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Estudio exploratorio de piedra p�mez como agregado en la producci�n de concretos ligeros

 

Exploratory study of pumice stone as an aggregate in the production of lightweight concrete

 

Estudo explorat�rio da pedra-pomes como agregado na produ��o de concreto leve

 

 

 

 

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Correspondencia: alexis.andrade@unach.edu.ec

 

Ciencias de la Educaci�n

Art�culos de investigaci�n

 

*Recibido: 30 de noviembre de 2023 *Aceptado: 22 de diciembre de 2023 * Publicado: 08 de enero de 2024

 

                   I.            Master Universitario en Planificaci�n y Gesti�n en Ingenier�a Civil, Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

                 II.            Master Universitario en Ingenier�a del Hormig�n, Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

              III.            Master of Science in Water Resources (Practical Research Track), Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

             IV.            Magister en Ingenier�a Estructural, Arquitecto, Ingeniero Civil, Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

Resumen

Este trabajo bibliogr�fico consiste en revisar dos investigaciones que se han llevado a cabo en el campo de la construcci�n donde se ha usado la piedra p�mez como agregado en la producci�n de concreto. El objetivo es analizar los dise�os de mezclas con otros agregados y aditivos, para identificar la composici�n m�s id�nea, as� como las ventajas y deficiencias. Tambi�n conocer si los resultados fueron positivos, as� como los fallos durante el proceso. De esta manera, demostrar que la piedra p�mez es una alternativa com�n en la fabricaci�n de concreto.

Palabras clave: Piedra p�mez; Construcci�n; Resistencia; Densidad; oncreto ligero.

Abstract

This bibliographic research consists of reviewing two investigations that have been carried out in the construction field where pumice stone has been used as an aggregate in the production of concrete. The objective is to analyze the designs of mixtures with other aggregates and additives, to identify the most suitable composition, as well as the advantages and deficiencies. Also know if the results were positive, as well as the failures during the process. In this way, demonstrate that pumice is a common alternative in concrete manufacturing.

Keywords: Pumice stone, construction, resistance, density, lightweight concrete

Resumo

Este trabalho bibliogr�fico consiste na revis�o de duas investiga��es realizadas na �rea da constru��o onde a pedra-pomes tem sido utilizada como agregado na produ��o de concreto. O objetivo � analisar os desenhos de misturas com outros agregados e aditivos, para identificar a composi��o mais adequada, bem como as vantagens e defici�ncias. Saiba tamb�m se os resultados foram positivos, bem como as falhas durante o processo. Desta forma, demonstrando que a pedra-pomes � uma alternativa comum na fabrica��o de concreto.

Palavras-chave: Pedra-pomes, constru��o, resist�ncia, densidade, concreto leve.

 

 

Introducci�n

La piedra p�mez es conocida como pumita. Es una roca con forma de esponja de contextura ligera que puede flotar en el agua. Se usa en la producci�n de morteros u hormigones ligeros, reduciendo el peso hasta un 30%, y dado su porosidad es un buen aislante ac�stico. No se usa directamente en bloques para la construcci�n. Hoy en d�a, el hormig�n es el material m�s usado en la construcci�n, dado que facilita en la cimentaci�n de las obras civiles, siendo un material de construcci�n mundial. No obstante, su elevada densidad es un factor negativo en el dise�o de infraestructuras, siendo fundamental reducir su peso mediante concretos ligeros que tienen menor densidad, empleando mezclas con agregados naturales de origen volc�nico como la piedra p�mez, que permite lograr una alta porosidad, aprovechando este material en casas, edificios y monumentos. Son opciones �ptimas para la aplicaci�n de concretos ligeros en estructuras.

