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ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA Y CONVENCIONALES CON CENIZA DE CASCARA DE ARROZ.
Gemma Rodríguez de Sensale*, Denise C.C. Dal Molin** * Instituto de Ensayo de Materiales, Fac. de Ing., Universidad de la República, Uruguay. ** Curso de Pos-Graduacao em Eng. Civil, U.F.R.G.S., Brasil
SUMARIO Este trabajo tiene por objetivo estudiar la influencia de la incorporación de ceniza de cáscara de arroz en algunas propiedades mecánicas básicas de los hormigones de alta resistencia y de los hormigones convencionales: resistencia a compresión, resistencia a tracción y módulo de elasticidad, considerando como variables la influencia de la edad, la relación agua/(cemento + ceniza de cáscara de arroz) y el porcentaje de ceniza . El estudio fue hecho con una ceniza obtenida con control de combustión. Paralelamente fue hecho un estudio comparativo de los resultados obtenidos con esta ceniza y una ceniza residual (obtenida sin control de combustión) en la resistencia a compresión del hormigón, a los 28 días de edad. Los resultados obtenidos son comparados con los de hormigones sin ceniza de cáscara de arroz, y con los obtenidos por otros investigadores.
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1 INTRODUCCION Entre los diversos residuos y subproductos existentes la posibilidad de utilización de la ceniza de cáscara de arroz en la producción de hormigones estructurales es muy significativa para Brasil, que es uno de los mayores productores mundiales, donde la producción de arroz en la zafra 1998/1999 llegó a 11.289.100 toneladas, y para Uruguay pues el arroz es el cultivo agrícola de mayor producción actualmente donde, en el año 1999, la producción fue de 1.300.000 toneladas de arroz. El arroz es una de las plantas que contiene grandes cantidades de silicatos, principalmente en la cáscara. Siendo considerada un residuo, no sirve para alimentación de animales pues tiene pocas propiedades nutrientes. Sumado a ésto, posee una superficie irregular y abrasiva, siendo muy resistente a la degradación natural, hecho que genera serio problemas de acumulación. La manera mas usual de reducir la cantidad de este residuo es quemándolo a cielo abierto, donde se obtiene ceniza que agrede el ambiente mediante la polución aérea, del suelo o de manantiales acuíferos. Cada tonelada de arroz en cáscara produce cerca de 200 kg de cáscara, lo que por combustión produce aproximadamente 40 kg de ceniza; o sea, cuando sufre combustión, cerca de 20% de la cáscara es convertida en ceniza. Según MEHTA (1992), no hay otro residuo agrícola con mayor cantidad de ceniza cuando es quemado. La obtención de ceniza de cáscara de arroz, hoy, en Brasil y Uruguay, es apenas el resultado del proceso de secado de los granos utilizados por las industrias beneficiadoras, siendo un residuo sin aplicación definida. Acumular estos residuos en terrenos representa una pérdida de material y causa serios problemas de polución ambiental. El descarte como agregado para hormigón o en relleno de terrenos es un aprovechamiento menos noble que no utiliza el potencial de este producto como material suplementario de cementos y hormigones, según MALHOTRA y MEHTA (1996). Tanto las ventajas técnicas que la utilización de la ceniza de cáscara de arroz promueve en casi todas las características de los hormigones estructurales, como los beneficios sociales relacionados con la reducción de problemas de deposición en el medio ambiente, sirven, cada vez más, de estímulo al desarrollo de investigaciones sobre potencialidades de este material. Debido a estos hechos, dentro del contexto actual de aprovechamiento de residuos y generación de nuevos materiales, este trabajo pretende contribuir para el futuro empleo de la ceniza de cáscara de arroz, que actualmente es un residuo que no posee aplicación específica y genera serios problemas ambientales, en hormigones convencionales y de alta resistencia (resistencias superiores a 40 MPa). La ceniza de cáscara de arroz es una adición mineral para el hormigón; cuando es producida por combustión controlada puede resultar en una puzolana altamente reactiva (MEHTA y MONTEIRO, 1994; MALHOTRA y MEHTA, 1996) contribuyendo para el aumento de la resistencia mecánica en las edades iniciales del hormigón. Cuando no es quemada por combustión controlada está dentro de la clasificación de puzolana poco reactiva. Debido a lo anteriormente mencionado, este trabajo tiene como objetivo principal estudiar la influencia de la incorporación de ceniza de cáscara de arroz en las propiedades mecánicas de hormigones de alta resistencia, y de hormigones convencionales, a los efectos de definir algunas propiedades básicas del material: resistencia a la compresión, resistencia a la tracción y módulo de elasticidad, verificando la influencia de la edad, de la relación agua/(cemento+ceniza de cásca de arroz) y del porcentaje de adición. Se tiene como objetivo secundario brindar subsidios para el establecimiento de algunos parámetros relativos al comportamiento del hormigón de alta resistencia producido con ceniza de cáscara de arroz y, de esta forma, contribuir para su normalización y utilización, dejando de ser esta ceniza un residuo sin aplicación. También es hecho un estudio de la importancia relativa al efecto del tipo de ceniza de cáscara de arroz pues, en la bibliografia (MEHTA y MONTEIRO, 1994; MALHOTRA y MEHTA, 1996), se habla del aumento de la resistencia de los hormigones con adición de ceniza de cáscara de arroz obtenida con control de combustión, y no se tienen estudios comparando los resultados en hormigones con ceniza obtenida sin control. 2 INVESTIGACION EXPERIMENTAL Para la obtención de los parámetros que caracterizan el hormigón con y sin ceniza de cáscara de arroz se procedió a la realización de los siguientes ensayos mecánicos: resistencia a la compresión (fc), resistencia a la tracción por compresión diametral (ft, D), resistencia a la tracción por flexión (ft, F), módulo de elasticidad (Ec). Para auxiliar en la comprensión de los cambios que ocurren en las propiedades mecánicas de los hormigones estudiados e investigar sobre la influencia del efecto puzolánico y del tipo de ceniza de cásca de arroz, fue hecho un análisis de la microestructura con utilización de microscopio electrónico de barredura y difracción de rayos-X. A continuación se describen los datos y características de los procedimientos y materiales utilizados. 2.1 PLANEAMIENTO DE LOS ENSAYOS Como casi siempre los experimentos con materiales de construcción envuelven muchos factores, siendo necesario estudiar el efecto interrelacionado de estos factores o variables sobre la respuesta del experimento, normalmente es hecho un estudio de todas las combinaciones posibles entre las variables involucradas. A medida en que el número de factores o variables del proyecto aumenta, el número de combinaciones crece muy rápidamente, motivo por el cual en
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un determinado momento es necesario limitar las variables, sea por cuestiones económicas, de tiempo o trabajo involucrado; entonces el fraccionamiento de proyectos surge como una alternativa muy poderosa donde apenas una fracción de las combinaciones es ensayada (MONTGOMERY, 1986; NANNI y RIBEIRO, 1992). DAL MOLIN (1995) verificó que la técnica estadística del fraccionamiento de proyecto podría ser utilizada sin prejuicio de las conclusiones y modelado del comportamiento de los hormigones ensayados. Debido a ello, en esta investigación, fue empleado el fraccionamiento del proyecto. 2.1.1 Ensayos mecánicos Fueron definidas las siguientes variables: a) Relación agua/(cemento+ceniza de cáscara de arroz) o a/(c+CCA): 0,25; 0,28; 0,32; 0,40; y 0,50. Estos valores fueron adoptados considerando que la Ley de Abrams es una función exponencial decreciente, donde pequeñas variaciones en los términos próximos a la rama descendente de la curva (bajas relaciones a/c), provocan cambios considerables en la resistencia del hormigón. Así, para abarcar una faja razonable de resistencia a la compresión, llegando a hormigones de media y baja resistencia, donde los valores adoptados de a/c varían 0,25 a 0,50 fue establecida una progresión aritmética de razón igual a 0,025 cuyo primer término fue 0,25. b) edad: 1, 7, 28, 63 y 91 días. Las edades para realización de los ensayos fueron establecidas buscando adoptar edades comunmente utilizadas en análisis de comportamiento de hormigones (MALHOTRA y MEHTA, 1996; DAL MOLIN, 1995). c) Sustituciones: 0, 5%, 10%, 15% y 20% de ceniza de cáscara de arroz según MEHTA (1992). Después de definidas las variables controladas, llevando en cuenta que el número de probetas de cada muestra fue n=3, o sea, 3 ejemplares por variable analizada, surge la TABLA 2.1 que muestra, de forma esquemática, la programación de los ensayos si el proyecto de experimento fuera completo. TABLA 2.1 - Variables a ser analizadas en el programa experimental con proyecto completo- ensayos mecánicos CCA (%) 0 5 10 15 20 TOTAL: 5
a/(c+CCA) 0,25 0,28 0,32 0,40 0,50 5
Ensayos a realizar - Compresión simple - Tracción por compr. - Tracción por flexión - Módulo de elasticidad.
