+ All Categories
Home > Documents > Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 17-23, 2017fundacioniai.org/actas/Actas3/Actas3.2.pdf ·...

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 17-23, 2017fundacioniai.org/actas/Actas3/Actas3.2.pdf ·...

Date post: 25-Sep-2018
Category:
Upload: nguyenhanh
View: 219 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
7
17 Statistical analysis under uniaxial compression behavior of concrete mixes with Portland cement replacements by blast furnace slag and nano-silica particles Análisis estadístico bajo criterios de compresión uniaxial de mezclas de concreto con reemplazos de cemento Portland por escoria de alto horno y nano-partículas de sílice Luis Eduardo Zapata O. 1 , Sergio Alberto Mora A. 2 , Cristian Camilo Morano S. 3 1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected] Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia Artículo de Investigación Abstract The concrete industry today is aimed in reducing the negative impact generated on the environment with the use of Portland Cement due that its production emits large-scale pollutants that are harmful to the planet. The use of alternative materials to mitigate these effects is a source of research. Therefore, the present study aims to perform an analysis based on uniaxial compression in concrete mixes that employ large amounts of blast furnace slag as a cement replacement (up to 35%) and in order to avoid mechanical detriment, small doses of nano-silica particles (up to 1.3%) were used. For a more in-depth analysis, a statistical program was employed using as factors the percentage of slag and the percentage of silica nano- particles, both amounts expressed as replacements of the total mass of cementicious material. The statistical design used was a 2 k Factorial with center points. It was used in diverse concrete mixtures with water/binder = 0.50 to the ages of 7 and 28 days. The results showed that at both ages, the interaction term of the resulting model was not statistically significant (at α = 0.10). Since the design was with center points, it was possible to analyze the behavior of the curvature of the response surface. In this sense, the curvature in the experiments at day 7 were not significant, whereas at 28 days the curvature of the response surface was significant (P-value < 0.10). This last result is of great importance since it requires carrying out in the laboratory new experiments that possibly allow to determine the presence of an optimum in the experimental surface at day 28 of maturity, these experiments are already in progress. Key words: Portland cement, blast furnace slag, nano silica particles, compression test. Resumen La industria de los concretos en la actualidad está encaminada a reducir el impacto negativo que genera en el medio ambiente con el uso del Cemento Portland ya que su producción emite a gran escala sustancias contaminantes que son perjudiciales para el planeta. El uso de materiales alternativos para mitigar estos efectos es fuente de investigación, por lo tanto, el presente estudio tiene como objetivo realizar un análisis basado en la compresión uniaxial en diseños de mezcla de concreto que emplean grandes cantidades de escoria de alto horno como reemplazo del cemento (hasta 35%) y con el fin de evitar pérdidas mecánicas, se emplearon pequeñas dosis de nano partículas de sílice (hasta 1.3%). Para un análisis más profundo se implementó un experimento estadístico empleando como factores al porcentaje de escoria y el porcentaje de nanopartículas de sílice, ambas cantidades expresadas como reemplazos de la masa total del material cementicio. El diseño estadístico empleado fue del tipo Factorial 2 k con puntos al centro realizado en diversas mezclas de concreto con relación agua/cementicios = 0.50 a las edades de 7 y 28 días. Los resultados mostraron que, en ambas edades, el término de interacción del modelo resultante no fue estadísticamente significativo (α = 0.10). Dado que el diseño era con puntos al centro, se logró analizar el comportamiento de la curvatura de la superficie de respuesta, en este sentido, los experimentos al día 7 no fueron significativos, mientras que al día 28 la curvatura de la superficie de respuesta fue significativa. Este último resultado es de suma importancia ya que obliga a proceder a realizar en el laboratorio nuevos experimentos que posiblemente permitan determinar la presencia de un óptimo en la superficie experimental al día 28 de maduración, dichos experimentos ya están en progreso. Palabras clave: Cemento Portland, escoria de alto horno, nano partículas de sílice, ensayo de compresión. © 2017. IAI All rights reserved Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 17-23, 2017 http://fundacioniai.org/actas
Transcript

17

Statistical analysis under uniaxial compression behavior of concrete mixes with Portland cement replacements by blast furnace slag and nano-silica particles

Análisis estadístico bajo criterios de compresión uniaxial de mezclas de concreto con reemplazos de cemento Portland por escoria de alto horno y nano-partículas de sílice

Luis Eduardo Zapata O.1, Sergio Alberto Mora A.2, Cristian Camilo Morano S.3 [email protected], [email protected], [email protected]

Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia

Artículo de Investigación

Abstract

The concrete industry today is aimed in reducing the negative impact generated on the environment with the use of Portland Cement due that its production emits large-scale pollutants that are harmful to the planet. The use of alternative materials to mitigate these effects is a source of research. Therefore, the present study aims to perform an analysis based on uniaxial compression in concrete mixes that employ large amounts of blast furnace slag as a cement replacement (up to 35%) and in order to avoid mechanical detriment, small doses of nano-silica particles (up to 1.3%) were used. For a more in-depth analysis, a statistical program was employed using as factors the percentage of slag and the percentage of silica nano-particles, both amounts expressed as replacements of the total mass of cementicious material. The statistical design used was a 2k Factorial with center points. It was used in diverse concrete mixtures with water/binder = 0.50 to the ages of 7 and 28 days. The results showed that at both ages, the interaction term of the resulting model was not statistically significant (at α = 0.10). Since the design was with center points, it was possible to analyze the behavior of the curvature of the response surface. In this sense, the curvature in the experiments at day 7 were not significant, whereas at 28 days the curvature of the response surface was significant (P-value < 0.10). This last result is of great importance since it requires carrying out in the laboratory new experiments that possibly allow to determine the presence of an optimum in the experimental surface at day 28 of maturity, these experiments are already in progress.

Key words: Portland cement, blast furnace slag, nano silica particles, compression test.

Resumen La industria de los concretos en la actualidad está encaminada a reducir el impacto negativo que genera en el medio ambiente con el uso del Cemento Portland ya que su producción emite a gran escala sustancias contaminantes que son perjudiciales para el planeta. El uso de materiales alternativos para mitigar estos efectos es fuente de investigación, por lo tanto, el presente estudio tiene como objetivo realizar un análisis basado en la compresión uniaxial en diseños de mezcla de concreto que emplean grandes cantidades de escoria de alto horno como reemplazo del cemento (hasta 35%) y con el fin de evitar pérdidas mecánicas, se emplearon pequeñas dosis de nano partículas de sílice (hasta 1.3%). Para un análisis más profundo se implementó un experimento estadístico empleando como factores al porcentaje de escoria y el porcentaje de nanopartículas de sílice, ambas cantidades expresadas como reemplazos de la masa total del material cementicio. El diseño estadístico empleado fue del tipo Factorial 2k con puntos al centro realizado en diversas mezclas de concreto con relación agua/cementicios = 0.50 a las edades de 7 y 28 días. Los resultados mostraron que, en ambas edades, el término de interacción del modelo resultante no fue estadísticamente significativo (α = 0.10). Dado que el diseño era con puntos al centro, se logró analizar el comportamiento de la curvatura de la superficie de respuesta, en este sentido, los experimentos al día 7 no fueron significativos, mientras que al día 28 la curvatura de la superficie de respuesta fue significativa. Este último resultado es de suma importancia ya que obliga a proceder a realizar en el laboratorio nuevos experimentos que posiblemente permitan determinar la presencia de un óptimo en la superficie experimental al día 28 de maduración, dichos experimentos ya están en progreso.

Palabras clave: Cemento Portland, escoria de alto horno, nano partículas de sílice, ensayo de compresión.

© 2017. IAI All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 17-23, 2017

http://fundacioniai.org/actas

18

1. Introducción En la actualidad la industria de materiales para la

construcción, entre ellos el concreto a base de cemento Portland, tiene un gran impacto en el medio ambiente debido a su gran uso de aproximadamente diez mil millones de toneladas al año [1], siendo catalogado como un material con huellas negativas debido a su producción ya que durante su fabricación se presenta emanación de dióxido de carbono contenido en la piedra caliza, además de aparecer compuestos como óxido de azufre, óxido de nitrógeno y vapores de cloro y flúor que son altamente contaminantes [2]. En este sentido, la escoria de alto horno es una alternativa para emplear en los concretos y así reducir la cantidad de cemento requerido, esto gracias a su naturaleza reciclable [3-5] y al hecho de disponer de fuentes importantes a nivel nacional de 350.000 toneladas al año [6]. Sin embargo, existen muchos interrogantes acerca de su utilización ya que debido a su reducida capacidad inicial de reacción se presentan desventajas en las propiedades mecánicas como la resistencia a la compresión, sobre todo cuando la escoria se emplea en altos reemplazos del cemento. Esta pérdida de sus propiedades mecánicas limita la posibilidad de aprovechar su potencial siendo posible retirar porcentajes moderados de cemento para tener valores seguros en términos estructurales [7]; no obstante, los beneficios ambientales y económicos motivan a seguir trabajando con estos materiales para ayudar a conservar el planeta.

