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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.

Estudio Microestructural de Concretos Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas

Introducción

ii


Introducción

iii

Agradecimientos

A Dios, por darme la oportunidad de llegar hasta aquí.

En la Universidad Autónoma de Sinaloa, a la Dirección General deInvestigación y Posgrado y al Dr. Antonio Corrales Burgueño, rector actualy creador del Programa Institucional de Doctores Jóvenes.

En la Facultad de Ingeniería Mochis de la UAS, al Dr. Jorge Luis AlmaralSánchez, al Ing. Eleazar Luna Barraza.

En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, al Dr. Miguel ÁngelNeri Flores, al Dr. Facundo Almeraya Calderón, a la Dra. Citlalli GaonaTiburcio, al Dr. Alberto Martínez Villafañe, al Dr. José Guadalupe ChacónNava al M.C. Victor Orozco Carmona, al M.C. Adán Borunda Terrazas y atodo el personal técnico y administrativo que prestó apoyo.

En el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología al Director Juan CarlosRomero Hicks.

En la Universidad Autónoma de Chihuahua, al Dr. José Castañeda Ávila yal personal de laboratorio de construcción.

En la Universidad Autónoma de Nuevo León, al Dr. Alejandro DuránHerrera, al Dr. Gerardo Fajardo San Miguel y al personal técnico.

En la Universidad Politécnica de Cataluña, al Dr. José Manuel GómezSoberón 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


Introducción

iv

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


Introducción

v

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


Introducción

vi

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


Introducción

vii

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


Introducción

viii

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


termograma (a)............................................................................................................................... 101


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


Introducción

ix

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


Introducción

x

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.


Introducción

xi

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.


Introducción

12

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

1.1.1Sustentabilidad 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


Introducción

13

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


Introducción

14

Naturaleza del Mundo Salvaje (WWF), los nueve principios de una sociedad

sustentable son (Munro and Holdgate 1991):

1. Respeto y cuidado por la comunidad de vida.2. Mejorar la calidad de la vida humana.3. Conservar la vitalidad y diversidad de la tierra.4. Minimizar la reducción de los recursos no renovables.5. Obtener capacidad para el cuidado de la tierra6. Cambiar actitudes y prácticas7. Establecer comunidades para el cuidado de sus propios ambientes.8. 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


Introducción

15

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:

ܦ = ( ∗ ∗ܫ )

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


Introducción

16

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).


Introducción

17

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.


Introducción

18

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


Introducción

19

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).


Introducción

20

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 de desperdicios que no son manejados

especialmente en países en desarrollo ha resultado 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.


Introducción

21

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


Introducción

22

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

País/Ciudad

Generación de RC

(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


Introducción

23

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


Introducción

24

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

País Año Material

Millones de toneladas

Porcentaje usado

Producido Usado

Suiza 1999

Pavimento asfáltico 0.80 0.76 95

Residuos dedemolición de

1.50-2.00 Poco -


Introducción

25

edificios y carreteras

Escoria de alto horno 1.00 0.70 70

Dinamarca 1997

Concreto dedemolición

1.06 0.90 85


Cerámicos (ladrillos) 0.48 0.33 0.69

Cenizas volantes 1.06 1.06 100

Alemania 1999


Concreto y otros dedemolición en

carreteras20.00 11.00 0.55


Holanda 1999


Concreto dedemolición de

edificios9.20 9.20 100


E.U.A. 1996

Residuos dedemolición de

edificios*123 123 100

Cenizas** volantes 63 63 100 (20% en concreto)

* 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


Introducción

26

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


Introducción

27

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).


Introducción

28

Tabla 1-3 Influencia del AR en las propiedades mecánicas del concreto

Autor% de sustitución de AR

grueso

% pérdida deresistencia a

compresión a 28 días

% caída demódulo deelasticidad

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 yMendoza, 2006

100 7 3.1

Rahal K., 2007 100 10-14 24

Cassuccio M., etal., 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).


Introducción

29

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-011-

SMA-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


Introducción

30

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 NADF-

007-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.


Introducción

31

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


Introducción

32

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).

Procesamientoadicional requerido

Características Origen

Sílice condensada Aglomeración para sumanejo

Partículas esféricas <1m. Alta área

superficial

Vapores condensadosde la producción decarburo de silicio.

Ceniza volcánica Molienda Reactividad variable,partículas de forma

irregular.

Emisiones volcánicas.

Ceniza de cascarilla dearroz

Calcinación, seaprovecha el calor

generado comocombustible.

Morfología irregular,tamaño muy fino, alta

área superficial.

Producción de granode arroz


Introducción

33

Sílice geotérmica Lavado Morfología irregular,tamaño submicrónico,alta área superficial

Incrustaciones enlíneas de vapor

geotermal.(generación deelectricidad).

Caolines Tratamiento térmicohasta 800° C

Tamaño de partículafina, alta área

superficial.

Mineral

Ceniza volante Partículas esféricas detamaño variable o

similar o menor a lasdel cemento portland.

Generadas por lacombustión de carbónpara la generación de

electricidad.

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


Introducción

34

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


Introducción

35

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.


Introducción

36

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.


Introducción

37

Xu et al. (Xu, Wong et al. 2003) expusieron pastas de cemento hidratadas y

de concreto, las cuales contenían cenizas pulverizadas de combustibles a

altas temperaturas, con la finalidad de estudiar el efecto que las cenizas

tenían sobre la fisuración de las pastas y el concreto que estaban estudiando.

Escalante et al. (Escalante, Fuentes et al. 2003), obtuvieron la reactividad y

los productos de hidratación de una escoria de alto horno activada por varias

soluciones alcalinas, como una opción de material con propiedades

cementantes para sustituir el consumo de cemento portland. También en

este mismo año estudiaron el efecto que tenía el desecho geotérmico sobre

la resistencia y la microestructura de morteros hechos con escoria activada

por medio de álcalis como material cementante (Escalante, Gorokhovsky et

al. 2003).

La caracterización de las pastas hidratadas tanto cemento portland, como de

cementos compuestos con escorias o puzolanas adquirió mucha importancia,

ya que explicaba el comportamiento macroscópico a través del estudio de

sus propiedades microscópicas, físicas y químicas.

Vedalakshmi et al. (Vedalakshmi, Sundara raj et al. 2003) cuantificaron los

productos de hidratación de cemento y cementos compuestos en concretos

de baja y mediana resistencia a través de las técnicas de termogravimetría y

análisis térmico diferencial.

Gómez Zamorano et al. (Gómez-Zamorano, Escalante et al. 2004) proponen

después de realizar una extensa caracterización al desecho geotérmico como

un material alternativo al cemento portland; debido a los resultados

obtenidos de dicho material evaluado por difracción de rayos X,

termogravimetría, también evaluadas su conductividad eléctrica y su pH;

además de realizar espectroscopía de infrarojo.


Introducción

38

Pane y Hansen (Pane y Hansen 2005) investigaron la hidratación de

cementos compuestos a través de calorimetría isotérmica y análisis térmicos.

Los cementos compuestos contenían humo de sílice, ceniza volante y escoria

molida-granulada, de los cuales obtuvieron cantidad de portlandita y

reactividad puzolánica.

Rahal y Talero (Rahal y Talero 2005) utilizaron otro tipo de adición mineral

llamado “filler”, el cual consiste en un polvo fino con un alto contenido de

caliza y cuarzo. Con este aditivo se realizaron pastas de cemento a las cuales

se les evaluó en una temprana hidratación el efecto del aditivo en el cemento

portland.

Gonen y Yazicioglu (Gonen y Yazicioglu 2007) evalúan con pruebas en corto

y largo tiempo el comportamiento del concreto con adiciones minerales

(ceniza volante o humo de sílice).

Cabe mencionar que a partir de 2008 se realiza una mayor publicación de

artículos científicos en revistas indizadas de este tipo de materiales, sus

propiedades y reacciones; así como el poder sustituir en mayor cantidad al

cemento portland.

Katyal et al. (Katyal, Sharma et al. 2008) propone un método rápido de

estimación de la sílice reactiva en la ceniza volante; ya que este compuesto

es importante controlarlo para poder usarlo como material de construcción

junto con el cemento portland.

Scrivener y Kirkpatrick (Scrivener y Kirkpatrick 2008) establecen la

necesidad de innovar e el uso y la investigación de nuevos materiales

cementantes, los cuales tienen tres barreras principales en la innovación de

los mismos: seguridad estructural, conocimiento básico empírico y los nichos

de mercado y la masa crítica. Proponen hacer uso de las técnicas de

caracterización disponibles para el desarrollo e investigación de estos


Introducción

39

materiales teniendo en cuenta principalmente la sustentabilidad y la

productividad.

Ashraf et al. (Ashraf, Naeem Khan etal. 2009) realizaron el estudio de la

actividad puzolánica de ceniza volante y escoria granulada de alto horno en

sustitución parcial de cemento portland, a través de análisis térmico,

difracción de rayos X y SEM; de los cuáles obtuvieron también la reacción

cinética de la pasta, la morfología y la situación prefernet de las partículas.

Chancey et al. (Chancey, Stutzman et al 2009) por su parte realizó una

caracterización de las fases amorfas y cristalinas de una ceniza volante clase

F, con la finalidad de tener un amplia comprensión de este material que

suele tener una gran heterogeneidad y que conocer sus fases permiten

conocer su reactividad y su interacción con los productos de hidratación del

cemento.

Escalante et al. (Escalante-García, Espinoza-Perez et al. 2009) llevaron a

cabo un estudio comparativo de dos concretos a base escoria granulada

gruesa como material cementante, en el cual el primero se utilizó este

material como sustitución parcial del cemento portland y el segundo como un

cemento activado por álcalis.

Kadri y Duval (Kadri y Duval 2009) investigaron la cinética del calor de

hidratación en un concreto con humo de sílice, con el objeto de evaluar la

influencia que tiene el humo de sílice en este proceso.

Rahal y Talero (Rahal y Talero 2009) también se enfocaron en la cinética del

calor de hidratación, pero realizaron este estudio en pastas con tres

diferentes adiciones minerales silíceas en dos tipos de cemento portland con

muy diferentes composiciones químicas.

Se ha venido observando el uso de mejores y modernas técnicas de

caracterización para obtener resultados más allá de los que proporcionados


Introducción

40

macroscópicamente y enfocados principalmente a pastas de cemento y en la

adición de MCS para tener una base de conocimiento más que empírico,

científico y comprender la naturaleza intrínseca del material de construcción

por excelencia que es el concreto.

Una vez resumido los avances en la investigación de materiales cementantes

y aditivos minerales que sustituyen en cantidades valiosas para le reducción

del consumo del cemento portland en la fabricación de concreto, y con ello la

reducción de emisiones de gases invernadero, así como la utilización de

productos desechos de industrias como la eléctrica, se definen los aditivos

minerales que esta investigación conciernen la ceniza volante (CV) y el humo

de sílice (HS)

Ceniza volante (CV)

Durante la combustión de carbón pulverizado en modernas plantas de poder

térmicas, como el carbón pasa a través de zonas de alta temperatura en el

horno la materia volátil y el carbón son quemados mientras la mayor parte

de las impurezas minerales como arcillas, cuarzo y feldespatos se funden a

alta temperatura. La materia fundida es rápidamente transportada a zonas

de baja temperatura donde se solidifica como partículas esféricas vítreas.

Algunos de los minerales se aglomeran y forman cenizas de fondo, pero la

mayoría de las partículas finas vuelan fuera con el flujo de gas y son

llamadas cenizas volantes (Fly ash). Esta ceniza es subsecuentemente

removida del gas por separación ciclónica, precipitación electrostática y

filtración.

Desde el punto de vista de las diferencias significantes en la composición

mineralógica y propiedades, las cenizas volantes pueden ser divididas en dos

categorías, difiriendo de otros principalmente en el contenido de calcio. La

ceniza en la primera categoría, contiene menos que el 10 porciento del CaO

analítico, es generalmente un producto de la combustión de la antracita y el


Introducción

41

carbón bituminoso. La ceniza en la segunda categoría, típicamente contiene

de 15 a 40 por ciento de CaO, es generalmente un producto de combustión

de la lignita y de carbones subbituminosos (Mehta y Monteiro 2006).

La actividad puzolánica de la CV es grandemente influenciada por la cantidad

y la composición de la fase vítrea presente. Las CV de estaciones súper-

térmicas típicamente contienen entre un 60 y un 90% de vidrio, la

composición química y la reactividad del vidrio estaría generalmente

dependiente del contenido de calcio en la CV.

Las CV con bajo contenido de calcio de carbones bituminosos contienen

aluminosilicatos vítreos que parecen ser algo menos reactivo que los

presentes en las CV con alto contenido de calcio. Los minerales cristalinos

típicamente encontrados en las CV de bajo calcio son: cuarzo, mulita

(3Al2O32SiO2), silimanita (Al2O3 SiO2), hematita y magnetita. Estos

minerales no poseen ninguna propiedad puzolánica. En cambio en las CV de

alto contenido de calcio los minerales que se encuentran son de fácil reacción

con el agua, lo que explica porque ésta última es más reactiva que la CV con

bajo contenido de calcio (Malhotra 2002).