No. de probetas 375 375 375 375
5
1500
Para fraccionar el proyecto completo, se procedió de la forma indicada en las TABLAS 3.1, 3.6 y 3.9, donde se presentan los resultados de los ensayos de laboratorio que fueron realizados; los demás valores se evaluaron estadísticamente. El número de ensayos, que con un proyecto completo era de 375 para cada propiedad mecánica, considerando 3 repeticiones, pasó a ser de 105 con el proyecto fraccionado lo cual muestra las ventajas obtenidas con este tipo de proyecto de experimento. Para estudiar la resistencia a compresión, a tracción por compresión diametral y el módulo de elasticidad se empleó el fraccionamiento como se indica en la TABLAS 3.1, 3.6 y 3.9, mientras que para tracción por flexión debido a que el tamaño de las probetas es muy grande (15x15x60cm) se ensayaron probetas, a los 28 días de edad, con 0%, 10% y 20% de CCA en las relaciones a/(c+CCA) de 0.25, 0.32 y 0.50 mientras que en las relaciones 0.28 y 0.40 se emplearon 5% y 15% de CCA. Por lo que el número total de probetas ensayadas fue de 354 para estudiar estas propiedades mecánicas Para estudiar la importancia del tipo de ceniza de cáscara de arroz empleada fueron hechos ensayos, sólo a la compresión simple, con ceniza uruguaya, a la edad de 28 días, considerando tres relaciones agua/(cemento +CCA): 0,25; 0,32 y 0,50 con tres porcentajes de adición: 0%, 10% y 20%, los que se compararon con los correspondientes resultados obtenidos con ceniza proveniente de Estados Unidos; el número de ensayos hecho con ceniza de cáscara de arroz uruguaya fue de 27 ; entonces el número total de probetas ensayadas pasó a ser de 381. Con todos los parámetros establecidos, se pasó a la ejecución de los ensayos. 2.1.2 Ensayos de microestructura Como el número de variables controladas es muy grande para un estudio a través de la microestructura, fueron seleccionadas las mezclas con relaciones agua/(cemento+CCA) de 0,32 y 0,50 para caracterizar el hormigón de alta resistencia y el convencional, con ceniza de cáscara de arroz obtenida por combustión controlada y sin ceniza de cáscara de arroz, las cuales se estudiaron en dos edades distintas, 1 y 28 días; también para estudiar el efecto del tipo de ceniza se utilizó ceniza de cáscara de arroz residual la cual se estudió sólo a la edad de 28 días. La TABLA 2.2 muestra, de forma esquemática, la programación de los ensayos de microestructura .
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TABLA 2.2 - Variables analizadas en el programa experimental - ensayos de microestructura CCA (%) 0 10 20
a/(c+CCA) 0,32 0,50
Edad (días) 1 28
Ensayos realizados-Tipo de mezcla MEB - Hormigón Difracción de rayos X – pasta
2.2 METODOLOGIA PARA EJECUCION DE LOS ENSAYOS MECÁNICOS La ejecución de los ensayos fue programada para cada propiedad mecánica (fc; ft, D; ft, F; Ec), considerando tres variables (a/(c+CCA) , edad y porcentaje de substitución de cemento por CCA), optándose por distribuírlos aleatoriamente durante la confección de las probetas a los efectos de garantizar la representatividad de los resultados y minimizar la influencia de las variables que no podrían ser controladas, tales como la temperatura, humedad relativa del aire, etc. Los métodos de ensayo adoptados para la determinación de las propiedades mecánicas son presentados en la TABLA 2.3; allí se puede observar que fueron utilizados procedimientos de ensayo basados en Normas Mercosur (NM), excepto para la determinación del módulo de elasticidad donde se empleó el Anteproyecto de Norma Mercosur respectivo en la segunda versión de febrero de 1999, siendo a la fecha la última versión que se tiene del ensayo respectivo. TABLA 2.3 - Métodos de ensayo para determinación de las propiedades mecánicas DETERMINACIÓN Resistencia a la compresión - fc Resistencia a la tracción por compresión diametral - ft, D Resistencia a la tracción por flexión - ft, F Módulo de elasticidad - Ec
MÉTODO DE ENSAYO NM 101-97 NM 08-96 NM 55-96 ANM 05: 03-0124 –1999
Los materiales y procedimientos utilizados para la ejecución del programa experimental están descriptos a continuación: 2.2.1 Selección y caracterización de los materiales 2.2.1.1 Cemento Fue utilizado Cemento Portland común, cuyas características químicas, físicas y mecánicas están presentadas en la TABLA 2.4 2.2.1.2 Agregados El agregado fino utilizado para los hormigones fue arena de origen cuartzoso del rio Santa Lucía, con módulo de finura igual a 2,71 y peso específico de 2,63 g/cm3 . El agregado grueso utilizado fue de origen granítico, con dimensión máxima característica de 12,5 mm y peso específico aparente de 2.65 g/cm3. Todo el agregado fue lavado y secado en estufa. 2.2.1.3 Agua Se utilizó agua proveniente de la red de abastecimiento local. 2.2.1.4 Aditivo superplastificante Se utilizó aditivo superplastificante a base de naftaleno sulfonado. Según diversos investigadores (ZHANG y MALHOTRA, 1996; ZHANG et al, 1996; entre otros) este tipo de aditivo presenta mejor desempeño en ensayos previos de compatibilidad con el cemento y la ceniza de cáscara de arroz. El aditivo superplastificante empleado presenta densidad de 1.20 y porcentaje de sólidos de 42%. 2.2.1.5 Ceniza de cáscara de arroz Ceniza de cáscara de arroz (CCA) producida por combustión controlada, proveniente de Estados Unidos (USA), fue empleada principalmente en este trabajo. Sus características físicas y químicas están descritas en la TABLA 2.4 siendo el tamaño medio de sus partículas de 49 µ m .El espectro de difracción de rayos X de esta ceniza, según se observa en la FIGURA 2.1(a), corresponde al espectro de una CCA amorfa, por lo cual en este trabajo se llama así o USA.
