2.1 Proporcionamientos requeridos

2.1.2 Diseño experimental

Se realizaron siete tipos de mezclas de concreto de acuerdo con la Norma ^{ACI-211.4R (2008)}: una mezcla de control (CC-0%) que sirvió de referencia para el diseño y otra mezcla de concreto con aditivo fluidificante (CF-0%) con la que se evaluó el comportamiento y desempeño del CAC; las 5 mezclas restantes contenían diferentes porcentajes de CBC con respecto al peso del cemento: 5%, 10%, 15%, 20% y 25%, (tabla 1). Se utilizó agregado grueso de tamaño máximo de 12.7 mm (1/2”) y agregado fino de arena de río. Todas las mezclas se diseñaron de acuerdo con el método de volúmenes absolutos del Instituto Americano del Concreto (ACI) (^{ACI-211.1., 2002}), para lo cual se consideraron las relaciones agua/cemento descritas en la tabla 1.

Figura 1 Llenado de cilindros con concreto autocompactable. 

Tabla 1 Diseño de mezclas de concreto. 

Diseño de mezcla	Relación a/c*	Agua (kg/m3)	Cemento (kg/m3)	Ceniza de bagazo de caña (kg/m3)	Agregado fino (kg/m3)	Agregado grueso (kg/m3)	Superplastificante (% por peso de cemento)
CC-0% CBC	0.50	190.00	380.00	---	830.00	845.00	---
CF-0%CBC	0.50	190.00	380.00	---	830.00	845.00	2.00
CAC-5%CBC	0.48	190.00	380.00	19.00	830.00	845.00	2.00
CAC-10%CBC	0.45	190.00	380.00	38.00	830.00	845.00	2.00
CAC-15%CBC	0.43	190.00	380.00	57.00	830.00	845.00	2.00
CAC-20%CBC	0.42	190.00	380.00	76.00	830.00	845.00	2.00
CAC-25%CBC	0.40	190.00	380.00	95.00	830.00	845.00	2.00
CC= Concreto de Control, CF= Concreto Fluido, CAC= Concreto Autocompactante, CBC= Ceniza de Bagazo de Caña Relacion a/c* la c* es la suma de la cantidad de cemento empleada + la CBC

2.1.3 Preparación de probetas

Se fabricaron un total de 196 probetas cilíndricas de 150 mm x 300 mm. Las probetas fueron cubiertas durante 24 h y posteriormente se procedió al curado por inmersión en una solución saturada de hidróxido de calcio, manteniéndose en esa condición hasta la fecha del ensayo de acuerdo con la ^{ASTM C31 (2008)}.

Tabla 2 Características de las probetas y tiempos de prueba para ensayos mecánicos. 

Ensayo	Descripción	Edad de prueba (días)	Número de Cilindros
Resistencia a compresión	Cilindros: 150mm Ø x 300mm	7, 14, 28, 56, 90, 180, 360	196

Figura 2 Preparación de cilindros para ensayos 

En este proceso se empleó una revolvedora con capacidad para un saco de cemento, capacidad de mezcla de 255 l y con volumen de 350 l. El tiempo total de amasado fue de 7 minutos. Cabe mencionar que de acuerdo con las cantidades de mezcla fue necesario realizar dos mezclas de concreto simultáneas.

2.1.4 Caracterización de las mezclas en estado fresco

Las diversas mezclas se prepararon conforme a las “Especificaciones y directrices para el hormigón autocompactable - HAC” de ^{EFNARC (2002}). Se emplearon los ensayos de flujo de asentamiento, flujo de asentamiento T_50cm, anillo J, caja en L, embudo V, embudo V a T_5minutos (EFNARC, 2002) y el Índice de Estabilidad Visual (VSI) (^{ASTM C1611, 2018}).

