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14012022
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Andy Correa-Zeña
Universidad Señor de Sipán, Perú
Aldo H. Hurtado-Bravo
Universidad Señor de Sipán, Perú
Sócrates P. Muñoz-Pérez msocrates@crece.uss.edu.pe
Universidad Señor de Sipán, Perú
Resumen: El presente documento tiene como objetivo realizar una revisión literaria sobre los efectos que produce la utilización de cenizas de madera como componente en el concreto, de tal manera que permita determinar sus propiedades mecánicas y su comportamiento. Se hizo una revisión de 80 artículos arbitrados e indexados en Scopus, Ebsco y Science Direct. Seguidamente, las palabras claves fueron: “concrete and wood ash, replacement of cement with wood ashes, percentages of wood ash in concrete”. A partir de dicha revisión se concluye que la utilización de las cenizas de madera brinda mejores comportamientos físico-mecánicos al momento de ser empleado en materiales como el concreto; sin embargo, sus porcentajes adecuados oscilan entre el 5 al 15% dado que en dichas proporciones ha permitido obtener un incremento en relación del concreto patrón en un 76% de su resistencia a compresión.
Palabras clave: Hormigón, ceniza de Madera, propiedades Mecánicas.
Abstract: The purpose of this paper is to carry out a literature review on the effects of using wood ash as a component in concrete, in order to determine its mechanical properties and behavior. A review of 80 refereed and indexed articles was carried out. The key words were: "concrete and wood ash, replacement of cement with wood ashes, percentages of wood ash in concrete. From this review it is concluded that the use of wood ash provides better physical-mechanical behavior when used in materials such as concrete; however, its adequate percentages range from 5 to 15%, given that in these proportions it has allowed obtaining an increase in relation to the standard concrete of 76% of its compressive strength.
Keywords: Concrete, wood Ash, mechanical Properties.
Artículo de revisión
Revisión sistemática de las propiedades físico-mecánicas del hormigón con incorporación de Ceniza de Madera
Systematic review of the physico-mechanical properties of concrete with wood ash incorporation
Andy Correa-Zeña
Aldo H. Hurtado-Bravo
Sócrates P. Muñoz-Pérez msocrates@crece.uss.edu.pe
Recepción: 14 Enero 2022
Aprobación: 29 Marzo 2023
Materiales tradicionales de construcción tales como: concreto, acero, ladrillo, han sido elementos boom empleados en las diferentes obras de infraestructura; esto se refleja por las diversas necesidades que surgen en poblaciones a nivel mundial 1. Asimismo, los componentes de dichos elementos son considerados altamente contaminantes debido a que expulsan grandes porcentajes de CO2, y sobre todo, requieren gran cantidad de energía y agua, destacando así que son materiales no renovables 2. Por lo expuesto, todos estos factores generan un enorme impacto ambiental.
Actualmente en Sudamérica el principal elemento que se utiliza para la elaboración de materiales como el concreto es el cemento; sin embargo, de acuerdo a esto ha surgido la necesidad de mejorar la calidad de dichas mezclas, por tal motivo la industria de la construcción está evaluando la incorporación de usar diferentes residuos para que sean adicionadas en las mezclas y puedan brindar un mayor beneficio respecto a costos y medio ambiente. 3
Existen diversos métodos que pueden permitir la reutilización de grandes cantidades de desperdicios procedentes de zonas urbanas y semiurbanas y así puedan ser incorporados en la fabricación de los elementos de construcción. 4 Sin embargo, se ha evidenciado que diferentes materiales de residuos como desechos plásticos, de carbón o vidrio, se pueden emplear beneficiosamente en la fabricación de materiales de la industria de la construcción. 5
Las propiedades mecánicas del hormigón con micro esferas de vidrio tuvieron como resultado un aumento a la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad, que es un 243% más resistente que el hormigón. 81 De la misma manera, al adicionar ceniza de bagazo de caña a la mezcla cementante, la resistencia a la compresión aumentó, siendo una de las opciones potenciales para el aprovechamiento de residuos y reducir las emisiones de CO2 en la industria del hormigón. 82