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En menor cantidad, también se empleó ceniza de cáscara de arroz residual producida sin control de temperatura ni de tiempo de exposición del único productor del material en Uruguay. Esta ceniza es producida por un proceso automatizado, en el proceso de quema de la cáscara para la generación de calor para la parboilización de los granos de arroz. Sus características constan en la TABLA 2.4 siendo el tamaño medio de sus partículas de 64 µ m . El espectro de difracción de rayos X de esta ceniza presentado en la FIGURA 2.1(b) corresponde al de una CCA cristalina motivo por el cual en el presente trabajo se llamará así o UY. TABELA 2.4 - Caracterización del cemento y de las cenizas de cáscara de arroz utilizadas en los hormigones Cemento
CCA amorfa
CCA cristalina
3140 320 22,4 4:43 7:15
2160 24,3 -
2060 38,9 -
24,7 2,9 1,2 64,4 3,5 0,17 0,12 1,9 1,4 0,57
88 0,1 0,8 0,2 0,2 0,7 2,2 0,2 4,9 -
87,2 0,15 0,16 0,55 0,35 1,12 3,60 0,32 6,55 -
47,8 34,7 5,7 3,6
-
-
7,6 17,47 25,51 41,71
-
-
2,03 3,74 4,92 6,71
-
-
2-THETA (graus)
500
2-THETA (graus)
(a)
(b)
FIGURA 2.1 Difractograma de rayos X de las cenizas de cáscara de arroz empleadas: (a) proveniente de Estados Unidos ; (b) proveniente de Uruguay.
4
70.08
66.76
63.44
60.12
56.80
53.48
50.16
46.84
43.52
40.20
36.88
33.56
30.24
0 26.92
70.08
66.76
63.44
60.12
56.80
53.48
50.16
46.84
43.52
40.20
36.88
33.56
30.24
26.92
23.60
20.28
16.96
13.64
7.00
0
23.60
100
1000
20.28
200
1500
16.96
300
2000
13.64
400
2500
7.00
500
10.32
INTENSIDADE (un.arb.)
600
10.32
INTENSIDADE (un.arb.)
Propriedades fisicas Peso especifico absoluto, kg/m3 Finura, Blaine, m2/kg Finura, absorción por nitrogeno, m2/g Agua de la pasta de consistencia normal, % Inicio de fraguado, hs:min Fin de fraguado, hs:min Análisis químico, % Oxido de silicio (SiO2) Oxido de aluminio (Al2O3) Oxido de hierro (Fe2O3) Oxido de calcio Total (CaO) Oxido de magnesio (MgO) Oxido de manganeso (MnO) Oxido de sodio (Na2O) Oxido de potasio (K2O) Oxido de azufre (SO3) Oxido de fósforo (P2O5) Pérdida al fuego Resíduo insoluble Composición Potencial, % Silicato tricálcico (C3S) Silicato Dicálcico (C2S) Aluminato tricálcico (C3A) Ferroaluminato tetracálcico (C4AF) Propiedades Mecánicas, MPa Resistencia a compresión 1 día 3 días 7 días 28 días Resistencia a flexión 1 día 3 días 7 días 28 días
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La CCA de Uruguay debido al proceso de obtención tiene mucha humedad, por lo que fue previamente secada en estufa. Para la utilización en hormigones las dos cenizas sufrieron un proceso de molienda donde se utilizó un molino de muelas cargado con 2kg de CCA por vez. El tiempo de molienda para cada ceniza fue definido en función de los resultados de determinaciones de tamaño medio de partículas con láser hasta que el mismo fue de 7-8 µ m ( óptimo según MEHTA, 1994). Así, el tiempo de molienda adoptado fue de 2 horas 15 minutos para la CCA de Estados Unidos y de 3 horas 30 minutos para la CCA de Uruguay; las superfícies específicas de las CCA molidas (área BET , por absorción de nitrógeno ), con estos tiempos de molienda, resultaron ser de 46.78 m2/g y 41.02 m2/g , respectivamente. 2.2.2 Dosificación de los materiales La dosificación de los materiales para la ejecución del hormigón fue determinada considerando la relación agua/aglomerante y el porcentaje de ceniza. Se utilizó la metodología presentada por MEHTA y AITCIN (1990) . La sustitución de cemento por CCA fue hecha en volumen absoluto de cemento. La TABLA 2.5 presenta la dosificación de los materiales utilizados para la realización de los hormigones. El porcentaje de aditivo empleado se determinó para permitir ajustes finales de consistencia, para los diferentes hormigones, hasta obtener un abatimiento de tronco de cono de 60 ± 20 mm y se presenta en la TABLA 2.6 donde está dado en porcentaje relativo al peso del cemento. La cantidad de agua fue alterada en el momento de la mezcla llevando en consideración que el aditivo contiene 42% de sólidos por lo que aproximadamente 58% de la cantidad de aditivo utilizado es constituído por agua. Se puede observar que la CCA residual, debido a su menor superficie específica luego de la molienda, requiere menores cantidades de aditivo que la obtenida con combustión controlada. TABLA 2.5 – Cantidad de materiales para la realización de los hormigones A (c+CCA) 0,25
0,28 0,32
0,40 0,50
CCA (%) 0 10 20 5 15 0 10 20 5 15 0 10 20
Água (kg/m3) 149 144 140 156 150 171 165 160 185 180 204 197 187
Cemento (kg/m3) 597 537 477 537 480 534 481 427 447,5 400 408 367 327
CCA (kg/m3) 39,14 78,28 18,6 55,6 35 70 15,5 46,35 27 47
Ag. Fino (kg/m3) 650 650 650 670 670 690 690 690 723 723 758 758 758
Ag. Grueso (kg/m3) 1090 1090 1090 1070 1070 1050 1050 1050 1018 1018 983 983 983
Peso Total (kg/m3) 2477 2456 2435 2446 2426 2434 2416 2397 2389 2368 2353 2332 2302
TABLA 2.6 – Porcentaje de aditivo empleado y abatimientos obtenidos con ceniza de Estados Unidos (USA) y de Uruguay (UY) A/(c+CCA) 0,25
0,28 0,32
0,40 0,50
Sustitución (%) 0 10 20 5 15 0 10 20 5 15 0 10 20
CENIZA USA Aditivo (%) Abatimiento (mm) 1,75 42 1,9 41 3,15 44 1,05 58 1,27 58 0,40 47 0,68 56 0,85 63 0,27 56 0,40 65 61 0,30 79 0,40 53
5
CENIZA UY Aditivo (%) Abatimiento (mm) 0,7 1,11
46 42
0,14 0,18
45 48
-
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2.2.3 Producción y preparación de las probetas La mezcla de los materiales fue hecha en hormigonera de eje inclinado. Transcurrido el período de mezcla (3 minutos) fue medido el abatimiento de tronco de cono según la NM 67-96. Los valores obtenidos se encuentran resumidos en la TABLA 2.6. Para la determinación de la resistencia a compresión y la resistencia a tracción por compresión diametral fueron realizadas probetas cilíndricas de 10.3 x 20.6 cm; para la determinación de la resistencia a tracción por flexión fueron llenadas probetas prismáticas de 15 x 15 x 60 cm ; para la determinación del módulo de elasticidad (Ec) fueron llenadas probetas cilíndricas, de 15 x 30 cm. El proceso de adensamiento adoptado fue manual, siguiendo las prescripciones de la norma NBR 5738 (1994). Después de llenados los moldes fueron etiquetados, cubiertos y mantenidos en ambiente de laboratorio por aproximadamente 24 horas. Cabe observar que las probetas correspondientes a la relación a/(c+CCA) = 0.25 estuvieron 48 horas em ambiente de laboratorio, mientras que en esa misma relación a/(c+CCA) con 20% de CCA obtenida por combustión controlada estuvieron 72 horas y debido a las características del tipo de cemento empleado y también al alto porcentaje de aditivo empleado que era muy superior al recomendado por el fabricante no se podían desmoldar . Pasado ese período, se procedía al desmolde y las probetas eran colocadas en cámara húmeda con humedad relativa superior a 90 % y temperatura de 23 ± 2°C hasta la fecha de rotura, siendo retiradas de la cámara húmeda una hora antes del ensayo. Para la determinación de la resistencia a la compresión de las probetas cilíndricas de un día de edad fue utilizado el encabezado convencional de azufre. Para las otras edades se optó por el empleo de neopreno de dureza 60 para las relaciones a/c de 0.5 y 0.4 mientras que para las otras se empleó neopreno de dureza 70 pues los encabezados tradicionales no son recomendados para trabajar con hormigones de alta resistencia. 