Figura 3 Caracterización de mezclas en estado fresco para la evaluación de los parámetros de trabajabilidad elementales de un CAC 

2.1.5 Caracterización de las mezclas en estado endurecido

Resistencia a la compresión

Los ensayos de resistencia a la compresión se realizaron de acuerdo con la norma ^{ASTM C39 (2004)}. En total se emplearon 196 probetas cilíndricas para 7 tipos de mezclas, de las cuales fueron ensayadas 4 probetas de cada muestra a las edades de 7, 14, 28, 56, 90, 180 y 360 días.

Figura 4 Secuencia de los ensayos de resistencia a compresión. 

3.1 Composición química de la CBC y cemento por FTIR

La técnica de FTIR permite realizar el análisis cualitativo de muestras orgánicas e inorgánicas, empleándose en ensayos de control de calidad y/o necesidades de investigación. La figura 5 muestra el espectro FTIR de la ceniza de bagazo de caña (CBC) y cemento portland. El análisis se realizó en el infrarrojo medio en la zona vibracional de 4000 a 600 cm^-1.

Figura 5 Espectro FTIR comparativo de la CBC y el CPC 30R 

En el espectro FTIR de la CBC mostrada en la figura 5 se puede observar una banda en 1108 cm^-1 correspondiente a la Sílice (O-Si-O) (Sócrates, 2004). Mientras que en las regiones cercanas a 1042 cm^-1 se pudieron detectar las señales correspondientes a Si-O (^{Castaldelli, et al., 2016}) y en las longitudes de onda de 1472 y 870 cm^-1 se relacionó con la presencia de carbonatos (O-C-O) (Castaldelli, et al., 2016). Así también, para el valor de 870 cm^-1 se asoció con la presencia de SiOH, y en 716 cm^-1 para el K₂O (Castaldelli, et al., 2016). Mediante esta técnica, se pudo obtener un acercamiento de la composición química de la ceniza de bagazo de caña, mostrando los compuestos mayoritariamente de SiO₂ y carbonatos, que permitieron realizar un análisis mediante la técnica de DRX.

3.2 Caracterización química del cemento y la CBC por FRX

La caracterización elemental de la ceniza y el cemento se realizó por fluorescencia de rayos X. Para ello, se preparó una pastilla tomando 15 g de la muestra (ceniza tamizada con la malla no. 200 y cemento), con 0.6 g de gel compactante. Se coloca en un pulverizador de anillos durante un tiempo estándar estipulado por el laboratorio. Una vez pulverizada la muestra, se pesan 6.6 g de cada muestra y se pasa a una prensa para formar la pastilla, la cual se analiza en el equipo de fluorescencia de rayos X MagixPro PW-2440 Philips. La técnica de FRX se basa en bombardear la muestra con Rayos X (primarios), éstos excitan los átomos, que, al volver a su estado inicial, emiten Rayos X (radiación secundaria) de longitudes de onda determinadas expresada en porcentaje masa/masa.

En la tabla 3 se muestran las composiciones químicas de la CBC y del cemento determinada por la técnica de fluorescencia de rayos X (FRX). Se pudo determinar que los compuestos con mayor presencia en la CBC son SiO₂, Al₂O₃ y Fe₂O₃ alcanzando un valor total de 56.8%. De acuerdo con la norma ^{ASTM C618 (2019)}, la suma de las composiciones de SiO₂, Al₂O₃ y Fe₂O₃, debe ser igual o superior al 70% para las puzolanas de clase N y F. Aunque las puzolanas clase C se consideran de un 50% o más de dichos componentes siendo esta la posible clasificación de la ceniza empleada en este proyecto.

Otras investigaciones reportadas en la literatura han alcanzado valores mayores al 70% de los compuestos de SiO₂, Al₂O₃ y Fe₂O₃, para la CBC (^{Teixeira et al., 2010}). Además, cuando la CBC presenta un elevado contenido de sílice (SiO₂) y alúmina (Al₂O₃) se clasifica como una ceniza de clase F, lo que representa una buena actividad puzolánica y permite emplearla como sustituto parcial del cemento portland (^{Camargo, 2014}). Sin embargo, la CBC utilizada en este proyecto presentó muy bajo contenido de alúmina (Al₂O₃) y un alto contenido de CaO, como se puede observar en la tabla 3, la cual se considera con propiedades puzolánicas reducidas por el contenido de sus componentes.

