiene que el porcentaje de reemplazo del 5% de cemento por ceniza de fondo mejora la resistencia del mortero en un 3%. Las propiedades morfol�gicas estudiadas en la ceniza volante aportan a la resistencia mec�nica y al tiempo de curado del cemento portland lo cual implicar�a que un reemplazo porcentual del cemento adem�s de servir de re integrador de un residuo al sector de la construcci�n funcionar�a como aditivo para potenciar sus propiedades. (Bautista-Ruiz, et al 2017)

 

Figura 8: Resistencia del mortero (Mpa.) seg�n d�as transcurridos Elaboraci�n: Autora.

 

Sin embargo, al subir el porcentaje de reemplazo esta resistencia disminuye manteniendo la tendencia de disminuci�n con el 15% disminuy�ndola en un 15% y porcentajes de ceniza volante que superen el 10% de reemplazo de cemento en concreto disminuyen su resistencia a la compresi�n haciendo necesarios aditivos (Huaquisto C�ceres y Belizario Quispe 2018)

 

Conclusiones y recomendaciones

Despu�s de un an�lisis en laboratorio y comparativo con estudios an�logos se observa que la ceniza de fondo tiene caracter�sticas qu�micas similares a la ceniza volante y en cuanto a su morfolog�a presenta un mayor tama�o de part�cula por lo cual para su uso en morteros debe ser sometida a moliendas. El comportamiento del mortero de pega con reemplazo porcentual de ceniza fondo mediante ensayos de Cemento Hidr�ulico Determinaci�n De La Resistencia A La Compresi�n De Morteros En Cubos De 50mm De Arista, NTE INEN 2 518:2010 en un reemplazo del cemento por ceniza de fondo en un 5% presenta mejoras en su resistencia a la compresi�n, sin embargo, con un reemplazo con el 10% presenta disminuci�n en su resistencia a la compresi�n.

Un reemplazo porcentual alrededor del 5% de cemento portland en un dise�o de mortero es posible y permitir�a el reingreso del residuo �ceniza de fondo� al sector de la construcci�n mediante el cumplimiento de la resistencia requerida para su uso como mortero de pega ecol�gico. Siempre que se vayan a implementar nuevos materiales en procesos constructivos sobretodo en estructuras tan importantes como lo son las viviendas deben hacerse an�lisis de laboratorio espec�ficos de cada localidad, y uso final seg�n la normativa vigente o replicar estudios previos bajo las mismas caracter�sticas.

 

Referencias

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4.      Cuervo, Claudia Paulina Gonz�lez, �ngela Marcela Monta�o Angarita, y Diana Catalina Castro Rodr�guez. 2012. �Obtenci�n y caracterizaci�n de geopol�meros, sintetizados a partir de ceniza volante y piedra p�mez, utilizados para el desarrollo y mejoramiento del concreto�. El Hombre y la M�quina (38): 59-65.

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15.  TEXTO UNIFICADO DE MEDIO AMBIENTELEGISLACION SECUNDARIA DE. 2017. �TULSMA,LIBRO VI�. Decreto Ejecutivo 3516.

 

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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