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1. INTRODUCCIÓN
La industria de la construcción es un sector de vital importancia que impulsa la economía de muchas naciones emergentes. Sin embargo, también es uno de los principales emisores de dióxido de carbono (CO2), contribuyendo con aproximadamente el 30 % de las emisiones a nivel global. Por consiguiente, la reducción de las emisiones de CO2 se ha vuelto una prioridad para muchos países (Zhang et al., 2019). En este contexto, el cemento es un componente fundamental en la producción de concreto, ya que ofrece propiedades superiores y un costo más bajo en comparación con otros materiales de construcción (Murugesan et al., 2020). Aproximadamente, el cemento representa entre el 10 % y el 15 % del volumen total del concreto. Sin embargo, la industria de la construcción enfrenta actualmente el desafío de la escasez y los altos precios del cemento en el mercado (Abebaw et al., 2021). Asimismo, la fabricación de cemento libera alrededor del 7 % de CO2 a la atmósfera, lo que contribuye significativamente al calentamiento global (Bhat, 2021). Por lo tanto, ha surgido un interés creciente en el uso de materiales alternativos con propiedades puzolánicas que puedan sustituir parcialmente al cemento en las mezclas de concreto (Chulim et al., 2019).
Se ha estudiado la viabilidad de incorporar y analizar el desempeño de diversos desechos en el concreto, sustituyendo parcialmente sus componentes. Estos desechos abarcan desde lodos de corte de mármol, ceniza volante, humo de sílice, polvo de ladrillo y piedra, entre otros (Arif et al., 2021; Choudhary et al., 2020). Además, se han identificado desechos agrícolas, como la ceniza de cáscara de arroz, el aserrín, la ceniza de bagazo, la ceniza de paja de trigo y las fibras de coco, como posibles materiales puzolánicos (Praveenkumar et al., 2020). Se conoce que características como el tamaño de partícula, la distribución del tamaño de partícula (PSD), la finura y la microestructura del cemento, ejercen una influencia significativa sobre las propiedades mecánicas y de durabilidad del mortero y el concreto (Jagadesh et al., 2022). A pesar de ello, existen investigaciones limitadas acerca de la ceniza de bagazo como material cementante suplementario.
Las cenizas de bagazo de caña de azúcar CBCA se generan como subproductos de los ingenios azucareros, tras el proceso de producción de azúcar y alcohol (Gupta et al., 2021). En los últimos años, se ha observado un interés creciente en la sustitución parcial del cemento por ceniza de bagazo en aplicaciones de construcción debido a sus propiedades puzolánicas (Seyoum et al., 2021). Este reemplazo ha demostrado ofrecer beneficios tales como una mayor resistencia, una reducción significativa en la permeabilidad y un menor calor de hidratación en comparación con el cemento portland ordinario (OPC), además de mejorar las propiedades de durabilidad del concreto (Minnu et al., 2021). A nivel mundial, el bagazo de caña de azúcar es uno de los subproductos de la agroindustria más abundantes, con una tasa de generación superior a las 540 millones de toneladas por año (Zhao et al., 2015).
El uso de CBCA como reemplazo parcial en concreto, han mostrado un aumento del 8 % y 5,7 % en el asentamiento con adiciones del 20 % y 40 %, respectivamente. Sin embargo, se observó que la resistencia del concreto disminuyó por debajo del valor de diseño, siendo un 59 % inferior al concreto estándar con un 20 % de CBCA, atribuido al bajo contenido de calcio en la CBCA y la falta de molienda para reducir el tamaño de las partículas, lo que sugiere precaución en su uso en estructuras (Farfan & Pastor, 2018). Por otro lado, al reemplazar hasta un 10 % del cemento con ceniza de bagazo, se ha observado una mejora en la resistencia a la compresión y flexión del mortero de cemento, acompañada de una reducción en la demanda de agua. El análisis de difracción de rayos X (XRD) ha revelado que la muestra con un 10 % de CBCA contiene un 49,7 % de calcio y un 10,56 % de silicato, componentes esenciales para la resistencia del concreto (Praveenkumar et al., 2020).
En contraste con lo anterior, se encontró que la adición de finos de piedra caliza (LSF) y CBCA como sustitutos del cemento en el concreto en porcentajes de 10 % de CBCA y 10 % de LSF, el slump es mínimo. La densidad del concreto disminuyó, alcanzando un máximo con 0 % CBCA, 0 % LSF y un mínimo con 10 % CBCA, 10 % LSF después de 28 días. La capacidad de absorción de agua del concreto aumenta, alcanzando su valor máximo cuando se utiliza 10 % SCBA y 10 % LSF (Bheel et al., 2020).
