1. INTRODUCCIÓN

El hormigón es un elemento bastante importante en la edificación ya que puede utilizarse en obras individuales, comerciales, o estatales como la instalación de redes de alcantarillado. Se conoce que la manera tradicional de la elaboración del hormigón para la construcción está compuesto por cemento, agua y componentes áridos, a esta elaboración también se le puede agregar otros componentes minoritarios como aditivos, adiciones, fibras, pigmentos o cargas para mejorar sus características y propiedades [1]

La urbanización se encuentra en auge, por lo tanto, los áridos gruesos para la fabricación del hormigón tienen mucha demanda, como es el caso del ladrillo, que es uno de los agregados gruesos más utilizados. Sin embargo, la expansión de la industria del ladrillo está perjudicando en gran medida al medio ambiente. Para poder sostener la boga de la construcción, se requiere buscar materiales alternativos y así establecer un principio de sostenibilidad. En esta condición, los materiales de desecho, como las fibras metálicas de acero recicladas, o escoria de acero, pueden utilizarse en lugar de los áridos gruesos convencionales. La resistencia mecánica del cemento u hormigón que utiliza fibras de acero es aceptable, aunque con un ligero índice de baja resistencia a la flexión, si es comparado con el tradicional [2].

Actualmente, la escoria de acero se utiliza como agregado en aplicaciones de mezcla de hormigón, pero es necesario determinar la viabilidad de la utilización de este subproducto industrial de forma más inteligente como sustituto de los áridos gruesos en una mezcla de hormigón convencional. Es por ello, que en la presente investigación se determinó las propiedades físicas y mecánicas del cemento con virutas de acero de grado ASTM A36 y hacer un estudio comparativo con el hormigón tradicional. Planteándose las siguientes hipótesis:

· Hipótesis general: Las propiedades físicas y mecánicas del hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36 serían superiores a la del hormigón tradicional.

· Hipótesis especifica 1: Los parámetros de resistencia a la compresión del hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36 serían superiores respecto al hormigón tradicional.

· Hipótesis específica 2: Los parámetros de resistencia a la tracción del hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36 serían superiores respecto al hormigón tradicional.

2. DESARROLLO

En los últimos 30 años aproximadamente, se han llevado a cabo investigaciones sobre el uso de la escoria de acero como agregados en el hormigón reportándose propiedades ventajosas [3]. Como es el caso de la investigación de Cobos [4] en Guayaquil que realizó un análisis comparativo sobre el comportamiento mecánico del concreto con fibra de polietileno tereftalato (PET) reciclado y concreto con fibra de acero. Para este estudio se utilizó un total de 35 cilindros de 10x20cm y se realizaron roturas de 7, 14 y 28 días con hormigón mejorado con 0,5% y 1,0% de fibras de acero y de PET. Los resultados indicaron que el hormigón mejorado con 0,5% de PET es superior en resistencia al hormigón tradicional, y al hormigón reforzado con viruta de acero de 0,5% y 1,0%.

Por otro lado, en cuanto a la tracción el hormigón tradicional es más resistente que los demás diseños de patrón. En la misma línea, en Ecuador se desarrolló un análisis de la prestación mecánica del hormigón empleando virutas de acero como agregado fino. Los resultados indicaron que el hormigón tradicional es superior en la resistencia a la compresión que el hormigón con agregado fino con viruta de acero de 5%, 10% y 15% [5]. En 2019 en Ancash Perú, Deledesma [6] comparó la resistencia a la compresión de un concreto de f´c=210 kg/cm2 sustituyendo agregado fino por fibras y virutas de acero, durante 7, 14 y 28 días. Se utilizaron un total de 45 probetas cilíndricas para este análisis y se encontró que la “sustitución de fibras de acero y virutas de acero en un 4% y 6% mejora la resistencia a compresión” (p.69).

Moya [7] por su lado, analizó las propiedades físicas y mecánicas del hormigón elaborado con fibras de acero reciclado, determinando que a la edad de 28 días el que contenía fibras de acero recicladas obtuvo un 347,93 kg/cm2 de resistencia a la compresión, mientras que el tradicional alcanzó 241,11 kg/cm2. Referente a la tracción la resistencia del hormigón tradicional fue 27,90 kg/cm2 y con fibras recicladas 45,80 kg/cm2 siendo este superior en tracción. De acuerdo a Briones [5] “la utilización de virutas de acero genera beneficios de costos, precios, cuidado ambiental y nuevas alternativas para hormigones estructurales, empleándose menos materiales de origen pétreos, satisfaciendo el control de calidad y el desempeño del hormigón” (p.2). La mejora y la modificación del hormigón provienen principalmente de las características únicas de la escoria de acero. Se sabe que las propiedades de los áridos, incluyendo forma geométrica, la textura de la superficie, la actividad química y la hidrofilia tienen una influencia significativa influencia en la fuerza de adherencia.

