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EVALUACIÓN DE LA CENIZA PROVENIENTE DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR COMO MATERIAL CEMENTANTE ALTERNATIVO PARA LA

ELABORACIÓN DE MORTEROS

AUTORES:

JUAN FERNANDO LIBREROS YUSTY

SALOMON HENAO CAICEDO

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL E INDUSTRIAL

SANTIAGO DE CALI

2015

EVALUACIÓN DE LA CENIZA PROVENIENTE DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR COMO MATERIAL CEMENTANTE ALTERNATIVO PARA LA

ELABORACIÓN DE MORTEROS

AUTORES:

JUAN FERNANDO LIBREROS YUSTY

SALOMON HENAO CAICEDO

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL

DIRECTOR:

ANIBAL MAURY

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ING. CIVIL E INDUSTRIAL

SANTIAGO DE CALI

2015

ARTÍCULO 23 de la Resolución No. 13 del 6 de julio de 1946, del reglamento de la Pontificia Universidad Javeriana.

“La universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus trabajos de tesis. Sólo velará por qué no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque las tesis no contengan ataques o polémicas puramente personales; antes bien, se vea en ellas el anhelo de buscar la verdad y la justicia”.

II

Santiago de Cali, Noviembre 2015.

Aprobado por el Comité de trabajo de grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Pontificia Universidad Javeriana para otorgar el título de Ingeniero Civil.

Director del trabajo de grado

__________________________

ANIBAL MAURY

__________________________

JURADO

__________________________

JURADO

1

DEDICATORIA

Después de culminar esta gran etapa de mi vida, doy gracias a mi familia por el

apoyo incondicional, por darme la vida y formarme como persona de valores,

también agradecimientos a la pontificia universidad javeriana y a todos los

docentes del departamento de ingeniería por formarme profesionalmente. Este

trabajo de grado y este logro va dedicado a cada uno de ustedes.

Juan Fernando Libreros Yusty

Con esto se cierra un paso importante en mi formación tanto personal como

académica, en este documento se reflejan esfuerzos, sacrificios y luchas que tanto

yo, como mis padres y mi familia supimos sobrellevar para llegar al momento que

hoy me llena de orgullo, el mismo orgullo que siento por mis padres, a los que solo

les puede decir gracias por formarme como persona íntegra. Por eso quiero

dedicarles este triunfo a ellos, MIS PADRES.

Salomon Henao Caicedo

2

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a las siguientes personas:

Profesor y director de trabajo de grado Ing. Aníbal Maury por su apoyo y conocimiento para clarificar conceptos y resolver inquietudes.

Laboratorista de la Pontificia Universidad Javeriana Cali, Erlo Travi por sus recomendaciones y guías dentro de los ensayos practicados en el laboratorio.

Y en general a todo el personal administrativo y logístico que colaboró con el desarrollo de este trabajo de grado.

3

RESUMEN

Debido al acelerado crecimiento urbano de las ciudades Colombianas, la

necesidad de grandes cantidades de materiales de construcción como concretos y

morteros también ha aumentado significativamente. Por otro lado, dado que uno

de los principales sectores económicos de la región del Valle del Cauca es el

cultivo de caña de azúcar, la región afronta una gran necesidad de disponer

adecuadamente los residuos de dicha industria. Por tal razón, en este proyecto de

grado se investiga el reemplazo parcial del cemento portland por la ceniza del

bagazo de caña de azúcar para la fabricación de morteros con alta plasticidad y

resistencias a compresión de 21 MPa. En este caso particular, se estudiaron

mezclas de morteros con reemplazos del 10, 20 y 30% del cemento portland (en

peso) y se compararon con mezclas sin reemplazo alguno como referencia. Los

resultados indican que aunque hubo un retraso en el proceso de fraguado en los

morteros con reemplazo de cemento portland en relación al mortero de referencia,

las resistencias a compresión a los 56 días no solo no presentaron diferencias

significativas sino que los morteros con remplazo del 10 y 20% superaron la

resistencia a compresión de la muestra de referencia en 2.5 y 5.0%,

respectivamente. De igual modo, las resistencias a flexión de los morteros con

reemplazo de cemento portland resultaron mayores que las del mortero de

referencia. En el mejor caso, el mortero con reemplazo del 20%, se encontró una

resistencia a flexión 40% mayor que la del mortero de referencia. Los resultados

anteriores indican el gran potencial que tiene la ceniza del bagazo de caña de

azúcar como material cementante alternativo en la región del valle del cauca. Esto

no solo podría reducir los costos de los materiales de construcción sino que

además ayudaría a reducir las emisiones de CO2 generadas durante la

clinkerización del cemento portland y a incorporar un residuo importante de la

industria azucarera en la cadena productiva de la construcción.

4

ABSTRACT

Due to the fast urban growth of Colombian Cities, the need of huge amounts of

building materials such as concretes and mortars has also significantly increased.

On the other hand, considering that sugar cane production is an important

economic sector in the Valle del Cauca region, significant amounts of by-products

from this industry are required to be adequately disposed. Therefore, in this final

career project, the partial replacement of Portland cement by fly ash coming from

the bagasse of sugar cane to produce high plasticity mortars with 21 MPa as

compressive strength is investigated. In this case, mortar mixes with replacements

of 10, 20 and 30% (on a weight basis) of Ordinary Portland Cement were

compared to mixes with no replacement as references. Results show that although

there was a delay in the setting time from mortar mixes with cement replacement

compared to reference mortar, no significant differences were observed in the

compressive strength at 56 days. In the case of mortar mixes with 10 and 20%

replacement, the difference in compressive strength was not only non-significant,

there was an increase of 2.5 and 5.0% in the compressive strength compared to

the reference mortar, respectively. Similarly, the flexural strengths of mortars with

replacement were higher than the one from the reference mortar. In the best case,

the mortar with 20% replacement, a 40% higher flexural strength compared to the

reference mortar was observed. The presented results indicate that the fly ash

coming from the sugar cane processing has a great potential as alternative

cementitious material in the Valle del Cauca region. This not only might reduce the

costs of building materials, this could also reduce the CO2 emissions generated in

the clinkerization process of Portland cement and also might incorporate an

industrial waste in the economic cycle of construction industry.

5

TABLA DE CONTENIDO

1. OBJETIVOS .................................................................................................... 15

1.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 15

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ..................................................................... 15

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 16

3. ANTECEDENTES ........................................................................................... 20

4. MATERIALES ................................................................................................. 22

4.1. CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA .............................................................. 22

4.1.1. CARACTERIZACION QUIMICA ......................................................... 23

4.2. CEMENTO PORTLAND CONVENCIONAL .............................................. 24

4.3. AGREGADO FINO ................................................................................... 27

4.4. AGUA ........................................................................................................ 28

5. METODOLOGIA ............................................................................................. 30

5.1. ENSAYOS DE LABORATORIO. ............................................................... 30

5.1.1. CARACTERIZACION DEL AGREGADO FINO .................................. 31

5.1.2. PESO ESPECIFICO O DENSIDAD DEL CEMENTO Y CENIZA VOLANTE ....................................................................................................... 34

5.1.3. PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO DE LAS MEZCLAS ............ 35

5.1.4. PROPIEDADES MECANICAS DE LAS MEZCLAS ............................ 40

5.1.5. PROPIEDADES FISICAS DE LAS MEZCLAS ................................... 43

6. RESULTADOS Y ANALISIS ........................................................................... 49

6.1. DISEÑO DE LA MEZCLA ......................................................................... 49

6.1.1. CARACTERIZACION AGREGADO FINO .......................................... 49

6.1.2. PESO ESPECÍFICO DE LOS CEMENTANTES................................. 54

6

6.1.3. ENSAYO DE CONSISTENCIA PARA EL CEMENTO ........................ 55

6.1.4. DETERMINACION DE LA RELACION AGUA-CEMENTO ................ 59

6.1.5. SELECCIÓN DEL PARAMETRO "b” ................................................. 60

6.1.6. CALCULO DE CANTIDADES REQUERIDAS .................................... 61

6.2. PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO .................................................. 63

6.2.1. ENSAYO DE FLUJO .......................................................................... 63

6.2.2. TIEMPO DE FRAGUADO. ................................................................. 66

6.3. PROPIEDADES EN ESTADO ENDURECIDO. ........................................ 67

6.3.1. ABSORCION Y POROSIDAD ............................................................ 67

6.3.2. RESISTENCIA A LA COMPRESION. ................................................ 69

6.3.3. RESISTENCIA A LA FLEXION. ......................................................... 76

7. CONCLUSIONES. .......................................................................................... 79

8. RECOMENDACIONES PARA FUTUROS TRABAJOS. ................................. 81

9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................... 82

ANEXOS ................................................................................................................ 87

7

LISTA DE TABLAS

Tabla 1- Caracterización de la ceniza de Bagazo de Caña. .................................. 23

Tabla 2- Componentes Potenciales del Cemento Portland. .................................. 24

Tabla 3-Especificaciones del cemento portland de uso convencional (Argos, 2015) ............................................................................................................................... 26

Tabla 4- Serie de Tamices para Agregado Fino. ................................................... 28

Tabla 5- Numero de Muestras Evaluadas En cada Prueba ................................... 30

Tabla 6 - Cantidades Añadidas Para Ensayo de Densidad. .................................. 34

Tabla 7-Peso Específico de Agregado Fino ........................................................... 54

Tabla 8 - Lecturas de Volumen y Promedio. .......................................................... 54

Tabla 9 - Densidad para cada tipo de muestra. ..................................................... 55

Tabla 10-Ensayo de Consistencia. ........................................................................ 56

Tabla 11-Consistencias del Mortero (Sánchez de Guzmán, 2001) ........................ 60

Tabla 12-Valores de "b" (Sánchez de Guzmán, 2001) .......................................... 60

Tabla 13- Interpolación para valor "b” .................................................................... 61

Tabla 14 - Resultados del Diseño de la Mezcla de Mortero. .................................. 63

Tabla 15 - Ensayo de Flujo. ................................................................................... 64

Tabla 16 - Ensayo de Flujo Alternativo. ................................................................. 65

Tabla 17 - Cantidades Usadas para Elaboración de Mortero de Referencia (sin reemplazo) ............................................................................................................. 65

Tabla 18 - Cantidades de Agregados para las Mezclas de Mortero. ..................... 65

Tabla 19 - Tiempo de Fraguado Referencia .......................................................... 66

Tabla 20 - Tiempo de Fraguado 10% .................................................................... 66


8


Tabla 23 - Resultados de Resistencia a la Compresión para 7 días. ..................... 71

Tabla 24 - Resultados de Resistencia a la Compresión para 14 días. ................... 71



Tabla 27 - Resultados de Resistencia a la Flexión. ............................................... 77

Tabla 28 - Relación de Resistencias. ..................................................................... 78

9

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Ceniza Volante. .................................................................................... 19

Figura 2 - Esquema del proceso de fabricación de azúcar proveniente de la caña (Londoño, 2014). .................................................................................................... 19

Figura 3 - Serie de Tamices para Agregado Fino. ................................................ 31

Figura 4 - Ensayo de Consistencia. ...................................................................... 36

Figura 5 - Ensayo de Tiempo de Fraguado. ......................................................... 39

