Ingeniería y sus Alcances,
Revista de Investigación
Septiembre-diciembre
2024 / Volumen 8 / No. 22
ISSN:
2664 – 8245
ISSN-L: 2664 - 8245
https://revistaingenieria.org
pp. 176 - 193
Influencia
del cuarzo y materiales silíceos en las propiedades físico-mecánicas del
hormigón
Influence of quartz and siliceous materials in the
physical-mechanical properties of concrete
Influência do quartzo e dos materiais siliciosos nas
propriedades físico-mecânicas do concreto
Cristhian Jesús Calle López
ccallelo@ucvirtual.edu.pe
https://orcid.org/0000-0002-5071-3354
Alexander Joseph Salazar Rojas
asalazarro@ucvvirtual.edu.pe
https://orcid.org/0000-0002-2259-3279
Universidad César Vallejo. Chiclayo,
Perú
Artículo
recibido 17 de julio 2024 / Aceptado 21 de agosto 2024 / Publicado 23 de
octubre 2024
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https://doi.org/10.33996/revistaingenieria.v8i22.126
RESUMEN
La
influencia del cuarzo y otros materiales silíceos en las propiedades
físico-mecánicas del hormigón es un tema relevante en el ámbito de la
ingeniería civil y la construcción. El hormigón, como material de construcción,
se compone principalmente de áridos, agua y un aglomerante. El objetivo del
artículo es indagar la influencia del cuarzo y
materiales silíceos en las propiedades físico-mecánicas del hormigón,
identificando la dosificación y su resistencia a la compresión. A través de un
enfoque cualitativo se realizó una revisión sistemática de artículos
científicos. El análisis se basó en 42 publicaciones recopiladas durante el
estudio, 13 de Scielo, 10 ScienceDirect, 2 Redalyc y 17 en otros. Se concluye que, los estudios analizados
muestran que la adición de cuarzo triturado al hormigón f’c 210 puede mejorar
su resistencia a la compresión en ciertos casos, pero también puede disminuir
la resistencia en otros, siendo la dosificación del 20% de cuarzo la que
presenta mejores resultados. Es importante evaluar los materiales antes de
usarlos en construcción.
Palabras clave: Cuarzo; Físico; Hormigón;
Materiales; Mecánicas; Propiedades; Silicios
ABSTRACT
The influence of quartz and other siliceous materials
on the physical-mechanical properties of the hormigón is a relevant topic
within the scope of civil engineering and construction. The hormigón, as a
construction material, is mainly composed of arid, water and a binder. The
objective of the article is to investigate the influence of quartz and siliceous
materials on the physical-mechanical properties of the hormigón, identifying
the dosage and its resistance to compression. Through a qualitative approach, a
systematic review of scientific articles was carried out. The analysis was
based on 42 publications collected during the study, 13 from Scielo, 10
ScienceDirect, 2 Redalyc and 17 others. It is concluded that, the analyzed
studies show that the addition of crushed quartz to the hormigón f'c 210 can
improve its resistance to compression in certain cases, but can also reduce the
resistance in others, resulting in the dosage of 20% of that provides better
results. It is important to evaluate materials before using them in
construction.
Key words: Cuarzo; Physical; Hormigón;
Materials; Mechanics; Properties; Silicones
RESUMO
A influência do quartzo e de outros
materiais silícios nas propriedades físico-mecânicas do hormigón é um tema
relevante no âmbito da engenharia civil e da construção. O hormônio, como
material de construção, é composto principalmente de árido, água e um
aglomerante. O objetivo do artigo é identificar a influência do quartzo e dos
materiais silíceos nas propriedades físico-mecânicas do hormônio, identificando
a dosificação e sua resistência à compressão. Através de uma abordagem
qualitativa foi realizada uma revisão sistemática de artigos científicos. A
análise foi baseada em 42 publicações coletadas durante o estúdio, 13 de
Scielo, 10 ScienceDirect, 2 Redalyc e 17 e outras. Se concluirmos que, os
estudos analisados mostram que a adição de quartzo triturado ao hormônio f'c
210 pode melhorar sua resistência à compressão em certos casos, mas também pode
diminuir a resistência em outros, ao mesmo tempo em que a dosificação de 20% de
quartzo é apresenta melhores resultados. É importante avaliar os materiais
antes de usá-los na construção.
