Vol. 5, N° e841, año 2023
ISSN – Online: 2708-3039
DOI:
https://doi.org/10.47796/ing.v5i0.841
Artículo
original
Efecto de las cenizas de la corteza de Apacharama
en las propiedades físico-mecánicas de ladrillo macizo
Effect of apacharama bark ashes on the physical-mechanical properties of solid
brick
https://orcid.org/0000-0002-8127-8172
Alejandro Vildoso Flores[2]
https://orcid.org/0000-0003-3998-5671
Recibido: 9/10/2023
Aceptado: 10/11/2023
Publicado: 30/11/2023
Resumen
El creciente interés por encontrar
alternativas sostenibles en la industria de la construcción y en el proceso de
fabricación de ladrillos ha promovido la eficiente reutilización de fuentes
como las cenizas de diversos materiales. Por lo tanto, el estudio tuvo como
objetivo determinar el efecto de las cenizas de la corteza de Apacharama (CCA) en las propiedades físico-mecánicas de los
ladrillos macizos. La muestra de estudio para los ensayos fue de 72 unidades,
variando los porcentajes de adición de CCA (5 %, 7,5 % y 10 %). Se analizaron
propiedades físicas y mecánicas, como la absorción de agua, el alabeo, y la resistencia
a la compresión axial (por unidad, pila y murete) y diagonal (murete). Los
resultados de las pruebas revelaron que la adición de 10 % de CCA mejora la
resistencia a la compresión axial y diagonal, también se observó un aumento en
el porcentaje de absorción a los 28 días, aunque superaron los estándares
establecidos. Sin embargo, el comportamiento del alabeo se mantuvo dentro de
límites aceptables. Estos hallazgos fueron posiblemente favorecidos en parte
por la composición química. De manera que surge la necesidad de optimizar los
porcentajes de adición para equilibrar las propiedades sin comprometer otras
características.
Palabras clave: cenizas de la corteza de Apacharama; innovación; ladrillos macizos.
The growing interest in
finding sustainable alternatives in the construction industry and brick
manufacturing process has promoted the efficient reuse of sources such as ashes
from various materials. Therefore, the study aimed to determine the effect of Apacharama bark ashes (ABA)
on the physical-mechanical properties of solid bricks. The study sample for the
tests consisted of 72 units, with varying percentages of ABA addition (5 %, 7.5
%, and 10 %). Physical and mechanical properties, such as water absorption,
warping, and axial compressive strength (per unit, stack, and wall), and
diagonal compressive strength (wall), were analyzed. The test results revealed
that the addition of 10 % ABA improves both axial and diagonal compressive
strength. An increase in water absorption percentage at 28 days was also
observed, even though it exceeded established standards. However, warping
behavior remained within acceptable limits. These findings were possibly
favored in part by chemical composition. Hence, there is a need to optimize the
addition percentages to balance properties without compromising other
characteristics.
Keywords: Apacharama bark
ashes; innovation; solid bricks.
1. Introducción
La industria de la construcción representa
un sector fundamental en el desarrollo de cualquier sociedad (Fei et al., 2021), desempeñando un papel crucial en la
infraestructura y la provisión de viviendas (Chiang et al., 2015). La constante
búsqueda de materiales y técnicas constructivas más sostenibles y eficientes ha
llevado a la exploración de diversos enfoques innovadores en la producción de
materiales de construcción (Vagtholm et al., 2023).
Dentro de estos enfoques, la inclusión de materiales alternativos, como cenizas
de bagazo de caña (Gamonal, 2023), cenizas volantes (Carlos & Gonzales,
2021), cenizas de bosta (Pancca, 2022), cenizas de
horno (Perez, 2021), cenizas de madera (Srisuwan et al., 2020), cenizas de algodón-hojas de palmera
datilera (Andia & Sayritupac, 2022), cenizas de
carbón (Abbass et al., 2022; Aguilar, 2019;
Torres-Agredo et al., 2021) y cenizas de cascarilla de arroz (Rodriguez & Salazar, 2020) ha suscitado interés debido
a sus propiedades únicas y su potencial para mejorar la sostenibilidad en la
fabricación de ladrillos.