Dentro de las especificaciones, encontradas en normas internacionales, las

cuales también clasifican a las CV, por su composición química; así mismo

especifican la cantidad mínima de óxidos y las propiedades que debe tener

para poder ser usada en el concreto.

Los requerimientos canadienses y estadounidenses para que la CV pueda ser

usada como una adición mineral en un concreto de cemento portland se

muestran en la Tabla 1-5.


Introducción

42

Tabla 1-5.- Requerimientos químicos para el uso de la ceniza volante en concreto de

cemento portland (Malhotra 2002).

Canadá

CSA-A23.5

U.S.A.

ASTM C-618

Tipo F Tipo C Clase F Clase C

Humedad libre, máx.%

* * 3.0 3.0

Pérdida por ignición,máx. %

12.0 6.0 6.0 6.0

(SiO2+Al2O3+Fe2O3),mín. %

- - 70 50

CaO, máx. % - - - -

SO3, máx. % 5.0 5.0 5.0 5.0

Humo de sílice (HS)

El proceso de manufactura del metal silicio y las aleaciones de ferrosilicio en

un horno de arco eléctrico ocurre a temperaturas superiores a los 2000°C.

Esto genera humos que contienen micropartículas esféricas de SiO2 amorfo.

Esta es la razón del por qué el producto es llamado “humo de sílice” o

también por su forma y composición química “microsílica”, “humo de sílice

condensado” y “Sílice volatizada”.

La reducción del cuarzo a sílice libera SiO. Este es transportado por la

combustión de gases a zonas de baja temperatura donde es oxidizado por

aire y condensado en pequeñas partículas de dióxido de silicio.

Las principales características del HS son su alto contenido de sílice, su gran

área superficial específica y su estructura amorfa. Estas características


Introducción

43

contribuyen para la sustancial actividad puzolánica del HS, en términos de

su capacidad de aglomerar cal y su velocidad de reacción. La composición

química del HS varía con el tipo de aleación producida en los rangos que se

muestran en la Tabla 1-6.

Tabla 1-6 Análisis químico del HS de la producción del silicio metal y 75% de aleación de

ferrosilicio (por ciento).

Si metal 75% FeSi

SiO2 94-98 86-90

C 0.2-1.3 0.8-2.3

Fe2O3 0.02-0.15 0.3-1.0

Al2O3 0.1-0.4 0.2-0.6

CaO 0.08-0.3 0.2-0.6

MgO 0.3-0.9 1.0-3.5

Na2O 0.1-0.4 0.8-1.8

Ka2O 0.2-0.7 1.5-3.5

S 0.1-0.3 0.2-0.4

Pérdida por ignición 0.8-1.5 2.0-4.0

1.1.4Tipos de concreto

Mehta en su libro Concrete (Mehta y Monteiro 2006) menciona dos

clasificaciones del concreto, la primera basada en su peso unitario y la

segunda basada en la resistencia a la compresión de éste.

De acuerdo a su peso unitario, el concreto es llamado:


Introducción

44

Concreto de peso normal: Es el concreto mayormente usado para

propósitos estructurales y generalmente tiene peso de 2400 kg/m3.

Concreto ligero: es un término usado para concretos con un peso de

alrededor 1800 kg/m3.

Concreto pesado: Usado para propósitos específicos y es fabricado con

agregados de alta densidad y generalmente tiene un peso unitario de 3200

kg/m3.

La clasificación del concreto con respecto a la resistencia a la compresión,

está definido de la siguiente manera:

Concreto de baja resistencia: menor que 20 MPa

Concreto de resistencia moderada: de 20 a 40 MPa

Concreto de alta resistencia: más de 40 MPa

1.1.5 Microestructura de Pastas de materiales cementanteshidratados (MCH) y Concreto

La microestructura de la pastas y el concreto es altamente compleja, pero es

posible estudiarla, aunque aún no está desarrollada en cuanto a

investigación se refiere en su totalidad, lo que se puede obtener de ella ha

servido y sirve para comprender y correlacionar las propiedades

macroestructurales del concreto, como resistencia, durabilidad, contracción y

fisuramiento, entre otras con la microestructura del material.

Las definiciones y conceptos siguientes fueron tomados del capítulo 2 del

libro “Concrete: Microstructure, properties and materials” de Mehta y

Monteiro (Mehta and Monteiro 2006). El término microestructura es usado

para la porción microscópicamente magnificada de una macroestructura. La

aplicación de las técnicas de microscopía de transmisión y de barrido

electrónico ha hecho posible resolver la microestructura de materiales a una

fracción de 1 m.


Introducción

45

El concreto tiene una microestructura altamente heterogénea y compleja;

macroestructuralmente consta de dos fases, la fase correspondiente al

material aglomerante (pasta, mortero) y la fase del agregado grueso. La fase

del agregado es predominantemente responsable por la unidad de peso,

módulo elástico y la estabilidad dimensional del concreto. Estas propiedades

del concreto dependen grandemente de la densidad y la resistencia del

agregado, las cuáles a su vez están determinadas por las características

tanto físicas como químicas del agregado. Por otra parte la composición

química y mineralógica en las fases sólidas del agregado es usualmente

menos importante que las características físicas, tales como, volumen,

tamaño y distribución de poros.

Además la porosidad, la forma y la textura del agregado grueso también

afectan las propiedades del concreto.

Las pastas de cemento Portland hidratadas, presentan en su microestructura

también una alta complejidad que ha sido motivo de estudio para mejorar las

características del cemento portland y conocer la microestructura; así como

identificar y cuantificar las fases presente y como modifican las propiedades

de las pastas hidratadas (Escalante-García y Sharp 1998; Escalante-García y

Sharp 1999; Scrivener, Füllmann et al. 2004; Svinning, Hoskuldsson et al.

2008). Las adiciones minerales en la fabricación de cementos compuestos;

así como el uso de las mismas en la fabricación del concreto hace aun más

compleja la microestructura de las pastas, y por lo tanto también son motivo

de estudio y caracterización (Talero 1996, Escalante, Mendoza et al. 1999;

Papadakis 1999; Dweck, Buchler et al. 2000;Papadakis 2000; Escalante-

García y Sharp 2001; Iribarne, et al 2001; Escalante-García 2003;

Vedalakshmi, Sundara Raj et al. 2003; Escalante-García y Sharp 2004;

Fraire-Luna, Escalante-García et al. 2006; Gonen y Yazicioglu 2007; Skibsted

y Hall 2008; Kadri y Duval 2009; Rahal y Talero 2009).


Introducción

46

Las fases presentes en la microestructura de las pastas MCH y el concreto y

de mayor importancia, debido al poder que tienen de modificar las

propiedades de todo el material, sean benéficas o perjudiciales se presentan

a continuación y fueron objeto de investigación en este trabajo.

Silicatos de Calcio Hidratado (CSH)

Los CSH forman el 50 al 60% del volumen de sólidos en una completamente

hidratada pasta de cemento, y es por lo tanto, la fase más importante ya que

determina las propiedades de la pasta. El hecho es que la composición del

CSH no está aun bien definida. La morfología del CSH también varía en la

formas desde una fibra pobremente cristalina hasta una red reticular. La

estructura exacta del CSH no es conocida, muchos modelos han tratado de

explicar las propiedades de este material (Mehta y Monteiro 2006). Pellenq

et al. (Pellenq, Lequeux et al. 2008) sobre la base de la simulación molecular

estudió estrategias para que los CSH pudiesen cambiar las propiedades de

los materiales cementantes, cambiando su esquema nivel molecular.

Hidroxido de calcio (CH)

Representa un 20 a un 25% del volumen de sólidos presentes en la pasta

hidratada, al contrario del CSH el CH tiene una estequiometria definida

Ca(OH)2 y su morfología es un prisma hexagonal muy distintivo aunque es

afectada sobre todo por cuestiones de espacio disponible.

Sulfoaluminatos de calcio hidratados

Ocupan alrededor de un 15 a un 20% del volumen total de sólidos en las

pastas hidratadas y juegan un rol menor en la relación microestructura

propiedades de las pastas hidratadas. Durante las primeras etapas de

hidratación los sulfoaluminatos están presentes en forma trisulfato hidratado,

comúnmente llamado etringita ܣܥ) ଷഥܪଷଶ), el cual tiene forma de agujas; en

pastas de cemento portland la etringita eventualmente se transforma en


Introducción

47

monosulfatos hidratados ,(ଵܪܣସܥ) y su presencia en el concreto lo hace

susceptible al ataque de sulfatos (Mehta y Monteiro 2006).

Granos de cemento sin hidratar

Dependiendo de la distribución de tamaño de la partícula del cemento sin

hidratar y el grado de hidratación, se encuentran dentro de la

microestructura partículas de cemento sin hidratar como una fase más de las

pastas y del concreto mismo. Con el progreso de la hidratación las partículas

más pequeñas se disuelven primero y desaparecen del sistema, entonces las

partículas más grandes se reducen (Mehta y Monteiro 2006).

Dentro de la microestructura también se encuentran diferentes tipos de

huecos en la pasta, tales como los espacios que existen entre las capas de

CSH, los poros capilares y los huecos de aire originados por el aire atrapado

en la mezcla. Lo anterior representa la necesidad de conocer la porosidad de

la mezcla en estudio, ya sea pasta de MCH o Concreto.

Zona de Transición Interfacial (ZTI)

En la microesructura del concreto existe una zona, la cual es responsable de

limitar las propiedades de resistencia del concreto, debido a que crea un

camino interconectado entre los agregados y la pasta y otros agregados por

lo tanto también disminuye su durabilidad, ver figura. Esta zona es llamada

zona de transición interfacial (ZTI) y se presenta entre las pasta y los

agregados, gruesos y finos, esta zona la consideran para su estudio a una

distancia de aproximadamente 30 m (Diamond and Huang 2001).


Introducción

48

Fig. 1-1 Esquematización de la microestructura del concreto: a) Convencional, b) Reciclado

1.1.6 Concreto con características de sustentabilidad

La minimización del impacto ambiental, la energía y la intensidad del CO2 del

concreto usado en la construcción es cada vez más importante, ya que los

recursos disminuyen y el impacto de los gases invernadero comienza a ser

evidente. Por lo tanto, es lógico usar el ciclo de vida y la ingeniería sostenible

como enfoques en el diseño de mezclas de concreto. Esto requiere varios

elementos: maximizar la durabilidad del concreto, conservación de los

materiales, uso de desperdicios y materiales cementantes suplementarios

(MCS) y reciclar el concreto. Los desperdicios y los MCS como el CV, escoria

de alto horno, HS, ceniza de cascarilla de arroz y metacaolín pueden ser

usados como reemplazos parciales del cemento portland. Estos materiales

pueden mejorar la durabilidad del concreto, reducir el riesgo de fisuramiento

térmico en la masa del concreto y son menos intensos en cuanto a energía y

CO2 que el cemento. El uso de agregado obtenido del concreto triturado es

un ejemplo del reciclado y conservación de la materia prima (Berdnt 2009).

Se ha hablado y descrito los conceptos de sustentabilidad y de materiales de

reúso en el concreto, producto de desperdicios o deshechos de diferentes

industrias; así como de la misma industria de la manufactura del concreto,

a) b)


Introducción

49

tales como, los MCS y los agregados reciclados, los cuales debido a su origen

de residuos proveen características de sustentabilidad a los materiales o

recursos generados con ellos. Por lo anterior el concreto objeto de esta

investigación se denominará concreto sustentable (CS), del cual se puede

decir que ha habido muchos y variados estudios alrededor de este tipo de

concretos, pero como se muestra en párrafos posteriores la mayoría de los

mismos se han enfocado en las propiedades mecánicas y físicas.

Principalmente las investigaciones se han llevado a cabo en los países

europeos y asiáticos como un material factible para solucionar las

problemáticas de falta de recursos, disposición final de RCD y estructuras

con su vida útil ya terminada.

Oliveira y Vázquez en1996 (Oliveira y Vázquez 1996) estudiaron la influencia

que la humedad retenida tenía en los agregados reciclados sobre las

propiedades de un nuevo concreto endurecido.

Es a partir de 2001 que la influencia de agregados reciclados en la

durabilidad del nuevo concreto; así como la adición de aditivos puzolánicos

en este tipo de concretos adquieren una mayor importancia para los

investigadores y se empiezan a realizar estudios sobre este tema: Sagoe-

Crentsil et al. (Sagoe-Crentsil, Brown et al. 2001) basaron su investigación

en el rendimiento de concreto hecho con agregados de concreto reciclado

manufacturado comercialmente, y se agregó cemento de escoria de alto

horno combinado con cemento portland, pero no sólo se enfocaron en las

propiedades físicas y mecánicas, sino que estudiaron durabilidad, es decir,

profundidad de carbonatación.

Olorunsogo y Padayachee en 2002 (Olorunsogo y Padayachee 2002),

monitorearon el comportamiento de concreto con agregados reciclados por el

método de índices de durabilidad, los cuales se enfocan en conductividad de

cloruros, la permeabilidad de oxígeno y la absorción de agua.


Introducción

50

Gómez Soberón (Gómez-Soberón 2002) evaluó la porosidad del concreto

reciclado con la sustitución de agregados naturales por agregados de

concreto reciclado.

