estudio técnico económico de la fabricación de bloques de

Facultad de Ingeniería

Trabajo de Investigación

“Estudio técnico económico de la

fabricación de bloques de concreto

incorporando ceniza de cáscara de arroz”

Autor:

Roxana Ccopa Quispe - 1512601

Para obtener el Grado de Bachiller en:

Ingeniería Industrial

Arequipa, Octubre del 2019

i

RESUMEN

En el presente trabajo se muestra el estudio técnico, económico de la fabricación de

bloques de concreto incorporando ceniza de cascara de arroz. La combustión de la cascara

de arroz proveniente de Camaná, se trabajó en las instalaciones del Instituto Politécnico

Rafael Santiago Loayza Guevara haciendo uso un horno semi-industrial. En el laboratorio

RCF SRL se hizo las pruebas de los agregados (granulometría, porcentaje de absorción

de agua) y la fabricación de las probetas normales y las de 5%, 10% y 15% añadiendo

ceniza de cascara de arroz en base al cemento, posterior a ello se puso a prueba las

siguientes propiedades resistencia a la comprensión y la resistencia a la tracción indirecta

trabajando ambas propiedades en un tiempo de curado de 7, 14 y 28 días. Al finalizar la

parte experimental se evaluó los costos de fabricación de cada tipo de probeta elaborada.

Los resultados indican que con 5% de sustitución de ceniza de cascara de arroz en base

al cemento, mejora las propiedades de resistencia a la tracción indirecta con un 2.38% y

además se tiene un ahorro económico de S/. 0.2077.

ii

INDICE

RESUMEN .............................................................................................................................. i

INDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... iv

INDICE DE TABLAS ............................................................................................................. v

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. vi

CAPITULO 1 ......................................................................................................................... 1

GENERALIDADES .................................................................................................................... 1

1.1. Planteamiento del Problema .................................................................................. 1

1.2. Objetivos ..................................................................................................................... 2

1.3. Alcances y Limitaciones ......................................................................................... 2

CAPÌTULO 2 ......................................................................................................................... 4

FUNDAMENTACION TEORICA .............................................................................................. 4

2.1. Cáscara de arroz ....................................................................................................... 4

2.2. Ceniza de la cáscara de arroz ................................................................................ 5

2.3. Combustión ................................................................................................................ 6

2.4. Proceso de obtención de la ceniza de la cascara de arroz ............................ 6

2.5. Bloques ....................................................................................................................... 7

2.6. Concreto ..................................................................................................................... 7

2.7. Materiales para la fabricación del bloque de concreto ................................... 8

2.8. Proceso de fabricación del bloque de concreto ............................................... 9

CAPITULO 3 ....................................................................................................................... 11

ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................... 11

3.1. Ámbito internacional ............................................................................................. 11

3.2. Ámbito nacional ...................................................................................................... 11

3.3. Ámbito local ............................................................................................................. 13

CAPITULO 4 ....................................................................................................................... 15

METODOLOGIA....................................................................................................................... 15

4.1. Sujeto......................................................................................................................... 15

4.2. Técnicas .................................................................................................................... 15

4.3. Instrumentos ............................................................................................................ 16

4.4. Operacionalización de variables ......................................................................... 18

CAPITULO 5 ....................................................................................................................... 19

PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................... 19

5.1. Análisis técnico ........................................................................................................... 19

5.2. Análisis Económico ................................................................................................... 26

5.3. Discusión de resultados e interpretación ............................................................. 27

iii

CONCLUSIONES ................................................................................................................ 29

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 30

ANEXOS .............................................................................................................................. 31

Referencias Bibliográficas ............................................................................................... 40

iv

INDICE DE FIGURAS

Figura 1: Estructura química de la ceniza de cascara de arroz ..................................... 5 Figura 2: Horno semi- industrial del Politécnico Rafael Santiago Loayza ................. 16 Figura 3: Herramientas para la elaboración de probetas ............................................. 17

v

INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Operacionalización de variables ...................................................................... 18 Tabla 2: Resultados del retenido (Tamiz) ....................................................................... 19 Tabla 3: Propiedades de la piedra 3/4 ............................................................................. 20 Tabla 4: Resultados del retenido (Tamiz) ....................................................................... 20 Tabla 5: Propiedades de la arena de concreto .............................................................. 20 Tabla 6: Dosificación para una probeta con una resistencia Normal ......................... 21 Tabla 7: Dosificación para una probeta con sustitución del 5% de CCA respecto al cemento .............................................................................................................................. 21 Tabla 8: Dosificación para 3 probetas con sustitución del 10% de CCA respecto al cemento .............................................................................................................................. 21 Tabla 9: Dosificación para 3 probetas con sustitución del 15% de CCA respecto al cemento .............................................................................................................................. 22 Tabla 10: Cantidad de agua añadida para la elaboración de las probetas ................ 22 Tabla 11: Resistencia y carga de cada probeta a los 7 d curado ................................ 23 Tabla 12: Resistencia y carga de cada probeta a los 14 d curado .............................. 23 Tabla 13: Resistencia y carga de cada probeta a los 28 d curado .............................. 23 Tabla 14: Resistencia de tracción y carga de cada probeta a los 7 d curado ........... 24 Tabla 15: Resultados de la tracción indirecta a los 14 días ......................................... 24 Tabla 16: Resultados de la tracción indirecta a los 28 días ......................................... 24 Tabla 17: Cuadro resumen de las resistencias de comprensión ................................ 25 Tabla 18: Grafico de los resultados finales de la resistencia a la comprensión ....... 25 Tabla 19: Cuadro resumen de las resistencias de tracción indirecta ......................... 25 Tabla 20: Grafico de los resultados finales de la resistencia a la Tracción Indirecta ............................................................................................................................................. 26 Tabla 21: Costos de la ceniza .......................................................................................... 26 Tabla 22: Costo de producción para 3 probetas ........................................................... 26 Tabla 23: Costo de producción para 3 probetas (5%)................................................... 27 Tabla 24: Tabla 25: Costo de producción para 3 probetas (10%) ................................ 27 Tabla 25: Costo de producción para 3 probetas (15%)................................................. 27