A nivel mundial los países generan residuos derivados de diversas fuentes, mayormente pasan por un proceso de incineración, asimismo se queman al aire libre, se vierten en agua, para luego ser arrojados en vertederos, lo que provoca un gran impacto ambiental 6. Por tal razón, es necesario que dichos residuos sean utilizados como material de construcción, ya que así el efecto negativo sería menor Ahora, la necesidad de utilizar favorablemente la energía, y el cambio climático global han hecho que sea obligatorio y necesario reducir la contaminación ambiental. Para ello se realizará la reutilización de los diversos desechos que se arrojan frecuentemente al medio ambiente. 7 Sabemos que materiales de construcción como el concreto son los más usados para el desarrollo de diferentes obras a nivel global 8; sin embargo, su dosificación requiere la incorporación de componentes que otorguen al concreto mayor calidad además de resultados positivos en sus propiedades físico-mecánicas. 9
No obstante, están empezando a existir muchos cuestionamientos acerca de lo que ocasiona el uso constante de los materiales que componen al hormigón, específicamente, el cemento, ya que produce problemas medioambientales y de sostenibilidad 10. En ese sentido, ha surgido la posibilidad de la utilización de componentes alternativos cementantes como cenizas de madera para ser adicionados por completo o de forma parcial al cemento. 11
Es importante señalar que el uso irresponsable de residuos a base de madera constituye un desecho ecológicamente problemático, ya que su contacto con el agua, el suelo y el aire, genera problemas de contaminación medio ambiental. En efecto, la acumulación de los residuos de madera que se generan a nivel mundial ocasionan una preocupación de gran importancia, sobre todo para la sociedad y el ambiente. Por ende, en el campo de la ingeniería civil se está buscando hacer uso de este tipo de residuos en reemplazo del cemento 12.
A partir de la problemática que se origina hoy en día a causa del consumo excesivo del cemento para elaborar materiales como el concreto, es que surge la posibilidad de reutilizar residuos a base de madera en nuevos materiales 13. Asimismo, distintas investigaciones corroboran que se está evidenciando una grave crisis en el ámbito de la construcción , y todo es a base del consumo constante y exagerado de los recursos naturales y energía, ocasionando así que el costo de materiales de los componentes del concreto siga aumentando 14.
En la misma línea se sabe que la profesión de la construcción enfrenta que sus recursos estén siendo limitados y conlleva a que se produzcan sobrecostos. Por esta razón se estima la posibilidad de utilizar materiales de desecho como cenizas de madera de tal manera se disminuya costos, y a su vez sea un factor beneficioso para el medio ambiente 15. Es indispensable reducir los impactos ambientales ocasionados por la constante producción de materiales como el concreto, y por ende es necesario convertir dicho material en un elemento más sostenible.
Componentes nuevos y eficaces que permitan reemplazar parcial o totalmente al cemento son alternativas que pueden hacer del concreto un material con menor carga contaminante y económica, ya que todo ello se asocia a su proceso de elaboración 16. En esa misma dirección se menciona el alto costo de los agregados que componen al concreto, pero que debido a su consumo excesivo han sido limitados 17.
Recientes investigaciones han demostrado que la ceniza de madera puede ser el componente de reemplazo al cemento, sin generar efectos perjudiciales; puesto que se evidenció mejoras en sus propiedades físico-mecánicas en materiales como el concreto 18. Una buena alternativa sería las cenizas de madera para buscar la reducción del uso del cemento y disminuir los grandes porcentajes de CO2. 19 Efectivamente, los materiales de construcción han pasado por variedad de cambios a causa del surgimiento de nuevos materiales que son resultado del procesamiento de distintos residuos 20 y, por tanto, si a este tipo de desechos se les da un buen uso, generaría nueva materia prima capaz de reemplazar o sustituir al cemento 21.
Subproductos que se obtienen de la madera sirven en la actualidad como un sustituto parcial o temporal en la elaboración del concreto, debido a que estos materiales por tratarse de desechos con un impacto ambiental positivo es prácticamente un beneficio que otorgaría a los elementos de construcción 22. Asimismo, presenta beneficios económicos considerables y adecuadas características físico-mecánicas 23.
En los últimos años la industria de la ingeniería ha comenzado con el estudio y tratamiento de materiales como residuos que se extraen de árboles, producto es la madera que son elementos disponibles a nivel mundial, extraídos de la tala y de los cerraderos. 24.
