Ingeniería y sus Alcances, Revista de Investigación

Enero-abril 2025 / Volumen 9 / No. 23

ISSN: 2664 – 8245

ISSN-L: 2664 - 8245

https://revistaingenieria.org

pp. 43 - 53

Desempeño del hormigón incorporando escoria de cemento y cenizas volantes en estructuras de transporte en Piura – 2024

 

Performance of concrete incorporating cement slag and fly ash in transport structures in Piura – 2024

 

Desempenho do betão incorporando escória de cimento e cinzas volantes em estruturas de transporte em Piura – 2024 de transporte

 

Luis Angel Chiroque Cordova

lchiroquec24@ucvvirtual.edu.pe

https://orcid.org/0000-0002-2173-1975

 

Tulio Gaona Roman

ggaonaro@ucvvirtual.edu.pe

https://orcid.org/0000-0001-8094-9061

 

Universidad Cesar Vallejo. Piura, Perú

 

Artículo recibido 18 de noviembre 2024 | Aceptado 21 de diciembre 2024 | Publicado 17 de enero 2025

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https://doi.org/10.33996/revistaingenieria.v9i23.131

RESUMEN

La incorporación de escoria de cemento y cenizas volantes en el concreto ha trascendido fronteras, posicionándose como una práctica cada vez más común en la construcción a nivel mundial. Este estudio busca mejorar las propiedades mecánicas y la sostenibilidad del concreto en infraestructura de transporte en Piura mediante la adición de escoria de cemento y cenizas volantes. La investigación utiliza un enfoque cuantitativo, con un diseño cuasi-experimental, evaluando reemplazos de 5%, 10% y 15% a edades de 7, 14 y 28 días. Las pruebas realizadas incluyeron resistencia a la compresión, resistencia a la flexotracción y trabajabilidad (método del asentamiento) en hormigón f'c = 280 kg/cm². Los resultados mostraron que una sustitución del 10% optimiza las propiedades mecánicas, alcanzando una resistencia media de 293 kg/cm², superior a la norma. Se concluye que esta proporción es estructuralmente viable, sostenible y rentable, reduciendo el impacto ambiental y preservando la trabajabilidad en obra.

 

Palabras clave: Cemento; Cenizas; Concreto; Escoria; Sostenibilidad; Volantes

 

ABSTRACT

The incorporation of cement slag and fly ash in concrete has transcended borders, positioning itself as an increasingly common practice in construction worldwide. This study seeks to improve the mechanical properties and sustainability of concrete in transportation infrastructure in Piura by adding cement slag and fly ash. The research uses a quantitative approach, with a quasi-experimental design, evaluating replacements of 5%, 10% and 15% at ages of 7, 14 and 28 days. The tests performed included compressive strength, flexural-tensile strength and workability (slump method) in concrete f'c = 280 kg/cm². The results showed that a 10% replacement optimizes the mechanical properties, achieving an average strength of 293 kg/cm², exceeding the standard. It is concluded that this proportion is structurally viable, sustainable and profitable, reducing environmental impact and preserving workability on site.

 

Key words: Cement; Ashes; Concrete; Slag; Sustainability; Flywheels

 

RESUMO

A incorporação de escórias de cimento e cinzas volantes no concreto transcendeu fronteiras, posicionando-se como uma prática cada vez mais comum na construção civil em todo o mundo. Este estudo busca melhorar as propriedades mecânicas e a sustentabilidade do concreto nas infraestruturas de transporte em Piura através da adição de escória de cimento e cinzas volantes. A pesquisa utiliza abordagem quantitativa, com desenho quase experimental, avaliando reposições de 5%, 10% e 15% nas idades de 7, 14 e 28 dias. Os ensaios realizados incluíram resistência à compressão, flexão-tração e trabalhabilidade (método slump) em concreto f'c = 280 kg/cm². Os resultados mostraram que uma substituição de 10% otimiza as propriedades mecânicas, alcançando uma resistência média de 293 kg/cm², superando o padrão. Conclui-se que esta proporção é estruturalmente viável, sustentável e rentável, reduzindo o impacto ambiental e preservando a gerenciabilidade no local.