vi

INTRODUCCIÓN

Es importante aludir que en el Perú principalmente en la producción agrícola es el arroz;

esta industria de arroz en el 2018 produjo 379 mil 659 toneladas eso significa un incremento

del 55,6% al relacionarlo con el 2017 [1], este incremento de producción paralelamente

genera un aumento significativo de los desperdicios que produce al pasar por el proceso

de pilado, los cuales son el polvo blanco y la cascara; así mismo sabemos que la cáscara

de arroz tiene un peso voluminoso es por ello que la mayoría de agricultores normalmente

la queman para reducirlo, sin tener conocimiento de los efectos negativos que producen al

medio ambiente y de las aplicaciones que tiene este desecho.

Por estas razones pretendemos utilizar la cáscara de arroz en el rubro de la construcción,

donde el cemento es el material fundamental para que el bloque obtenga una mejor

resistencia y es en este material donde pensamos suplir un % de ceniza en reemplazo a

este insumo; pues la ceniza obtenida contiene un alto grado de Sílice, asimismo mejora las

propiedades del bloque como adición puzolánica [2]

1

CAPITULO 1

GENERALIDADES

1.1. Planteamiento del Problema

En el Perú el índice de consumo interno del cemento se ha incrementado en un 5,25%

en el 2018 [3]; esto tienen dos efectos importantes: el aumento del costo de

construcción y el impacto en el medio ambiente.

Uno de los caminos explorados en la reducción de costos de fabricación de bloques

de concretos es el uso de cáscara de arroz lo cual se ha verificado no reduce sus

características mecánicas lo que desarrollamos más adelante.

Arequipa tiene un 14.2 % de la producción nacional y es una de las regiones con mayor

cantidad de molinos [4]. Se tiene que anualmente Arequipa produce 281393

Toneladas, entonces si el 18% de peso de la producción de arroz es de cáscara, se

tendría 50650.74 Ton de cascara [4]. [5], datos que demuestran su disponibilidad.

Actualmente este deshecho es usado como cama en la avicultura, producción de

aglomerado, generación de energía; y es quemado incontroladamente para ser usado

como ceniza para tierra, esto indicaría que no se tiene un control ni uso adecuado de

este desecho.

Por lo tanto, si utilizamos la ceniza de cáscara de arroz como un insumo con la finalidad

de reducir la cantidad de cemento requerido, estaremos mejorando los costos de

2

producción por lo que queremos en este trabajo investigar sobre las características

técnicas resultantes de efectuar esta variación en la fabricación de bloques de

concreto.

1.1.1. Formulación del problema

¿Al adicionar cáscara de arroz en el proceso de fabricación de bloques de

concreto, se obtienen características técnicas aceptables y se reducen los

costos?

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo general

Determinar las características técnicas, económicas de la producción de bloques

de concreto incorporando ceniza de cáscara de arroz.

1.2.2. Objetivos específicos

Determinar el proceso de elaboración de bloque incorporando ceniza de

cáscara de arroz.

Establecer cada dosificación apropiada para la fabricación de bloques.

Realizar pruebas en estado endurecido para determinar sus propiedades

físicas

Determinar los costos de obtención de los bloques de cada tipo.

1.3. Alcances y Limitaciones

Alcances

Laboratorios RCF S.R.L. para realizar la elaboración y pruebas correspondientes

de las probetas.

Información actualizada de la web que me permita ordenar la información según a

mi tema.

Limitaciones

3

Las limitaciones identificadas del proyecto son:

Tiempo limitado de la realización del proyecto.

Por la complejidad de una combustión en altas temperaturas, se reemplazara este

proceso por una quema simple.