Ajdukiewicz y Klizczewicz (Ajdukiewicz y Kliszcewicz 2002) investigaron la

influencia de los agregados reciclados sobre las propiedades mecánicas de un

concreto de alto comportamiento.

Zaharieva et al. (Zaharieva, Buyle-Bodin et al. 2003) compararon la

permeabilidad del agua, del aire y la permeabilidad de la superficie de

concreto con agregado reciclado con un concreto hecho con agregado

natural.

How-Ji Chen et al. (Chen, Yet et al. 2003) publicó el comportamiento

mecánico del concreto elaborado con agregado reciclado proveniente de

estructuras dañadas en Taiwan.

Katz (Katz 2003) evaluó las propiedades mecánicas de un concreto con

agregado reciclado seco y con agregado reciclado parcialmente hidratado y

los efectos que tenían en el nuevo concreto.

Levy y Helene (Levy y Helene 2004), evaluaron la durabilidad de concreto

con agregado reciclado y adición de escoria de alto horno, principalmente en

cuanto a profundidad de carbonatación, volumen total de poros y absorción

de agua. Además de analizar el contenido de cemento, contenido de agua,

relación agua cemento por masa, aire atrapado, prueba de revenimiento y

densidad de concreto fresco.

Poon et al. (Poon, Shui et al. 2004), realizaron un estudio sobre la influencia

que los estados de humedad de agregados naturales y reciclados tienen

sobre el revenimiento y la resistencia a la compresión del concreto.


Introducción

51

Topcu y Sengel (Topcu y Sengel 2004) también estudiaron las propiedades

físicas y mecánicas del concreto producido con agregado de concreto de

desperdicio, enfocándose también a la durabilidad de este tipo de concreto

por congelamiento y descongelamiento.

Sani et al. (Sani, Moriconi et al 2005), además de las propiedades

mecánicas, evaluó la segregación del concreto elaborado con agregados

reciclados.

Tam et al. (Tam, Gao et al. 2005) llevó a cabo un análisis microestructural

de agregado de concreto reciclado producido en dos etapas de mezclas

aproximadas, como un nuevo proceso para disminuir la variabilidad

presentada en la resistencia a la compresión del nuevo concreto.

Tsung-Yueh Tu et al. (Tu, Chen et al. 2006) investigaron las propiedades

físicas y mecánicas tanto de los agregados reciclados, así como de un

concreto de alto comportamiento en estado fresco y en estado endurecido.

Oliveira y Silveira (De Oliveira y De Assis 2006), por su parte en Brasil,

estudiaron la adherencia de la pasta de cemento con el agregado reciclado

en el nuevo concreto.

Martínez-Soto y Mendoza-Escobedo (Martínez-Soto y Mendoza-Escobedo

2006) también estudiaron las propiedades mecánicas del concreto fabricado

con agregado reciclado en estado fresco y en estado endurecido, este estudio

se llevó a cabo aquí en México.

Etxeberria et al. (Etxeberria, Vázquez et al. 2007), observaron la influencia

de las cantidades de agregado grueso reciclado y el proceso de producción

sobre las propiedades del concreto con agregado reciclado.


Introducción

52

Eguchi et al. (Eguchi, Teranishi et al. 2007) investigaron las características

de resistencia, durabilidad (carbonatación), propiedades de resistencia al

fuego, comportamiento estructural, y trabajabilidad del concreto reciclado.

K.Y. Ann et al. (Ann, Moon et al. 2008) monitorearon la durabilidad en

cuanto a penetración de cloruros, así como la velocidad de corrosión en un

concreto elaborado con agregados reciclados gruesos y aditivos puzolánicos,

como escoria de alto horno y cenizas volantes, además de la evaluación de

las propiedades mecánicas comparadas con un concreto elaborado con

agregado natural.

Tam et al. (Tam, Tam et al. 2007), analizó la optimización sobre la

proporción para agregado reciclado en concreto usando el método de

aproximación de mezclado en dos etapas propuesto por ellos en 2005.

En 2007 Rahal (Rahal 2007) reportó los resultados sobre las propiedades

mecánicas de concreto elaborado con agregado reciclado grueso, comparado

con un concreto elaborado con agregado natural.

Xiao y Falkner (Xiao y Falkner 2007), reportaron el comportamiento de

frontera entre el agregado de concreto reciclado y las barras de acero de

refuerzo.

Casuccio et al. (Casuccio M. 2007), publicó un estudió enfocado

principalmente a los mecanismos de falla del agregado de concreto reciclado.

González-Fonteboa y Martínez-Abella en 2008 (González Fonteboa y

Martínez-Abella 2008), estudiaron concretos con agregados provenientes de

desperdicio de demolición y humo de sílice, en cuanto a propiedades

mecánicas y la factibilidad de usarse estos materiales en España.

Abbas A. et al. (Abbas, Fathifazl et al. 2009) propone un método de volumen

equivalente de mortero (EVM) por sus siglas en inglés, como un método para


Introducción

53

evaluar el grado estructural de un concreto fabricado con agregado grueso

reciclado, así mismo evalúa el proceso de congelación y descongelación y su

afectación a este tipo de concretos y su durabilidad ante la penetración de

cloruros provocados por las sales de descongelamiento y la carbonatación.

Este estudio se realizó en Canadá con agregados proporcionados por dos

plantas dedicadas al reciclaje de de deshechos de la construcción.

Berdnt (Berndt 2009), en su trabajo de investigación realiza estudios de

permeabilidad, módulo elástico dinámico, resistencia a la compresión y otros

métodos de evaluación con la finalidad de poder usar más concreto

sustentable en la cimentación de turbinas eólicas y otras aplicaciones,

considerando para mejorar las propiedades y el comportamiento del concreto

en estudio adicionar ceniza volante (fly ash) y escorias; así mismo para

reducir las emisiones de CO2 por la sustitución de cemento portland con

estos materiales.

Corinaldesi y Moriconi (Corinaldesi y Moriconi 2009) en su más reciente

estudio evalúan como los aditivos minerales como la ceniza volante y el

humo de sílice mejora las características de los concretos fabricados con la

sustitución total de agregado natural por agregado reciclado, tanto fino como

grueso.

1.2 Planteamiento

El avance y desarrollo a través de los últimos años desde que los agregados

reciclados fueron una fuente de investigación que proveía posibilidades para

ser usados en concretos y no sólo como rellenos o subbases para

pavimentos; y por otra parte los estudios de materiales puzolánicos como

sustitutos del cemento portland, ya sea para la fabricación de cemento o

directamente para la elaboración del concreto; se han ido desarrollando

diversas y variadas investigaciones que, dadas las características de estos

materiales, a los cuales podemos llamar reciclables o reusables en otras


Introducción

54

industrias distintas a las que los crearon y con otros fines, se ha llegado a su

combinación. Con la finalidad de obtener concreto estructural que cumpla

con las características de sustentabilidad necesarias y que permitan llamarlo

concreto Sustentable (CS), el cual, es el objeto de la presente investigación

proponiendo con la misma en nuestro país el uso de este tipo de materiales,

que en un corto o mediano plazo, aun cuando el país cuenta con grandes

cantidades de recursos naturales aprovechables para esta industria, se

deberá utilizar por las exigencias y demandas internacionales que se vienen

presentando poco a poco para buscar alternativas que minimicen el impacto

ambiental y para la creación de productos dentro del marco del desarrollo

sustentable, la competitividad y la productividad.

1.3 Justificación

Al crecer la población crecen las necesidades de servicios y tecnología que en

la mayoría de los casos está íntimamente ligados con las obras civiles. Es

indispensable actuar de manera consiente en cuanto al uso de recursos

naturales, los cuales no son infinitos y en la mayoría de los casos no son

renovables, buscando alternativas viables y seguras que nos brinden

opciones amigables con el medio ambiente como el reciclado, que ha

funcionado en otras industrias como la del plástico y el papel por ejemplificar

algunas.

El reciclado de los materiales producto de la industria de la construcción

ayuda sustancialmente a disminuir la explotación de agregados naturales y la

disposición final de residuos, tal como se demuestra en países asiáticos

(Peris Mora 2007; Poon 2007; Poon 2007), donde tanto los recursos como

los sitios de disposición final son ya altamente limitados, debido al

crecimiento y la demanda poblacional.

Un CS con propiedades que satisfaga las necesidades y los requerimientos de

seguridad establecidos, basado principalmente en el estudio a profundidad,


Introducción

55

no sólo de sus propiedades macroscópicas, sino también en sus propiedades

microestructurales, físicas y químicas provee alternativas de uso en regiones

donde obtener el agregado natural implica un alto costo por producción y

transporte y para minimizar la explotación de bancos en donde se tenga

acceso a estos materiales.

1.3.1Justificación ambiental

El concreto ha sido llamado, un material no amigable con el medio ambiente,

debido al destructivo consumo de recursos naturales y el severo impacto

ambiental después de su uso. Tomando el concepto de desarrollo sustentable

en consideración, la industria del concreto ha implementado una variedad de

estrategias respetando el uso de concreto en el futuro, para esta instancia,

han mejorado en la durabilidad del concreto y el mejor uso de materiales

reciclados (Tu, Chen et al. 2006).

La industria del concreto globalmente podría consumir 8 a 12 millones de

toneladas anualmente de agregados naturales después del año 2010 (Loh,

Randers et al. 1998).

En la se muestra la composición de los desperdicios de demolición

(Oikonomou 2005).

Fig. 1-2 Composición básica de los desperdicios de demolición


Introducción

56

La industria de la construcción es responsable de:

Tomar el 50% de los materiales en bruto de la naturaleza

Consumir el 40% del total de energía

Crear el 50% del total de desperdicio (Oikonomou 2005)

Tomando en cuenta la gran cantidad de desperdicios producto de demolición

y de la industria de la construcción es necesario tomar acciones que

minimicen el impacto ambiental y la disposición final de estos residuos

sólidos.

El efecto de globalización en cuanto a tomar medidas ambientales en todas

las industrias es ya un hecho, al cual nuestro país no es ajeno y cada vez

más a las empresas se les solicita acciones que minimicen el daño ambiental

y cuiden el entorno en el que se desarrollan; lo anterior va en aumento. En

la industria del concreto es posible aplicar medidas, que si bien se están

utilizando MCS para la disminución del consumo de cemento portland,

también se ha estado reutilizando residuos de la construcción como

agregados en la fabricación del nuevo concreto y en otras actividades de

construcción como drenajes, plantas residuales, pavimentos, etc.(mehta

2001; Masood, Ahmad et al. 2002). Países como España tiene ya regulado

bajo la norma EHE C-08 el uso de AR y muchos países europeos y asiáticos

lo mantienen en recomendaciones, todo sustentado en investigaciones

previas de este material y s comportamiento. En México no hay estudios

suficientes sobre este tipo de agregados ni en su uso en la fabricación de

concreto, por lo cual es un área de oportunidad en la investigación con la

finalidad de sustentar recomendaciones y normalizaciones futuras en cuanto

al uso y fabricación de concretos con características de sustentabilidad.

1.3.2 Justificación económica

En gran parte de países asiáticos y europeos se han estudiado este tipo de

agregados debido a la falta de recursos naturales y también a la gran


Introducción

57

producción de deshechos, que se manifiestan en gastos importantes por falta

de terrenos y áreas en donde colocar las millones de toneladas que se

generan anualmente. En México la explotación de bancos de material, su

transporte y el proceso de triturado en las zonas geográficas en donde no se

tiene acceso a los agregados con requerimientos mínimos de proceso para

ser utilizado, tales como el agregado producto de ríos y arroyos, representa

un costo extra para las empresas de la construcción y productoras de

concreto, así como para el desarrollo de infraestructura de estas zonas en

constante crecimiento.

Por otra parte las empresas productoras de concreto en México tienen

aproximadamente 10% de desperdicio de su producción (Martínez-Soto y

Mendoza-Escobedo 2006), lo que representa costos importantes, además del

gasto extra por transporte para retirarlo a sitios como rellenos y

terraplenes, o simplemente a sitios de disposición final, con los cuales

tampoco se tiene un control adecuado o no están claramente definidos.

1.4 Hipótesis

Las adiciones minerales refinan significativamente el sistema poroso,

tanto en la matriz cementante como en las interfaces agregado-matriz, del

concreto con agregado reciclado con la respectiva ganancia en resistencia

mecánica y durabilidad.

1.5 Objetivos

1.5.1Generales

Determinar y caracterizar los aspectos microestructurales (fases,

crecimientos, morfología, interfaces, sistema poroso) de las mezclas bajo

estudio y relacionarlos con el desempeño macroestructural del concreto.

1.5.2Específicos

Caracterizar materiales cementantes, agregados, pastas de materiales

cementantes hidratados y mezclas de concreto.


Introducción

58

Diseñar las mezclas con los parámetros máximos de sustitución

(agregados reciclados y MCS) para evaluar el desempeño del CS.

Identificar y cuantificar compuestos por la presencia de adiciones

minerales.

Estudiar la microestructura (crecimientos, morfología, sistema de poros,

material anhidro) de la matriz cementante y de la interfase agregado-matriz.


Materiales y Métodos

59

2 MATERIALES Y MÉTODOS

En este capítulo se describen los materiales, la metodología experimental, las

técnicas de caracterización y herramientas computacionales utilizadas para

realizar la investigación.