De acuerdo con Pastrana [8] las propiedades físicas y mecánicas del cemento reforzado, se obtienen cuando éste se encuentra endurecido, siendo las bondades “la resistencia de la compresión, resistencia a tensión, resistencia a la flexión, resistencia a la tracción, elasticidad y esfuerzo de adherencia” (p.6). Por lo general, la longitud y el diámetro de las fibras utilizadas para el FRC no superan los 76 mm y 1 mm, respectivamente. Finalmente, Moya [7] indicó que las fibras metálicas se adicionan al hormigón con el fin de mejorar sus propiedades.

3. METODOLOGÍA

La presente investigación presenta un enfoque cuantitativo con un diseño descriptivo, también el diseño de la investigación es cuasi-experimental y de corte longitudinal, ya que las probetas fueron analizadas en 3 tiempos.

La muestra fue no probabilística ya que por conveniencia de las investigadoras se tomó 144 probetas en su totalidad, entre las que se realizó 36 probetas de hormigón con mezcla tradicional, 108 probetas de hormigón con agregados de viruta de acero de grado ASTM A36 de 0,6%, 1,5% y 6% respecto a los agregados finos de la mezcla. Los criterios sobre cuáles fueron trabajadas estas probetas son el análisis de las propiedades físicas y mecánicas al haber transcurrido 7, 14 y 28 días, observado en la Tabla 1. Para la recolección de datos se analizó el hormigón tradicional y el hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36, éste último obtenido en los tornos de la empresa privada SMF Sagitario [10] en la ciudad de Lima- Perú. El análisis se logró a través de los datos obtenidos de las propiedades mecánicas a partir de la fabricación previa de probetas cilíndricas de prueba que fueron ensayadas en sus condiciones de carga: compresión, tracción, adherencia y flexión. Para realizar estas pruebas el hormigón se curó a través del sumergimiento en agua. El instrumento fue una ficha de cotejo aplicado a los ensayos de compresión y tracción, realizados en el laboratorio Ecoandina Laboratorios SAC, una empresa Privada de la ciudad de Lima-Perú. Se validaron los resultados mediante la firma de dos ingenieros civiles colegiados y habilitados.

4. RESULTADOS

4.1. Análisis Descriptivo

A continuación, se evidenciará los resultados obtenidos para las propiedades de compresión y tracción del hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36, de acuerdo a la normativa de la Standard Specification for Carbon Structural Steel A 36/A 36 M (ASTM A 36/A 36 M) [11] y el hormigón tradicional, en función a la edad de 7, 14 y 28 días.

Se aprecia en la Tabla 2, que hay diferencias considerables entre los tratamientos del diseño del patrón tradicional basados en la norma ACI 211 [12] y el diseño del patrón optimizado con viruta de acero. Se identifica que el diseño de patrón tradicional tiene mejor resistencia a la compresión a la edad de 28 días, y la resistencia a la compresión de los patrones optimizados con viruta de acero de grado ASTM A36 al 1,5% y 6%, permanece invariable a la edad de 7, 14 y 28 días. Se identifica en la Figura 1, que sólo la mezcla del patrón tradicional cumple con los estándares solicitados de la norma ASTM A36, en el que se indica que a los 7 días el esfuerzo debe ser igual o superior a 166671305 N/m2. Con respecto a los demás diseños de patrón optimizado con viruta de acero de grado ASTM A36 al 0,6%, 1,5% y 6% no supera el estándar establecido. Como también se evidencia que a los 28 días la mezcla tradicional obtuvo valores superiores a lo mínimo establecido por la norma (27458620 N/m²).

Figura 1.
Análisis de compresión a los 7, 14 y 28 días de edad.
Fuente: los autores

Respecto a la tracción, en la Tabla 3 los resultados se muestran invariables a la edad de 7, 14 y 28 días tanto como en el diseño de patrón tradicional y los diseños de patrón optimizados.

Con relación a la Figura 2, se visualiza que la resistencia a la tracción no supera los 15x106 N/m2 en ninguno del diseño de patrón. Sin embargo, el diseño de muestra tradicional es la que desataca en resistencia a la tracción frente a los demás diseños optimizados.

