Evaluación del desempeño en Resistencia y Durabilidad de ... · Departamento de Integridad y...

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Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Evaluación del desempeño en Resistencia y

Durabilidad de Concretos con Características

de Sustentabilidad

TESIS

Que para obtener el Grado de:

Doctor en Ciencias de Materiales

Presenta:

Ramón Corral Higuera

Directores de tesis:

Dr. Miguel Ángel Neri Flores - Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Dr. Facundo Almeraya Calderón - Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Dr. Jorge Luis Almaral Sánchez – Universidad Autónoma de Sinaloa-FIM

Dr. José Manuel Gómez Soberón – Universidad Politécnica de Cataluña-EPSEB

Chihuahua, Chih., México a 28 de Febrero de 2011.

i

Evaluación del desempeño en Resistencia y Durabilidad de

Concretos con Características de Sustentabilidad

Ramón Corral Higuera

Tesis Doctoral en Ciencia de Materiales, 2011

Departamento de Integridad y Diseño de Materiales Compuestos

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Dedicada a Dios, Paola, Juan Sebastián y

a todas las personas que como ellos estén

interesadas en las futuras generaciones y

estén dispuestas a hacer algo por ellas

hoy.

3

AGRADECIMIENTOS

En la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS), a la Dirección General de

Investigación y Posgrado y al Dr. Antonio Corrales Burgueño, rector actual

y creador del Programa Institucional de Doctores Jóvenes.

En la Facultad de Ingeniería Mochis de la UAS, al Dr. Jorge Luis Almaral

Sánchez, al Ing. Eleazar Luna Barraza y al Dr. José Humberto Castorena

González.

En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, al Dr. Miguel Ángel

Neri Flores, al Dr. Facundo Almeraya Calderón, a la Dra. Citlalli Gaona

Tiburcio, al Dr. Alberto Martínez Villafañe, al Dr. José Guadalupe Chacón

Nava al M.C. Victor Orozco Carmona, al M.C. Adán Borunda Terrazas y a

todo el personal técnico y administrativo que prestó apoyo.

En el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología al Director Juan Carlos

Romero Hicks.

En la Universidad Autónoma de Chihuahua, al Dr. José Castañeda Ávila y

al personal de laboratorio de construcción.

En la Universidad Autónoma de Nuevo León, al Dr. Alejandro Durán

Herrera, al Dr. Gerardo Fajardo San Miguel y al personal técnico.

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

Soberón y al personal del laboratorio de materiales.

4

En el Gobierno del Municipio de Mazatlán al Lic. Alejandro Higuera Osuna.

En la familia, a Mi esposa, Mi hijo, Mis padres, Mis hermanos y Mis

suegros.

Todos fueron parte importante para mi formación personal y profesional y

les agradezco por ello.

5

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS.......................................................................................................................................................... 3

LISTA DE TABLAS............................................................................................................................................................... 6

LISTA DE FIGURAS............................................................................................................................................................. 7

RESUMEN.......................................................................................................................................................................... 9

ABSTRACT........................................................................................................................................................................ 10

1. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................................11

1.1. Antecedentes ....................................................................................................................................11

1.1.1. Sustentabilidad y reciclaje en la industria de la construcción .......................................................................... 11

1.1.2. Normatividad aplicable........................................................................................................................................ 19

1.1.3. Proceso de producción del agregado reciclado ................................................................................................. 21

1.1.4. Desempeño en resistencia y durabilidad del Concreto con Agregado Reciclado: Estado del arte ................ 22

1.2. Planteamiento...................................................................................................................................32

1.3. Justificación.......................................................................................................................................33

1.4. Aportación.........................................................................................................................................36

1.5. Hipótesis............................................................................................................................................37

1.6. Objetivos ...........................................................................................................................................37

1.6.1. General.................................................................................................................................................................. 37

1.6.2. Específicos............................................................................................................................................................. 37

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ................................................................................................................39

2.1. Materiales y mezclas.........................................................................................................................39

2.1.1. Materiales Cementantes ..................................................................................................................................... 39

2.1.2. Agregados ............................................................................................................................................................. 40

2.1.3. Diseño de mezclas................................................................................................................................................ 42

2.2. Métodos de prueba...........................................................................................................................43

2.2.1. Resistencia a compresión .................................................................................................................................... 45

2.2.2. Propiedades de transporte de fluidos e iones ................................................................................................... 46

2.2.3. Propiedades dieléctricas y electroquímicas ...................................................................................................... 55

2.2.4. Carbonatación ...................................................................................................................................................... 59

2.2.5. Resistencia a los sulfatos ..................................................................................................................................... 65

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN........................................................................................................................68

3.1. Resistencia a compresión..................................................................................................................68

3.2. Propiedades de transporte de fluidos e iones ...................................................................................72

3.2.1. Absorción por inmersión y determinación de porosidad total......................................................................... 72

3.2.2. Absorción capilar y porosidad efectiva............................................................................................................... 73

3.2.3. Permeabilidad (Prueba de la pipeta) .................................................................................................................. 74

3.2.4. Migración de cloruros (Prueba Rápida de Penetración de Cloruros)............................................................... 76

3.3. Propiedades dieléctricas y electroquímicas.......................................................................................77

3.4. Carbonatación...................................................................................................................................84

3.5. Resistencia a los sulfatos...................................................................................................................86

4. CONCLUSIONES..........................................................................................................................................89

5. REFERENCIAS .............................................................................................................................................91

6. PRODUCTOS.............................................................................................................................................100

6

LISTA DE TABLAS

TABLA 1-1 COMPARATIVO DE LA GENERACIÓN DE RC CON OTROS PAÍSES Y ENTIDADES..............................................................12

TABLA 1-2 DATOS MUNDIALES SOBRE RECICLAJE DE RCD Y MCS .........................................................................................14

TABLA 1-3 RECICLAJE DE RCD EN EUROPA .......................................................................................................................15

TABLA 1-4 NORMATIVAS INTERNACIONALES QUE REGULAN EL USO DE AR ..............................................................................20

TABLA 1-5 INFLUENCIA DEL AR EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONCRETO.....................................................................25

TABLA 1-6 INFLUENCIA DEL AR Y LOS MCS EN LA RESISTENCIA Y DURABILIDAD DEL CONCRETO ...................................................31

TABLA 2-1 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS MATERIALES CEMENTANTES. ......................................................................40

TABLA 2-2 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS AGREGADOS. ........................................................................................................41

TABLA 2-3 CARACTERÍSTICAS Y PROPORCIONES DE LAS MEZCLAS DE PRUEBA (RELATIVO A 1M3

DE CONCRETO). ..............................43

TABLA 2-4 PENETRABILIDAD DEL IÓN CLORURO EN BASE A LA CARGA TOTAL QUE PASA...............................................................55

TABLA 3-1 ABSORCIÓN, POROSIDAD TOTAL Y DENSIDAD APARENTE DETERMINADAS POR ASTM C642.........................................72

TABLA 3-2 COEFICIENTE DE PENETRACIÓN DE AGUA, SORTIVIDAD Y POROSIDAD EFECTIVA ..........................................................74

7

LISTA DE FIGURAS

FIG. 1-1 COMPOSICIÓN BÁSICA DE LOS RD .......................................................................................................................13

FIG. 1-2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LOS AGREGADOS RECICLADOS.....................................................................................22

FIG. 1-3 ESQUEMATIZACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA DEL CONCRETO: A) CONVENCIONAL, B) RECICLADO...................................24

FIG. 1-4 TENDENCIA DE LAS INVESTIGACIONES ACERCA DE PROPIEDADES DE LOS AGREGADOS RECICLADOS. ...................................34

FIG. 1-5 TENDENCIA DE LAS INVESTIGACIONES ACERCA DE PROPIEDADES DEL CONCRETO RECICLADO.............................................34

FIG. 1-6 TENDENCIA DE LAS INVESTIGACIONES ACERCA DE COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL CONCRETO RECICLADO..................35

FIG. 1-7 TENDENCIA DE LAS INVESTIGACIONES ACERCA DE DURABILIDAD DEL CONCRETO RECICLADO.............................................35

FIG. 2-1 MORFOLOGÍA DE LOS MATERIALES CEMENTANTES: A)CPC, B) CV, C) HS ...................................................................39

FIG. 2-2 DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS AGREGADOS ............................................................................................41

FIG. 2-3 MORFOLOGÍA DE LOS AGREGADOS: A) AN, B) AR, C) AFN......................................................................................42

FIG. 2-4 CONFIGURACIÓN DEL ENSAYO DE RESISTENCIA A COMPRESIÓN..................................................................................46

FIG. 2-5 PREPARACIÓN PREVIA DE LAS PROBETAS: A) CORTE DE PROBETAS, B) SOMETIMIENTO A ULTRASONIDO .............................48

FIG. 2-6 CONFIGURACIÓN DEL PROCESO DE SATURACIÓN DE LAS PROBETAS.............................................................................49

FIG. 2-7 ARREGLO EXPERIMENTAL PARA EL ENSAYO DE ABSORCIÓN CAPILAR............................................................................50

FIG. 2-8 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA DE PERMEABILIDAD POR PIPETA ...............................................................................52

FIG. 2-9 CONFIGURACIÓN DEL PROCESO DE SATURACIÓN ....................................................................................................53

FIG. 2-10 ARREGLO EXPERIMENTAL PARA LA PRPC............................................................................................................54

FIG. 2-11 ARREGLO EXPERIMENTAL PARA LOS ENSAYOS DE EIE.............................................................................................57

FIG. 2-12 A) DIAGRAMA DE NYQUIST IDEAL, B) CEE UTILIZADO PARA SIMULAR RESULTADOS EXPERIMENTALES DE EIE. ..................57

FIG. 2-13 LOCALIZACIÓN DE LAS MEDICIONES DEL AVANCE DEL FRENTE CARBONATADO .............................................................64

FIG. 3-1 TENDENCIA DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO. ...........................................................69

FIG. 3-2 POROSIDAD DEL AR Y AN .................................................................................................................................70

FIG. 3-3 MICROGRAFÍA OBTENIDA POR MEB DE LA MEZCLA AR 30% CV A 90 DÍAS: A) MORFOLOGÍA DE LA MATRIZ CEMENTANTE, B)

ASPECTO DE LA ZTI..............................................................................................................................................71

FIG. 3-4 MICROGRAFÍA OBTENIDA POR MEB DE LA MEZCLA AR 10% HS A 90 DÍAS: A) MORFOLOGÍA DE LA MATRIZ CEMENTANTE, B)

ASPECTO DE LA ZTI..............................................................................................................................................71

FIG. 3-5 CURVAS DE ABSORCIÓN CAPILAR .........................................................................................................................73

FIG. 3-6 CURVAS DE PERMEABILIDAD DE AGUA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO. ...............................................................................75

FIG. 3-7 RESISTENCIA DE LAS MEZCLAS A LA PENETRACIÓN DEL ION CLORURO ..........................................................................77

FIG. 3-8 DIAGRAMA DE NYQUIST PARA LOS SISTEMAS CONCRETO-ACERO A DIFERENTES EDADES DE EXPOSICIÓN: A) 3 MESES, B) 6

MESES, C) 9 MESES Y D) 12 MESES..........................................................................................................................78

FIG. 3-9 EVOLUCIÓN DE LA RESISTIVIDAD ELÉCTRICA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE EXPOSICIÓN. ...................................................79

FIG. 3-10 MICROESTRUCTURA DE LA MATRIZ CEMENTANTE A LOS 28 DÍAS DE HIDRATACIÓN: A) 100% CPC, B) 70% CPC – 30% CV,

C) 90% CPC – 10% HS.......................................................................................................................................80

FIG. 3-11 MICROESTRUCTURA DE LA MATRIZ CEMENTANTE A LOS 90 DÍAS DE HIDRATACIÓN: A) 100% CPC, B) 70% CPC – 30% CV,

C) 90% CPC – 10% HS.......................................................................................................................................80

FIG. 3-12 VARIACIÓN DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE DE CORROSIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE EXPOSICIÓN. ............................82

FIG. 3-13 PATRÓN DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X – SAL DE FRIEDEL .........................................................................................83

FIG. 3-14 VIDA DE SERVICIO EN FUNCIÓN DEL DETERIORO POR CORROSIÓN .............................................................................84

FIG. 3-15 VARIACIÓN DE LA PROFUNDIDAD DE CARBONATACIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE EXPOSICIÓN ....................................85

FIG. 3-16 AVANCE DE CARBONATACIÓN EXTRAPOLADO A CONDICIONES REALES .......................................................................86

FIG. 3-17 EVOLUCIÓN DE LA PÉRDIDA DE PESO DE LAS PROBETAS POR ATAQUE DE SULFATOS ......................................................87

8

FIG. 3-18 ESTADO DE LAS PROBETAS EXPUESTAS A SULFATOS POR 12 MESES...........................................................................88

9

RESUMEN

Como estrategias contributivas de sustentabilidad en la industria del

concreto, en la actualidad se está investigando en mejorar la durabilidad

de las estructuras de concreto reforzado, como así también en el

reemplazo parcial o total de sus componentes por materiales reciclados.

En esta investigación, se utilizó agregado grueso de concreto reciclado y

materiales cementantes suplementarios, subproductos de procesos

industriales, para la fabricación de concretos con características de

sustentabilidad y para la evaluación de su desempeño en resistencia y

durabilidad ante acciones mecánicas y fisicoquímicas. Sobre especímenes

de prueba se determinaron los parámetros de resistencia a compresión,

propiedades de transporte de fluidos e iones, propiedades dieléctricas y

electroquímicas, avance de carbonatación y resistencia a los sulfatos, que

definen las propiedades mínimas exigibles a este concreto, de acuerdo con

las correspondientes normativas para garantizar su durabilidad. De los

resultados obtenidos se concluye que el concreto fabricado con 100% de

agregado grueso reciclado y con el uso de materiales cementantes

suplementarios, mejora su desempeño, en cuanto a resistencia y

durabilidad al ser comparado con el concreto convencional.

10

ABSTRACT

As a contributive strategy in the sustainability concrete industry, the

durability improving of reinforced concrete structures is currently

investigated, as well as the partial or total replacement of its components

for recycled materials. Coarse recycled concrete aggregates and

supplementary cementing materials, byproducts of industrial processes,

were used to produce concrete with sustainability characteristics and for

the evaluation of its behavior in strength and durability by mechanical and

physico-chemical actions. From test specimens, compressive strength,

transport properties, dielectric and electrochemical properties, carbonation

rate and sulfate resistance were determined; these parameters specify the

minimum necessary properties for concretes, according to regulations, to

guarantee their durability. Form the results obtained concluded that the

concrete manufactured with 100% recycled concrete aggregates and

supplementary cementing materials, improves its performance in strength

and durability compared with those of conventional concrete.