La piedra p�mez es un agregado liviano que se usa mucho en la construcci�n porque tiene buena resistencia mec�nica y baja estructura porosa, por lo tanto, las propiedades del concreto ligero en base a este agregado, aportan las exigencias de los concretos semi ligeros. Es importante mencionar, que este material muestra una alta absorci�n de agua que supone una reducci�n del rendimiento del proceso cuando se elabora la mezcla. Por tal raz�n, este tipo de agregados son pre-humedecidos.

Por consiguiente, el cemento se ha consolidado como un material de construcci�n altamente utilizado, porque brinda m�ltiples ventajas como bajo coste, disponibilidad de materia prima alrededor del mundo, facilidad de manejo, moldeamiento y versatilidad en el proceso de construcci�n, destac�ndose sus propiedades como material estructural en obras civiles y edificaciones de toda clase (Molina-Prieto & Garz�n Castellanos, 2017). Todo esto lo convierte en un material usado masivamente, estimando su producci�n en 20 000 millones de toneladas por a�o (Baluguru & Chong, 2006) (Jafarbeglou, Abdouss, & Ramezanianpour, 2015).

Hoy en d�a, tal como se ha mencionado, el hormig�n es el material m�s usado en el sector de la construcci�n, ya que promueve la construcci�n de obras civiles con variedad de tama�os y geometr�as, convirti�ndolo en un material de construcci�n universal. No obstante, su peso y elevada densidad del material son par�metros negativos en el dise�o de estas infraestructuras. Mientras tanto, una alternativa para disminuir el peso del hormig�n, son los concretos ligeros, que tienen una menor densidad; porque se tratan de mezclas compuestas por materiales que contribuyen a lograr una alta porosidad, dado la cantidad de sistemas de vac�os que tiene su estructura interna.

Por ello, desde que el Cemento Portland fue patentado en 1824, se ha consolidado como un material de construcci�n altamente utilizado, porque brinda m�ltiples ventajas como bajo coste, disponibilidad de materia prima alrededor del mundo, facilidad de manejo, moldeamiento y versatilidad en el proceso de construcci�n, destac�ndose sus propiedades como material estructural en obras civiles y edificaciones de toda clase (Molina-Prieto & Garz�n Castellanos, 2017). Todo esto lo convierte en un material usado masivamente, estimando su producci�n en 20 000 millones de toneladas por a�o (Baluguru & Chong, 2006) (Jafarbeglou, Abdouss, & Ramezanianpour, 2015).

 

Metodolog�a

En la investigaci�n realizada por (Carlos Videla, 2017) se analiza el efecto de la humedad relativa del ambiente de servicio en las resistencias a compresi�n y a tracci�n y en el m�dulo de elasticidad de hormigones livianos estructurales. Tambi�n, se determina la relaci�n que permiten proyectar estas propiedades en funci�n de la humedad relativa del ambiente y el tiempo que tardo en secarse. Los hormigones se elaboraron con dos tipos de �ridos gruesos livianos, piedra p�mez y pellets de ceniza volante, y con un �rido fino de densidad normal.

Por otro lado, se se�ala el art�culo de (Andr�s Paul Mart�nez Ruiz, 2015), donde se eval�a la posibilidad de utilizar materiales alternativos, considerados de mala calidad en primera instancia, para la producci�n de hormigones estructurales. Esto es por las posibles ventajas para el dise�o sismo resistente. Este estudio se lleva a cabo en la zona de Cotopaxi, de Ecuador, donde la actividad econ�mica de mayor demanda es la agricultura, por lo que, una de las estructuras m�s usadas son los invernaderos. Se analiz� la posibilidad de elaborar sus cimentaciones con materiales obtenidos de las faldas del Volc�n Cotopaxi, ya que, existen grandes dep�sitos de piedra p�mez.