Palavras-chave:
Cuarzo;
Físico; Hormigão; Materiais; Mecânicas; Propriedades; Silícios
INTRODUCCIÓN
La construcción se encuentra en un crecimiento porcentual,
aumentando un 1,8% solo en el transcurso del primer trimestre del 2023 (WTW,
2023). Actualmente, además del desarrollo sostenible, se presentan grandes
retos para esta industria, los cambios climáticos y la explotación de recursos
no renovables (Praveenkumar et al., 2019). Por esta razón, la investigación
internacional da cuenta de la búsqueda por reemplazos de materiales, cuyo
empleo permita resultados estándar o mejorados para las estructuras de
hormigón, llegando así a un incremento de investigaciones en su área (Castillo
et al., 2021).
Por este motivo, ante la necesidad de reducir la explotación
de recursos no renovables y sus cuestionamientos, se han empezado a considerar
productos con origen en los pasivos mineros; y es que, muchos minerales ya son
empleados en la industria, generando un gran ingreso en la economía, sin
embargo, su actividad y los pasivos resultantes de ella son poco tratables,
causando una respuesta negativa en el ambiente y las poblaciones (Ramos y
Pérez, 2021). En respuesta a ello, se ha visto su empleo como reemplazo de los
agregados.
Ahora bien, el cuarzo, siendo uno de los minerales más
presentes en la tierra, compuesto por silicio y oxígeno, unido en menor medida
a impurezas; es considerado como un pasivo minero, resultante de las labores de
extracción, posee un 7 en la escala de Mohs y un valor de densidad de 2.6 g/cm3
(Márquez et al., 2019). Pese a que el cuarzo es tomado por algunos estudiosos
como material de desmonte de la minería, ello se da al tratarse de zonas de
explotación de otros minerales, por ello, ante sus características, es
requerido en otras áreas de la industria, lo que ha dado pie a su explotación y
comercialización, acarreando impactos negativos en numerosos sectores.
De acuerdo a lo anterior, se puede afirmar que el cuarzo se
planta como un peligro para el medio ambiente, ya sea durante la explotación
minera, produciendo contaminación medio ambiental (Gutiérrez, 2014); como
durante su fase de desecho post industrialización en productos derivados de
este, contribuyendo al aumento de residuos no reutilizables en basurales y
generando posibles daños para las especies y personas (Patil et al., 2021).
En los Estados Unidos de América, la población rechaza la
explotación del cuarzo, la Junta de Comisionados del Agua del Centro de
Arkansas pidió a su Servicio Forestal negar el permiso a la mina de cuarzo
cerca al lago Winona, por temor al impacto en el agua y ecosistema circundante
(Arkansas Democrat Gazette, 2023). En Sudáfrica más de 5 ha. de terreno se
vieron afectadas ante los cazafortunas, debido a una beta de cuarzo que fue
confundida por diamantes, resultando en el desinterés de los improvisados
mineros al saber ello, dejando trás de si el área devastada con excavaciones de
hasta 1 metro de profundidad (The Guardian, 2021). En Perú, la presencia de
productos producidos con el cuarzo post industrializado en botaderos ha
generado el aumento de estos, presentándose solo en Lambayeque un incremento
del 5.6% en el total de áreas afectadas desde 2018 a 2023, pasando de 438 ha. a
463.97 ha. (OEFA, 2023).
Por otro lado, el uso del hormigón en la construcción ha
aumentado considerablemente en los últimos años, diversos estudios exponen que
la producción del hormigón se ha visto duplicada desde los años 90’, teniendo
una variación de 160 millones de m3 entre 1990 y el 2004 (Orozco et
al., 2018). Del mismo modo, los problemas presentes en este material también se
han hecho cada vez más grandes, como, por ejemplo, el hormiguero, variación del
color, grietas, transparencia del agregado, descascaramiento y se suma a esta
extensa lista la aparición de burbujas, diversos análisis mencionan que este es
el defecto con más aparición, con una frecuencia del 45% (Figueroa y Palacio,
2013). Desafortunadamente también existen problemas más profundos en el hormigón
que bajan la vida útil de la edificación y ponen en riesgo la durabilidad,
como, lo es, la corrosión del acero, la poca resistencia a la compresión y
flexión, etc. (Toirac, 2009).
