Evaluación de la factibilidad de uso de arcillas provenientes de excavación de Bogotá, como material cementante suplementario (MCS) y su influencia en mezclas de concreto
dc.contributor.advisor | Pineda Jaimes , Jorge Arturo | |
dc.contributor.author | Parada Bonilla , Walter Alonso | |
dc.contributor.orcid | Pineda Jaimes , Jorge Arturo [0000-0002-0953-9745] | |
dc.date.accessioned | 2025-04-04T18:50:00Z | |
dc.date.available | 2025-04-04T18:50:00Z | |
dc.date.created | 2025-03-07 | |
dc.description | La investigación aborda la problemática de los residuos finos de excavación en la industria de la construcción en Bogotá capital de Colombia, proponiendo su aprovechamiento como material cementante suplementario a través de su transformación con un tratamiento térmico, para ofrecer una alternativa sostenible y eco amigable en el sector. Partimos del reconocimiento de que la gestión inadecuada de estos residuos genera impactos ambientales significativos, lo que hace necesario explorar nuevas estrategias para su tratamiento y reutilización. El proyecto se desarrollo a partir de cuatro fases; I - Revisión bibliográfica, II – Caracterización inicial de las muestras, III – Activación térmica y análisis de propiedades mecánicas/puzolánicas y IV – Evaluación en mezcla de concreto vs otras adiciones. En la fase II, se caracterizaron 115 muestras de suelos finos de excavación mediante los ensayos de límite líquido de los suelos INV E-125-13, Límite plástico e índice de plasticidad de suelos INV E 126-13 y Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos INV E 12313 y Determinación de la humedad natural de los suelos INV E-122-13, tomadas de la escombrera Tunjuelo y Fiscala de Bogotá, Colombia. Se realizó un censo de materiales que ingresan a las escombreras por una semana y se graficaron las muestras con los resultados de los ensayos en un mapa de geolocalización con QGIS con su imagen adjunta según las clasificaciones de suelos, Sistema unificado de clasificación de suelos (USCS) por sus siglas en inglés y la AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Se tomaron 15 muestras de residuos finos de excavación, para lo cual se caracterizaron estas muestras de arcillas y se organizaron los datos a través de la clasificación USCS para lograr un mejor análisis de los resultados, se calcinaron las 15 muestras a 850°C con un tiempo de residencia de 3 horas, caracterizándose tanto calcinadas y sin calcinar química, física y mineralógicamente con 8 parámetros de entrada Curva granulométrica Laser Below (45) μm (%), Fluidez del mortero (mm), Peso específico (Densidad) g/cm³, Pérdida por Fuego % Inquemado 950°C, Análisis químico por fluorescencia RX (SiO2 %, Al2O3 %, Fe2O3 %, CaO %, MgO %, SO3 %, Na2O %, K2O %) Difracción Amorfos, Ensayo para determinar la finura del cemento por medio de la permeabilidad al aire según la NTC 33 y dos variables de salida (% Resistencia a la compresión 1,3,7,28, días según la NTC 220 e índice de actividad puzolánica método Zampieri 1,3,7,28, días). Se cálculo el contenido de cuarzo libre (%) a través de redes neuronales convolucionales con una base de datos de más de 750 arcillas de la zona, en donde se determinó que solo 2 muestras oscilan entre el 10% de cuarzo libre y son de alto interés, podrían generar un material de alta actividad puzolánica, 5 muestras están entre el 10% y 30% las cuales resultan de interés para la adición a concretos o como aditivo para cemento después de una correcta calcinación y 8 muestras que contienen una cantidad de cuarzo libre no deseable (arena fina), estás muestras se mezclaron con otros materiales y después de calcinaron, con el fin de reducir las afectaciones directas sobre las propiedades físicas. Además, se calcularon el contenido de material orgánico donde 5 muestras oscilan entre 0% y 3% y 10 muestras oscilan entre 4% y 24% lo cual define que este tipo de residuos tiene contenidos muy altos de material orgánico, esto nos permite estandarizar este proceso de selección en que Residuos finos de Excavación de más de 10% de materia orgánica es necesario mezclarlos con otros materiales que disminuyan este % debido a que se observó que estos materiales al calcinarse liberan gases como dióxido de carbono (CO₂), además que influye en la temperatura del horno, el color, la reactividad y eficiencia en procesos de calcinación. La actividad puzolánica se evaluó a través del método Zampieri midiendo la capacidad de las puzolanas para reaccionar con hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) en presencia de agua, se realizaron tanto a las muestras calcinadas y sin calcinar, realizando 12 cubos por ensayo fallándose a 1,3,7 y 28 días (3 réplicas por día) en total fueron 360 cubos, mezclados al 66.6% de adición y 33.3% de cal hidratada, se evalúo la fluidez de cada mezcla, posteriormente se secaron a una temperatura de 60°c ±5° durante el tiempo de fallado. En los resultados se observa una variabilidad significativa en las muestras sin calcinar e incluso la mayoría al primer día no fraguó, presentando valores después de 7 a 28 días, los resultados