 

Palavras-chave: Cimento; Cinzas; Concreto; Escória; Sustentabilidade; Babados

 

INTRODUCCIÓN

A nivel global, la construcción de infraestructuras, pavimentos y la búsqueda de materiales más resistentes, duraderos y sostenibles se han convertido en prioridades. El crecimiento urbano y la necesidad de estructuras sólidas y sostenibles han impulsado el desarrollo de nuevas técnicas en la construcción. Según Allied Market Research, la industria del concreto generó ingresos de 617,200 millones de dólares en 2020 y se proyecta que alcanzará 972,040 millones en 2030, con un crecimiento anual del 4.7%, principalmente en edificios residenciales y pavimentos urbanos.

En este sentido, China lidera la producción y consumo de concreto a nivel mundial, representando aproximadamente el 60% de la producción total, seguida por Estados Unidos, India y Brasil. En Perú, el sector construcción creció un 5,8% en el primer bimestre de 2024, reflejando una recuperación importante. La producción de cemento en el Perú ha ido en aumento en los últimos años, al igual que las emisiones de CO2 que esta actividad conlleva (Aguilar y Blanco, 2022). Sin embargo, este crecimiento también plantea la necesidad de analizar la sostenibilidad de los materiales empleados, ya que el concreto tradicional genera altas emisiones de carbono y consume grandes cantidades de energía en su producción. Este contexto evidencia la necesidad de analizar la sostenibilidad de los materiales empleados, ya que el concreto tradicional genera altas emisiones de carbono. Estas innovaciones permiten reducir la dependencia del cemento Portland tradicional, disminuyendo el impacto ambiental y favoreciendo la construcción de infraestructuras más resilientes y duraderas.

Es importante señalar que, el hormigón es un material de construcción esencial según Pérez y Merino (2020) suele elaborarse mezclando cal o cemento con grava, arena y agua: cuando se seca y fragua, el hormigón se endurece y gana resistencia, y es utilizado ampliamente en infraestructuras como puentes, carreteras y edificios (Mehta y Monteiro, 2014). Sin embargo, la producción de cemento Portland, principal componente del hormigón, conlleva un alto consumo de energía y genera significativas emisiones de CO2 (Neville, 2011). Ante este escenario, la búsqueda de materiales alternativos y sostenibles se ha convertido en una prioridad en la industria de la construcción.

Cabe destacar que, la incorporación de materiales cementantes suplementarios como la escoria de cemento y las cenizas volantes en las mezclas de hormigón han demostrado ser una alternativa viable para reducir el consumo de cemento Portland y mejorar las propiedades del hormigón (Shi y Day, 2018). Ya que, estos materiales, subproductos industriales, aportan propiedades puzolánicas que contribuyen a aumentar la durabilidad y la resistencia del hormigón a largo plazo (Neville, 2011).

Ahora bien, para el desarrollo de este estudio, es importante evaluar las siguientes propiedades del hormigón:

La resistencia a la compresión: es la capacidad del hormigón para resistir cargas aplicadas perpendicularmente a su superficie (ASTM C39/C39M-16).

La resistencia a la flexo-tracción: conocida como la capacidad del hormigón para resistir fuerzas de flexión que generan tensiones en la parte inferior de la sección (ASTM C78/C78M-16).

La trabajabilidad: es la facilidad con la que el hormigón puede ser mezclado, transportado y colocado sin perder sus propiedades (ASTM C143/C143M-17).

Considerando lo anterior, y a pesar de saber sobre la existencia de numerosos estudios realizados sobre la utilización de escoria de cemento y cenizas volantes en el hormigón, también es conocido que, aún existen lagunas de conocimiento respecto a su comportamiento en condiciones climáticas específicas, como las de la región de Piura. Es por ello, que este estudio busca contribuir a llenar esta brecha y proporcionar información relevante para la optimización de las mezclas de hormigón en esta región.

