Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

Resumen Técnico: Evaluación del Desempeño de Concreto Incorporando Dióxido de Titanio Nano y Ceniza de Fondo de Carbón

Planteamiento del Problema
La industria de la construcción enfrenta un doble desafío: la alta huella ambiental de la fabricación de cemento, que representa emisiones significativas de dióxido de carbono, y la creciente escasez y el costo de los agregados finos naturales (arena de río). La dependencia tradicional del Cemento Portland Ordinario (CPO) y la arena natural es insostenible debido al agotamiento de los recursos y al daño ecológico derivado de la extracción y el dragado. Además, la eliminación de subproductos industriales como la ceniza de fondo de carbón (CBA, por sus siglas en inglés) sigue siendo un problema de gestión de residuos. Si bien se han explorado materiales cementantes suplementarios (SCM), existe la necesidad de optimizar los diseños de mezcla que utilicen simultáneamente desechos industriales como sustituto de agregado fino e incorporen nanomateriales para mejorar las propiedades microestructurales sin comprometer la trabajabilidad o la durabilidad a largo plazo.

Metodología
El estudio se centró en concreto de grado M35, diseñado de acuerdo con las normas IS 10262:2009 e IS 456:2000. El programa experimental involucró tres variables primarias:

1. Sustitución de Agregado Fino: El agregado fino natural fue reemplazado parcial o totalmente con Ceniza de Fondo de Carbón (CBA) en incrementos del 10% al 100%.
2. Adición de Nanomaterial: Se añadió Dióxido de Titanio Nano (NTi) a la matriz de cemento en dosis variables (del 1% al 7% en peso) para evaluar su efecto en la hidratación y la microestructura.
3. Mezcla de Control: Una mezcla convencional M35 sirvió como base para la comparación.

La investigación empleó un régimen de pruebas exhaustivo:

• Propiedades en Estado Fresco: La trabajabilidad se evaluó mediante pruebas de cono de revenimiento, factor de compactación y tabla de flujo.
• Propiedades Mecánicas: La resistencia a la compresión se midió a los 3, 7, 28, 56 y 90 días. Las resistencias a la tracción indirecta y a la flexión se evaluaron a los 28, 56 y 90 días.
• Durabilidad: La resistencia al ataque ácido (inmersión en HCl al 5%) se probó midiendo la pérdida de masa y la reducción de resistencia a lo largo del tiempo. Se realizaron Pruebas de Penetración Rápida de Cloruros (RCPT) a los 90 días para evaluar la permeabilidad.
• Ensayos No Destructivos (NDT): Se utilizaron pruebas de martillo de rebote y mediciones de Velocidad de Pulso Ultrasónico (UPV) para evaluar la calidad interna y la densidad.
• Análisis Microestructural: Se utilizaron Difracción de Rayos X (XRD) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para identificar fases cristalinas, productos de hidratación y el refinamiento de la estructura de poros.

Contribuciones Clave y Resultados

• Trabajabilidad: La incorporación de 60% de CBA y 40% de agregado fino natural mantuvo generalmente una trabajabilidad media. La adición de NTi mejoró la trabajabilidad, siendo una dosis del 5% la que produjo el mayor revenimiento (128 mm) y flujo (93%), clasificado como trabajabilidad "Alta". Sin embargo, las dosis superiores al 5% mostraron rendimientos decrecientes o una reducción en el desempeño.
• Resistencia Mecánica:
  • Sustitución con CBA: Una mezcla con 60% de CBA y 40% de agregado fino natural superó a la mezcla de control. A los 90 días, esta mezcla alcanzó una resistencia a la compresión de 47.1 N/mm² (en comparación con los 46.3 N/mm² del control), junto con una mejora en las resistencias a la tracción indirecta (3.04 N/mm²) y a la flexión (3.54 N/mm²). El reemplazo total del agregado fino con CBA resultó en una reducción de la resistencia.
  • Optimización de NTi: La adición de 5% de NTi a la mezcla con 60% de CBA produjo el desempeño mecánico óptimo. Esta combinación alcanzó una resistencia máxima a la compresión de 47.9 N/mm² a los 90 días, superando tanto al control como a las mezclas modificadas solo con CBA. Las dosis menores (1-2%) de NTi resultaron inicialmente en una menor resistencia en comparación con la mezcla solo con CBA.
• Durabilidad:
  • Resistencia al Ácido: La mezcla con 5% de NTi demostró una resistencia superior a la exposición con HCl al 5%. A los 28 días, exhibió solo un 12.07% de reducción de resistencia, significativamente menor que el control (27.01%) y la mezcla con 60% de CBA (23.50%). Aunque la pérdida de resistencia aumentó con el tiempo, la mezcla modificada con NTi se mantuvo más resistente que las otras variantes a los 90 días.
  • Permeabilidad al Cloruro: Los resultados de RCPT indicaron que la mezcla con 5% de NTi tuvo la permeabilidad al cloruro más baja (379 Coulombs), clasificada como "Muy Baja", en comparación con los 756 Coulombs de la mezcla con 60% de CBA y los 886 Coulombs del control.
  • Resultados de NDT: La prueba de UPV confirmó la calidad mejorada de la mezcla modificada con NTi, registrando una velocidad de pulso de 5.36 km/seg ("Excelente"), en comparación con 3.85 km/seg para la mezcla con CBA y 3.66 km/seg para el control.
• Perspectivas Microestructurales:
  • Análisis XRD: Se confirmó la presencia de NTi (fase Anatasa). La mezcla con 5% de NTi mostró una reducción en los picos de Hidróxido de Calcio (Portlandita) y una intensificación de la región de Silicato de Calcio Hidratado (C-S-H), lo que sugiere que el NTi actuó como un sitio de nucleación, promoviendo una hidratación más densa.
  • Análisis SEM: Las micrografías revelaron que la mezcla modificada con NTi posee una estructura de poros refinada con menos vacíos. Las partículas de CBA actuaron como microagregados, llenando los vacíos, mientras que el NTi mejoró la zona de transición interfacial, resultando en una matriz más densa.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo concluye que el uso sinérgico de la Ceniza de Fondo de Carbón como sustituto sostenible de agregado fino y el Dióxido de Titanio Nano como aditivo de mejora de desempeño ofrece una vía viable para el desarrollo de un concreto sostenible. El estudio afirma que la mezcla específica de 60% de CBA y 5% de NTi representa un compromiso óptimo, entregando:

1. Desempeño Mecánico Mejorado: Mayores resistencias a la compresión, tracción y flexión en comparación con el concreto convencional.
2. Durabilidad Mejorada: Reducción significativa de la permeabilidad al cloruro y mejor resistencia al ataque ácido, lo que sugiere una vida útil más larga, particularmente en entornos agresivos.
3. Refinamiento Microestructural: Una matriz más densa con porosidad reducida y productos de hidratación optimizados.
4. Viabilidad Práctica: Las mezclas mantuvieron o mejoraron la trabajabilidad, lo que indica que estas modificaciones sostenibles no requieren procedimientos de manejo complejos en la obra.

Los autores posicionan este enfoque no como una "solución milagrosa", sino como un fuerte candidato para aplicaciones donde se prioriza la integridad estructural a largo plazo y la sostenibilidad ambiental. La investigación valida que los desechos industriales pueden valorizarse efectivamente cuando se combinan con nanomateriales avanzados para abordar las limitaciones del concreto tradicional.