Por otra parte, Akadiri
et al. (2012) enfatizan que la demanda de materiales de construcción
resistentes, duraderos y respetuosos con el medio ambiente es una preocupación
creciente en un mundo que enfrenta desafíos ambientales y de recursos
naturales. Además, la extracción y procesamiento de materiales tradicionales,
como la arcilla y la caliza, no solo consumen recursos naturales valiosos, sino
que también pueden generar emisiones de gases de efecto invernadero (Costa
& Ribeiro, 2020; Fernández, Gutierez & Rojas,
2020). En este contexto, la búsqueda de alternativas viables se ha convertido
en un objetivo prioritario.
Las cenizas de la corteza de Apacharama (CCA), como subproducto de ciertos procesos de
alfarería (Ministerio de Cultura, 2019), han atraído la atención de los
investigadores por su potencial en la fabricación de ladrillos macizos. Estas
cenizas, ricas en minerales diversos (Herrera, 2020), ofrecen la posibilidad de
influir en las propiedades físicas y mecánicas de los ladrillos, lo que
resultaría en un material de construcción más resistente y eficiente. Sin
embargo, la incorporación de CCA en la producción de ladrillos plantea desafíos
en cuanto a la comprensión de su comportamiento y su impacto en las propiedades
finales.
En este contexto,
el estudio se centra en evaluar el efecto de la adición de CCA en las
propiedades físico-mecánicas de ladrillos macizos. Se abordan aspectos
importantes, como la absorción de agua, el alabeo y la resistencia a la
compresión axial y diagonal. Los resultados podrían proporcionar una visión
general sobre la viabilidad de utilizar CCA como un componente en la producción
de ladrillos, con el objetivo de impulsar la sostenibilidad en la industria de
la construcción.
2. Metodología
Para obtener las cenizas de la corteza de Apacharama
(CCA), se recolectó la corteza del árbol Apacharama
de la Comunidad Nativa Shipibo, Nuevo Ceylán, ubicada en el distrito de Masisea, Pucallpa, en la región de Ucayali, y se sometió a
un riguroso proceso de limpieza para eliminar impurezas. Luego, el material se
dejó secar a temperatura ambiente para facilitar la absorción. Posteriormente,
se realizó la molienda con un molino eléctrico de mano, con la finalidad de
reducir el tamaño de las partículas y mejorar la manejabilidad. Finalmente, el
material procesado se sometió a una incineración controlada en una mufla a
temperaturas entre 400 °C y 650 °C, lo que resultó en la obtención de cenizas
listas para su posterior uso y análisis.
Por otro lado, el proceso de fabricación de
ladrillos macizos siguió como referencia la metodología propuesta por
Betancourt, Díaz & Martirena (2013), que comprende cinco etapas:
extracción de las materias primas, preparación de las pastas cerámicas,
moldeado, secado y cocción. La materia prima consistió en arcilla, arena y CCA,
obtenida en las proximidades de la ciudad de Pucallpa. La mezcla se realizó en
una proporción de siete partes de arena por cada una de arcilla, con la adición
correspondiente de CCA en tres diferentes porcentajes (5 %, 7,5 % y 10 %) según
lo requerido para cada muestra. Posteriormente, la mezcla se vertió en moldes
de 60 x 60 x 15 cm. Los moldes con la muestra se dejaron secar a temperatura
ambiente durante un período de 3 días. Luego, se trasladaron al horno y se
sometieron a una temperatura de 800 a 1000 °C durante 5 horas.
Respecto a los ensayos realizados,
comprendieron los análisis de las propiedades tanto físicas como mecánicas, que
fueron evaluados en relación con los ladrillos macizos y su interacción con las
CCA. Dentro de las propiedades físicas comprendieron el análisis de las
propiedades de absorción y alabeo, siguiendo la metodología de la norma PNTP
399.613 2017 y el método ASTM C 642.
El porcentaje de absorción, se refiere a la
cantidad de agua que un material puede absorber y retener en su estructura. Mientras que el Alabeo, se refiere a la
deformación o curvatura que puede experimentar un material, como un ladrillo,
debido a cambios en la humedad o la temperatura.
Por otra parte, dentro de las propiedades
mecánicas, se evaluó la resistencia a la compresión de acuerdo a la norma NTP 339.621
- 2017 y NTP 399.604, 2002, esta propiedad, mide la capacidad de un material
para resistir fuerzas que tienden a comprimirlo. Para el estudio, se evaluó la
compresión axial por unidad (resistencia de un solo ladrillo), en pila
(ladrillos apilados), en muretes (fuerza aplicada en línea recta), y diagonal
(fuerza aplicada en un ángulo diagonal).