Aunado a esto, para este estudio también es importante evaluar el desempeño de mezclas de hormigón que incorporan escoria de cemento y cenizas volantes como sustitutos parciales del cemento Portland, con el fin de determinar su viabilidad para su aplicación en estructuras de transporte en Piura. También, esta investigación se enfoca en analizar las propiedades mecánicas y la trabajabilidad de mezclas de concreto que incorporan escoria de cemento y cenizas volantes como sustitutos parciales del cemento Portland. Esta perspectiva de estudio se encuentra alineada con el Objetivo de Desarrollo Sostenible 11, que promueve la creación de ciudades y comunidades sostenibles mediante sistemas de transporte seguros y eficientes.

Considerando lo anterior, y a pesar de saber sobre la existencia de numerosos estudios realizados sobre la utilización de escoria de cemento y cenizas volantes en el hormigón, también es conocido que, aún existen huecos de conocimiento respecto a su comportamiento en condiciones climáticas específicas, como las de la región de Piura. Si bien estudios como los de Sánchez (2023) y Orozco y Babel (2023) han evaluado los impactos ambientales de estos materiales, pocos se han centrado en las propiedades mecánicas y la durabilidad del hormigón en regiones con alta humedad y sismicidad, como Piura.

De igual manera, Viejo (2017) llevó a cabo un estudio pionero en el que investigó la posibilidad de sustituir una gran proporción del cemento Portland por ceniza volante en las mezclas de hormigón. Para garantizar la reactividad de la ceniza volante en estas altas dosis, el autor propuso la incorporación de un activador químico. Esta propuesta se fundamenta en investigaciones anteriores (Caijun, et al., 2011) que exploraron la producción de 'cementos alcalinos' a partir de cenizas volantes activadas con álcalis, abriendo así nuevas posibilidades para el desarrollo de hormigones más sostenibles.

Por lo tanto, se plantea la hipótesis de que la incorporación de escoria de cemento y cenizas volantes en las mezclas de hormigón puede mejorar su resistencia a la compresión y flexo-tracción, así como su durabilidad en condiciones ambientales adversas, contribuyendo a la construcción de infraestructuras más sostenibles y resilientes en la región.

Para dar respuesta a ello, el objetivo de este estudio fue desarrollar la implementación de mezclas de concreto que integren escoria de cemento y cenizas volantes, evaluando su resistencia a la compresión, flexo-tracción y trabajabilidad. Con esto, se busca contribuir a la sostenibilidad y eficiencia de las infraestructuras de transporte, garantizando estructuras más duraderas y con menor impacto ambiental.

 

MÉTODO

La investigación adoptó enfoque cuantitativo, diseño cuasi experimental, adecuado para evaluar el impacto de las proporciones de sustitución (5%, 10% y 15%) sobre las propiedades mecánicas del concreto. Este enfoque permite establecer relaciones causa-efecto entre las variables evaluadas y optimizar el uso de aditivos. El proceso incluyó la selección de materiales provenientes de fuentes locales, garantizando su calidad mediante tamizados y pruebas preliminares.

Las muestras de concreto se prepararon bajo condiciones controladas, respetando los tiempos de curado necesarios para evaluar su comportamiento a los 7, 14 y 28 días. Para cada proporción de sustitución, utilizaron cubos de 15 cm de lado y vigas de prisma para los ensayos de resistencia a la compresión y flexo-tracción, respectivamente.

Posteriormente, se realizaron ensayos estándar para medir las propiedades mecánicas y analizar la trabajabilidad del concreto fresco, permitiendo establecer la proporción óptima de aditivos en función de los resultados obtenidos. Como se describen a continuación:

Resistencia a la compresión: Los cubos de concreto se ensayaron a los 7, 14 y 28 días de curado en una prensa universal, siguiendo la norma ASTM C39/C39M-16.

Resistencia a la flexo-tracción: Las vigas de prisma se ensayaron a los 28 días de curado en una máquina de flexión, siguiendo la norma ASTM C78/C78M-16.

Trabajabilidad: Se determinó el asentamiento del cono de Abrams (slump) para cada mezcla, siguiendo la norma ASTM C143/C143M-17.