fueron bajos en comparación al control, determinando que las arcillas en su estado natural tienen una capacidad limitada para reaccionar con hidróxido de calcio y formar compuestos cementantes, en las muestras calcinadas todas muestran un aumento significativo en la puzolanicidad con valores importantes incluso al primer día de fallado, su desarrollo en resistencia es significativo a 1, 3, 7 y 28 días, en la mayoría de los casos, determinando que la calcinación a esta temperatura mejora la reactividad puzolánica del grupo de arcillas, teniendo en cuenta que las muestras con mayor cantidad de SiO2 y cuarzo libre son aquellas que tienen menores valores en la variable de puzolanicidad. El porcentaje (%) de puzolanicidad se determinó con el ensayo de resistencia a la compresión según la norma NTC 220 con una proporción de 70% cemento FID(Fibrocemento) y 30% adición (Muestras calcinadas y sin calcinar) realizando 12 cubos por ensayo fallándose a 1,3,7 y 28 días (3 réplicas por día de fallado) en total fueron 720 cubos teniendo en cuenta el patrón de las muestras se realizaba en conjunto con la muestra de la adición. El % de puzolanicidad se comparó según la ASTM C618 como una puzolana artificial en donde debe cumplir el SAI más del 75% en donde la mayoría de las muestras calcinadas están por encima de este valor, solo 1 muestra estuvo en 70% por lo cual el 93.3% de las muestras cumplieron con la resistencia a la compresión y el 46,6% de las muestras están por encima de 100% comparadas con el patrón. De entrada, los materiales sin calcinar quedan descartados pues deterioran de manera importante el desempeño del concreto. En cuanto a la activación mecánica método molienda, proceso que aumenta la actividad puzolánica, se realizó un bloqueo en donde las muestras debían cumplir una Curva granulométrica Laser Below (45) μm (97%), en donde se observó que las muestras sin calcinar presentan tiempos que varían más significativamente entre 30 min y 45 min y en las muestras calcinadas el tiempo de molienda es menor sugiriendo que el proceso de calcinación facilita el proceso de molienda debido a que este tratamiento los vuelve más duros, reduce significativamente la plasticidad y genera deshidroxilación en los materiales, lo cual es importante debido a que a nivel industrial se busca optimizar el tiempo y el costo energético, de igual manera se concluye que los materiales tienen una finura correcta y es una opción de aumentar la reactividad sin modificar el tratamiento térmico sino a través del aumento de la finura del material. En cuanto a las variables de composición mineralógica se realizó un exhaustivo análisis tanto de los DRX como de los FRX, cruzando la información se determinó los resultados de fases amorfos varía desde 11,79% hasta 23,79% de las muestras analizadas el 26.6% están por encima del 20% de fase amorfa, en la correlación realizada del % de fase amorfa y % de puzolanicidad se determinó que . Se analizó % compuestos de arcillas en donde se determinó que varía desde un 6,99% hasta un 24,4% indicando que existe una diferencia significativa en la cantidad de minerales arcillosos presentes en las muestras de residuos. es posible realizar un diseño de explotación de tal manera que se pueda garantizar una buena mezcla de materiales. En la fase experimental III se realizó la comparación de los residuos finos de excavación calcinados frente a 4 adiciones más relevantes del mercado en una mezcla de concreto al 10% de sustitución con respecto al peso del cemento y conservando el mismo diseño y materiales para todas las adiciones. En cuanto al ensayo de asentamiento Inicial NTC 396 en comparación con el patrón se obtuvo una pérdida de 2cm, sin embargo, en manejabilidad normalizada permanece en 90%, en el ensayo de resistencia a la compresión NTC 673 a 1D (50%), 3D (100%), 7D (94%) y 28D (93%), en cuanto al ensayo de contenido de aire ASTM 237 tuvo resultado 3.8% siendo el valor más alto. En cuanto a la densidad se observó la más baja de todas las adiciones con 2283 (kg/m3) Esta variable del % de aire y la de densidad influyó en la Resistencia a la compresión, el resultado del ensayo de la permeabilidad al agua a los 56 días según la NTC 4483 fue de 29.8 valor muy cercano al patrón que fue 31.2, en cuanto al ensayo de calorimetría ASTM 403, la mayoría de las muestras alcanzan su pico de temperatura a los 720 min (12 h), la Adición de RFE Calcinada presenta el pico de temperatura más alto, indica mayor liberación de calor durante la hidratación, influyendo en el desarrollo de resistencias tempranas e implicar riesgos de fisuración. Ensayo de Permeabilidad Rápida al Cloruro (RCPT) El RFE da 3549 Coulomb a 62 días tiene la mayor permeabilidad a los cloruros, siendo el concreto más susceptible a la penetración de cloruros lo que podría reducir su durabilidad en ambientes donde existe la corrosión de las armaduras. | |