El empleo de cenizas de madera ha permitido reemplazar algunos componentes del hormigón porque tienen muchas características favorables tales como: menor porcentaje de contaminación y son accesibles 25. Además, proporciona mayor sustentabilidad de las estructuras de concreto a partir del uso de las cenizas de madera; de igual modo, reduce costos de construcción, porcentajes de CO2, los cuales provocan un impacto negativo al medio ambiente 26.
La fabricación de nuevos materiales se da con el fin de buscar mejoras de calidad considerando siempre factores ambientales y económicos en la construcción 27. Sin embargo, se está evaluando la disminución en porcentajes de algunos materiales de construcción, que, a su vez, se sustituyan por productos como cenizas de manera; ya que se ha corroborado como el empleo de dicho producto favorece en las propiedades físico-mecánicas de los distintos materiales del ámbito de la construcción 28. La utilización de componentes a base de madera para la elaboración del concreto se está convirtiendo en una alternativa positiva para optimización y disminución considerable de los recursos, durante el proceso de fabricación de materiales comúnmente utilizados como el cemento.
La búsqueda en la base de datos de la colección central online Scopus se realizó el 13 de setiembre del 2021. El procedimiento de búsqueda se presenta en la Tabla 1. La búsqueda se realizó sobre el tema "concrete and wood ash, replacement of cement with wood ashes, percentages of wood ash in concrete". Se buscaron 80 artículos arbitrados e indexados, los cuales fueron obtenidos de las siguientes bases de datos: Scopus, Ebsco y Science Direct.
Por otro lado, también se evidencia el proceso de búsqueda en la Figura 1. La búsqueda se realizó sobre el tema "Concrete with wood ashes", "Mechanical characteristics of wood-ash concrete", " replacement of cement with wood ashes" para la base online Ebsco. Del mismo modo, se realizó la búsqueda en Scopus sobre el tema: " concrete AND wood ashes", "Physical properties of wood ash in concrete", " Wood ashes in construction", " Wood ashes AND construction". De los temas mencionados se optaron por artículos de investigación y revisiones, a su vez, se excluyeron las áreas restantes. Finalmente, se realizó la búsqueda en ScienceDirect con la palabra clave: "Wood ash in concrete". Tabla 2.
De acuerdo con estudios realizados por expertos en las últimas décadas sobre el calentamiento global, se ha confirmado que los grandes porcentajes de dióxido de carbono están aumentando a un ritmo sin precedentes 29; lo que ha conllevado a que el medio ambiente se vea severamente perjudicado, puesto que los efectos negativos surgen por el desecho de residuos o el agotamiento de los recursos naturales. 30
Se sabe que la industria de la construcción y el uso de sus distintos elementos consumen una proporción significativa de la energía y los recursos naturales mundiales 31. Por tal razón, una solución eficiente para mejorar el uso constante tanto de energía, como de sus recursos sería a través de la utilización de componentes a base de madera, que han demostrado ser un éxito al momento de ser empleados 32. Asimismo, según 33 cita que el rápido crecimiento en las diversas áreas de construcción ha generado a nivel mundial incertidumbres en el aspecto económico y ambiental. Del mismo modo 34 indica desde este contexto, que la acumulación de millones de toneladas de residuos industriales y domésticos ocasiona graves peligros para la salud de la humanidad y diversas especies. Por tal motivo, 35) menciona que se debe sustituir al cemento en el concreto para que de esta manera se pueda reducir el efecto negativo ambiental al momento de emplearlo.
Se han realizado diversos estudios, donde se ha reemplazado el cemento por las cenizas de madera en porcentajes de 0%, 5%, 10%, 15% y 20%; posteriormente, se realizaron ensayos para determinar sus resistencias después de 21 días; donde se obtuvo que en porcentajes de 5% se logró alcanzar una óptima resistencia a la compresión (345.69 kg/cm2). Concluyendo así que la incorporación de las cenizas de madera en materiales como el concreto otorgaría buenos beneficios, además, que permitirá la reducción de materiales contaminantes 36.
La gran demanda de los componentes de construcción, especialmente para la elaboración del concreto, originada por el rápido crecimiento de la urbanización está ocasionando la propagación del dióxido de carbono, y el agotamiento de los recursos naturales 37. Por tanto, según 38 reafirma que los nuevos escenarios y tendencias a nivel de Latinoamérica necesitan la búsqueda de nuevas alternativas para reemplazar al cemento, teniendo como alternativa sostenible las cenizas de madera.