Figura 6 - Ensayo de Flujo. ................................................................................... 40

Figura 7 - Ensayo de Resistencia a la Compresión .............................................. 41

Figura 8 - Ensayo de Resistencia a la Flexión. ..................................................... 43

Figura 9 - Ensayo de Densidad Para Material Cementante .................................. 47

Figura 10 - Requerimientos granulométricos de Diseño para arena de trituración (NTC174) ............................................................................................................... 50

Figura 11 – Requerimientos granulométricos de Diseño para arena de rio (NTC 174) ........................................................................................................................ 51

Figura 12 - Diferencias de Tamaño de Arena de Trituración. ............................... 52

Figura 13 - Diferencias de Tamaño Arena de Rio. ................................................ 53

Figura 14 – Grafica para obtención del Valor “k” en el Mortero de Referencia. ... 56

Figura 15 - Ensayo de Consistencia con 0.25 A/C. ............................................... 57



Figura 18 - Ensayo de Consistencia con 0.4 A/C. ................................................. 58

Figura 19 - Correspondencia entre A/C, módulo de finura y resistencia para agregado (Sánchez de Guzmán, 2001). ................................................................ 59

Figura 20- Grafica de Barras para Absorción. ...................................................... 67

10

Figura 21 – Porosidad de las Muestras de Mortero .............................................. 68

Figura 22 - Cubos Ensayados. .............................................................................. 70

Figura 23 - Resultado para el cubo "610". ............................................................ 73

Figura 24 - Resistencia a la Compresión de muestras con 0, 10, 20 y 30% de reemplazo para todas la edades. ........................................................................... 74

Figura 25 - Resistencia a la Compresión para 56 días para muestras de referencia, 10, 20 y 30% de reemplazo. ................................................................ 75

Figura 26 - Resistencia a la Flexión para morteros de referencia, 10, 20 y 30% de reemplazo. ............................................................................................................. 77

11

LISTA DE ECUACIONES

(1) Densidad Relativa del Agregado Seca al Horno ............................................... 32

(2) Densidad Relativa Superficialmente Seca ........................................................ 32

(3) Densidad Relativa Aparente ............................................................................. 32

(4) Densidad Seca al Horno ................................................................................... 32

(5) Densidad Superficialmente Seca ...................................................................... 33

(6) Densidad Aparente ........................................................................................... 33

(7) Porcentaje de Absorcion .................................................................................. 33

(8) Tiempo de Fraguado a 1 Min ............................................................................ 34

(9) Cantidad de Agua ............................................................................................. 36

(10) Absorcion Despues de Inmersion ................................................................... 37

(11) Absorcion Despues de Inmersion y Ebullicion ................................................ 44

(12) Densidad Seca Bruta ...................................................................................... 44

(13) Densidad Bruta Despues de Inmersion .......................................................... 44

(14) Densidad Bruta Despues de Inmersion y Ebullicion ....................................... 45

(15) Densidad Aparente ......................................................................................... 45

(16) Volumen de Vacios con Densidad .................................................................. 45

(17) Volumen de Vacios con Absorcion ................................................................. 45

(18) Porcentaje de Absorcion................................................................................. 45

(19) Absorcion Promedio ....................................................................................... 48

(20) Relacion Agua Cemento ................................................................................. 48

(21) Cantidad de Cemento ..................................................................................... 61

(22) Cantidad de Agua ........................................................................................... 61

12

(23) Cantidad de Agregado Fino ............................................................................ 62

(24) Porcentaje de Flujo ......................................................................................... 62

(25) Volumen de Mezcla ........................................................................................ 64

13

LISTA DE ANEXOS

Anexo 1 - Resistencia a la compresión para 7 días para muestras de referencia, 10, 20 y 30% de reemplazo. .................................................................................. 87



14

INTRODUCCION

En la región del Valle del Cauca la producción extensiva de bienes derivados de la

caña de azúcar genera importantes cantidades de residuos que no reciben una

disposición final adecuada. Por otra parte, las ciudades Colombianas, entre ellas

Cali, están inmersas en grandes procesos de renovación urbanística donde se

requieren grandes cantidades de cemento portland para la fabricación de concreto

y mortero.

Con el ánimo de reducir los costos de producción y el impacto ambiental, este

proyecto evalúa la utilización de ceniza proveniente de la combustión de bagazo

de caña de azúcar como reemplazo parcial del cemento portland para la

fabricación de morteros.

Para lograr esto se estudió sistemáticamente el comportamiento mecánico

(compresión y flexión) de mezclas de mortero donde se reemplazó el 10%, 20% y

30% del cemento portland. Además se evaluaron las propiedades físicas

(porosidad, densidad y absorción) y propiedades en estado fresco (consistencia,

flujo y tiempo de fraguado) de dichas mezclas de mortero.

Los resultados indican que aunque hubo un retraso en la adquisición de

resistencia de los morteros adicionados en relación al mortero de referencia (sin

reemplazo de cemento portland) a los 28 días, las resistencias mecánicas de los

morteros con reemplazo del 10% y 20% fueron mayores que los del mortero de

referencia a los 56 días de edad de las muestras

Los resultados encontrados en esta investigación proporcionan parámetros en la

búsqueda cementantes alternativos para la industria de la construcción, debido a

que con la solución de una problemática ambiental se genera un aprovechamiento

de residuos que puedan beneficiar la economía de proyectos constructivos.

15

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Evaluar la utilización de la ceniza del bagazo de caña de azúcar como reemplazo

parcial del cemento portland en la elaboración de morteros con consistencia

plástica y 21 MPa de resistencia a la compresión.

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Caracterizar la ceniza proveniente del bagazo de caña de azúcar utilizada en las

muestras de mortero

Establecer las propiedades físicas de los componentes de los morteros (arena y

cemento)

Determinar las características de los morteros en estado fresco en cada uno de los

porcentajes establecidos para las mezclas.

Evaluar las propiedades mecánicas de las mezclas de mortero fabricados con

ceniza de bagazo de caña de azúcar.

Conocer las propiedades físicas de los diferentes morteros investigados en estado

endurecido.

16

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los cultivos de caña de azúcar en Colombia han incrementado sus áreas de

plantación debido a la sistematización y viabilidad económica que proporcionan los

ingenios a los agricultores del país. La mayor parte de los cultivos de caña se

encuentran ubicados en el valle geográfico del río Cauca, que abarca 47

municipios desde el norte del departamento del Cauca, la franja central del Valle

del Cauca, hasta el sur del departamento de Risaralda. En esta región hay

227.748 hectáreas sembradas en caña para azúcar, de las cuales, el 25%

corresponde a 13 ingenios y 1000 accionistas aproximadamente, en tanto que el

restante 75% a más de 2.750 cultivadores de caña. En el año 2014 se produjeron

aproximadamente 24,3 millones de toneladas de caña en Colombia y a octubre del

año 2015 se ha producido un total de 15.5 toneladas de caña, proyectando este

valor según las toneladas mensuales al cierre del año, se puede ver claramente

un aumento significativo en la producción que venía en años anteriores en un

rango de 17 a 19 millones de toneladas anuales (Londoño, 2014).

En el proceso de fabricación del azúcar, entre los diferentes residuos, el bagazo

juega un papel importante ya que es el de mayor volumen y puede alcanzar hasta

un 29% del peso total de la caña molida. El bagazo está conformado por agua en

un 46-52%, por sólidos insolubles en un 40-46% y por sólidos solubles en un 6-8%

(Londoño, 2014).

El bagazo de caña queda de la obtención de alcoholes como el etanol, el metanol

y el propanol, de donde provienen principalmente las partículas sólidas solubles e

insolubles, algunas de carácter orgánico y otras de carácter inorgánico. Los

residuos de este proceso se convierten en desechos, y son eliminados por

diversos métodos, pero para fines de investigación implícita para la utilización en

materiales de construcción son usados solamente los elementos inorgánicos y con

17

propiedades puzolanicas ricas en calcita y sílice para ser empleados en un

concretos o morteros (Cordeiro, 2009).

El significante incremento de la cosecha de la caña ha generado problemáticas

ambientales y sociales debido a la sistematización en los procesos. Por ejemplo,

se ha reducido la generación de empleos debido a la desaparición de actividades

agrícolas típicas de las zonas donde actualmente se encuentran distribuidos estos

cultivos. Por otro lado, la quema de la caña de azúcar para su cosecha y

producción provoca un impacto ambiental que no solo se manifiesta en la

desertización de los suelos sino también por las toneladas de desechos que deja

este proceso. Uno de estos desechos es la ceniza del bagazo resultante de la

quema de esta planta. En particular dichas cenizas volantes (fly ash) mostradas en

la Figura 1, son generadas en el proceso de quema del bagazo y se recogen por

medio de técnicas de lavado y decantación y, junto con la ceniza de las calderas

(cenizas de fondo), constituye el desperdicio final del proceso industrial, el cual

será objeto de estudio para la utilización en la elaboración de mortero, creando así

una alternativa para la sustitución del cemento portland. Ensayos previos de

utilización de la ceniza del bagazo para los morteros muestran propiedades de

absorción de agua y baja porosidad para los morteros que son ventajas para

cumplir con los requisitos de las normas de construcción (Sales & Araujo 2010)

Figura 1- Ceniza Volante

18

Colombia genera un 3% de la producción mundial de caña de azúcar (Londoño,

2014), que trae consigo volúmenes importantes de residuos como la ceniza del

bagazo de caña la cual causa una problemática para los ingenios a la hora de

deshacerse de estos residuos ya que por sus grandes cantidades y su falta de

reutilización, se opta por arrojarla a rellenos o campos de cosechas agrícolas,

provocando alteraciones en la composición química de los suelos donde son

arrojados y por ende modificando las cosechas agrícolas de dichos suelos.

Aunque estos residuos se han intentado utilizar como fertilizantes en el mismo

cultivo de caña o la elaboración de papel, la presencia de metales y otros

elementos químicos adquiridos durante la combustión no ha permitido su uso. Por

lo tanto, el vertimiento de la ceniza del bagazo y del propio bagazo a ríos o fuentes

hídricas fue prohibido por el estado en el año 2001 debido a sus altos contenidos

de sílice que perjudicaban la fauna y ecosistemas dependientes de estos afluentes

(Girón, 2008).

El bagazo es una sustancia color café rojizo que proviene de la destilación de la

caña de azúcar generada a aproximadamente 107 °C dentro de las etapas del

proceso productivo indicadas en la Figura 2. La producción de bagazo por

tonelada de caña en el proceso de destilación es del 65%, aproximadamente unos

650 litros de bagazo por tonelada. En Colombia se producen en promedio 250.000

toneladas de bagazo anuales después del proceso de molienda. Al aire libre el

bagazo se oxida lo cual se puede notar cuando se oscurece y presenta un PH bajo

que oscila entre 3.5 y 4. Además es altamente corrosivo y está compuesto

generalmente por nitrógeno, potasio, calcio azufre y sílice, este último siendo

positivo para el material cementante que se utilizará en las muestras de mortero

(Girón, 2008). También es rico en calcio lo cual lo hace útil en el ámbito

cementante en morteros y concretos. Cabe resaltar que la composición no es

única y puede variar dependiendo del tipo de destilación, temperatura y ambiente

(Cordeiro, 2009). Por lo tanto en esta investigación se busca evaluar la utilización

19

de la ceniza del bagazo de caña de azúcar de un ingenio local como reemplazo

parcial del cemento portland en la elaboración de morteros.