2.1 Materiales

2.1.1 Mezclas de Concreto

2.1.1.1 Materiales cementantes

En esta investigación se llama material cementante (MC) a la combinación de

cemento portland con puzolanas, tales como, CV y HS utilizadas en

reemplazo parcial de porcentajes en peso del cemento portland necesario

para la fabricación de las mezclas de concreto usadas en la experimentación.

Los materiales por separado se describen a continuación:

Cemento Portland (CP)

El cemento utilizado es de uso comercial manufacturado por Cementos

Chihuahua del tipo CPC 30R, según la norma mexicana NMX-C-414 que

equivale por sus características a un cemento tipo I en la norma ASTM C-

150. El cemento utilizado se eligió con base en la disponibilidad del mismo,

ya que éste es el comúnmente usado en la ciudad de Chihuahua, Chihuahua,

lugar, donde se realizaron los trabajos de investigación.

Ceniza Volante (CV)

La CV utilizada es un subproducto de la industria de la generación eléctrica;

generada en la carboeléctrica ubicada en Piedras Negras, Coahuila. Este

material por sus características físicas y químicas se clasifica como una CV

de clase F con base en la norma ASTM C-618.



60

Humo de sílice (HS)

El HS es un subproducto de la industria del ferrosilicio, el utilizado en la

fabricación del concreto en este trabajo cumple con los requerimientos

mínimos especificados en la norma ASTM C-1240 para ser denominado como

tal y es de origen norteamericano.

2.1.1.2 Agregados

2.1.1.2.1 Agregado grueso

Agregado natural

El agregado natural que se utilizó es comercial de extracción de banco

triturado con tamaño máximo de 19 mm, y se provee gradado de acuerdo a

norma ASTM C33.

Agregado reciclado

El agregado reciclado se obtuvo de la demolición de cilindros desechados que

se sometieron a pruebas de resistencia a la compresión en laboratorio, y

éstos fueron obtenidos de concreto premezclado con las mismas

especificaciones.

Agregado Fino

El agregado fino fue arena silícea de uso comercial, gradada de acuerdo

ASTM C33.

2.1.1.3 Agua

El agua utilizada es potable suministrada por la red municipal al laboratorio.

2.1.2 Pastas de materiales cementantes hidratados


Los materiales utilizados para la elaboración de las pastas fueron los mismos

materiales cementantes que las mezclas de concreto.



61

2.1.2.2 Agua

El agua con la que se fabricaron las pastas fue destilada en laboratorio.

2.2 Métodos

En párrafos posteriores se describen caracterización de los materiales, la

preparación de las muestras y la metodología experimental realizados para

cumplir con los objetivos de la presente investigación.

2.2.1Caracterización de Materiales cementantes y pastas MCH

La caracterización física y química de los materiales cementantes se realizó a

través de técnicas especializadas como el método BET por adsorción de

nitrógeno para conocer la superficie específica de los materiales, tamaño

promedio y su densidad. Las técnicas de fluorescencia de rayos X, difracción

de rayos X y análisis térmico se aplicaron para conocer la composición

química y fases presentes.

Es importante conocer el comportamiento de los MCS al hidratarse de en

este caso en forma de pasta, debido a que se necesitó conocer qué

aportaban estos materiales a un concreto fabricado con agregado grueso

reciclado (CS) y establecer las propiedades que cambian con su uso; además

de sustentar y comprobar los resultados obtenidos en las pruebas realizadas

al CS atribuibles a los MCS.

Las pastas de MCH fueron preparadas para ser sometidas a difracción de

rayos de X con el objetivo de identificar las fases principales; así como la

evolución de las mismas conforme pasaba el tiempo de curado. También se

sometieron a análisis térmico con la finalidad de cuantificar el CH y

correlacionar con las propiedades físicas y mecánicas del CS; para conocer

su morfología se obtuvieron imágenes en microscopio electrónico de barrido

(MEB). Estos estudios se eligieron con base en los resultados obtenidos por

otros investigadores (Escalante-García 2003); (Vedalakshmi, Sundara Raj et



62

al. 2003); (Escalante-García y Sharp 2004); (Escalante-García y Sharp

1998); (Talero 1996) los cuáles refieren que aunque tienen cierta

desventaja como en el caso de la difracción de rayos X, debido a la parte

amorfa que representa el CSH, por lo que es complejo cuantificar las fases

por medio de esta técnica, combinado con análisis térmico se obtienen datos

cuantitativos en cuanto al CH que proporciona información de mucha

importancia para esta investigación.

2.2.1.1 Fabricación y curado de muestras

Las muestras se fabricaron con la misma relación agua cemento que el CS

(0.48) de esta investigación y en la misma sustitución en peso de cemento,

tanto de CV (30%) como de HS (10%), con la finalidad de evitar que las

condiciones fueran determinantes o hicieran variar las propiedades del

material. Se colocó el cemento y los MCS se revolvieron en seco para dar

homogeneidad y luego se les agregó el agua. El proceso de mezclado se llevó

a cabo conforme al procedimiento ASTM C305 en una mezcladora mecánica

de tres velocidades con capacidad de 5 Lt. La mezcla se colocó en moldes

plásticos de 5 cm de diámetro y 3 cm de alto y se taparon con plástico para

evitar que perdieran humedad. Una vez desmoldadas las muestras después

de 24 horas se sometieron a curado por inmersión en agua destilada hasta

las edades de ensayo propuestas, las cuáles fueron las mismas que para el

CS 0, 28, 90 y 180 días.

2.2.1.2 Preparación de muestras

Para someter las pastas de MCH a los correspondientes análisis al extraerlas

de la inmersión del curado, había que minimizar al máximo la hidratación en

cada una de las edades de ensayo por lo que las pastas fueron saturadas en

acetona, durante 72 horas aproximadamente, la cual desplaza al agua en los

poros capilares, los cuales tienen diámetros de nanómetros y es ésta agua la

hay que desplazar para contrarrestar la hidratación de la pasta (Collier,



63

Sharp et al. 2008). Collier et al. Estudiaron el efecto de los diferentes

métodos para el secado y desplazamiento de esta agua planteando ventajas

y desventajas de cada una de las técnicas (Collier, Sharp et al. 2008), para

efectos de esta investigación y tomando en cuenta el equipo al que se tenía

alcance, la muestras fueron secadas al vacío en desecador con bomba de

vacío durante 72 horas para evitar con lo anterior que las pastas se

carbonataran. Después del proceso de secado se procedió a la molienda de

las muestras en mortero de Ágata para ser analizadas por DRX y TGA/DSC.

Antes de iniciar la molienda se seleccionaron muestras fracturadas para ser

introducidas en el MEB y obtener la morfología de las distintas edades de

curado.

2.2.1.3 Difracción de rayos X (DRX)

La difracción de rayos X representa una forma eficaz de obtener

cualitativamente las fases presentes en los materiales cementantes y las

pastas de MCH; así como, la evolución de las mismas a través del tiempo

proporcionando datos confiables que se complementan con otras técnicas, ya

que sus resultados son cualitativos pero sirven de referencia y son muy

importantes para el conocimiento del material en estudio, particularmente en

las pastas de MCH ha dado buenos resultados (Talero 1996; Escalante-García

y Sharp 2004; Gómez-Zamorano, Escalante-García et al. 2004; Pane y

Hansen 2005; Marinoni, Pavese et al. 2008). Solamente las pastas

hidratadas fueron sometidas, ya que si se estudiaba el CS mediante esta

técnica las fases presentes en los agregados finos y gruesos representaban

un alto grado de error, debido a la dificultad que representaba distinguir y

definir si las fases pertenecían a los productos propios de la hidratación o a

los agregados presentes en el CS, los cuales presentan patrones de

difracción que en algunos casos son muy similares; sobre todo si el agregado

contiene un alto contenido de calcio, como la piedra caliza o el mismo AR, el



64

cual tiene una alto contenido de productos de hidratación y en esta técnica

los aspectos anteriores ocasionarían un gran margen de error.

Los difractogramas se obtuvieron a 0, 28, 90 y 180 días de edad de las

pastas, el estudio se llevó a cabo en difractómetro Panalytical Xpert Pro con

los siguientes parámetros:

Tabla 2-1 Parámetros con los que se realizaron los difractogramas de las pastas de MCH

Posición inicial (2): 5.0082

Posición final (2): 71.0882

Tamaño de paso (2): 0.0080

Tiempo de escaneo por paso (s) 96.6751

Ánodo Cobre (Cu)

Temperatura 25°C

Esta técnica permitió identificar las fases etringita, CH y CSH; las cuales

representan el mayor interés para este estudio, lo cual permite correlacionar

y validar las demás técnicas utilizadas.

2.2.1.4 Análisis térmico

El análisis térmico que se realizó a las pastas de MCH fue TGA y DTA, la

técnica de TGA permite cuantificar el CH presente en cada una de las

muestras (Escalante-Garcia and Sharp 1998; Dyer and Dhir 2004; Pane and

Hansen 2005; RojasT and de Rojas 2005).

Los análisis en el equipo SDT Q600 V8.2 build 100, TGA-DSC estándar con

atmósfera inerte (argón 150 ml/min); rango de temperatura de 56.25 a

990.37 °C.



65

2.2.1.5 Morfología

Las imágenes adquiridas a través del MEB de los MC sin hidratar del mismo

lote con el que se fabricaron las mezclas de concreto y las pastas MCH. Se

tomaron imágenes a fractura de las pastas a las diferentes edades de curado

para observar la morfología y realizar la identificación de productos de

hidratación de las mismas en MEB JSM-5800 y a diferentes resoluciones.

2.2.1.6 Caracterización de agregados

El AR se fabricó por medio de la trituración de cilindros de concreto

fabricados con agregados naturales, cemento Portland compuesto, relación

agua/cemento de 0.50 y curadas durante 28 días a temperatura y humedad

controladas de 23 2 ºC y 98 1%, respectivamente. La trituración se llevó

a cabo mediante una trituradora de mandíbulas de de laboratorio (motor de

5 HP) de donde se obtuvieron los agregados en tamaños combinados (Fig.

2-1). Posteriormente se separó el AR por tamaños y se ajustó su

granulometría conforme a la norma ASTM C33 (Fig. 2-2). Los agregados

naturales gruesos (AN) son de uso comercial para la elaboración de concreto

premezclado, provenientes de extracción de banco, triturados y gradados por

tamaños; el tamaño máximo del agregado fue de 19 mm. Los agregados

finos naturales (AFN) consistieron de arena silícea de río; tanto el AN como el

AFN presentaron distribución de tamaños dentro de los límites establecidos

por ASTM C33). Se evaluaron las propiedades físicas de los todos los

agregados bajo las normas correspondientes



66

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

Fig. 2-2 a) Separación por tamaños en medios mecánicos, b) Separación manual, c) AR

separado, tamaño 19 mm

Propiedades físicas

Para efectos de conocer los agregados y realizar el diseño de mezclas se

obtuvieron las propiedades físicas necesarias para este fin bajo las normas

ASTM C29, C117, C127 y C128. Las cuáles proveen la metodología para

obtener, densidad y peso específico de los agregados, Absorción de gravas y



67

absorción de arenas. En la Fig. 2-3se muestra la morfología en un plano

visual de las características de los agregados utilizados para la fabricación

del CS.

Fig. 2-3 Morfología de los agregados utilizados a) AN b) AR c) AFN

2.2.2 Mezclas de Concreto

2.2.2.1 Diseño de Mezclas

Para cumplir los objetivos de esta investigación se diseñaron dos mezclas

con una misma relación agua/material cementante de 0.48 y 100% AFN. La

primera fue utilizada como mezcla referencia para evaluar el efecto de los

MCS y el AR en las propiedades del CS, por lo tanto esta mezcla fue

elaborada con 100% cemento portland y 100% AN con las características de

ambos descritas anteriormente en el apartado de materiales. La segunda

mezcla se diseñó para la sustitución parcial de cemento portland por MCS y

sustitución total de AN por AR, debido a que no hay establecida bajo norma

un diseño de mezcla para el CS, el diseño se realizo por el método de

volúmenes absolutos en base al código de diseño de la Asociación del

Cemento Portland (Kostmatka, Kerkhoff et al. 2002).

De acuerdo al diseño de mezclas, se dosificaron los materiales para realizar 4

series de probetas con las características y cantidades que se muestran en la



68

Tabla 2-2. A las 24 horas fueron desmoldadas e introducidas a una cámara

de curado con humedad relativa y temperatura controlada de 23 2 ºC y 98

1%, respectivamente; ahí permanecieron hasta las edades de ensayo

propuestas.