Como respuesta a los efectos negativos en la resistencia del concreto por el reemplazo de cemento por escoria de alto horno, aparecen nuevos materiales como las nanopartículas que aún no son de uso común en la industria de la construcción a gran escala. Las nano-partículas de sílice debido a su elevada capacidad de reacción superficial puede favorecer los efectos químicos, físicos, mecánicos y de durabilidad en el concreto [8]; los principales efectos al adicionar nano-sílice al cemento Portland son el aumento significativo en el calor de hidratación de la reacción química a temprana edad [9], promover la reacción puzolánica en el concreto [10], mejorar la microestructura de la matriz cementicia debido a que disminuye la porosidad del concreto [11] e incrementa la resistencia a la compresión y/o flexión [12, 13].

Con base en la información obtenida, en el presente estudio se tiene como objetivo emplear conjuntamente grandes cantidades de escoria de alto horno (GGBFS, por sus siglas en inglés) con reemplazos en masa de material cementicio (wt%) que oscilan desde 0.0 wt% hasta 35 wt% y pequeñas cantidades de nanopartículas de sílice (nS, por sus siglas en inglés) que van desde 0.0 wt% hasta 1.3 wt%. Posteriormente, a partir de un análisis estadístico [14] del tipo diseño factorial 2k (k = 2 factores) y repeticiones al centro se obtiene una plantilla de diseños que comprende todas las mezclas de concreto que se deben realizar junto con sus réplicas para ajustar la respuesta del sistema a un modelo matemático obteniéndose como resultado una mezcla candidata a ser optimizada bajo criterios de compresión uniaxial a las edades de 7 y 28 días de maduración del concreto. Todos los experimentos fueron realizados empleando relación

agua/materiales cementantes (a/cm) constante en 0.50. Cabe resaltar que lo expuesto en este capítulo es un resultado parcial, ya que el tipo de diseño estadístico empleado permitió estudiar la posibilidad de curvatura de la superficie de respuesta y dicho efecto salió positivo en la resistencia a compresión al día 28.

Con los resultados obtenidos en esta primera fase, se pretende iniciar una nueva fase experimental con ampliación a nuevos puntos experimentales en el laboratorio, denominados puntos axiales y en superposición con los resultados ahora obtenidos, se genera un nuevo tipo de diseño estadístico mucho más complejo denominado: diseño central compuesto. A este nuevo tipo de diseño estadístico a su vez se le pretende implementar la metodología de superficie de respuesta y así estudiar los efectos de curvatura y la posibilidad de hallar óptimos en maximización de la compresión uniaxial y además realizar estudios de durabilidad, microscopia electrónica de la interface agregado-matriz cementicia y análisis detallados en estado fresco, todo en las mezclas optimizadas. Sin embargo, dado la limitación de recursos de materiales, equipos y uso de laboratorio, este tipo de experimentos estadísticos acá reportado (2k) son muy valiosos para optimizar recursos, a continuación, se expone la primera fase del trabajo.

2. Materiales

Para obtener un buen diseño de mezcla, lo primero que se debe realizar es la caracterización de los materiales con el fin de conocer sus propiedades. También es necesario que las condiciones ambientales donde se almacenan dichos materiales sean óptimas y lo menos variables posible, esto con el fin de evitar que los factores ambientales tengan efectos sobre los resultados (ruido de fondo). En este sentido se presenta la siguiente información al respecto.

2.1 Cemento

Las mezclas de concreto fueron preparadas con cemento portland tipo I [15], el peso específico del cemento fue de 3.1 [16]. La Tabla 1 muestra las características fisicoquímicas y la cantidad de álcalis representada como Na2O-equivalente según las especificaciones de la empresa productora.

2.2 Agregados

Las mezclas de concreto contienen agregado fino proveniente de cantera del rio Chicamocha (Bucaramanga, Santander, Colombia), el agregado fino posee un módulo de finura de 3.03, el análisis granulométrico [17] obtenido se muestra en la Figura 1, lo mismo que los límites en los cuales debe estar el agregado fino según su granulometría [18], gravedad específica (SSD) fue de 2.65 y la capacidad de absorción de 0.8% [19] y contenido de humedad del 0.2% [20]. Las muestras fueron realizadas con agregado grueso de tamaño máximo nominal de 3/8”, además el análisis granulométrico con límites para agregado grueso se encuentra consignados en la Figura 2, posee gravedad especifica (SSD) de 2.65, capacidad de absorción de 0.7%, peso unitario de 1628 kg/m3 y contenido de humedad de 0.9% [21].