Otra limitación de este estudio está la de no tomar en cuenta ni analizar lo que

podría ser un proceso de industrialización para fabricar bloques

4

CAPÌTULO 2

FUNDAMENTACION TEORICA

2.1. Cáscara de arroz

El arroz es un vegetal que está compuesto por un alto índice de Sílice [6]. Además por

ser una planta muy celulosa y con Sílice le permiten actuar como combustible. Antes

de obtener el arroz pasa por un molino y en nuestro país y región es de gran

abundancia, en los molinos se realiza el pilado de tal forma que genera cascara de

arroz (subproducto). Este subproducto del arroz que brinda propiedades favorables

para ser usado como sustrato hidropónico y una de sus notables características es que

constan con el poder calorífico [7] [8]. La cáscara cuando se encuentra en estado

natural puede generar inconvenientes al fraguar el concreto pero la resistencia estará

presente por ser un componente orgánico [9]

La cáscara no es apto para su consumo por que contiene Dióxido de Silicio, debido a

ello es que lo utilizan como combustible e incluso lo trabajan como abono pues por ser

un vegetal con alto contenido de Sílice [10]. En la ilustración 1, podemos ver que está

constituida en mayor proporción por carbono, hidrogeno, nitrógeno y cenizas.

5

2.2. Ceniza de la cáscara de arroz

Al combustionar la cáscara se genera una variedad de óxidos, dentro de los que se

destaca el dióxido de silicio en una proporción del 98 % [11]. Por ser un desperdicio

producido en todo el mundo ya que es un alimento básico y la acumulación de este

genera impacto negativo al medio ambiente, hasta la actualidad no existe una

aplicación estándar que se le puede dar [12]. Así mismo la ceniza contiene sílice que

le da propiedades Puzolanas y que puede ser aprovechado en el rubro de la

construcción [13].

Para usar en el rubro de la construcción se debe someter a calcinación a 400 y 800ºC

aproximadamente, también se debe tener en cuenta que a mayor temperatura la sílice

presentará una fase de cristalización la cual no reaccionará fácilmente donde se

lograra tener ceniza rica en Sílice [9]. El proceso de calcinación también genera una

fuente de energía, ya que durante una quema controlada el contenido de celulosa y

lignina producen un impacto ambiental muy bajo, de igual forma, la contaminación se

produce al no almacenar o dar un buen uso a la Ceniza obtenida [9]. En las

ilustraciones 1 y 2, podemos observar la estructura de la ceniza y se puede corroborar

el gran contenido de Sílice.

1.3.1. Estructura química de la ceniza de cáscara de arroz

Fuente 1: Varón CJ. El Hombre y la Máquina 2005

Figura 1: Estructura química de la ceniza de cascara de arroz

6

1.3.2. Sílice de la ceniza de cáscara de arroz

El Sílice que abarca la ceniza de cáscara de arroz es conocido desde 1938. Así

mismo en 1934 estudios realizados por científicos de Japón analizaron los

beneficios que producía el uso del sílice en el crecimiento de las plantas de arroz

[14]. Se puede afirmar que el Sílice no solo se presenta en la cáscara ya que se

puede encontrar este componente en la raíz, tallo y hojas; el porcentaje de Sílice

en estas partes de la planta puede variar del 2 al 13 % aproximadamente [15].

Como ya se mencionó anteriormente la ceniza está compuesta en gran cantidad

por Sílice, el porcentaje puede oscilar entre 87-97% y el resto de componentes

seria de óxidos y sales inorgánicas [16].

2.3. Combustión

La combustión es el proceso de someter una materia al calor, en este proceso puede

intervenir los siguientes aspectos: la composición ya sea combustible o comburente

(gas), la temperatura a la que es sometida la materia, el tipo de presión, la velocidad a

la que se desea calcinar y si se usa catalizadores que permitan tener una combustión

controlada [17].

Existe dos formas en las cuales se puede realizar este proceso de forma controlada y

son las siguientes: Realizar una combustión en régimen discontinuo en este caso se

puede usar motores y si se desea quemar considerable materia pasaría a ser una

quema incontrolada; el otro tipo es la combustión en régimen estacionario, donde se

hace uso de velas, mecheros o lechos fluid izados este tipo de combustión también es

conocido como el método rustico [17].

2.4. Proceso de obtención de la ceniza de la cascara de arroz

Combustión: este proceso produce ceniza rica en Sílice donde muchas veces es

comercializado rústicamente para los agricultores [18]. Se debe tener en cuenta que si

se realiza este proceso de manera directa puede generar algunas deficiencias en

7

cuanto a su composición requerida [19], es por ello que se debe tomar en cuenta la

temperatura, tiempo y tipo de la combustión.

Normalmente se realiza este proceso a una temperatura de 400° y 600°C, con el fin de

combustionar totalmente la masa, a la vez me permita mantener el estado amorfo que

se requiere para la utilización en la producción de concretos [13]. Por consiguiente la

temperatura no es el único factor, pues se debe tener en cuenta el tiempo que se quiere

someter en combustión [20].

Molienda: En esta etapa la ceniza pasa por un molino donde se reduce su tamaño

hasta obtener la finura requerida, para observar la calidad de esta sustancia se procede

a realizar el proceso de tamizado donde se requiere que pase el tamiz #80 por un

tiempo de media hora [19].

2.5. Bloques

Los bloques son componentes que se utilizan en el mundo de la construcción, estos

pueden ser de mortero o concreto, además se puede comercializar en distintas formas.

Los materiales usados para su producción son los agregados (grueso, fino), cemento,

agua y algunos acelerantes [21].