En un estudio adicional, se llevó a cabo la caracterización de la CBCA, revelando una densidad de 2,52 g/cm³, una superficie específica de 5 140 cm²/g y un color gris rojizo. Se observó un incremento significativo en el asentamiento, de 70 mm con 0 % a 90 mm con 20 % de CBCA, junto con un aumento del 2 % en la resistencia a la compresión con una sustitución del 15 %, atribuido a las propiedades de la CBCA (Mulye, 2021). Otro estudio examinó las propiedades físicas y químicas de la CBCA en relación con la temperatura y el tiempo de combustión, así como la superficie específica de las partículas. Los resultados indicaron que un control adecuado de la temperatura (500-700 °C), el tiempo de combustión (menos de 5 horas) y la molienda para obtener una superficie específica de partículas de 3 000 m²/kg condujo a una mayor actividad puzolánica, alcanzando valores del 72 % a los 7 días y del 90 % a los 28 días. Estos hallazgos sugieren que estos factores influyen en la formación de partículas amorfas de la CBCA (Rosseira et al., 2018). Además, al utilizar CBCA tamizada por la malla N° 60 (0,250 mm), se observó que los asentamientos del concreto con CBCA disminuyeron ligeramente con el aumento del contenido de CBCA, atribuido a la superficie específica y la menor densidad de la CBCA. La resistencia a la compresión aumentó con el tiempo de fraguado en todas las proporciones de mezcla, y el concreto con un 5 % de CBCA mostró una mejora del 8 % y 6 % en resistencia después de 21 y 28 días, respectivamente. Estos resultados sugieren que el cemento puede reemplazarse por CBCA en concreto en una proporción de hasta el 5 % sin pérdida de calidad (Basha et al., 2022).
A nivel internacional, se han llevado a cabo numerosas investigaciones sobre el uso de ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) como sustituto del cemento debido a su alta reactividad puzolánica y su disponibilidad gratuita en muchos países, lo que sugiere que su uso puede mejorar la resistencia y durabilidad de los morteros. Sin embargo, en el Perú, especialmente en la región de Abancay, hay una falta de estudios sobre este tema. Esta falta de información impulsa la necesidad de continuar investigando esta alternativa para reducir la dependencia del cemento, que es un material altamente contaminante. En este artículo, se llevaron a cabo pruebas de resistencia en probetas de concreto con diferentes proporciones de CBCA y tiempos de curado variables, lo que permite un análisis progresivo de la efectividad de este reemplazo.
2.METODOLOGIA
2.1 Materiales
2.1.1 Cemento
Para la preparación de los especímenes, se utilizó el cemento tradicionalmente usado en la mayoría de los procesos constructivos, el Portland Tipo I. Las cantidades fueron establecidas de acuerdo con las dosificaciones de diseño de concreto f’c=175 kg/cm². El cemento es un material cristalino al salir del horno; sin embargo, cuando se hidrata con el agua, se convierte en material amorfo.
2.1.2 Agregados finos y gruesos
El agregado fino y grueso utilizado en esta investigación proviene de la cantera Huallpachaca en Cotabambas, Apurímac. Se realizaron pruebas de caracterización siguiendo la norma ASTM C-33 en un laboratorio especializado en mecánica de suelos y materiales (ASTM International, 2018). Se determinó la finura del agregado fino según la norma ASTM C-125 (ASTM International, 2021). Estos datos se utilizaron para establecer el diseño de mezclas, siguiendo los requisitos de la norma ASTM C33 y del Instituto Americano del Concreto (ACI, 1977). El análisis granulométrico confirmó que el agregado fino cumple con los requisitos de tamaño establecidos. Los resultados de los ensayos ejecutados se plasman en la Tabla 1.a.
2.1.3 Ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA)
La CBCA empleada en este estudio proviene de la incineración del bagazo de caña de azúcar en plantas azucareras ubicadas en el valle de Abancay, a 2 377 m s. n m. La CBCA debe tener propiedades puzolánicas para considerarse un sustituto total o parcial del cemento, según la norma ASTM C618 de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales, establece que el contenido mínimo de sílice, alúmina y óxido de hierro debe ser superior al 70 % en peso para cumplir con este criterio (Prabhath et al., 2022). En este estudio, la CBCA utilizada tiene un porcentaje de finos del 56,93 %, que corresponde al material que pasa por la malla N° 200 (0.075 mm). Adicionalmente, se realizaron otros ensayos de la CBCA, cuyos resultados se presentan en la Tabla 1.b. El análisis de fluorescencia de rayos X (XRF) con un espectrómetro secuencial de rayos X SHIMADZU EDX, del CBCA se resume en la Tabla 1.b.