2.3 METODOLOGIA PARA EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS DE MICROESTRUCTURA Para el análisis por microscopía electrónica de barredura (MEB), con electrones secundarios, las muestras fueron obtenidas por fractura, lo mas plana posible, de pedazos de probetas de hormigón. Después de su obtención, las muestras fueron inmersas en acetona con la finalidad de extraer toda el agua y paralizar la hidratación. A continuación, fueron mantenidas en un desecador, en vacío, hasta la fecha del ensayo. Antes del análisis en el microscopio electrónico las muestras fueron revestidas con una fina película de plata a los efectos de evitar la generación de cargas electrostáticas que afecten la calidad de la imagen y permitir la disipación del calor producido por el bombardeo de electrones durante el análisis en microscopio electrónico. Para el análisis por difracción de rayos-X fueron hechas probetas de pastas y curadas en cámara húmeda. En las edades establecidas las muestras fueron preparadas siendo molidas y tamizadas, el mismo día del ensayo. 3 PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS En este ítem se presentan, analizan, interpretan y discuten los resultados obtenidos en los ensayos realizados en el programa experimental descrito en el ítem 2. El análisis fue realizado con el auxilio de paquetes estadísticos. 3.1 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN La TABLA 3.1 resume los resultados obtenidos para resistencia a compresión uniaxial de los hormigones sin y con CCA obtenida por combustión controlada, donde cada valor presentado representa la media (MPa), el desvio padrón (MPa) y el coeficiente de variación (%) de tres observaciones experimentales. Considerando que el proyecto del experimento fue fraccionado, se definió un modelo de regresión múltiple que presentase buen ajuste a los datos experimentales. Según NANNI y RIBEIRO (1992), el modelo general de regresión múltiple lineal es: (3.1) µ y = β 0 + β 1x1 +...+ β k xk x
Para creación de modelos de regresión, las variables relación a/(c+CCA), %CCA y edad fueron codificadas para que los niveles quedasen entre -1 y 1 y las variables que estaban en el denominador fueron codificadas entre 0.5 y 1.5.La expresión resultante para el modelo de ajuste fue:
fc = β 0 + β 1 •
1
( Agc )
0, 5
+ β2 •
1
(Ed )2
+ β 3 • Agcem • CCA + β 4 • CCA • Edad
6
(3.2)
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TABLA 3.1 Resistencia a la compresión - Parámetros estadísticos básicos a/agl 0,5
0,4
%CCA 1 dia 0 media desvío cvar 10 media desvío cvar 20 media desvío cvar 5
7 d.
media desvío cvar media desvío cvar
15
0,32
0
10
20
0,28
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
5
0
10
20
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar
63 d. 28,86 0,74 2,58 27,47 1,20 4,38 33,34 1,08 3,24
26,17 1,50 5,72 28,16 1,69 6,00
21,42 1,37 6,40 9,16 0,35 3,80 1,79 0,13 7,26
15
0,25
28 d. media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
6,47 0,06 0,89 4,34 0,03 0,66 1,53 0,06 3,92
41,29 0,44 1,06 16,39 0,46 2,84 1,65 0,03 1,60
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
32,87 1,05 3,19 37 0,65 1,76 46,99 0,78 1,66
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
64,95 0,60 0,93 71,33 0,83 1,16 74,37 3,97 5,33
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
73,55 1,50 2,04 72,37 1,18 1,63 72,94 0,88 1,21
55,89 0,65 1,17 57,7 0,46 0,81
59,59 1,10 1,84 62,69 1,75 2,80 66,62 0,74 1,12
57,28 0,68 1,18 57,64 1,06 1,84
91 d. media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
81,39 0,94 1,16 81,76 1,14 1,39
64,7 0,91 1,41 63,18 0,71 1,12 63,48 1,37 2,16
Con las variables codificadas, los valores obtenidos de las constantes estimadas a partir de los resultados del programa experimental y los valores-p en las variables independientes, fueron estimados los parámetros para el modelo de ajuste que se presentan en la TABLA 3.2. En el modelo desarrollado fueron mantenidos los términos cuya significancia estaba comprobada, presentando valor-p en la prueba t menor que 0,10. Cabe observar que los valores-p son muy pequeños, por lo que no se puede retirar ninguna de las variables adoptadas en el modelo. La expresión final del modelo de ajuste fue:
fc = 15,0025 + 51,1447 •
1
( Agc )
0, 5
− 13,8527 •
1
(Ed )2
+ 3,90339 • Agcem • CCA + 35,80785 • CCA • Edad
7
+
(3.3)
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donde: Agc = relación a/(c+CCA) codificada; Ed = edad (en días) codificada ; Agcem = relación a/(c+CCA) codificada; CCA = ceniza de cáscara de arroz (en %) codificada ; Edad = edad (en días) codificada
TABLA 3.2 Parámetros para el modelo de ajuste de la resistencia a la compresión Parámetro
β0 β1 β2 β3 β4
Valor estimado 15,0025
Valor-p 0,0051
51,1447
0,000
-13,8527
0,000
3,90339
0,0167
5,80785
0,004
El análisis de variancia (ANOVA) del modelo de ajuste se presenta en la TABLA 3.3, donde se observa que el alto valor obtenido de F rechaza la hipótesis nula que el modelo es malo, el cero del valor-p indica que el modelo es significativo, o sea, que existe una relación estadísticamente significativa entre las variables en el intervalo de confianza. El coeficiente de determinación obtenido fue de 0,8439, indicando que el modelo representa 84,39% de la variabilidad en la resistencia a la compresión . TABLA 3.3 Análisis de variancia del modelo de ajuste para la resistencia a la compresión
Modelo Residual Total
Suma de los cuadrados 57342,1 10606,8 67948,8
Grados de Libertad 4 100 104
Media de los cuadrados 14335,5 106,068
F 135,15
Valor-p 0,0000
El error padrón de la estimación fue de 10,2989 e indica el desvio padrón de los residuos, lo cual puede ser empleado para predecir limites de observaciones nuevas. El test estadístico de Durbin-Watson, que indica la existencia de correlación significativa basado en el orden de ocurrencia de los datos experimentales para el modelo de ajuste, resultó en DW=0.262772 < 1.4, indicando que el modelo propuesto se ajusta bien a los datos experimentales. Dentro de los datos experimentales para los cuales el modelo fue ajustado, la regresión de la ecuación (3.3) es válida y da una buena estimación del comportamiento, según se observa en las FIGURAS 3.1, 3.2 y 3.3 donde se fijaron %CCA=10%, edad=28 días y relación agua/CCA=0,32, respectivamente, y fueron montadas las curvas presentadas para estudiar el efecto de dos factores en la resistencia a la compresión. En la FIGURA 3.1 se presenta la interación entre la edad y la relación a/(c+CCA), estadísticamente no significativa, donde se observa que la variación del crecimento de la resistencia a la compresión con la edad (grado de hidratación), para las diferentes relaciones a/(c+CCA) estudiadas, ocurre de forma similar, el crecimiento es mas rápido en las primeras edades, continuando el proceso de hidratación después de los 28 días, siendo el crecimiento de los 63 a los 91 días muy pequeño. La interación edad-a/(c+CCA) no es significativa, según el modelo (3.3), o sea que, tanto para hormigones de alta como de baja relación a/(c+CCA), el crecimiento de la resistencia a compresión es igual, lo que no está de acuerdo con CARRASQUILLO et al.(1981). Esto se debe posiblemente a la presencia de la CCA cuya reacción mas lenta justifica dicho comportamiento como se observa posteriormente en la FIGURA 3.3. La TABLA 3.4 presenta los resultados obtenidos con el modelo en comparación con los resultados de MALHOTRA y MEHTA (1996), ZHANG y MALHOTRA (1996) para cemento ASTM Tipo I, a/c=0,40 con 0 y 10% de CCA, siendo la ceniza de cáscara de arroz empleada obtenida con control de combustión. TABLA 3.4 Resistencia a compresión - valores obtenidos por MALHOTRA MALHOTRA (1996) y del modelo de ajuste fc (MPa)
