Caracterización de agregado liviano y optimización de mezcla para elaboración de bloques de hormigón

Abstract

En los últimos años ha cobrado mayor relevancia la necesidad de incorporar un enfoque ecológico en la industria de la construcción. En este contexto, el presente trabajo busca revalorizar y promover el uso de materiales locales, dada la reducción del impacto ambiental que ello implica al disminuir las emisiones asociadas al transporte y a la producción de cemento Portland. El estudio se centra en la caracterización de un agregado liviano utilizado por la comunidad Catalán, ubicada en las cercanías de Villa Pehuenia (provincia de Neuquén), para la fabricación artesanal de bloques de hormigón mediante una “bloquera” destinada a la construcción de viviendas. El objetivo principal de este trabajo es determinar el origen, composición y propiedades del agregado liviano, así como evaluar su comportamiento mecánico (a flexión y compresión) y térmico a partir de la elaboración de morteros. Para ello, se analizaron variables como la relación agua/cemento, la relación arena/pasta, el contenido de cal y el estado de saturación del agregado, con el fin de establecer la dosificación óptima y las posibles aplicaciones del material en la industria de la construcción. El estudio comenzó con la caracterización del agregado mediante la obtención de muestras representativas por el método de cuarteo y el uso del partidor de Jones. Se realizaron ensayos granulométricos, determinación del contenido de polvo, densidad relativa real y aparente, y absorción de agua. Paralelamente, se efectuaron los mismos análisis sobre una arena silícea utilizada posteriormente en las mezclas. A partir de estos materiales se diseñaron diferentes morteros, tomando como referencia la dosificación empleada por la comunidad (muestra patrón). Se variaron las relaciones agua/cemento (0,70; 0,75; 0,80), arena/pasta (2,10; 2,50; 2,90), el contenido de cal (0%, 20% y 30%) y el estado de saturación del agregado (saturado y parcialmente saturado). Las probetas prismáticas elaboradas fueron sometidas a dos regímenes de curado: uno de 7 días de curado húmedo seguido de exposición al aire, y otro de curado húmedo prolongado de 28 días. Posteriormente, se realizaron ensayos de flexión, compresión, densidad y absorción. La mezcla que mostró el mejor desempeño mecánico se utilizó para elaborar cilindros de hormigón con agregado liviano, los cuales se compararon con cilindros de hormigón convencional mediante el ensayo del hilo caliente para determinar y contrastar sus propiedades térmicas. Los resultados permitieron concluir que el agregado estudiado corresponde a un material fino de origen ígneo, compuesto principalmente por piedra pómez y fragmentos minerales, originado a partir de depósitos eólicos producto de la erupción del volcán Sollipulli (Chile). Este se caracteriza por su elevada porosidad, baja densidad y alta capacidad de absorción de agua. En cuanto a los morteros, se observó que un mayor contenido de agregado liviano genera segregación y dificulta la compactación, mientras que las mezclas con mayor contenido de pasta presentan mejor trabajabilidad. El mortero con mayor resistencia a la compresión (15,6 MPa) se obtuvo para un curado húmedo de 28 días, con relación arena/pasta de 2,10 y agua/cemento de 0,70 (M0.70-2.10). Asimismo, el mortero con relación agua/cemento de 0,75 y arena/pasta de 2,50 alcanzó una resistencia similar para 28 días de curado y mostró un mejor comportamiento a edades tempranas (7 días), evidenciando la posibilidad de lograr un material resistente, económico y con menor impacto ambiental gracias a la reducción del contenido de cemento. Respecto al uso de cal, se determinó que su incorporación como reemplazo parcial del cemento genera un aumento de la resistencia, probablemente debido a la reacción puzolánica entre la fase vítrea del agregado y el hidróxido de calcio, que da lugar a la formación de silicatos de calcio hidratados. En los ensayos de flexión, los resultados fueron consistentes con los de compresión, destacándose nuevamente el mortero M0.70-2.10 como el de mayor resistencia, mientras que el de menor desempeño fue el M0.75-2.90. El estado de saturación del agregado no afectó las propiedades en estado endurecido, aunque sí influyó en la trabajabilidad en estado fresco. Finalmente, los ensayos térmicos evidenciaron que el hormigón con agregado liviano presenta una conductividad térmica (87% menor) que la del hormigón convencional, lo cual confirma su potencial como material sostenible para la construcción con eficiencia energética.

In recent years, the need to incorporate an ecological approach in the construction industry has gained increasing importance. In this context, the present work aims to revalue and promote the use of local materials, given the reduction in environmental impact resulting from lower emissions associated with transportation and Portland cement production. This study focuses on the characterization of a lightweight aggregate used by the Catalán community, located near Villa Pehuenia (Neuquén Province, Argentina), for the artisanal production of concrete blocks with a manual “block-making machine” for housing construction. The main objective of this work is to determine the origin, composition, and properties of the lightweight aggregate, as well as to evaluate its mechanical (flexural and compressive) and thermal behavior through the preparation of mortar samples. The analyzed variables include the water-to-cement ratio, sand- to-paste ratio, lime content, and the saturation state of the aggregate, with the purpose of determining the optimal mix design and potential applications of this material in the construction industry. The study began with the characterization of the aggregate by obtaining representative samples using the quartering method and a Jones splitter. Granulometric analysis, dust content determination, real and apparent relative density, and water absorption tests were performed. The same analyses were conducted on a siliceous sand used later in the mixtures. Based on these materials, several mortars were designed, taking as reference the mix used by the local community (considered the control sample). The water-to-cement ratios (0.70, 0.75, 0.80), sand-to-paste ratios (2.10, 2.50, 2.90), lime contents (0%, 20%, and 30%), and aggregate saturation states (saturated and partially saturated) were varied. Prismatic specimens were cured under two regimes: seven days of wet curing followed by air exposure, and continuous wet curing for 28 days. Afterwards, flexural strength, compressive strength, density, and absorption tests were carried out. The mixture showing the best mechanical performance was used to produce concrete cylinders with lightweight aggregate, which were compared with conventional concrete cylinders through a hot-wire test to determine and contrast their thermal properties. The results indicate that the studied aggregate is a fine igneous material mainly composed of pumice and mineral fragments, originating from aeolian deposits derived from the eruption of the Sollipulli volcano (Chile). It is characterized by high porosity, low density, and a high water absorption capacity. Regarding the mortars, higher lightweight aggregate content led to segregation and compaction difficulties, whereas mixtures with greater paste content exhibited better workability. The mortar with the highest compressive strength (15,6 MPa) corresponded to the mixture cured for 28 days, with a sand-to- paste ratio of 2.10 and a water-to-cement ratio of 0.70 (M0.70–2.10). The mixture with a water-to-cement ratio of 0.75 and a sand-to-paste ratio of 2.50 achieved a similar strength after 28 days and a better early- age performance (7 days), demonstrating that it is possible to obtain a resistant, economical, and environmentally friendly material with reduced cement content. Concerning lime replacement, it was found that the partial substitution of cement by hydraulic lime increases strength, possibly due to a pozzolanic reaction between the aggregate’s vitreous phase and calcium hydroxide, leading to the formation of calcium silicate hydrates. Flexural strength results followed a similar trend to compressive strength, with mixture M0.70–2.10 showing the highest strength and mixture M0.75– 2.90 the lowest. The saturation state of the aggregate did not affect the hardened-state properties but did influence workability in the fresh state. Finally, thermal tests revealed that the concrete produced with lightweight aggregate exhibits 87% lower thermal conductivity compared to conventional concrete, confirming its potential as a sustainable material for energy-efficient construction.