19

Tabla 1. Características fisicoquímicas de materiales cementantes

Composición Química

Cemento Portland

Escoria de alto horno

Nano-sílice

Composición química (%)

SiO2 20.17 33.38 99.99 Al2O3 5.20 16.13 - Fe2O3 3.44 1.03 - CaO 56.54 45.35 - MgO 2.13 1.38 - SO3 3.44 - - Na20 0.80 - - K2O 0.65 - - MnO - 0.30 -

Características Físicas Tamaño de partícula - - 5-35 nm Peso Especifico 3.1 1.5 1.7

Figura 1. Granulometría del agregado fino

En la Figura 2 se representa la granulometría

obtenida del agregado grueso junto con los límites impuestos. Con el fin de mantener las condiciones ambientales constantes, los agregados se separaron y almacenaron en contenedores cerrados, además de esto se realizaron ensayos de humedad antes de realizar cada mezcla de concreto en la presente investigación. Todo con el fin de controlar los experimentos estadísticos de una manera adecuada, y si se encuentran efectos estadísticos significativos, que éstos sean producto de los factores controlados y no por ruido en los experimentos del laboratorio, o por factores no controlados por los investigadores.

Figura 2. Granulometría del agregado grueso

2.3 Escoria de alto horno

Se dispone de escoria de alto horno proveniente de la fundición de acero de la planta de acerías Paz del Rio (Boyacá, Colombia), con gravedad especifica de 1.5, la Tabla 1 muestra algunas características fisicoquímicas del material (Información obtenida de acerías paz del rio empresa productora). La escoria se almacenó en contenedores cerrados, debido al proceso de litificación sufrido por la escoria en el tiempo de almacenaje, antes de iniciar los procesos de mezclado se utilizó una trituradora de mandíbula y un tamiz de 0.6 mm (N°30).

2.4 Nano-sílice

Las partículas de nano-sílice estaban en forma de sílice amorfa opalescente e inodora dispersada en agua

(suspensión). La Tabla 1 muestra algunas características fisicoquímicas de las nanopartículas (información obtenida desde ficha técnica del producto proporcionada por la empresa extranjera productora). El material posee una gravedad especifica de 1.7 y suspensión con contenido sólido de 31.5%.

2.5 Plastificante

El Plastificante empleado, consistió solución acuosa

de polihidróxilos, carbohidratos, sales de calcio tipo A, empleado solo como plastificante, no como reductor de agua ni como reductor de cemento. El material posee gravedad específica de 1.26 (Información obtenida desde la ficha técnica del material proporcionada por la empresa productora) y 42.0% de contenido sólido [22]. El producto está diseñado comercialmente como una mezcla reductora de agua de rango medio, como reductor de agua o de cemento. 3. Proporciones de las mezclas y procedimiento de

ensayo Para el análisis estadístico bajo criterios de

compresión uniaxial en las mezclas de concretos con reemplazos de cemento Portland por escoria de alto horno y nanopartículas de sílice se llevó a cabo el siguiente procedimiento.

3.1 Proporciones de las mezclas El diseño de la mezcla de referencia (codificada P0)

es un concreto sin reemplazo de escoria de alto horno o nano-sílice, la relación a/mc se fijó en 0.5, con las siguientes cantidades por metro cubico: 941 [kg/m3] de agregado grueso, 637.9 [kg/m3] de agregado fino, 218.4 [kg/m3] de agua, 2.0% de plastificante y 456 [kg/m3] de cemento, con esta variable fija en este valor de cemento, en el diseño de experimentos sólo se tienen como los dos únicos factores contemplados: 1) reemplazo de cemento Portland por nano-partículas de sílice y 2) reemplazo de cemento portland por escoria de alto horno.

En este caso se garantizó que la cantidad de cemento (o cementicio) cumpliese con los rangos típicos de concreto de alto desempeño por durabilidad: 400-550 kg/m3. Las proporciones en las muestras de concreto fueron fijadas mediante el método estadístico CCB (Central Composite Design) incompleto, porque por ahora solo está el diseño factorial 2k, esto es, un diseño 2k con puntos axiales adicionales forma un CCD. El método de diseño de las mezclas de concreto fue de volumen

20

absoluto del ACI 211.1. Los detalles de los reemplazos de escoria y nano-sílice realizados se muestran en la Tabla 2. Los experimentos fueron diseñados de acuerdo con el método de superficie de respuesta usando Minitab v16, con un factor k=2 y se realizaron las réplicas requeridas

por el programa, así pues, la dosificación de dichas mezclas se realizó por el método de volumen absoluto (ACI211.1 con modificación), las cantidades de diseño para 1 metro cúbico de concreto simple (sin refuerzo de acero) se registraron en la Tabla 2.