11

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes

1.1.1. Sustentabilidad y reciclaje en la industria de la construcción

El concepto “sustentabilidad” es un término que comenzó a considerarse

desde la Conferencia de las Naciones Unidas sobre medio ambiente

humano, llevada a cabo en Estocolmo, Suecia en 1972. Sin embrago, fue

hasta 1987 cuando el Informe de la Comisión Mundial sobre el Medio

Ambiente y el Desarrollo, conocido habitualmente como Informe

Brundtland y de título: Nuesto Futuro Común, acuñó el término desarrollo

sustentable como “el desarrollo que satisfaga nuestras necesidades de

hoy, sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para

satisfacer sus propias necesidades”. En fecha más reciente, el término

adquirió mayor importancia después de la Cumbre de la Tierra, celebrada

en Río de Janeiro en 1992. En ésta se detallan más características que el

desarrollo sostenible debe tener, además de que introdujo nuevos actores

que habían permanecido hasta ese momento al margen de los problemas

ambientales globales, entre los cuales destaca el sector empresarial

(Mebratu, 1998).

En la industria, este término toma la forma de minimización de desechos,

reciclaje de materiales, maximización del uso de recursos renovables y

aumento en la durabilidad de los productos, servicios e infraestructura.

La industria de la construcción contribuye de manera importante a la

contaminación atmosférica y al deterioro ambiental, por un lado el

consumo de recursos naturales y por otro los residuos que genera tal

industria. Siendo más específicos, la industria del concreto causa un

12

importante impacto ambiental durante el proceso de manufactura, como la

destrucción de recursos naturales por el consumo de materia prima, las

emisiones de CO2 en la producción del cemento (1 kg cemento 1 kg CO2)

y además del impacto ambiental causado por los Residuos de Construcción

y Demolición (RCD). Como estrategias para contribuir en la sustentabilidad

de esta industria se está proyectando mejorar la durabilidad del concreto y

el reemplazo parcial o total de sus ingredientes por materiales reciclables,

tales como Materiales Cementantes Suplementarios (MCS) mismos que

son subproductos de procesos industriales, RCD y concreto premezclado

de desecho, estos dos últimos para fabricación de Agregados Reciclados

(AR) con distintas aplicaciones.

Respecto a los RCD generados en México no hay datos globales, sin

embargo, en el Estado de México en 2008 se hicieron estimaciones de los

Residuos de Construcción (RC) a través de cálculos indirectos y una

comparativa con datos de otros países. Dichos resultados se muestran en

la Tabla 1-1 (Hernández et al., 2008).

Tabla 1-1 Comparativo de la generación de RC con otros países y entidades

País/CiudadGeneración de RC

(Ton/día)

Comunidad Europea19673

Estados Unidos5626

República de Chile12276

Distrito Federal5076

Estado de México5059

A estas cifras habría que sumarle los residuos de demolición (RD) de

estructuras que cada año son demolidas por haber alcanzado su límite de

uso y los residuos que generan algunas catástrofes como por ejemplo el

sismo de este año en Chile o el ocurrido

En cuanto a los RCD y MCS, un reporte reciente en E.U.A. (

al., 2000) presenta datos del tema en dis

resumen en la Tabla 1

Otro estudio que muestra estadísticas sobre reciclaje de RCD es el

realizado por la Asociación Científico

(ACHE, 2006) de España y se muestra en la

En las cifras de las Tablas 1

composición de los

estimación aproximada de

Metales, 5%

Madera, 10%


cada año son demolidas por haber alcanzado su límite de

y los residuos que generan algunas catástrofes como por ejemplo el

este año en Chile o el ocurrido en el Distrito Federal

En cuanto a los RCD y MCS, un reporte reciente en E.U.A. (

presenta datos del tema en distintos países, los cuales se

Tabla 1-2.


Asociación Científico-Técnica del Hormigón Estructural

(ACHE, 2006) de España y se muestra en la Tabla 1-3.

ifras de las Tablas 1-2 y 1-3 no se especifican datos de la

composición de los RCD, sin embargo, Oikonomou (2005) presenta una

aproximada de su composición básica (Fig.

Fig. 1-1 Composición básica de los RD

Concreto, 40%

Cerámicos,30%

Metales, 5%

Madera, 10%

Plásticos, 5%Varios, 10%

13


cada año son demolidas por haber alcanzado su límite de

y los residuos que generan algunas catástrofes como por ejemplo el

en el Distrito Federal en 1985.

En cuanto a los RCD y MCS, un reporte reciente en E.U.A. (Schimoller et

tintos países, los cuales se


Técnica del Hormigón Estructural

3.

no se especifican datos de la

RCD, sin embargo, Oikonomou (2005) presenta una

Fig. 1-1).

Concreto, 40%

14

Tabla 1-2 Datos Mundiales sobre reciclaje de RCD y MCS

País Año MaterialMillones de toneladas Porcentaje usadoProducido Usado

Suiza 1999

Pavimentoasfáltico

0.80 0.7695

Residuos dedemolición de

edificios ycarreteras

1.50-2.00 Poco-

Escoria de altohorno

1.00 0.7070

Dinamarca 1997

Concreto dedemolición

1.06 0.9085

Pavimentoasfáltico

0.82 0.82100

Cerámicos(ladrillos)

0.48 0.330.69

Cenizas volantes 1.06 1.06100

Alemania 1999

Pavimentoasfáltico

12.00 6.0050

Concreto y otrosde demolición en

carreteras20.00 11.00

0.55


Holanda 1999

Pavimentoasfáltico

7.70 7.70100

Concreto dedemolición de

edificios9.20 9.20

100


E.U.A. 1996

Residuos dedemolición de

edificios*123 123

100

Cenizas**volantes

63 63100 (20% en

concreto)

* Tomado de U.S. Geological Survey Circular C1177 (USGS, 2005)** Tomado de ACI 232.2R-03 (ACI, 2003)

15

Tabla 1-3 Reciclaje de RCD en Europa

PaísProducción anualen millones detoneladas (año)

Porcentajeutilizado

Aplicaciones

Bélgica 7 (1990) 87Agregado paraconcreto: 17%

Carreteras:70%

Francia 24 (1990) 15Agregado paraconcreto: 1.5%

Carreteras:8.2%

Terraplenes yrellenos: 5.3%

GranBretaña

30 (1999) 45Agregado paraconcreto: 2%

Carreteras: 9%

Terraplenes yrellenos: 34%

UniónEuropea

180 (1999) 28Agregado paraconcreto: 2.2%

Carreteras:9.5%

Terraplenes yrellenos: 16.3%

España 38.5 (2003) 10

Carreteras: 3%Explanadas: 3.5%

Rellenos: 3.5%

E.U.A.* 123 (1996) 100Agregado paraconcreto: 6%

Carreteras:77%

Rellenos yotros: 17%

* Tomado de U.S. Geological Survey Circular C1177 (USGS, 2005)

Las estadísticas de las Tablas 1-2 y 1-3 muestran que el reciclaje de

materiales de construcción, impensable hace tan sólo unos años, está

actualmente establecido como una actividad con potenciales expectativas

de crecimiento. El mantenimiento de esta tendencia depende, en gran

parte, de su capacidad para superar el obstáculo que supone el bajo

precio, tanto de los materiales de construcción tradicionalmente

empleados, como del traslado a vertedero de los posibles residuos

generados y la falta de legislación en cuanto a gestión y aprovechamiento

16

de los RCD. Constatada esta situación, es previsible que, en un futuro no

muy lejano, el empleo de estos residuos como productos sustitutivos de

los convencionales tomará carta de naturaleza, lo que propiciará la

aparición de actividades que, haciendo posible el desarrollo sustentable,

sean económicamente interesantes.

Sin embargo, la situación actual del reciclaje de RCD y MCS en México es

incipiente, salvo en el Distrito Federal y el Estado de México que ya

cuentan con iniciativas y actividades de reciclaje de RCD. Por ejemplo, la

Secretaría del Medio Ambiente del Estado de México, a partir de la

publicación de la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de los

Residuos (LGPGIR, 2003), publicó en el año 2008 una Norma Técnica

Estatal Ambiental (NTEA-011-SMA-RS-2008) que establece los requisitos

para el manejo de los residuos de la construcción. Dicha norma establece

en el apartado 6.4.5 que los residuos de la construcción podrán utilizarse,

siempre y cuando estos materiales cumplan con las especificaciones

técnicas del proyecto en las siguientes obras: sub-base para caminos, sub-

base para estacionamientos, carpetas asfálticas para vialidades

secundarias, construcción de terraplenes, cubiertas intermedias para

rellenos sanitarios, construcción de andadores y construcción de bases

para guarniciones y banquetas.

El consumo de agregados en el Estado de México (la parte más habitada

del país con 700 hab/km2) en 2005 alcanzó los 31 millones de toneladas

(Hernández et al., 2008), de los cuales se estima, a partir de datos

empíricos, que aproximadamente el 65% se dedica a la fabricación de

concreto hidráulico, mortero, concreto asfáltico y prefabricados y el 35%

restante a la construcción de bases y sub-bases en carreteras y calles,

rellenos y como terraplenes. Entonces, los 1.8 millones de toneladas

anuales de RC (Ver Tabla 1-1) que se generan en el Estado de México

17

multiplicados por el 70% correspondiente a concreto y cerámicos (Fig.

1-1) arroja un total de 1.26 millones de toneladas de RC que puede ser

reciclado para la fabricación de agregados disminuyendo en un 11.6%

[1.26 millones de t/(31 millones de t * 0.35)] el consumo de agregados

naturales para la construcción de bases, sub-bases, rellenos, carpetas,

terraplenes y demás.

Por otro lado, se estima que 10% de los aproximadamente 35 millones de

m3 de concreto premezclado producido anualmente en México es

regresado a las plantas concreteras (AMCI, 2009). El concreto

premezclado vuelto pudiera ser usado de las siguientes maneras:

1) Si la cantidad de concreto vuelto es pequeña, el material fresco puede

ser re mezclado con otro concreto por salir. Implica el uso de aditivos

estabilizantes de hidratación.

2) El concreto vuelto se puede procesar a través de un sistema de

recuperación para reutilizar o para disponer de los ingredientes separados.

Incluyendo el agua de proceso con una adición estabilizadora de la

hidratación según lo necesitado.

3) El concreto vuelto se puede utilizar para pavimentación del sitio y

producción de otros productos, tales como bloques de concreto, para venta

o disposición.

4) El concreto vuelto se puede descargar en un lugar en la planta

concretera para su procesamiento. El concreto descargado y ya endurecido

que a diferencia de los RCD es un material sano y libre de impurezas

deletéreas puede posteriormente triturarse para fabricar agregado de

concreto reciclado (ACR) que pueda ser usado en nuevos concretos

estructurales.

18

La opción 1 es factible a pequeña escala y no siempre practicable por las

restricciones de especificaciones de los diferentes concretos. La opción 2

está limitada a plantas de gran volumen y requiere una gran inversión de

capital para un sistema sofisticado de separación. La opción 3 está

limitada por factores como la ausencia de áreas por pavimentar que

generalmente tienen las plantas y el volumen de producción de bloques

depende de las condiciones del mercado local y oportunidades

esporádicas.

La opción 4 tiene un potencial significativo, ya que siendo conservadores y

suponiendo una reutilización del 75% del concreto vuelto, se estarían

generando 2 millones 625 mil m3 de ACR por año:

(0.75 )(35 millones de m3/año)(0.10) = 2 625 000 m3/año

En términos de costo, si el concreto vuelto no es reutilizado es necesario

disponerlo en algún sitio habilitado para ello. Considerando una distancia

promedio de 25 km hasta el sitio de disposición y un costo aproximado de

$1.20 por m3 por cada km, el costo por retirar cada m3 de concreto vuelto

hasta el sitio de disposición sería de $30.00. Además, sabiendo que el

costo de producción estimado del agregado virgen es de $45 /m3 (AMCI,

2009) y considerando que el costo de producción del ACR es

aproximadamente un 14 % menor (Tam, 2008), es decir, $6.3 /m3 más

bajo. Entonces, la reducción del costo por reutilizar el concreto vuelto para

fabricación de ACR sería de $36.3 /m3 que multiplicado por los 2 625 000

m3/año que se generan representa una disminución de costo operativo de

$95 287 500 /año en la industria del concreto premezclado.

Adicionalmente al beneficio económico, la disminución del impacto

ambiental por el reciclaje del concreto vuelto, sería una contribución muy

19

importante como iniciativa de desarrollo sustentable en la industria del

concreto premezclado.

1.1.2. Normatividad aplicable

En lo que a normatividad se refiere, en algunos países asiáticos y europeos

ya existen regulaciones para usar AR grueso en la fabricación de concreto

estructural. La mayoría se basan en las especificaciones de la Reunión

Internacional de Laboratorios Europeos de Materiales (RILEM, 1994) que

clasifica a los AR en tres categorías y permiten un reemplazo máximo de

agregados naturales por AR hasta del 100% siempre y cuando a través de

la investigación se garantice un buen desempeño del nuevo concreto ante

las acciones mecánicas y ambientales a las que estará expuesto. En estas

normativas, se observa que la calidad del AR se controla

fundamentalmente a través de su densidad y absorción.

En América, la norma ASTM C33 (ASTM International, 2008) permite sólo

el uso de ACR para fabricar concreto. En la sección 9.1 establece que el

agregado grueso puede consistir de grava natural, grava triturada, roca

triturada, escoria enfriada al aire o concreto hidráulico triturado. Sin

embargo, no especifica información sobre cantidades de reemplazo ni

criterios de calidad. En la Tabla 1-4 se recogen las especificaciones más

importantes para la utilización del AR, según las distintas normativas

internacionales, donde puede observarse que salvo en Alemania y España

no se limita la cantidad de AR a utilizar en la fabricación de concreto.

20

Tabla 1-4 Normativas internacionales que regulan el uso de AR

NormativaClasifica-ción del

AR

Densidad(kg/m3)

Absorción(%)

Contenidoen

metales,plásticos,

papel,yeso. (%)

Uso enconcreto

% dereemplazo

Europea(RILEM,1994)

Tipo I (1) 1500 20 516-20 MPa(interiores)

Sin límiteTipo II (2) 2000 10 1

50-60 MPa(ambienteagresivo)

Tipo III (3) 2400 3 1 Sin límite

Alemana(DIN 4226-100, 2000)

Tipo 1 (4) 2000 10 2 Ambienteagresivo

20Tipo 2 (5) 2000 15 2

Tipo 3 (6) 1800 20 2 Ambienteno

agresivo

25-35Tipo 4 (7) 1500 - -

Belga(Guía)

GBSB I (8) > 1600 < 18 < 116-20 MPa(ambiente

seco) Sin límite

GBSB II(9) > 2100 < 9 < 1

30-37 MPa(ambiente

seco)

Inglesa(BS-EN 206-

1, 2000)

ACR (10) - - 140 MPa

(ambienteagresivo) Sin límite

AR (11) - - 116 MPa

(ambienteseco)

Australiana(Guía)

Clase 1(12) 2100 < 6 2 Sin límite Sin límite

Japonesa(JIS A 5021,

2005)

H (13) 2500 3 1.5 18-24 MPaSin límite

M (14) 2400 5 1.5 16-18 MPa

L (15) 2200 7 1.5 < 16 MPa

Española(EHE-08,

2008)AR (16) 2100 7 1 Sin límite 20

(1)Agregado procedente mayoritariamente de fábrica de ladrillo.