Figura 2.
Análisis de tracción a la edad de 7, 14 y 28 días.
Fuente: los autores

4.2. Contrastación de Hipótesis

Prueba de normalidad

Se muestra en la Tabla 4, la prueba de normalidad de Shapiro Wilk para muestras menores a 50. Se visualiza que el nivel de significancia es superior a 0,05 para el análisis de tracción de 14 y 28 días, esto indica que los datos son paramétricos, es por ello por lo que se utilizó la prueba de ANOVA para la contratación de hipótesis.

Por otro lado, el análisis de compresión de 7, 14 y 28 días, como también el análisis de tracción de 7 días presentan una distribución no paramétrica ya que el nivel de significancia es menor a 0,05; de tal manera que se utilizó la prueba de Krukall Wallis para contrastar la hipótesis.

Hipótesis específica 1

Los parámetros de resistencia a la compresión del hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36 serían superiores respecto al hormigón tradicional.

Planteamiento estadístico de la prueba de hipótesis:

Hipótesis Nula (Ho): No existe diferencias significativas entre las medias de las resistencias a la compresión para un concreto f´c = 210 kg/cm2 tradicional y un concreto utilizando escoria de acero de grado ASTM A36 como agregado global.

µR1 = µR2 = µR3 = µR_tradicional

Hipótesis Alterna (Ha): Si existe diferencias significativas entre las medias de las resistencias a la compresión para un concreto f´c = 210 kg/cm2 tradicional y un concreto utilizando escoria de acero de grado ASTM A36 como agregado global

Existe al menos un i / µRi ≠ µR_tradicional

Donde µR, es la resistencia a la compresión.

Se evidencia en la Tabla 5, que el nivel de significancia en la prueba de Kruskal Wallis es menor a 0,05. Esto indica que hay diferencias significativas entre los diseños de patrón optimizados y el diseño de patrón tradicional, a la edad de 7, 14 y 28 días; respecto al análisis de compresión.

Para identificar cuál de los diseños de patrón es el que mayor resiste a la compresión se realizó una prueba post hoc, como se aprecia en la Tabla 6. Respecto a los 7 días de edad se puede apreciar que todos los tratamientos presentan diferencias significativas. Sin embargo, en la diferencia de medias se aprecia que el tratamiento tradicional cuenta con valores positivos respecto a los demás tratamientos; esto indica que el tratamiento tradicional es mayor significativamente a los tratamientos con viruta de acero al 0,6%, 1,5% y 6%.

Con relación a los 14 días de edad se identifica que las diferencias a la resistencia a la compresión de tratamientos son significativas. No obstante, el patrón de diseño tradicional en la diferencia de medias presenta valores positivos, lo que se traduce que la resistencia que cuenta es superior a los demás. Finalmente, a los 28 días de edad, la resistencia a la compresión del patrón de diseño tradicional sigue siendo superior a la resistencia de los tratamientos con viruta de acero al 0,6%, 1,5% y 6%.

Hipótesis específica 2

Los parámetros de resistencia a la tracción del hormigón con virutas de acero de grado ASTM A36 serían superiores respecto al hormigón tradicional.

Planteamiento estadístico de la prueba de hipótesis:

Hipótesis Nula (Ho): No existe diferencias significativas entre las medias de las resistencias a la tracción para un concreto f´c = 210 kg/cm2 tradicional y un concreto utilizando escoria de acero de grado ASTM A36 como agregado global.

µR1 = µR2 = µR3 = µR_tradicional

Hipótesis Alterna (Ha): Si existe diferencias significativas entre las medias de las resistencias a la tracción para un concreto f´c = 210 kg/cm2 tradicional y un concreto utilizando escoria de acero de grado ASTM A36 como agregado global

Existe al menos un i / µRi ≠ µR_tradicional

Donde µR, es la resistencia a la tracción.

4.3. Pruebas de Tracción

Tracción a los 7 días

Se puede visualizar en la Tabla 7, que a los 7 días de edad existen diferencias significativas en la resistencia a la tracción entre los tratamientos tradicional y con agregado de escoria de acero de grado ASTM A36.

Por medio de la prueba de T3 de Dunnet se puede identificar que hay diferencias significativas entre el diseño de patrón tradicional y los demás diseños. La diferencia de medias señala que el patrón tradicional cuenta con valores superiores observados en la Tabla 8. Esto indica que los parámetros de resistencia a la tracción del hormigón tradicional son superiores a las virutas de acero de grado ASTM A36.