Por lo tanto, durante su tiempo útil, el hormigón puede
sufrir daños que afectan su comportamiento y estructura interna, perdiendo sus
propiedades mecánicas y físicas, todo ello a causa de cambios en la
temperatura, humedad y presión, afectando sus propiedades como la resistencia a
la flexión y compresión (Imcyc, 2017). Para tener una buena resistencia a la
compresión en el hormigón ante agentes destructivos, estos deberían ser muy
densos y tener un buen curado, se recomienda también usar cemento aluminoso en
vez del cemento portland convencional o usar minerales como aditivos o
agregados (Knight, 1949).
Sin embargo, cada vez que se adiciona algún mineral al
cemento, dependiendo del tiempo, dosificación y características de este, pueden
surgir 3 efectos: la dilución del cemento, el efecto filler y según la
reactividad mineral puede presentar actividad puzolánica (Bonavetti y Rahhal,
2006). Por otra parte, la presencia de Nanosílice (dióxido de silicio) aumenta
la resistencia a la compresión; reduce la exudación, gracias al refinamiento de
los poros y también reduce el hidróxido de calcio de la mezcla, volviéndolo más
homogéneo, esto gracias a la reacción puzolánica del dióxido de silicio
(Caballero et al., 2021).
En torno a esto, en Rusia, Tolstoy et al. (2019) definen
“quartz sandstone” como un desecho de mina con posibles aplicaciones en la
construcción, su investigación buscó aplicar arena de cuarzo de los desechos de
mina, reemplazando parte del agregado fino, para la mejora de las propiedades
físico - mecánicas del hormigón, obteniendo una resistencia a la compresión de
46.3 MPa para su propuesta de hormigón verde, concluyendo en que dicho
rendimiento era comparable con el obtenido de un diseño estándar.
Cabe resaltar que, el cuarzo también se presenta en forma de
polvo, Vinh, Bazhenov y Aleksandrova (2019) aplicaron ello en combinación con
humo de sílice, como reemplazo de parte del material cementante en diferentes
proporciones, buscando obtener resultados mejorados en sus características
físico - mecánicas, obteniendo así una dosificación del 10% como la ideal,
generando valores mayores en resistencias.
También, en forma de roca, el cuarzo se puede emplear como
reemplazo del agregado grueso, en Perú se revisó la investigación de Bardales y
Bagner (2018), quienes aplicaron dicho material descubriendo así que, su
aumento en la translucidez era inversamente proporcional a su resistencia a la
compresión, resultando en una respuesta negativa.
Por otro lado, uno de los productos más comunes del cuarzo
post industrializado es el vidrio, en Lambayeque, se analizó el estudio de
Saravia (2019), el cual aplicó vidrio triturado como reemplazo del agregado
grueso, logrando con ello, incrementar las propiedades del hormigón en temas de
resistencia a la compresión, alcanzando un 15% de mejora.
Considerando lo expuesto, este artículo se justifica por la
necesidad que existe de optimizar el uso de recursos en la construcción y
disminuir el impacto ambiental que está asociado a la producción de hormigón.
La incorporación de cuarzo y sus derivados en las mezclas de hormigón no solo
puede mejorar sus propiedades físico-mecánicas, como la resistencia a la
compresión, sino que, también ofrece una alternativa sostenible al uso de
materiales convencionales.
En atención a todo lo anterior, se realiza la interrogante
¿cuál es la influencia del cuarzo y sus derivados en las propiedades
físico-mecánicas del hormigón, y qué ventajas se pueden obtener al utilizar
estos materiales como una alternativa sostenible en la construcción?, para dar
respuesta a la pregunta, este artículo tiene el objetivo de indagar la
influencia y resaltar las ventajas que trae el usar cuarzo y derivados en las
propiedades físico - mecánicas del hormigón, planteando un mejor uso para este
residuo minero. Basándose en lo dicho por los artículos anteriormente citados,
se destaca que el uso del cuarzo y sus derivados de manera correcta, beneficia
al hormigón gracias a sus componentes de sílice.