En el estudio de (Baquero, 2019) se se�ala que el concreto ligero tiene una amplia gama de agregados y aditivos que sirven para conseguir este material. De este modo, la investigaci�n se realiz� con la implementaci�n de agregados ligeros, de baja densidad, alta porosidad y una alta absorci�n, donde se hace referencia a la arcilla expandida, que es un material cer�mico que posee una estructura porosa como resultado del esparcimiento de las altas temperaturas de arcilla pura de las canteras. Este procedimiento se le asigna un alto nivel de resistencia que produce un material vers�til en la construcci�n. Asimismo, se tiene que la piedra p�mez, que es una roca de origen �gneo proveniente de la r�pida etapa de enfriamiento que tiene el magma cuando es expulsado a la superficie, dando origen a estas rocas volc�nicas. Para la elaboraci�n del concreto ligero se us� cemento portland tipo 1. Adem�s, se analiz� mejorar las propiedades de resistencia a la tracci�n y compresi�n, mediante el uso de fibras de polipropileno y humo de s�lice, que requiere de la adici�n de plastificante. Este proceso se llev� a cabo mediante los par�metros establecidos por el Instituto Nacional de V�as. En las pruebas se evaluaron densidades, pesos unitarios y tiempo de fraguado.

Por otro lado, En los �ltimos a�os, la reducci�n de las emisiones de di�xido de carbono (CO2) se ha convertido en prioridad en materia medioambiental de las empresas y los gobiernos y, por tanto, objeto de estudio de la comunidad cient�fica, que bajo diferentes perspectivas, identifican, analizan y eval�an los beneficios de limitar de las emisiones de CO2, contemplando los acuerdos del Protocolo de Kioto (PK), en particular. (Sancha Dionisio & Gessa Perera, 2013). Las investigaciones de (Engau & Hoffmann, 2011) (Carvajal & Bascones, 2009) (Oberheitmann, 2010) (Baeza, Mart�n, Rilo, & Y��ez, 2008) (Gessa-Perera, Jurado-Mart�n, & Rabad�n-Mart�n, 2009) abordan la incertidumbre asociada a su regulaci�n normativa post-Kyoto, respecto a criterios de asignaci�n, sectores implicados, objetivos de emisi�n de CO2, etc.; las consecuencias imprevistas de la crisis econ�mica actual, el an�lisis de los futuros posibles escenarios (Meckling & Chung, 2009). Para contrarrestar este efecto, la Agencia Internacional de Energ�a propuso un Plan para reducir la emisi�n de CO2; este plan contempla una reducci�n de aproximadamente 0.55 GT (Giga toneladas) entre 2007 y 2050 para la Industria del Cemento, considerando que se proyecta el aumento del 50% en la demanda de cemento (Organizaci�n de Naciones Unidas, 2019).

Como parte de la investigaci�n del presente trabajo, se indica que la Industria del Cemento, ha asumido retos en los �ltimos a�os, enfocados en aportar a la Conservaci�n del Medio Ambiente y cumplir con los acuerdos Internacionales, reduciendo el impacto de la emisi�n de gases de efecto invernadero (Barcelo, Kline, Walente, & Gartner, 2014), tales como el uso de nanomateriales (Molina-Prieto & Garz�n Castellanos, 2017), empleo de combustibles alternativos para su fabricaci�n (L�pez D�az, Cobo Herrera, Blanco Silva, & Guit�rrez Garc�a, 2012), compuestos biomasa vegetal (Beraldo, 2009), entre otros; considerando que para convertirse en una alternativa viable, esta no deber� incrementar su coste en el proceso de fabricaci�n.

Resultados

En referencia a la investigaci�n de (Carlos Videla, 2017), se realizaron pruebas en los hormigones en base a dos condiciones ambientales de servicio: una a 90% de humedad relativa y otra a 90% de humedad relativa, donde los ensayos se realizaron a 7, 28, 60 y 90 d�as de edad. Se evidenci� un desperfecto significativo de las propiedades medidas por efecto de las condiciones de secado; a 83 d�as de secado, siendo las p�rdidas de resistencia a tracci�n y compresi�n de 20% y 15%, y de m�dulo de elasticidad de 40% respecto a hormigones a 90% de humedad relativa. De esta manera, se puede manifestar que existen dos variables principales que regulan el efecto del secado en el hormig�n liviano. La primera variable es de agua-cemento y que detalla entre otras cosas la permeabilidad de la fase resistente. La otra variable concierne al contenido relativo de �rido liviano en la mezcla

