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1. INTRODUCCIÓN
El concreto se ha caracterizado como el elemento de construcción más utilizado a nivel mundial, lo cual es aplicado en varios tipos de construcciones, debido a las propiedades que tiene, de igual manera ocurre en el Perú siendo el más utilizado, considerándose el motor de la economía y principal indicador del crecimiento del país 1. El cemento es el principal material que interviene en la elaboración del concreto, a la vez en su producción es uno de los materiales más contaminantes, exponiendo el CO2 y el CaCO32, estas emisiones son preocupantes sobre el gran objetivo de minimizar el calentamiento global y efecto invernadero 3. Por otro lado, para minimizar la contaminación y mejorar el concreto en el ámbito global se han utilizado reemplazar relativamente al cemento con cenizas volantes, escoria granulada, cenizas de mazorca de maíz y ceniza de cascara de arroz 4, buscando mejorar las propiedades físicos y mecánicas del concreto, respetando los estándares establecidos 5.
En el Perú la mayor parte de las construcciones de concreto muestran deficiencias, estos errores se encuentran especialmente en el pavimento rígido, mostrándose como una amenaza en el mediano y largo plazo, causando el deterioro y poca durabilidad e incumpliendo con la vida útil 6. A la vez ocasionan dificultades en el transporte y accidentes de tránsito, mostrando el deterioro acelerado del concreto, que afecta a la seguridad y durabilidad de las estructuras viales, ocasionando aspectos negativos en la estética y gastos en la reparación 7. Ante esta realidad en el ámbito global las empresas dedicadas a las construcciones de la infraestructura vial buscan crear estructuras con mayor resistencia y durabilidad mejorando las propiedades del concreto 8. En respuesta se tienen nuevos aportes tecnológicos y materiales son aplicados con más frecuencia en el concreto buscando mejorar la calidad 9, ya que estos derivados de la materia prima obtenidos por la incineración muestran componentes químicos favorables en el concreto 10.
Los estudios científicos han demostrado que las cenizas son beneficiosos para sustituir al cemento, con un nivel óptimo de remplazo proporciona el mayor rendimiento físico y mecánico del concreto 11, de la misma manera las cenizas orgánicas han demostrado que cumplen e influyen como filler en las mezclas de concreto 12, como en este caso las cenizas de Gallus Domesticus (CGD) son procedentes de la combustión de la biomasa de plumas de pollo, que opta propiedades químicas que reaccionan de una manera positiva en el concreto 13. Por esta razón es una alternativa como material cementante y de esta manera se demuestra el potencial de la recolección de estos productos utilizados como material en la construcción y elaboración de pavimentos rígidos 4.
De la misma forma las fibras siempre estuvieron presentes como un componente de relleno en los materiales de construcción 14, dando usos estructurales como al adobe, la tapia y morteros de cal con el fin de conseguir estructuras más resistentes para la protección de agentes climáticos y peligros externos 15. En la actualidad gracias a los avances científicos se ha optado por el estudio e implementación de fibras naturales 16, actualmente contribuyen en la mejora de elementos estructurales como resistencia al impacto y tracción 17, estas adiciones son caracterizados por disminuir el peso de las estructuras y mejorar las propiedades mecánicas del concreto 18. Por lo expuesto el objeto de esta investigación es verificar la influencia de las cenizas y fibras de Gallus Domesticus en las propiedades del concreto
2. DESARROLLO
En una investigación se utilizó pluma de pollo y polvo de cáscara de anacardo como reemplazo parcial del cemento, presentando optimizar las características del concreto, tanto en su estado fresco como endurecido, diseñando una mezcla de concreto de grado 30MPa, mejoraron positivamente la resistencia a comprensión y flexión, concluyendo que adiciones en mayor cantidad disminuye las propiedades del concreto 8. Otro estudio titulado “Las propiedades físicas y mecánicas del hormigón mejoradas mediante el uso de polvo de desechos orgánicos como sustituto del cemento” tuvo como objetivo obtener un material alternativo de residuos orgánicos en la industria de la construcción, se logró los resultados que al incrementar el polvo residual orgánico reduce la densidad específica y la resistencia a compresión, en cambio en el ensayo de contenido de vacío ocurre todo lo contrario 19.