El aumento de este cultivo por consiguiente trae el aumento potencial de residuos

en especial del bagazo de la caña. Comúnmente, cada tonelada de bagazo

quemado genera 25 kg de ceniza (Londoño, 2014). Por lo tanto, la necesidad de

reutilizar esta ceniza va ligada al incremento en su producción y su mala

disposición final. Además, considerando el aumento en el consumo de cemento a

nivel nacional y su consecuente efecto en el medio ambiente debido a la cantidad

de CO2 que se produce en el proceso de producción de este y sus costos. Este

proyecto de investigación tiene alta relevancia para el desarrollo sostenible del

país y la mejora sistemática en sus procesos productivos y aprovechamiento de

materiales que causan problemáticas ambientales.

.

Figura 1 - Esquema del proceso de fabricación de azúcar proveniente de la caña (Londoño, 2014).

20

3. ANTECEDENTES

Buscando un proceso que dé solución a la problemática generada por la gran

cantidad de residuos obtenidos del bagazo de caña de azúcar, que afecta no solo

el sector agrícola encargado sino también a las comunidades aledañas debido a la

contaminación producida, se vuelve de mucha importancia el remplazo de los

componentes de los materiales de construcción con dichos residuos, ya que la

composición química es positiva para tal fin como se explica en Sales & Araujo

(2010).

La ceniza del bagazo previamente quemada a una temperatura controlada

permite que sea adicionada en la mezcla de concreto dándole una resistencia

aceptable, menor desprendimiento de calor, y reducción de la permeabilidad al

agua con respecto al concreto normalmente diseñado, señalando incluso una

posible sustitución hasta de un 20% por el cemento, resultado que sin duda abre

una oportunidad para la inclusión de este material en la construcción.

Se puede afirmar que hasta un 30% de bagazo puede ser adicionado a la mezcla

como material de remplazo del cemento portland, aumentando su resistencia a la

compresión en el intervalo de 65,6 a 68,6 MPa (a 28 días) que es más alta que la

del concreto normal aun sin comparar los resultados de resistencia de la ceniza

ensayada a los 56 días, punto máximo de reacción de la ceniza en la mezcla

(Ganesan, 2007). Estos resultados representan un incremento importante en la

resistencia y una ventaja significativa frente a materiales más costosos. En

generarl los materiales puzolanicos modifican la capacidad de absorción y de

resistencia del concreto, por tal razón es recomendable evaluar las etapas de los

ensayos en periodos de tiempo y con 3 diferentes muestras con distintos

porcentajes de bagazo adherido, obteniendo datos que confirmen a la ceniza de

bagazo de caña como material cementoso suplementario (Rejagopal, 2007).

21

El desarrollo de alta resistencia final, reducción en la permeabilidad al agua y

difusión hacen que la ceniza de bagazo de caña de azúcar sea un candidato

potencial para la sustitución de cemento y agregados finos, la correlación que

mantienen los resultados con los parámetros de la norma, hace que esta iniciativa

tome más fuerza y se convierta en un proyecto potencialmente ambiental y

económico (Oliveira de Paula, 2010).

22

4. MATERIALES

4.1. CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA

La ceniza de bagazo de caña es un sub-producto que resulta después de la

combustión de la melaza obtenida de la caña en el proceso de producción del

azúcar, este material puzolanico fue obtenido de la empresa Propal ubicada en

Yumbo Valle del Cauca a través de uno de los ingenios más representativos en el

valle del cauca. Después de recolectarse la ceniza volante (fly ash) tras una

combustión que oscilaba entre los 700 y 900 °C, el anterior rango de temperatura

garantiza la eliminación de residuos vegetales que pueden afectar la cohesión en

las mezclas de mortero.

Las propiedades químicas de este residuo de clase puzolanica, muestra altos

contenidos de sílice, alúmina y otros elementos químicos que reaccionan

favorablemente en la mezcla de mortero como sustituto de material cementante,

así como también características físicas que permiten un mejor acople de la

ceniza con los demás componentes, la perdida de humedad y su poca acidez

permite la cohesión entre partículas, evitando una mayor porosidad y por ende

baja resistencia mecánica (Tabla 1).

El análisis de difracción de rayos x realizado en varios antecedentes muestra la

presencia importante de cristobalita, calcita y cuarzo, materiales idóneos para la

mezcla como material cementante. Los porcentajes de reemplazo de material

cementante por esta ceniza volante fueron contemplados a través de los

antecedentes históricos y el criterio personal según los resultados esperados.

23

4.1.1. CARACTERIZACION QUIMICA

La ceniza de bagazo de caña ha sido ampliamente estudiada para ser utilizada

como reemplazo parcial del cemento en diferentes mezclas constructivas, ya sean

concretos o morteros. Esto se debe a que posee un alto porcentaje de sílice y

alúmina, principales componentes del cemento portland convencional. Para poder

utilizar el material dentro de la investigación, es necesario conocer sus principales

características químicas puesto que según su composición se conocerá si el

material es apto para ser utilizado. Con el deseo de conocer dichas características

se obtuvo una caracterización química por parte de la empresa que facilito el

residuo.

Los resultados obtenidos de la composición química pueden ser observados a

continuación.

Tabla 1- Caracterización de la ceniza de Bagazo de Caña (Carvajal, Propal Pulpa y Papel)

Parametro Unidad Valor

SIO₂ % 53,73

Al₂O₃ % 26,86

Fe₂O₃ % 7,68

CaO % 4,11

MgO % 1,97

Na₂O % 1,15

K₂O % 1,06

SO₃ % 0,39

Cr₂O₃ % 0,05

MnO % 0,04

P₂O₅ % 0,29

TiO₂ % 1,47

Ph Unidades 8,61

Perdidad por Ignicion % 0,85

Humedad % 34,22

Densidad aparente Kg/m₃ 447

Densidad Real Kg/m₃ 700

CARACTERIZACION DE LA CENIZA

24

Como se observa claramente los compuestos con mayor porcentaje son la Sílice

(SiO2) con cerca de 54 %, más de la mitad del contenido total, y la Alúmina (Al2O3)

con aproximadamente 27%. Lo que hace que la ceniza que se tiene sea útil para

los resultados que se esperan, debido a que estos componentes aparecen

principalmente en elementos puzolanicos, los cuales reaccionan positivamente en

una mezcla con cal la cual en un ambiente controlado y una hidratación, forman un

compuesto cementante idóneo para la utilización de este en el campo estudiado.

4.2. CEMENTO PORTLAND CONVENCIONAL

El cemento portland convencional es el material más utilizado en el área de la

construcción debido a la facilidad con que puede ser trabajado y los resultados

que se obtienen en resistencia mecánica y durabilidad.

El cemento portland convencional está formado principalmente por 4 componentes

como lo son la Cal combinada (CaO), el Sílice (SiO2), la Alúmina (Al2O3) y el óxido

de Hierro (Fe2O3). Dichos compuestos no se encuentran libres en el cemento, por

el contrario se mezclan los unos con los otros para formar combinaciones

potenciales, las cuales son expuestas en la Tabla 2.

Tabla 2- Componentes Potenciales del Cemento Portland.

Combinacion Abreviatura

Silicato Tricalcico C3S

Silicato Dicalcico C2S

Aluminato Tricalcico C3A

Ferroaluminato

Tetracalcico C4AF

COMBINACIONES POTENCIALES

Formula Quimica

3CaO . SiO2

2CaO . SiO2

3CaO . Al2O3

4CaO . Al2O3 . Fe2O3

25

Cada uno de estos componentes principales tiene un efecto importante en el

comportamiento del material tanto en el estado plástico como en el estado

endurecido de mayor resistencia. Para mayor facilidad de comprensión, las

combinaciones serán llamadas por medio de sus abreviaturas de aquí en

adelante.

El C3S (Alita), es el causante de la alta resistencia en la fase inicial de

endurecimiento de la pasta al entrar en contacto con el agua, se le debe el 70 por

ciento de la resistencia a los 7 días de elaboración. El C2S (Belita) necesita más

tiempo para alcanzar altas resistencias, ya que avanza lentamente pero constante

hasta alcanzar una resistencia similar a la del primer compuesto, que ocurre casi a

los 90 días siguientes a la elaboración. Por otro lado, el C3A (Alúmina), es el

causante del fraguado inicial de la pasta, no tiene grandes contribuciones a la

resistencia pero un aumento en este componente ocasionara que el tiempo de

fraguado se reduzca considerablemente. Finalmente, el C4AF (Ferrito) no

contribuye a la resistencia pero es necesario adicionarlo para disminuir la

temperatura dentro de la mezcla y evitar el alto calor de hidratación.

El cemento presenta otros componentes secundarios que están cerca al cinco por

ciento del contenido en masa cada uno, tales como el Óxido de Magnesio, que

puede ocasionar un volumen variable a la mezcla si se sobrepasa el porcentaje

determinado de adición. También están los álcalis que pueden causar deterioro

de la expansión y deben ser contralados ya que pueden estar presentes en las

otras partes de la mezcla como el agua o los agregados. Se presenta de igual

forma el trióxido de azufre, que si sobrepasa el 4% de contenido en masa puede

ocasionar un fenómeno conocido como el falso fraguado.

Para esta investigación se utilizó un cemento comercializado por la empresa Argos

S.A. con el nombre de cemento gris de uso general y en la Tabla 3 se muestran

los principales parámetros físicos respectivos al material usado.

26

Tabla 3-Especificaciones del cemento portland de uso convencional (Argos, 2015)

A Los resultados de estos ensayos deben ser informados en todos los certificados que sean informados

B El tiempo de fraguado se refiere al tiempo de fraguado inicial en la NTC118

Blaine, min (cm2/gr) NTC 33 A 2800

Retenido Tamiz 45 µm (%) NTC 294 A A

NTC 107 0.80 0.80

No menos de. (Minutos) NTC 118 45 45

No mas de. (Minutos) NTC118 420 420

NTC 224 12 12

NTC 4927 0.020 0.020

NTC 220 8.0 9.0

NTC 221 15.0 16.0

NTC 222 24.0 26.0

A Los resultados de estos ensayos deben ser informados en todos los certificados que sean informados

B El tiempo de fraguado se refiere al tiempo de fraguado inicial en la NTC 118

7 Dias, min. Mpa

28 Dias, min. Mpa

Resistencia a la compresion

PARAMETROS FISICOS Norma de Ensayo NTC121 Tipo UG Especificacion Argos

Finura

Cambio de Longitud por Autoclave Expansión, max (%)

Tiempo de Fraguado, Ensayo de Vicat B

Contenido de aire en volumen de mortero.max (%)

Expansion de barras de mortero a 14 dias, max (%)

3 Dias, min. Mpa

27

4.3. AGREGADO FINO

Al tratarse de un mortero, a las muestras solo se les adicionó un agregado fino el

cual posee partículas que deben tener dimensiones menores a 4.76 mm, lo que

quiere decir que tienen que pasar al menos por el tamiz No 4 de la serie de

tamices (Tabla 4).