2.6. Concreto

El concreto es la preparación de mezcla con cemento, arena de concreto, piedra

chancada y agua, y que al estar en estado fresco puede ser trabajable, posterior a ello

va endureciendo de acuerdo a las proporciones de cemento añadido, al tiempo de

curado y las condiciones en la que está expuesto el concreto (temperatura, humedad)

[22].

Propiedades del concreto fresco:

8

Trabajabilidad: Es el esfuerzo que se le da a la mezcla al momento de preparar y

vaciar. Se puede calibrar y medir por la prueba del slump, aquí se ve la relación de

agua y cemento.

Segregación: Ocurre cuando el cascajo se libera del resto de materiales.

Exudación: Es la acción del agua para ascender a la parte externa del concreto,

esto puede ser perjudicial pues puede producir posteriores rajaduras.

Propiedades del concreto:

Resistencia a la comprensión: Es una de las propiedades de mayor envergadura

en el rubro de la construcción. Aquí se determina la capacidad que puede resistir

el concreto, Este propiedad es evaluado en una maquina universal donde se le

aplica cargas, después de haber pasado 28 días de curado. Para evaluar esta

propiedad se tiene en cuenta la siguiente norma ASTM C39.

Resistencia a la tracción indirecta: Conocido también como el ensayo diametral,

Para realizar este ensayo se utiliza una maquina universal donde se evalúa la

tracción del concreto (de forma diametral). Esta propiedad trabaja bajo la norma

ASTM C39.

2.7. Materiales para la fabricación del bloque de concreto

El método ACI es un método que permite encontrar la dosificación que requiere la

mezcla; consiste en evaluar y proporcionar cada material requerido para la mezcla y

que tenga la trabajabilidad requerida [23], estos materiales son:

Cemento: El cemento es una conglomeración hidráulica, que al ser preparado con

agua y agregados que se endurece a medida que va pasando el tiempo de curado

debido a una reacción de hidrólisis e hidratación [24]. No obstante, el cemento

generalmente utilizado en el rubro de la construcción consiguiendo piezas requeridas

[25]. Normalmente se hace uso del cemento portland Tipo I, ya que debe satisfacer las

9

normas ICOTEC, sin embargo no solo se puede usar este tipo, ya que en la actualidad

existe una diversidad de cementos para cada tipo de estructura [26].

Agregado Fino: Es conocido también como arena, este material le da la consistencia

y adherencia al concreto [27]. Este agregado es empleado mayormente para el

revestimiento de una estructura, básicamente par cuando se requiere de un buen

acabado en la construcción, en el mercado podemos encontrarlo de distintas finuras

[28].

Agregado Grueso: es aquel material que aporta resistencia al concreto normalmente

es obtenido por la trituración de rocas de rio, es usado para vaciado de concreto en

estructuras que requieran mayor resistencia.

Agua: Componente de la mezcla que facilita la manejabilidad del concreto, el fraguado

y la dureza para formar un sólido [29]. Las aguas aptas son agua potable, agua

recuperada de procesos de la industria del hormigón, aguas procedentes de fuentes

subterráneas, agua de lluvia, agua superficial natural, aguas residuales industriales.

[30] [31]

Ceniza de la cascara de arroz: Este material es obtenido del proceso de combustionar

la cascara, bajo parámetros de temperatura y tiempo, la cual permitirá obtener ceniza

con sílice amorfa [32]. Donde podemos destacar el uso de la ceniza en la producción

de bloques [33].

2.8. Proceso de fabricación del bloque de concreto

Generalmente se sigue las realiza las siguientes etapas:

Selección de materiales: Se debe tener en cuenta de donde proviene los materiales,

el almacenamiento que ha tenido y debe estar libre de impurezas.

Dosificación: Es definir la dosis de cada material para elabora los bloques de concreto

y nos dé la certeza de no tener problemas en la preparación de la mezcla, para luego

hacer uso de una báscula la medida correcta he uniforme

10

Preparación de la mezcla: Es la acción de juntar los materiales de manera ordena,

paulatina y con las medidas requeridas, este proceso normalmente es realizado en una

mezcladora.

Fabricación de bloques (probetas): Este proceso consiste en llenar los moldes

dividiendo la mezcla en tres partes iguales, para luego echar en el molde darle 25

penetraciones con la ayuda de un varilla y después dar 15 golpes en las paredes del

molde con la ayuda de un mazo. Este proceso se repite tres veces. Se debe tener en

cuenta que los moldes deben ser engrasados antes de realizar el llenado.

Fraguado de los bloques: Consiste en dejar los moldes llenados en un ambiente

adecuado, donde no llegue la radiación del sol, el viento y esté limpio por un tiempo de

24 horas, pasado estas horas puede ser manipulado ya que tendrá una resistencia

básica.