Tracción a los 14 días

De acuerdo con la prueba de ANOVA, se aprecia que existen diferencias significativas entre el diseño de patrón tradicional y el diseño de patrón optimizado con viruta de acero de grado ASTM A36 al 0,6%, 1,5% y al 6% (ver Tabla 9).

Mediante la prueba de post hoc de comparaciones múltiples se aprecia que existen 3 subconjuntos que se diferencian totalmente. Lo que indica que hay diferencias significativas en sus medias. Sin embargo, el tratamiento tradicional cuenta con mayor diferencia positiva respecto a los demás tratamientos. Frente a estos resultados se acepta la hipótesis nula y se rechaza la hipótesis alterna (ver Tabla 10).

Tracción a los 28 días

El nivel de significancia es menor a 0,05, en la prueba de ANOVA; lo que señala que hay diferencias significativas entre los tratamientos, respecto a la resistencia a la tracción (ver Tabla 11).

De acuerdo con la prueba post hoc de Tukey, existen 4 subconjuntos donde hay diferencias significativas respecto a las medias. Se evidencia también que es el tratamiento tradicional que tiene mayor diferencia positiva respecto a la media del demás tratamiento. Frente a este resultado se asevera que el tratamiento tradicional presenta mayor resistencia a la tracción respecto a los demás tratamientos (ver Tabla 12). Por tal motivo se rechaza la hipótesis alterna y se acepta la hipótesis nula.

5. CONCLUSIONES

En la presente investigación se encontró que el tratamiento tradicional de hormigón es superior en resistencia a la compresión y tracción frente a los demás tratamientos. Estos resultados son disímiles a los de Deledesma [6], en cuya investigación realizada en la ciudad de Ancash-Perú identificó que el agregado de fibra de acero al 4% es superior al diseño tradicional. De igual manera en Colombia, Flores [13] encontró que el hormigón con agregado de acero al 10% es superior en resistencia al hormigón tradicional. En la misma línea Sarta y Silva [14] en Bogotá determinaron que para un concreto de 3000 PSI el hormigón con fibra de acero de 6% tuvo una mejor resistencia a la compresión a la edad de 28 días. Por otro lado, Cobos y Valle [4] en su estudio en Guayaquil, Ecuador identificaron que el que el hormigón tradicional fue superior en compresión a la edad de 14 días en comparación a los demás tratamientos, sin embargo, a la edad de 28 días el hormigón con fibra de acero de 0,5% fue superior en un 1% al hormigón tradicional.

Se rechaza la hipótesis alterna y se acepta la hipótesis nula. Puesto que el hormigón tradicional tiene mayor resistencia a la tracción que aquellos con agregados de viruta de acero al 0,6%, 1,5% y 6%. Cabe mencionar que la resistencia a la tracción del hormigón con agregado de viruta de acero a los 14 días de edad logra alcanzar la resistencia del hormigón tradicional, sin embargo, la resistencia no es mayor a la del hormigón tradicional.

Respecto al análisis de tracción los resultados que encontraron Cobos y Valle [4] son similares a los de la presente investigación ya que el hormigón tradicional tuvo mayor resistencia a la tracción que aquellos que tenían agregados de fibra de acero. Finalmente, la investigación realizada por Moya y Cando [7] en Guayaquil comprobó que el hormigón con fibras recicladas tuvo mayor resistencia a la compresión y tracción en un comparativo con el hormigón tradicional y el hormigón con fibras comerciales

Finalmente, se concluye que el hormigón tradicional cuenta con mayor resistencia a la compresión y tracción que los diseños de patrón optimizado con viruta de acero de grado ASTM A36 al 0,6%, 1,5% y 6%. Cabe mencionar que, con el fin de ahorrar costos, en el presente estudio las virutas de acero utilizada no fueron mejoradas; se utilizaron tal cual fueron obtenidas del torno. A diferencia de la investigación de Bonilla y Lascano [15], que previamente realizaron un tamizado, lavado y secado al ambiente. Se infiere que, al no realizar un previo refinamiento a las virutas de acero, los diseños de patrón que contienen estos agregados no obtuvieron resultados satisfactorios en cuanto a la resistencia de la compresión y tracción.

6. AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a la empresa privada SMF Sagitario por permitirnos obtener la escoria de acero de los tornos de la institución, como también a Ecoandina Laboratorios SAC por realizar los análisis de compresión y tracción.