Se piensa que, debido al procedimiento de quema empleado en el ingenio azucarero, para eliminar sus desechos de bagazo de caña, la pérdida al fuego de las muestras de CBC puede ser alta, ya que el viento dispersa las cenizas y se genera una hidratación de las partículas de ceniza al quedar expuesta a la intemperie, además que durante su traslado suele contaminarse con muestras del sustrato donde se deposita. Cabe mencionar que el proceso de quema es realizado en un vertedero a cielo abierto a temperaturas entre los 500 y 800 °C.

3.3 Composición mineralógica

Figura 6 Difractograma de la CBC obtenida en la región. 

La composición mineralógica de la CBC fue determinada por la técnica de Difracción de Rayos X (DRX), mediante un equipo marca BRUKER, con una velocidad de escaneo de 5°/min y paso de 0.020 grados. En la figura 6 se muestra el espectro de DRX, donde se puede observar que la CBC presenta características amorfas debido al levantamiento de la línea base entre 15 y 35 (2(); Dicha comportamiento significó que la CBC puede presentar cierta actividad puzolánica reducida, pudiendo emplearse en cierta medida como material adicional al cemento portland (^{Martirena, et al., 1998}).

3.4 Ensayos del CAC en estado fresco

Los resultados obtenidos de los ensayos realizados en las mezclas de CAC en estado fresco se reportan en las tablas siguientes (4, 5, 6, 7 y 8). En la tabla 4 se muestran los resultados del diámetro (D_f) del flujo de asentamiento y el tiempo (T_50cm) obtenidos del ensayo en las distintas mezclas. Los diámetros D₁ y D₂ fueron medidos sobre la extensión circular de la mezcla de concreto, en direcciones perpendiculares entre sí. De acuerdo con los resultados obtenidos, se determinó que las mezclas con adiciones de CBC a 10%, 15% y 20 % mostraron mejor desempeño de fluidez, ya que los flujos de asentamiento y tiempo fueron consistentes con las especificaciones de la ^{EFNARC (2002}).

En la tabla 5 se muestran los resultados del ensayo de extensión con el anillo J. Los datos reportados corresponden a diámetros perpendiculares (D₁ y D₂) de la extensión de circunferencia del concreto y su promedio (D_f); las alturas medidas en la parte interior (H₁) y exterior (H₂) del anillo J, así como el espesor interno y externo (A₁ y A₂) del asentamiento de la mezcla de concreto. Estos resultados muestran que la mezcla con 20% de CBC obtuvo el mejor desempeño para este ensayo.

Los resultados del tiempo de flujo (T) y las alturas (H₁ y H₂) obtenidos del ensayo de la caja L son mostrados en la tabla 6, en este ensayo se buscó evaluar el desempeño de fluidez del concreto a través de un encofrado tipo L y su capacidad de autonivelación. De acuerdo con la relación H₂/H₁ se pudo determinar que las mezclas de concreto con 10%, 20% y 25% de CBC, presentaron un mejor comportamiento, siendo las dos últimas las de mejor desempeño.

La tabla 7 muestra los resultados del tiempo de flujo y el flujo a 5 minutos (T5minutos), obtenidos mediante el ensayo de embudo V. La mayoría de los resultados del tiempo de flujo obtenidos para cada mezcla de concreto, estuvieron dentro de los límites especificados por la ^{EFNARC (2002}). Así también, se pudo determinar que las mezclas de concreto con 20% y 25 % de CBC presentaron valores de tiempo de flujo menores, siendo cercanos al mínimo de referencia de 6 segundos. Para el ensayo de embudo V a T5minutos, se evaluó la resistencia a la segregación del concreto, por lo que después de los 5 min de reposo las mezclas de concreto estuvieron dentro del rango aceptable, sin embargo, solo las mezclas de 10%, 15%, 20% y 25% cumplen con los 2 criterios de este ensayo.

