Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

Resumen Técnico: Evaluación de las Propiedades de Ingeniería del Concreto con Reemplazo Parcial de Árido por Cerámica Rota

Planteamiento del Problema
La industria de la construcción enfrenta desafíos significativos relacionados con el rápido agotamiento de los recursos naturales y los crecientes costos asociados con la extracción de áridos. El concreto, el segundo material más consumido globalmente después del agua, depende fuertemente de los áridos, que constituyen entre el 75% y el 80% de su volumen. En naciones en desarrollo como Ghana, la extracción excesiva provoca degradación ambiental y contaminación de los ecososistemas. Simultáneamente, las industrias cerámica y de loza generan una cantidad sustancial de desechos; aproximadamente el 30% de las materias primas en la producción cerámica y el 2% de los productos terminados se descartan como desperdicio. Estos desechos suelen terminar en vertederos, donde pueden interactuar negativamente con las aguas subterráneas. El estudio aborda la doble necesidad de reducir los costos de construcción y mitigar el impacto ambiental mediante la investigación de la viabilidad del uso de cuencos de loza rota como reemplazo parcial de los áridos gruesos tradicionales (granito triturado) en la producción de concreto.

Metodología
La investigación empleó un enfoque experimental para evaluar las propiedades mecánicas, físicas y de durabilidad del concreto.

• Materiales: El estudio utilizó Cemento Portland Ordinario (GHACEM Super Strong 42.5R), arena de fosa, granito triturado y cuencos de loza rotos. El agua cumplió con los estándares BS EN 1008:2002.
• Diseño de Mezcla: Se estableció una resistencia objetivo de 25 N/mm² utilizando una relación de mezcla 1:2:4 con una relación agua-cemento de 0.55.
• Preparación de Especímenes: Los especímenes de concreto se fundieron en cubos de acero (100 mm³) y cilindros (100 mm de diámetro × 200 mm de altura). El granito triturado fue reemplazado parcialmente con áridos de loza rota al 0% (control), 10%, 20%, 30% y 40% en peso.
• Curado y Pruebas: Los especímenes fueron curados durante 7, 14, 21 y 28 días. Las pruebas incluyeron:
  • Densidad: Medida según BS EN 12390-7:2019.
  • Resistencia a la Compresión: Probada mediante una Máquina Universal de Ensayos (UTM) según BS EN 12390-3:2019.
  • Resistencia a la Tracción Indirecta (Split Tensile): Realizada según BS EN 12390-6:2009.
  • Absorción de Agua: Determinada después de 28 días según BS EN 1881-122:2011.
  • Ataque de Sulfato de Magnesio (MgSO₄): Los especímenes fueron curados en solución de MgSO₄ durante 28 días y posteriormente se probó su resistencia a la compresión según BS EN 206-1:2000.
• Análisis de Datos: Los resultados se analizaron utilizando Microsoft Excel y ANOVA de un factor para determinar la significancia estadística (P < 0.05).

Resultos Clave

• Densidad: La densidad disminuyó a medida que aumentaba el porcentaje de reemplazo de loza. El espécimen de control (0%) alcanzó la mayor densidad (2486.67 kg/m³ a los 28 días), mientras que el reemplazo del 40% registró la menor (2276.67 kg/m³). El reemplazo del 10% produjo una densidad de 2432.00 kg/m³, la cual es un 2.2% menor que el control, pero se mantiene dentro del rango de concreto de peso normal (1842–2483 kg/m³ según ASTM C138).
• Resistencia a la Compresión: La resistencia aumentó con la edad de curado, pero disminuyó con mayores porcentajes de reemplazo. A los 28 días, el control registró 27.13 N/mm². El reemplazo del 10% registró 26.39 N/mm² (2.7% menor que el control), mientras que el reemplazo del 40% registró 24.76 N/mm². A pesar de la reducción, todos los especímenes excepto el de reemplazo del 40% cumplieron con la resistencia objetivo de 25 N/mm², y todos se situaron dentro del estándar aceptable para unidades de mampostería portante (mínimo 13.8 MPa según ASTM C90-22).
• Resistencia a la Tracción Indirecta: Las tendencias reflejaron la resistencia a la compresión, disminuyendo a medida que aumentaban los porcentajes de reemplazo. A los 28 días, los valores oscilaron entre 2.769 N/mm² (control) y 2.487 N/mm² (reemplazo del 40%). La resistencia a la tracción indirecta se mantuvo entre el 8% y el 15% de la resistencia a la compresión, consistente con el comportamiento estándar del concreto.
• Absorción de Agua: La absorción de agua aumentó con mayores porcentajes de reemplazo. El control mostró un 2.44% de absorción, mientras que el reemplazo del 10% mostró un 2.52% (3.2% superior al control). El reemplazo del 40% alcanzó un 3.19%. Todos los valores se mantuvieron por debajo del umbral del 5% frecuentemente citado para concreto de alta calidad y dentro del rango óptimo de 4–6%.
• Ataque de Sulfato de Magnesio (MgSO₄): La exposición a MgSO₄ causó pérdidas de resistencia en todos los especímenes. Curiosamente, el reemplazo del 40% demostró la mayor resistencia, con solo una pérdida de resistencia del 0.3%, comparado con el 2.5% del control. El reemplazo del 10% mostró una pérdida del 1.6%.

Conclusiones y Significado
El estudio concluye que los áridos de loza rota son un reemplazo parcial viable para los áridos gruesos en el concreto.

• Cumplimiento de Estándares: El concreto producido con hasta un 40% de reemplazo cumple con los estándares de ingeniería establecidos por BS EN 12390:2019 y BS 1881-122:2011 con respecto a densidad, resistencia y absorción de agua.
• Aplicaciones Recomendadas: Los autores recomiendan un reemplazo del 10% para trabajos de concreto estándar, ya que ofrece un equilibrio entre resistencia y durabilidad con una desviación mínima de las propiedades del control. Se recomienda un reemplazo del 40% específicamente para entornos con alta exposición a sulfato de magnesio, ya que la mezcla del 40% demostró una resistencia superior al ataque químico.
• Impacto Económico y Ambiental: El uso de loza rota reduce los costos de construcción al sustituir áridos naturales costosos por desechos industriales de bajo costo. Además, promueve la sostenibilidad ambiental al desviar los desechos cerámicos de los vertederos y reducir la huella ecológica asociada con la extracción de áridos.

La investigación afirma que la reutilización de desechos cerámicos mejora tanto la eficiencia de costos como la sostenibilidad ambiental en la industria de la construcción sin comprometer la integridad estructural requerida para aplicaciones de carga.