dc.description.abstract | This research addresses the problem of fine excavation waste in the construction industry in Bogotá, capital of Colombia, proposing its use as a supplementary cementitious material through its transformation with a thermal treatment, in order to offer a sustainable and eco-friendly alternative in the sector. We start from the recognition that the inadequate management of these wastes generates significant environmental impacts, which makes it necessary to explore new strategies for their treatment and reuse. In experimental phase I, 115 samples of fine excavation soils were initially characterized by means of tests of liquid limit of soils INV E-125-13, plastic limit and plasticity index of soils INV E 126-13 and determination of particle sizes of soils INV E 123-13 and determination of natural moisture of soils INV E-122-13, taken from the Tunjuelo and Fiscala dump in Bogota, Colombia. A census of materials entering the dumps was carried out for one week and the samples were plotted with the test results on a geolocation map with QGIS with its attached image according to the soil classifications, Unified Soil Classification System (SUCS) and AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). In experimental phase II, 15 samples of fine excavation waste were taken taking into account the census carried out, these soil samples were characterized and the data were organized through the USC classification to achieve a better analysis of the results, the 15 samples were calcined at 850°C with a residence time of 3 hours, being characterized both calcined and uncalcined chemically, physically and mineralogically with 8 input parameters Granulometric curve Laser Below (45) μm (%), Fluidity of the mortar (mm), Specific gravity (Density) g/cm³, Loss on Fire % Burnt 950°C, Chemical analysis by RX fluorescence (SiO2 %, Al2O3 %, Fe2O3 %, CaO %, MgO %, SO3 %, Na2O %, K2O %) Amorphous Diffraction, Test to determine the fineness of cement by means of air permeability according to NTC 33 and two output variables (% compressive strength 1,3,7,28, days according to NTC 220 and pozzolanic activity index Zampieri method 1,3,7,28, days). The experimental design is 1 factor (temperature) with 2 levels in a randomized complete block design without replication, where the results showed significant effects with a confidence level of 95%. The free quartz content (%) was calculated through convolutional neural networks with a database of more than 750 clays in the area, where it was determined that only 2 samples range between 10% of free quartz and are of high interest, they could generate a material of high pozzolanic activity, 5 samples are between 10% and 30%, which are of interest for addition to concrete or as an additive for cement after a correct calcination and 8 samples that contain an undesirable amount of free quartz (fine sand), the option to use them as MCS would be to mix them before calcination with other materials that reduce this property, because it is an inert contaminant in terms of its functions within the cementitious matrix. In addition, the content of organic material was calculated where 5 samples ranged between 0% and 3% and 10 samples ranged between 4% and 24%, which defines that this type of waste has very high contents of organic material, this allows us to standardize this selection process in which Fine Excavation Waste of more than 10% of organic matter is necessary to mix them with other materials that decrease this % because it was observed that these materials when calcined release gases such as carbon dioxide (CO₂), in addition that it influences the kiln temperature, color, reactivity and efficiency in calcination processes. The pozzolanic activity was evaluated through the Zampieri method by measuring the ability of pozzolans to react with calcium hydroxide (Ca(OH)₂) in the presence of water, both calcined and uncalcined samples were tested, making 12 cubes per test failing at 1,3,7 and 28 days (3 replicates per day) in total were 360 cubes, mixed to 66. The fluidity was evaluated and the cubes were submerged at 60°c ±5° during the failure time. The results show a significant variability in the uncalcined samples and even most of them did not set on the 1st day, presenting values after 7 to 28 days, being moderate low results, determining that clays in their natural state have a limited capacity to react with calcium hydroxide and form cementitious compounds, in the calcined samples all show a significant increase in pozzolanicity with important values even on the first day of failure, its development in resistance is significant at 1,3,7 and 28 days, in most cases, determining that calcination at this temperature improves the pozzolanic reactivity of this fine excavation residue, taking into account that the samples with greater amount of SiO2 and free quartz are those that give lower pozzolanicity values. The % of pozzolanicity was determined with the compressive strength test according to NTC 220 with a proportion of 70% FID cement (fiber cement) and 30% addition (calcined and uncalcined samples) with 12 cubes per test, failing at 1, 3, 7 and 28 days (3 replicates per day of failure), a total of 720 cubes, taking into account that the pattern of the samples