Tabla 2-2 Características y proporciones de las mezclas de prueba (relativo a 1m3 de

concreto)

Materiales

(Kg)

Identificación de las mezclas

Agregado gruesoy fino natural

100% Agregado grueso reciclado, arena natural yMCS

AN 100% CPC AR 100% CPC AR 30% CV AR 10% HS

Agua 213.31 213.31 213.31 213.31

Grava* 994.55 870.58 870.58 870.58

Arena* 766.17 915.35 915.35 915.35

Cemento 444.44 444.44 311.11 400.00

MCS 0.000 0.000 133.33 44.44

*En estado saturado superficialmente seco (no aporta ni consume agua)



69

Fig. 2-4 Proceso de preparación y curado de las probetas de concreto

2.2.3Propiedades mecánicas

En general la calidad del concreto se basa principalmente en que cumpla la

resistencia especificada en un tiempo dado, la resistencia a la compresión es

un parámetro del control de calidad que proporciona información relevante

en cuanto al comportamiento mecánico del concreto. En esta investigación se

sometieron a ensayos de resistencia a la compresión todas las mezclas a los

28, 90 y 180 días de curado con la finalidad comparar las modificaciones en

cuanto a este parámetro se refería en cada una de la mezclas en estudio. La

evaluación de la resistencia a compresión de cada serie de concreto

propuesto se llevó a cabo en doce probetas cilíndricas (h=30 cm, =15 cm).

De acuerdo a la norma ASTM C39 (ASTM International, 2009b). La

configuración del ensayo mecánico se muestra en la Fig. 2-5.



70

Fig. 2-5 Ensayo de resistencia a la compresión en probetas cilíndricas

2.2.4Porosidad

La porosidad es un parámetro importante en el concreto ya que está

íntimamente relacionada con su resistencia; para los alcances de esta

investigación se calculó la porosidad total a través del método de absorción

por inmersión; es decir, los poros que no son efectivos con respecto a flujo,

que incluyen además de los poros discontinuos, aquellos que contienen agua

adsorbida (poros inter C-S-H), aquellos que tienen una entrada angosta, aun

si los poros mismos son grandes, y los macroporos.

Este ensayo fue conducido de acuerdo a la norma ASTM C642 con una

variante en el proceso de saturación. Para determinar la absorción por

inmersión y porosidad total, después de los 90 días de curado (a esta edad

se estabilizó el proceso de hidratación), de probetas cilíndricas de 100 mm

de diámetro y 200 mm de longitud fueron extraídas (mediante corte) dos

rebanadas centrales de 50 mm de espesor. Para cada mezcla se

seleccionaron tres rebanadas, mismas que fueron sometidas a ultrasonido

durante 5 minutos para expulsar impurezas superficiales que pudieran

obstruir la entrada de los poros. La Fig. 2-6 ilustra el proceso de corte y

tratamiento de ultrasonido de las probetas.



71

Fig. 2-6 Preparación previa de las probetas: a) Corte de probetas, b) Sometimiento a

ultrasonido

Una vez finalizado el tratamiento de ultrasonido, las rebanadas fueron

sometidas a secado al horno a una temperatura de 105 °C hasta masa

constante, posteriormente fueron retiradas del horno y enfriadas a

temperatura ambiente en un desecador para determinar su masa (A).

Enseguida, las probetas fueron sumergidas en agua, retiradas cada 24 h y

pesadas con su superficie seca hasta alcanzar masa constante (B). Después

del periodo de inmersión, las probetas fueron colocadas en una cámara (Fig.

2-7), aplicando una presión de vacío de 1mm Hg (133 Pa) durante tres horas

y posteriormente se llenó dicha cámara con agua desoxigenada hasta que las

probetas estuvieron completamente sumergidas y se mantuvo la presión de

vacío por una hora adicional.



72

Fig. 2-7 Configuración del proceso de saturación de las probetas

Transcurridas las 4 h de vacío las rebanadas fueron retiradas, secadas

superficialmente y se determinó su masa al aire (C) y su masa aparente

sumergida en agua (D). La absorción por inmersión (AI) y porosidad total

(PT) de cada probeta fue calculada mediante las ecuaciones 1 y 2,

respectivamente.

,% 100B A

AI xA

(1)

,% 100T

C AP x

C D

(2)

2.2.5Microestructura

2.2.5.1 Zona de transición Iterfacial (ZTI)

La microestructura del concreto es compleja, debido a las fases presentes en

este material compuesto, las cuales son diferentes y heterogéneas entre sí.

La parte microestructural del concreto convencional ha sido ampliamente

estudiada sin llegar a un acuerdo absoluto sobre su comportamiento. Una de

las zonas que causan más interés por su complejidad e importancia es la

zona de transición interfacial (ZTI), ya que a ella se le atribuyen muchas de



73

las fallas y la disminución de la vida útil de la estructura de concreto

(Scrivener y Nemati 1996; Diamond 2001; Diamond y Huang 2001).

2.2.5.2 Análisis de Imagen

A través de imágenes adquiridas en MEB en modo retrodispersado

(Backscatter Electron Image, BEI), y con análisis de imagen se analizó la ZTI

y sus características principales; así como las fases que intervienen en esta

zona. Con este método también se obtuvo la porosidad a diferentes

distancias del agregado (ZTI), en la pasta considerada para este estudio la

distancia >30 m; así como, superficie específica y distribución de tamaño

de poro. En cuanto a otras fases presentes se obtuvo el % de anhidros

presente en la ZTI y en la zona de pasta; además de la pasta

correspondiente al CSH también en %. El proceso de análisis se describe en

los párrafos siguientes.

El objetivo de este estudio fue obtener información relevante a través del

análisis de imágenes, tales como, el comportamiento y características

específicas del CS, fases presentes, cuantificación de las mismas; así como

algunas propiedades de interés para la investigación de este material

compuesto como la porosidad, partículas cementantes sin reaccionar

(anhidros) y comportamiento de zonas relevantes como la ZTI. Las imágenes

pueden ser adquiridas por diferentes equipos, que varían desde los

microscopios ópticos, hasta escáneres de alta resolución y por tomografía

computacional de rayos X; hoy en día la herramienta más utilizada para la

obtención de imágenes en el concreto es el la microscopía electrónica de

barrido (MEB), este microscopio de alta potencia y resolución está equipado

con un espectrómetro de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS), el cual

proporciona un análisis químico de la muestra y también puede obtener

imágenes por mapeo de elementos puntuales que ayudan para el proceso de

análisis de imagen.



74

El Estudio se llevó a cabo por medio de imágenes adquiridas en Microscopio

Electrónico de Barrido (MEB) y con imágenes obtenidas a través del mapeo

por puntos en EDX. El MEB utilizado fue un Leica Cambridge, modelo LTD

360, las condiciones de trabajo fueron las siguientes:

Distancia de la muestra: 23 mm

Intensidad de corriente: 1.5 nA

Voltaje: 15 kV

Modo: Retrodispersado

Para el análisis de imagen se utilizó el software Vission Assistant 2009

de National Instruments, con el cual se obtuvo:

Porosidad

Anhidros

CSH

Relación Ca/Si

El análisis se realizó a diferentes distancias de la ZTI localizada, las cuales

fueron 10, 20, 30 40 y 50 m y otro análisis para la pasta a una distancia

mayor a 30 m del agregado.

Preparación de las muestras

El proceso de preparación de muestras para el posterior análisis y obtención

de su representación, en términos generales es una técnica ya establecida y

conocida de forma usual por los investigadores de este campo. Dicha técnica

puede ser resumida de la siguiente forma:

Se inicia el procedimiento mediante el embutido de la muestra utilizando una

resina, dicha resina requiere que antes de su polimerización presente una

alta viscosidad (facilitar la penetración) y que después de polimerizar, es

deseable igualmente que ésta presente una alta dureza.

Una vez obtenida la muestra por técnicas de corte o fractura, se procede a

realizar su abrasión mediante papel lija que suele abarcar los tamaños desde



75

180 hasta 1000, para terminar el proceso mediante pulido de diamante, en

casos extremos se suele embutir nuevamente y utilizar cuchillo de diamante

(permite aproximaciones de sección del orden de 100 a 80 nanómetros)

Las muestras así tratadas, son entonces cubiertas mediante un proceso que

permita garantizar la transmisibilidad de los electrones; esto es, una

cobertura metálica.

En el caso de estudio correspondiente al CS las muestras fueron embutidas

en resina epóxica y se pulieron hasta obtener un acabado espejo en pulidora

mecánica con carburo de silicio de diferentes tamaños, por ser un material

de baja conductividad las muestras se recubrieron con carbono con la

finalidad de obtener la conductividad necesaria y que se pudieran adquirir las

imágenes en el MEB

Adquisición de imágenes

Para la adquisición de las imágenes se consideró el siguiente procedimiento:

Tomar 1 imagen en cada área achurada de la muestra ver Fig. 2-8, de tal

manera que se obtengan 4 imágenes de cada una de las muestras a 500X de

aumento, con una resolución media y tamaño de 1024 x 804 pixeles como se

muestra la imagen de la Fig. 2-9. Una vez adquirida la imagen en modo

retrodispersado, se realizó el mapeo por puntos con EDS, con la finalidad de

facilitar la construcción de máscaras y filtros para la óptima definición de la

ZTI.



76

Fig. 2-8. Localización y sentido de los puntos de partida para la toma de imágenes en MEB

En las Fig. 2-9 y Fig. 2-10 se presenta la adquisición de las imágenes en BEI

y las imágenes obtenidas del mapeo por puntos en EDX.

Fig. 2-9 Imagen de MEB original en modo retrodispersado de pasta y agregado



77

Fig. 2-10 Imágenes obtenidas del mapeo por puntos sobre la ZTI localizada en la Fig. 2; Al,

Ca, Fe, Mg, Na y Si

Las imágenes anteriores se tomaron para cada una de las muestras en

estudio, con la finalidad de crear un filtro con el cual se definiera lo más

óptimo posible la ZTI entre el agregado y la pasta y con ello obtener los

datos de cada una de las fases presentes en la imagen sin que interfirieran

éstas entre sí.

El análisis de cada una de las imágenes se realizó con la ayuda del software

Vission Assistant 2009, éste software realiza operaciones lógicas y

morfológicas que permiten la segmentación y binarización de cualquier

imagen con lo cual es posible analizar características de interés como

formas, tamaño de partículas y porcentajes de área. Los valores límites que

se aplicaron para la segmentación y posterior binarización de las imágenes

en cada caso se basaron en los histogramas de la escala de grises obtenidos

también del software de análisis imagen de cada una de las imágenes

adquiridas en modo retrodispersado (Backscattered Electron Image BEI)

como se muestra en la Fig. 2-11.

c

f

a b

d e



78

Fig. 2-11 Histograma de escala de grises de imagen original

Para iniciar el análisis del total de imágenes adquiridas se les recortó la parte

inferior que marca el nombre de la imagen y la escala, ya que el software

toma todos estos elemento como parte de las mismas; el tamaño original era

de 1024 X 804 pixeles y una vez recortadas el tamaño fue de 1024 X 766

pixeles.

La escala de grises se establece en un rango de intensidad de 0 a 254,

tomando en cuenta el histograma se establece un límite en la escala de

grises, esta operación es conocida como “thresholding” y sólo quedaron para

el análisis las áreas con las características establecidas dentro de los límites

que se eligieron con base en estudios previos que establecen un rango en la

escala de grises para identificar características propias de los concretos

(Diamond 2001; Diamon y Huang 2001; Diamond 2004; Head y Buenfeld

2006). En las muestras de concreto durante su preparación la resina epóxica

rellena los huecos de la muestra, por lo que, en la imagen debido a la baja

cristalinidad de la resina los lugares ocupados por ésta se presentan con

valores en la escala de grises muy cercanos a cero, bajo este criterio se

-5000

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

0 100 200 300

No

.de

Pix

ele

s

Intensidad

Escala de GrisesImagen original



79

estableció el límite para obtener la porosidad. El material anhidro se presenta

en el límite opuesto a la porosidad los valores son muy cercanos a 254.

Partiendo del punto anterior el paso siguiente fue definir la ZTI para separar

el agregado de la pasta, lo anterior se logró usando la metodología

establecida por Head and Buenfeld en el 2006 (Head y Buenfeld 2006) donde

las imágenes obtenidas por mapeo de puntos en EDS se utilizaron para

conformar la fase del agregado y obtener una máscara que sirvió como filtro

para la posterior construcción de las máscaras de agregado fino, porosidad y

anhidros, necesarios para el análisis final.

Construcción de la máscara del agregado

A la imagen de Si se sobrepusieron las imágenes de Al, Fe, K, Mg y Na y se

formó una sola imagen a través de operaciones morfológicas establecidas en

el software la Fig. 2-12 presenta la imagen resultante de este paso.

Fig. 2-12 Imagen resultante de Si+Al+Fe+K+Mg+Na

Posteriormente se realizó la misma operación pero ahora sobre la imagen

del Si, se sobrepuso dos veces la imagen del Ca, para determinar las zonas

ricas en calcio dentro del agregado y diferenciarlo de la pasta en la Fig. 2-13

se muestra la imagen.



80

Fig. 2-13 Imagen Si-2Ca

De las imágenes anteriores (Fig. 5 y Fig. 6) se obtiene una imagen

compuesta, lo cual fue posible con la utilización de operaciones lógicas

disponibles en el software de análisis de imagen. La imagen resultante de

este procedimiento (Fig. 2-14a) permite observar de manera definida la

interface agregado-pasta, donde se puede apreciar el área del agregado en

color blanco pero quedan áreas de color oscuro que se eliminaron con

operaciones morfológicas, tales como, relleno de áreas dilatación y erosión.