El agregado fino puede obtenerse comúnmente de dos formas ya sea

extrayéndola de un rio o por la fragmentación de rocas más grandes. La arena de

rio tiene una textura lisa y forma redondeada debido a los constantes choques que

sufre cuando es transportada dentro del agua hasta que es depositada. El fino del

segundo método es conocido como arena de trituración que es un poco más

rugosa y con formas angulares ya que son pequeños fragmentos de materiales de

mayor tamaño.

Para escoger el tipo de la arena es necesario conocer el uso que se la dará a la

mezcla, ya que esta contribuye significativamente en la trabajabilidad, la

resistencia y demás propiedades que se buscan cuando se realiza la composición

de materiales, así como las características propias del material como el peso

específico, la granulometría y el módulo de finura. Esto con el deseo de realizar

una dosificación adecuada para el caso particular de solicitación del material.

La arena es necesaria dentro de la mezcla ya que es indispensable en el

comportamiento mecánico, ya que evita que la mezcla se contraiga

significativamente en el momento que ocurre el fraguado.

28

Tabla 4- Serie de Tamices para Agregado Fino.

4.4. AGUA

El agua es realmente importante para el concreto en su hidratación y mezclado ya

que es necesaria tanto en el momento que se realiza la mezcla como a la hora de

curado. Se podría llegar a decir que es el segundo elemento más importante

dentro la mezcla después del cemento.

Como se mencionaba anteriormente el agua es parte fundamental en la

realización de la mezcla, ya que gracias a ella, los componentes presentes dentro

del cemento reaccionan produciendo la dureza y resistencia necesaria. La

cantidad de agua que se le adiciona a la mezcla depende de la relación

agua/cemento con que se trabaje, y regularmente una relación menor causa

mayor resistencia puesto que la cantidad de cemento es mucho mayor con

respecto a la cantidad de agua, pero esto no es del todo bueno, puesto que al

tener poca agua, la mezcla se volverá más difícil de trabajar y requerirá un arduo

trabajo para ser aplicada sobre una superficie, lo que del mismo modo

representara menos rendimiento, aumentando los costos claramente.

Por otra parte, durante el proceso de curado es necesario que las muestras estén

en contacto constante con el agua, ya que las reacciones químicas que se

presentan dentro de la mezcla producen alto calor de hidratación, lo que produce

Tamiz Diametro Abertura (mm)

No 4 4.75

No 8 2.36

No 16 1.18

No 30 0.6

No 50 0.3

No 100 0.15

No 200 0.075

29

que el agua salga del compuesto rápidamente. Cuando se trata de muestras

pequeñas lo ideal es mantenerlas sumergidas completamente ya que es sencillo

introducirlas dentro de un tanque de tamaño regular, y así asegurar que no tendrá

menos agua de la necesaria. La presencia de H2O cuando se trata de superficies

grandes recubiertas con mortero se debe teneres especial cuidado ya que es más

difícil garantizar la disposición de este en todo momento.

El agua debe ser siempre potable, esto se puede afianzar si no tiene color, sabor u

olor, si no cumple alguna de estas condiciones es mejor cerciorarse de la

procedencia y realizar los estudios pertinentes, ya que puede contener elementos

que interfieran en el comportamiento normal de los componentes de la mezcla

ocasionando problemas posteriores.

30

5. METODOLOGIA

Para alcanzar el objetivo de esta investigación, se siguió una metodología

experimental en el cual se comparó el comportamiento mecánico (compresión y

flexión) del mortero con reemplazo de hasta el 30% del cemento portland con

muestras de referencia sin reemplazo alguno. Además se desarrollaron ensayos

de porosidad, densidad, consistencia, tiempo de fraguado y absorción. A

continuación en la Tabla 5 se detalla el número de muestras por ensayos.

Tabla 5- Numero de Muestras Evaluadas En cada Prueba

5.1. ENSAYOS DE LABORATORIO.

Para lograr diseñar y fabricar el mortero de referencia y subsecuente muestras con

reemplazo de cemento portland, fue necesario realizar los siguientes ensayos de

caracterización de componentes y propiedades del mortero en estado fresco.

10% de Adición

de Ceniza 90% de

cemento Portland

20% de Adición de

Ceniza 80% de

Cemento Portland

30% de Adición de

Ceniza 70% de

Cemento Portland

100% Cemento

Portland (Mortero

de referencia)

Densidad 3 3 3 3

Porosidad 3 3 3 3

Consistencia 3 3 3 3

Tiempo de fraguado 1 1 1 1

Absorcion 3 3 3 3

Resistencia a la compresion 12 12 12 12

Resistencia a la flexion 3 3 3 3

Total 28 28 28 28

TOTAL MUESTRAS

TIPO DE MORTERO

ENSAYOS

112

31

5.1.1. CARACTERIZACION DEL AGREGADO FINO

Granulometría: Para la determinación de la gradación del material se realizaron 2

métodos alternamente, separando porcentajes de partículas con tamaños por

encima y por debajo del tamiz N° 200. El porcentaje de la muestra que queda por

encima del tamiz se pasó por una serie de tamices específicos (Figura 3) con

abertura de malla mayor a la N° 200 para establecer que porción corresponde a

cada tamaño. Para el porcentaje por debajo del tamiz base se efectuó un proceso

de lavado y se establecieron los diámetros de las partículas conociendo así su

tamaño representativo (ASTM C136-06).

Figura 2 - Serie de Tamices para Agregado Fino.

Densidad y Porcentaje de Absorción: Para la determinación de estas

características se colocó la muestra en frascos volumétricos en condición de

saturación superficialmente seca (SSS) adicionando agua destilada dentro del

recipiente, evitando la inclusión de aire en la muestra con agua, posteriormente se

determinó la masa de la mezcla. Luego se sometió a un proceso de secado por 24

horas en un horno a 110 ± 5°C y se determinó nuevamente la masa.

32

Este ensayo se realizó a través del método gravimétrico obteniendo con estos

datos los parámetros requeridos para aplicar los cálculos descritos a continuación

(ASTM C128-97).

Densidad relativa del agregado seca al horno (s)

(1)

Densidad relativa superficialmente seca (sss)

(2)

Densidad relativa aparente

(3)

Densidad seca al horno (S)

(4)

33

Densidad superficialmente seca (SSS)

(5)

Densidad aparente

(6)

Porcentaje de absorción

(7)

Donde:

A = Masa de la muestra de ensayo seca al horno, g.

B = Masa del picnómetro con agua hasta la marca de calibración, g.

C = Masa del picnómetro con la muestra de ensayo y agua hasta la marca de

calibración, g.

S = Masa de la muestra de ensayo, saturada de superficie seca (usada en el

método gravimétrico para la densidad, densidad relativa o para la absorción en

ambos métodos), g.

34

5.1.2. PESO ESPECIFICO O DENSIDAD DEL CEMENTO Y CENIZA VOLANTE

Para el cálculo de la densidad el material cementante fue sumergido en gasolina

ya que era necesario observar el cambio de volumen y al introducirlo en agua

posiblemente las partículas del material no se asentarían debido a que su

densidad es más baja que dicho líquido, caso contrario a lo ocurrido con un líquido

de menor densidad como el utilizado. Se hizo medida de tres muestras con el fin

de obtener resultados concisos. Se introdujeron 64 gramos de material ya sea el

cemento de referencia o la muestra con porcentaje de reemplazo de la siguiente

forma.

Tabla 6 - Cantidades Añadidas Para Ensayo de Densidad.

Antes de introducir el material se registraba el volumen inicial dentro del matraz

utilizado luego se introducía el material, se extraían las partículas de aire a través

de la bomba de vacío y se dejaba en reposo durante 20 min; luego era medido del

cambio de volumen y conociendo la masa introducida se efectuaba la relación

para determinar la densidad de acuerdo al volumen promedio de 3 matraces.

(8)

Referencia 10% 20% 30%

Cemento (g) 64 57,6 51,2 44,8

Ceniza de Bagazo (g) 0 6,4 12,8 19,2

35

5.1.3. PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO DE LAS MEZCLAS

Consistencia óptima: Es la cantidad de agua necesaria para que la mezcla de

Cemento alcance una fluidez óptima y una plasticidad ideal. Se utiliza

principalmente para determinar el tiempo de fraguado, la estabilidad de volumen,

el calor de hidratación y la evaluación de la resistencia mecánica a la compresion.

En el ensayo de laboratorio se utilizó un aparato conocido con el nombre de aguja

de Vicat (Figura 4), dicho aparato tiene la función de proporcionarnos la

penetración lograda por una de sus agujas y la consistencia del mortero en cada

una de las muestras utilizadas (ASTM C191-08).

Para obtener el tiempo de fraguado del material es necesario realizar el ensayo de

consistencia de mortero fresco, ya que este provee la cantidad de agua óptima

para realizar las muestras, para este ensayo fue indispensable realizar muestras

de cada uno de los porcentajes de ceniza adicionada a la mezcla, ya que la

cantidad de ceniza modifica la absorción y las propiedades físicas del mortero.

Este proceso se llevó a cabo según el diseño de la mezcla con la cual se

realizaron los especímenes, se estableció un rango en la cantidad de agua a

utilizar en las mezclas con el fin de tener varios resultados sobre un mismo

porcentaje de material utilizado.

Se mezclaron 650 gr de pasta cementante para el mortero de referencia y de ahí

se dedujeron los porcentajes de ceniza, después de realizar la pasta de cada uno

de los porcentajes y con cada cantidad de agua establecida según el criterio de

resultado, se procedió a moldear en un cono sobre un vidrio con el fin de formar

una consistencia plástica que tuviera una penetración baja en la aguja de Vicat, se

tomó como rango para resultado de penetración de 9 a 11mm, los mejores

resultados se procesaron y se encontró la cantidad de agua óptima para cada

mezcla y se determino el tiempo de fraguado.

36

Tiempo de fraguado a 1 minuto

(9)

Donde:

E= Tiempo en minutos de la última penetración mayor de 25 mm,

H= Tiempo en minutos de la primera penetración menor de 25 mm

C= Lectura de la penetración al tiempo E, y

D= Lectura de la penetración al tiempo H.

Figura 3 - Ensayo de Consistencia.

37

Cantidad de agua: a través de la consistencia y el método de la aguja de Vicat se

estableció la cantidad de agua óptima para la elaboración de las muestras de

cemento. Este porcentaje de agua se determinó a través de la penetración de

todas las muestras con sus diferentes parámetros de diseño 30 s después de

haber comenzado la penetración (ASTM C187 11E-1).

(10)

Donde:

Q= cantidad de agua

Ma= masa de agua necesaria para consistencia normal

Mc= masa de cemento seco

Tiempo de fraguado: El tiempo de fraguado es el intervalo de tiempo en el que la

pasta de cemento, ceniza y agua se endurecen y crean una adherencia entre las

partículas de cada material para evitar la penetración.

Este ensayo se realizó después de obtener los valores de consistencia y cantidad

de agua a utilizar en cada muestra de pasta con sus respectivos porcentajes de

utilización de material cementante, estos resultados se aplicaron para la

realización de las pastas destinadas al ensayo de tiempo de fraguado.