Por otro lado, también se determinó el Índice de Estabilidad Visual (tabla 8) de acuerdo con la norma ^{ASTM C1611 (2018)}, de la cual las mezclas de CAC con 15% y 20% de CBC no presentaron segregación ni exudación, teniendo un comportamiento estable durante el tiempo de realización de las distintos ensayos y una consistencia más homogénea.

De acuerdo con los resultados observados en las tablas 4, 5, 6 y 7, se puede decir que la mezcla de CAC con 20% de adición de CBC como filler fue la que presentó mejor desempeño según las especificaciones y directrices para el hormigón autocompactable - HAC de ^{EFNARC (2002}) la norma ^{ASTM C1611 (2018)}. Aunque también se consideró que las mezclas con 10% y 15% muestran que pueden cumplir con determinados parámetros de consistencia y trabajabilidad.

3.5 Ensayo de resistencia a compresión

En la figura 7 y en la tabla 9, se muestran los resultados de resistencia a compresión a los 7, 14, 28, 56, 90, 180 y 360 días para todas las mezclas, donde se puede observar que la resistencia a compresión de las mezclas con 10%, 15% y 20% de CBC obtuvieron resistencias superiores a la mezcla de control y fluida, aunque el uso de materiales con características puzolánicas puede generar una disminución de la resistencia en los primeros 28 días (^{López, et al., 2010}); sin embargo, si se garantiza la humedad y condiciones debidas para propiciar las reacciones de hidratación del cemento y las reacciones puzolánicas de la CBC (^{Neville y Brooks, 1998}), la resistencia del concreto con CBC podría ser superior que un concreto sin CBC a edades superiores de los 28 días. Mediante las mezclas que se elaboraron para este estudio fue posible constatar el efecto de la ganancia de resistencias después de los 28 días, siendo más altas en las mezclas de CAC con CBC de 10%, 15% y 20%, pudiendo evidenciar el efecto puzolánico reducido de la ceniza. Para las mezclas con 5% y 25% de CBC no se presentó el mismo efecto, lo que se relaciona con la pérdida de la capacidad puzolánica de la CBC.

Figura 7 Valores promedio de resistencia a compresión de las mezclas de concreto autocompactante. 

3.6 Comparación de los resultados de los ensayos del concreto autocompactante

Los ensayos realizados para cada mezcla de concreto son analizados en este apartado, los cuales corresponden a: ensayo de flujo de asentamiento, ensayo de T_50cm, ensayo de anillo J, ensayo de caja en L, ensayo de embudo V y V a T_5minutos y resistencia a compresión a 28 días. Los resultados alcanzados en este proyecto de investigación fueron comparados con los obtenidos en trabajos similares de concretos autocompactantes. Para este fin, fueron considerados únicamente los tres mejores diseños de mezclas de este trabajo, así como los resultados de otros proyectos de investigación con diseños de mezclas similares, los datos son mostrados en la tabla 10.

Los datos presentados en la tabla 11 corresponden a diseños de mezclas que contienen similitudes en sus proporcionamientos, los cuales fueron descritos en la tabla 10, los cuales se comparan entre sí de acuerdo con sus diseños y se discuten de la siguiente manera:

Las mezclas que fueron comparadas con los trabajos de los autores Akram et al. (2009), Narashimhan et al. (2014) y ^{Amjad et al. (2015}), corresponden a diseños de mezclas con diferentes porcentajes de adición de ceniza de bagazo de caña (0, 5, 10, 15, 20 y 25%) y un aditivo superplastificante en un 2% por peso de cemento. Los resultados de desempeño de estas mezclas fueron comparados con las mezclas de esta investigación con 10%, 15% y 20% de adición de CBC.