Las fibras son renovables y para su durabilidad dependen de la edad, origen y condiciones climáticas al que está expuesto, podrían usarse como compuestos, porque son económicos, compleja y heterogénea, a la vez está conformado por varios y diversas capas de pared, optando características de rugosidad y resistencia 20. De acuerdo a estos antecedentes se hizo uso de las fibras de Gallus Domesticus (FGD) o Raquis (<3.cm), que opta una dura estructura física, con una buena densidad (0,0648g/cm3) y resistencia a la tracción (0,21MPa), lo podría convertir en una buena opción para su uso en el concreto 18.Hasta donde se sabe la CGD no ha sido empleada antes en el concreto, solo otros tipos de ceniza orgánica, en este contexto el objeto de esta investigación fue estudiar la influencia generado por la adición de CGD en proporción de 0,5%, 1,0% y 2,0% y FGD en 0,2%, 0,5% y 1,0% todo esto en relación del peso del cemento, promoviendo el aprovechamiento de estos desperdicios, con el fin de encontrar un material alternativo y apto para ser empleado de una forma óptima y a la vez evitando la contaminación del suelo a causa de estos desperdicios, de la misma forma mejorando las deficiencias por la baja resistencia del concreto.
3. METODOLOGÍA
En el presente estudio para el cumplimiento del objetivo, se orienta a una investigación de enfoque cuantitativo, diseño experimental (cuasi experimental), tipo aplicada y nivel explicativo. La metodología utilizada se centró en elaboración de 36 probetas (6”x12”) y 24 vigas (6”x6”x20”), con los diseños patrón de 28MPa, 0,5%CGD+0,2%FGD, 1,0%CGD+0,5%FGD, 2,0%CGD+1,0%FGD.
3.1. Materiales
Caracterización de CGD
De acuerdo a lo planteado se realizó la caracterización de las CGD, el ensayo de análisis granulométrico se ejecutó mediante tamaño de partículas por tamizado, la Tabla 1 muestra los resultados obtenidos del ensayo.
Tabla 1 Ensayo granulométrico de la CGD.
| Nº de Malla | Abertura (mm) | Peso Retenido | % Retenido | % Retenido Acumulado | % Pasante Acumulado |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 0,85 | 0 | 0 | 0 | 100 |
| 50 | 0,3 | 17,27 | 14,4 | 14,4 | 85,6 |
| 70 | 0,212 | 21,8 | 18,7 | 32,56 | 67,44 |
| 100 | 0,15 | 17,7 | 14,3 | 46,87 | 53,13 |
| 140 | 0,106 | 21,96 | 18,3 | 65,17 | 34,83 |
| 200 | 0,075 | 29,62 | 24,68 | 89,85 | 10,15 |
Fuente: los autores
De acuerdo a la curva granulométrica en la Figura 1 se puede visualizar que el pasante acumulado al 100% ocurre a partir de la malla N° 20.
El ensayo de fluorescencia de Rayos X-XFR que consiste en la composición química por óxidos, el equipo utilizado para este ensayo fue el SHIMADZU EDX, mediante un balance al 100% de óxidos calculados del análisis elemental (del sodio al uranio) por espectrometría de fluorescencia de rayos X, considerando un límite de detección del equipo (LCM) al 0,001%, en la Tabla 2 se aprecia los resultados obtenidos del ensayo X-XFR.