Adicionalmente, para caracterizar la
composición química de las CCA, se realizó un análisis químico, mediante dos
métodos analíticos: el análisis térmico por calorimetría diferencial de barrido
(DSC) y el análisis térmico diferencial (DTA), utilizando un Analizados Térmico
simultaneo, cumpliendo las normas establecidas de acuerdo a ASTM E967 y ASTM E968. La muestra analizada
fue de 45 mg.
3. Resultados
La muestra de estudio para los ensayos físicos
consistió en un total de 24 unidades de ladrillos macizos. Asimismo, las
muestras destinadas a los ensayos mecánicos comprendieron un total de 48
unidades de ladrillos macizos. Todos los análisis se llevaron a cabo después de
28 días. Las dimensiones de
los especímenes fueron de 12 cm de ancho, 23 cm de largo y 9 cm de altura.
En la Figura 1 se
presenta el porcentaje de absorción a los 28 días de los ladrillos macizos,
calculado a partir de los datos de la masa del espécimen en estado seco y la
masa del espécimen saturado. La mezcla sin la adición de cenizas de la corteza
de Apacharama (CCA) mostró un porcentaje de absorción
de 22,80 ± 2,40 %, mientras que con un 5 % de adición fue de 32,52 ± 3,96 %.
Con un 7,5 %, se obtuvo un valor del 36,08 ± 0,79 %, y con un 10 %, el
porcentaje alcanzó 41,01 ± 3,94 %.
Es importante destacar que estos resultados superan los estándares
establecidos por la norma NTP E.070, que establece que el porcentaje de
absorción debe ser inferior al 22 %.
|
Tabla 1 Ensayo de alabeo para ladrillos macizo |
||||
|
ID |
Cara A (mm) |
Cara B (mm) |
||
|
Cóncavo |
Convexo |
Cóncavo |
Convexo |
|
|
M1 |
0,30 ± 0,20 |
0,10 ± 0,10 |
0,10 ± 0,10 |
0,10 ± 0,10 |
|
M2 |
0,13 ± 0,06 |
0,10 ± 0,10 |
0,23 ± 0,25 |
0,10 ± 0,10 |
|
M3 |
0,10 ± 0,10 |
0,10 ± 0,10 |
0,10 ± 0,10 |
0,10 ± 0,10 |
|
M4 |
0,10 ± 0,10 |
0,03 ± 0,06 |
0,10 ± 0,10 |
0,07 ± 0,12 |
|
Nota. M1: se refiere a la mezcla control sin
adición de cenizas de la corteza de Apacharama CCA
(0 %); M2, es la mezcla con 5 % de CCA; M3, con 7,5 % de CCA y M4 con 10 % de
CCA. |
||||
A continuación,
se presentan los resultados de la resistencia a la compresión axial por unidad
obtenidos de las pruebas de laboratorio a los 7, 14 y 28 días de curado. En la
Figura 2 se observa que el comportamiento de los datos fue aumentando con el
tiempo, revelando una mayor resistencia en la mezcla con la adición del 10 % de
CCA. A los 7 días, esta resistencia fue de 50,57 ± 0,54 %, seguida por 79,09 ±
0,44 % a los 14 días, y finalmente, a los 28 días, se alcanzó una resistencia
de 118,11 ± 0,89 %.
Estos datos,
expresados en Esfuerzo F'b, fueron los siguientes:
25,28 ± 0,27 Kg/cm2, 39,54 ± 0,22 Kg/cm2 y 59,06 ± 0,45
Kg/cm2, respectivamente. Se destaca, por lo tanto, un incremento de
la resistencia del 4,51 %, 9,98 % y 13,81 % a los 7 días; 4,96 %, 11,63 % y
16,34 % a los 14 días; y 5,09 %, 12,65 % y 17,57 % a los 28 días en comparación
con la mezcla estándar.