7. FINANCIAMIENTO

El presente trabajo de investigación fue 100% autofinanciado por los investigadoras.

8. CONFLICTOS DE INTERÉS

Los autores declaran no tener ningún conflicto de interés.

9. CONTRIBUCIÓN DE LOS AUTORES

Investigación, M.H. y T.R.; redacción, M.H. y T.R.; supervisión, D.D. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito

10. REFERENCIAS

[1] M. Orozco, Y. Avila, S. Restrepo,y A. Parody, “Factores influyentes en la calidad del concreto: Una encuesta a los actores relevantes de la industria del hormigón,” Rev. Ing. Constr., vol. 33, no. 2, pp. 161–172, 2018, doi: 10.4067/s0718-50732018000200161, 2018

[2] Z. Wang, Y.-S. Liu, and R. Shen, “Stress–strain relationship of steel fiber-reinforced concrete under dynamic compression,” Constr. Build. Mater., vol. 22, pp. 811–819, May 2008, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2007.01.005, 2008

[3] J. La Fuente, “Comportamiento del hormigón con áridos siderúrgicos (EAF) reforzado con fibras,” Unibersidad de Burgos, Disponible en: http://riubu.ubu.es/bitstream/10259/4646/1/Fuente_Alonso.pdf, 2015

[4] L. A. Cobos-Sáenz de Viteri and A. W. Valle-Benítez, “Estudio comparativo sobre el comportamiento mecánico del concreto con fibra de polietileno tereftalato (PET) reciclado y concreto con fibra de acero,” Dominio las Ciencias, vol. 7, no. 5, pp. 798–818, 2021, Disponible en: https://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/article/view/2283/html%0Ahttps://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/article/view/2283/_1%0Ahttps://dominiodelasciencias.com/ojs/index.php/es/article/view/2283, 2021

[5] A. N. Briones Ponce, J. C. Zambrano Macías, J. A. Muñoz Macías, W. E. Ruiz Párraga, and R. A. Panchana de Calderero, “Análisis de la prestación mecánica del hormigón empleando virutas de acero como agregado fino,” Rev. Investig. en Energía, Medio Ambient. y Tecnol. RIEMAT ISSN 2588-0721, vol. 5, no. 1, p. 15, 2020, doi: 10.33936/riemat.v5i1.2498, 2020

[6] S. B. Deledesma, “Resistencia a compresión de un concreto f´c=210 kg/cm2 sustituyendo agregado fino por fibras y virutas de acero,” Universidad San Pedro,Disponible en: http://repositorio.usanpedro.edu.pe/handle/USANPEDRO/14295, 2019

[7] J. C. Moya and L. Cando Lara, “Análisis de las propiedades físicas y mecánicas del hormigón elaborado con fibras de acero reciclado,” Rev. INGENIO, vol. 1, no. 2, pp. 7–16, Disponible en: http://www.dspace.uce.edu.ec/handle/25000/8007, 2018

[8] J. Pastrana-Ayala, Y. Silva-Urrego, J. Adrada-Molano, and S. Delvasto-Arjona, “Propiedades Físico-Mecánicas de Concretos Autocompactantes producidos con polvo de residuo de concreto,” Inf. Técnico, vol. 83, no. 2, pp. 174–190, doi: 10.23850/22565035.2170, 2019

[9] R. Hernández and C. Mendoza, Metodologia de la Investigación: Las rutas de la investigación. Mexico: McGraw-Hill Education., 2018

[10] SMF Sagitario, Disponible en: http://smfsagitario.com

[11] ASTM, “ASTM A36/A36M-08 Standard Specification for Carbon Structural Steel.” https://www.astm.org/a0036_a0036m-08.html, 2021

[12] Self- Consolidating Concrete. U.S.A, “ACI 237R-07.” 2007

[13] A. Flores, “Análisis comparativo de la resistencia a flexión del hormigón armando adicionando fibras comerciales, virutas y limalladas de acero,” Universidad Técnica de Ambato, 2015

[14] H. N. Sarta Forero and J. L. Silva Rodríguez, “Análisis Comparativo Entre El Concreto Simple Y El Concreto Con Adición De Fibra De Acero Al 4% Y 6%,” Universidad Católica de Colombia, 2017

[15] A. Bonilla and E. Lascano, “Comportamiento mecánico del hormigón reforzado con fibras de aluminio reciclado,” Universidad Politécnica Salesiana, 2013

Notas de autor