El tiempo de fraguado de las mezclas de mortero es la base fundamental para

optimizar los resultados en el momento de aplicar los ensayos de resistencias en

cada una de las mezclas, el fraguado inicial es sumamente importante para

obtener una buena resistencia a la penetración, por tal motivo fue esencial

conocer el tiempo en el cual la mezcla de cemento, ceniza y agua se aglutinan y

38

se endurecen con el fin de identificar los factores que afectean la conexión de las

partículas y crean fallas tempranas en las muestras, para esto se uso también el

ensayo de consistencia (ASTM C403 -8).

Se realizaron 4 mezclas de las pastas correspondientes con el fin de obtener el

resultado comparativo de los diferentes porcentajes de ceniza con respecto a la de

referencia (100% de cemento portland), estas mezclas se introdujeron en un

molde cónico con un fondo de vidrio los cuales se llevaron a una cámara de

fraguado con el fin de acelerar el endurecido de la pasta, posteriormente se

estableció un periodo de tiempo de 15 min para penetrar las pastas con la aguja

de Vicat (Figura 5), este periodo fue consecutivo para cada una de las muestras

realizadas, se repitió este mismo procedimiento hasta que la aguja no penetro más

los especímenes, alcanzando un valor óptimo para cumplir con los requisitos de

cada muestra de mortero, se registraron los tiempos y se mostró el comparativo

relevante para ver la influencia que tiene la ceniza en el tiempo de fraguado de un

mortero .

Se relacionaron los siguientes parámetros para obtener los resultados correctos

de este ensayo:

Masa de los materiales utilizados por metro cubico de cemento

Tamaño nominal del agregado fino y grueso

Relación agua cemento o material cementante

Asentamiento de la mezcla

Tiempos de fraguado.

39

Figura 4 - Ensayo de Tiempo de Fraguado.

Ensayo de flujo: Este método es utilizado para determinar el flujo de morteros de

cemento hidráulico, y de los morteros que contienen materiales de cemento

distintos de los cementos hidráulicos. El agua de mezclado se determina mediante

la mesa de flujo (Figura 6), a la que se le coloca previa humectación un cilindro

normalizado que se rellena de mortero y se enrasa. A continuación se desmoldea

el producto, se esperan 15 s, se realizan 25 golpes uno por segundo y se tomaron

medidas en el disco de todos los diámetros uniformemente formado por el

impacto. El diámetro final del mortero se denomina diámetro de flujo y es el que

determina su consistencia. De este modo, el agua de mezclado que se emplee

para un mortero será aquella que dote al mortero de un diámetro de flujo, y por

tanto de una consistencia determinada.

Esta consistencia se obtuvo promediando los diámetros de cada una de las pastas

de cemento ensayadas, con el fin de arrojar un porcentaje de flujo para cada pasta

realizada. Este valor se expresa en porcentaje, el valor optimo debe de estar

40

cercano a 1% con el fin de mantener una consistencia y un flujo óptimo de la

mezcla (ASTM C 1437-07).

Figura 5 - Ensayo de Flujo.

5.1.4. PROPIEDADES MECANICAS DE LAS MEZCLAS

Resistencia a la compresión: Este ensayo busca determinar los esfuerzos a

compresión axial simple que es capaz de resistir el mortero. En esta prueba la

fuerza es aplicada perpendicularmente a la muestra lo que ocasiona un

aplastamiento de la misma. La muestra debe alcanzar por lo menos la resistencia

para la cual fue diseñada, esto quiere decir que la fuerza que se obtiene de la

maquina dividida con el área de contacto respectiva de cada muestra debe ser

igual a la escogida antes de realizar el proceso de dosificación.

La máquina utilizada es conocida como prensa universal (Figura 7), que genera

una fuerza de compresión, y puede ser programada para los requerimientos

particulares de cada prueba obteniendo su punto máximo de resistencia con el fin

41

de comparar el rendimiento del mortero con ceniza de bagazo de caña versus el

que solo contiene cemento portland convencional (ASTM C192-07).

En el caso de morteros, la compresión se ensaya mediante cubos de 5 cm de

lado. Un ensayo de compresión siempre presenta fallas típicas por lo que este es

un indicativo para la selección del resultado cuando se realiza el análisis, este

ensayo se realizó para las diferentes mezclas de morteros a edades de 7, 14, 28 y

56 días.

Es necesario contar con más de 3 muestras para realizar el ensayo ya que así se

podrá desechar cualquier resultado atípico para obtener derivaciones más

confiables, también cabe resaltar que un resultado es bueno cuando se encuentra

dentro de una desviación estándar permitida, generalmente hasta un 7% (ASTM

C192-07).

Figura 6 - Ensayo de Resistencia a la Compresión

Resistencia a la flexión: La flexión es un indicador importante de la calidad y

resistencia del material elaborado, dado que es un esfuerzo combinado donde se

42

somete una región del material a compresión (por encima del eje neutro) y a

tracción (por debajo del eje neutro), las viguetas de mortero realizadas se

sometieron a través de la prensa Marshall a una carga en el centro de la luz de la

vigueta apoyada en sus dos extremos equidistantes con el fin de obtener la carga

máxima permisible a la que los materiales estuvieran diseñados a soportar (Figura

8). Esta resistencia se puso a prueba con viguetas elaboradas con los porcentajes

de ceniza establecidos y con el cemento portland de referencia, en periodos de

tiempo de 7, 14, 28 y 56 días para obtener el comportamiento del material y la

reacción de este a medida que se aumentaba el tiempo de curado, se

establecieron cargas puntuales como lo indica la norma ASTM C293 y cargas en

dos puntos a una distancia establecida como lo indica la norma ASTM C78 Y

ASTM C293.

La prensa Marshall se configuró con el fin de que se le aplicara una carga que

aumentara progresivamente en un periodo de tiempo y a una velocidad de 1 mm/s

constante durante el ensayo.

Las viguetas fueron elaboradas bajo las mismas condiciones físicas de medidas y

compactación, la misma elaboración del mortero y con diseños diferentes en

cantidad de utilización de los materiales, hablando exclusivamente del material

estudiado.

En el punto de aplicación de la carga sobre la vigueta, la superficie superior

después del desencofre fue girada 90° con el fin de que se ensayara sobre las

caras que no tuvieron contacto con la superficie del aire, está superficie es

sometida a un estado de compresión, mientras la superficie inferior está sometida

a tracción donde se encuentran los apoyos de rodillo.

43

Figura 7 - Ensayo de Resistencia a la Flexión.

5.1.5. PROPIEDADES FISICAS DE LAS MEZCLAS

Porosidad: La porosidad para un material de construcción es una característica

física muy importante, ya que está relacionada con la resistencia mecánica de los

materiales, en este caso la porosidad en los morteros con mezcla de ceniza y

cemento depende el resultado de compresión y durabilidad en campo.

Se determinaron las densidades y porosidad de los morteros, usando el siguiente

procedimiento: primero se secaron las muestras para obtener su peso seco. A

continuación, se sometió a vacío y a una posterior inmersión en agua destilada,

para que ésta rellenara los poros, obteniendo así un peso saturado de la muestra

y un peso hidrostático. Teniendo la masa seca se dedujo el volumen que ocupan

44

los poros ya que éstos han sido rellenados de un líquido de densidad conocida, y

mediante éste cálculo se determina la porosidad (ASTM C642-13).

La porosidad es expresada por el cociente entre el volumen de vacios y el

volumen aparente total. El volumen de vacios será la diferencia entre el volumen

aparente y el volumen de la parte sólida.

La muestra de mortero de referencia fue determinante para comparar el porcentaje

de vacíos o porosidad de cada mezcla, ya que la adherencia de las partículas del

cemento son diferentes a las de la mezcla con ceniza.

Para completar el procedimiento se determinaron los siguientes factores:

Absorción después de inmersión

(11)

Absorción después de inmersión y ebullición

(12)

Densidad seca bruta

(13)

Densidad bruta después de inmersión

45

(14)

Densidad bruta después de inmersión y ebullición

(15)

Densidad aparente

(16)

Volumen de vacíos

(17)

(18)

Donde

A = Masa de muestra seca al horno, al aire, g

46

B= Masa de muestra saturada de superficie seca después de inmersión, g

C= Masa de muestra saturada de superficie seca después de inmersión y

ebullición, g

D= Masa sumergida aparente de la muestra suspendida en agua, después de

inmersión y ebullición, g

gi= Densidad bruta después de la inmersión

gie= Densidad bruta después de inmersión y ebullición

g¹= Densidad global (bruta) seca, mg/m³

g²= Densidad aparente, mg/m³

ρ= Densidad del agua = 1mg/m³ = 1g/cm³

vv= Volumen de vacios

Densidad: Para el diseño de la mezcla es indispensable obtener la densidad del

material cementante, en este caso se realizaron las densidades sumergiendo el

cemento y cada una de las mezclas con ceniza en respectivos matraces con

gasolina, estos se dejaron asentar y después de retirar todo el aire acumulado en

el matraz se tomó la medida de volumen ocupado por el material cementante en

cada uno de los matraces después de 20 min de asentamiento con estos

sumergidos en agua (Figura 9), esta medida se obtuvo para cada mezcla y se

registró con la aplicación de masa sobre volumen (ASTM C127).

47

Figura 8 - Ensayo de Densidad Para Material Cementante

Absorción: la capacidad de absorción y retención de agua de un mortero resulta

determinante, por lo que éstos son sometidos a ensayo para determinar la

permeabilidad al vapor de agua. La absorción por unidad de área va ligada

directamente al material utilizado en las muestras de mortero (ASTM C127).

Para realizar este ensayo se procedió a obtener la masa de cada cubo de mortero

con las diferentes mezclas con el fin de obtener el peso inicial con el que se

establecerá un comparativo al final del ensayo, posteriormente se introdujeron al

horno en un periodo de tiempo establecido en la norma, después del tiempo de

secado, se dejó superficialmente seca y se tomó su masa seca al horno. Estas

mismas muestras se sumergieron en un periodo de 48 h en agua destilada con el

fin de que los morteros absorbieran la cantidad de agua correspondiente a los

porcentajes de vacíos y así poder registrar su masa saturada superficialmente

seca.

48

Para obtener la perdida de humedad se obtuvo el mortero al cual se le han venido

haciendo los ensayos de absorción y se sumergió en agua potable para

posteriormente poner en ebullición todo el recipiente, después de un tiempo

considerable, se secó superficialmente el mortero y se obtuvo su masa

superficialmente seca después de ebullición. Para la obtención del último

parámetro necesario para el cálculo de absorción y volumen de vacíos, fue

necesario sumergir nuevamente el mortero y calcular su masa suspendida en

agua por medio de una bascula de suspensión.

Este procedimiento se realizó para varios especímenes de 10, 20 y 30 % de

adición de ceniza y el mortero de referencia con el fin de obtener un promedio de

datos que dieran una confiabilidad más alta.

Porcentaje de absorción

(19)

Absorción promedio

(20)

Retención de agua: Se determina directamente por la absorción, debido a que las

muestras de mortero tienen inferencia con el porcentaje de agua y el tiempo de

fraguado de estas (ASTM C127)

49

6. RESULTADOS Y ANALISIS

6.1. DISEÑO DE LA MEZCLA

El diseño de la mezcla de morteros es muy importante en esta investigación, para

conocer cuáles serían las cantidades necesarias para alcanzar una resistencia

determinada y con base en esto elaborar las muestras de los morteros de

referencia o cada uno de los morteros con porcentajes de reemplazo que se

investigaron.