Tabla 2 Composición química expresados como óxidos de la CGD.
| Código de Laboratorio | Parámetro | Unidad | LCM | Resultados |
|---|---|---|---|---|
| S-1521 | Oxido de potasio, K2O | % | 0,001 | 36,24 |
| Oxido de calcio, CaO | % | 0,001 | 17,607 | |
| Óxido de hierro, Fe2O3 | % | 0,001 | 16,475 | |
| Oxido de zinc, ZnO | % | 0,001 | 10,497 | |
| Oxido de fosforo, P2O5 | % | 0,001 | 9,578 | |
| Oxido de silicio, SiO2 | % | 0,001 | 5,327 | |
| Oxido de azufre, SO3 | % | 0,001 | 1,809 | |
| Oxido de magnesio, MnO | % | 0,001 | 0,948 | |
| Oxido de cobre, CuO | % | 0,001 | 0,733 | |
| Oxido de titanio, TiO2 | % | 0,001 | 0,581 | |
| Oxido de estroncio, SrO | % | 0,001 | 0,205 |
Fuente: los autores
En la Figura 2 se visualiza el proceso de colocación en la mufla de: (a) las cenizas calcinadas artesanalmente, (b) de la misma forma se puede visualizar la calcinación a una temperatura de 700ºC por dos horas, y (c) finalmente se muestra el resultado de calcinación.
Fuente: los autores
Figura 2 (a) Colocación de la ceniza en la mufla, (b) Horno para la calcinación, (c) CGD calcinados a 700 ºC.
Caracterización de FGD
Para determinar la propiedad de la FGD (Raquis) se realizó el ensayo de densidad para 50gr utilizando el método de gravimetría, la Tabla 3 detalla los resultados del ensayo, y en la Tabla 4 la resistencia a tracción.
Tabla 3 Propiedades físicas del Raquis.
| Código de Laboratorio | Parámetro | Unidad | Resultados |
|---|---|---|---|
| S-1984 | Densidad | g/cm3 | 0,684 |
Fuente: los autores
3.2. Caracterización de los Agregados
Los agregados finos y gruesos fueron adquiridos de la cantera Trapiche, ubicados en el departamento de Lima, Perú. Se realizaron los ensayos correspondientes según la norma ASTM C136 21, la Tabla 5 detalla el resumen de los ensayos realizado al agregado para el diseño de mezcla ACI 211 22.
Tabla 5 Resultado del ensayo de los agregados.
| Materiales | Peso Específico (g/cc) | Módulo de fineza | Humedad Natural % | Absorción | P. Unitario S. gr/cm3 | P. Unitario C. gr/cm3 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cemento Sol tipo I | 3,12 | |||||
| Agregado fino | 2,63 | 3.09 | 1.92 | 1.91 | 1365 | 1578 |
| agregado grueso | 2,64 | 6.91 | 0.19 | 0.93 | 1421 | 1561 |
Fuente: los autores
3.3. Diseño de la Mezcla
Se elaboró un diseño de mezcla utilizando la metodología ACI 21122, para una resistencia de f´ c de 27,46 MPa, la Tabla 6 detalla el diseño de mezcla determinado en kilogramos para un metro cubico de concreto, de la misma forma específica la cantidad utilizada para esta investigación, adicionando el 5% de desperdicio. La Tabla 7 muestra la proporción determinado para la elaboración de la mezcla, donde se presentó un total de 9 probetas y 6 vigas por tanda, siendo un total de 36P y 24V.
Tabla 6 Resultado final de diseño de mezcla.
| Material | Proporción | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| En volumen (kg/m3) | En peso | En bolsa de cemento | La tesis (36P + 24V) = 0,4609m3 | Desperdicio 5% | |
| Cemento | 435,17 | 1 | 42,5 | 200,57 | 210,59 |
| Agregado fino | 769,30 | 1,76 | 74,8 | 354,57 | 372,29 |
| Agregado grueso | 922,74 | 2,12 | 90,1 | 425,29 | 446,55 |
| Agua | 209,47 | 0,48 | 20,4 | 96,55 | 101,38 |
Fuente: los autores
Tabla 7 Proporción del agregado en kilogramos para la investigación.
