Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

Resumen Técnico: Evaluación de la Resistencia Mecánica de Ladrillos Ecológicos Producidos con Polvo de Mármol y Polvo de Piedra Triturada de Desecho

Planteamiento del Problema
La industria de la construcción enfrenta un desafío dual: la generación de cantidades masivas de desechos industriales, específicamente polvo de mármol (MD) y polvo de piedra triturada (CSD), y la alta huella ambiental de la producción de cemento. El procesamiento del mármol en la India genera aproximadamente 12 millones de toneladas de desechos anualmente, lo que plantea riesgos significativos de contaminación del suelo y del agua. Simultáneamente, la fabricación de cemento contribuye con aproximadamente el 5% de las emisiones antropogénicas globales de CO₂. Si bien estudios previos han explorado el uso individual de MD o CSD como reemplazos parciales del cemento, el efecto sinérgico de combinar estos dos materiales de desecho en la fabricación de ladrillos sigue siendo una brecha de investigación significativa. Este estudio aborda la necesidad de utilizar estos materiales de desecho disponibles localmente para reducir el consumo de cemento, mitigar los peligros ambientales y producir materiales de construcción sostenibles sin comprometer el rendimiento mecánico.

Metodología
La investigación empleó un diseño experimental para evaluar la idoneidad del MD y el CSD como reemplazos parciales del Cemento Portland Pozolánico (PPC) en la producción de ladrillos.

• Materiales: El estudio utilizó PPC (35% de ceniza volante), arena natural (Zona I), polvo de mármol y polvo de piedra triturada.
• Diseño de Mezcla: Los ladrillos se fundieron en una relación 1:4 (Cemento:Arena) con una relación agua-cemento de 0.45. La mezcla de control (M0) contenía 100% de cemento. Las mezclas experimentales reemplazaron el cemento con proporciones iguales de MD y CSD en tres niveles:
  • M10: 10% MD + 10% CSD (Reemplazo total del 20%).
  • M20: 20% MD + 20% CSD (Reemplazo total del 40%).
  • M30: 30% MD + 30% CSD (Reemplazo total del 60%).
• Preparación de Especímenes: Se fundieron ladrillos de 230 mm x 90 mm x 80 mm en moldes de madera, compactados mediante un vibrador de mesa y curados en agua durante 7, 14 y 28 días.
• Protocolos de Ensayo: El estudio realizó análisis granulométricos, pruebas de gravedad específica, pruebas de contenido de limo, pruebas de absorción de agua y mediciones de densidad. La resistencia a la compresión se evaluó utilizando una Máquina de Ensayo de Compresión (CTM) a los 7, 14 y 28 días.
• Análisis Estadístico: Los datos se analizaron mediante estadísticas descriptivas (media, desviación estándar, coeficiente de variación) y Análisis de Varianza de un factor (ANOVA) para determinar la significancia de la edad de curado y los niveles de reemplazo en la resistencia (p < 0.05).

Resultados Clave

• Resistencia a la Compresión: La mezcla de control (M0) alcanzó la mayor resistencia a la compresión a los 28 días de 24.56 MPa. La mezcla M10 (20% de reemplazo total) registró 20.62 MPa, representando una alternativa viable. Sin embargo, niveles de reemplazo más altos resultaron en una reducción significativa de la resistencia: M20 (40% de reemplazo) cayó a 8.61 MPa, e M30 (60% de reemplazo) descendió a 6.37 MPa.
• Significancia Estadística: El ANOVA confirmó que tanto la edad de curado como el nivel de reemplazo tuvieron un efecto estadísticamente significativo en la resistencia a la compresión (p < 0.001). El desarrollo de la resistencia a lo largo del tiempo (de 7 a 28 días) fue significativo para todas las mezclas.
• Absorción de Agua: Se observó una relación inversa entre la resistencia y la absorción de agua. A medida que el nivel de reemplazo aumentaba, la absorción de agua aumentó de 5.66% (M0) a 9.81% (M30), indicando una mayor porosidad y una reducción de la unión a niveles de reemplazo más altos.
• Densidad: La densidad de los ladrillos disminuyó gradualmente con el aumento del reemplazo, variando de 2698.87 kg/m³ (M0) a 2491.14 kg/m³ (M30). La mezcla M10 mantuvo una densidad consistente con los materiales de construcción estándar.
• Propiedades de los Materiales: El polvo de mármol exhibió una gravedad específica de 2.63 y el polvo de piedra 2.57, ambos menores que el cemento (3.1), lo que contribuyó a la reducción de la densidad observada.

Contribuciones y Reivindicaciones Clave
El artículo sostiene que el reemplazo parcial del cemento con una combinación de polvo de mármol y polvo de piedra triturada es una estrategia viable para la construcción sostenible, siempre que el nivel de reemplazo esté optimizado.

• Nivel de Reemplazo Óptimo: El estudio identifica el nivel de reemplazo total del 20% (10% MD + 10% CSD) como el candidato óptimo. Esta mezcla alcanzó una resistencia a la compresión promedio de 20.62 MPa, la cual los autores argumentan es suficiente para competir con la mezcla de control en aplicaciones de construcción específicas, ofreciendo al mismo tiempo beneficios ambientales.
• Utilización Sinérgica: La investigación destaca el potencial de utilizar dos flujos distintos de desechos industriales simultáneamente, abordando una brecha en la literatura respecto a la valorización combinada de desechos.
• Impacto Ambiental y Económico: Al sustituir el cemento, el estudio afirma una reducción en las emisiones de CO₂ y el consumo de energía asociados con la fabricación de cemento. Además, el uso de desechos de origen local reduce los costos de transporte y las responsabilidades de disposición asociadas con las industrias de procesamiento de mármol y piedra.

Significancia
Los autores posicionan este trabajo como una contribución a los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) 9 (Industria, Innovación e Infraestructura) y 11 (Ciudades y Comunidades Sostenibles). El estudio demuestra que los subproductos industriales pueden ser transformados en materiales de construcción funcionales, reduciendo así la huella de carbono del entorno construido y gestionando los desechos sólidos. El artículo concluye que, si bien el reemplazo excesivo compromete la durabilidad y la resistencia, una sustitución controlada y de bajo nivel (específicamente el reemplazo total del 20%) ofrece un enfoque equilibrado para lograr ahorros de costos, sostenibilidad ambiental y un rendimiento mecánico aceptable. Se sugiere que el trabajo futuro se centre en el rendimiento a largo plazo y la estandarización de las propiedades de los materiales de desecho.