En el diseño de la mezcla se siguió el procedimiento dispuesto en el libro

“Tecnología del Concreto y del Mortero” del profesor Diego Sánchez de Guzmán.

(Sánchez de Guzmán, 2001) Según este método inicialmente es necesario

conocer tanto características físicas del agregado como el comportamiento del

material cementante. Para lo anterior se realizó una caracterización del agregado

fino, donde se pretendía conocer la Granulometría, Modulo de Finura y Peso

Específico. Además para el cemento, se realizó un ensayo de consistencia (mesa

de flujo), con el cual se quería conocer el valor “K” necesario en el diseño así

como también el parámetro “b” el cual relaciona el modulo de finura del agregado

contemplando la consistencia plástica escogida.

Con todos los parámetros obtenidos fue posible realizar el diseño y así conocer la

cantidad necesaria por metro cubico de mortero para obtener 21 MPa de

resistencia a compresión.

6.1.1. CARACTERIZACION AGREGADO FINO

Debido a que el agregado fino podía ser escogido de 2 procedencias (rio o

cantera), fue necesario realizar el análisis granulométrico tanto a la arena de

50

trituración como a la arena de rio. Este parámetro define cuál de los tipos fue el

óptimo para ser utilizado en la investigación.

Al tratarse de un material fino la línea de tamices que se utilizó estuvo por debajo

del tamiz No. 4 (4.75 mm) y por debajo del tamiz No. 200 (0.075) con el fin

conocer la variedad de tamaños presentes en dicho agregado. En la Figura 10 se

encuentran los requerimientos de valores máximos y mínimos para cada tamiz de

una arena de trituración (NTC 174), comparados con la granulometría de la

muestra en cuestión. La línea azul representa los valores máximos para cada

tamiz, la línea roja muestra los mínimos y la línea verde expone los valores de la

muestra estudiada.

Figura 9 - Requerimientos granulométricos de Diseño para arena de trituración (NTC174)

Del mismo modo, para la arena natural o de rio se siguió un procedimiento

semejante al utilizado para realizar la granulometría de la muestra de material fino.

Se realizó una comparación grafica con el deseo de conocer el comportamiento de

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5

% P

asa

Abertura (mm)

Limite Max

Limite Min

Muestra

51

la muestra natural con base a los requerimientos del diseño, lo cual puede ser

contemplado en la Figura 11.

Figura 10 – Requerimientos granulométricos de Diseño para arena de rio (NTC 174)

Como se observa en las Figuras 10 y 11, la arena de trituración que se tiene está

muy desfasada; por el contrario la arena de rio se ajusta notoriamente dentro de

los límites solicitados en la NTC 174 para la fabricación de morteros. Por este

motivo, en el estudio se utilizó el último material.

En las Figuras 12 y 13 se muestra la apariencia del agregado fino investigado

para uso en morteros. Se puede apreciar la apariencia más fina del agregado

proveniente de rio.

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5

% P

asa

Abertura (mm)

Limite Max

Limite Min

Muestra

52

Figura 11 - Diferencias de Tamaño de Arena de Trituración.

En la Figura 12 se observa cada parte del agregado de trituración, separado de

acuerdo al tamaño de tamiz donde fue retenido.

53

Figura 12 - Diferencias de Tamaño Arena de Rio.

En la Figura 13 se muestran diferentes tamaños del agregado natural separados

por la serie de tamices correspondientes.

Para la arena de rio, la cual cumple con las especificaciones se obtuvo un módulo

de finura de 2,30 el cual sería usado más adelante en el diseño de la mezcla.

Por último, en la caracterización del agregado fino es necesario conocer el peso

específico de la arena que es otro parámetro importante dentro del diseño de la

mezcla. Se realizaron tres ensayos utilizando matraces previamente calibrados

para conocer el peso cuando estuviera lleno de agua de acuerdo la temperatura

del ensayo. Los matraces utilizados fueron los designados con los números 1, 2 y

54

3, contando con el respectivo peso se hicieron los cálculos pertinentes que son

mostrados en la Tabla 7 y de acuerdo a las ecuaciones planteadas dentro del

marco teórico. Finalmente, se obtuvo un peso específico de 2.73 g/cm3.

Tabla 7-Peso Específico de Agregado Fino

6.1.2. PESO ESPECÍFICO DE LOS CEMENTANTES

Utilizando la metodología descrita en el ítem 5.1.2. y los datos mostrados en la

Tabla 8, se obtuvieron los pesos específicos de los materiales cementantes

utilizados (Tabla 9).

Tabla 8 - Lecturas de Volumen y Promedio.

Ensayo 1 2 3

Numero de Matraz 1 2 3

Peso SSS 500 500 500

Peso Matraz+Agua+Muestra 955.3 956.2 954.9

Temperatura 24.3 25.5 26.3

Peso Matraz Calibrado 644.6 645.6 644.8

Peso Recipiente 151.5 148.5 151.1

PesoRecipiente+Muestra Seca 641.6 640.8 638.9

Peso Muestra Seca 490.1 492.3 487.8

Peso Especifico 2.73 2.71 2.75

Resultado Promedio

Determinacion de Peso Especifico

2.73

55

Tabla 9 - Densidad para cada tipo de muestra.

En la Tabla 9 se puede observar que la densidad es muy similar para los cuatro

tipos de cementante, pero a medida que el espécimen posee mayor cantidad de

ceniza de bagazo de caña de azúcar la densidad va disminuyendo apaciblemente.

Por esta razón la característica aquí estudiada representa similitudes

considerables con la referencia dándole otro punto positivo para el material

alternativo.

6.1.3. ENSAYO DE CONSISTENCIA PARA EL CEMENTO

Como se mencionó en la metodología, es necesario conocer la consistencia en la

mesa de flujo (ASTM C 1437-07) de solo la pasta de cemento para conocer el

valor de “k” el cual determina la relación agua-cemento para una consistencia

requerida en términos de fluidez.

Como se requería una consistencia plástica con porcentaje de flujo de 110 % se

debió construir una gráfica de relación agua-cemento versus porcentaje de flujo

(Figura 14), se realizaron 4 ensayos con diferentes relaciones agua-cemento solo

para la pasta (Tabla 10). De donde se obtuvo gráficamente que para el flujo

requerido el parámetro “k” sería aproximadamente 35%.

Densidad 3.00 Densidad 3.05 Densidad 2.94 Densidad 2.85

30%Referencia 10% 20%

56

Tabla 10-Ensayo de Consistencia.

Figura 13 – Grafica para obtención del Valor “k” en el Mortero de Referencia.

A continuación (Figuras 15, 16, 17 y 18) se muestra la apariencia de las pastas de

cemento para las diferentes relaciones de agua-cemento.

Prueba Cemento (g) %A/C Agua (g) Diametro Promedio Flujo %Flujo

1 700 25 175 8 0.32 31.97

2 700 30 210 21.75 0.87 86.91

3 700 35 245 27 1.08 107.89

4 700 40 280 35.75 1.43 142.86

Ensayo de Consistencia.

y = 227.13ln(x) - 694.83R² = 0.9804

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

20 25 30 35 40 45 50

%Fl

ujo

Relacion Agua-Cemento (%)

Relacion entre % Fluidez y A/C

57

Figura 14 - Ensayo de Consistencia con 0.25 A/C.


58



59

6.1.4. DETERMINACION DE LA RELACION AGUA-CEMENTO

De acuerdo a la Figura 19 se obtuvo el valor de la relación agua-cemento para la

resistencia y el módulo de finura correspondiente.

Figura 18 - Correspondencia entre A/C, módulo de finura y resistencia para agregado (Sánchez de Guzmán, 2001).

De aquí se obtuvo una relación agua-cemento de 0.73, este es otro valor

importante dentro del diseño ya que representa la cantidad de agua que fue

agregada a la mezcla en relación al material cementante.

Se estableció una consistencia plástica con porcentaje de flujo de 110 % de

acuerdo a la Tabla 11 ya que por tratarse de un material que es utilizado para las

juntas y reparaciones de diferentes elementos estructurales debe ser bastante

trabajable.

60

6.1.5. SELECCIÓN DEL PARAMETRO "b”

Tabla 11-Consistencias del Mortero (Sánchez de Guzmán, 2001)

Estableciendo la consistencia es posible utilizar la Tabla 12 para obtener el

parámetro “b” importante dentro de las ecuaciones de diseño. Como el valor se

relacionaba directamente con el módulo de finura y no se encontraba explicito

dentro de la tabla, se realizó una interpolación (Tabla 13) para hallar el valor

correspondiente para un módulo de finura de 2.3 y una consistencia plástica.

Tabla 12-Valores de "b" (Sánchez de Guzmán, 2001)

61

Tabla 13- Interpolación para valor "b”

6.1.6. CALCULO DE CANTIDADES REQUERIDAS

Con esta interpolación se establece el valor de “b” y con todos los parámetros

obtenidos se procede a reemplazar los valores en las diferentes ecuaciones

presentadas por la metodología de diseño seleccionado.

(21)

Donde:

A/C: Relación Agua-Cemento.

(22)

Donde:

C: Cantidad de cemento.

Gc: Peso Específico del cemento.

0,5

0,1

b

Interpolacion para Valor "b"

-0,0299

-0,00598

0,29732

62

Ga: Peso Específico de la Arena.

(23)

Donde:

A: Cantidad de Agua.

(24)

Donde:

a: Cantidad de agregado fino.

Reemplazando respectivamente los parámetros anteriores en cada ecuación se

obtuvieron los resultados que son presentados dentro de la Tabla 14. Cabe

resaltar que dichos valores son de acuerdo a un metro cubico de mortero, valores

que se tomaron como base fundamental para obtener las cantidades necesarias a

utilizar de cada uno de los materiales mezclados en el mortero, estas cantidades

debieron ser sometidas a una prueba de ensayo y error específicamente la

cantidad de agua, con el fin de obtener unos valores óptimos que aumentaran la

resistencia mecánica y disminuyera la fluidez de la mezcla.

63

Tabla 14 - Resultados del Diseño de la Mezcla de Mortero.

6.2. PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO

6.2.1. ENSAYO DE FLUJO

El ensayo de flujo fue necesario para determinar si la cantidad de agua agregada

a la mezcla de mortero es pertinente para cumplir con los requerimientos de

consistencia, que para efectos de esta investigación se había establecido

previamente como plástica y con un 110% de flujo. Siguiendo el diseño de la

mezcla se tenía una relación agua-cemento de 0.75 pero se encontró que en la

prueba de flujo, la mezcla excedía considerablemente el diámetro total de la mesa

de prueba por lo que el flujo estaría claramente por encima del 110% requerido.

Por ello se optó por rebajar la relación agua-cemento hasta 0.5 pero se seguían

presenta problemas con el diámetro de la pasta sobre la mesa, ya que el diámetro

se aproximaba a 148% y obviamente estaba muy por encima del valor buscado. El

mismo procedimiento se realizó gradualmente hasta llegar a una relación de 0.4,

pero el flujo continuaba ubicándose lejos del 110%.