Curado: Para ello primero se debe retirar los moldes, una vez retirado se debe colocar

en una fuente de agua limpia para que pase al proceso de curado. El proceso consiste

en almacenar a temperatura de ambiente de 23 y 25°C,, dentro de un envase con

abundante agua [34]. El cubrir los moldes con bolsas oscuras y lejos de la radiación

solar puede agilizar el desarrollo de su resistencia. [35]

11

CAPITULO 3

ESTADO DEL ARTE

3.1. Ámbito internacional

Resumen: El investigador realizo una investigación experimental, aquí trabajo el

concreto no estructural con ceniza, en donde el proceso de quemado se realizó en

molino de Valle de Cauca en Colombia. Al realizar la combustión de la cáscara, se

obtuvo una ceniza con 29,38% de Sílice. Este insumo lo incorporo de manera

parcial en la preparación de su mezcla. El autor trabajó con cemento Portland Tipo

I, elaborando bloques no estructurales ymacizos. Dentro de los resultados más

resaltantes que obtuvo fue que una sustitución del 20% de ceniza que trabaje como

filler y puzolana mejora la resistencia de los bloques. Dentro del análisis de

determino que al trabajar la mezcla en dos etapas mejora el producto final,

incrementando su sus propiedades técnicas al pasar un tiempo de curado de 28

días. [33]

Aporte: La calcinación de la cáscara de arroz se debe alcanzar los 400ºC y 600ºC.

3.2. Ámbito nacional

Resumen: En la siguiente tesis se realizó en el departamento de Puno, donde

reemplazo un cantidad de cemento por ceniza, este proyecto se elaboró 13

12

patrones de concreto de una resistencia de 210 kg/cm2 y 117 muestras de la misma

resistencia añadiendo 5%, 10%, 15% y 20% de ceniza de cáscara de arroz y se

elaboró en base al método ACI, posteriormente se realizó ensayos de resistencia a

los 14, 28 y 56 días de curado teniendo en cuenta una temperatura promedio de

13°C. Los resultados fueron los siguientes: los patrones a los 28 días de mejoraron

la resistencia en un 1.47%, 0.70% y 4,96% cuando es sustituido por un porcentaje

de ceniza en base al cemento. Por estas razones se tiene que el mejor porcentaje

de sustitución es el 10% y a la vez disminuye el costo de producción unitario en

5.82% respecto al patrón de concreto. [36]

Resumen: En el departamento de Loreto se realizó una tesis sobre fabricación de

ladrillos añadiendo ceniza, Tuvo una investigación experimental, buscando

información primaria para lograr su objetivo principal. En cuanto a los materiales

para la preparación de los ladrillos uso cemento, cáscara de arroz y ceniza de

cáscara de arroz; con estas materias realizó cuatro tipos de ladrillos con diferentes

pesos; posteriormente le realizo ensayos de Humedad, Absorción, Carga y

Comprensión, al realizar las pruebas obtuvo que el ladrillo T3 obtuvo una resistencia

de 20,1250 Kg/m2 siendo una de los mejores resultados. Así mismo la que soporto

mayor carga fue el ladrillo T2 con resultado de 6,8 toneladas. El trabajo no

especifica como realizo la combustión de la ceniza pero si muestra resultados de

las mejoras que realiza la ceniza de cáscara de arroz en los ladrillo [37]

Resumen: En el departamento de Trujillo se realizó una tesis sobre la repercurción

que causa la cascara y ceniza de cascara de arroz en concreto no estructural, se

trabajó una metodología experimental, donde estudió el comportamiento de la

ceniza y cáscara de arroz en el concreto realizado, analizando las propiedades del

concreto, con el fin de conservar el ambiente. En este trabajo el cemento fue

suplantado en distintos porcentajes de cáscara y ceniza teniendo en cuenta la

relación del diseño de la mezcla para poder trabajar de acuerdo a una estructura;

13

es por ello que al realizar la parte experimental se desprendió diversas conductas

de las muestras. El autor también realizo pruebas en estado fresco y endurecido

guiándose en base a las normas ASTM y NTP. Finalmente el proyecto valido como

buen porcentaje la sustitución del 8% teniendo una resistencia de 231 Kg/cm2 [23].

3.3. Ámbito local

Resumen: En el departamento de Arequipa se realizó una investigación sobre la

sustitución de ceniza respecto al cemento, aquí se trató de alcanzar diversos tipos

de resistencias, realizo una investigación experimental, donde para poder obtener

la ceniza realizo tres procesos: combustión de la cáscara a una temperatura de 400

y 600ºC, molienda de la ceniza y la inspección del tamizado requerido. Para el

proceso de elaboración se usó agua potable, así mismo se trabajó con la siguiente

dosificación para una sustitución con el 10% es: 0.44 kg/probeta de cemento, 0.05

kg/probeta de ceniza, 0.35 lt/probeta de agua, 1.06 kg/probeta de agregado fino y

1.60 kg/probeta de agregado grueso. El autor trabajo con una probeta de las

siguientes medidas: diámetro 0.1016 m y altura 0.2032 m, entonces se tendría

0.0016m3 de volumen [13].