Edad (días) fc/fc28 (%)
1
7
y MEHTA (1996), ZHANG y 28
MPa
%
MPa
%
10% CCA 10% CCA
22.1 8.3
57.3 19.9
31.1 20.6
80.6 49.0
0% CCA 0% CCA
20.9 13.3
57.4 30.6
28.9 24.8
79.4 56.9
MPa
91 %
MPa
%
38.6 42.1
100 100
47.0 57.6
121.8 136.8
36.4 43.6
100 100
42.5 50.9
116.8 116.9
Malhotraye Mehta(1996) Zhang y Malhotra (1996) Modelo propuesto Malhotra y Mehta(1996) Zhang y Malhotra (1996) Modelo propuesto
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90 80
fc (MPa)
70 1 dia
60
7 dias
50
28 dias
40
63 dias
30
91 dias
20 10 0 0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
a/(c+CCA)
9 0 8 0 7 0
fc (MPa)
6 0 0 ,5
5 0
0 ,4 0 ,3 2
4 0
0 ,2 8 0 ,2 5
3 0 2 0 1 0 0 0
2 0
4 0
E d a d
6 0
8 0
1 0 0
( d ia s )
FIGURA 3.1 Resistencia a la compresión en función de la interación entre a/(c+CCA) y edad, para 10% CCA Los valores de la TABLA 3.4 hacen suponer que la ceniza empleada en la literatura citada posee acción química como material puzolánico de alta reactividad, capaz de combinar rápidamente con el hidróxido de calcio para formar silicato de calcio adicional, que es el principal producto responsable por la resistencia, mientras que la ceniza empleada en este trabajo posee reacción mas lenta, retardando el crecimiento de la resistencia de las mezclas en que es adicionada. A los 28 días de edad y en las edades superiores las resistencias obtenidas en este trabajo son mayores que las de la literatura lo cual se debe a las características del hormigón hecho, pues lo mismo se observa en los hormigones sin ceniza en esas edades; siendo ésto consecuencia del cemento empleado que en este trabajo a los 28 días de edad tiene resistencia a la compresión mas alta, también a que la dimensión máxima del agregado grueso empleado aquí (12.5mm) es menor que la empleada en la literatura referenciada (19mm). En la TABLA 3.4 se observa que en este trabajo, a los 91 días de edad, con 10% de ceniza de cáscara de arroz se obtienen valores 13% mayores que sin ceniza, siendo ésto comparable a los resultados de la literatura referenciada donde en esta edad, con CCA, se tiene valores 11% mayores que sin ceniza. En la FIGURA 3.2 se puede verificar la influencia del % de CCA en la resistencia a compresión para cada relación a/(c+CCA), cabe observar que las curvas de la FIGURA 3.2 fueron hechas para la edad media de 28 días, por lo que el comportamiento a mayor edad puede ser diferente, como se presenta en el estudio de la interación entre el porcentaje de CCA y la edad. Para hormigones de alta resistencia, o sea de baja relación a/(c+CCA), se observa disminución de la resistencia con el aumento del porcentaje de CCA. Para hormigones con a/(c+CCA) mayores que 0.45, se observa aumento de resistencia a compresión con el aumento del porcentaje de CCA. Este comportamiento puede ser justificado, en parte, por la cohesión creciente que presentan los hormigones a medida que se aumenta el porcentaje de CCA y se reduce la relación a/(c+CCA) , dificultando el proceso de adensamiento, que fue realizado manualmente. Con CCA obtenida con control de combustión sólo en MEHTA(1994) se tienen datos disponibles que posibilitan establecer una correlación con los datos de este trabajo en la interación existente entre el porcentaje de CCA y la relación a/(c+CCA). Por lo que, en la TABLA 3.5 se presenta la comparación entre dichos resultados. Los valores de la TABLA 3.5 muestran que la ceniza empleada por MEHTA (1994) actuando como material puzolánico de alta reactividad, a los 28 días de edad, es responsable por el aumento de la resistencia a compresión con el aumento del porcentaje de CCA, mientras que la ceniza empleada en este trabajo debido a que posee reacción mas lenta es responsable por la disminución de la resistencia con el aumento del porcentaje de CCA a los 28 días de edad, ocurriendo lo contrario en edades mayores (63 y 91 días) como se observa posteriormente en la FIGURA 3.3.
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TABLA 3.5 Resistencia a compresión - valores obtenidos por MEHTA (1994) y del modelo de ajuste a los 28 dias de edad- fc %CCA/fc 0%CCA (%)
Mehta(1994)
% CCA a/agl=0.33 a/agl=0.31 a/agl=0.30
100 100 100
118
a/agl=0.32
100
95
Modelo propuesto
0
10
15
20
121 114 91
86
7 5 7 0 6 5
fc (MPa)
6 0 5 5 5 0
0 %
U S A
5 %
U S A
1 0 %
U S A
1 5 %
U S A
2 0 %
U S A
4 5 4 0 3 5 3 0 0 ,2
0 ,2 5
0 ,3
0 ,3 5
0 ,4
0 ,4 5
0 ,5
0 ,5 5
a /(c + C C A )
8 0 7 0
fc (MPa)
6 0 5 0
0 ,5 0 ,4
4 0
0 ,3 2 0 ,2 8
3 0
0 ,2 5
2 0 1 0 0 0
5
1 0
1 5
%
2 0
2 5
C C A
fc (MPa)
FIGURA 3.2 Resistencia a compresión a 28 dias de edad, en función de la interación entre la relación a/(c+CCA) y el porcentaje de sustitución de CCA 8
0
7
0
6
0
5
0
4
0
3
0
2
0
1
0
%
U
S
5
%
U
S
A A
1 0 %
U
S
A
1 5 %
U
S
A
2 0 %
U
S
A
0 0 0
2
0
4
0
I d
a
6
d
e
( d
0
8
0
1
0
0
i a s )
8 0 7 0
fc (MPa)
6 0 1 7 2 6 9
5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0
5
1 0
1 5
C C A
2 0
(% )
FIGURA 3.3 Resistencia a compresión en función de la interación entre %de CCA y edad
10
2 5
dia dias 8 d ia s 3 d ia s 1 d ia s
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La interación existente entre el porcentaje de CCA y la edad puede ser observada en la FIGURA 3.3, donde se nota un comportamiento diferenciado de la acción de la CCA en las diferentes edades estudiadas. Se resalta la importancia de la interación %CCA y edad por ser significativa de la siguiente forma: en los primeros días, cuanto mayor es el porcentaje de CCA, menor es la resistencia a la compresión, sin embargo, en un periodo mayor de días, la cantidad de CCA no influye así en el resultado de resistencia; hasta los 60 días de edad los valores no son prácticamente alterados con el porcentaje de CCA, a partir de esta edad el crecimiento de la resistencia en los hormigones con CCA es mayor que sin ceniza. La ceniza de cáscara de arroz presenta una estructura celular, con superficie microporosa. Cuando es altamente puzolánica, reacciona rápidamente en el ambiente alcalino resultante de la hidratación del cemento Portland y comienzan las reacciones puzolánicas a partir de 1 día de edad (MEHTA y MALHOTRA, 1996; ZHANG et al., 1996). Por otro lado, cuando la CCA no es altamente reactiva es necesario un período de inducción para activar la superficie en el ambiente alcalino resultante de la hidratación del cemento Portland. Considerando que el punto en que el crecimiento de la resistencia en los concretos con CCA es mayor que sin ceniza es próximo a los 60 días de edad, los resultados corroboran que la CCA obtenida por combustión controlada empleada en este trabajo no es una puzolana altamente reactiva como la empleada por ZHANG et al. (1996), MEHTA (1994), MALHOTRA y MEHTA (1996), ZHANG y MALHOTRA (1996). Cabe también observar que debido a que fue hecha sustitución de cemento por ceniza de cáscara de arroz probablemente fue reducida la cantidad de clínquer, entonces las reacciones producidas por la hidratación del cemento Portland y el comienzo de las reacciones puzolánicas fueron alteradas lo cual también puede justificar la edad en que ocurre el punto indicado. 