2.2 Preparado de muestras
2.2.1 Diseño de mezclas
El diseño de mezclas se realiza de acuerdo con las pautas del Instituto Americano del Concreto (ACI-211.1) para asegurar la calidad y uniformidad en las proporciones de los materiales. El diseño de la muestra sin CBCA tuvo una resistencia especificada de f'c=175 kg/cm2. En la Tabla 2, se presentan los resultados de este proceso, incluyendo las cantidades de cada componente para elaborar 1 m3 de concreto con una resistencia de f'c=175 kg/cm2. Se prepararon cinco tipos de muestras, cada una reemplazando el cemento con un porcentaje específico de ceniza de bagazo: 0 %, 5 %, 10 %, 15 % y 20 %.
2.2.2 Moldeo de Muestras
Las muestras cilíndricas de concreto se moldearon siguiendo la norma ASTM C31 (ASTM International, 2024). Se verificó la limpieza de los moldes y se pesó cuidadosamente cada porción de concreto para garantizar consistencia. Se usaron moldes cilíndricos de 10x20 cm, llenados en capas y compactados para una distribución homogénea y eliminación de aire. Se prestó atención al proceso para evitar defectos y nivelar la superficie. Cada muestra se codificó según ASTM C192 para identificación precisa durante el ensayo (ASTM International, 2014).
2.2.3 Curado de Muestras
Las muestras cilíndricas se curaron en un ambiente controlado de temperatura y humedad siguiendo la norma ASTM C192 (ASTM International, 2014). El proceso de curado se realizó durante 7, 14 y 28 días. Durante este tiempo, se mantuvo la humedad adecuada y la temperatura constante para garantizar un curado efectivo. Las muestras se protegieron de condiciones ambientales extremas y se registraron los datos de temperatura y humedad para un seguimiento preciso del proceso de curado.
2.3 Ensayos
2.3.1 Medición de la consistencia
En este estudio, se empleó el ensayo de asentamiento de concreto según la norma ASTM C39, con valores de 25mm a 75 mm (ASTM International, 1999).Este ensayo se realizó para evaluar la trabajabilidad y consistencia del concreto antes de su fraguado, utilizando el cono de Abrams. Se llevaron a cabo dos ensayos para cada porcentaje de evaluación (0 %, 5 %, 10 %, 15 % y 20 %). La medición de las propiedades en estado fresco del concreto es esencial para determinar su calidad.
2.3.2 Resistencia a la compresión
El ensayo de resistencia a la compresión se realizó siguiendo la norma ASTM C39, que establece los procedimientos estandarizados para este tipo de pruebas. Para ello, se prepararon muestras cilíndricas previamente moldeadas y codificadas según el diseño de las mezclas de concreto. Estas muestras se sometieron a un proceso de curado antes de ser ensayadas en un equipo calibrado, bajo las indicaciones de la norma ASTM C143 (ASTM International, 2020). La velocidad de carga se controló cuidadosamente durante el ensayo, aplicándola de manera continua y dentro de un rango específico. La carga se aplicó hasta que la muestra mostró un patrón de falla definido, momento en el cual se registró la carga máxima como la resistencia a la compresión del concreto como se observa en la Figura 1. Durante todo el proceso, se registraron los datos relacionados con la carga aplicada y la deformación de la muestra.
3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1 Efecto de la adición de CBCA en el asentamiento del concreto
El impacto de la adición de CBCA en el asentamiento del concreto se evidenció en la Figura 2, donde la mezcla CBCA5 mostró un mayor asentamiento, con 63,5 mm, un aumento del 25 % respecto a la muestra patrón. Mientras que las mezclas de proporción mayores a 10% de CBCA presentan una tendencia de reducción en el asentamiento. Cabe señalar que, aunque se determinaron los asentamientos para las mezclas CBCA15 y CBCA20, estos valores no se incluyeron en la Figura 2 debido a que, durante el mezclado, estas muestras requirieron más agua para alcanzar una consistencia trabajable. Estos hallazgos fueron coherentes con la investigación donde se encontraron una ligera disminución en el asentamiento a medida que se aumentaba la cantidad de CBCA, atribuido a la cristalización de las partículas de CBCA debido a una temperatura de combustión superior a 800 °C (Basha et al., 2022). Sin embargo, quienes lograron reducir el tamaño de las partículas de CBCA, obteniendo una superficie específica de 5 140 cm²/g, superior a la de esta investigación (1 524,34 cm²/g) (Mulye, 2021). Además, la combustión controlada aseguró que las partículas permanecieran como sólidos amorfos en lugar de cristalinos, lo que resultó en un aumento en el asentamiento a medida que se incrementaba la cantidad de CBCA.