Resumen: en el departamento de Arequipa se realizó una tesis sobre las

características que brinda distintos tipos de puzolanas en un concreto, donde

realizo una investigación experimental, donde su principal objetivo fue comparar 3

tipos de adiciones respecto al cemento (fly ash, ceniza de cáscara de arroz y

puzolana artificial). Para la elaboración de las probetas se realizó el proceso de

combustión con la siguiente característica: temperatura de combustión de 600ºC

por el lapso de 2 horas y es aquí donde la ceniza tuvo un 86.5% de sílice en su

estructura química. Los resultados del proyecto fueron los siguientes: la resistencia

del concreto no se perjudica sino se sustituye más del 20% de ceniza,

14

paralelamente conserva constante la relación de agua y cemento que es de 0.4

[38].

Aporte: Se obtuvo la siguiente información: la combustión se realiza a una

temperatura de 600ºC – tiempo de 2 horas. Para 200 kilogramos de cáscara,

después de pasar el proceso de combustión produce aproximadamente 40

kilogramos de cenizas.

15

CAPITULO 4

METODOLOGIA

4.1. Sujeto

Elaboraremos probetas de concreto con adición del insumo a investigar (ceniza de

cáscara de arroz) que serán examinadas en el laboratorio RCF S.R.L

Muestra

Se construirán 24 probetas con porcentajes de 5%, 10% y 15 % del insumo investigado

con un tiempo de curado de 7, 14 y 28 días respectivamente.

4.2. Técnicas

Experimental: Convenientemente se realizara pruebas donde se manipulara las

variables para observar los comportamientos y cambios que vayan a obtener y se

trabajara con una observación, después de los resultados obtenidos.

Cuantitativa: El trabajo también es cuantitativa por que se trabajara con datos como

cantidades y porcentajes de los resultados que serán manipulados según mi

conveniencia, además se determinara los costos de producción.

16

4.3. Instrumentos

Horno convencional de ladrillo: El cual servirá para combustionar cascara de arroz.

Moldes: Estos son de acero y con ajustadores, antes de su uso deben estar limpios

y se debe engrasar con aceite para facilitar el desmoldeo de la probeta.

Varilla: El material es de fierro, aproximadamente de medio metro de largo y con

un espesor de 5/8”, y las esquinas deben ser redondeadas.

Mazo: Herramienta que pese entre 0.60 y 0.80 Kg.

Herramientas complementarias: dentro de estas tenemos el Badilejo, balde,

recipientes de metal, bolsas, asadera y un depósito para las sobras de la mezcla.

Báscula o Balanza: es una herramienta que será usada para pesar los materiales

de acuerdo a la dosificación establecida.

Mezcladora; Maquina requerida para elaborar el concreto, aquí es donde se

añaden todos los materiales.

Maquina universal: Es una máquina parecida a una prensa, que cumple la función

de ejercer presión a un cuerpo con la ayuda de cargas y se pueda determinar sus

propiedades físicas, normalmente se usa en cuerpos sólidos.

Figura 2: Horno semi- industrial del Politécnico Rafael Santiago Loayza

Fuente 2: Elaboración Propia

17

Fichas: Estos serán usados para recolectar la información obtenida de la

fabricación de las probetas.

Documentos del laboratorio: son registros donde acredita la realización del

proyecto, además esta te brinda información resaltante de los ensayos realizados.

Figura 3: Herramientas para la elaboración de probetas


18

4.4. Operacionalización de variables

Tabla 1: Operacionalización de variables

VARIABLE Dimensiones INDICARORES UNIDAD

Costo de fabricación de

bloques Costos de fabricación

Materia prima, Costos indirectos de fabricación

S/.

Mecánicas

Comprensión Ensayo de Resistencia a la Comprensión

Kg/cm2

Tracción Indirecta Ensayo de Resistencia a la tracción Indirecta

Elaboración de bloques de concreto

añadiendo ceniza de

cáscara de arroz

Porcentaje de adición de la ceniza

Peso kg

Tracción Indirecta Porcentaje %

Tiempo curado Tiempo Días


19

CAPITULO 5

PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS

5.1. Análisis técnico

A. Primera etapa: Adquisición de la ceniza de cáscara de arroz

Al realizar la combustión de 16 Kg de cáscara de arroz lo que produjo 3 Kg del

insumo (ceniza de cáscara de arroz).

B. Segunda etapa: Ensayos de los agregados

En la tabla 2 y 3 se puede apreciar los resultados obtenidos de los ensayos

realizados a la piedra ¾, asimismo la tabla 4 y 5 muestra resultados de la arena de

concreto.

Tabla 2: Resultados del retenido (Tamiz)

GRANULOMETRIA AGREGADO GRUESO

RETENIDO

TAMIZ # 3/4″ 75% ± 2%

TAMIZ # 3/8″ 98% ± 1%

TAMIZ # 4″ 98% ± 0%

FRACCIONES

GRAVA 98% ± 0%

ARENA 2% ± 0%

FINOS 0% ± 0% Fuente 5: Elaboración Propia

20

Tabla 3: Propiedades de la piedra 3/4

PESO UNITARIO COMPACTADO

1.462 g/cm3

PESO UNITARIO SUELTO

1.251 g/cm4

% HUMEDAD 0.36

% ABSORCION 2.20 Fuente 6: Elaboración Propia

Tabla 4: Resultados del retenido (Tamiz)

GRANULOMETRIA AGREGADO FINO

FRACCIONES

GRAVA 5% ± 1%

ARENA 87% ± 2%

FINOS 7% ± 1% Fuente 7: Elaboración Propia

Tabla 5: Propiedades de la arena de concreto

PESO UNITARIO COMPACTADO

1.739 g/cm3

PESO UNITARIO SUELTO

1.576 g/cm4

% HUMEDAD 2.30

% ABSORCION 3,42 Fuente 8: Elaboración Propia

Dosificación de las probetas:

Las siguientes tablas muestran dosificaciones para un concreto normal alcanzar la

resistencia de 210 kg/cm2y para las muestras con sustitución del 5%, 10% y 15%

de cenizas de cáscara de arroz en base al cemento.