(2)Agregado procedente mayoritariamente de residuos de concreto con un contenido máximo de residuos

cerámicos de 10%.

(3)Agregado compuesto por una mezcla de agregados naturales mayor del 80%. El resto puede estar

integrado por un 10% como máximo de agregados Tipo I o hasta un 20% de agregados Tipo II.

(4)Agregados que proceden mayoritariamente de residuos de concreto o de agregados minerales en un

porcentaje mínimo del 80%. Presentan un contenido máximo de clínker, ladrillo y arenisca caliza del

10%.

21

(5)Agregados que proceden mayoritariamente de residuos de concreto o de agregados minerales en un

porcentaje mínimo del 70%. Presentan un contenido máximo de clínker, ladrillo y arenisca caliza del

30%.

(6)Agregados que proceden en su mayoría de residuos cerámicos en un porcentaje mínimo del 80%.

Presentan un contenido máximo de materiales procedentes de concreto o agregados minerales del

20%.

(7)Agregados que en su mayoría son una mezcla de RCD con un contenido mínimo del 80% de material

procedente de concreto, agregados minerales o productos cerámicos.

(8)Agregado procedente mayoritariamente de fábrica de ladrillo

(9)Agregado procedente mayoritariamente de residuos de concreto con un contenido máximo de residuos

cerámicos de 10%.

(10)Agregado procedente de residuos de concreto con un contenido máximo de cerámicos del 5%.

(11)Agregado procedente de materiales cerámicos en un 100% o mezclado con concreto.

(12)Agregado procedente de concreto en masa y concreto armado de uso no estructural con categoría

máxima resistente de 40 Mpa.

(13)Agregado procedente de residuos de concreto con un contenido máximo de impurezas del 2%



(16)Agregados procedentes exclusivamente de hormigón convencional sin patología alguna y con un

contenido máximo de impurezas del 8%.

1.1.3. Proceso de producción del agregado reciclado

El proceso de producción del AR difiere del proceso para agregado virgen

triturado sólo en la etapa inicial, donde es necesario implementar sistemas

de separación de materiales no deseados (acero, madera, papel, plástico).

Las etapas siguientes son similares para ambos agregados: trituración,

cribado y apilamiento. Dependiendo del tipo de RCD, este puede

someterse a procesos de separación de materiales indeseables, el cual

generalmente es mecánico: con máquinas excavadoras, por medio de

bandas vibratorias agujeradas o bandas que pasen por un soplete de aire.

Después de la primera separación, suele realizarse una trituración primaria

en un sistema adaptado con una cinta magnética que separe el acero del

concreto. Los RCD casi libres de materiales no deseados se someten a una

segunda trituración y seguidamente a una segunda separación manual,

finalmente pasan por un proceso de cribado para obtener agregados

22

reciclados clasificados granulométricamente que se humedecen y apilan

según convenga. La Fig. 1-2 esquematiza, en forma general, el proceso de

producción de los agregados reciclados (Tam, 2008).

En México, al año 2010, sólo existe una planta de reciclaje de RCD:

Concretos Reciclados, S.A. de C.V., que está ubicada en el Estado de

México e inició operaciones en el año 2004.

Recepción de RCD Separación mecánica Trituraciónprimaria

Separadormagnético

Trituraciónsecundaria

Separación manualBasuraSitio de disposición

Humectación y cribadoAgregadosreciclados

Acero reciclable

Fig. 1-2 Proceso de producción de los agregados reciclados

1.1.4. Desempeño en resistencia y durabilidad del Concreto con

Agregado Reciclado: Estado del arte

1.1.4.1. Aspectos micro estructurales del Concreto con Agregado

Reciclado

23

El aspecto principal de la microestructura del concreto endurecido que

tiene importancia respecto a la resistencia y durabilidad es la naturaleza

del sistema de poros dentro de la matriz (pasta) y también en la zona de

interface entre la pasta y el agregado, comúnmente llamada Zona de

Transición Interfacial (ZTI). La ZTI ocupa desde un tercio hasta un medio

del volumen total de la pasta de cemento hidratado en el concreto

convencional y se sabe que tiene microestructura diferente (más porosa)

del resto del volumen de la pasta. La ZTI es también el lugar preferencial

de microagrietamientos y fallas por esfuerzos. Por estas razones, se

espera que la ZTI contribuya significativamente a la disminución de

resistencia mecánica y al aumento en el flujo de fluidos dentro del

concreto (en detrimento de su durabilidad) (Young, 1988).

Las ZTI en combinación con los vacíos generados naturalmente por la

pérdida de agua durante el fraguado del concreto tienden a formar sitios

preferenciales llamados rutas conductivas continuas (RCC) por donde es

posible un flujo más rápido de fluidos a través del concreto. En la Fig. 1-3

se ilustra esquemáticamente la micro estructura del concreto donde se

indican las RCC y otras posibles rutas de flujo de fluidos.

En cuanto al Concreto con Agredado Reciclado (CAR) [Fig. 1-3 b)] es lógico

pensar que presenta mayor cantidad de ZTI’s que se generan por el uso de

AR (ZTI AN-mortero antiguo, ZTI AN-mortero nuevo y ZTI mortero

antiguo-mortero nuevo) y por lo tanto puede esperarse que su desempeño

en resistencia y durabilidad sea inferior al del concreto convencional.

24

Fig. 1-3 Esquematización de la microestructura del concreto: a) Convencional, b)

Reciclado

1.1.4.2. Influencia del AR en las propiedades mecánicas del CAR

De acuerdo a la literatura, el desempeño mecánico y en durabilidad del

CAR es inferior al de un concreto convencional con las mismas

proporciones. Sin embargo, debido a los numerosos factores que

intervienen en las propiedades, se encuentran dispersiones significativas

en los resultados de los estudios. En la Tabla 1-5 se resumen los

resultados de las propiedades mecánicas en las cuales existe mayor

experimentación, mientras que en la Tabla 1-6 se muestran lo referente a

durabilidad.

a) b)

25

Tabla 1-5 Influencia del AR en las propiedades mecánicas del concreto

Autor% de sustitución

de AR grueso

% pérdida deresistencia a

compresión a 28días

% caída demódulo deelasticidad

Sagoe et al.,2001

100 0 -

Gómez-Soberón, 2002

100 12 10.1

Katz A., 2003 100 25 50.2

Topcu ySengel, 2004

100 24 13

Xiao J. et al.,2005

100 25.6 45

Martínez yMendoza, 2006

100 7 3.1

Rahal K., 2007 100 10-14 24

Cassuccio M.,et al., 2008

100 15 18

Berndt, 2009 100 16 21

La pérdida de resistencia del CAR con respecto al concreto convencional

varía desde un 0 hasta un 26% y en la mayoría de las investigaciones esto

se atribuye a las propiedades inferiores del AR, además de la mayor

cantidad de ZTI’s que se generan por su uso (ZTI AN-mortero antiguo, ZTI

AN-mortero nuevo y ZTI mortero antiguo-mortero nuevo).

26

1.1.4.3. Aspectos relevantes del cemento y MCS en la fabricación de

concreto

Cemento Portland

El cemento Portland es el ingrediente ligante o adhesivo del concreto. Está

compuesto principalmente por óxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro

hasta en un 95%. Las fases presentes comprenden principalmente silicatos

de calcio (3CaO·SiO2 y 2CaO·SiO2) y en menor proporción aluminato de

calcio (3CaO·Al2O3) y ferroaluminato de calcio (4CaO·Al2O3·Fe2O3). Las

propiedades de endurecimiento del cemento se logran mediante la mezcla

de éste con el agua. Esto resulta en la formación de productos de

hidratación que poseen cualidades ligantes y baja solubilidad en agua (las

estructuras de cemento pueden subsistir aun bajo el agua). La reacción

química principal se da con el silicato tricálcico y el agua, expresada en la

fórmula condensada (C = CaO, S = SiO2, H = H2O):

C3S + H Cx-S-H + (3-x) CH

El gel C-S-H (sin indicar composición específica) es el responsable de las

propiedades mecánicas conocidas del cemento hidratado; el CH [Ca(OH)2]

es un subproducto de poco valor cementoso y puede ser el punto de

origen de algunas reacciones degenerativas del cemento Portland

hidratado.

La producción de cemento es un proceso de alta demanda energética de

combustibles (4,000 kJ/kg cemento, 25% de pérdidas) y con alta emisión

de contaminantes (0.85 - 1 kg CO2/kg cemento) por descarbonatación de

materia prima y uso de combustibles. Las restricciones ambientales

impuestas a las cementeras son cada vez más estrictas, lo que deberá

27

llevar a la optimización de procesos o a la búsqueda de alternativas para la

resolución de los diversos problemas y necesidades actuales.

Aunque es ampliamente conocida, por su precisión y laconismo esta

información referente al cemento Portland fue transcrita tal cual de la

referencia (Escalante, 2002).

Para ser usado en concreto, el cemento Portland debe sujetarse a lo

especificado en la norma internacional ASTM C150 (ASTM International,

2009), que equivale a la NMX-C-414 (ONNCCE, 2004), para el caso de

México.

Cenizas Volantes

Son un subproducto de la combustión de carbón pulverizado en plantas

carboeléctricas. De acuerdo a (ACI, 2000), la CV es un residuo finamente

dividido que resulta de la combustión de carbón pulverizado o granular y

que es trasportado por flujo de gases desde la zona de combustión hasta

el sistema de remoción de partículas. Las propiedades físico-químicas de

las CV pueden variar de una planta a otra, y por ello para ser usadas en

concreto deben cumplir con las especificaciones de la norma ASTM C618

(ASTM International, 2008b). En general, las CV se caracterizan por ser

esféricas (sólidas o huecas) con composición semi cristalina, tamaños que

varían desde 0.1 µm hasta alrededor de 200 µm, densidad entre 2.2 y 2.8

g/cm3, su superficie específica es muy variable en función del método que

se use para medirla (Permeabilidad al aire [Blaine]: 250-550 m2/kg,

adsorción de nitrógeno [BET]: 750- 1700) y los principales productos de

su reacción con el CH y álcalis en el concreto son los mismos que los de la

hidratación del cemento Portland, C-S-H y aluminatos de calcio hidratados

(C-A-H). Todas estas características de la CV influencian las propiedades

28

del concreto en estado fresco y el desarrollo de resistencia y otras

propiedades en estado endurecido. En el documento, ACI 232.2R-03 (ACI,

2003) se reconoce que es difícil predecir el desempeño en resistencia y

durabilidad del concreto sólo con conocer las propiedades físico-químicas

de las CV, por lo cual, se exige que tal desempeño sea investigado con

mezclas de concreto de prueba que contengan CV.

Humo de Sílice

Es un subproducto de la industria del ferrosilício. ACI 116R (ACI 2000) lo

define como una sílice no cristalina muy fina producida en hornos de arco

eléctrico como un subproducto de la producción de silicio elemental o

aleaciones que contienen silicio. El HS, el cual se condensa de los gases

que escapan del horno, tiene un alto contenido de sílice amorfa y consiste

de partículas esféricas muy finas con diámetro promedio de 0.1 a 0.2 µm.

Su color es gris oscuro, tiene una densidad entre 2.2 a 2.3 g/cm3, su

superficie específica (medida por adsorción de nitrógeno, BET) está

alrededor de los 20,000 m2/kg. Actualmente, la relación entre las

variaciones en las propiedades físicas y composición química del HS y el

desempeño en el concreto no están bien establecidas, sin embargo, en la

norma ASTM C1240 (ASTM International, 2005) se especifican los

requerimientos mínimos para su uso. El HS mejora las propiedades del

concreto por mecanismos físicos y químicos. Los mecanismos físicos

incluyen la reducción del sangrado, provisión de sitios de nucleación y un

empaquetamiento más eficiente de las partículas sólidas (refinamiento de

poros). El mecanismo químico, es su rápida reacción con el CH para

formar C-S-H generando una matriz cementante muy densa desde edades

tempranas.

29

Son amplias las investigaciones que resaltan el efecto benéfico de los MCS,

como el HS y la CV, en concreto convencional y actualmente existen

publicaciones especiales alusivas al tema (ACI SP-153, 1995; Gjorv y

Sakai, 2000; ACI 232.2R-03, 2003; ACI 234R-06, 2006). De acuerdo a

estas publicaciones la CV y HS tienen propiedades puzolánicas (es decir, la

capacidad de reaccionar químicamente con el hidróxido de calcio en

presencia de agua a temperatura ambiente y producir un material

cementante) y pueden usarse como adición ó reemplazo parcial del

cemento portland reduciendo su consumo en la producción de concreto y

mejorando muchas de sus propiedades.

Estos MCS ya son empleados en nuestro país principalmente a nivel

laboratorio (Escalante et al., 2001; Escalante et al., 2003; Fajardo et al.,

2009), mas no se ha explotado todo su potencial en campo, debido quizá a

la falta de experiencias en su uso. La norma NMX-C-146, (ONNCCE, 2000)

permite el uso de 5% (respecto a la masa del cemento) de CV como

adición (sin reemplazar cemento) durante la fabricación de concreto. A

diferencia del HS, en México se generan CV, aunque las cantidades

generadas no se conocen con precisión. En Estados Unidos se estima una

producción de 63 millones de toneladas de CV anualmente de las cuales el

20% es usada en la producción de concreto (ACI 232.2R-03, 2003). En

cuanto al HS, aproximadamente 1 millón de toneladas son producidas

anualmente en todo el mundo de las cuales el 13% se usa en la

fabricación de concreto (ACI 234R-06, 2006). En lo que a cemento

Portland se refiere, la producción mundial es de aproximadamente 1.5

billones de toneladas, con la consecuente emisión de casi la misma

cantidad de toneladas de CO2, lo que equivale al 7% de las emisiones

globales (Mehta y Monteiro, 2005).

30

El costo de las CV es más bajo que el del cemento, no así el del HS que es

10 veces mayor; sin embargo, debido a que estos MCS pueden hacer que

un concreto sea mucho más durable, su uso contribuye a que las

estructuras sean más eficientes (con menor cantidad de cemento), es

decir, con menos necesidad de reparación y mantenimiento y, por lo tanto,

el impacto en la economía y en el medio ambiente se reduce.