Los datos obtenidos se analizaron utilizando el software estadístico SPSS. Luego, se calcularon los valores promedio y las desviaciones estándar para cada variable. Se realizó un ANOVA de una vía para comparar las diferencias entre las diferentes proporciones de sustitución y se aplicaron pruebas de comparación múltiple de Tukey para identificar las diferencias significativas.

 

RESULTADOS

En este apartado, se presentan los resultados obtenidos de los ensayos realizados a las mezclas de concreto con diferentes porcentajes de sustitución de cemento Portland por escoria de alto horno y cenizas volantes. En este sentido, y mediante tablas y gráficos, se analizaron las propiedades mecánicas, incluyendo la resistencia a la compresión y flexotracción, así como la trabajabilidad de las mezclas. Ver tabla 1:

 

Tabla 1. Resistencia a compresión según porcentajes de reemplazo

Diseño de concreto

7 dias

14 dias

28 dias

Kg/cm2

%

Kg/cm2

%

Kg/cm2

%

Reemplazando 5% de Agregado Fino por cenizas volantes y escoria de cemento

199

71

240

86

281

100

199

71

238

85

280

100

197

70

236

84

280

100

196

70

241

86

279

100

Reemplazando 10% de Agregado Fino por cenizas volantes y escoria de cemento

209

75

240

86

294

105

206

74

250

89

292

104

204

73

243

87

293

105

207

74

247

88

292

104

Reemplazando 15% de Agregado Fino por cenizas volantes y escoria de cemento

191

68

230

82

271

97

194

69

227

81

269

96

191

68

226

81

271

97

192

69

226

81

270

96

 

Según muestra la tabla 1, los ensayos realizados mostraron que un reemplazo del 10% de escoria de cemento y cenizas volantes optimizó las propiedades mecánicas del concreto. A los 28 días, la resistencia promedio alcanzó 293 kg/cm², superando el estándar de 280 kg/cm². Por otro lado, el reemplazo del 5% mantuvo la resistencia en 280 kg/cm², mientras que el del 15% redujo la resistencia a 270 kg/cm², debido al exceso de materiales finos que afectaron la compactación y cohesión de la mezcla. En la figura 1 a continuación, el comportamiento de la resistencia a comprensión:

 

Figura 1. Comportamiento de la resistencia a compresión según el porcentaje de reemplazo

 

En la figura 1, los hallazgos muestran que, en los ensayos de flexo-tracción, el reemplazo del 10% también mostró el mejor desempeño, alcanzando 294.7 kg/cm². Este valor se explica por la sinergia entre las propiedades puzolánicas de los aditivos y la cohesión mejorada de la mezcla. Por el contrario, la resistencia disminuyó a 271.19 kg/cm² con el 15% de reemplazo, debido al exceso de finos que afectaron la estabilidad estructural. A continuación, tabla 2, resistencia a flexo-tracción. Seguidamente, la figura 2, resultados del ensayo de flexo-tracción:

 

Tabla 2. Resistencia a flexo-tracción según porcentajes de reemplazo

Item

Diseño de concreto

Registro N°

Esfuerzo (Kg/cm2

1

Concreto convencional

CE0M01

285.06

2

CE0M02

282.6

3

Reemplazando 5% de agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento.

CE5M01

280.33

4

CE5M02

281.93

5

Reemplazando 15% de agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento.

CE10M01

294.25

6

CE10M02

294.7

7

Reemplazando 15% de agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento.

CE15M01

269.05

8

CE15M02

271.19

 

La Tabla 2 presenta un análisis comparativo de la resistencia a flexo-tracción en diferentes diseños de concreto, variando el porcentaje de reemplazo del agregado fino por una combinación de cenizas volantes y escoria de cemento. Los resultados obtenidos permiten observar una tendencia clara en el comportamiento del material.

De esta manera, al comparar el concreto convencional con aquellos donde se sustituyó un 5% del agregado fino, se evidencia que existe una ligera disminución en la resistencia a flexo-tracción. Sin embargo, esta reducción es prácticamente inapreciable, lo que sugiere que un reemplazo parcial a este nivel no compromete significativamente las propiedades mecánicas del material.