21

Tabla 6: Dosificación para una probeta con una resistencia Normal

SLUMP 4

Rel. A/C 0.58

Dosificación para concreto fc = 210

PROBETA (kg) para 3 probetas

Cemento 2,760

Agregado Fino 5,300

Agregado Grueso 6,638

Agua 1,601 Fuente 9: Elaboración Propia

Tabla 7: Dosificación para una probeta con sustitución del 5% de CCA respecto al cemento

Dosificación para concreto fc = 210 c/sustitución 5% CCA


Cemento 2,622

CCA 0,138

Agregado Fino 5,300



Tabla 8: Dosificación para 3 probetas con sustitución del 10% de CCA respecto al cemento



Cemento 2,484

CCA 0,276

Agregado Fino 5,300



22

Tabla 9: Dosificación para 3 probetas con sustitución del 15% de CCA respecto al cemento



Cemento 2,346

CCA 0,414

Agregado Fino 5,300



C. Tercera etapa: Elaboración de probetas

Elaboración de la mezcla: En este caso se trabajó con las dosificaciones

elaboradas a partir de los resultados de los ensayos.

Se trabajó con normalidad pero hubo la siguiente observación; al elaborar la mezcla

con los diversos tipos de sustitución en base al cemento, se observó que la mezcla

empezó a endurecerse, este problema fue por trabajar con el % de absorción de

agua de la ceniza de cáscara de arroz. La siguiente tabla muestra la cantidad de

agua añadida por cada sustitución.

Tabla 10: Cantidad de agua añadida para la elaboración de las probetas

Cantidad Agua añadida (g)

sustitución del 5% 100




Elaboración de bloques

En esta etapa se trabajó bajo la metodología planteada y con las dosificaciones

establecidas, pero en cada tipo de sustitución de ceniza se tuvo sobrante de

mezcla, aproximadamente este sobrante alcanzaba para una probeta más.

23

D. Cuarta etapa: Ensayos de las probetas

Resistencia a la comprensión

Tabla 11: Resistencia y carga de cada probeta a los 7 d curado

Tiempo de curado: 7 días

Tipo de probeta Carga (kg) Resistencia (kg/cm2)

Tiempo de resistencia (seg)

normal (sin ceniza) 12544 149 48

5% cenizas 13460 171.4 49

10% cenizas 11260 143.3 38

15% cenizas 9820 125.1 30 Fuente 14: Elaboración Propia



Tipo de probeta Carga (kgf) Resistencia (kgf/cm2) Tiempo de resistencia (seg)

normal (sin ceniza) 18667 237.6 55

5% cenizas 15894 202.3 57

10% cenizas 12163 154.8 41

15% cenizas 10280.7 130.8 47 Fuente 15: Elaboración Propia



Tipo de probeta Carga (kg) Resistencia (kg/cm2) Tiempo de resistencia (seg)

normal (sin ceniza) 19781 251.8 49

5% cenizas 19075.2 242.8 58

10% cenizas 17085 217.5 48

15% cenizas 15141.3 192.7 43 Fuente 16: Elaboración Propia

24

Resistencia a la tracción indirecta

Tabla 14: Resistencia de tracción y carga de cada probeta a los 7 d curado




Tracción Indirecta

normal (sin ceniza) 5426,6 17.2 41 17,27

5% cenizas 6323,4 20.1 44 20,13

10% cenizas 4883 15.6 38 15,54

15% cenizas 3900,1 12.4 29 12,41 Fuente 17: Elaboración Propia

Tabla 15: Resultados de la tracción indirecta a los 14 días




Tracción Indirecta

normal (sin ceniza) 5550 17.6 29 17,67

5% cenizas 5287 16.8 31 16,83

10% cenizas 4895,7 15.5 28 15,58

15% cenizas 4545,5 14.4 20 14,47 Fuente 18: Elaboración Propia

Tabla 16: Resultados de la tracción indirecta a los 28 días




Tracción Indirecta

normal (sin ceniza) 7962 25.3 54 25,34

5% cenizas 8682,9 27.6 58 27,64

10% cenizas 6971,6 22.1 45 22,19

15% cenizas 6840 21.7 46 21,77 Fuente 19: Elaboración Propia

En la tabla 17 y 18 se puede apreciar la comparación en porcentajes de la resistencia de

comprensión a la resistencia y la tracción indirecta a los 7, 14 y 28 días de curado

respectivamente.