El resultado fue la máscara del agregado grueso que será la base para la

medición de las propiedades en la pasta (Fig. 2-14b). Lo anterior es

necesario, debido a que si no se realiza una separación mediante esta

máscara filtro, las fases presentes en el agregado podrían confundirse con

las de la pasta resultando información errónea en cuanto al establecimiento

de los límites (thresholding) en la escala de grises. Si los agregados tienen

altos contenidos de sílice o calcio; estos elementos también están presentes

en la pasta de MCH; así como también están conjugados con aluminio, fierro,

potasio, sodio y magnesio por mencionar algunos de los más comunes

elementos en material pétreo como de productos de hidratación de los MCH.

Esta máscara para definir la ZTI y la distancia de la misma para los

resultados.



81

Fig. 2-14 a) Imagen compuesta final (Fig. 5+Fig.6) b) Máscara agregado grueso

Construcción de máscaras filtros e imágenes finales para su análisis

A la imagen original se le aplicó un rango límite para elementos oscuros de 0

hasta 75 (threshold) y todas las áreas dentro de este rango se consideraron

poros y oquedades, en la Fig. 2-15b se presenta la imagen binarizada de

este proceso.

Fig. 2-15 a) Imagen original b) Segmentación y binarización de imagen después de

aplicación de operación de límites (Thresholding)

A la imagen binarizada se le aplicó la máscara de agregado grueso; se

aplicaron operaciones lógicas de sustracción para evitar que al analizar las

características en cada una de las imágenes interfirieran en los resultados;

además sirvió para afinar la ZTI y la pasta de MCH; en la Fig. 2-16 se

presenta la imagen correspondiente a la porosidad, sobre la cual se

ba



82

cuantificarán y medirán las partículas en áreas y obtener la porosidad de la

ZTI, de la pasta y la porosidad total de la muestra.

Fig. 2-16 Imagen correspondiente a la porosidad, la cuál será cuantificada

El mismo procedimiento se utilizó para obtener la imagen final de los

anhidros; sólo que la operación de límites se aplicó para elementos claros y

en un rango de 225 a 254 en la escala de grises, en la Fig. 2-17 se muestra

la imagen resultante, la cual también será cuantificada y medida con análisis

de partículas en la ZTI y en la pasta, lo que arrojó importante información

sobre la localización del material anhidro.

Fig. 2-17 Imagen correspondiente al material anhidro



83

Durante la construcción de las imágenes anteriores se llevó a cabo la

calibración de las mismas en micras a través de la opción de calibración que

brinda el programa de análisis de imagen y la conversión quedó de la

siguiente manera:

1 pixel= 2.55102 m

Cabe mencionar que la conversión de los pixeles a cualquier medida varía

porque el tamaño de éstos depende de la resolución con la que fueron

tomadas las imágenes, cómo del tamaño de cuadro en la que la imagen es

vista. Todos los resultados del análisis de partículas de la totalidad de las

imágenes tienen esta conversión.

Después de la calibración de imágenes se procedió a la construcción de

franjas de 10 m de espesor a lo largo de la ZTI y usándose la tira

antecesora como máscara filtro para la obtención de la siguiente hasta

obtener 5 franjas con distancias de la ZTI desde 10 hasta 50 m

apróximadamente; este método fue utilizado por Diamond and Huang

(Diamond y Huang 2001) y propuesto por Scrivener y Gartner (Scrivener

1987).

La metodología fue dilatar la imagen original de la máscara del agregado

grueso y posteriormente sobreponer a al a imagen dilatada la imagen con la

interface del agregado en tamaño original obteniendo la franja del espesor

deseado. Estas franjas se usan como máscaras para analizar cada una de las

características propuestas para análisis en esta metodología, como son

porosidad, anhidros y pasta de MCH. En las siguientes figuras se muestran

las imágenes con las franjas de 10 m aproximadamente de espesor.



84

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

Una vez construidas todas las imágenes máscara necesarias para el filtrado y

obtención de cada una de las características en estudio, se procedió a

procesar cada una de las imágenes finales de material anhidro, porosidad y

pasta MCH a cada una de las distancias propuestas anteriormente utilizando

las franjas elaboradas para este fin. El análisis final se realizó en cada una de

las imágenes obtenidas al aplicar la máscara de las franjas a la distancia

correspondiente del agregado, el resultado se obtuvo en porcentaje de área

de la imagen y con este proceso se cuantificó la porosidad, anhidros y pasta

de MCH a las distintas distancias como se muestra en las figuras siguientes.

Las zonas en color negro representan el área de la característica a medir o

cuantificar, tal como se muestra en la Fig. 2-19 con las imágenes finales que

fueron analizadas.



85

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.



86

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)

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

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

Medición y cuantificación en imágenes finales

La medición se realizó con la herramienta que provee el software, la cual es

llamada análisis de partículas, el software llama partículas a todas las áreas

que representan cada una de las características establecidas dentro del



87

rango y los valores límite establecidos previamente en la construcción de la

imagen final. El análisis de partículas se llevó a cabo sobre las imágenes que

se muestran en las Figs. 20-22, las cuales se construyeron para cada imagen

en retrodispersado original de las muestras en estudio, por lo que en la tabla

siguiente se desglosa la cantidad de imágenes analizadas y de donde se

obtuvo el promedio con los resultados de cada mezcla de CS.

Tabla 2-3 Cantidad de imágenes construidas para análisis

Mezclasde

concreto

Imágenesadquiridas

(MEB)

Imágenesadquiridas

en EDS

Imágenesfinales

construidas

AN 4 4 100

AR 4 4 100

CV 4 4 100

HS 4 4 100

La relación Ca/Si fue calculada a partir de las imágenes adquiridas en le

mapeo por puntos en EDS. La imagen de Ca y Si, respectivamente fueron

segmentadas y binarizadas, posteriormente se les aplicó la máscara filtro del

agregado con la finalidad de obtener solamente la cantidad en áreas de Si y

de Ca en la pasta de MCH de la muestra; se cuantificó el área total de las

partículas de cada una de las imágenes mencionadas anteriormente y

posteriormente se realizó la operación para obtener la relación Ca/Si.

ܥൗ =

ܣ∑ Caܥ

ܣ∑


Resultados y Discusión

88

3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Materiales Cementantes y pastas de MCH

3.1.1Propiedades físicas y químicas de los MC

En la Tabla 3-1 se muestran los resultados de la caracterización físico-

química de los materiales cementantes.

Tabla 3-1 Propiedades físicas y composición químicas de los materiales cementantes

Propiedades físicas

Densidad (g/cm3)Superficie específica, BET

(m2/kg)Tamaño promedio (µm)

CP 3.15 1400 15-25

CV 2.35 1200 5 - 15

HS 2.27 19600 0.1 - 0.2

Composición química (% en peso)

Material SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 K2O Na2O MgO

CP 19.94 4.40 2.97 63.50 3.08 0.42 0.12 -

CV 58.84 16.72 3.52 7.35 0.13 0.79 0.94 1.76

HS 95.22 0.08 2.37 0.26 0.11 0.56 0.30 0.24

Las propiedades físicas y químicas de los MC sin hidratar proporcionan

información inicial de cómo puede ser su comportamiento al ser hidratados.

En la tabla 3-1 se observa que la superficie específica del CP y la CV son muy

similares; así como sus tamaños promedio, lo cual de inicio haría suponer

que fueran igualmente reactivos al ser hidratados, pero como se observa en

resultados posteriores, esto no es así; a diferencia del HS que presenta una



89

superficie específica muy alta con respecto de los dos anteriores y un tamaño

de partícula promedio igualmente inferior, lo que le provee características

como un material de alta reactividad. La composición química del CP es muy

importante, debido a que depende en gran parte de la cantidad de sus

componentes principales (Silicatos de calcio, silicoaluminatos de calcio y

ferroaluminatos de calcio) para obtener propiedades y características

específicas al ser hidratado. En la Tabla 3-1 se presenta la cantidad en

óxidos en este CP, el cual cumple con las características especificadas en la

ASTM C150 para un cemento tipo I. La CV utilizada en esta investigación

presenta un alto contenido de SiO2 (más del 50% del total de óxidos

presente) pero de acuerdo al contenido de calcio presente es una CV con un

bajo contenido de calcio, lo que limita su reactividad, de la misma manera

que la fase de SiO2 se encuentra en forma de cuarzo, con una estructura

cristalina bien definida y muy estable.

3.1.2Difracción de Rayos X (DRX)


En la Fig. 3-1 se muestran los patrones de difracción de rayos x para los

materiales cementantes.

Los patrones de difracción obtenidos de cada uno de los materiales

cementantes proveen de información importante para esta investigación,

debido a que en los MCS la reactividad está altamente ligada al contenido de

sílice en forma amorfa. Como se observa en la Fig. 3-1 el HS tiene una muy

baja cristalinidad que no permite que el pico predominante se defina como,

lo cual no sucede en las estructuras cristalinas. La fase presente es dióxido

de silicio amorfo predominantemente, esta fase está presente en casi la

totalidad del material y aunado a sus propiedades físicas (Tabla 3-1) lo hace

un material altamente reactivo al combinarse con el CP y el agua.



90

Fig. 3-1 Patrones de difracción de MC sin hidratar

Contrario al HS está la CV, la cual, tiene definido un pico predominante en la

región característica de la estructura cristalina del cuarzo (SiO2), por lo que

su bien conformada estructura cristalina le provee la estabilidad para no

reaccionar en el corto plazo. El proceso de reacción en la pasta entonces

requerirá de mayor tiempo o necesitará estimulación externa como aumento

en la temperatura durante el periodo de curado. El cemento portland por su

parte presenta la definición de 3 picos predominantes, los cuales representan

los silicatos de calcio sin hidratar, (C3S y C2S) con una muy baja intensidad

debido a la cantidad minoritaria se encuentran los aluminatos de calcio y los

ferroaluminatos.

3.1.2.2 Pastas de MCH

En la Fig. 3-2 se muestra la morfología de las fases presentes, el cristal de

portlandita CH se aprecia en su totalidad, la forma hexagonal y compacidad

confirman la presencia de esta fase como un producto de hidratación en las

pastas MCH de este trabajo de investigación. El CSH por su parte se observa

disperso en toda la matriz que rodea al CH; como se puede ver el CSH no



91

tiene una forma ni estructura definida como el CH, sino que morfología

tiende a no adquirir ninguna forma específica. Las forma circulares con

cristalitos creciendo a su alrededor son los granos de CP que al hidratarse

van reaccionando generando todo el CSH así como la etringita que se

desarrolla encima de éste. Los cristales de etringita tienen forma de agujas

como se observa en la figura.

Fig. 3-2 Morfología de las fases más importantes presentes en las pastas de MCH

Para efectos de identificación se asignó un carácter a cada fase presente en

los patrones de difracción como sigue:

CH: Hidróxido de calcio (Ca (OH)2); portlandita

CSH: Silicatos de calcio hidratado

E: Etringita

M: Monosulfatos

Q: Cuarzo



92

Fig. 3-3 Difractograma de pastas MCH a cero días de curado

Fig. 3-4 Identificación de fases principales de las pastas de MCH a cero días de curado



93

Fig. 3-5 Difractogramas de pastas MCH a 28 días de curado

Fig. 3-6 Identificación de fases principales a 28 días de curado



94


Fig. 3-8 Identificación de fases principales en pastas de MCH a 90 días de curado



95


Fig. 3-10 Identificación de fases principales en pastas MCH a 180 días de curado



96

Los patrones de difracción de cada una de las mezclas de CS a las distintas

edades de curado (0, 28, 90 y 180 días) son presentados en perspectiva en

las Figuras 3-3, 3-5, 3-7 y 3-9, las cuales establecen solamente la intensidad

de los picos de las fases principales presentes para realizar una comparación

visual entre ellos. La identificación de las fases de las pastas MCH se

presenta en las Fig. 3-4, 3-6, 3-8 y 3-10, donde la intensidad y la forma de

los picos proporcionan información cualitativa. La intensidad de los picos

característicos del CH en la pasta HS_0 se presentan con intensidades

demasiado altas y el pico más intenso se presenta en la región de los 18°

aproximadamente de 2, región donde es característico el pico secundario de

esta fase, esto se atribuye a una orientación preferencial de los cristales de

CH al prepararse la muestra o a una excesiva molienda de la misma, lo que

confirma lo anterior es la intensidad en los picos y la ligeramente mayor

curvatura inferior en la región del CSH de esta pasta MCH, los cuales, son

mayores a los de la mezcla CP_0 y CV_0, resultado que se esperaba por la

alta actividad puzolánica del HS y por lo tanto mayor consumo de CH y

mayor generación de CSH. En la parte inferior de la región donde se

encuentra el CSH se observa un ligero levantamiento, esto se atribuye al

CSH en forma amorfa presente en las mezclas, lo que le da mayor

compacidad, homogeneidad y resistencia a las mezclas. Las intensidades de

los silicatos de calcio se debe principalmente a que el C3S (Silicato Tricálcico)

reacciona en los primeros días de curado proporcionando la resistencia a

edades tempranas del concreto y posteriormente el silicato dicálcico (C2S) es

consumido por las reacciones de hidratación, aumentando la generación de

productos de hidratación del CP (CH y CSH).

