Influencia del polvo de vidrio reciclado en la reducción del uso de cemento en los concretos de ultra alta resistencia (UHPC)

Abstract

Uno de los grandes problemas existentes al momento de la elaboración de los concretos de ultra alta resistencia (UHPC) es la enorme cantidad de material cementante que estos requieren, este problema no está únicamente relacionado al costo de estos insumos, sino también, a la gran cantidad de CO2 que se genera al momento de su producción. A su vez, se observa en el mercado peruano una gran oportunidad para la generación de polvo de vidrio reciclado, debido a la gran cantidad de vidrio que se mueve en el mercado del reciclaje, esto junto a su alto contenido de sílice y su bajo costo, lo hace candidato para reemplazar a los materiales cementantes del UHPC. Por el problema antes expuesto la presente investigación plantea determinar la influencia del polvo de vidrio reciclado en la reducción del uso de cemento para los UHPC. Para este fin se realizó un diseño de mezcla patrón y otros adicionados con polvo de vidrio reciclado en reemplazo del cemento en porcentajes de 10 %, 20 % y 30 %. El proceso de diseño de mezcla se inició con la aplicación del Modelo Modificado de Andreasen y Andersen (MAA) junto con los ensayos previos para determinar la composición ideal de la mezcla de UHPC. Posteriormente se elaboraron todas las muestras para los ensayos a realizar, dentro de las cuales se tienen a los cubos para la resistencia a la compresión a las edades de 3, 7, 28 y 56 días; las vigas para la resistencia a la flexión a los 28 días; y los paralelepípedos rectangulares para los ensayos de absorción, densidad, porcentaje de vacíos y la medición de las propiedades térmicas de las muestras a los 28 días. Como resultado de los ensayos en concreto fresco y endurecido, se obtuvo que la adición de polvo de vidrio reciclado en reemplazo del cemento influyó en las propiedades de los UHPC tanto en estado fresco como endurecido. Para el ensayo de temperatura se determinó un aumento de 26.4ºC a 29ºC, 28.4ºC y 29.5ºC para los porcentajes de reemplazo de 10 %, 20 % y 30 % respectivamente, a su vez el ensayo de consistencia presentó un valor anómalo debido a que para el porcentaje de 10 % de reemplazo hubo una disminución del 41.2 % a 20.1 % mientras que para el 20 % y 30 % se lograron valores de 101.8 % y 111.6 %. Finalmente, el tiempo de fragua presentó una disminución empezando con 268 minutos para la muestra patrón y con los valores de 253, 235 y 218 minutos para las muestras con los porcentajes de reemplazo anteriormente especificados. Para el ensayo de compresión se obtuvo una curva cóncava hacia abajo con valores que fueron desde los 1219 kg/cm2 para la muestra patrón hasta los 1328 kg/cm2, 1231 kg/cm2 y 1100 kg/cm2 de resistencia para las muestras adicionadas respectivamente a los 28 días. La resistencia a la flexión varió desde 183 kg/cm2 para la muestra patrón, hasta 200 kg/cm2, 183 kg/cm2 y 168 kg/cm2 para las muestras adicionadas respectivamente. Seguidamente, se observó una reducción de la porosidad cercana al 15 % del valor patrón que fue de 2.85 %. Finalmente, se observó que el material perdía propiedades aislantes respecto del patrón.

One of the significant challenges in the development of Ultra High-Performance Concrete (UHPC) is the substantial amount of cementitious material it requires. This issue is not only related to the cost of these inputs but also to the substantial CO2 emissions generated during their production. Simultaneously, there is a considerable opportunity in the Peruvian market for the utilization of recycled glass powder, given the large volume of glass in the recycling market, its high silica content, and low cost. These factors make it a viable candidate to replace the cementitious materials in UHPC. Due to the aforementioned problem, this research aims to determine the influence of recycled glass powder on reducing the use of cement in UHPC. To achieve this, a standard mix design was developed, along with additional mixes incorporating recycled glass powder to replace cement at percentages of 10 %, 20 %, and 30 %. The mix design process began with the application of the Modified Andreasen and Andersen (MAA) Model, along with preliminary tests to determine the ideal composition of the UHPC mix. Subsequently, all the samples were prepared for the planned tests, including cubes for compressive strength at 3, 7, 28, and 56 days; beams for flexural strength at 28 days; and rectangular prisms for absorption, density, void percentage, and thermal property measurements at 28 days. Results from tests on both fresh and hardened concrete revealed that the addition of recycled glass powder as a replacement for cement influenced the properties of UHPC in both states. In the temperature test, an increase from 26.4ºC to 29ºC, 28.4ºC, and 29.5ºC was determined for replacement percentages of 10 %, 20 %, and 30 %, respectively. Additionally, the consistency test exhibited an anomalous value, as the 10 % replacement resulted in a decrease from 41.2 % to 20.1 %, while values of 101.8 % and 111.6 % were achieved for 20 % and 30 % replacements. Finally, the setting time decreased from 268 minutes for the standard sample to 253, 235, and 218 minutes for samples with the specified replacement percentages. In the compression test, values described a concave downward curve ranging from 1219 kg/cm2 for the standard sample to 1328 kg/cm2, 1231 kg/cm2, and 1100 kg/cm2 for the respective replacement samples at 28 days. Flexural strength varied from 183 kg/cm2 for the standard sample to 200 kg/cm2, 183 kg/cm2, and 168 kg/cm2 for the replacement samples, respectively. Additionally, a reduction in porosity was observed, approaching 15 % of the standard value of 2.85 %. Lastly, it was noted that the material lost insulating properties compared to the standard.