Relativamente,
la Figura 3 presenta una representación visual de los resultados obtenidos en
los análisis de compresión axial por pila a los 14 y 28 días. Se observa una
mejora significativa en la resistencia con la adición del 10 % de CCA, ya que
se registraron valores de 85,32 ± 0,91 % y 135,02 ± 0,91 % para los periodos de
14 y 28 días, respectivamente. Además, los resultados expresados en Esfuerzo F'b fueron de 29,86 ± 0,32 Kg/cm2 y 47,26 ± 0,67
Kg/cm2. Por ende, cabe destacar que se observa un aumento en la
resistencia del 8,90 %, 17,99 % y 26,38 % a los 14 días; y del 11,40 %, 22,26 %
y 32,54 % a los 28 días en comparación con la mezcla estándar sin CCA.
|
Figura 3 |
|||
|
|
|||
|
Resistencia a la compresión axial por pila |
Análogamente, la Figura 4 presenta los
resultados obtenidos de los análisis de compresión axial por murete a los 28
días de curado. Las resistencias fueron de 100,87 ± 0,25 %, 103,77 ± 0,47 %,
107,67 ± 0,76 % y 110,63 ± 0,45 % para los porcentajes de 0, 5, 7,5 y 10 %,
respectivamente. Además, la unidad expresada en Esfuerzo F'b
para la mezcla con la adición del 10 % de CCA fue de 57,67 ± 0,58 Kg/cm2.
Se observa, por lo tanto, un aumento en la resistencia del 2,90 %, 6,80 % y
9,77 % en comparación con la mezcla estándar.
|
Figura 4 |
|
|
|
Resistencia a la compresión axial por murete |
|
Figura 5 |
|||
|
|
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|
Resistencia a la compresión diagonal por murete |
En la Tabla 2 se presentan los resultados de
la composición química de la CCA, donde se observa una cantidad significativa
de óxido de calcio (CaO), dióxido de silicio (SiO2) y
trióxido de azufre (SO3). Esto sugiere la presencia de minerales ricos en estos
elementos.
|
Tabla 2 Composición química |
|||
|
N º |
Ensayo |
Resultado (%) |
|
|
1 |
Óxido de calcio (CaO) |
33,05 |
|
|
2 |
Dióxido de silicio (SiO2) |
10,92 |
|
|
3 |
Trióxido de azufre (SO3) |
15,63 |
|
|
4 |
Óxido de magnesio (MgO) |
12,41 |
|
|
5 |
Óxido de manganeso (MnO) |
9,04 |
|
|
6 |
Trióxido de aluminio (Al2O3) |
7,12 |
|
|
7 |
Pentóxido de fósforo (P2O5) |
6,74 |
|
|
8 |
Trióxido de hierro (Fe2O3) |
5,14 |
|
|
9 |
Óxido de bario (BaO) |
10,60 |
|
|
10 |
Óxido de zinc (ZnO) |
5,55 |
|
|
11 |
Óxido de cobre (CuO) |
0,63 |
|
|
12 |
Trióxido de cromo (Cr2O3) |
0,74 |
|
|
13 |
Otros |
6,21 |
|
|
Nota. Resultados de la
muestra del laboratorio. |
|||
4. Discusión
Según los análisis realizados sobre las
propiedades físicas mediante la adición de cenizas de la corteza de Apacharama (CCA), se observó que el porcentaje de absorción
a los 28 días de curado de los ladrillos macizos superó los límites
establecidos por la norma NTP E.070. Este hallazgo se relaciona con la
investigación de Carlos & Gonzales (2021),
quienes sugieren que la incorporación de PET no debería exceder el 3 % respecto
al peso del ladrillo artesanal. A pesar de esto, podría haber resultados
favorables en otros ensayos, como la resistencia a la compresión. Por otro lado, Gamonal (2023), al añadir
ceniza de bagazo de caña, obtuvo resultados positivos, posiblemente debido a
las distintas composiciones de los materiales utilizados.
Por otra parte, los ensayos de alabeo presentaron un comportamiento
favorable, aunque con pequeñas variaciones en los resultados. Sin embargo, la
totalidad de los valores cumplen con el máximo exigido por la Norma Técnica
Peruana NTP E.070. En contraste, Gamonal (2023) también encontró
comportamientos similares, ya que sus valores se encuentran dentro de los
límites establecidos por las normas técnicas nacionales. En esa misma línea, los autores Rodríguez & Salazar (2020),
quienes evaluaron la influencia de cenizas de cascarilla de arroz,
identificaron que la mayor deformación en el ensayo de alabeo a los 28 días
ocurrió en ladrillos con un 20 % de ceniza de cascarilla de arroz, logrando una
concavidad de 1,50 mm. Estos estudios se relacionan,
ya que la mayor proporción de la adición de CCA (10 %) influye favorablemente
tanto en las propiedades físicas como en las mecánicas.