210

2,30

2,73

3,03

0,75

plastica

0,35

0,30

2,56

495,29

371,47

1269,62

Valor K

Valor b

n

Cantidad de Cemento [Kg/m³]

Cantidad de Agua [Kg/m³]

Cantidad de Arena [Kg/m³]

Resistencia [Kg/cm²]

Modulo de Finura Agregado

Densidad Aparente Agregado [g/cm³]

Densidad del Cemento

Relacion Agua -Cemento

Consistencia

Procedimiento Para Diseño De Mezcla

64

Tabla 15 - Ensayo de Flujo.

El porcentaje de flujo es calculado en relación con el promedio de 4 lecturas del

diámetro medio sobre la mesa de flujo mediante la siguiente ecuación:

(25)

Donde “Dp” representa el diámetro promedio de las 4 lecturas.

Al rebajarse la relación agua-cemento menos de 0.4, el diseño se alteraba y la

cantidad de agregado fino se aproximaba a cero, por lo que se decidió seguir un

procedimiento alternativo. El procedimiento consistió en alterar solamente la

cantidad de agua que se le adicionaría a la mezcla con el fin de obtener una

consistencia física adecuada a las cantidades ya obtenidas, cantidades que se

dejaron constantes tanto como la cantidad de agregado fino y la cantidad de

material cementante. Según esto se inició nuevamente en una relación agua-

cemento de 0.5 para la prueba de flujo y se observó que el porcentaje está por

debajo del 110% por lo que se fue aumentando hasta llegar a la relación óptima

que seria 0.65 y el resultado de flujo fue precisamente el valor que se buscaba.

65

Tabla 16 - Ensayo de Flujo Alternativo.

Con la nueva relación agua-cemento alternativa la cantidad de material

cementante y de agregado fino siguen iguales pero la cantidad de agua se

modifica debido a el procedimiento de ensayo y error que se aplico por el alto flujo

obtenido en el desfaso en la cantidad de agua, estos valores pueden ser

observados dentro de la Tabla 17.

Tabla 17 - Cantidades Usadas para Elaboración de Mortero de Referencia (sin reemplazo)

CANTIDAD DE MATERIALES

Cantidad de Cemento [kg/m3] 495,295927

Cantidad de Agua [kg/m3] 321,942353

Cantidad de Arena [kg/m3] 1269,62486

Con base en estas cantidades para el mortero de referencia (100% cemento

portland) y las cantidades de reemplazo investigadas se obtiene las cantidades

para los diferentes morteros estudiados (Tabla 18).

Tabla 18 - Cantidades de Agregados para las Mezclas de Mortero.

Cemento [Kg] 2,789 Cemento [Kg] 2,510 Cemento [Kg] 2,231 Cemento [Kg] 1,952

Ceniza [Kg] 0 Ceniza [Kg] 0,279 Ceniza [Kg] 0,558 Ceniza [Kg] 0,837

Agua [kg] 1,813 Agua [kg] 1,813 Agua [kg] 1,813 Agua [kg] 1,813

Arena [kg] 1,253 Arena [kg] 1,253 Arena [kg] 1,253 Arena [kg] 1,253

Referencia Ceniza 10% Ceniza 20% Ceniza 30%

66

6.2.2. TIEMPO DE FRAGUADO.

Al igual que la resistencia a la compresión total, el tiempo de fraguado inicial de las

puzolanas ocurre a mayor tiempo que en un material cementante de uso

convencional como lo es el cemento Portland de uso general. Para obtener una

penetración nula en el mayor porcentaje de reemplazo fue necesario que

transcurrieran cerca de 7 horas. Se realizó el ensayo para cada uno de los

porcentajes y se observó que a medida que la cantidad de ceniza de bagazo de

caña aumenta el tiempo de fraguado aumenta en la misma medida. Siguiendo la

metodología se determinó para cada tipo de muestra el tiempo de fraguado inicial,

el cual representa el momento cuando la aguja penetra un total de 25 milímetros y

el tiempo de fraguado final correspondiente al momento cuando la penetración es

nula.

Tabla 19 - Tiempo de Fraguado Referencia

Tabla 20 - Tiempo de Fraguado 10%



147,86

180

Referencia

Tiempo de Fraguado Inicial [min]

Tiempo de Fraguado Final [min]

214,09

255Tiempo de Fraguado Final [min]

10% de Reemplazo


266,25

345

20% de Reemplazo


Tiempo de Fraguado Final [min]

326,25

420Tiempo de Fraguado Final [min]

30% de Reemplazo


67

En cuanto al tiempo de fraguado el cambio es considerable ya que el reemplazo

del material cementante por ceniza de bagazo de caña retrasa el fraguado, lo que

representa que los tiempos de espera para entregar un elemento al que se le

adicionan este tipo de cenizas es más alto. Al observar únicamente este atributo el

reemplazo no es conveniente, pero como se ha argumentado anteriormente los

otros atributos son beneficiosos por lo que es posible que buscando un fin

económico o ambiental se pueda considerar algún retraso en la entrega por usar

el material alternativo

6.3. PROPIEDADES EN ESTADO ENDURECIDO.

6.3.1. ABSORCION Y POROSIDAD

Mediante relaciones gravimétricas en diferentes estados (seco, saturado y

flotante) la absorción, la porosidad, y otras características del material endurecido,

se calcularon. Enfocándose en la absorción se obtuvieron datos muy similares y

que pueden ser observados en la Figura 20.

Figura 19- Grafica de Barras para Absorción.

68

La absorción no tiene un comportamiento definido de acuerdo al cambio de la

cantidad de ceniza agregada pero se puede observar como la diferencia entre una

muestra y otra no supera ni siquiera un punto porcentual llegando a la conclusión

que la ceniza cumple un papel similar a lo que hace el material cementante

cuando de absorción se trata, lo que sugiere que si fuera empleado en la industria

no mostraría diferencia alguna.

La porosidad representa la cantidad de espacios que quedan dentro de la muestra

de mortero luego que ha alcanzado su estado endurecido. Esta puede ser

calculada mediante la relación entre la densidad aparente y la densidad bulk,

calculada mediante el procedimiento descrito en el capítulo 5.1.5 de ensayos de

laboratorio. Según esto se puede observar en la Figura 21 que los resultados

están muy cercanos.

Figura 20 – Porosidad de las Muestras de Mortero

La porosidad aumenta levemente cuando se adiciona el material alternativo pero

este aumento no representa un cambio considerable con relación al material de

referencia, es por esto que se puede indicar que con base a la porosidad la ceniza

69

de bagazo de caña muestras efectos positivos para ser un reemplazo parcial del

material cementante necesario dentro de un mortero de alta resistencia.

6.3.2. RESISTENCIA A LA COMPRESION.

Al ser obtenida la relación agua-cemento óptima para cumplir los requerimientos

de consistencia se procedió a la elaboración de las muestras cubicas para el

ensayo de resistencia a la compresión. Según las condiciones del laboratorio se

pudieron realizar alternadamente 24 cubos de mortero cada uno de 5 cm de lado,

por lo que se realizaron primero 12 muestras para el mortero de referencia y 12

muestras para el mortero con 10% de reemplazo, y en otra jornada de elaboración

se efectuaron los 12 correspondientes para los porcentajes faltantes (20 y 30 %).

Se consideró un número alto de muestras ya que esta característica mecánica es

la más determinante para la evaluación del material alternativo. Los 12 cubos de

mortero de cada tipo de mezcla se distribuyeron para ser ensayos de acuerdo al

tiempo de vida del mortero, iniciando pruebas en 7 días, también en 14 y 28 y por

último a 56 días. Esta última edad no es común dentro de las pruebas para

mortero pero es necesaria dentro de esta investigación porque se ha demostrado

en estudios pasados que la ceniza adquiere propiedades mecánicas a edades

bastantes grandes y también se pudo comprobar por el tiempo de fraguado

superior que presento esta con respecto al de referencia

Las 12 muestras se distribuyeron sumándole importancia a las edades finales por

eso se dejaron 4 morteros para 28 días, 4 morteros para 56 días y 4 morteros para

las edades iniciales de 7 y 14 días. Las muestras fueron designadas con

caracteres alfanuméricos dependiendo de su elaboración y el porcentaje de ceniza

que les fue agregado, en las Tablas se puede observar que el primer digito

representa el orden de elaboración, si tiene una “R” al final representa los mortero

de referencia y si tiene valores de 10, 20 o 30 finalizando la designación, se

70

refieren al porcentaje de reemplazo. En las Tablas 23, 24, 25, 26 podemos

observar cada uno de los resultados obtenidos de resistencia a la compresión de

acuerdo al área del cubo ensayado (Figura 22) y la fuerza ejercida por la maquina

universal.

El curado inicial de las muestras previo a ser ensayadas se realizo a través de un

cuarto de curado el cual constaba de humificadores que se encargaban de crear

un ambiente húmedo controlado que ayudara a las muestras a mantener su

humedad ante el calor presentado, este meto debió ser acelerado debido a los

pobres resultados obtenidos y finalmente se determino sumergir las muestras de

mortero en agua hasta el momento que fueron ensayadas

Figura 21 - Cubos Ensayados.

71

Tabla 23 - Resultados de Resistencia a la Compresión para 7 días.


Muestra Area (m2) Carga (kN) Resistencia(MPa)

1R 0.00251 35.08 14.00

2R 0.00256 34.87 13.62

110 0.00253 37.27 14.72

210 0.00252 34.84 13.85

120 0.00247 36.65 14.87

220 0.00251 35.02 13.97

130 0.00257 33.04 12.84

230 0.00254 31.12 12.24

Muestra Area (m2) Carga (kN) Resistencia(MPa)

3R 0.00253 48.48 19.16

4R 0.00252 44.33 17.56

310 0.00248 35.1 14.18

410 0.00254 46.1 18.18

320 0.00258 46.08 17.89

420 0.00253 47.66 18.84

330 0.00255 32.58 12.78

430 0.00258 39 15.14

72



Cubo Area (m2) Carga (kN) Resistencia(MPa)

5R 0.00255 51.76 20.30

6R 0.00255 52.68 20.66

7R 0.00254 50.34 19.86

8R 0.00251 51.88 20.71

510 0.00255 45.75 17.94

610 0.00251 41.68 16.64

710 0.00251 44.44 17.74

810 0.00250 46.59 18.64

520 0.00256 46.41 18.13

620 0.00255 48.29 18.94

720 0.00255 46.77 18.34

820 0.00255 49.31 19.37

530 0.00253 46.05 18.24

630 0.00258 49.8 19.34

730 0.00255 44.36 17.40

830 0.00255 44.28 17.36

Cubo Area (m2) Carga (kN) Resistencia(MPa)

9R 0.00253 50.35 19.94

10R 0.00257 51.73 20.16

11R 0.00254 49.89 19.64

12R 0.00254 50.28 19.83

910 0.00252 52.42 20.80

1010 0.00250 53.72 21.49

1110 0.00253 49.26 19.51

1210 0.00253 49.92 19.77

920 0.00253 54.96 21.77

1020 0.00258 53.06 20.61

1120 0.00253 51 20.20

1220 0.00246 52.95 21.53

930 0.00251 49.73 19.85

1030 0.00253 49.5 19.60

1130 0.00253 48.11 19.05

1230 0.00251 48.68 19.43

73

Figura 22 - Resultado para el cubo "610".