Siguiendo la revisi�n de los resultados de los estudios, el reporte presentado por (Andr�s Paul Mart�nez Ruiz, 2015), se establece la factibilidad de utilizaci�n de materiales de procedencia �gnea para la producci�n de hormigones livianos, afrontando afecciones derivadas por la reactividad �lcalis�lice (RAS). Por lo cual, se procede con la examinaci�n de una gama de materiales volcanocl�sticos que se encuentran en la superficie de la Provincia de Cotopaxi-Ecuador. Se procedi� con el an�lisis de las rocas, donde los �ridos lapilli negros consiguieron buenos resultados para su posterior aplicaci�n en hormigones, a pesar de tener una estructura celular, que lo denomina un agregado de mala calidad. Se documentaron medidas t�cnicas dentro de la dosificaci�n, mezclado y compactaci�n, teniendo unas resistencias a los 28 d�as de 280 kg/cm�, con un margen de seguridad del 33 %, quiere decir, por encima de las resistencias de dise�o. Adem�s, los hormigones se pudieron evidenciar que livianos tienen un efecto caracter�stico en el comportamiento sismo resistente de las estructuras, tanto en la disminuci�n de fuerzas s�smicas como en los desplazamientos referentes de piso.

Los resultados del estudio de (Baquero, 2019) muestran que el concreto ligero es un material conocido por su baja densidad y resistencia a la compresi�n, no obstante, en los �ltimos a�os, con los avances en la construcci�n se ha constatado progresos en sus propiedades, logrando elaborar concretos livianos eficientes con buena resistencia a la compresi�n. De acuerdo con el c�digo ACI-318, es esencial que un concreto ligero estructural tenga como m�nimo una resistencia a la compresi�n de 17 MPa a los 28 d�as y una densidad m�xima de 1840 kg/m3. Pero, cabe mencionar que la baja densidad y elevada resistencia no son los �nicos componentes que tiene este concreto ligero; de la misma manera, conserva una mejor trabajabilidad, porosidad, adherencia, resistencia al fuego, durabilidad, baja conductividad t�rmica y aislamiento ac�stico, propiedades que incrementan su utilizaci�n en la construcci�n m�s all� de un concreto estructural.

Por otro lado, la investigaci�n de (Gonz�lez, Monta�o, & Castro, 2010), consisti� en adicionar un geopol�mero compuesto por ceniza volante y piedra p�mez, y efectuar la activaci�n alcalina de uno de los aluminosilicatos del compuesto adicionado; se caracteriz� mediante los ensayos de Espectroscopia de infrarrojo (IR) y difracci�n de rayos X (DRX). Posteriormente procedi� a elaborar las muestras de concreto adicionando el geopol�mero, se analiz� su comportamiento mec�nico y se determin� su resistencia a los 7, 14 y 28 d�as. Esto mostr� que el pol�mero inorg�nico aumenta la resistencia del concreto a la compresi�n, sin embargo, su activaci�n alcalina debe ser controlada constantemente, ya que una activaci�n excesiva perjudicar�a la matriz de cemento, este proceso lleva a una interrogante, que es, verificar que la piedra p�mez es viable para la fabricaci�n de geopol�meros, considerando sus propiedades f�sico-qu�micas, sus ventajas y sus desventajas.