En cuanto a las propiedades mecánicas, al evaluar el impacto de las
CCA en la resistencia a la compresión axial de ladrillos macizos, por unidad,
pila y murete, se observó un comportamiento análogo. En distintos diseños de
mezcla sometidos a ensayos, se evidenció que, a medida que el porcentaje de CCA
(10 %) aumenta, también lo hace la resistencia a la compresión axial
respectivamente para cada uno. Este patrón es similar al encontrado en el
estudio de Maza (2019), quien investigó el efecto de la incorporación de
diferentes residuos industriales como ceniza de bagazo de caña, ceniza volante
y humo de sílice. En su estudio, destacó que la adición de las cenizas por
separado tenía un impacto negativo; sin embargo, al combinar las tres cenizas,
se observó un incremento en los valores de la resistencia. Además, Castro & Morales (2017)
demostraron que, después de 28 días de curado, se mejoraron los resultados de
la resistencia a la compresión.
En relación con los ensayos de resistencia a la compresión diagonal
por murete, también se observaron mejores resultados al agregar el mayor
porcentaje del estudio, es decir, el 10 % de CCA. Esto se tradujo en una mejora
de 0,95 MPa con respecto al diseño estándar. Estos hallazgos se alinean con los
resultados obtenidos por Pérez (2021), quien incorporó cenizas de horno y
manejó porcentajes similares al estudio, específicamente 10 % y 20 %. En su
investigación, Pérez encontró resultados superiores en la resistencia a la
compresión tanto axial como diagonal en comparación con el diseño estándar. Es
importante destacar que, aunque estos resultados pueden tener un impacto
positivo en ciertos análisis mecánicos, podrían afectar negativamente otros
aspectos.
En relación con la composición química, la presencia de diversos
óxidos y compuestos proporciona información sobre la composición mineral de la
ceniza. La composición en términos de elementos como el óxido de calcio,
trióxido de azufre y el óxido de manganeso guarda similitudes con el estudio de
Pancca (2022), quien investigó la adición de cenizas
de bosta y también encontró resultados positivos en los análisis de
resistencia. La presencia de óxido de calcio podría haber influido en la
resistencia a la compresión, según sus hallazgos. Además, se podría inferir que
la presencia de CaO y dióxido de silicio sugiere la
posibilidad de aplicaciones en la industria de la construcción.
5. Conclusiones
Para
las propiedades físicas de las cenizas de la corteza de Apacharama
(CCA), se determinó que los valores del porcentaje de absorción resultaron por
encima de lo establecido por la norma NTP E.070. En cambio, las unidades del
alabeo estuvieron dentro de los límites permitidos por la Norma Técnica Peruana
NTP 400.012. Este hallazgo sugiere la necesidad de equilibrar cuidadosamente
los porcentajes de adición para futuras investigaciones, con la finalidad de
optimizar las propiedades sin comprometer otras características, como la
absorción.
En cuanto a las propiedades mecánicas, se observó
una tendencia a mejorar la resistencia a la compresión axial por unidad, pila y
murete al incrementar el porcentaje de adición de CCA. El mejor resultado se
obtuvo con un 10 % de CCA, mostrando un aumento en la resistencia de compresión
axial por unidad del 17,57 %, por pila del 32,56 % y por murete del 9,77 % con
respecto al diseño patrón a los 28 días de curado. Asimismo, la resistencia a
la compresión diagonal por murete se vio positivamente influenciada por la
adición del 10 % de CCA, con un incremento de 0,95 MPa en comparación con la
mezcla patrón.
La
presencia de compuestos como el óxido de calcio, trióxido de azufre y dióxido
de silicio probablemente influyó en la reacción química y la formación de fases
minerales en la mezcla, contribuyendo positivamente a las propiedades del
ladrillo macizo. Aunque se destaca la influencia positiva, se subraya la
necesidad de investigaciones adicionales para comprender completamente los
efectos de la CCA en diversas propiedades y optimizar su aplicación en la
producción de materiales de construcción más eficientes y respetuosos con el
medio ambiente.
6. Referencias Bibliográficas
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