1.1.4.4. Influencia de los MCS en la resistencia y durabilidad del CAR

Con el propósito de mejorar las propiedades mecánicas y la durabilidad del

CAR, se han llevado a cabo investigaciones para evaluar la influencia de

algunos MCS en el desempeño de tal concreto. La Tabla 1-6 muestra los

resultados de los parámetros de durabilidad evaluados en CAR con 100%

de AR y con relaciones agua/material cementante (a/mc) entre 0.4 y 0.6.

31

Tabla 1-6 Influencia del AR y los MCS en la resistencia y durabilidad del concreto

Autor

MCSutilizado,

(MCS/[MCS+cemento])

% de variación con respecto a mezcla de referencia

Porosidad

Propiedadesde

Transporte

Penetraciónde cloruros

(ASTMC1202)

Avance decarbonata

ción

Otros

Sagoeet al.,2001

0 -+25

(absorción)- +12

+15(contracción porsecado[CS])

Olorunsogo y

Padayachee,2002

0 -

-10(permeabilid

ad de O2)+39

(sortividad)

+73(saturaciónen NaCl y

10V)

--

Gómez-Soberón, 2002

0

+12(ASTMC642)

+15 (MIP)

+14(absorción)

- -+8 (CS)

Miyazato et al.,2003

0- -

+17 (conAgNO3)

+42-

10% HS - --16 (conAgNO3)

-50-

Kou etal.,

2007

0 - - +10 -+37(CS)

25% CV - - -39 --22 (CS)

35% CV - - -87 --23 (CS)

Ann etal.,

2008

0 - - +66 -+44(icorr)

30% CV - - -85 --168(icorr)

Berndt,2009

0 -+35

(permeabilidad)

+14 (ASTMC1556)

--

50% CV -+35

(permeabilidad)

+31 (ASTMC1556)

--

32

1.2. Planteamiento

Por su versatilidad, el concreto es el material que ha tenido el mayor uso

en la construcción de edificios e infraestructura a lo largo de la historia. El

consumo del concreto crece a medida que la población aumenta

(exponencialmente) y demanda vivienda e infraestructura.

Actualmente el consumo de concreto es de aproximadamente 11.5 billones

de toneladas por año y se espera un crecimiento para el año 2050 de 16

billones de toneladas (Mehta y Monteiro, 2005).

En una mezcla de concreto convencional, el cemento constituye alrededor

del 12%, los agregados constituyen aproximadamente el 80% y el agua de

mezclado el 8%, lo que significa que, además de las 1.5 billones de

toneladas de cemento Portland, la industria del concreto consume

anualmente 9.2 billones de toneladas de agregados junto con cerca de 1

millón de toneladas de agua de mezclado. Con tales cantidades, la

industria del concreto es una de las más grandes usuarias de recursos

naturales en el mundo y lleva un ritmo de crecimiento insostenible.

Ante la problemática descrita, se vuelve necesario construir estructuras de

concreto reforzado que sean sustentables, es decir, durables, económicas

y compatibles con el medio ambiente. En ese sentido, se planteó este

trabajo con el objetivo de evaluar el desempeño, en términos de los

parámetros más importantes como resistencia mecánica, mecanismos de

transporte de fluidos e iones, propiedades dieléctricas y electroquímicas,

avance de carbonatación y resistencia a los sulfatos, de un concreto con

características de sustentabilidad fabricado con 100% de AR y con adición

de subproductos de procesos industriales con propiedades puzolánicas

como CV y HS en reemplazo parcial del cemento portland.

33

1.3. Justificación

En particular, no existen trabajos de investigación que señalen al ACR

como un elemento a ser desechado para funciones resistentes, sin

embargo debido a la gran escasez experimental sobre las características

estructurales y de durabilidad de que dispone dicho material, su empleo ha

sido limitado a cierto tipo de estructuras y ambientes.

En lo que respecta a la industria de la construcción, actualmente y sobre

todo en países desarrollados, se está practicando como alternativa de

desarrollo sustentable el uso de materiales reciclados y el aumento en la

durabilidad de las estructuras de concreto reforzado. Por ello, el reciclaje

de concreto para fabricación de agregados y la consecuente disminución

del impacto ambiental, es una contribución importante a esta iniciativa en

el sector. Desde los años 80 muchos investigadores han enfocado sus

trabajos al estudio de las propiedades de este tipo de agregados y las del

concreto hecho con ellos (Fig. 1-4 y Fig. 1-5). Sin embargo y como se

observa en la Fig. 1-6 y Fig. 1-7, se ha puesto menor atención a aspectos

de durabilidad y comportamiento estructural del concreto reciclado.

Fig. 1-4 Tendencia de las investigaciones

Fuente: Elaboración propia a partir de búsqueda en



0

5

10

15

20

25

2009

Nú

me

rod

ear

tícu

los

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

05

Nú

me

rod

ear

tícu

los

Tendencia de las investigaciones acerca de propiedades de los agregados

reciclados.

Fuente: Elaboración propia a partir de búsqueda en Engineering Village

Tendencia de las investigaciones acerca de propiedades del concreto reciclado


2009 2008 2007 2006 2005

Año

05-09 00-04 95-99 90-94 85-89

Periodos de 5 años

34

propiedades de los agregados

Engineering Village

propiedades del concreto reciclado.

Engineering Village

2004

80-84





0

1

2

3

4

5

6

7

2009

Nú

me

rod

ear

tícu

los

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2009

Nú

mer

od

ear

tícu

los

Tendencia de las investigaciones acerca de comportamiento estructural

concreto reciclado.


Tendencia de las investigaciones acerca de durabilidad


2009 2008 2007 2006 2005 2003 2002

Año

2009 2008 2007 2006 2004

Año

35

comportamiento estructural del

Engineering Village

del concreto reciclado.

Engineering Village

2002 2001

36

De las figuras anteriores se puede notar que los estudios relacionados con

propiedades tanto de los agregados reciclados como del concreto hecho

con ellos son cerca de trescientos en los últimos cinco años, mientras que

las investigaciones que tienen que ver con aspectos de durabilidad o

comportamiento estructural apenas superan las veinte, para cada tema,

en el mismo periodo de tiempo. Las anteriores estadísticas muestran la

necesidad que existe de más estudios del desempeño del concreto

reciclado que puedan soportar su uso adecuado ante altas solicitaciones

mecánicas y ambientales y contribuir así en la sustentabilidad de la

industria de la construcción.

Por otro lado, es visible que la tendencia internacional está orientada hacia

políticas de desarrollo sustentable, es decir, la generación de bienestar

para las generaciones actuales pero sin comprometer el bienestar de las

generaciones futuras. Desde esta perspectiva, el reciclaje de MCS y de

RCD, así como el reciclaje y la reutilización de muchos otros materiales,

representan una de las vías de solución. Por lo tanto, es urgente generar

políticas que orienten esfuerzos en esta dirección y para lograrlo es

necesario reducir la dependencia del conocimiento y la tecnología del

extranjero. Generar conocimientos y tecnologías propias permitirá que

estemos preparados con opciones adecuadas antes de que las necesidades

nos alcancen y nos tomen desprevenidos.

1.4. Aportación

Los datos desarrollados podrán ser usados para apoyar revisiones de las

normativas mexicanas actuales y puedan permitir y si es posible obligar al

uso de AR, ACR y MCS para fabricar concretos con características de

sustentabilidad.

37

1.5. Hipótesis

El concreto fabricado con 100% de agregado grueso de concreto reciclado

y con materiales cementantes suplementarios, como reemplazo parcial del

cemento portland, garantiza un desempeño en resistencia y durabilidad

igual o superior que el concreto convencional.

1.6. Objetivos

1.6.1. General

Evaluar el desempeño en resistencia y durabilidad de concretos con

características de sustentabilidad fabricados con agregados de concreto

reciclado (reemplazando totalmente a los agregados gruesos naturales) y

materiales cementantes suplementarios (en reemplazo parcial del cemento

portland).

1.6.2. Específicos

a) Revisión de literatura.

b) Recolección selectiva de concreto a triturar para fabricar AR.

c) Fabricación de AR.

d) Caracterización de AR y agregados naturales.

e) Diseño de mezclas de prueba.

f) Fabricación de probetas de ensayo.

38

g) Evaluación del desempeño en resistencia y durabilidad.

h) Generación de datos científico-técnicos mediante el análisis e

interpretación de los resultados.

39

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

2.1. Materiales y mezclas

2.1.1. Materiales Cementantes

El cemento utilizado fue Cemento Portland Compuesto de resistencia 30

[CPC 30R], los requerimientos físico-químicos se estipulan en la norma

NMX-C-414 y equivale al cemento Portland ordinario Tipo I que establece

ASTM C150; se eligió el CPC 30R por ser el de uso común y de mayor

aplicación en la industria del concreto. Como MCS, subproductos de

procesos industriales, se utilizó ceniza volante mexicana baja en calcio

Clase F con los requerimientos establecidos en ASTM C618 y humo de

sílice Norteamericano conforme a ASTM C1240. En la Tabla 2-1 se

muestran las propiedades físico-químicas más importantes de los

materiales cementantes mientras que en la Fig. 2-1 puede observarse su

morfología.

Fig. 2-1 Morfología de los materiales cementantes: a)CPC, b) CV, c) HS

40

Tabla 2-1 Propiedades físico-químicas de los materiales cementantes.

Composición química (% en peso)

Material SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO SO3 K2O Na2O MgO

CPC 19.94 4.40 2.97 63.50 3.08 0.42 0.12 -

CV 58.84 16.72 3.52 7.35 0.13 0.79 0.94 1.76

HS 95.22 0.08 2.37 0.26 0.11 0.56 0.30 0.24

Propiedades físicas

Densidad (g/cm3)Superficie específica,

BET (m2/kg)Tamaño promedio (µm)

CPC 3.15 140015-25

CV 2.35 12005 - 15

HS 2.27 196000.1 - 0.2

2.1.2. Agregados

El AR procedió de la trituración de probetas de concreto fabricadas con

agregados naturales, cemento Portland compuesto, relación agua/cemento

de 0.50 y curadas durante 28 días a temperatura y humedad controladas

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

mediante una trituradora de mandíbulas de laboratorio (motor de 5 HP) de

donde se obtuvieron los agregados en tamaños combinados.

Posteriormente se separó el AR por tamaños y se ajustó su granulometría

conforme a la norma ASTM C33. Los agregados naturales gruesos (AN)

provinieron de roca caliza triturada y los agregados finos naturales (AFN)

consistieron de arena silícea de río; tanto el AN como el AFN presentaron

distribución de tamaños dentro de los límites establecidos por ASTM C33

(Fig. 2-2).

41

0 1 2 3 4 5

0

20

40

60

80

100

%q

uepa

sa

Abertura del tamiz (mm)

AFNLímite sup. ASTMC33Límite sup. ASTMC33

5 10 15 20 25

0

20

40

60

80

100

%qu

epa

sa

Abertura del tamiz (mm)

ARANLímitesup. ASTMC33Límiteinf. ASTMC33

Fig. 2-2 Distribución granulométrica de los agregados

Algunas de las propiedades físicas de los agregados se muestran en la

Tabla 2-2, mientras que en la Fig. 2-3 se muestra su morfología.

Tabla 2-2 Propiedades físicas de los agregados.

Tipo deagregado

Pesovolumétrico

secocompacto(kg/m3)

Densidad(g/cm3)

Absorción(%)

Humedad(%)

Módulode finura

(%)

Tamañomáximo(mm)

AR 1362 2.20 6.55 2.14 - 19

AN 1584 2.50 0.44 0.28 - 19

AFN 1511 2.43 4.08 6.66 2.73 4.76

De acuerdo a sus propiedades físicas, el AR se clasifica como Tipo II,

según RILEM, 1994 (absorción ≤10% y densidad 2000 kg/m3) y puede

ser usado para fabricar concreto estructural sin limitación de reemplazo.

42

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

2.1.3. Diseño de mezclas

Para evaluar los parámetros de resistencia y durabilidad de las mezclas de

concreto en estudio, se diseñaron dos mezclas con relación agua-material

cementante de 0.48: un diseño para AR, AFN y MCS y otro para AN, AFN y

100% CPC (mezcla de concreto convencional). Por ausencia de métodos

especiales para CAR, el diseño de las mezclas se hizo por el método de

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

Cemento Portland (Kosmatka et al., 2003). Una vez diseñadas las mezclas

se dosificó para fabricar cuatro series de probetas con las características y

proporciones mostradas en la Tabla 2-3. A las 24 h de haberse fabricado,

las probetas fueron desmoldadas y colocadas hasta la edad de ensayo en

una cámara de curado con temperatura y humedad relativa controladas de

23 2 ºC y 98 1%, respectivamente.

43

Tabla 2-3 Características y proporciones de las mezclas de prueba (relativo a 1m3 de

concreto).

Materiales(Kg)

Identificación de las mezclas

Agregadogrueso y fino

natural

Agregado grueso reciclado, arena natural yMCS

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

Agua 213.31 213.31 213.31 213.31

Grava* 994.55 870.58 870.58 870.58

Arena* 766.17 915.35 915.35 915.35

Cemento444.44 444.44 311.11 400.00

MCS0.000 0.000 133.33 44.44

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

2.2. Métodos de prueba

Además de evaluar el efecto de los AR y los MCS en la resistencia a

compresión del concreto, se evaluó también su influencia en la durabilidad

del mismo. Para ello y sabiendo que las características micro estructurales

de los concretos propuestos difieren a las del concreto convencional, se

llevaron a cabo dos tipos de evaluaciones:

i. Las que describen las propiedades y mecanismos de transporte de

agua, gases e iones hacia y dentro del concreto.

Este tipo de evaluación fue necesaria ya que todas las causas de deterioro

del concreto están relacionadas directa o indirectamente con la capacidad

que tiene aquél para permitir el ingreso de líquidos, gases o iones

agresivos disueltos siempre en agua. Por lo tanto, la durabilidad depende

44

principalmente de la facilidad con la cual los fluidos (líquidos y/o gases)

penetren en el concreto y puedan moverse a través de él siguiendo

diferentes mecanismos de transporte (permeabilidad, difusión, absorción y

migración) que pueden o no estar relacionados entre sí.

ii. Las que describen el deterioro del concreto ante la acción de agentes

agresivos en estructuras en servicio.