Conclusiones

Los resultados obtenidos en la (Carlos Videla, 2017) indican el deterioro que sufren las propiedades resistentes y el�sticas el hormig�n liviano debido a su exposici�n en un ambiente de baja humedad, mucho menos que la de saturaci�n. Por tal motivo, cuando se construye una obra de hormig�n liviano se debe tener en cuenta la disminuci�n de estas propiedades. Si bien es cierto, la investigaci�n se centr� en las consecuencias que el secado posee sobre el hormig�n liviano estructural, no obstante, sus resultados pueden llegar a ser extensivos, con limitaciones, en hormigones de densidad normal. Adem�s, es importante considerar c�mo influye el secado en las propiedades resistentes y el�sticas, las mismas que se regulan en base: 1) raz�n agua-cemento, 2) proporci�n de �rido liviano, 3) resistencia del �rido liviano y 4) tiempo de secado. Por otro lado, el proceso de secado provoca fisuraci�n interna del cemento, con una p�rdida media de 15%, acerca del m�dulo de elasticidad, se produce menor rigidez, con p�rdidas de hasta el 40%. Por consiguiente, para futuros desarrollos, este estudio concluye que es necesario realizar un proceso de secado en hormigones de densidad normal, donde se comprendan diferentes dosificaciones. Este tipo de investigaciones ayudan a estimar con mayor certeza el comportamiento de una obra de hormig�n liviano con exposici�n a condiciones de servicio.

En el estudio de (Andr�s Paul Mart�nez Ruiz, 2015) se puede concluir que para conseguir un concreto �ptimo es necesario tener una estructura de agregados con la forma y secuencia de tama�os apropiados, con el fin de alcanzar un alto nivel de compacidad, por tal raz�n se seleccion� el �rido CHN para la producir hormigones. Asimismo, la textura del �rido tuvo como resultado ser beneficioso para beneficiar la adherencia. El desgaste del agregado no super� el 50% determinado por la NTE INEN (860, 2011) y se especific� como un �rido medio a duro. Las experiencias de aplicar hormigones con �ridos ligeros, han dado cumplimiento con las exigencias especificadas en normas internacionales. El uso del hormig�n liviano se puede plantear como una opci�n viable para la disminuci�n de las deformaciones relativas de piso en un 9.65%.

Se concluye con la investigaci�n de (Baquero, 2019) que las combinaciones de concreto ligero con arcilla expandida y piedra p�mez en estado seco muestran mejores particularidades f�sico-mec�nicas que las mezclas elaboradas con estos adheridos en estado saturado y superficialmente seco. El aditamento de fibras de polipropileno y humo de s�lice acrecientan la densidad media de la mezcla de un 5 a 8 %, con un beneficio de la resistencia media de hasta un 30 %. La producci�n de concreto ligero con arcilla expandida y piedra p�mez como substituci�n total de los adheridos puede suponer una opci�n a los materiales convencionales, debido a que llegan a tener resistencias promedios a la compresi�n y de aislamiento significativas para la producci�n de muros divisorios, paneles y bloques. A pesar que por s� solo no desempe�a con los requerimientos para ser un concreto ligero estructural, se puede conseguir este uso a trav�s de la ejecuci�n de agregados que perfeccionen sus propiedades o dise�ar un reemplazo parcial de los agregados convencionales. Se indica que los resultados de las pruebas realizadas en este estudio indican el potencial que puede conseguir el concreto ligero con adheridos de arcilla expandida y piedra p�mez en la implementaci�n como material de construcci�n.

Por �ltimo, se indica que en los �ltimos a�os en Ecuador se han desarrollado investigaciones que buscan darle un mejor uso a la Piedra P�mez y las puzolanas, aportando a crear alternativas verdes en la construcci�n;� es as� que los trabajos de investigaci�n de (Angamarca Tene, C�ceres Chico, & Moya Heredia, 2015) y (Ca�arte Baque & Terreros de Varela, 2016) documentan el an�lisis de las propiedades f�sicas y mec�nicas del hormig�n de baja densidad elaborado con agregados livianos (piedra p�mez) en un ambiente controlado, as� como estudio de aumento de resistencia a la compresi�n respecto al hormig�n convencional.�

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