Tabla 2. Proporciones de mezcla de concreto

Mezcla Cemento [kg/m3]

a/mc BF [kg/m3] nS [kg/m3] Fino [kg/m3] Grueso

[kg/m3] Plastificante

wt% P0 456 0.5 0 0 637.9 941 1.0 P1 339.4 0.5 115.87 0.75 531.6 941 2.0 P2 336.7 0.5 114.96 4.31 531.6 941 1.0 P3 425.6 0.5 24.94 5.45 592.8 941 1.0 P4 429.9 0.5 25.29 0.95 595.4 941 1.0 P5 377.6 0.5 75.53 2.83 550.2 941 1.0

3.2 Preparación de Especímenes

Todas las muestras de concreto se mezclaron manualmente durante 15 minutos. En cuanto a las muestras que contenían escoria de alto horno en primer momento se mezcló en seco junto con el cemento Portland y el agregado, durante un tiempo de 5 minutos para permitir que estás se mezclaran uniformemente en todo el concreto, en el caso de la nano-sílice y el plastificante se retiró aproximadamente una cuarta parte del agua y se separó en dos contenedores, se vertió en cada uno de ellos el plastificante y la nano-sílice en suspensión, una vez humedecida la mezcla de concreto y después de un proceso de mezclado durante 5 minutos se agregó la nano-sílice y el plastificante y se continuo con el procedimiento de mezclado durante otros 5 minutos. En el proceso de colada, se moldeó cada muestra en dos capas con un proceso de compactación [23]. Las dimensiones de los cilindros de ensayo utilizados son de 75 mm de diámetro y 150 mm de altura. Después de la colada los especímenes se retiraron y se mantuvieron en una pila de agua a una temperatura de 21 ± 2 ° C [24] hasta el momento de la prueba de compresión uniaxial.

3.3 Método de prueba

Para garantizar la trabajabilidad de la mezcla se realizó un ensayo de asentamiento [25] con réplica en dos tiempos después de realizada la mezcla, una a 1 minuto y otra a 5 minutos, según criterios internos del grupo de trabajo, todas las mezclas debían cumplir asentamientos superiores a los 75 mm, hay que tener en cuenta que se está trabajando con una mezcla de baja fluidez debido al uso de plastificante y no de alta fluidez, como hubiese sido el caso al emplear súper-plastificantes de alto rango.

Figura 3. Resultados ensayos de asentamiento en concreto

Los resultados de estos ensayos están consignados en la Figura 3, en dicha figura los puntos P1-P5 hacen parte

del diseño estadísticos de experimentos, cuyas proporciones se pueden consultar en la Figura 4. Por ejemplo: P1 se refiere a una mezcla de concreto 0.22% en peso de nS y 5.86% en peso de BF, porcentajes que sustituyen el cemento y son total de material cementante.

Para garantizar la uniformidad de los datos, las muestras a 7 y 28 días se prepararon en simultaneidad y manteniendo las mismas proporciones y tipo de agregados. Se ensayaron a compresión un total de 28 cilindros de 75 mm, para cada uno de los puntos se realizaron réplicas, el número de estas aparece anexo al lado derecho de cada punto experimental de la Figura 4 (Ejemplo P1 posee dos replicas). Todos los puntos se ensayaron a 7 y 28 días de curado incluyendo 2 muestras de referencia (tipo P0) en cada caso. Excepto para un punto especial denominado P5 según los requerimientos estadísticos se solicitaron de él 6 réplicas.

Figura 4. Diseño Factorial 2k (k = 2) con punto al centro en

unidades no codificadas

4. Análisis de resultados

4.1 Análisis estadístico

Los resultados promedio de los ensayos experimentales para resistencia a la compresión de 7 y 28 días de las mezclas se muestran en la Tabla 3. Con el fin de cuantificar la dominancia del factor de control, se tomará en cuenta un nivel de significancia de 0.10 (o 10%) sobre los factores experimentales a evaluar en este caso, los reemplazos de nS y BF, estos últimos se seleccionaron debido a sus efectos significativos en el comportamiento de la mezcla a compresión. Por lo tanto, un nivel del factor es efectivo si el valor P (P-value) no supera el nivel de significancia propuesto o el valor del error Tipo I, denominado valor alpha (α), que en este caso fue 0.10. Los resultados obtenidos del análisis de

21

varianza (ANOVA) realizado a través del programa Minitab V16® se encuentran consignados en la Tabla 4 de

igual forma el análisis de significancia de los factores del experimento estadístico.