Actualmente el problema patológico más importante que se observa en las

estructuras de concreto reforzado es el deterioro por corrosión de la

armadura, causado principalmente por la penetración de cloruros a través

del sistema de poros del concreto hasta llegar al nivel del refuerzo y

romper la capa de óxido pasiva que se genera por la alta alcalinidad que

ofrece el concreto. Otro fenómeno que también causa corrosión de la

armadura (corrosión generalizada, a diferencia del ataque localizado de los

cloruros) es la carbonatación del concreto por el ingreso de CO2 en

presencia de humedad; esto ocasiona un descenso en la alcalinidad y por

consiguiente ruptura generalizada de la capa pasiva de óxido del refuerzo.

La corrosión del acero de refuerzo genera óxidos expansivos que agrietan

el concreto disminuyendo la durabilidad de las estructuras de concreto

reforzado. En Estados Unidos, se han cuantificado pérdidas económicas de

276 billones de dólares anuales por este fenómeno (Koch et al., 2002).

Otra patología común en las estructuras de concreto simple o reforzado es

el ataque externo de sulfatos (Na2SO4, Mg2SO4), los cuales están

presentes principalmente en aguas freáticas, y al contacto con el concreto

reaccionan con algunas fases de la matriz cementante formando

45

compuestos altamente expansivos provocando agrietamientos,

desprendimiento de material y pérdida de resistencia.

La evaluación de la influencia del AR y los MCS en los mecanismos de

deterioro por estos agentes agresivos, junto con las propiedades de

transporte y micro estructura del concreto en estudio, permitió una

comprensión amplia del material y su posible desempeño a lo largo de su

vida de servicio.

2.2.1. Resistencia a compresión

Generalmente, cuando se diseña siguiendo criterios de durabilidad se

cumple automáticamente con los requisitos de resistencia. En México, la

mayoría de las estructuras de concreto reforzado ordinarias se diseñan

para una resistencia a compresión mínima de 20 MPa y máxima de 30

MPa; sin embargo se sigue poniendo poca atención a los criterios de

durabilidad y tales resistencias son alcanzadas con una relación

agua/cemento de 0.5, que no garantiza una vida de servicio prolongada

ante ambientes agresivos.

La evaluación de la resistencia a compresión de cada serie de concreto

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

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

probetas cilíndricas de cada mezcla fueron sometidas al ensayo de

compresión a los 28, 90 y 180 días de curado. La configuración del ensayo

mecánico se muestra en la Fig. 2-4.

46

Fig. 2-4 Configuración del ensayo de resistencia a compresión

2.2.2. Propiedades de transporte de fluidos e iones

Las propiedades de transporte de interés y estudiadas en la presente

investigación fueron las siguientes:

Absorción. Este mecanismo se refiere al movimiento capilar del agua en

los poros del concreto que están abiertos al medio ambiente. Se

consideraron dos tipos de absorción: i) absorción por inmersión cuyos

detalles se describen en el procedimiento estándar ASTM C642 (ASTM

International, 2006), e ii) absorción capilar o ensayo de Fagerlund que se

conduce siguiendo ASTM C1585 (ASTM International, 2004).

Permeabilidad. Se refiere a un flujo de agua en los poros capilares del

concreto sujeto a un diferencial de presión (por lo cual no está

necesariamente relacionada con la absorción) y sigue la ley de Darcy. Para

este caso la permeabilidad se evaluó mediante la prueba de la pipeta,

conducida según la recomendación RILEM II.4 (RILEM, 1980)

47

Migración. A diferencia de los otros tres, este no es un mecanismo de

transporte natural, sin embargo, fue estudiado porque aporta información

confiable en cuanto a la resistencia del concreto a la penetración del ión

cloruro. Se refiere a la migración de iones cloruro dentro del concreto por

la aplicación de un gradiente de potencial eléctrico y puede conducirse de

acuerdo a la norma ASTM C1202 (ASTM International, 2005b).

Difusión. En este mecanismo el fluido se mueve sujeto a un diferencial en

concentración y el proceso de interés es la difusión de CO2 y se trata por

separado en el apartado 2.2.4.

2.2.2.1. Absorción por inmersión y determinación de porosidad total

Mediante el ensayo de absorción por inmersión pudo determinarse también

la porosidad total del concreto, es decir, los poros que no son efectivos con

respecto a flujo, que incluyen además de los poros discontinuos, aquellos

que contienen agua adsorbida (poros inter C-S-H), aquellos que tienen una

entrada angosta, aun si los poros mismos son grandes, y los macroporos.

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

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

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

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

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

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

seleccionaron tres rebanadas, mismas que fueron sometidas a ultrasonido

durante 5 minutos para expulsar impurezas superficiales que pudieran

obstruir la entrada de los poros. La Fig. 2-5 ilustra el proceso de corte y

tratamiento de ultrasonido de las probetas.

48

Fig. 2-5 Preparación previa de las probetas: a) Corte de probetas, b) Sometimiento a

ultrasonido

Una vez finalizado el tratamiento de ultrasonido, las rebanadas fueron

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

constante, posteriormente fueron retiradas del horno y enfriadas a

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

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

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

Después del periodo de inmersión, las probetas fueron colocadas en una

cámara (Fig. 2-6), aplicando una presión de vacío de 1mm Hg (133 Pa)

durante tres horas y posteriormente se llenó dicha cámara con agua

desoxigenada hasta que las probetas estuvieron completamente

sumergidas y se mantuvo la presión de vacío por una hora adicional.

49

Fig. 2-6 Configuración del proceso de saturación de las probetas

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

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

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

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

respectivamente.

,% 100B A

AI xA

(1)

,% 100T

C AP x

C D

(2)

2.2.2.2. Absorción capilar y porosidad efectiva

A diferencia de la absorción por inmersión y la permeabilidad, que son

parámetros importantes para estructuras de retención de aguas, la

absorción capilar toma en cuenta sólo aquellos poros que son continuos

(Ver Fig. 1-3), y por ende está más íntimamente relacionada con la

50

durabilidad real de las estructuras de concreto con fines diferentes a la

retención de agua.

El ensayo fue conducido de acuerdo a la norma ASTM C1585 transcurridos

90 días de curado. En este método, solo una cara de la probeta es

expuesta al agua, simulando absorción capilar, mientras que las otras

caras son selladas (Fig. 2-7).

Fig. 2-7 Arreglo experimental para el ensayo de absorción capilar

Se registra el volumen de agua absorbido (por cambio de peso) de la

probeta por unidad de área expuesta (I, en mm) a intervalos de tiempo (t)

de 1, 5, 10, 15, 30 min, 1, 2, 3, 4, 6, 24, 48, 72 y 96 h. A partir de la

curva I contra t, se determina la velocidad de absorción de agua o

Sortividad (S) que indica la susceptibilidad del concreto a la penetración

capilar de agua y es la pendiente de la línea de ajuste entre los puntos

desde 1 min hasta 6h.

51

De los resultados del ensayo, se pueden determinar también el coeficiente

de penetración del agua (m) y la porosidad efectiva (e), con las

ecuaciones 3 y 4, respectivamente.

=௧

௭మ(s/mm2) (3)

Donde, m puede ser determinado midiendo el tiempo t (s) requerido para

que el agua ascienda a una altura z (mm) previamente establecida o

viceversa.

*100e S m (%) (4)

2.2.2.3. Permeabilidad (Prueba de la pipeta)

La evaluación de la permeabilidad del concreto al agua, se llevó a cabo

mediante la prueba de la pipeta cuya configuración es mostrada en la Fig.

2-8 (traducida de Medeiros y Helene, 2008)). Cilindros de concreto de 100

mm de diámetro fueron cortados (a los 90 días de curado) en rebanadas

centrales de 50 mm de espesor obteniendo probetas para esta prueba. La

pipeta fue fijada a la superficie de corte del concreto usando silicón y se

dejó secar durante 1 h. La altura de la columna de agua aplicada en la

superficie del concreto fue de 134 mm que corresponde a una presión de

1314.5 Pa (simulando una lluvia de intensidad moderada). El volumen de

agua que penetró fue medido en los periodos de tiempo de 5, 10, 15, 20,

30, 60 min, 2, 4, 6, 8, 10, 12 y 24 h.

52

Fig. 2-8 Configuración de la prueba de permeabilidad por pipeta

Los resultados de este ensayo sirven para predecir la vulnerabilidad

potencial del concreto al deterioro por fenómenos relacionados con la

permeabilidad al agua.

2.2.2.4. Migración de cloruros

Este ensayo, comúnmente conocido como Prueba Rápida de Penetración

de Cloruros (PRPC), se llevó a cabo después de los 90 días de curado,

sobre probetas de 50 mm de espesor y 100 mm de diámetro extraídas de

la parte central de cilindros de concreto de 200 mm de altura. Las

probetas fueron recubiertas en su superficie curva con impermeabilizante,

mismo que se dejó secar por una hora. Las probetas fueron tratadas

colocándolas en una cámara con las dos caras expuestas, se aplicó una

presión de vacío de 1mm Hg (133 Pa) durante tres horas y posteriormente

se llenó el desecador con agua desoxigenada hasta que las probetas

estuvieron completamente sumergidas y se mantuvo la presión de vacío

por una hora adicional (Fig. 2-9). En seguida se apagó la bomba de vacío y

se mantuvo la inmersión por 20 horas.

53

Fig. 2-9 Configuración del proceso de saturación

Transcurridas las 24 horas de preparación, las probetas fueron colocadas

entre dos celdas de acrílico conectadas a un potenciostato. Una celda se

llenó con solución acuosa al 0.3 N de NaOH y la otra con solución acuosa

al 3% de NaCl. Las celdas fueron conectadas a la fuente de suministro de

voltaje, en donde el electrodo de la celda con NaCl hizo el papel de cátodo

y el electrodo en NaOH funcionó como ánodo. Se aplicó un voltaje

constante de 60 V durante seis horas y se llevó un registro de la corriente

cada media hora. La configuración del arreglo de la prueba se muestra en

la Fig. 2-10 (traducida de Medeiros y Helene, 2008), y los detalles del

método de la prueba se describen en ASTM C 1202.

54

0 30 60 330 360900 ( 2 2 .... 2 2 )Q x I I I I I

Fig. 2-10 Arreglo experimental para la PRPC

La carga total (Q) que pasó a través de la probeta fue calculada con la

ecuación 5 de acuerdo con la regla trapezoidal.

(5)

Donde Q es expresada en Coulombs, e In

es la corriente (A) a n minutos

después de que el potencial es aplicado. Es sabido que Q tiene una

estrecha relación con la resistencia del concreto a la penetración del ión

cloruro. ASTM C 1202 recomienda el criterio cualitativo de penetrabilidad

del ión cloruro como se muestra la Tabla 2-4.

55

Tabla 2-4 Penetrabilidad del ión cloruro en base a la carga total que pasa

(Criterio ASTM C1202)

Carga que pasó(C)

Penetrabilidad del ión cloruro

4000 Alta

2000 – 4000 Moderada

1000 – 2000 Baja

100 – 1000 Muy baja

100 Insignificante

2.2.3. Propiedades dieléctricas y electroquímicas

Por la naturaleza de sus ingredientes, los concretos sustentables

propuestos presentan diferente microestructura y sistema de poros que el

concreto convencional (Gómez, 2002; Poon et al., 2004; Tam et al., 2005;

Etxeberría et al., 2006) y es sabido que la resistividad eléctrica del

concreto, que está íntimamente relacionada con la composición química de

la matriz cementante y con la estructura y distribución de poros

(Tumidajski et al., 1996; Tumidajski, 2005; Polder et al., 2005; ), es un

parámetro muy importante para evaluar aspectos de durabilidad, ya que

gobierna la cinética de corrosión del acero de refuerzo y refleja el estado

del sistema de poros interconectados en el concreto.

Por tal motivo, se analizó la influencia del AR y los MCS en la respuesta

eléctrica de los sistemas acero-concreto en estudio. Además, se llevó a

cabo la evaluación de la densidad de corriente de corrosión, que refleja la

susceptibilidad de los sistemas a la corrosión por efecto de los cloruros.

56

Para la evaluación de las propiedades dieléctricas y electroquímicas, dos

probetas cilíndricas (l=300 mm, =150 mm) de cada mezcla fueron

fabricadas y sometidas a curado durante 28 días en una cámara con

temperatura de 23 2 ºC y 98 1% de humedad relativa. A cada probeta

se le embebieron dos barras de acero al carbono 1018 de 9.5 mm de

diámetro con un área expuesta de 64 cm2 y con 45 mm de recubrimiento.

Transcurrido el tiempo de curado, las probetas fueron parcialmente

inmersas (200 mm de profundidad) en solución acuosa al 3.5% de NaCl. El

periodo de inmersión fue de seis meses y a partir de entonces se aceleró

el proceso de ingreso de cloruros sometiendo las probetas a ciclos

semanales de humectación (se mantuvieron sumergidas las probetas por 3

días) – secado (4 días en horno a 40° C). Cada mes se evaluó tanto la

variación de la resistencia electrolítica (Re), que se relaciona con la

resistividad eléctrica del concreto (), como la variación de la resistencia

de transferencia de carga (Rtc), relacionada con la densidad de corriente

de corrosión (icorr) del refuerzo.

La evaluación de los parámetros (Re y Rtc) se hizo por Espectroscopía de

Impedancia Electroquímica (EIE) en un Potenciostato/Galvanostato/FRA de

ACM Instruments; los parámetros de prueba fueron un potencial de 10 mV

de amplitud para mantener la linearidad del sistema en un rango de

frecuencias de 1 mHz a 10 kHz. La técnica de EIE, además de ser no

destructiva, ha sido probada como una técnica eficiente en revelar

aspectos microestructurales relacionados con propiedades dieléctricas y

electroquímicas de sistemas resistivos como el caso del concreto reforzado

(McCarter et al., 1988; Scuderi et al., 1991; Brantervik y Niklasson, 1991;

Gu et al., 1993; Andrade et al., 2001; Sagües et al., 2003; Feliú et al.,

2004). El arreglo experimental de los ensayos se muestra en la Fig. 2-11.

57

Fig. 2-11 Arreglo experimental para los ensayos de EIE.

Los resultados de EIE se representaron mediante diagramas de Nyquist

como el mostrado en la Fig. 2-12 a) y debido a que la respuesta obtenida

difiere a la de un capacitor ideal, se usó un circuito eléctrico equivalente

(CEE) tipo Randles como el mostrado en la Fig. 2-12 b) para ajustar los

datos experimentales y determinar con precisión la Rtc.

Fig. 2-12 a) Diagrama de Nyquist ideal, b) CEE utilizado para simular resultados

experimentales de EIE.

58

Los fundamentos teóricos de la técnica de EIE, las formas de

representación de los resultados y las convenciones aplicables a las

mediciones electroquímicas se detallan en ASTM G3 (ASTM International,

2004b) y ASTM G106 (ASTM International, 2010).