39 cita que para superar la problemática ocasionada por los niveles altos de CO2 se irá modificando la producción del concreto; es decir, reduciendo el Clinker e incorporando materiales de residuos a base de madera; puesto que se ha evidenciado que dichos productos ofrecen un óptimo rendimiento de resistencia y durabilidad en el concreto, permitiendo así el crecimiento del sector construcción.
Proyectos de urbanización e infraestructura han aumentado con el transcurrir de los años, lo cual conlleva a la utilización constante de los diversos elementos constructivos 40. A pesar de que los materiales más usados en la industria de la construcción son el concreto, empleándose generalmente como material de estructura debido a su alta versatilidad y durabilidad en comparación de otros materiales construcción 41; se considera que dicho material está compuesto por agua, agregados y cemento, donde el último material mencionado conlleva a grandes emisiones de CO2 al momento de su producción 42.
43 indica que países como Australia y Nueva Zelanda utilizan elementos a base de madera con el fin de no causar impactos negativos al medio ambiente, sin dejar de lado que busca otorgar nuevas alternativas viables para la industria de la construcción.
Ahora, desde el impacto ambiental para que disminuya los grandes porcentajes de CO2, se sugiere el empleo de ceniza de madera; pues el uso adecuado de dicho material permite garantizar el control de calidad para aplicaciones en compuestos cementosos; y así mismo otorga beneficios al medio ambiente. 44
Materiales como la madera en los últimos años han ganado importancia como alternativa sostenible y beneficiosa para el concreto 45. Por tal motivo según 46 indica que incorporando la madera en ceniza resulta ser más económico y más factible de implementar en el campo de la construcción, por lo que pueden utilizarse como alternativa, ya que, en la búsqueda de la disminución de los problemas ambientales, dichos residuos son más respetuosos con el medio ambiente.
Asimismo, según 47) menciona que para reducir el CO2 se han desarrollado muchos métodos que están asociados con la producción de hormigón; y van desde la sustitución de equipos de fabricación ineficientes hasta materiales alternativos.
48 cita que diversos resultados destacan el potencial beneficio de las cenizas de madera, del mismo modo, dicho compuesto además de ser sostenible, se puede emplear como refuerzo de adherencia y resistencia para las mezclas de concreto, ya que tiene características potenciales para su aplicación en la fabricación de materiales de construcción. Finalmente, aumentar el uso de materiales como cenizas de madera en la ingeniería permite contribuir a impulsar un cambio hacia una producción de materiales de construcción más eficiente en cuanto a emisiones. 49
Al agregar cenizas de madera en las mezclas de concreto, se modifican sus propiedades físicas, la mayoría de estas son muy favorables, por ejemplo, la disminución del peso en relación con el concreto convencional lo que daría lugar a estructuras más livianas 45.
La densidad del hormigón con cenizas de madera disminuye considerablemente a medida que sean más pequeñas las partículas, esto es por la incorporación de aire de dichos materiales, por otro lado, se concluye que bajo los ataques de ácidos tienen un buen comportamiento debido a la alta capacidad de restringir las grietas en el hormigón 46.
La utilización de la ceniza de madera en materiales como el concreto, es un tema relevante en la actualidad; dado que dicho producto está demostrando óptimas condiciones para que pueda ser empleado en los materiales de construcción, brindando así adecuadas características mecánicas. 50
Los efectos de las propiedades mecánicas del concreto; así como la durabilidad dependerá de cada uno de sus componentes al momento de su producción. Por tal razón, 51 indica que los diversos estudios se han enfocado en la incorporación de cenizas de madera por reemplazo del cemento portland, en proporciones de 5%, 10%, 15%, 20%, 25% y 30% en peso, donde en proporciones de 15% se logró obtener óptimas características mecánicas, por lo que se concluye que este tipo de residuos resultarían ser componentes adecuados para la producción del concreto.
Ahora bien, según 52 se ha demostrado que la utilización de cenizas de madera en el concreto para reemplazar al cemento Portland genera mayor beneficio, dado que la fabricación del Clinker trae consigo gran porcentaje de CO2. Por ello se elaboraron mezclas de concreto, sustituyendo el cemento por cenizas de madera (3 mezclas) en porcentajes de 5%, 10% y 15% en volumen; Obteniéndose como resultado que en porcentajes de 5%, 10% presentaron una resistencia a la compresión óptima (300 kg/cm2) para que pueda ser empleado como material cementante del concreto.