Tabla 3. Resultados promedio de resistencia a compresión a 7 y 28 días

Muestra Resultados a Compresión 7 Días Resultados a Compresión 28 Días Fuerza [kN] Esfuerzo [MPa] Fuerza [kN] Esfuerzo [MPa]

P0 95.1 20.9 135.7 29.8 P1 68.1 14.9 98.2 21.5 P2 77.5 17.0 117.4 25.8 P3 99.5 21.8 131.4 28.8 P4 76.0 16.7 117.3 25.7 P5 71.5 15.7 129.0 28.3

Tabla 4. Análisis de varianza Minitab V16® (Original)

Factor G.L Sc.Ajus CM. Ajus F P Significancia

Resistencia a 7 días

Lineal nS 1 26.137 26.136 4.81 0.056 Si BF 1 21.583 21.582 3.97 0.077 Si Interacción nS*BF 1 4.743 4.743 0.87 0.374 No Curvatura 1 12.683 12.683 2.33 0.161 No Total 13 - - - - -

Resistencia a 28 días

Lineal nS 1 26.682 26.682 22.34 0.001 Si BF 1 26.390 26.390 22.09 0.001 Si

Interacción nS*BF 1 0.656 0.6556 0.55 0.478 No Curvatura 1 27.643 27.643 23.22 0.001 SI Total 13 - - - - -

En la siguiente fase del análisis y dado que los términos de interacción no resultaron significativos estadísticamente hablando, ya que su valor P supera el nivel de significancia α = 10%, se procede a depurar el

anterior modelo y descartar los efectos de interacción sobre la respuesta a la compresión de la mezcla, en la Tabla 5 se consignan los nuevos resultados del modelo depurado.

Tabla 5. Análisis de varianza Minitab V16® (Ajustado)

Factor G.L Sc.Ajus CM. Ajus F P Significancia

Resistencia a 7 días

Lineal nS 1 26.136 26.136 4.87 0.052 Si BF 1 21.582 21.582 4.02 0.042 Si Curvatura 1 12.683 12.683 2.36 0.155 No Falta de ajuste - 1 4.743 4.743 0.87 0.374 No Total - 13 - - - - -

Resistencia a 28 días

Lineal nS 1 26.6815 26.6815 23.39 0.001 Si BF 1 26.3901 26.3901 23.14 0.001 Si Curvatura 1 27.7828 27.7828 24.32 0.001 Si Falta de ajuste 1 0.6555 0.6555 0.55 0.478 No Total 13 -

Se busca con factorial punto al centro detectar la posible presencia de curvatura en los términos de orden superior, que para este caso sería del orden 2: nS^2 y/o BF^2. Para el caso de la resistencia a compresión a 7 días se obtiene un resultado negativo, debido a que el valor P es mayor que el nivel de significancia establecido, en este caso se acepta la hipótesis nula (H1) indicando la linealidad en el comportamiento de la mezcla entre los factores estudiados.

Sin embargo, en los resultados analizados para el día 28 de curado, se observa la existencia de una curvatura estadística significante, lo que indica la necesidad de un nuevo modelo experimental que en este caso está diseñado para ser del tipo Central Composite Design, pero ahora enfocado hacia una superficie de respuesta que puede ser del tipo RSM = response surface methodology para (al momento de escribir este documento, esto aún está bajo análisis por parte del equipo de trabajo).

Dentro de los resultados entregados por el software estadístico se encuentran las ecuaciones de modelado resultantes del análisis estadístico depurado, los coeficientes ajustados se encuentran consignados en la Tabla 6 en unidades no codificadas.

Tabla 6. Coeficientes de ecuaciones del modelo estadístico

Término Coeficiente

Resistencia a compresión a 7 días Constante 17.37 nS 3.41 BF -0.12

Resistencia a compresión a 28 días Constante 25.43 nS 3.45 BF -0.13

A continuación, se puede observar los resultados y el comportamiento de los modelos en las gráficas de contorno y superficie de respuesta para cada modelo estadístico depurado, es decir, sin los efectos de interacción de los parámetros: para un tiempo de curado de 7 días las Figuras 5 y 6, y para el curado de 28 días corresponden las Figuras 7 y 8.