La Rtc resultante de la simulación del CEE y la Re obtenida de la

intersección a altas frecuencias de los diagramas de Nyquist se usaron

para calcular icorr y , respectivamente. Mediante la ecuación 6 (Stern y

Geary, 1957) se calculó icorr, donde B es una constante que toma el valor

de 0.052 V para corrosión pasiva (Dhir et al., 1993; González et al., 1996;

Gowers y Millard, 1993 y Mangat y Molloy, 1992), mientras que fue

determinada a partir de la ecuación 7, donde Cc es una constante de celda

que depende de la geometría y condiciones del cuerpo conductor (Torrents

et al., 1998).

corr

Bi

Rtc (6)

Re cC (7)

Donde, Cc es la constante de celda (58.47 cm), L la longitud sumergida de

la probeta (20 cm), D el diámetro de la probeta de concreto (15 cm), d =

diámetro del acero de refuerzo (0.95 cm) y z la distancia centro a centro

entre la probeta de concreto y el acero de refuerzo (5.05 cm).

La constante de celda Cc fue determinada analíticamente (ecuación 8)

aplicando los principios de conducción de calor a través de cuerpos,

propuestos por Sunderland y Johnson (Sunderland y Johnson, 1964). La

59

2 2 21

2

4cosh ( )

2

c

LC

D d z

Dd

ecuación de Laplace fue resuelta considerando como condiciones de

frontera que la temperatura del cuerpo de acero (T1) y la temperatura del

cuerpo de concreto (T2) son iguales y se mantienen constantes.

(8)

2.2.4. Carbonatación

El CO2 del medio ambiente penetra por la red de poros capilares del

concreto y al combinarse con la humedad presente forma ácido carbónico,

el cual reacciona con el hidróxido de calcio convirtiéndolo lentamente en

carbonatos (de pH neutro); este fenómeno es conocido como

carbonatación. La carbonatación del concreto modifica el ambiente propicio

(pH 13) para la estabilidad termodinámica del acero de refuerzo y la

protección química que el concreto le confiere al acero desaparece

iniciándose un proceso de corrosión generalizada con el respectivo

deterioro que esto conlleva en las estructuras de concreto reforzado.

El proceso de carbonatación puede describirse por las siguientes

reacciones químicas (Lagerblad, 2005):

El CO2 del aire entra en contacto con la solución de poro del concreto (que

contiene agua y CH, principalmente) formando ácido carbónico:

CO2 (g) + H2O H2CO3

60

Expresado en forma iónica:

H2CO3 = CO32- (ion carbonato) + 2H+

El ácido carbónico reacciona con el CH formando carbonato de calcio (CC):

Ca(OH)2 + H2CO3 CaCO3 + 2H2O

pH alto pH bajo pH neutro

Expresado en forma iónica:

Ca2+ + CO32- CaCO3 + 2OH-

Según Lagerblad, la solubilidad del CC (0.99 x 10-8) es mucho menor que

la del CH (9.95 x 10-4), por lo tanto el CH siempre se disolverá y el CC

precipitará y el proceso podrá continuar hasta que todo el CH sea

consumido o incluso continuar consumiendo los iones calcio del C-S-H.

De lo anterior puede deducirse que la velocidad de carbonatación

dependerá entonces de que tan rápido el CO2 y/ó los iones carbonato

puedan difundir dentro del concreto y reaccionar con la matriz

cementante. Por lo tanto, y por tratarse de un fenómeno de difusión, el

avance del frente de carbonatación dependerá principalmente del

contenido de humedad relativa (HR), de la permeabilidad del concreto y de

la concentración de CO2 disponible en el ambiente. Se sabe (Neville,1999)

que la carbonatación alcanza la máxima velocidad cuando la HR está entre

el 50 y 75%. Cuando la HR es menor, no hay agua suficiente en los poros

del concreto para la disolución del CH. Para HR superiores al 75%, la

situación se invierte y aunque el hidróxido de calcio pueda disolverse

61

1 2c cm DA t

x

t

cJ D

x

libremente, el ingreso del CO2 en los poros saturados de agua es

restringido en gran medida y el fenómeno se lleva a cabo muy lentamente.

Por otro lado, es ampliamente aceptado que el avance de la carbonatación

sigue un comportamiento asintótico en función del tiempo (en condiciones

higrométricas constantes) y puede ser descrito por la ecuación 9:

x = kt (9)

Donde, x representa la profundidad de penetración al tiempo t y k es la

velocidad de carbonatación que depende de las características físico-

químicas de cada tipo de concreto.

La ecuación 9 está basada en la primera Ley de difusión de Fick (ecuación

10):

(10)

Donde J es el flujo de CO2 (g/m2 s), D es un coeficiente de difusión (m2/s),

c es la concentración de CO2 (g/m3), y x es la profundidad de penetración

del frente de carbonatación (m).

Adaptando la ecuación (10) a una sección de concreto (A), la cantidad de

CO2 (m) que difunde a través de la primera está dada por:

(11)

62

21 2

2Dx c c t

a

1 2

2Dx c c t

a

1 2

Dxdx c c dt

a

1 2c caAdx DA dt

x

Donde m es la masa de de CO2 penetrando dentro del concreto, c1 y c2 son

las concentraciones de CO2 en el ambiente y en un frente de carbonatación

considerado, respectivamente, y t es el tiempo de exposición.

Para la carbonatación de los compuestos alcalinos contenidos en una

unidad de volumen de concreto, se requiere una cantidad de CO2 (a):

m aAdx (12)

Y dada la masa de CO2 requerida para incrementar la profundidad de

carbonatación por un incremento de dx, la ecuación 12

ó

(13)

Integrando la ecuación 13 finalmente se obtiene:

ó (14)

Si todos los parámetros constantes de la ecuación (14) se incluyen en una

sola constante k, se obtiene la conocida ecuación 9. Considerando que c2

es normalmente mucho menor que c1, puede discriminarse y k quedaría

expresado con la ecuación x.

63

12Dck

a

(15)

La evaluación de la influencia de los AR y MCS en la carbonatación del

concreto fue llevada a cabo sobre vigas prismáticas rectangulares de

sección cuadrada de 150 mm y de 300 mm de longitud. Una vez que las

vigas cumplieron 90 días de curado, fueron expuestas a carbonatación

acelerada en una cámara con temperatura, humedad relativa,

concentración de CO2 y presión constantes de 28 ± 1°C, 70 ± 3%, 6 ±

0.1% y 14 psi, respectivamente.

El periodo de exposición fue de seis meses y la profundidad de

carbonatación fue medida cada mes mediante el método recomendado por

RILEM (RILEM, 1988). A cada edad de prueba (t), se cortó de las vigas

una rebanada de 50 mm de espesor, obteniendo probetas de 150 x 150 x

50 mm sobre las cuales se aplicó por rociado una solución indicadora de

pH constituida por 50 % de alcohol etílico, 49 % de agua destilada y 1%

de fenoftaleína.

A los 15 min de aplicada la solución indicadora se hicieron 12 lecturas (tres

por lado) de la profundidad carbonatada (Fig. 2-13) y se promediaron para

obtener el frente de carbonatación (x). De la curva x contra t y para cada

tipo de concreto se obtuvo k (pendiente de la parte lineal).

64

1

1

2

2

ca

ca

cn cn

Dck ak Dc

a

Figura 2-13

Fig. 2-13 Localización de las mediciones del avance del frente carbonatado

A partir de la ecuación 15 se determinó el número de veces que se

aceleró el proceso y se extrapolaron los resultados para estimar el tiempo

necesario para carbonatar diferentes espesores de recubrimiento en

condiciones normales de exposición. Para ello se determinó la relación

entre la velocidad de carbonatación bajo condiciones aceleradas con

respecto a condiciones normales:

(16)

Donde los subíndices ca y cn indican condiciones aceleradas y condiciones

normales, respectivamente. Considerando a D y a como propiedades

constantes para cada tipo de concreto, la ecuación 16 puede ser

expresada en términos de concentración de CO2 como sigue:

65

1

1

caca

cn cn

ck

k c

(17)

Como la concentración de CO2 en la cámara de carbonatación acelerada

fue mantenida en un valor constante de 6% y es sabido que en la

atmósfera se registran concentraciones de aproximadamente 0.03%, la

aceleración del proceso de carbonatación es:

6.00%14.1

0.03%

ca

cn

k

k

Esta relación indica que la velocidad de carbonatación bajo condiciones

normales (0.03% CO2) es aproximadamente 14 veces más lenta que la

velocidad en la prueba de carbonatación acelerada (6% CO2) llevada a

cabo. La estimación fue basada sobre condiciones constantes de 28 °C,

70% HR, 6% CO2 a una presión de 14 psi y debe tomarse con reserva por

las variaciones de estas condiciones que presenta el ambiente real.

2.2.5. Resistencia a los sulfatos

El ataque externo de sulfatos (AES) a la matriz cementante del concreto es

un proceso complejo que involucra el movimiento de iones sulfato en

solución a través de los poros por medio de diferentes mecanismos de

transporte y la interacción de tales iones con algunos compuestos de la

pasta de cemento (monosulfoaluminatos, fases aluminosas sin reaccionar

y CH) para formar productos altamente expansivos (yeso y etringita

secundaria) que producen agrietamiento, pérdida de resistencia y pérdida

de material. El proceso inicia en la superficie y avanza hacia el interior del

concreto conforme se transcurre el tiempo de exposición (Irassar, 2009;

66

Mehta, 1992). Por tratarse de un fenómeno que requiere trasporte de

iones sulfato en solución a través de los poros, es evidente que la

penetrabilidad del concreto es el más importante factor que gobierna el

proceso de AES.

En términos de composición química del cemento, el C3A es el compuesto

clave en la resistencia a los sulfatos, sin embargo, el C4AF y el CH afectan

también la resistencia a los sulfatos (González e Irassar, 1997). De

acuerdo a algunas investigaciones (Cohen y Bentur, 1988; Rasheeduzzafar

et al., 1994; Al-Amoudi, 1995), es sabido que el sulfato de sodio (Na2SO4),

principal agente agresivo presente en aguas freáticas, reacciona con el CH

del cemento hidratado en presencia de agua para formar CaSO4.2H2O

(yeso) + 2NaOH + 8H2O, los hidratos del C3A (4CaO.Al2O3.19H2O)

reaccionan con 3 moleculas de yeso y las ocho moléculas de agua para

formar etringita secundaria (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) + CH; de la

misma forma el C3A sin reaccionar se combina con el yeso y produce

etringita adicional. Además, en los primeros días de hidratación del

material cementante (previo al AES), se producen monosulfoaluminatos o

fase AFm (3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O), la cual es potencialmente reactiva

con los iones sulfato externos para formar también etringita secundaria.

El deterioro físico debido al AES fue evaluado en términos de cambio en la

masa de probetas prismáticas de 150 x 150 x 50 mm expuestas a un

ambiente severo de sulfatos (solución acuosa a una concentración de 5000

ppm de Na2SO4) de acuerdo a la guía de durabilidad del ACI (ACI, 1997) .

Las probetas fueron sumergidas parcialmente (hasta 40 mm) en un

recipiente sellado de polipropileno a temperatura de laboratorio. Cada mes

hasta llegar a un año, las probetas fueron retiradas, secadas

superficialmente y pesadas. La pérdida de masa (PM) se determinó usando

la ecuación (18).

67

100i t

i

M MPM x

M

(18)

Donde, Mi es la masa inicial de la probeta (g) y Mt la masa de la probeta

después de un periodo de exposición de t meses (g).

68

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En este capítulo se presenta un resumen de los resultados obtenidos de las

pruebas desarrolladas descritas en el capítulo anterior. Los resultados son

presentados en figuras y tablas, y en la mayoría de los casos son el

promedio de dos o más probetas expuestas y ensayadas bajo las mismas

condiciones para cada tipo de prueba. Además, se discuten y se comparan

los resultados con respecto a los reportados en otras investigaciones

relacionadas con la temática.

3.1. Resistencia a compresión

La resistencia a compresión, en función del tiempo de curado, de las

cuatro mezclas de concreto está representada en la Fig. 3-1, donde puede

constatarse el efecto de los AR y los MCS en el desarrollo de la resistencia

a compresión del concreto. La mezcla en la cual se evalúa el efecto de los

AR en la resistencia a compresión es la AR 100% CPC, misma que

desarrolló resistencias de 25.57, 28.35 y 31.83 MPa a los 28, 90 y 180

días de curado, respectivamente. Tales valores significan una pérdida de

resistencia de 13, 15 y 10% con respecto a la mezcla de concreto

convencional y están dentro de lo esperado y reportado en la literatura

(Ver Tabla 1-5). La mezcla AR 10% HS desarrolló la mayor resistencia a

compresión a los 28, 90 y 180 días de curado (37.08, 40.82 y 42.97 MPa,

respectivamente), lo cual indica que el uso del 10% de HS se tradujo en

una ganancia de resistencia de 45, 44 y 35% con respecto a la mezcla AR

100% CPC; además tales resistencias son superiores a las obtenidas en la

mezcla de concreto convencional (AN 100% CPC). En cuanto al uso de CV,

la mezcla AR 30% CV desarrolló las resistencias más bajas (17.39, 21.26 y

27.06 MPa), con porcentajes de pérdida del 32, 25 y 15 % con respecto a

la mezcla AR 100% CPC, a los 28, 90 y 180 días de curado,

69

respectivamente. Aunque el uso de AR y CV se traduce en pérdida de

resistencia a compresión, las mezclas con estos materiales sobrepasan, a

los 90 días, la resistencia mínima de 20 MPa que exige la mayoría de los

proyectos de construcción en México.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Resistencia mínima requerida

en la mayoría de los

proyectos en México

Resis

tencia

acom

pre

sió

n(M

Pa)

Tiempo de curado (días)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HS

Fig. 3-1 Tendencia de la resistencia a compresión de las mezclas de concreto.

La pérdida de resistencia a compresión de la mezcla AR 100% CPC, con

respecto a la mezcla de concreto convencional (AN 100% CPC) se

atribuye, por un lado, a la mayor porosidad del AR (revelado por su alta

absorción del 6.55%) y a su menor densidad (2.20 kg/m3) con respecto al

AN (0.44% de absorción y densidad de 2.50 kg/m3) y por otro, al

incremento en las ZTI por el uso de AR. Es sabido que la resistencia del

concreto depende principalmente de las propiedades de las ZTI, que son

sitios preferentes de falla ante la aplicación de esfuerzos. En la Fig. 3-2

puede confirmarse la mayor porosidad del AR con respecto al AN y las

diferentes ZTI generadas, lo cual implica un decremento en la resistencia

del concreto. Además de las reportadas en la Tabla 1-5, en otras

investigaciones se han reportado también decrementos del mismo orden

70

en la resistencia del concreto por el uso de AR (Rasheeduzzafar y Khan, 1984;

Bairagi et al., 1993; Topcu, 1997; Rahal, 2007).