3.2 Efecto de la adición de CBCA en la resistencia a compresión del concreto f'c=175 kg/cm2
Los resultados de resistencia a compresión del concreto, con una resistencia nominal de diseño de f'c=175 kg/cm² y determinados a los 7, 14 y 28 días, se presentan detalladamente en la Tabla 3. Se observa que la muestra sin adición de ceniza cumple con la resistencia de diseño. No obstante, las mezclas con CBCA5 y CBCA10 se aproximan a la resistencia de diseño, que tiene una resistencia a compresión en el día 28 de 177,47 kg/cm², pero no la cumplen completamente. Por otro lado, las mezclas con 15 % y 20 % de CBCA se descartan por presentar una resistencia aún menor. Estos resultados confirman que al aumentar los porcentajes de CBCA, la resistencia a compresión disminuye. Es importante destacar que las propiedades mecánicas y de durabilidad del mortero y el concreto se ven significativamente afectadas por características como el tamaño y la distribución de partículas, la finura y la microestructura tanto del cemento como de cualquier material cementante suplementario (Jagadesh et al., 2022). Esto se ve reflejado en la Figura 3, donde se muestra que la resistencia del concreto disminuye a medida que aumenta el porcentaje de CBCA durante los períodos de evaluación de 7, 14 y 28 días. En particular, la resistencia es más baja al agregar un 20 % de CBCA, llegando a tener una resistencia promedio de 69,84 kg/cm² en el día 28, lo que indica que la sustitución del cemento por CBCA con una caracterización (tamaño de las partículas y gravedad especifica) tiene un efecto negativo en la resistencia del concreto.
Dada la importancia de comprender las causas detrás de la disminución de resistencia y el aumento del asentamiento en las mezclas de concreto, se ha realizado una exhaustiva revisión bibliográfica sobre el efecto del uso de CBCA como reemplazo del cemento. Esta revisión ha revelado dos factores clave que contribuyen a mejorar la resistencia del concreto cuando se utiliza CBCA. En primer lugar, se ha encontrado que la superficie específica del área, medida en centímetros cuadrados por gramo mediante el ensayo de Blaine, es un factor influyente. Se identificaron 8 estudios de referencia que utilizaron CBCA con reemplazos del 5 al 20 %, y con superficie específica de área entre 1 580 y 5 140 cm²/g. Estos hallazgos se detallan en la Tabla 4.
Tras analizar los resultados, se ha trazado una línea de tendencia utilizando Excel para comparar el módulo de fineza con el porcentaje de resistencia de una muestra patrón, como se muestra en la Figura 4. Esta línea de tendencia revela una relación directa entre el valor del ensayo de Blaine y el porcentaje de resistencia; es decir, a menor valor de superficie específica del área de la CBCA, menor será la resistencia obtenida. Se observa que, para alcanzar una resistencia cercana al 100 %, el valor óptimo de área específica es superior a 3 000 cm2/g. Por ejemplo, la investigación con mejores resultados utilizó CBCA con un valor de Blaine de 5 140 cm²/g, logrando una resistencia del 120% con un 5% de CBCA (Praveenkumar et al., 2020). Pese a que, el valor obtenido del ensayo de BLAINE en esta investigación es de 1 524,34 cm2/g, de superficie de área específica. Por lo que se planteó realizar una ecuación con la línea de tendencia del gráfico, se obtiene la función:
Donde y es la resistencia de la muestra patrón (%) y 𝑥 es la superficie específica del área. Al reemplazar el valor del ensayo de Blaine en la función (1), se obtiene:
Figura 4 Línea de tendencia del valor del ensayo de Blaine vs porcentaje de mejor resistencia a la compresión a 28 días
Se obtiene un porcentaje de 82,28 % con respecto a la muestra patrón, lo que equivale a una resistencia de 146,29 kg/cm². Este valor representa la resistencia máxima alcanzada en el experimento, evaluada a los 28 días de fraguado, con una adición del 5 % de CBCA.