Con los resultados obtenidos se realizó un análisis pertinente con el fin de

establecer si los porcentajes de reemplazo fueron positivos para esta

característica dentro del uso de los morteros. En la Figura 24 se observó que para

los diferentes porcentajes de adición las primeras edades están rezagadas, debido

a que la ceniza adicionada se tarda más en obtener sus propiedades mecánicas

relacionadas con este ensayo. Pero a medida que la edad del mortero avanza

dicha resistencia va aumentando progresivamente hasta ubicarse muy cerca de

las muestras de referencia tal como se observa en la Figura 23 donde se muestra

la resistencia a compresión de un mortero con 10% de adición de ceniza de

bagazo de caña. Cabe resaltar que es posible que la precisión de los resultados

no sea la mejor debido al tipo de máquina que se utilizo, ya que la capacidad de

carga es demasiado alta en comparación con la resistencia de los cubos lo que

puede ocasionar leves diferencias.

74

Figura 23 - Resistencia a la Compresión de muestras con 0, 10, 20 y 30% de reemplazo para todas la edades.

También se observa como la resistencia crece prácticamente linealmente hasta

los 28 días en el mortero de referencia pero continúa aumentando después de

este periodo de tiempo, en los especímenes que contienen cenizas. Al enfocarse

en los resultados de la edad más avanzada se nota que los promedios de cada

una de las resistencias son muy similares e incluso en el caso de 20 % de

reemplazo el resultado sobrepasa la resistencia a la compresión del mortero de

referencia.

La resistencia a la compresión el mortero de referencia alcanza el valor máximo y

luego tiende a estabilizarse cerca de ese dato volviéndose constante, pero los

ejemplares con 10, 20 y 30 por ciento continúan creciendo casi linealmente hasta

llegar al valor deseado. Aunque el resultado esperado ocurre a mayor número de

días, la resistencia esperada es obtenida con agregarse solo cemento de tipo

convencional. Este efecto ocurre en todos los porcentajes de ceniza incluso en el

mayor, donde se ha sustituido cerca de la tercera parte del contenido total de

material cementante habitual.

75

Estudiando el comportamiento de las diferentes muestras a una determinada

edad, se puede establecer que con el 20% de reemplazo se obtuvieron los

resultados más altos superando a los morteros de referencia en cada edad.

Figura 24 - Resistencia a la Compresión para 56 días para muestras de referencia, 10, 20 y 30% de reemplazo.

Aunque gráficamente a primera vista se observan grandes disminuciones en las

diferentes edades (Ver anexo 10), los valores son muy aproximados y se puede

notar mediante una desviación estándar, que los resultados se comportan muy

similarmente y sus rangos de desviación se cruzan confirmando que los resultados

se relacionan satisfactoriamente a los 56 días cuando la ceniza ha actuado a

cabalidad.

Según el análisis detallado se nota que el mayor porcentaje de reemplazo es

positivo para la resistencia, ya que los resultados se encuentran muy cercanos al

mortero de referencia y según el análisis de desviación estándar sus datos se

relacionan perfectamente.

76

La ceniza a los 28 días punto máximo de reacción del cemento convencional

empieza a establecer un parámetro de igualdad frente a los resultados de

compresión del mortero referencia, aun sin ser su punto máximo de resistencia ya

que a los 56 días en lo cual cumple su ciclo, presenta una resistencia en 1.5

puntos de porcentaje superior en alto contenido de adición de ceniza, confirmando

el buen uso de este material como sustituto de material cementante (Ganesan,

2007).

6.3.3. RESISTENCIA A LA FLEXION.

Aunque no es la característica principal la resistencia a la flexión es una propiedad

que se debe considerar en cualquier conglomerado utilizado dentro de la industria

de la construcción, debido que contempla esfuerzos combinados de tracción y

compresión. Los resultados obtenidos con base a este parámetro de estudio son

notoriamente más bajos que los de resistencia a la compresión, ya que la principal

acción de un mortero de alta resistencia es soportar las cargas que llegan a él de

forma axial. Para conocer la resistencia a la flexión de los elementos es necesario

calcular el módulo de rotura el cual se obtiene de la relación entre las cargas

máximas que resiste un elemento determinado y dimensiones como el alto, el

ancho y la longitud. Para determinar esta característica se elaboraron 12 viguetas

de 4 cm de ancho, 4 cm de alto y 16 cm de largo, se les aplicó un punto de carga

en el centro del elemento utilizando la prensa Marshall, además estaban

soportadas por dos apoyos equidistantes a su luz.

77

Figura 25 - Resistencia a la Flexión para morteros de referencia, 10, 20 y 30% de reemplazo.

Tabla 27 - Resultados de Resistencia a la Flexión.

En la Tabla 27 se observan dimensiones y cargas máximas para 3 muestras de

cada porcentaje de reemplazo además de las muestras de referencia. En la última

columna está el módulo de rotura el cual define la resistencia del elemento.

Tipo de Muestra Longitud (m) Ancho (m) Alto (m) Carga (N) Modulo de Rotura (MPa)

0.159 0.04 0.04 1420 5.29

0.1595 0.041 0.0415 1412 4.78

0.1595 0.04 0.0415 1444 5.01

0.16 0.04 0.04 1771 6.64

0.161 0.04 0.0405 1617 5.95

0.16 0.04 0.04 1520 5.70

0.1595 0.04001 0.041 2199 7.82

0.16 0.04105 0.04009 1960 7.13

0.159 0.041 0.041 1920 6.64

0.1605 0.041 0.04 1730 6.35

0.16 0.0405 0.0405 1749 6.32

0.16 0.04 0.042 1774 6.03

R

10%

20%

30%

78

En la figura 26 se observa que la máxima resistencia se presentó cuando se

reemplazó el 20%, y muestra gran mejoría con relación al mortero de referencia

que se realizó. Para los reemplazos de 10 y 30 % aunque la resistencia es menor

que para 20%, también están por encima de la muestra de referencia lo que

simboliza que en términos de flexión la ceniza de bagazo de caña también

muestra efectos positivos para el reemplazo. Es común comparar la resistencia a

la flexión con la resistencia a la compresión, es por esto que se establecen el

porcentaje que representa la última en los resultados que en este apartado se

estudian.

Los morteros con adición de ceniza modifican cualidades como la permeabilidad al

agua, los porcentajes de vacíos y por ende la absorción, estos aspectos se

relacionan con la resistencia a la flexión ya que se observó que las viguetas

fallaban en los puntos donde había poca cohesión entre las partículas con el

agregado tal cual como se menciona en los antecedentes respectivos (Oliveira de

Paula, 2010).

Tabla 28 - Relación de Resistencias.

En la Tabla 28 se observa que los resultados más positivos son los del 20% de

reemplazo pero igualmente los otros reemplazos son efectivos para la resistencia

a la flexión en relación con la resistencia a la compresión.

Compresion a 56 dias Flexion Porcentaje

19.90 5.03 25.28

20.39 6.10 29.90

21.02 7.20 34.24

19.49 6.23 31.99

79

7. CONCLUSIONES.

En esta investigación se evaluó la utilización de la ceniza del bagazo de caña de

azúcar como reemplazo parcial del cemento portland para la elaboración de

morteros con consistencia plástica y 21 MPa de resistencia a compresión. Los

resultados muestran que aunque hubo incrementos en los tiempos de fraguado

inicial y final de hasta el 221% y 234%, respectivamente, las resistencias a

compresión a los 56 días no solo no presentaron diferencias significativas sino que

los morteros con remplazo del 10 y 20% superaron la resistencia a compresión de

la muestra de referencia en 2.5 y 5.0%, respectivamente. De igual modo, las

resistencias a flexión de los morteros con reemplazo de cemento portland

resultaron mayores que las del mortero de referencia. En el mejor caso, el

mortero con reemplazo del 20%, se encontró una resistencia a flexión 40% mayor

que la del mortero de referencia. Los resultados anteriores indican el gran

potencial que tiene la ceniza del bagazo de caña de azúcar como material

cementante alternativo en la región del valle del cauca. Esto no solo podría reducir

los costos de los materiales de construcción sino que además ayudaría a reducir

las emisiones de CO2 generadas durante la clinkerización del cemento portland y

a incorporar un residuo importante de la industria azucarera en la cadena

productiva de la construcción. Después de estudiar características físicas,

mecánicas y químicas tanto de las mezclas como de los agregados

correspondientes a esta investigación es posible afirmar que la ceniza de bagazo

de caña de azúcar representa grandes beneficios como reemplazo parcial del

material cementante dentro de un mortero. Realizando un análisis económico se

puede determinar que con un reemplazo de 20% de ceniza en un proyecto

convecional, se haría un ahorro de 2 sacos de cemento por metro cubico de

mortero, lo que en costos representan casi $60.000 pesos para costos a la fecha,

lo que reduciría el consumo de cemento y su producción directamente, haciendo

así que el impacto ambiental por este proceso industrial se reduzca

80

considerablemente, y aumente la utilización del residuo que contamina

directamente el medio ambiente por sus grandes volúmenes de almacenaje.

81

8. RECOMENDACIONES PARA FUTUROS TRABAJOS.

Con esta investigación fue posible determinar que el uso de este material es

conveniente para la sustitución parcial del material cementante convencional hasta

un 30%, pero es necesario realizar algunos estudios más a profundidad en

aspectos como la durabilidad, ya que es posible que este material posea

componentes que puedan potenciar el proceso de carbonatación del material, esto

con el deseo de conocer si el material podría ser utilizado completamente para

usos estructurales y que la armadura de acero no vaya a ser comprometida por la

acción del ambiente donde se encuentra.

Con relación a la eficiencia de tiempo en la investigación se presentaron

problemas, ya que los resultados iniciales de resistencias mecánicas se

encontraban muy alejados de lo esperado, lo que retraso los ensayos a realizar

debido que fue necesario repetir la prueba de resistencia a la compresión. Se

pudo identificar que el problema radicaba a la hora de mezclado y vertido en los

moldes para las muestras por lo que se recomienda especial cuidado a la hora del

llenado de los moldes porque la mayor cantidad de material suele concentrarse en

el fondo desplazando el agua adicionada hacia la superficie.

Por otro lado en cuanto al proceso de diseño de mezcla o dosificación es

pertinente desarrollar técnicas propias para la obtención de resultados positivos

para la utilización de materiales alternativos, ya que es posible que no se

comporten de la misma manera que una mezcla convencional. Prueba de esto, es

lo sucedido dentro de esta investigación donde fue necesaria la utilización de un

proceso alternativo con el fin de cumplir los requerimientos de consistencia y flujo.

También se recomienda que se incentive la investigación de materiales alternativo

como las cenizas de bagazo de caña, ya que beneficiara tanto la parte económica

de una construcción como el impacto ambiental causado por este desecho.

82

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ANEXOS

Anexo 1 - Resistencia a la compresión para 7 días para muestras de referencia, 10, 20 y 30% de reemplazo.


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