Experimental Investigation of Strength and Durability Characteristics of Alkaline Activated Slag Concrete Replacing the Fine Aggregate with Bottom Ash

Resumen Técnico: Investigación Experimental de las Características de Resistencia y Durabilidad del Hormigón de Escoria Activada Alcalinamente Reemplazando el Agregado Fino con Ceniza de Fondo

Planteamiento del Problema
La industria de la construcción global enfrenta desafíos ambientales significativos debido a su dependencia del Cemento Portland Ordinario (OPC) y la arena de río natural. La producción de cemento es un contribuyente importante a las emisiones globales de CO₂ (aproximadamente del 4 al 8%), donde 1 tonelada de cemento libera 1 tonelada de CO₂. Concurrentemente, la eliminación de subproductos industriales, específicamente la ceniza de combustión de carbón de fondo, plantea riesgos ambientales a través de la degradación del suelo y la posible lixiviación de metales pesados. El estudio aborda la doble necesidad de reducir la huella de carbono del hormigón y gestionar los desechos industriales mediante el desarrollo de un Hormigón Geopolímero (GPC) sostenible que utiliza Escoria de Alto Horno Granulada (GGBFS) como sustituto del cemento y ceniza de fondo como reemplazo parcial del agregado fino natural (arena de río).

Metodología
La investigación empleó un enfoque experimental sistemático dividido en tres fases:

1. Preparación de la Mezcla: Se prepararon especímenes de GPC utilizando GGBFS como aglutinante. La ceniza de fondo se utilizó para reemplazar la arena de río natural en niveles variables: 0% (control), 10%, 20%, 30%, 40% y 50%. Las mezclas fueron activadas mediante soluciones alcalinas de Hidróxido de Sodio (NaOH) y Silicato de Sodio (Na₂SiO₃).
2. Evaluación de Propiedades de Ingeniería: La trabajabilidad del hormigón fresco se evaluó mediante la prueba de revenimiento (IS 1199). Las propiedades endurecidas se evaluaron mediante pruebas de resistencia a la compresión y resistencia a la tracción por división en varias edades de curado (3, 7, 28 y 90 días) bajo condiciones tanto de curado ambiental como químico.
3. Evaluación de la Durabilidad: La resistencia del hormigón a entornos agresivos se probó exponiendo los especímenes a soluciones de Ácido Sulfúrico (H₂SO₄) al 5% y Sulfato de Magnesio (MgSO₄) al 5%. La resistencia a la compresión residual y la pérdida de masa se midieron tras la exposición de 28, 56 y 90 días.

Las variables clave investigadas incluyeron la relación Activador Alcalino/Aglutinante (que oscila entre 0.35 y 0.55) y la molaridad de NaOH (de 8M a 16M).

Resultos Clave

• Trabajabilidad: La mezcla de control (0% de ceniza de fondo) exhibió un revenimiento de 108 mm. A medida que aumentaba el contenido de ceniza de fondo, la trabajabilidad disminuaba debido a la textura porosa e irregular de las partículas de ceniza. La mezcla con 50% de reemplazo mostró un revenimiento de 76 mm, lo que representa una reducción del 29.63%. Sin embargo, aumentar la relación Alcalino/Aglutinante de 0.35 a 0.55 mejoró la trabajabilidad, con valores de revenimiento que aumentaron de 65 mm a 145 mm.
• Resistencia a la Compresión:
  • Relaciones Óptimas: Una relación Alcalino/Aglutinante de 0.45 proporcionó el mejor equilibrio, alcanzando 42.5 MPa a los 28 días y 49.2 MPa a los 90 días.
  • Concentración de NaOH: Una mayor molaridad mejoró significamente la resistencia. La mezcla con 16M de NaOH logró 32.9 MPa (7 días), 44.6 MPa (28 días) y 51.8 MPa (90 días), en comparación con las resistencias menores de la mezcla de 8M.
  • Impacto de la Ceniza de Fondo: El aumento del contenido de ceniza de fondo generalmente redujo la resistencia a la compresión. Sin embargo, las mezclas con hasta un 40% de reemplazo mantuvieron resistencias estructuralmente satisfactorias (35.7–42.5 MPa a 28 días; 43.1–49.1 MPa a 90 días bajo curado ambiental). Todas las mezclas superaron la resistencia de diseño objetivo de 40 MPa a los 90 días.
• Resistencia a la Tracción por División: La resistencia a la tracción disminuyó con un mayor contenido de ceniza de fondo, cayendo de 4.75 MPa (control) a 4.23 MPa (50% de reemplazo) a los 28 días. A pesar de esta reducción, todas las mezclas se mantuvieron dentro de límites estructuralmente sólidos.
• Durabilidad:
  • Resistencia al Ácido: Después de 90 días en H₂SO₄ al 5%, todas las mezclas retuvieron más del 69% de su resistencia a la compresión original. La mezcla de control retuvo el 76.5%, mientras que la mezcla con 50% de ceniza de fondo retuvo el 69.2%.
  • Resistencia al Sulfato: La exposición a MgSO₄ al 5% durante 90 días resultó en que todas las mezclas retuvieran más del 82% de su resistencia a la compresión (Control: 88.5%; reemplazo del 50%: 82.1%).

Contribuciones Clave
El estudio demuestra que la ceniza de fondo puede reemplazar eficazmente hasta el 40% del agregado fino natural en el hormigón de GGBFS activado alcalinamente sin comprometer la integridad estructural o la durabilidad. Identifica los parámetros de mezcla óptimos para este hormigón sostenible: una relación Alcalino/Aglutinante de 0.45 y una concentración de NaOH de 16M. La investigación confirma que la densa matriz geopolimérica formada por la activación de GGBFS proporciona una alta resistencia a los ataques de ácido y sulfatos, incluso con la inclusión de desechos industriales porosos.

Significancia
El artículo sostiene que este enfoque ofrece una vía viable para la construcción sostenible al reducir simultáneamente el consumo de recursos naturales (arena de río) y mitigar el impacto ambiental de los desechos industriales (ceniza de fondo) y la producción de cemento. Los hallazgos sugieren que el hormigón geopolímero que utiliza estos materiales puede cumplir con los requisitos estándar de ingeniería de resistencia y durabilidad, promoviendo así la adopción de materiales de construcción ecológicos en el sector de la construcción.