En las mezclas CV y HS a 90 y 180 días de curado se aprecia el aumento de

la región del CSH y la disminución de los picos de CH, debido a la actividad

puzolánica; pero es mayor y se aprecia más en las pastas HS que en las de

CV, debido a la presencia del cuarzo en todas las edades de curado y el bajo



97

contenido de calcio de la CV limitan su actividad puzolánica y el proceso de

hidratación de las partículas es lento. Contrario a lo anterior en la pasta CP el

CH aumenta con la edad de curado y aunque aumenta también la región de

los CSH son menos intensas que en las pastas de CV y HS respectivamente.

A cero días de curado de las mezclas se encuentra la fase etringita, presente

en las tres mezclas de CS, la cual es común a edades tempranas de las

mezclas de concreto. A 28 días de curado la fase etringita no se aprecia,

pero en las mezclas CP_28 y CV_28 se observa un pico de intensidad muy

baja en la región de 2 característico del monosulfato (12-15°), el cual

adquiere mayor intensidad a los 180 días de curado en donde ya se hace

presente también en la mezcla HS_180 y de nuevo está presente la etringita

con menor intensidad que a cero días y con mayor presencia en las mezclas

CP_180 y CV_180.

La evolución del CH en las pastas de CP a los 28 días se observa un

crecimiento en los picos y se mantiene esta tendencia en las edades de

curado a 90 y 180 días respectivamente, con lo cual se confirma que los MCS

reducen el contenido de CH, aun en las pastas de CV donde el proceso de

hidratación es lento.

3.1.3 Análisis Térmico

La Fig. 3-11 muestra los resultados de los análisis térmicos por

termogravimetría (TGA), en los cuales se observa una caída principal de la

curva entre 420 y 460°. La caída del % en peso de la muestra en el rango de

temperatura antes mencionado se debe a la descomposición del CH.

En la Fig. 3-11(a) se observa una marcada diferencia en la caída inicial en el

rango entre 0° y 180° entre las pastas CP_0 y HS_0 con respecto a la CV_0.

Este tipo de curva con una caída inicial rápida no escalonada se atribuye a la

dehidratación del CSH, que a cero días de curado las pastas CP_0 y HS_0



98

presentan en esta zona un comportamiento similar, aunque es ligeramente

mayor la caída en la HS_0 en este rango de temperatura. La pasta CV_0 por

su parte presenta caídas menores, debido a lenta reacción en el proceso de

hidratación que genera la CV en las pasta. A 28 días de curado las tres

pastas ya tienen un comportamiento similar en la caída inicial, aunque se

observa que la pasta con HS tiene más pérdida de peso en esta zona. En la

zona de descomposición del CH, en la pasta HS_28, sin embargo, se

observa una diferencia con respecto de la CP_28, que presenta una pérdida

de peso mayor atribuible a una mayor cantidad de CH en la pasta.

A 90 y 180 días de curado la tendencia sigue, habiendo una mayor pérdida

de peso en la caída inicial en las pastas que contienen HS y menor pérdida

de peso en la zona de descomposición del CH.

Los TGA a cero días confirman lo supuesto con los difractogramas que a cero

días la intensidad en los picos de la pasta HS_0 se debía a una orientación

preferencial de los cristales de CH (Fig. 3-3).

Los DTA a las diferentes etapas de curado presentan picos dominados por

reacciones endotérmicas, característicos de las reacciones por dehidratación,

secado y descomposición, las zonas de interés se encuentran señaladas. Los

picos en la zona de dehidratación del CSH son más visibles en las Fig. 3-14 a

y Fig. 3-15 a; donde se observa que la energía consumida necesaria para

dehidratar el CSH es mayor en las pastas que contienen HS, seguido por las

pastas con CV ya que a estas edades de curado el CV ya ha reaccionado,

aunque no en su totalidad, porque presenta a 180 días de curado un pico

mayor que las pastas de CP y HS atribuibles nuevamente a su proceso de

reacción lento, aunque y que mencionar que genera mayor cantidad de CSH

con respecto del HS, al consumir CH disponible, debido a la actividad

puzolánica.



99

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.

Estudio Microestructural de Concreto

Fig. 3-12 a) Termograma

Fig. 3-13 a) Termograma DTA de pastas MCH a 28 días de curado, b) Ampliación de la zona



a) Termograma DTA de pastas MCH a cero días de curado, b) Ampliación de la

zona CH de termograma (a)

a) Termograma DTA de pastas MCH a 28 días de curado, b) Ampliación de la zona

CH en termograma (a)

s Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas

100

DTA de pastas MCH a cero días de curado, b) Ampliación de la


Estudio Microestructural de Concreto

Fig. 3-14 a) Termograma DTA de pastas MCH a 90 días de curado, b) Ampliación de la zona

Fig. 3-15 a) Termograma DTA de pastas MCH a 180 días de cur

La zona de descomposición del CH en el rango de temperaturas es ampliada

en cada uno de los DTA, para una mejor visualización en las cuatro edades

de curado. En esta zona se aprecia como el pico de las pas









de curado. En esta zona se aprecia como el pico de las pas

s Sustentables Aplicando Técnicas Avanzadas

101


ado, b) Ampliación de la zona



de curado. En esta zona se aprecia como el pico de las pastas que contienen



102

HS son menores, que las pastas de CP y CV, respectivamente, lo que

confirma la existencia de menor cantidad de CH, el cual fue cuantificado

utilizando los TGA y se muestra en la Fig. 3-16.

Fig. 3-16 Cuantificación de CH de porcentaje en peso de las pastas MCH a las diferentes

edades de curado

Puede observarse en la Fig. 3-16 que a cero días no existe una variación

significativa de CH entre las pastas, aunque la tendencia de la grafica no

cambia al presentar la pasta con HS la menor cantidad de CH en todas las

edades de curado, seguida por las pastas con CV y la pasta con mayor

contenido de CH fue la pasta con sólo CP. El comportamiento de las curvas

describe una elevación de los contenidos de CH en las tres muestras a 28

días y a noventa días una disminución. La elevación en el contenido de CH a

28 días podría atribuirse a la reacción de los C3S presentes en el cemento

portland, ya que en esta pasta es más notable este comportamiento y las

reacciones puzolánicas del CV y el HS dentro de las pastas disminuyen el

contenido de CH por lo que en estas pastas este comportamiento es menor.



103

A 90 y 180 días las pastas CP y HS tienen comportamientos opuestos,

mientras que en la pasta CP el contenido de CH crece; en la pasta HS

decrece en una forma más significativa. La pasta CV sigue un

comportamiento estable a partir de los noventa días de hidratación,

manteniendo el contenido de CH a los 180 días de curado.

3.1.4Microestructura

3.1.4.1 Morfología

Materiales cementantes

Las figuras Fig. 3-17 a Fig. 3-19 muestran la morfología de los materiales

cementantes utilizados, donde se observan los granos de cemento con

formas y tamaños con mayor cantidad de irregularidades (Fig. 3-17) que los

otros materiales. En la CV se observa la forma esférica de la partícula y un

tamaño de partícula similar al CP, mientras que el HS aunque es esférico

tiene un tamaño mucho más pequeño que la CV, lo que hace de este

material tener un área superficial mayor que la CV y el CP (ver Tabla 3-1

Propiedades físicas y composición químicas de los materiales cementantes.

Fig. 3-17 Morfología del CP



104

Fig. 3-18 Morfología de la CV

Fig. 3-19 Morfología del HS

Pastas MCH

La Fig. 3-20 ilustra la morfología de las pastas de MCH a cero días de curado,

donde se aprecia en primera instancia la heterogeneidad y compacidad de las

muestras, en la pasta CP (imágenes a y b) se muestra una topografía

irregular, y una heterogeneidad mayor que la pasta con HS, la cual a esta

edad de curado ya presenta una topografía más regular, con mayor

compacidad y homogeneidad.



105

Fig. 3-20 Morfología de pastas MCH a cero días de curado; a) y b) CP, c) y d) CV, e) y f) HS

En la pasta de CV c y d) se aprecian las partículas esféricas rodeadas en su

mayoría por cristales de etringita, esta fase se encuentra presente en menor

cantidad en la pasta de CP y HS.



106

Fig. 3-21 Pastas MCH a 28 días de curado a) CP, b) CV y c) HS

A 28 días la evolución en el proceso de hidratación es más notable, la pasta

de CP muestra mayor homogeneidad que a cero días y se visualizan fases

más compactas dentro de la fase atribuible al CSH. La pasta CV ya no

presenta la fase etringita pero se observa claramente las partículas esféricas

sin reaccionar de la CV; la pasta HS muestra mayor densidad y no se

observa diversidad de fases, lo que lo que se atribuye a la gran cantidad de

CSH y el refinamiento de la pasta que la HS produce.



107

Fig. 3-22 Pastas MCH a 90 días de curado a) CP, b) CV, c) HS

Las pastas a 90 días de curado se observan en la, donde la pasta CP (a)

tiene mayor homogeneidad que a 28 días, debido a que ya la mayoría de los

silicatos de calcio presentes han reaccionado, por lo tanto los productos de

hidratación son mayores (ver. La pasta CV (b) muestra las partículas

esféricas con cráteres en su superficie, lo cual representa la reacción de las

partículas y la pasta HS (c) mantiene su morfología sin cambios significativos

aunque se observa una mayor compacidad.



108

Fig. 3-23 Pastas MCH a 180 días de curado a) CP, b) CV, c) HS

A 180 días la fase etringita se hace presente en las tres pastas, con mayor

cantidad en la pasta CP (a) que en las otras dos y con una cantidad

minoritaria en la pasta HS (c). La pasta CV (b) muestra las partículas

esféricas con oquedades en ellas y se observan productos de hidratación

cubiertos por cristales de etringita.

3.2 Caracterización de los agregados

En la Tabla 3-3 se resumen los resultados de las propiedades físicas más

importantes de los agregados utilizados, mientras que en la Fig. 3-31 se

muestra su distribución granulométrica.



109

Tabla 3-2 Propiedades físicas de los agregados utilizados para la fabricación de concreto

Tipo deagregado

Pesovolumétrico

secocompacto(kg/m3)

Densidad

(g/cm3)

Absorción

(%)

Humedad

(%)

Módulo definura

(%)

Tamañomáximo

(mm)

AR 1362 2.20 6.55 2.14 - 19

AN 1584 2.50 0.44 0.28 - 19

AFN 1511 2.43 4.08 6.66 2.73 4.76

De acuerdo a sus propiedades físicas, el AR se clasifica como Tipo II, según

RILEM, 1994 (absorción ≤10% y densidad 2000 kg/m3) y puede ser usado

para fabricar concreto estructural sin limitación de reemplazo.

0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80

100

%que

pasa

Abertura del tamiz (mm)

AFNLímite sup. ASTMC33Límite sup. ASTMC33

5 10 15 20 25

0

20

40

60

80

100

%qu

epa

sa

Abertura del tamiz (mm)

ARANLímitesup. ASTMC33Límite inf. ASTMC33

Fig. 3-24 Distribución granulométrica de los agregados gruesos y finos

3.3 Mezclas de Concreto

3.3.1Resistencia mecánica

La resistencia mecánica del CS es menor hasta en un 15% aproximadamente

que el concreto normal, esto se atribuye a la baja densidad del agregado

reciclado, a su mayor absorción lo que representa mayor porosidad del

mismo (Yamato y M 2000; Gómez-Soberón 2002; Topcu y Sengel 2004;



110

Sani, Moriconi et al. 2005; Xiao, Li et al. 2005; Rahal 2007). En el

comportamiento mecánico del CS también influye la cantidad de agregado

reciclado en el mismo (Etxeberria, Vázquez et al. 2007). Lo anterior se

observa en la.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Resistencia mínima requerida

en la mayoría de los

proyectos en México

Resis

tencia

acom

pre

sió

n(M

Pa)

Tiempo de curado (días)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HS

Fig. 3-25 Resistencia a la compresión de los CS a las distintas edades de curado

La pérdida de resistencia a compresión de la mezcla AR, con respecto a la

mezcla de concreto convencional (AN) se atribuye, por un lado, a la mayor

porosidad del agregado reciclado (manifestado por su alta absorción del

6.55%) y a su menor densidad (2.20 kg/m3) con respecto al agregado

natural (0.44% de absorción y densidad de 2.50 kg/m3) y por otro, al

incremento en las ZTI por el uso de agregado reciclado.

La baja resistencia de la mezcla CV con respecto de la mezcla AR no era el

esperado ya que en los estudios de las pastas MCH aunque el proceso de

reacción era lento la cantidad de CH era menor que en la pasta CP y muy

similar a la pasta CH a 28 días de curado aunque investigaciones anteriores

(Fraay, Bijen et al. 1989; Roszczynialski 1992; Xu 1992; Bijen y Pietersen

1994) reportan que la reacción puzolánica de la CV con el C-H se lleva a



111

cabo lentamente debido a diferentes factores, pero principalmente por el

tamaño grande y la estabilidad de las partículas esféricas para disociarse,

generando zonas preferenciales (principalmente en la ZTI) con partículas de

CV sin reaccionar y por consiguiente debilitando mecánicamente la

microestructura; sin embargo, por tratarse de una reacción química puede

acelerarse con un incremento en la temperatura o con el uso de activadores

alcalinos.