3.2 RESISTENCIA A TRACCIÓN El valor de resistencia a la tracción fue obtenido mediante dos ensayos diferentes; por lo que la TABLA 3.6 resume los resultados obtenidos para la resistencia a tracción por compresión diametral (ft.D) y para resistencia a tracción por flexión (ft,F). Cada valor presentado representa la media de tres observaciones experimentales. Por la observación de los valores de la TABLA 3.6, se percibe de una forma general, que todas las mezclas presentaron elevaciones de los valores medios obtenidos al aumentar la edad y disminuir la relación a/(c+CCA), según lo esperado. En la resistencia a tracción por flexión, debido al tamaño de las probetas empleadas, sólo se evaluó la edad de 28 días. Considerando que el proyecto de experimento fue fraccionado, se definió un modelo de regresión múltiple que representase con buen ajuste los datos experimentales, como fue presentado en el item 3.1, con las variables codificadas de acuerdo con dicho ítem. La expresión final del modelo de ajuste para resistencia a tracción por compresión diametral fue:
ft, D = 2,49691 + 2,34362 •
1 1 − 0,937178 • + 0,5 ( Agc) (Ed )2
(3.4)
+ 0, 209043 • Agcem • CCA + 0,338815 • CCA • Edad y para resistencia a tracción por flexión, a los 28 días de edad, fue:
ft, F = 0,392579 + 4,79639 •
1 − 0,134938 • Agcem • CCA ( Agc) 0,5
(3.5)
El análisis de variancia (ANOVA) de los modelos de ajuste (3.4) y (3.5) se presenta en la TABLA 3.7, donde se observa que el alto valor obtenido de F rechaza la hipótesis nula que el modelo es malo, y el cero del valor-p indica que el modelo es significativo, o seja, que existe una relación estadísticamente significativa entre las variables en el intervalo de confianza. Los coeficientes de determinación obtenidos para resistencia a tracción por compresión diametral y para tracción por flexión son de 0,8743 y 0,8799 respectivamente, indicando que los modelos representan 87,43% y 87,99% de la variabilidad en las resistencias respectivas. Los errores padrones de las estimaciones son de 0,5682 y 0,4094, respectivamente. La prueba estadística de Durbin-Watson para los modelos de ajuste de resistencia a tracción por compresión diametral y de tracción por flexión, resultó en DW=0,685 < 1,4 y DW=1,182 < 1,4 indicando una buena correlación, o sea, que los modelos propuestos se ajustan bien a los datos experimentales. Dentro de los datos experimentales para los cuales el modelo fue ajustado las regresiones de las ecuaciones (3.4) y (3.5) son válidas y ofrecen una buena estimación del comportamiento. En la FIGURA 3.4 se fijó CCA=10% y edad=28 días para observar la ley de comportamiento general con respecto al efecto de la relación agua/aglomerante sobre la resistencia a tracción por compresión diametral y en la flexión, donde es posible observar que para resistencia a tracción por flexión los valores son superiores a los obtenidos en tracción por compresión diametral, hecho establecido por la mayor parte de la bibliografía (MALHOTRA y MEHTA, 1996;
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TABLA 3.6 Resistencia a tracción - Parámetros estadísticos básicos: media (MPa), desvío padrón (MPa) y y coeficiente de variación (%)
a/agl 0,5
0,4
ft,D 7 días
CCA (%) 1 dia 0 media desvío cvar 10 media desvío cvar 20 media desvío cvar 5
0,62 0,02 3,34 0,42 0,01 2,38 0,16 0,01 9,35 media desvío cvar media desvío cvar
15
0,32
0
10
20
0,28
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
5
0
10
20
media desvío cvar media desvío cvar
3,91 0,09 2,29 4,06 0,13 3,2
4,07 0,17 4,26 4,06 0,19 4,7 4,34 0,32 7,28
3,14 0,03 1,02 3,81 0,22 5,82
2,81 0,06 2,37 1,92 0,17 8,84 0,19 0,006 2,98
91 días media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
2,89 0,19 6,75 2,8 0,13 4,53 3,39 0,15 4,43
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
63 días
2,6 0,13 5,07 2,73 0,16 5,89
1,7 0,02 1,36 1,05 0,01 1,1 0,17 0,01 8,81
15
0,25
28 días media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
4,41 0,12 2,83 40,5 0,19 4,66 4,87 0,11 2,273
4,33 0,26 5,94 5,11 0,27 5,39 media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
ft,F 28 días 3,28 media 0,18 desvío 5,5 cvar 3,37 media 0,14 desvío 4,2 cvar 4,14 media 0,05 desvío 1,34 cvar media desvío cvar media desvío cvar 4,89 media 0,1 desvío 2,15 cvar 4,6 media 0,13 desvío 2,75 cvar 4,8 media 0,09 desvío 1,85 cvar media desvío cvar media desvío cvar 5,12 media 0,3 desvío 5,91 cvar 5,07 media 0,14 desvío 2,82 cvar 5,21 media 0,25 desvío 4,81 cvar
4,28 0,26 5,96 4,25 0,18 4,32 4,33 0,32 7,34 4,71 0,1 2,13 5,01 0,14 2,82 6,12 0,02 0,25 6,66 0,05 0,69 5,66 0,27 4,78 5,64 0,06 0,98 6,38 0,08 1,18 6,96 0,19 2,75 7,27 0,13 1,79 7,6 1,36 1,79
TABLA 3.7 Análisis de variancia del modelo de ajuste para resistencia a tracción por compresión diametral (ft,D) y en flexión (ft,F) ft,D Modelo Residual Total ft,F Modelo Residual Total
Suma de Cuadrados 224,471 32,2849 256,756
Grados de Libertad 4 100 104
Media de cuadrados F 56,1178 173,82 0,322849
Valor-p 0,0000
44,2133 6,03471 50,248
2 36 38
22,1066 0,167631
0,0000
12
131,88
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ft (MPa)
ZHANG y MALHOTRA, 1996; NEVILLE, 1998; y otros), y motivado por las diferenccias entre los dos tipos de ensayo, pues en la tracción por compresión diametral la tensión de compresión produce una tensión transversal uniforme a lo largo del diámetro vertical, mientras que en tracción por flexión sólo un pequeño volumen de hormigón próximo a la base de la muestra es sometido a tensiones de tracción elevadas . Se nota, también, que el crecimento porcentual de la resistencia con la reducción de la relación a/(c+CCA) de 0,50 a 0,25 es mayor para los hormigones ensayados en flexión que los ensayados por compresión diametral, siendo estos resultados coherentes con los obtenidos por DAL MOLIN (1995) para hormigones con sílice activa. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5 ft,D ft,F
a/(c+CCA)