Fig. 3-2 Porosidad del AR y AN

(Imagen de 2mm x 2mm, de muestra pulida, obtenida en un microscopio electrónico de

barrido [MEB] en electrones retrodispersados)

El valor inferior de resistencia a compresión de la mezcla AR 30% CV, con

respecto a la mezcla AR 100% CPC se atribuye principalmente al retraso

en la cinética de texturación de la CV (por la lentitud de la reacción

puzolánica) que incide sobre la resistencia, debilitando la micro estructura

del concreto por la presencia de partículas de CV sin reaccionar en la

matriz y sobre todo en las ZTI (Fig. 3-3), lo que propicia la formación de

sitios preferenciales de falla. En cuanto a la mezcla AR 10% HS, que tuvo

un comportamiento mecánico a compresión superior (desde edades

tempranas) incluso que la mezcla de concreto convencional, su alta

resistencia se asocia a una densificación de la matriz cementante y de las

ZTI por refinamiento de poros (Fig. 3-4), producto de la gran finura y

cantidad de SiO2 (alta reactividad) del HS que genera un consumo

acelerado de C-H (proveniente de las fases hidratadas del cemento)

71

durante la reacción puzolánica para transformarlo en SCH el cual precipita

en los poros anteriormente semi ocupados por el C-H y el agua.

Fig. 3-3 Micrografía obtenida por MEB de la mezcla AR 30% CV a 90 días: a) Morfología

de la matriz cementante, b) Aspecto de la ZTI

Fig. 3-4 Micrografía obtenida por MEB de la mezcla AR 10% HS a 90 días: a) Morfología

de la matriz cementante, b) Aspecto de la ZTI

Investigaciones anteriores (Roszczynialski, 1992; Xu, 1992; Fraay et al.,

1989; Bijen y Pietersen, 1994) reportan que la reacción puzolánica de la

CV con el C-H se lleva a cabo lentamente debido a diferentes factores,

pero principalmente por el tamaño grande y la estabilidad de las partículas

esféricas para disociarse, generando zonas preferenciales (principalmente

en la ZTI) con partículas de CV sin reaccionar y por consiguiente

72

debilitando mecánicamente la micro estructura; sin embargo, por tratarse

de una reacción química puede acelerarse con un incremento en la

temperatura de curado o con el uso de activadores alcalinos.

En otras investigaciones (Feldman y Cheng, 1985; Cohen y Klitsika, 1986;

Cohen, 1990; Larbi y Bijen, 1990) se ha confirmado al HS como una

puzolana de alta reactividad con el C-H, es decir, reduce el contenido de

C-H para trasformarlo en C-S-H, lo cual produce una matriz y ZTIs densas

y fuertes por refinamiento de poros, incrementando así la resistencia a

compresión del concreto.

3.2. Propiedades de transporte de fluidos e iones

3.2.1. Absorción por inmersión y determinación de porosidad total

En la Tabla 3-1 se muestran los resultados de absorción y porosidad

determinados a partir del procedimiento que establece ASTM C642.

Tabla 3-1 Absorción, porosidad total y densidad aparente determinadas por ASTM C642

MezclaAbsorción

(%)Porosidad Total (%)

Densidad aparente(g/cm3)

AN 100% CPC 10.87 22.01 2.61

AR 100% CPC 13.09 26.47 2.59

AR 30% CV 11.66 23.06 2.58

AR 10% HS 7.78 16.70 2.60

Los resultados indican que el reemplazo total de los AN por AR aumenta la

absorción y la porosidad total del concreto en 21 y 20%, respectivamente.

73

Sin embargo, al reemplazar CPC por 10% de HS, tanto la absorción como

la porosidad total se ven considerablemente disminuidas en porcentajes de

41 y 37%, mientras que al reemplazar CPC con 30% CV, la absorción

disminuye en 11% y la porosidad en 15%.

3.2.2. Absorción capilar y porosidad efectiva

Las curvas típicas de absorción capilar de agua contra la raíz cuadrada del

tiempo se muestran en la Fig. 3-5. Los resultados muestran claramente la

influencia negativa de los AR en la absorción capilar de agua del concreto,

así como el impacto positivo de los MCS.

0 100 200 300 400 500 600

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HSSort

ivid

ad

(mm

)

Raíz de t (s0.5

)

Fig. 3-5 Curvas de absorción capilar

Las curvas de absorción capilar presentan dos pendientes: una hasta

aproximadamente 147 s0.5 que equivale a 6 h de prueba y la otra a partir

de los 294 s0.5 hasta los 588 s0.5, es decir, de 1 día hasta 4 días. La

74

pendiente de la primera región indica la velocidad de absorción capilar de

agua o sortividad (S) y claramente se observa que los MCS contribuyen de

manera importante en la reducción de tal parámetro. La segunda región

muestra que la mezcla AR 100% CPC ha alcanzado la saturación en un

periodo de tiempo más corto que el resto de las mezclas, lo cual indica que

su absorción capilar es más rápida y también su porosidad efectiva, en

detrimento de su durabilidad.

A partir de la curvas de absorción capilar y mediante las ecuaciones 3 y 4

se determinó el coeficiente de penetración de agua (m) y la porosidad

efectiva (e). Los resultados se muestran en la Tabla 3-2.

Tabla 3-2 Coeficiente de penetración de agua, sortividad y porosidad efectiva

Mezclam

(s/mm0.5)S

(x 10-2 mm/s0.5)e (%)

AN 100% CPC 11.557 3.32 11.29

AR 100% CPC 15.125 3.83 14.90

AR 30% CV 11.178 3.16 10.56

AR 10% HS 9.278 2.58 7.86

De la Tabla 3-2 puede deducirse que el uso del 100% de AR incrementa

considerablemente (32%) la porosidad efectiva del concreto, mientras que

el uso de CV y HS la reducen en 30% y 47%, respectivamente.

3.2.3. Permeabilidad (Prueba de la pipeta)

En la Fig. 3-6 se presentan los resultados de la prueba de permeabilidad

realizada. La mezcla AR 10% HS permitió la menor penetración de agua,

con 52.5 cm3 en las 24 h de prueba, lo que significa que es un 54% menos

permeable que la mezcla AR 100% CPC (115 cm3) y garantiza una mayor

75

durabilidad bajo este punto de vista. Las mezclas AN 100% CPC y AR 30%

CV tienen una permeabilidad similar con absorciones de 95 y 97.5 cm3

respectivamente; esto implica que el uso de 30% de CV en reemplazo

parcial del cemento reduce la permeabilidad en un 15%.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

20

40

60

80

100

120

Penetr

ació

nde

agua

(cm

3)

Tiempo (Minutos)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HS

Fig. 3-6 Curvas de permeabilidad de agua en función del tiempo.

En las curvas de permeabilidad respecto al tiempo de la Fig. 3-6 se pueden

apreciar dos zonas con diferente pendiente: al inicio de la prueba la

absorción se lleva a cabo rápidamente a una razón de aproximadamente

0.25 cm3/min para las mezclas, con excepción de la AR 10% HS en donde

la velocidad de absorción es de tan solo 0.09 cm3/min; después de los 45

min de prueba, la absorción se lleva a cabo a razón de 0.08 cm3/min para

las mezclas AN 100% CPC y AR 30% CV, mientras que para las mezclas

AR 100% CPC y AR 10% HS es a razón de 0.1 y 0.03 cm3/min

respectivamente.

En general, los MCS contribuyen considerablemente en la reducción de las

propiedades de transporte estudiadas. Este hecho se asocia con el

refinamiento de poros sufrido tanto en la matriz cementante como en la

76

ZTI, lo cual lleva a una obstrucción y reducción de las rutas conductivas

continuas (poros capilares interconectados o porosidad efectiva) a favor de

la durabilidad del concreto. Lo anterior pudo constatarse mediante

observaciones por MEB (Fig. 3-3 y Fig. 3-4).

3.2.4. Migración de cloruros (Prueba Rápida de Penetración de

Cloruros)

En la Fig. 3-7 se presentan los resultados de carga pasada de acuerdo al

procedimiento de prueba ASTM C1202. Los resultados indican, por un

lado, que el uso de 100% de AR condiciona al concreto a disminuir su

capacidad de resistencia a la penetración del ion cloruro en

aproximadamente un 30% con respecto al concreto convencional. Por otro

lado, puede observarse que el uso de CV y HS proporcionan al concreto

gran capacidad para inhibir la penetración de iones cloruro, porque la

carga pasada de las mezcla AR 30% CV y AR 10% HS es tres y cinco veces

menor, respectivamente, que la de la mezcla AR 100% CPC. Bajo el

criterio propuesto por ASTM C1202 (Tabla 2-4), las mezclas sin MCS

presentan una alta penetrabilidad del ion cloruro porque rebasan los 4000

Coulombs, mientras que la penetrabilidad de las mezclas con MCS es baja

por estar entre 1000 y 2000 Coulombs.

77

AN 100% CPC AR100% CPC AR 30% CV AR 10% HS

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Carg

apasada

(Coulo

mb)

Mezcla

Fig. 3-7 Resistencia de las mezclas a la penetración del ion cloruro

Los resultados de las diferentes propiedades de transporte investigadas

demuestran que el uso de 100% de AR demerita notoriamente la

durabilidad del concreto; sin embargo, el uso de MCS en concretos con

100% de AR puede incrementar significativamente la durabilidad desde el

punto de vista de deterioro por ingreso de agentes agresivos solubles en

agua. Resultados similares pueden observarse de forma dispersa en la

Tabla 1-6.

3.3. Propiedades dieléctricas y electroquímicas

Las propiedades dieléctricas y electroquímicas de los sistemas concreto-

acero a 3, 6, 9 y 12 meses de exposición se representan en los diagramas

de Nyquist de la Fig. 3-8. En estos diagramas, puede observarse la

influencia negativa de los AR en la Re (intersección de la curva a altas

78

frecuencias) y en la Rtc (diámetro del semicírculo o arco). El sistema AR

100% CPC presenta, en los doce meses de exposición, los menores valores

de Re, lo cual indica que el uso de 100% de AR aumenta la conductividad

eléctrica del concreto. Sin embargo, al reemplazar cemento con CV y HS la

Re del concreto aumenta considerablemente (disminuye la conductividad

eléctrica), sobre todo al usar HS. En cuanto a la Rtc, se aprecia un

comportamiento similar, siendo el sistema AR 10% HS el que tuvo los

máximos valores de Rtc a lo largo del tiempo de exposición, mientras que

el sistema AR 100% CPC presentó, a partir del mes nueve, la menor Rtc.

0 20 40 60 800

10

20

30

-Z"(k

)

Z' (k)

AN100%CPCAR 100% CPCAR 30% CVAR 10% HS

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 750

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

-Z"(k

)

Z' (k)

AN100%CPCAR 100%CPCAR 30%CVAR 10%HS

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

40

50

60

-Z"(k

)

Z' (k)

AN100%CPCAR 100%CPCAR 30%CVAR 10%HS

0 20 40 60 800

10

20

30

-Z"

(k

)

Z' (k)

AN100%CPCAR 100% CPCAR 30%CVAR 10%HS

a) b)

c) d)

Fig. 3-8 Diagrama de Nyquist para los sistemas concreto-acero a diferentes edades de

exposición: a) 3 meses, b) 6 meses, c) 9 meses y d) 12 meses

79

La en función del tiempo de exposición que se muestra en la Fig. 3-9

permite corroborar que el uso del 100% de AR produce incrementos de la

conductividad eléctrica del concreto. La de los sistemas sin MCS (AN

100% CPC y AR 100% CPC) no supera el umbral de los 10 k-cm

(Langford y Broomfield, 1987), lo cual indica que no es un parámetro que

controle la velocidad de corrosión; y por lo tanto, existe un alto riesgo de

que el fenómeno de corrosión se presente en ellos (Andrade y Alonso,

1996; Polder et al., 2000). En cuanto a los sistemas con MCS, es

destacable el efecto positivo de éstos en la del concreto; la del sistema

AR 30% CV supera ligeramente el valor umbral, mientras que el sistema

AR 10% HS lo excede de forma amplia, lo que significa que existe baja

probabilidad de que el fenómeno de corrosión inicie en dichos sistemas.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0

5

10

15

20

25

30

Resis

tivid

ad

elé

ctr

ica

(kO

hm

-cm

)

Tiempo de exposición (Mes)

AN 100% CP

AR 100% CP

AR 30% CV

AR 10% HS

Umbral Riesgo de Corrosion

Fig. 3-9 Evolución de la resistividad eléctrica en función del tiempo de exposición.

En los primeros tres meses de ensayo, la de los sistemas con MCS se

incrementa rápidamente, mientras que después de este periodo los

incrementos se ralentizan; lo anterior indica, que tales reacciones se

acercan al equilibrio transcurrido un periodo del orden de 90 días de

exposición. El aumento de la

decremento del sistema poroso que se genera por el aumento en la

formación de SCH

reacción puzolánica entre éste último con el SiO

puede observar en la

más fino que el cemento y la CV, aportando mayor cantidad de SiO

que las reacciones de hidratación y puzolánicas son fenómenos

superficiales (cuanto mayor es la superficie específica, mayor es la

reactividad) puede deducirse y constatarse mediante la

3-11 que la microe

porosidad) que el resto de los sistemas, y por ello, reporta

considerable en su resistividad eléctrica.

Fig. 3-10 Microestructura

CPC, b) 70% CPC

Fig. 3-11 Microestructura de la matriz cementante a los 90 días de hidratación: a) 100%

CPC, b) 70% CPC


exposición. El aumento de la de los sistemas con

cremento del sistema poroso que se genera por el aumento en la

SCH y reducción de la formación de

reacción puzolánica entre éste último con el SiO2 contenido en los MCS

puede observar en la Tabla 2-1 que el HS es aproximadamente 100 veces

más fino que el cemento y la CV, aportando mayor cantidad de SiO



puede deducirse y constatarse mediante la

que la microestructura del concreto con HS es más densa (menor

que el resto de los sistemas, y por ello, reporta

en su resistividad eléctrica.

Microestructura de la matriz cementante a los 28 días de hidratación: a) 100%

CPC, b) 70% CPC – 30% CV, c) 90% CPC – 10% HS


CPC, b) 70% CPC – 30% CV, c) 90% CPC – 10% HS

80


de los sistemas con MCS es atribuida al

cremento del sistema poroso que se genera por el aumento en la

y reducción de la formación de CH producto de la

contenido en los MCS. Se

que el HS es aproximadamente 100 veces

más fino que el cemento y la CV, aportando mayor cantidad de SiO2. Dado



puede deducirse y constatarse mediante la Fig. 3-10 y Fig.

structura del concreto con HS es más densa (menor

que el resto de los sistemas, y por ello, reporta un incremento

de la matriz cementante a los 28 días de hidratación: a) 100%

10% HS.