| Descripción | DP | 0,5%CGD +0,2%FGD | 1,0% CGD +0,5% FGD | 2,0% CGD +1,0% FGD |
|---|---|---|---|---|
| Cemento | 52,65 kg | 52,28 kg | 51,86 kg | 51,07 |
| Agregado fino | 93,07 kg | 93,07 kg | 93,07 kg | 93,07 kg |
| Agregado grueso | 111,64 kg | 111,64 kg | 111,64 kg | 111,64 kg |
| Agua | 25,35 kg | 25,35 kg | 25,35 kg | 25,35 kg |
| 0,5% CGD | 0,26 kg | 0,53 kg | 1,05 kg | |
| 0,2% FGD | 0,11 kg | 0,26 kg | 0,53 kg |
Fuente: los autores
3.4. Ensayo para Determinar las Propiedades Físicas y Mecánicas del Concreto
Los ensayos realizados en el concreto con el diseño ACI 211 22 y con la adición de CGD y FGD son vitales para corroborar y verificar las características y diferencias con resultados mencionados, tal cual plantean algunos estudiosos de la carrera de ingeniería civil u otros relacionados con este rubro, los ensayos realizados en el estado fresco fueron: temperatura, trabajabilidad y peso unitario. Así mismo, para el estado endurecido se realizaron los ensayos de resistencia a compresión y flexión.
Temperatura, trabajabilidad y peso unitario
La temperatura en el concreto es el resultado del calor generado en la mezcla, a partir de la hidratación del cemento al contacto con el agua formando cristales microscópicos, con el fin de adquirir estados estables 21. Para medir la temperatura se hizo uso del termómetro, realizando 3 ensayos por cada diseño, con el fin de verificar que se encuentre en los límites establecidos según especifica la NTP 339.184 23. La trabajabilidad del concreto es un parámetro que muestra la facilidad de trabajar, colocar y compactarlo 22, se consideró un concreto plástico (3” a 4”) con una relación de a/c 0,48, utilizándose el cono de Abrahán y lo especificado según indica la NTP 339.034 24. Para medir el peso unitario del concreto se hizo uso de un molde cilíndrico realizando 25 impactos por cada capa, realizando por tres capas de acuerdo lo especifica la NTP 339.046 25.
Resistencia a la compresión y flexión
La resistencia a compresión se refiere a la capacidad de soportar una carga por unidad de área 26, mientras que, la resistencia a flexión es una medida a la falla por momento de una viga o losa de concreto no reforzado, donde se expresa como módulo de rotura 27, el ensayo de resistencia a flexión se realizó hacienda uso de la prensa hidráulica aplicando las fuerzas en los tercios medios de la viga, esta resistencia depende de la composición y estructura interna del material, así como de su geometría, tamaño y forma; se realizó según la NTP 339.079 28.
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS
4.1. Ensayos de Temperatura, Trabajabilidad y Peso Unitario
La temperatura en el concreto patrón resulto 25,70ºC, la máxima temperatura alcanzado fue 27,70ºC con la incorporación de 0,5%CGD+0,2%FGD superando en 7,78% respecto al diseño patrón, al incorporar las cenizas y fibras en mayor cantidad la temperatura suele disminuir. Así mismo, la trabajabilidad con diseño patrón alcanzo 34 mm de slump, en cambio con la adición de 2,0%CGD+1,0%FGD resulto 43mm, superando 26,47% respecto al patrón, se puede verificar que a menos adición el slump suele disminuir. En el ensayo de peso unitario en el diseño patrón se obtuvo 2587,12 kg/m3, en cambio al incorporar con la adición 0,5%CGD+0,2%FGD resultó 2578,60, disminuyendo en 0,33% respecto al patrón, observándose que a más adición de CGD y FGD disminuye el peso unitario. La Tabla 8 detalla los resultados de los ensayos de las propiedades físicos del concreto de f´ c 27,46 MPa (280 kgf/m2).
4.2. Ensayo de Resistencia a Compresión
Los resultados obtenidos en este ensayo endurecido del concreto se detallan en la Tabla 9, se puede verificar que el diseño de máximo resultado a los 28 días con la sustitución de 0,5%CGD+0,2%FGD, superando en un 4,15% respecto al diseño patrón, en cambio con el diseño 1,0%CGD +0,5%FGD hubo un leve incremento de 0,29%, en cambio con la adición de 2,0%CGD+1,0%FGD disminuyo en 4,14% respecto al diseño patrón.