FIGURA 3.4 Ley de comportamiento general con respecto al efecto aislado de la relación a/(c+CCA) sobre la resistencia a tracción por compresión diametral (ft,D) y por flexión (ft,F) El comportamiento descrito para resistencia a compresión, en el ítem 3.1, es similar al de resistencia a tracción en las distintas interaciones. Sin embargo para la resistencia a tracción, según MEHTA y MONTEIRO (1994) y NEVILLE (1998), el cociente entre resistencia a tracción y compresión normalmente diminuye con el aumento de la resistencia, hecho comprobado con los resultados obtenidos en este trabajo (TABLA 3.8) . La razón entre la resistencia a tracción por compresión diametral/compresión axial (ft,D/fc) de los hormigones de este trabajo fue de 12% a 7%, resultando intervalos compararables con los presentados por MEHTA y MONTEIRO (1994). TABLA 3.8 Razón entre resistencia a tracción por compresión diametral y compresión uniaxial del hormigón (ft,D/fc) a/(c+CCA) 0,5 0,4 0,32 0,28 0,25
1 dia 0,12 0,12 0,08 0,07 0,07
7 días 0,11 0,09 0,08 0,07 0,07
28 días 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07
63 días 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07
91 días 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07
3.3 MÓDULO DE ELASTICIDAD La TABLA3.9 resume los resultados obtenidos para el módulo de elasticidad de probetas cilíndricas de 15cm de diámetro y 30cm de altura, de hormigones sin y con CCA obtenida por combustión controlada, donde cada valor representa la media (GPa), desvío padrón (GPa) y el coeficiente de variación (%) de tres observaciones experimentales. Por la observación de los valores se percibe de forma general, que todas las mezclas presentaron elevaciones de los valores medios obtenidos al aumentar la edad y disminuir la relación a/(c+CCA). La expresión del modelo de ajuste obtenido para el módulo de elasticidad fue:
Ec = 21,9719 + 9,82172 •
1 1 − 2,77001 • + 0 ,5 ( Agc) (Ed )2
(3.6)
+ 0,743323 • Agcem • CCA + 1,10359 • CCA • Edad donde las variables y codificación empleadas son iguales a las presentadas en los ítems anteriores. El análisis de variancia del modelo de ajuste es presentada en la TABLA 3.10, donde se observa que el alto valor obtenido de F rechaza la hipótesis nula que el modelo es malo y el cero del valor-p indica que el modelo es significativo. El error padrón de la estimación es de 2,40. La prueba estadística de Durbin-Watson para el modelo de ajuste resultó ser DW=1,30365 < 1,4 indicando que el modelo propuesto se ajusta a los datos experimentales. Dentro de los datos experimentales para los cuales el modelo fue ajustado, la regresión de la ecuación (3.6) es válida y ofrece una buena estimación del comportamiento. La influencia de las variables en el módulo de elasticidad fue
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bastante semejante a la influencia de las mismas en la resistencia a compresión, pero con menor magnitud, ya que el módulo de elasticidad se rige principalmente por el agregado grueso y poco por la calidad de la pasta. TABLA 3.9 Módulo de elasticidad - Parámetros estadísticos básicos a/agl 0,5
%CCA 0
10
20
0,4
1 dia media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
7 días
5
media desvío cvar media desvío cvar
15
0,32
0
10
20
0,28
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
5
0
10
20
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
media desvío cvar media desvío cvar
63 días 24,87 0,43 1,74 24,39 1,73 7,1 26,24 1,04 3,97
23,65 2,24 9,49 23,82 2,6 10,93
22,36 1,89 8,46 19,88 1,57 7,92 18,38 1,24 6,75
15
0,25
28 días media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
19,3 1,23 6,37 18,61 0,22 1,18 18,3 1,24 6,79
28,43 2,84 9,97 21,37 1,63 7,62 22,03 2,01 9,15
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
26,05 1,06 4,08 27,09 3,28 12,12 29,65 2,21 7,45
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
31,19 3,11 9,98 32,37 2,07 6,39 33,07 0,77 2,32
media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
32,91 2,28 6,91 32,67 0,92 2,83 32,88 1,02 3,11
29,47 2,57 8,71 29,75 1,42 4,76
29,99 1,19 3,96 30,68 1,75 5,71 31,62 2,52 7,98
29,53 1,168 3,95 29,62 0,78 2,62
91 días media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar
34,29 3,39 9,9 34,36 1,1 3,192
30,98 1,37 4,43 30,76 2,85 9,26 30,79 2,73 8,86
TABLA 3.10 Análisis de variancia del modelo de ajuste para el módulo de elasticidad Suma de cuadrados
G. de Liberdad
Media de cuadrados
F
Valor-p
Modelo
2240,68
4
560,169
97,27
0,0000
Residual
575,893
100
5,75893
Total
2816,57
104
Los resultados de módulo de elasticidad aquí obtenidos tienen buena correlación con los únicos disponibles en la literatura que son presentados por MALHOTRA y MEHTA (1996), ZHANG y MALHOTRA (1996), donde para la relación a/(c+CCA)=0.40, a los 28 días, se tienen resultados iguales a 29,6 GPa con y sin CCA mientras que en este trabajo se obtiene 27,30 GPa, o sea, valores aprox. 8% menores lo que puede ser motivado por el agregado grueso empleado aquí es de origen granítico, mientras que en la literatura referenciada es basáltico.
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3.4 RESISTENCIA A COMPRESIÓN CON DIFERENTES TIPOS DE CCA En la literatura se habla del aumento da resistencia de los hormigones con CCA cuando es obtenida por combustión controlada, y se tienen pocos estudios comparando los resultados de esta ceniza con CCA obtenida sin control, por lo que secundariamente al estudio del comportamiento mecánico de hormigones con CCA obtenida con control de combustión ya presentado, en este item se presentan los resultados de resistencia a compresión, en la edad de 28 días, obtenidos con CCA residual cuya caracterización fue presentada en 2.2.1.5, considerando tres relaciones a/(c+CCA): 0.25, 0.32 y 0.5 y tres percentajes de sustitución en volumen de cemento Portland por CCA: 0%, 10% e 20%. La TABLA 3.11 resume los resultados obtenidos para la resistencia a compresión uniaxial de los hormigones sin y con CCA residual, donde cada valor representa la media (MPa), desvío padrón (MPa) y coeficiente de variación (%) de tres observaciones experimentales. La CCA residual proviene de Uruguay, siendo denominada UY. Cabe observar que, debido al reducido número de ensayos hechos con CCA residual, las conclusiones a obtener no son definitivas y apuntan a comportamientos generales que serán profundizados en futuras investigaciones. TABLA 3.11 Resistencia a compresión con CCA residual - Parámetros estadísticos básicos 0% UY 10% UY 20% UY media desvío cvar media desvío cvar media desvío cvar 28,86 0,74 2,58 32,12 0,91 2,82 29,51 1,22 4,13 59,59 1,10 1,84 64,85 0,25 0,37 57,28 0,77 1,34 64,70 0,91 1,41 60,86 0,89 1,46 58,79 0,04 0,07
a/agl 0,50 0,32 0,25
Para comparar los resultados obtenidos entre los dos tipos de CCA, se consideraron los resultados presentados para la CCA residual y para la CCA obtenida con control, considerando 28 dias de edad y relaciones a/(c+CCA) de 0.50, 0.32 y 0.25. Los valores medios de resistencia a compresión obtenidos se presentan en la TABLA 3.12. TABLA 3.12 Valores medios de fc de hormigones (MPa) con 0%, 10% y 20% de CCA, a los 28 días de edad. a/agl
0%
0.50 0.32 0.25
28.86 59.59 64.70
10% UY 32.12 64.85 60.86
20% USA 27.47 62.69 63.18
UY 29.51 57.28 58.79
USA 33.34 66.62 63.48
La FIGURA 3.5 fue hecha considerando 28 días de edad del hormigón, y presenta el efecto de los diferentes tipos de CCA en la resistencia a compresión con respecto al efecto de la relación a/(c+CCA).