10% HS.

81

Los resultados de icorr, determinados a partir de los valores de Rtc

obtenidos a su vez de los diagramas de Nyquist, se presentan en la Fig.

3-12, permitiendo comparar en esta figura la resistencia a la corrosión de

los sistemas acero-concreto de este estudio. En general, se puede

observar que en el tercer mes de ensayo se localiza un punto de inflexión

entre dos estados de corrosión con diferente grado de actividad; esta

sectorización, se atribuye a que a partir de este punto, las reacciones de

hidratación-puzolánica del cemento y MCS alcanzan un equilibrio y su

velocidad se estabiliza. Se puede observar además que el sistema que

presenta mayor resistencia a la corrosión es el AR 10% HS, puesto que a

pesar de que su actividad corrosiva fue la mayor en el primer mes,

disminuyó significativamente en el transcurso de los meses subsecuentes

hasta llegar a tener un nivel de corrosión mínimo (0.004 µA/cm2) en el

sexto mes de ensayo, con un promedio de 0.016 µA/cm2 en todo su

periodo de prueba; además se observa que el uso de HS retrasa de

manera importante el inicio de la corrosión porque hasta el mes doce

permanece en estado pasivo. Por otra parte, el sistema AR 100% CPC

reporta los niveles de corrosión máximos (de 0.044 a 0.060 µA/cm2) hasta

el tercer mes; y aunque entre los meses cuatro a ocho su actividad

corrosiva disminuye considerablemente, registra el mayor promedio de icorr

(0.102 µA/cm2) para todo el periodo. Esto lo clasifica como el sistema con

menor resistencia a la corrosión y dilucida el efecto negativo de los AR en

la susceptibilidad a la corrosión del refuerzo ya que su actividad corrosiva

pasó del estado pasivo al activo en el octavo mes (antes que cualquier

otro sistema). El sistema AR 30% CV reporta niveles bajos de corrosión

hasta el mes dos de prueba (de 0.022 a 0.037 µA/cm2), manteniéndose su

actividad en ese nivel para los meses subsecuentes; su icorr promedio fue

de 0.026 µA/cm2, y se puede observar que el uso de CV retrasa el tiempo

de despasivasión del refuerzo.

82

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1E-3

0.01

0.1

1

Estado pasivo

i corr

(A

/cm

2)

Tiempo de exposición (Mes)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HSEstado activo

Fig. 3-12 Variación de la densidad de corriente de corrosión en función del tiempo de

exposición.

Los resultados anteriores indican que aunque existe una diferencia

significativa en cuanto a de los sistemas con MCS, su resistencia a la

corrosión se mantiene en el mismo orden de magnitud; lo anterior, es

atribuible al alto contenido de Al2O3 (17 %) de la CV que contribuye a la

formación de sal de Friedel o cloroaluminato tricálcico

(3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O). Por lo tanto, la adición de CV genera, en la

matriz cementante, un contenido más alto de sal de Friedel, y en

consecuencia niveles más bajos de cloruros libres, los cuales son

responsables en este caso de la corrosión localizada del acero de refuerzo.

Lo anterior se constató mediante difracción de rayos X en muestras de

polvo. Como puede observarse en la Fig. 3-13, el compuesto (sal de

Friedel) se detectó (pico más intenso en 2 = 11.18) en cada una de las

mezclas (con 100% CPC y reemplazando CPC con 30% CV); sin embargo,

se observan intensidades más altas para la mezcla con CV que para la

mezcla con 100% CPC.

83

5 10 15

50

100

150

50

100

150

2005 10 15

Inte

nsid

ad

(Co

nte

os)

Angulo (2)

AR 100% CPC

Inte

nsid

ad

(Co

nte

os)

AR 30% CV

Fig. 3-13 Patrón de difracción de rayos X – Sal de Friedel

A partir de los valores de icorr en el mes 12, considerando que el nivel de

corrosión se mantiene constante y que cuando el acero de refuerzo reduce

en un 2% su diámetro inicial se producen agrietamientos mayores en el

concreto con la respectiva pérdida de serviceabilidad, se determinó la vida

de servicio a tal nivel de daño para cada mezcla de prueba. En la Fig. 3-14

se muestran los resultados donde puede observarse una diferencia

importante entre la durabilidad del sistema AR 100% CPC con el resto de

los sistemas. Esto demuestra que usar 100% de AR sin MCS se traduce en

una reducción de vida de servicio de cerca de 60 años; sin embargo al

reemplazar cemento con MCS se contribuye en prolongar la vida de

servicio de los sistemas concreto-acero.

84

Fig. 3-14 Vida de servicio en función del deterioro por corrosión

3.4. Carbonatación

La Fig. 3-15 ilustra la variación de la profundidad de carbonatación en las

probetas a lo largo del tiempo de exposición. Se puede observar en esta

figura que el concreto con 100% de AR y sin MCS exhibe mayores

profundidades de carbonatación que el concreto convencional, menores

valores que el concreto con CV y similar comportamiento que la mezcla

con HS. El hecho de que el concreto con MCS presente mayores

profundidades de carbonatación puede atribuirse a la reacción puzolánica

de los MCS, la cual consume CH y consecuentemente reduce la alcalinidad

del concreto permitiendo un avance mayor del frente de carbonatación.

Aunque el HS es de mayor reactividad que la CV y por lo tanto, durante la

reacción puzolánica se consume más y a mayor velocidad el CH, la mezcla

AR 100% HS presentó menor avance del frente de carbonatación que la

mezcla AR 30% CV debido al refinamiento del sistema poroso que dominó

a pesar del mayor consumo de CH.

85

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12Avance

delfr

ente

de

carb

onata

ció

n,

X(m

m)

Tiempo de exposición (días)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HS

Fig. 3-15 Variación de la profundidad de carbonatación en función del tiempo de

exposición

Tomando en cuenta que el proceso de carbonatación estuvo acelerado 14

veces con respecto a condiciones normales de exposición, en la Fig. 3-16

se presentan los avances de carbonatación extrapolados a tales

condiciones considerando el coeficiente de carbonatación (k) a los 30 días

de exposición. Puede observarse en esta figura que para elementos de

concreto tipo AR 100% CPC y AR 10% HS y relación a/c=0.5 es suficiente

un recubrimiento al acero de 15 mm para garantizar una durabilidad, ante

el fenómeno de carbonatación, cercana a los 100 años. En cuanto a

elementos de concreto tipo AR 30% CV se requiere un recubrimiento

mínimo de 20 mm para alcanzar tal durabilidad.

86

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0

5

10

15

20

25

Recubrim

iento

(mm

)

Tiempo de carbonatación (años)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HS

Fig. 3-16 Avance de carbonatación extrapolado a condiciones reales

3.5. Resistencia a los sulfatos

Los resultados de pérdida de peso de las mezclas de concreto expuestas a

sulfatos están presentados en función del tiempo de exposición en la Fig.

3-17. Estos datos indican que la pérdida de peso de todas las mezclas

inicialmente es negativa debido a un incremento en el peso de las

probetas expuestas, comparado con su peso inicial. Sin embargo, la

pérdida de peso se incrementa considerablemente después de cinco meses

para las probetas AR 100% CPC y AN 100% CPC, siendo mayor el

incremento para la primera. Para las probetas con MCS el incremento de

pérdida de peso no es abrupto y se presenta a partir de ocho meses. Este

comportamiento obedece a que al inicio de la exposición el sistema de

poros capilares es ocupado por productos de reacción poco expansivos

densificando la matriz e incrementando el peso. En seguida, la expansión

de dichos productos se incrementa en gran medida generando fracturas en

87

la matriz cementante, desprendimiento de material y por lo tanto el peso

de las probetas decrece.

0 2 4 6 8 10 12

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8Pérd

ida

de

peso

(%)

Tiempo de exposición (mes)

AN 100% CPC

AR 100% CPC

AR 30% CV

AR 10% HS

Fig. 3-17 Evolución de la pérdida de peso de las probetas por ataque de sulfatos

De acuerdo a la Fig. 3-17, la máxima pérdida de peso la presentó la

mezcla AR 100% CPC con un 7.4% al final del periodo, seguido de AN

100% CPC con 4.4% y de las mezclas con MCS cuya pérdida rondó

alrededor del 1%. De lo anterior se resalta una vez más la contribución de

los MCS en el refinamiento de poros, lo cual impide la fácil penetración de

iones sulfato hacia y dentro del concreto. Caso contrario cuando se usa AR

al 100% que contribuye de gran manera a la penetración de dichos iones y

por consiguiente el deterioro es mayor. Otra causa probable de la

efectividad de los MCS en reducir el deterioro por sulfatos es el consumo

de CH durante la reacción puzolánica, lo que significa que la cantidad de

yeso formado puede ser menor en las mezclas con MCS en comparación

con las mezclas con 100% CPC.

88

En la Fig. 3-18 se puede observar el estado final de las probetas expuestas

durante doce meses.

Fig. 3-18 Estado de las probetas expuestas a sulfatos por 12 meses

89

4. CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos bajo las condiciones experimentales de este

estudio se concluye lo siguiente:

• El uso de agregados reciclados (AR) y cenizas volantes (CV) se

traduce en pérdida de resistencia a compresión del concreto (15%),

sin embargo, las mezclas con estos materiales sobrepasan, a los 90

días, la resistencia mínima de 20 MPa que exige la mayoría de los

proyectos de construcción en México.

• El uso de 10% de humo de sílice (HS) incrementa hasta en un 45%

la resistencia a compresión del concreto fabricado con agregados

reciclados (CAR).

• El uso de 100% de AR incrementa, en el concreto, la porosidad total

(20%), porosidad efectiva (32%), permeabilidad (21%) y

penetración de iones cloruro (30%).

• El uso de 30% CV reduce, en el CAR, la porosidad total (15%),

porosidad efectiva (30%), permeabilidad (15%) y penetración de

iones cloruro (300%).

• El uso de 10% HS reduce, en el CAR, la porosidad total (37%),

porosidad efectiva (47%), permeabilidad (54%) y penetración de

iones cloruro (500%).

• El reemplazo del 100% de AN por AR disminuye la resistividad

eléctrica del concreto y el tiempo de iniciación de la corrosión del

refuerzo, además de incrementar su velocidad.

• La CV duplica y el HS cuadriplica la resistividad eléctrica () del CAR,

además de retrasar el tiempo de inicio de la corrosión del refuerzo y

disminuir su velocidad.

90

• Aunque el HS es más reactivo que la CV y consume mayor cantidad

de CH, el concreto AR 10% HS presentó menor profundidad de

carbonatación porque gobernó el refinamiento de poros.

• El uso de MCS en CAR limita a valores mínimos (1%) el deterioro por

ataque de sulfatos.

• El concreto fabricado con 100% de AR y con reemplazo parcial de

cemento portland por 30% CV presenta menor desempeño en

resistencia a compresión y mayor desempeño en durabilidad que el

concreto convencional.

• El concreto fabricado con 100% de AR y con reemplazo parcial de

cemento portland por 10% de HS presenta un desempeño en

resistencia y durabilidad superior con respecto al concreto

convencional.

• A pesar de la menor calidad de los AR, fabricar concreto con ellos y

con subproductos industriales (en reemplazo parcial del cemento

portland), es una alternativa viable para incrementar la durabilidad

de las estructuras de concreto reforzado y contribuir en la

sustentabilidad de la industria de la construcción.

91

5. REFERENCIAS

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100

6. PRODUCTOS

• Premio a mejor fotografía científica 2010 otorgado por la Sociedad

de Materiales de España.

• Sexto lugar en el ACI Projects Competition 2009 otorgado por

American Concrete Institute.

• Tres publicaciones en revista arbitrada:

(1) “Dielectric and Electrochemical Properties of Sustainable Concrete”,2010. R. Corral-Higuera, S. P. Arredondo-Rea, M.A. Neri-Flores, V.Orozco-Carmona, J.M. Gómez-Soberón, F. Almeraya-Calderón, J. L.Almaral-Sánchez, Journal of Electrochemical Society Transactions,29 (1): 115-124. http://dx.doi.org/10.1149/1.3532309

(2) “Corrosion of Steel in Concrete with Recycled Aggregate andPozzolanic Materials”, 2009. Corral Higuera R., Arredondo ReaS.P., Almaral Sánchez J.L., Castorena González J.H., Neri FloresM.A., Martínez Villafañe A., Almeraya Calderón F., Journal ofElectrochemical Society Transactions, 20 (1): pp. 477-487.http://dx.doi.org/10.1149/1.3268415

(3) “Efficiency of supplementary materials against steel corrosion inconcrete with recycled aggregate exposed to sulfates”, 2009.Arredondo Rea S.P., Corral Higuera R., Almaral Sánchez J.L.,Castorena González J.H., Neri Flores M.A., Martínez Villafañe A.,Almeraya Calderón F., Journal of Electrochemical SocietyTransactions, 20 (1): pp. 499-506.http://dx.doi.org/10.1149/1.3268417

• Tres publicaciones en revista indexada en el Journal Citation Report:

(1) “Chloride ion penetrability and Corrosion Behavior of Steel inConcrete with Sustainability Characteristics”, 2011. R. Corral-Higuera, S. P. Arredondo-Rea, M.A. Neri-Flores, J.M. Gómez-Soberón, J.H. Castorena González, F. Almeraya-Calderón, J. L.Almaral-Sánchez, International Journal of Electrochemical Science, 6(4): 958-970. FI=2.175.http://www.electrochemsci.org/papers/vol6/6040958.pdf

(2) “Sulfate Attack and Reinforcement Corrosion in Concrete withRecycled Concrete Aggregates and Supplementary Cementing

101

Materials”, 2011. R. Corral-Higuera, S. P. Arredondo-Rea, M.A.Neri-Flores, J.M. Gómez-Soberón, J.H. Castorena González, F.Almeraya-Calderón, J. L. Almaral-Sánchez, International Journal ofElectrochemical Science, 6 (3): 613-621. FI=2.175.http://www.electrochemsci.org/papers/vol6/6030613.pdf

(3) “Electrochemical Corrosion and Electrical Resistivity of ReinforcedRecycled Aggregate Concrete”, 2011. S. P. Arredondo-Rea, R.Corral-Higuera, M.A. Neri-Flores, J.M. Gómez-Soberón, J.H.Castorena González, F. Almeraya-Calderón, J. L. Almaral-Sánchez,International Journal of Electrochemical Science, 6 (2): 475-483.FI=2.175. http://www.electrochemsci.org/papers/vol6/6020475.pdf

• Seis publicaciones en memorias de congresos nacionales.

• Cuatro publicaciones en memorias de congresos internacionales.

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