METODOLOGÍA
La investigación se guio bajo un enfoque cualitativo. A
través de una revisión literaria se indagó en las formas en que se presenta el
dióxido de silicio, arenas, polvos y rocas y otros materiales silíceos.
Teniendo como punto unánime la resistencia a la compresión de los diseños de
hormigón, respecto a cada dosificación empleada.
A continuación, se detallan los
procedimientos implementados para la búsqueda, selección y extracción de datos
de los estudios relevantes:
La revisión se llevó a cabo con 42
publicaciones a lo largo del estudio, distribuyéndose de la siguiente forma: 11
artículos previos al 2019, 5 del 2019, 2 del 2020, 8 del 2021, 7 del 2022, 5
del 2023 y 4 del 2024. Durante la búsqueda se emplearon las palabras
siguientes: Cuarzo, quartz influence, quartz sand, influencia del vidrio en el
hormigón, vidrio en el hormigón, cerámica en el hormigón, Sílice, quartz
powder, vidrio triturado, adiciones minerales, entre otras.
Criterios
de inclusión: Se incluyeron artículos de
investigación originales, revisiones sistemáticas y estudios experimentales cuya
temática abordara la influencia del cuarzo y otros materiales silíceos en el
hormigón. La fecha de publicación, de los artículos entre 2010 y 2024. Se
consideró que los estudios publicados fuesen en el idioma español e inglés.
Criterios
de exclusión: Se excluyeron las reseñas,
editoriales, cartas al editor y los estudios que no fuesen originales. Los
artículos que no abordaran directamente la influencia del cuarzo o materiales
silíceos en el hormigón. La fecha de publicación, anteriores al 2010
La estrategia de búsqueda se realizó
en variadas bases de datos académicas como Scielo ScienceDirect, Redalyc, IEEE
Xplore, repositorios y otras fuentes. Las estrategias de búsqueda se
estructuraron con los siguientes descriptores y operadores booleanos. Ecuación de búsqueda: ("Cuarzo" OR
"Quartz" OR "Quartz sand" OR "Silica" OR
"Quartz powder" OR "Glass in concrete" OR "Mineral
additions") AND ("Concrete" OR "Cement")
En cuanto a los filtros utilizados
fueron: la fecha de publicación desde el 2010 hasta el 2024, los artículos en
idioma español e inglés, los artículos revisados por pares, Tablas 1 y 2.
El
proceso de selección de estudios se realizó en dos etapas:
Cribado
inicial: Dos autores revisaron
independientemente los títulos y resúmenes de los artículos recuperados para
determinar su elegibilidad según los criterios establecidos. Se registraron las
discrepancias y se resolvieron mediante discusión.
Revisión
completa: Los artículos seleccionados fueron
leídos en su totalidad para confirmar su inclusión. En total, 42 publicaciones
fueron finalmente incluidas en la revisión.
De igual manera, la extracción de
datos fue realizada por dos revisores que trabajaron independientemente para
garantizar la precisión y consistencia. Los datos extraídos incluyeron: Características
del estudio: autor(es), año, tipo de estudio, diseño experimental;
Intervenciones: tipo y cantidad de materiales silíceos utilizados; Resultados:
resistencia a la compresión reportada.
Los revisores discutieron cualquier
discrepancia en los datos extraídos y confirmaron la información con los
autores originales cuando fue necesario. De igual forma, se buscaron datos
sobre las siguientes variables: Características del hormigón (tipo,
proporciones), métodos experimentales utilizados para medir la resistencia.
Finalmente, los resultados se tabularon para facilitar la comparación entre
estudios individuales, destacando las diferencias en métodos y resultados. La
síntesis se realizó mediante un análisis cualitativo que permitió identificar
tendencias comunes y variaciones significativas entre los estudios incluidos.