(a)
fc (MPa)
75 65 55
UI
45
USA
35 25 0,2
0,25
0,3
0,35
a/(c+CCA)
0,4
0,45
0,5
0,55
10% C C A
70
fc (MPa)
60
(b)
50 40 UI
30
USA
20 10 0 0,2
0,25
0,3
0,35
a/(c+CCA)
0,4
0,45
0,5
0,55
20% CCA
FIGURA 3.5 Resistencia a compresión en función del tipo de CCA y la relación a/(c+CCA):
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En la FIGURA 3.5 (a) se consideró 10% de CCA y se observa que los comportamientos son similares con ceniza residual y con CCA obtenida con combustión controlada, en (b) se consideró 20% de CCA; se comprobó estadísticamente que los comportamientos son similares con las dos cenizas aunque con empleo de CCA proveniente de Estados Unidos sean obtenidos mayores valores de resistencia a compresión a los 28 días de edad. Los resultados que constan en la FIGURA 3.6, para la relación a/(c+CCA)=0.32, sugieren la existencia del efecto puzolánico generado por la CCA obtenida con control de combustión, pues cuanto mayor es el porcentaje de CCA, mayor es la resistencia, mientras que para la ceniza residual se observa un porcentaje óptimo ( 10%) encima del cual la resistencia diminuye, indicando la predominancia del efecto filler sobre el efecto puzolánico, ya que la eficiencia se reduce cuando aparentemente se produjo el llenado de los vacíos existentes.
fc (MPa)
70 65 UI
60
USA
55 50 0
10
20
%CCA
FIGURA 3.6 Resistencia a compresión en función del tipo y porcentaje de CCA para a/(c+CCA)=0,32 Para visualizar el comportamiento existente entre la relación a/(c+CCA) y el porcentaje de CCA para los dos tipos de ceniza, se presenta la FIGURA 3.7, donde se observa comportamiento diferenciado en las tres relaciones a/(c+CCA) consideradas
70 0%
fc (MPa)
60
10% UI
50
20% UI 40
10%USA
30
20%USA
20 0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
a/(c+CCA)
70
fc (MPa)
60 0,5 USA 50
0,50 UI
40
0,32 USA
30
0,32 UI 0,25 USA
20 0%
5%
10%
15%
20%
0,25 UI
CCA (%)
FIGURA 3.7 Resistencia a compresión en función del tipo de CCA y los efectos de la relación a/(c+CCA) y del porcentaje de ceniza de cáscara de arroz En la TABLA 3.13 se presenta el análisis de comparación grupos de las tres relaciones a/(c+CCA) estudiadas, con 0%, 10% y 20% de CCA provenientes de Estados Unidos y Uruguay, donde se comprueba estadísticamente que existe diferencia significativa entre los resultados obtenidos en las diferentes relaciones a/(c+CCA), y no existe diferencia significativa dentro de los grupos, por lo que los resultados obtenidos con 0%, 10% y 20% de las cenizas estudiadas son similares; considerando la reducción de la cantidad de clínquer que se tiene en los hormigones con CCA, pues la ceniza se emplea sustituyendo cemento, los resultados obtenidos con ceniza de cáscara de arroz son excelentes independientemente del tipo de ceniza empleada.
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TABLA 3.13 Comparación de grupos, para las tres relaciones a/(c+CCA) estudiadas ANOVA ENTRE DENTRO TOTAL
SC 10210 340.3 10550
GDL 2 42 44
Estimación de componentes MC 5103 8.10 239.7
F 629.81 D.S.
Variancia 339.6 8.10 347.73
Desvío Pad. 18.43 2.85 18.65
De las varias técnicas de caracterización que pueden ser usadas para el estudio de la microestructura del hormigón, para tratar de explicar el comportamiento diferenciado de los hormigones producidos con y sin CCA, y con diferentes tipos
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
FIGURA 3.8 Imágenes obtenidas con MEB de hormigones con a/(c+CCA)=0,50 a los 28 dias de edad: (a) sin CCA; (b) y (c) con 10% y 20% de CCA obtenida con control de combustión;
(c) y (e) con 10% y 20% de CCA residual
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de CCA, en este trabajo se optó dentro de las técnicas de observación directa por la microscopía electrónica de barredura (MEB), por electrones secundarios pues brinda excelente profundidad de foco, creando un efecto de tercera dimensión, y pueden obtenerse imágenes en superficies irregulares, mientras que de las técnicas de interpretación indirecta, se optó por la difracción de rayos-X pues brinda informaciones sobre la microestructura cristalina de los materiales, complementando los análisis realizados con microscopía electrónica. En la FIGURA 3.8 se observan imágenes obtenidas mediante MEB de hormigones con y sin CCA, y con diferentes tipos de ceniza, a los 28 días de edad con relación a/(c+CCA)=0.50, corroborándose en todos ellos similares reacciones que producen densificación de la matriz y consecuentemente aumentos de resistencia de la pasta hidratada. Lo mismo fue observado en las relaciones a/(c+CCA)=0.32 y 0.25. La FIGURA 3.9 muestra los resultados de difracciones de rayos-X de pastas con relación a/(c+CCA)=0.50 y con 0%,10% y 20% de sustitución de cemento Pórtland por CCA obtenida con control de combustión a los 28 días de edad, observándose poca diferencia en la intensidad de los picos de los distintos compuestos, corroborando también los resultados obtenidos en esta edad. Lo mismo fue observado con CCA residual y en las otras relaciones a/(c+CCA) estudiadas. Error! Not a valid link. FIGURA 3.9 Difracción de rayos-X de pastas con relación a/(c+CCA)=0.50 a los 28 días de edad. 4 CONCLUSIONES Para todas las propiedades mecánicas estudiadas en este trabajo, los hormigones presentaron aumentos de los valores medios obtenidos al aumentar la edad y disminuir la relación a/(c+CCA). Las tres variables consideradas: relación a/(c+CCA), edad y porcentaje de CCA fueron significativas estadísticamente. Fueron determinados modelos de previsión para las distintas propiedades estudiadas, válidos hasta la edad de 91 dias, con buen ajuste a los datos experimentales. Los ensayos mecánicos que fueron corroborados estadísticamente muestran que aunque la CCA obtenida con control de combustión empleada en este trabajo no es altamente puzolánica, ella tiene en el tiempo un efecto benéfico en los hormigones. En cuanto a la CCA residual empleada los ensayos de resistencia a compresión, a los 28 días de edad, que fueron corroborados estadísticamente y también con análisis de microestructura muestran que aunque no sea la mas ideal para ser empleada en hormigones (FIGURA 2.1), ella tiene un porcentaje de sílice amorfa reaccionando, y se puede concluir que tiene un efecto similar a los 28 días de edad que la CCA obtenida con control de combustión cuando tiene un tamaño medio de partículas como el empleado en este trabajo. La ceniza residual presentó un comportamiento muy bueno en relación a las expectativas que se tenían. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad de la utilización de este residuo como material cementício suplementario de hormigones, motivo por el cual es muy importante continuar profundizando en el estudio del comportamiento de hormigones con ceniza de cáscara de arroz residual a los efectos de poder contribuir para una mayor incorporación de este residuo en la industria de la construcción civil. AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo brindado por la CSIC (Comisión Sectorial de Investigación Científica de la Universidad de la República) para realizar esta investigación. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Moldagem e cura de corpos de prova cilíndricos ou prismáticos de concreto - Procedimento. NBR 5738, Rio de Janeiro, 1994. COMITÉ MERCOSUR DE NORMALIZACIÓN. Hormigón - Determinación de la resistencia a tracción por compresión diametral. Norma Mercosur NM 8/94, 1994. COMITÉ MERCOSUR DE NORMALIZACIÓN. Hormigón - Determinación de la resistencia a tracción por flexión sobre probetas prismáticas. Norma Mercosur NM 55/96, 1996. COMITÉ MERCOSUR DE NORMALIZACIÓN. Hormigón - Determinación de la consistencia mediante el asentamiento del tronco de cono. Norma Mercosur NM 67/96, 1996. COMITÉ MERCOSUR DE NORMALIZACIÓN. Hormigón - Determinación del módulo de deformación estática y diagrama tensión-deformación. Anteproyecto Norma Mercosur ANM 05:03-0124, 1999.
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