was carried out together with the addition sample. The pozzolanicity % was compared according to ASTM C618 as an artificial pozzolan where it must meet the SAI more than 75% where most of the calcined samples are above this value, only 1 sample was at 70% so 93.3% of the samples met the compressive strength and 46.6% of the samples are above 100% compared to the standard. Uncalcined materials are discarded as they significantly deteriorate the performance of the concrete. Regarding the mechanical activation by grinding method, a process that increases the pozzolanic activity, a blocking was carried out where the samples had to comply with a Laser Below (45) μm (97%) granulometric curve, where it was observed that the uncalcined samples present times that vary more significantly between 30 min and 45 min and in the calcined samples the grinding time is less, suggesting that the calcination process facilitates the grinding process because this treatment makes them harder, It significantly reduces plasticity and generates dehydroxylation in the materials, which is important due to the fact that at industrial level it is sought to optimize time and energy cost, in the same way it is concluded that the materials have a correct fineness and it is an option to increase the reactivity without modifying the thermal treatment but through the increase of the fineness of the material. Regarding the mineralogical composition variables, an exhaustive analysis of both XRD and XRF was carried out, crossing the information, it was determined that the results of amorphous phases vary from 11.79% to 23.79% of the samples analyzed, 26.6% are above 20% amorphous phase, in the correlation of the % of amorphous phase and % of pozzolanicity it was determined that . The % of clay compounds was analyzed, where it was determined that it varies from 6.99% to 24.4%, indicating that there is a significant difference in the amount of clay minerals present in the waste samples. it is possible to make a mining design in such a way that a good mix of materials can be guaranteed. In experimental phase III, the comparison of fine calcined excavation waste was carried out against 4 most relevant additions on the market in a concrete mixture at 10% substitution with respect to the weight of cement and maintaining the same design and materials for all the additions.Regarding the NTC 396 Initial settlement test, in comparison with the pattern, a loss of 2cm was obtained, however, in normalized workability it remains at 90%, in the NTC 673 compression resistance test at 1D (50%), 3D ( 100%), 7D (94%) and 28D (93%), as for the ASTM 237 air content test, the result was 3.8%, being the highest value. Regarding the density, the lowest of all the additions was observed with 2283 (kg/m3). This variable of % air and density influenced the compressive strength, the result of the water permeability test at the 56 days according to NTC 4483 was 29.8, a value very close to the standard which was 31.2, as for the ASTM 403 calorimetry test, most of the samples reach their peak temperature at 720 min (12 h), the Addition of RFE Calcined has the highest temperature peak, indicating greater heat release during hydration, influencing the development of early resistance and implying risks of cracking. Rapid Chloride Permeability Test (RCPT) The RFE gives 3549 Coulombs at 62 days and has the highest permeability to chlorides, with concrete being more susceptible to chloride penetration, which could reduce its durability in environments where reinforcement corrosion exists. | |
dc.description.sponsorship | Cemex Colombia S.A. | |
dc.format.mimetype | ||
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11349/94659 | |
dc.language.iso | spa | |
dc.publisher | Universidad Francisco Jose de Caldas | |
dc.rights.acceso | Restringido (Solo Referencia) | |
dc.rights.accessrights | RestrictedAccess | |
dc.subject | Método Zampieri | |
dc.subject | Resistencia a la compresión | |
dc.subject | Peso específico | |
dc.subject | Pérdida por fuego | |
dc.subject | Análisis químico por fluorescencia RX | |
dc.subject | Difracción amorfos | |
dc.subject | Indice de actividad puzolánica | |
dc.subject.keyword | Zampieri method | |
dc.subject.keyword | Compressive strength | |
dc.subject.keyword | Specific gravity | |
dc.subject.keyword | Loss on fire | |
dc.subject.keyword | Chemical analysis by RX fluorescence | |
dc.subject.keyword | Amorphous diffraction. | |
dc.title | Evaluación de la factibilidad de uso de arcillas provenientes de excavación de Bogotá, como material cementante suplementario (MCS) y su influencia en mezclas de concreto | |
dc.title.titleenglish | Evaluation of the feasibility of using clays from excavations in Bogota as supplementary cementitious material (SCM) and its influence on concrete mixes | |
dc.type | masterThesis | |
dc.type.coar | http://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f | |
dc.type.degree | Investigación-Innovación | |
dc.type.driver | info:eu-repo/semantics/bachelorThesis |
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