También, es de resaltar un hallazgo relevante al analizar los diseños con un 10% de reemplazo. En este caso, se registra un aumento considerable en la resistencia a flexo-tracción en comparación con el concreto convencional. Este resultado indica que la incorporación de un 10% de materiales sustitutos optimiza las propiedades mecánicas del concreto, en particular su resistencia a la flexión.

Por otro lado, al incrementar el porcentaje de reemplazo al 15%, se observa una disminución notable en la resistencia a flexo-tracción. Este comportamiento puede atribuirse a un exceso de materiales finos en la mezcla, lo que afecta negativamente la cohesión y la capacidad del concreto para resistir esfuerzos de flexión

 

Figura 2. Resultados del ensayo de flexo-tracción

 

En la figura 2, el ensayo de slump reveló que el reemplazo del 10% mantiene una consistencia adecuada, con valores entre 4 y 6 pulgadas. Sin embargo, el reemplazo del 15% resultó en una reducción significativa de la trabajabilidad, dificultando el manejo y colocación del concreto en obra. A continuación, tabla 3 resultados del ensayo de slum. Y la figura 3, trabajabilidad del concreto en función del slump:

 

Tabla 3. Resultados del ensayo de slump

Item

Diseño de concreto

Registro N°

F,C

Slum

Esperado

Obtenido

1

Concreto convencional.

Ce0

280

4”-6”

4.7”

2

Reemplazando el 5% de agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento.

Ce5

280

4”-6”

4.0”

3

Reemplazando 10% de agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento.

Ce10

280

4”-6”

5.0”

4

Reemplazando 15% de agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento.

Ce15

280

4”-6”

3.2”

 

Los resultados que presenta la Tabla 3 del ensayo de slump, el cual se utiliza para evaluar la trabajabilidad del concreto, ha revelado una relación entre el porcentaje de reemplazo del agregado fino por cenizas volantes y escoria de cemento y las propiedades reológicas de la mezcla. Estos hallazgos muestran que la incorporación de estos materiales sustitutos influye de significativamente en la trabajabilidad del concreto. Se observa que, con un reemplazo del 5% del agregado fino, existe una ligera disminución en el valor de slump, lo que sugiere una reducción sutil en la capacidad de flujo de la mezcla. Esta disminución podría atribuirse a un aumento en la fricción interna causada por las partículas finas de los aditivos.

Por otra parte, al incrementar el porcentaje de reemplazo al 10%, se aprecia un aumento en el valor de slump, indicando una mejora en la trabajabilidad. Lo que sugiere que, este comportamiento es un efecto de lubricación proporcionado por las partículas finas, las cuales facilitan el movimiento de las partículas más grandes y reducen la fricción interna.

Sin embargo, un aumento adicional en el porcentaje de reemplazo, hasta alcanzar un 15%, resulta en una disminución considerable en el valor de slump. Este resultado sugiere que un exceso de materiales finos puede generar una mezcla demasiado cohesiva y difícil de trabajar

 

Figura 3. Resumen de la trabajabilidad del concreto en función del slump.

 

Discusión

Los resultados obtenidos muestran que el reemplazo del 10% de escoria de cemento y cenizas volantes optimizó la resistencia a compresión del concreto, alcanzando 293 kg/cm² a los 28 días. Este valor no solo supera el estándar de 280 kg/cm², sino que también evidencia una mejora significativa respecto a los reemplazos del 5% y 15%. Estos hallazgos son consistentes con los estudios de Castañeda y Salcedo (2020), quienes reportaron incrementos en la resistencia a compresión al incorporar cenizas volantes en porcentajes similares. En este caso, la combinación de escoria de cemento y cenizas volantes parece generar una sinergia que potencia las propiedades mecánicas del concreto.

