Mechanical Strength of Roller-Compacted Concrete Mechanical Strength with Zeolite, Microsilica, and Polypropylene Fibers

Resumen Técnico: Resistencia Mecánica del Concreto Compactado con Rodillo con Zeolita, Microsílice y Fibras de Polipropileno

Planteamiento del Problema
El concreto compactado con rodillo (RCC, por sus siglas en inglés) se utiliza ampliamente en la infraestructura debido a su eficiencia mecánica y rentabilidad. Si bien los beneficios individuales de los materiales cementantes suplementarios (SCM) y el refuerzo con fibras en el RCC están documentados, los efectos sinérgicos de la combinación de zeolita natural, microsílice y fibras de polipropileno (PP) aún no se comprenden suficientemente. La literatura existente suele centrarse en modificaciones de un solo componente, lo que genera hallazgos inconsistentes respecto a las dosificaciones óptimas. Además, los mecanismos interactivos que rigen el aumento o la degradación de la resistencia cuando se combinan estos materiales en una matriz de RCC de baja trabajabilidad requieren una investigación sistemática para desarrollar diseños de mezcla sostenibles y de alto rendimiento.

Metodología
Este estudio evaluó experimentalmente dieciséis diseños de mezcla de RCC distintos para determinar la influencia combinada de la zeolita natural, la microsílice y las fibras de PP. La matriz experimental varió dos parámetros primarios manteniendo los demás constantes:

• Zeolita Natural: Utilizada como reemplazo parcial del cemento al 0%, 5%, 10% y 15% en peso.
• Fibras de Polipropileno: Incorporadas en fracciones volumétricas de 0%, 0.06%, 0.12% y 0.24%.
• Microsílice: Mantenida en una dosis constante del 4% en peso del cemento para todas las mezclas.
• Diseño de Mezcla: Todas las mezclas cumplieron con las directrices de ACI 207.5R con una relación agua-aglutinante constante de 0.40 y un tamaño nominal máximo de agregado de 19 mm.

Los especímenes fueron curados en agua de cal saturada a 22 ± 2 °C. Las propiedades mecánicas se evaluaron a los 7, 28 y 90 días mediante pruebas de resistencia a la compresión (ASTM C39), resistencia a la tracción por división (ASTM C496) y resistencia a la flexión (ASTM C293). La absorción de agua se midió a los 28 días (ASTM C642) como un indicador de durabilidad. La trabajabilidad se evaluó cualitativamente mediante pruebas de flujo ASTM C1437.

Resultados Clave
Los datos experimentales revelaron tendencias no lineales donde el rendimiento mecánico alcanzó su punto máximo en niveles de combinación específicos antes de declinar:

• Dosificación Óptima de Zeolita: Un reemplazo de cemento del 10% con zeolita natural produjo consistentemente las mayores resistencias a la compresión, tracción y flexión en todas las edades de curado. A los 28 días, esto resultó en un incremento aproximado del 11% en la resistencia a la compresión en comparación con la mezcla de control. Niveles de reemplazo superiores (15%) provocaron reducciones de resistencia, probablemente debido a la dilución del cemento y a la disponibilidad limitada de hidróxido de calcio para las reacciones puzolánicas.
• Dosificación Óptima de Fibra: Un contenido de fibra de PP del 0.12% por volumen produjo el máximo rendimiento mecánico. En esta dosificación, la mezcla con 10% de zeolita alcanzó una resistencia a la compresión de 68.8 MPa a los 28 días, lo que representa un aumento promedio de aproximadamente el 25% sobre las contrapartes sin fibras. El aumento del contenido de fibra al 0.24% resultó en una reducción de la resistencia, atribuida a la aglomeración de fibras y al compromiso de la compactabilidad de la matriz.
• Efectos Sinérgicos: La combinación de 10% de zeolita, 4% de microsílice y 0.12% de fibras de PP proporcionó la mejora más significativa. El estudio observó que la actividad puzolánica de la zeolita y la microsílice densificó la matriz y refinó la zona de transición interfacial (ITZ), lo que a su vez mejoró el anclaje de las fibras y la eficiencia del puenteo de grietas.
• Durabilidad y Correlaciones: La absorción de agua disminuyó con el aumento del contenido de zeolita debido al refinamiento de los poros, pero aumentó ligeramente con mayores dosificaciones de fibra debido a los vacíos interfaciales. Se estableció una fuerte correlación empírica entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tracción por división (f_{sp} = 0.339f'_c^{0.59}), la cual se alineó estrechamente con las predicciones de ACI 318-11.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona una evaluación sistemática de los efectos interactivos de la zeolita natural, la microsílice y las fibras de PP en el RCC, abordando un vacío en la literatura respecto a las modificaciones de múltiples componentes. La principal significancia radica en la identificación de un diseño de mezcla equilibrado (10% de zeolita, 4% de microsílice, 0.12% de PP) que aumenta simultáneamente la resistencia mecánica y mantiene la durabilidad.

El artículo postula que las mejoras observadas no son meramente aditivas, sino que resultan de un mecanismo acoplado: las reacciones puzolánicas crean una matriz más densa que ancla mejor las fibras, mientras que las fibras puentean las microgrietas dentro de la matriz refinada. Este enfoque ofrece una solución sostenible para aplicaciones en pavimentos e infraestructura al utilizar zeolita natural disponible localmente para reducir el consumo de cemento y las emisiones de CO2 asociadas sin comprometer el rendimiento estructural. Los hallazgos sugieren que la optimización de estas relaciones de múltiples componentes es crítica para lograr un RCC de alto rendimiento, mientras que exceder las dosis óptimas conduce a la degradación del desempeño debido a problemas de trabajabilidad y defectos microestructurales.