De los datos comparados, se puede decir que el ensayo de flujo de asentamiento presentó resultados aceptables para los diseños de mezclas seleccionados, ya que las mezclas se deben encontrar dentro del rango mínimo de 650 y máximo de 800 mm, con tiempos de flujo de asentamiento T_50cm de un mínimo de 2 s y máximo de 5 s (^{EFNARC, 2002}). De acuerdo a los resultados presentados en la tabla 11, los concretos CAC y MRB son las únicas mezclas de concreto que cumplen con el ensayo de flujo de asentamiento, sin embargo, para el tiempo de extensión de flujo T_50cm solo cumplen las mezclas de concreto etiquetadas como CAC, mientras que las mezclas de concreto de los otros 3 autores no califican para dicha prueba.

Mediante el ensayo de anillo en J se obtuvo la relación de diferencia de altura de la mezcla entre la parte interna y externa del anillo, la cual no debe exceder de 10 mm. Los resultados presentados en la tabla 11 para este ensayo solo se realizaron para las mezclas CAC y MRB, en las que se puede observar que las mezclas CAC-20%CBC, MRB-10 y MRB-15 cumplen satisfactoriamente.

A través del ensayo de caja en L, y los resultados de la relación de alturas (H₂/H₁) mostrados en la tabla 11, se pudo determinar que las mezclas CAC-10%CBC, CAC-20%CBC y MRB-15 fueron las únicas que se estuvieron dentro de los valores aceptables con 0.85, 0.89 y 0.80 respectivamente (siendo que el rango de la relación de H₂/H₁ debe estar entre 0.8 a 1). Las demás mezclas de concreto no cumplieron con este ensayo, de hecho algunas mezclas se obstruyeron y no fluyeron de acuerdo con lo requerido para un CAC.

En el ensayo de embudo V se indica el tiempo aceptable de 6 a 12 segundos, permitiendo evaluar la capacidad de relleno de las mezclas. Donde las mezclas de concreto CAC-10%CBC, CAC-15%CBC y CAC-20%CBC fueron las que estuvieron dentro de los límites aceptables para esta prueba, mientras que las demás muestras exceden el tiempo permisible. Con relación al ensayo de embudo V a T_5minutos, que permite evaluar la propiedad de resistencia a la segregación, el rango admisible es considerado de 0 a +3 segundos, para el cual se puede observar en los resultados que las mezclas estudiadas en este trabajo cumplen con dicho requerimiento, mientras que las mezclas reportadas en la literatura no alcanzaron a cumplir con dicho requerimiento.

Los resultados de resistencia a compresión a los 28 días que se muestran en la tabla 11 corresponden a relaciones a/c relativamente similares o cercanas a las consideradas en este proyecto. Las resistencias mecánicas obtenidas para las mezclas CBC a los 28 días se encuentran cercanas a los 400 kg/cm² con un contenido promedio de cemento de 380 kg/m³; para las mezclas reportadas con las etiquetas de 10B, 15B y 20B-2SP las resistencias mecánicas se comportan similar a las mezclas con CBC pero con un contenido de cemento promedio de 500 kg/m³; mientras que en las mezclas identificadas como MRB se observaron resistencias mecánicas por arriba de los 400 kg/cm² con contenidos de cemento desde los 360 a los 405 kg/m³; así también, en las mezclas nombradas como SCC se alcanzaron resistencias que rondan los 250 kg/cm² para contenidos de cemento de 550 kg/m³.

Aunque los resultados muestran resistencias cercanas a las relaciones a/c propuestas, algunas mezclas no alcanzan a cumplir con las propiedades de un CAC, a pesar de tener un mayor contenido de cemento, por lo que independientemente del proceso de fabricación, se requiere de criterio y un diseño adecuado para poder conseguir las prestaciones de un CAC. Las resistencias mecánicas presentadas en la comparativa muestran resistencias apropiadas a sus diseños, sin embargo las presentadas en este trabajo son las que cumplen para casi todas las especificaciones de un CAC. Los otros autores consiguieron mejores resultados, pero para dosificaciones con mayores contenidos de superplastificantes y/o menores contenidos de ceniza de bagazo.