Por lo tanto esta baja resistencia se atribuye además del lento proceso de

reacción de la ceniza, a la ZTI producida por los agregados reciclados en este

CS y los sitios preferenciales de falla que propician las partículas de CV sin

reaccionar.

El Comportamiento de la mezcla HS era el esperado de acuerdo con los

resultados de la caracterización de la pasta HS, por el mayor consumo del CH

durante la reacción puzolánica y el subsecuente aumento de CSH; lo anterior

por las características químicas; por otra parte, respecto a sus características

físicas como el tamaño promedio de la partícula que refina la matriz

cementante y es más homogénea, tal como se observó en las imágenes de

las Fig. 3-20,Fig. 3-21, Fig. 3-22 y Fig. 3-23; así mismo la reactividad que

presenta debido al área superficial tan alta, que permite la una actividad

puzolánica mayor que da como resultado resistencias a edades tempranas

como se observó en la resistencia a la compresión.

3.3.2 Porosidad

En la Tabla 3-4 se presentan los resultados de absorción, porosidad y

densidad de las mezclas de CS bajo estudio.



112

Tabla 3-3 Absorción, porosidad total y densidad aparente determinadas por ASTM C642

Mezcla Absorción (%) Porosidad Total (%) Densidad aparente (g/cm3)

AN 10.87 22.01 2.61

AR 13.09 26.47 2.59

CV 11.66 23.06 2.58

HS 7.78 16.70 2.60

Los resultados indican que el reemplazo total de los agregados gruesos

naturales por agregados reciclados aumenta la absorción y la porosidad total

del concreto en 21 y 20%, respectivamente. Sin embargo, al reemplazar CP

por 10% de HS, tanto la absorción como la porosidad total se ven

considerablemente disminuidas en porcentajes de 41 y 37%, mientras que al

reemplazar CP con 30% CV, la absorción disminuye en 11% y la porosidad

en 15%.

3.3.3 Microestructura

3.3.3.1 Zona de transición interfacial (ZTI)

Las imágenes de la Fig. 3-26 muestran la ZTI de las mezclas de concreto en

la Fig. 3-26 a, se observa la matriz cementante de forma regular y bien

definida la ZTI entre el agregado y la matriz cementante, con mayor

refinamiento y mayor homogeneidad se presenta la matriz cementante de la

mezcla HS Fig. 3-26 d. En el área que rodea al agregado en estas mezclas no

se observa un efecto pared pronunciado, aunque las zonas porosas son

mayormente visibles en la mezcla CP, como se explicó en la morfología de

las pastas la adición de HS en el concreto mejora su textura, y refina

sustancialmente los poros (ver Tabla 3-3 Absorción, porosidad total y



113

densidad aparente determinadas por ASTM C642), y da como resultado un

mejor comportamiento que la mezcla CP fabricada con 100% de agregado

natural.

En la Fig. 3-26 b y c, se muestran la ZTI de la mezcla AR y CV, las cuales

son más porosas visualmente que la mezclas CP y HS, con un efecto de

pared visible y más pronunciado en la mezcla CP. Las partículas de CV

también son visibles en el área cercana al agregado, como se explicó en el

apartado de resistencia mecánica, éste posicionamiento de la partícula

genera sitios preferenciales de falla. La mezcla AR presenta un matriz

cementante con mayor porosidad que las demás pastas, lo que se confirma

con el incremento de la porosidad total (Tabla 3-3 Absorción, porosidad total

y densidad aparente determinadas por ASTM C642); así mismo aunque la

ZTI de de la mezcla AR es visualmente más porosa el comportamiento

mecánico es mejor que el de la mezcla CV. En la imagen del mezcla AR

también se observa la antigua pasta que rodea al agregado natural, lo que

manifiesta que el agregado reciclado dentro del nuevo concreto como se

muestra en la imagen se comporta como un solo elemento y la ZTI antigua

no influye en la porosidad de la nueva ZTI.



114

Fig. 3-26 ZTI de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS

3.3.3.2 Análisis de Imagen

Anhidros

Las imágenes a,b, c y d de la Fig. 3-27, se seleccionaron para visualizar la

fase de anhidros presentes en cada una de las mezclas en estudio. Las

mezclas que presentan mayor % de área en color negro son las CP (a) y CV

(c). La primera debido a los granos de cementos sin hidratar o en proceso de

hidratación y la segunda por la presencia de las partículas de CV también sin

hidratar, las cuales tienen forma redondeada (c). En las mezclas AR y HS

esta fase está presente en áreas menores.



115

Fig. 3-27 Imágenes de CS, fase anhidros para cuantificación; a) AN, b) AR, c) CV, d) HS

En la Fig. 3-28 se muestra la cantidad de material anhidro a diferentes

distancias del agregado.

Fig. 3-28 Cantidad de Anhidros en % de área de cada una de las distancias propuestas

(franjas 10 m)



116

La tendencia de las mezclas dentro de la gráfica establece que el material

anhidro se encuentra en mayor cantidad a mayor distancia del agregado.

La mezcla de CP presenta mayor cantidad de material anhidro en todas las

distancias. La mezcla HS tiene un 68% menos cantidad de material anhidro

que la CP, este comportamiento coincide con la reactividad del HS.

La mezcla AR presenta un 41% menor cantidad y la mezcla CV tiene un 38%

menos que la mezcla CP. Lo anterior confirma la observación visual en la. La

cantidad de material anhidro en la mezcla CP, se encuentra en los rangos

reportados por Diamond y Huang en el 2001 (Diamond y Huang 2001).

Fig. 3-29 Cantidad de Anhidros en % de área de la zona de pasta (>30 m)

En la zona de pasta el comportamiento se mantiene, siendo la mezcla CP

con mayor contenido de material anhidro y la mezcla HS la de menor

contenido.

Pasta-CSH

En la Fig. 3-30 se observa mayor cantidad de área en color oscuro, lo cual

representa la pasta CSH, en la mezcla HS, lo que era de esperarse, debido y



117

sustentado a los resultados anteriores, tanto en las mezclas de concreto,

como en las pastas de MCH.

Fig. 3-30 Fase pasta CSH; a) AN, b) AR, c) CV, d) HS

La mezcla CV se observa con un área en color negro similar a la mezcla CP lo

cual coincide con la morfología de las pastas y el resultado de las técnicas de

caracterización por DRX y TGA donde el comportamiento como matriz

cementante son similares entre sí, pero contrarios en el comportamiento

mecánico.

La mezcla con una ligera menor cantidad de áreas negras es la AR, lo cual

era de esperarse, ya que el proceso de hidratación en la matriz cementante

es el mismo que en la mezcla CP, ya que están fabricadas con el mismo

cemento portland. Por lo tanto se puede validar el comportamiento de las

pastas para compararse con la matriz cementante de los concretos en



118

estudio, ya que el agregado reciclado no afecta la evolución de los productos

de hidratación de la matriz cementante.

La Fig. 3-31 muestra la cantidad de CSH en % de área, donde puede

observarse que a todas las distancias de estudio la mezcla HS se mantuvo

por encima de las demás mezclas, de nuevo se atribuye a la alta reactividad

del HS, así como, al refinamiento de los poros que disminuye el efecto pared

alrededor del agregado y a la actividad puzolánica que consume el CH para

convertirlo en CSH; con respecto de la mezcla CP la HS contiene 22% más

cantidad de CSH.

La mezcla CV también presenta el mismo comportamiento que en las pastas

MCH con respecto al CP; contiene solamente 3% más CSH que la mezcla CP,

y de nuevo esto se presenta debido a la baja reactividad de la CV usada en

esta investigación.

La mezcla AR tiene 7% menos CSH que la mezcla CP, esto se debe al efecto

pared producido alrededor del agregado, el cual presenta áreas sin matriz

cementantes; como se observa en el comportamiento de la curva

correspondiente a esta mezcla hasta las 30 m, donde su comportamiento

iguala a la mezcla CP. Lo anterior manifiesta que el uso de agregado

reciclado propicia la ausencia de matriz cementante alrededor de él.



119

Fig. 3-31 Cantidad de CSH en % de área de cada una de las distancias propuestas (franjas

10 m)

En la zona de pasta ( Fig. 3-32 ) la cantidad de CSH sigue la misma

tendencia que en la ZTI, con la diferencia de que la mezcla AR es similar en

esta zona a la mezcla CP. La mezcla CV en esta zona aumentó y aquí es un

6% mayor la cantidad de CSH que la mezcla CP y la mezcla HS tiene un 27%

más que la mezcla CP.

Fig. 3-32 Cantidad de CSH en % de área de la zona de pasta (>30 m)



120

Porosidad

La porosidad en áreas de color negro para cada mezcla se muestra en la Fig.

3-33 Fase porosidad de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS, donde es visible la

mayor área oscura en la imagen (b), correspondiente a la mezcla AR,

seguida de la mezcla CV (c), donde también es visible la separación entre la

matriz cementante y el agregado, la mezcla CP (a) muestra una cantidad

menor de áreas en color oscuro, aunque de tamaños grandes, con respecto a

las áreas visualizadas en la mezcla HS (d).

Fig. 3-33 Fase porosidad de los CS a) AN, b) AR, c) CV, d) HS

En la Fig. 3-34 se muestra la cuantificación de porosidad en función de la

distancia del agregado. Puede observarse que la porosidad de las mezclas CP

y HS en las primeras 30 m de distancia del agregado son similares y

mantienen la tendencia a estabilizarse en la zona mayor a 30 m, donde el

efecto pared del agregado no afecta. La baja porosidad de la mezcla CP se

atribuye al agregado natural, y no a la matriz cementante, ya que, la mezcla

AR tiene las mismas características de la matriz cementante de la mezcla CP;

además que el agregado natural disminuye el efecto pared alrededor de él,



121

con lo cual la porosidad de la ZTI como se muestra en los resultados no es

alta.

La mezcla HS por su parte la baja porosidad se atribuye a las propiedades de

la matriz cementante compacta, homogénea y con gran cantidad de CSH,

características que le proporciona el HS y disminuyen el efecto del agregado

reciclado en la ZTI, mejorando sustancialmente las propiedades del CS.

La mezcla CV presenta una mayor porosidad en la ZTI, debido además del

efecto del agregado a las partículas sin reaccionar de la ceniza volante; pero

en la zona de pasta presenta porosidad menor que la mezcla AR, con lo cual

se podría decir que la CV mejora la calidad de la matriz cementante en lo

que se refiere a porosidad, propiciada por el uso de agregado reciclado.

Fig. 3-34 Cantidad de porosidad en % de área de cada una de las distancias propuestas

(franjas 10 m)

La porosidad en la zona de pasta de las mezclas mantiene la tendencia de los

resultados en ZTI, a excepción de la mezcla AR que presenta en esta zona

una porosidad del 88% menos que la que presenta en la ZTI, lo cual



122

confirma el impacto que tiene el agregado reciclado en la ZTI del nuevo

concreto, en lo que a porosidad se refiere ( Fig. 3-35 ).

Fig. 3-35 Porosidad en % de área de la zona de pasta (>30 m)

Relación Ca/Si

La relación Ca/Si de las mezclas se presenta en la Fig. 3-36 donde se puede

observar que la mayor relación la tiene la mezcla AR, aunque no es muy

superior a la mezcla CP (5% más), ya que la matriz cementante de ambas

mezclas son iguales; la CV presenta una relación menor de 14% con

respecto de la mezcla CP y la mezcla HS tiene una relación Ca/Si del 56%

menor que la mezcla CP.



123

Fig. 3-36 Relación Ca/Si de los CS


Conclusiones

124

4 CONCLUSIONES

1. La cantidad de CH en las pastas CP es mayor que en las pastasCV y HS, debido a la actividad puzolánica de los MCS.

2. La pérdida de resistencia a la compresión en la mezcla deconcreto AR, se atribuye a las propiedades físicas del agregadoreciclado, alta absorción y baja densidad.

3. El agregado reciclado en el concreto produce una ZTI mayor queel agregado natural y es mayor el efecto pared producido.

4. La ceniza volante reduce la porosidad en la ZTI y en la zona depasta del CS; pero sin un estímulo externo para acelerar el proceso dehidratación disminuye la resistencia a la compresión, debido a los sitiospreferenciales de falla que generan las partículas de CV sin reaccionar.

5. El HS reduce la ZTI, disminuye la porosidad de toda la matrizcementante, produce mayor porcentaje de CSH, tiene una relación Ca/Si56% mayor que la mezcla CP y aumenta la resistencia a la compresiónde este tipo de concreto.

6. El HS mejora las propiedades químicas, físicas ymicroestructurales del concreto sustentable.

7. La cantidad de material anhidro en las mezclas aumenta a mayordistancia del agregado, la mezcla CP es la que presenta mayor cantidad.

8. La porosidad en la ZTI es mayor que en la zona de pasta; asímismo la porosidad disminuye a mayor distancia del agregado donde lacurva tiene un comportamiento estable.

9. La distancia umbral que define la frontera de la ZTI es dealrededor de 30 m.

10. Los resultados obtenidos por la técnica de análisis de imagenmuestran buena correlación con respecto a los obtenidos por otrastécnicas de caracterización.


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