Figura 5. Resistencia a la compresión vs reemplazo de escoria

y reemplazo de nano-sílice

22

Figura 6. Resistencia a la compresión vs reemplazo de escoria

y reemplazo de nano-sílice

Figura 7. Resistencia a la compresión vs reemplazo de escoria

y reemplazo de nano-sílice

Figura 8. Resistencia a la compresión vs reemplazo de escoria

y reemplazo de nano-sílice

4.2 Resistencia a la compresión

En esta investigación se puede obtener una idea del comportamiento de la resistencia a la compresión de las muestras de concreto a un tiempo a los 7 y a 28 días de curado. En los resultados del análisis estadístico factorial con punto al centro a 7 días (Tabla 5) se puede encontrar la ausencia de curvatura significativa lo que sugiere un comportamiento lineal de la resistencia a dicha edad. Se puede observar un aumento de la resistencia a compresión a medida que el reemplazo de nano-sílice aumenta, este crecimiento es más significativo en presencia de una menor cantidad de escoria (Figuras 5 y 6). Corroborando así el efecto negativo que tiene la escoria en la mezcla de concreto y aunque en la mayoría de los puntos de control se obtienen resistencias a la compresión menores que la muestra base (P0), existe un punto (P3) en el cual con un reemplazo de escoria y nano-sílice (BF=5.9% y nS=1.3%) se logra encontrar una resistencia a los 7 días incluso mayor a la mezcla base según los datos consignados en la Tabla 3. Manteniendo este concepto se podría esperar que con un aumento en el reemplazo de nano-sílice aumente la resistencia (Figuras 5 y 6).

Contrario al comportamiento a 7 días, el análisis estadístico factorial a 28 días presenta una curvatura significativa (Tabla 5). En la Figura 7 el comportamiento cóncavo de dicha curvatura permite observar como los efectos negativos de la escoria pueden llegar a ser

contrarrestados por la nano-sílice en tiempos de curado mayores a los 7 días, la presencia de esta curvatura indica la posible existencia de un punto óptimo de reemplazo que permita igualar o mejorar la resistencia a compresión a 28 días con una cantidad mayor de reemplazo en escoria y una disminución en el uso de nano-sílice, esta última sería una solución buscada al emplear métodos estadísticos avanzados, por ahorro en costos en la mezcla y sobre todo por sus efectos ambientales positivos debido a los reemplazos de BF por el cemento Portland. Volviendo a los datos de la presente investigación, según los análisis encontrados en la Tabla 3 y figura 7 y 8, existen puntos alrededor de un 20.%wt de remplazo de BF, entre 0.6%wt y 0.8%wt de nS donde los efectos negativos en el reemplazo de escoria son contrarrestados y se espera una resistencia a compresión de cerca de 28 MPa esta vez con un menor aporte de la nano-sílice; sin embargo para obtener mejores resultados es necesario extender el estudio con nuevos puntos de laboratorio llamados: puntos axiales y así poder cambiar el modelo estadístico desde un factorial 2k con punto al centro hacia uno más potente (ejemplo un experimento del tipo CCD) y luego implementar análisis de superficie de respuesta para optimizar el modelo (maximización de compresión).

5. Conclusiones

En la presente investigación se estudió

experimentalmente y a través de análisis estadístico el comportamiento de una mezcla de concreto a compresión con reemplazo en material cementante por escoria de alto horno y nano-sílice, con los resultados del presente estudio parcial y sus correspondientes ensayos se pueden extraer las siguientes conclusiones:

La adición de escoria de alto horno en las mezclas de concreto resulta en una pérdida de resistencia a los 7dias, sin embargo, el aumento en el reemplazo de nano-sílice evidencia una reducción en los efectos negativos de los reemplazos de la escoria por cemento y se observa que a menor reemplazo de escoria y mayor reemplazo de nano-sílice es posible lograr resistencias promedio superiores al concreto de control.

Las muestras a 28 días de curado de las mezclas con reemplazo de escoria de alto horno presentan una disminución de la resistencia a compresión, de igual forma la nano-sílice representa una alternativa factible que puede permitir aumentar la cantidad de material cementante en las mezclas obteniéndose una resistencia a relativamente temprana edad (28 días) cercana a un concreto normal, esto es, un concreto sin reemplazos de cemento por materiales cementantes.

La presencia de curvatura en el modelo factorial a 28 días permite concluir que, si se desea profundizar en los análisis estadísticos para extraer mejores y más robustas conclusiones del material, se debe emplear un modelo de superficie de respuesta desde un diseño más potente que el empleado actualmente (factorial 2k). No obstante, esto requiere de nueva experimentación en el laboratorio, esto es, nuevos puntos experimentales que permitirán obtener un reemplazo óptimo de escoria y nano-sílice desde un modelo con términos cuadráticos en al menos uno de los dos factores. Sin embargo, al momento de

23

escribir el presente documento dichos experimentos se encuentran en progreso por el grupo de investigación en estructuras y materiales de construcción INME de la UIS.

Agradecimientos

La presente investigación es financiada por dineros

de la Vicerrectoría de investigación y Extensión- de la Universidad Industrial de Santander en la modalidad de proyectos de financiación interna, categoría capital semilla bajo la propuesta de investigación titulada: Comportamiento físico-mecánico y de durabilidad de concretos ternarios de alto contenido en escoria en presencia de nanopartículas de sílice (código interno: 1898). De igual forma, se agradece al laboratorio de piro metalurgia de la escuela de ingeniería metalúrgica de la UIS por su colaboración en asesorías, equipos y materiales. Finalmente, especiales agradecimientos al laboratorio de materiales de construcción de la escuela de ingeniería civil de la UIS por la asesoría prestada, asignación de espacios de trabajo, préstamo de equipos y herramienta menor necesarios para la realización del presente trabajo.