De acuerdo con la bibliografía revisada, otro parámetro relevante para elegir la ceniza es la gravedad específica. La Tabla 5 muestra autores que han evaluado este parámetro en relación con la máxima resistencia obtenida a los 28 días de fraguado. Mediante el uso de Excel, se estableció una línea de tendencia que muestra una correlación directa entre la gravedad específica y el porcentaje de resistencia de una muestra patrón.
Según la Figura 5, una gravedad específica de la CBCA superior a 2 000 es necesaria para lograr una resistencia superior al 100 %. En este contexto, otro estudio destaca que con una CBCA de gravedad específica 2 230 y 10 % de reemplazo, lograron una resistencia del 111,9 % (El-said et al., 2022). La gravedad específica de la CBCA utilizada en esta investigación es de 716,02 kg/m3. Por lo que se planteó realizar una ecuación con la línea de tendencia del gráfico, se obtiene la función:
Donde 𝑦 es la resistencia de la muestra patrón (%) y 𝑥 es la gravedad especifica (kg/m3). Al reemplazar el valor del ensayo de Blaine en la función (2), se obtiene:
Se logra un porcentaje del 74,35 % respecto a la muestra patrón, equivalente a una resistencia de 131,95 kg/cm², lo cual concuerda con la resistencia máxima obtenida de 136.07 kg/cm² con un 5 % de CBCA, como se muestra en la Tabla 3. Estos resultados respaldan la relación entre la gravedad específica y la resistencia del concreto encontrada en la literatura. Además, un factor crucial es el tiempo y la temperatura de combustión de la CBCA. Por lo que investigaciones plantean un tiempo de combustión menor a 5 horas y una temperatura entre 500 y 700 °C para la resistencia del concreto (Bahurudeen & Santhanam, 2015; Rosseira et al., 2018).
CONCLUSIONES
En el artículo, se investigó las cenizas del bagazo de la caña de azúcar como posible reemplazo del cemento en la preparación del concreto. De los resultados obtenidos a partir de los ensayos realizados se concluye:
La trabajabilidad del concreto tiende a incrementarse inicialmente al aumentar el porcentaje de reemplazo hasta alcanzar un punto óptimo (CBCA5), sin embargo, posteriormente experimenta una disminución parcial.
Lo anterior se atribuye al bajo nivel de superficie especifica (1 524,34 cm2/g) y una morfología internar esponjosa. Además, de tener una composición de cristalina de las partículas, esto debido a la combustión a altas temperaturas, de donde proviene las cenizas estudiadas.
La muestra patrón, representada por el concreto convencional utilizado como referencia, logró cumplir con los requisitos de diseño establecidos, alcanzando una resistencia a la compresión promedio de 177,47 kg/cm².
Las muestras de concreto, que sustituyeron el 5 % del cemento por CBCA, lograron una resistencia a la compresión de 136,07 kg/cm², en comparación con la mezcla patrón que alcanzó 177,47 kg/cm², lo que indica que es la opción más cercana en términos de resistencia.
Se ha determinado que la superficie de área específica óptima para alcanzar el 100 % de la resistencia de diseño debe exceder los 3 000 cm²/g. Sin embargo, en la investigación actual, este valor se sitúa en 1524,34 cm²/g, lo que indica que dicho parámetro ejerce una influencia significativa en la resistencia de la mezcla.
Se ha determinado que la gravedad específica óptima para lograr el 100 % de la resistencia de diseño debe ser superior a 2 000 kg/m³. Sin embargo, en el caso de la CBCA utilizada en esta investigación, su gravedad específica es de 716,02 g/m³, lo que sugiere que este factor tiene un impacto notable en la resistencia de la mezcla.
Por último, se ha determinado que la temperatura de combustión de los hornos de quemado de bagazo de caña de azúcar debe ser de forma controlada (500-750 °C) y por un tiempo no mayor a 5 horas, para asegurar la obtención de partículas amorfas.
En conclusión, se sugiere realizar investigaciones adicionales sobre las propiedades físico-mecánicas de las cenizas de bagazo de caña de azúcar, considerando su uso como sustituto del cemento en un máximo del 5 %, siempre y cuando tengan una superficie de área específica superior a 3 000 cm²/g, gravedad específica mayor a 2 000 kg/m³, temperatura de combustión entre (500-750 °C) y menor a 5 horas de combustión.