Tabla 9 Rotura de Probetas.
| Rotura | Dosificación | |||
|---|---|---|---|---|
| Patrón (MPa) | 0,5%CGD+0,2%FGD (MPa) | 1,0%CGD+0,5%FGD (MPa) | 2,0%CGD+1,0%FGD (MPa) | |
| Rotura a los 7 días | 30,65 | 31,94 | 28,47 | 285,00 |
| Rotura a los 14 días | 33,51 | 35,08 | 33,90 | 318,15 |
| Rotura a los 28 días | 36,01 | 37,51 | 36,11 | 352,00 |
Fuente: los autores
La Figura 3 ilustra la resistencia alcanzados a los 7,14 y 28 días después del curado, asimismo se visualiza que, a los 28 días de curado la dosificación 0,5%CGD+0,2%FGD alcanzó una resistencia máxima de 37,51MPa (382,45kg/cm2) superando a los demás diseños, de la misma forma la dosificación 1,0%CGD+05%FGD y 2,0%CGD+1,0%FGD llegaron a resaltar sobre el diseño patrón.
4.3. Ensayo de Resistencia a Flexión
En la resistencia a flexión los resultados obtenidos presentan la Tabla 10, se puede apreciar que con la incorporación de ceniza y fibra mejoraron todas las dosificaciones respecto al diseño patrón, con la adición de 0,5%CGD +0,2%FGD mejoró significativamente en 12,88%, con la adición de 0,5%CGD+0,2%FGD tuvo el mejor incremento superando en 27,35%, en cambio con la adición de 2,0%CGD +1,0%FGD tuvo un incremento de 18,79%.
Tabla 10 Rotura de vigas.
| Rotura | Dosificación | |||
|---|---|---|---|---|
| Patrón (MPa) | 0,5%CGD+0,2%FGD (MPa) | 1,0%CGD+0,5%FGD (MPa) | 2,0%CGD+1,0%FGD (MPa) | |
| Rotura a los 14 días | 4,41 | 4,79 | 4,50 | 4,48 |
| Rotura a los 28 días | 4,71 | 5,34 | 6,02 | 5,62 |
Fuente: los autores
La Figura 4 detalla los resultados obtenidos a los 14 y 28 días, donde se puede observar que las resistencias obtenidas son mayores que del diseño patrón, alcanzando la máxima resistencia 6,02MPa (61.41kg/cm2) a los 28 días con la adición de 1,0% CGD+0,5% FGD, de la misma forma con el diseño de 0,5%CGD+0,2%FGD y 2,0%CGD+1,0%FGD superaron al diseño patrón.
4.4. Análisis Estadístico de la Resistencia a Compresión
Se verificó si la incorporación se ceniza y fibra de Gallus Domesticus incide en la propiedad mecánica de resistencia de compresión del concreto f´ c 27,46MPa (280 kg/cm2), en la Figura 5 se visualiza la prueba de la normalidad mediante Anderson Darling, mostrando un valor de p>0.0.05, esto quiere decir que los datos son paramétricos de distribución normal. Seguidamente se realizó la igualdad de varianza mediante el método de Bartlett para determinar si son iguales o diferentes, en este caso resultó que todas las varianzas son iguales, finalmente se determine la igualdad de medias, para la verificación, si son iguales o, todo lo contrario.
De las comparaciones múltiples de Tukey se puede verificar que si hubo un incremento máximo con la adición de 0,5%CGD+0,2%FGD respecto al diseño patrón, esto quiere decir que las medias difieren significativamente respecto al diseño, por lo tanto, las CGD y FGD si inciden en las propiedades mecánicas del pavimento (ver Figura 6).