Referencias [1] Scrivener, K. (2012). Straight talk with Karen Scrivener on

cement, CO2 and sustainable development. American Ceramic Society Bulletin 91(5), pp. 47-50.

[2] Impactos Ambientales y Actividades Productivas. Strucplan. Online [May 2017]

[3] Gong, X. et al. (2016). Environmental impact analysis of blast furnace slag applied to ordinary Portland cement production, Journal of Cleaner Production 120, pp. 221–230.

[4] Crossin, E. (2015). The greenhouse gas implications of using ground granulated blast furnace slag as a cement substitute, Journal of Cleaner Production 95, pp. 101–108.

[5] Yazıcı, H. et al. (2008). Utilization of fly ash and ground granulated blast furnace slag as an alternative silica source in reactive powder concrete, Fuel 87(12), pp. 2401–2407.

[6] Sánchez, H. (2014). Estado del arte sobre las escorias negras de horno de arco eléctrico y sus aplicaciones en pavimentos. V Congreso Internacional de Ingeniería Civil. V Congreso Internacional de Ingeniería Civil. Universidad Santo Tomas Seccional Tunja.

[7] Vejmelková, E. et al. (2009). High performance concrete containing lower slag amount: A complex view of mechanical and durability properties. Construction and Building Materials 23(6), pp. 2237- 2245.

[8] Mukharjee, B. & Barai, S. (2014). Influence of Nano-Silica on the properties of recycled aggregate concrete. Construction and Building Materials 55, pp. 29-37.

[9] Land, G. & Stephan, D. (2012). The influence of nano-silica on the hydration of ordinary Portland cement, Journal of Materials Science 47(2), pp. 1011–1017.

[10] Jo, B. et al. (2007). Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles, Construction and Building Materials 21(6), pp. 1351–1355.

[11] Nazari, A. & Riahi, S. (2010). Microstructural, thermal, physical and mechanical behavior of the self-compacting concrete containing SiO2 nanoparticles, Materials Science and Engineering: A 527(29–30), pp. 7663–7672.

[12] Nazari, A. & Riahi, S. (2011). The effects of SiO2 nanoparticles on physical and mechanical properties of high strength compacting concrete, Composites Part B: Engineering 42(3), pp. 570–578.

[13] Zapata, L. et al. (2014). Weibull statistical analysis of splitting tensile strength of concretes containing class F fly ash, micro/nano-SiO2, Ceramics International 40(5), pp. 7373–7388.

[14] Rezaifar, O. et al. (2016). Concrete made with hybrid blends of crumb rubber and metakaolin: Optimization using Response Surface Method, Construction and Building Materials 123, pp. 59–68.

[15] ICONTEC (2014). Especificación de desempeño para cemento hidráulico, Norma Técnica Colombiana 121.

[16] ICONTEC (2011). Ingeniería civil y arquitectura. Cementos. Método de ensayo para determinar la densidad del cemento hidráulico. Norma Técnica Colombiana 221.

[17] ICONTEC (2007). Concretos. Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. Norma Técnica Colombiana 77.

[18] ICONTEC (2000). Concretos. Especificaciones de los agregados para concreto. Norma Técnica Colombiana 174.

[19] ICONTEC (1995). Ingeniería civil y arquitectura. Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino. Norma Técnica Colombiana 237.

[20] ICONTEC (1994). Ingeniería civil y arquitectura. Método de ensayo para determinar por secado el contenido total de humedad de los agregados. Norma Técnica Colombiana 1776.

[21] ICONTEC (1995). Ingeniería civil y arquitectura. Método de ensayo para determinar la densidad y la absorción del agregado grueso. Norma Técnica Colombiana 176.

[22] ICONTEC (2008). Concretos. Aditivos químicos para concreto. Norma Técnica Colombiana 1299.

[23] ICONTEC (2010). Ingeniería civil y arquitectura. Elaboración y curado de especímenes de concreto para ensayos en el laboratorio. Norma Técnica Colombiana 1377.

[24] ICONTEC (2014). Cementos. Cuartos de mezclado, cámaras y cuartos húmedos y tanques para el almacenamiento de agua, empleados en los ensayos de cementos hidráulicos y concretos. Norma Técnica Colombiana 3512.

[25] ICONTEC (1992). Ingeniería civil y arquitectura. Método de ensayo para determinar el asentamiento del concreto. Normas Técnicas Colombiana 396.


Recommended