53 indica que el uso de las cenizas de madera en el concreto otorga beneficios positivos en gran magnitud, y sobre todo se reduciría el impacto negativo ambiental por la fabricación del cemento portland.
54 también cita que la ceniza de madera influye positivamente en la resistencia a la compresión del concreto, dado que hasta el 20% de incorporación de dicho producto reemplazando al cemento ha permitido que su resistencia mejore significativamente.
Asimismo, según 55 indica que cuando se ha sustituido en porcentajes de 3,6%, 7,3% y 10,9%, la resistencia se ha incrementado 12%, 75% y 87% respectivamente, lo que evidencia que la adición de dicho componente brinda óptimas características mecánicas al concreto.
En cuanto 56 menciona que las características mecánicas del concreto dependerán de los componentes que lo conformen. Por ejemplo, se han realizado estudios con 2 tipos de madera, y se observó que un tipo de madera obtuvo una resistencia inferior a la referencial. Del mismo modo, con el otro tipo de madera después de los 7 días, se tuvo como resultado que su resistencia a la compresión es superior a la de las otras mezclas, por lo que se concluye que el resultado que se obtenga dependerá del tipo de componente que sea incorporado en materiales como el concreto.
Por su lado, 57 menciona que se han realizado estudios donde se emplean cenizas de madera con otros dos componentes. Para tal estudio se adicionaron porcentajes de 10% de ceniza más 20% de metacaolín, donde se obtuvo que su resistencia a la compresión fue igual a 846.36 kg/cm2. Concluyendo de tal manera que dicho residuo a base de madera otorga grandes beneficios a materiales como el concreto.
Según 58 menciona un estudio donde se evidencia el comportamiento de las cenizas de madera como reemplazo del cemento. Se prepararon moldes de concreto con dos tipos de cenizas de madera en porcentajes de 0,10,15,20%, asimismo el proceso de curado fue durante los 7 y 28 días. Se obtuvo como resultado que con incorporación del 10% de cenizas existió mayor dureza del elemento, sin embargo, solo con un tipo de ceniza se logró alcanzar una resistencia superior. Por lo que dicho estudio recomienda, la ceniza de madera ya que el empleo de estos materiales influye en las propiedades del concreto.
Asimismo, 59 indica que en algunos estudios se ha incorporado el cemento con la ceniza de madera, donde el último elemento tiene el efecto más positivo para aumentar la resistencia a la compresión, tracción y flexión en el concreto. Los porcentajes adecuados para dichos estudios fueron: 10% de portland más 10% de cenizas de madera. Concluyendo así que dicha ceniza tiene mejores beneficios en comparación con la muestra patrón.
60 menciona que residuos como cenizas hoy en día pueden ser materiales ampliamente aceptados como sustitutos de los materiales convencionales, y sobre todo, podrían convertirse en componentes indispensables para la producción de materiales como el concreto. Tal como indica 61 que a través de estudios realizados evidencia que cuando se ha incorporado hasta el 20% de cenizas de madera en elementos como el concreto se ha obtenido como resultados mejor trabajabilidad, y sus resistencias, tanto de compresión y flexión han ido en aumento. Tabla 4., Tabla 5, Tabla 6
Con base a los diferentes estudios se puede determinar que las cenizas de madera resultan ser componentes beneficiosos para que puedan ser empleados en la producción de elementos como el concreto. Asimismo, generaría efectos positivos para el medio ambiente, puesto que su aplicación conllevaría a la disminución del consumo de recursos naturales, disminuyendo así las emisiones de CO2.
Asimismo, de acuerdo a las diferentes revisiones se concluye que con la inclusión de porcentajes mayores al 30% se reduce la resistencia a la compresión, pero aumenta la resistencia a la flexión en 16%.
La aplicación en óptimos porcentajes de cenizas de madera ha permitido obtener resistencias hasta los 850 kg/cm2 a comparación del concreto patrón f’c= 479.16 kg/cm2. Por ello, ha sido necesario en diversas investigaciones que los porcentajes empleados varíen entre el 5% hasta el 15%.
Finalmente, en la mayoría de investigaciones la temperatura óptima de quemado de madera se encuentra entre los rangos de 500°C a 700°C.