El reemplazo del 15%, en cambio, mostró una disminución en la resistencia (270 kg/cm²), lo que puede atribuirse al exceso de materiales finos, los cuales afectaron la compactación y la cohesión de la mezcla. Esto concuerda con lo observado por Huaquisto y Quispe (2018 ambos estudios permiten afirmar que la incorporación de cenizas volantes como sustituto parcial del cemento puede mejorar las propiedades del concreto, pero es fundamental optimizar el porcentaje de sustitución para cada caso particular. En cuanto a la resistencia a flexo-tracción, el reemplazo del 10% también presentó el mejor desempeño, alcanzando 294.7 kg/cm². Este comportamiento puede explicarse por la cohesión interna mejorada y la reducción de fisuras gracias a las propiedades puzolánicas de los aditivos. Estudios previos, como el de Liaqat, et.al (2024), respaldan esta tendencia, destacando que materiales suplementarios como la escoria y las cenizas volantes mejoran la resistencia a esfuerzos de tracción y la durabilidad en aplicaciones estructurales.

El reemplazo del 15% mostró una disminución a 271.19 kg/cm², lo que confirma que un exceso de finos puede generar acumulación de humedad en la mezcla, afectando negativamente su desempeño bajo cargas de flexo-tracción.

Los resultados del ensayo slump indican que el reemplazo del 10% mantiene una trabajabilidad adecuada, con valores entre 4 y 6 pulgadas, lo que facilita el manejo y colocación del concreto en obra. Por el contrario, el reemplazo del 15% mostró una disminución significativa de la trabajabilidad, con valores promedio de 4.2 pulgadas. Esto coincide con las observaciones de Díaz y Sarmiento (2020), quienes señalaron que mayores proporciones de materiales finos aumentan la absorción de agua, reduciendo la fluidez del concreto.

Estos resultados sugieren que el 10% de reemplazo logra un equilibrio entre resistencia mecánica y trabajabilidad, haciendo que la mezcla sea adecuada tanto para su colocación como para garantizar su desempeño estructural.

 

CONCLUSIONES

Este estudio tuvo como objetivo desarrollar la implementación de mezclas de concreto que integren escoria de cemento y cenizas volantes, evaluando su resistencia a la compresión, flexo-tracción y trabajabilidad. Con los resultados se ha demostrado que la sustitución parcial del cemento Portland por escoria de alto horno y cenizas volantes puede de manera muy significativa mejorar las propiedades mecánicas del concreto, tomando en consideración que se emplee la proporción adecuada de aditivos, de esta forma, se obtienen resultados que generan un óptimo balance entre resistencia a la compresión y flexotracción, sin comprometer la trabajabilidad de la mezcla.

Por lo tanto, la mejora en las propiedades mecánicas puede atribuirse a la reacción puzolánica entre los aditivos y el hidróxido de calcio liberado durante la hidratación del cemento, lo que conduce a la formación de productos de hidratación adicionales que aumentan la densidad y cohesión de la matriz del concreto. Además, la reducción de la porosidad lograda con la incorporación de estos materiales contribuye a mejorar la resistencia a la penetración de agua y a los agentes agresivos.

En consideración a esto, es importante destacar que un exceso de aditivos, como el observado en las mezclas con un 15% de sustitución, puede tener un efecto perjudicial en las propiedades del concreto. Asimismo, la alta demanda de agua de los aditivos y la excesiva cantidad de finos pueden reducir la trabajabilidad de la mezcla, dificultar la compactación y aumentar la porosidad, lo que a su vez disminuye la resistencia y durabilidad del material.

Finalmente, los resultados de esta investigación respaldan la viabilidad técnica de utilizar escoria de alto horno y cenizas volantes como sustitutos parciales del cemento Portland en la producción de concreto. Siempre tomando en cuenta la proporción óptima de sustitución en este caso la encontrada en este estudio (10%) de escoria de cemento y cenizas volantes en mezclas de concreto para aplicaciones estructurales, ya que ofrece la mejor combinación entre resistencia, durabilidad y trabajabilidad. Además, se sugiere investigar más a fondo el comportamiento de estos materiales en condiciones ambientales extremas y con otras posibles combinaciones de aditivos.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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