4.5. Análisis Estadístico de Resistencia a Flexión
Se realizó la evaluación considerando ¿si la incorporación de ceniza y fibra de Gallus Domesticus incide en la propiedad mecánica de resistencia a flexión para concreto f´ c 27,46MPa (280 kg/cm2) la Figura 7 ilustra la normalidad de los datos, lo cual se determinó mediante el método de Anderson Darling para un valor de p<0.05; este método refleja que los datos son de distribución normal. Posteriormente se pasó a determinar la igualdad de varianza mediante el método de Bartlett, donde se determinó que todas las varianzas son iguales, finalmente se determina la igualdad de las medias, los datos analizados mostraron un valor de significancia de 0,000, implicando que se acepta la hipótesis alterna y se rechaza la nula. Donde, la hipótesis nula: todas las medias son iguales, alterna: las medias difieren de los demás.
De las comparaciones múltiples de Tukey se puede verificar las dosificaciones más eficientes en términos de resistencia a flexión ilustradas en la Figura 8, en el diseño de concreto f´ c 27,46MPa (280 kg/cm2), con una dosificación en intervalos D(1,0-0,5), muestra la máxima resistencia obtenida respecto al diseño patrón.
En cambio, el diseño D(2,0-1,0) D(0,5-02) muestran variaciones mínimas, a la vez señala que los diseños difieren significativamente respecto al diseño patrón, por lo tanto las medias correspondientes son significativamente diferentes, lo cual las CGD Y FGD inciden positivamente en el ensayo de resistencia a flexión.
5. CONCLUSIONES
Esta investigación tubo el objeto de estudio, evaluar la incidencia de la ceniza y fibra de Gallus Domesticus adicionado a la mezcla en el concreto, realizando la caracterización de cada componente a detalle, posteriormente realizando los ensayos respectivos. Por otro lado, reducir la contaminación del medio ambiente y mitigar las fallas por baja resistencia del concreto, con la finalidad de obtener un pavimento rígido más resistente. Con base en los resultados obtenidos en esta investigación se demostró que la temperatura del concreto patrón resultó 25,70ºC, los demás diseños con la sustitución parcial del cemento y fibra resultaron una temperatura cercana al patrón, implicando que no influyen deliberadamente en el concreto, ya que las temperaturas obtenidas tienen una cercanía y se encuentran dentro de las normas establecidas.
En los ensayos de trabajabilidad se verificó que la adición de las CGD y FGD si influye en el resultado, ya que a mayor adición de cenizas y fibra aumenta la trabajabilidad, esto se podría utilizar en cualquier tipo de proyecto que se necesite un concreto más fluido o plástico, el uso de la ceniza y fibra no repercute en ninguna de sus propiedades negativamente. Por otro lado, se encontró que la ceniza y fibra al utilizar en el concreto es beneficioso ya que disminuye el peso unitario sin disminuir las propiedades mecánicas del concreto, esto es muy beneficioso ya que en la actualidad necesitamos concretos resistentes, pero de menor masa, ya que esos podrían ser beneficioso en la resistencia a compresión.
Los ensayos de resistencia a la compresión y flexión mejoraron significativamente la resistencia, especialmente en la compresión con la adición de 0,5%CGD y 0,2%FGD, dió el mejor resultado, de la misma forma se evaluó la flexión verificándose que con la adición de 1,0%CGD y 0,5%FGD dio el mejor resultado, todos estos ensayos fueron evaluados a los 28 días. Finalmente, para la verificación de la igualdad de las medias se realizó el análisis estadístico, concluyendo que las medias son diferentes entre sí, de la misma forma se verificó con Tukey, donde ilustra que nuestras medias son diferentes, esto quiere decir que la diferencia de nuestras medias es significativamente diferente, motivo por el cual se concluye que la ceniza y fibra si incide positivamente en el concreto f´ c 27,46MPa (280 kg/cm2).
Se recomienda realizar el uso de las fibras y cenizas de Gallus Domésticos en un diseño factorial para poder tener los resultados de cómo afecta la variable independiente a la dependiente en todos los niveles. Por otro lado, se recomienda profundizar los ensayos de estado endurecidos a más de 28 días.