25

Tabla 17: Cuadro resumen de las resistencias de comprensión

% DE RESISTENCIA DE CADA PROBETA

Tiempo de curado 7 días 14 días 28 días

normal (sin ceniza) 25,31% 32,75% 27,83%

5% cenizas 29,11% 27,88% 26,83%

10% cenizas 24,34% 21,34% 24,04%

15% cenizas 21,25% 18,03% 21,30% Fuente 20: Elaboración Propia

Tabla 18: Grafico de los resultados finales de la resistencia a la comprensión

Tabla 19: Cuadro resumen de las resistencias de tracción indirecta

% DE RESISTENCIA DE CADA PROBETA

Tiempo de curado 7 dias 14 dias 28 dias

normal (sin ceniza) 26,34% 27,37% 26,16%

5% cenizas 30,78% 26,13% 28,54%

10% cenizas 23,89% 24,11% 22,85%

15% cenizas 18,99% 22,40% 22,44% Fuente 22: Elaboración Propia

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

normal (sin ceniza) 5% cenizas 10% cenizas 15% cenizas

% DE RESISTENCIA DE COMPRENSION

7 dias 14 dias 28 dias


26

5.2. Análisis Económico

Los costos de obtención se realizaron en base a tres probetas, las siguientes tablas

muestran detalladamente los costos de la obtención de la ceniza, así como los costos

de cada tipo de producción. Según los datos obtenidos la probeta del 5% reduce 0.20

céntimos respecto a la probeta normal.

Tabla 21: Costos de la ceniza


Tabla 22: Costo de producción para 3 probetas


Cantidad unidad Precio

Cascara de arroz 36 kg 2,00S/

Gastos operativos 21,00S/

23,00S/

cantidad unidad Precio cant. Requerida Precio de la dosificación

Cemento 42,5 kg 24,50S/ 2,760 1,5911S/

Agregado grueso 40 kg 6,10S/ 6,638 1,0123S/

Agregado fino 40 kg 6,10S/ 5,300 0,8083S/

Agua 1000 lt 0,79S/ 1,601 0,0013S/

TOTAL 3,4129S/

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

normal (sin ceniza) 5% cenizas 10% cenizas 15% cenizas

% DE RESISTENCIA TRACCION INDIRECTA

7 dias 14 dias 28 dias

Tabla 20: Grafico de los resultados finales de la resistencia a la Tracción Indirecta


27

Tabla 23: Costo de producción para 3 probetas (5%)


Tabla 24: Tabla 25: Costo de producción para 3 probetas (10%)


Tabla 25: Costo de producción para 3 probetas (15%)


5.3. Discusión de resultados e interpretación

- En la preparación de las probetas, se observó que la mezcla preparada con

sustitución del 5%, 10% y 15% de ceniza de cáscara de arroz en base al cemento tuvo

una excesiva absorción de agua, según muestra en la tabla este incremento se dio por

no tener en cuenta al momento de elaborar el porcentaje de absorción de agua de la

ceniza de cáscara de arroz.


Cemento 41,5 kg 20,50S/ 2,622 1,2952S/

Ceniza 36 kg 23,00S/ 0,138 0,0882S/



Agua 1.000 lt 0,79S/ 1,601 0,0013S/

TOTAL 3,2052S/


Cemento 41,5 kg 20,50S/ 2,484 1,2270S/

Ceniza 36 kg 23,00S/ 0,276 0,1763S/



Agua 1.000 lt 0,79S/ 1,601 0,0013S/

TOTAL 3,2252S/


Cemento 41,5 kg 20,50S/ 2,346 1,1589S/

ceniza 36 kg 23,00S/ 0,414 0,2645S/



Agua 1.000 lt 0,79S/ 1,601 0,0013S/

TOTAL 3,2452S/

28

- Según los resultados de la tabla 1, respecto a la resistencia a la comprensión

podemos observar que con un tiempo de curado de 7 días la mayor resistencia lo tiene

la probeta con sustitución del 5%; pero con el tiempo de curado de 14 y 28 días la

probeta normal es quien resiste mayor carga. Sin embargo podemos observar en el

grafico 1 de comparación que los resultados no tienen una amplia diferencia.

- Podemos observar en las tabla 14, 15 y 16 que las probetas de sustitución del 5%

de ceniza de cáscara de arroz en base al cemento tiene mayor resistencia en los

ensayos de tracción indirecta a los 7 y 28 días de curado teniendo una diferencia del

4% respecto a la probeta normal.

29

CONCLUSIONES

Se concluye que la ceniza de cáscara de arroz mejora las propiedades técnicas del

concreto con respecto a la resistencia de tracción indirecta y resistencia a la comprensión,

en esta última propiedad la probeta convencional fue mejor, pero las probetas con

sustitución de ceniza cumplieron los estándares requeridos.

Podemos concluir que en los ensayos de resistencia a la comprensión la mejor probeta fue

la convencional (sin ceniza) con una resistencia de 251.8 kg/cm2a los 28 días de curado,

pero a la vez los resultados de la probeta con sustitución del 5 % de ceniza de cáscara de

arroz no se aleja mucho de este último resultado, el cual brindo una resistencia de 242.8

kg/cm2.

En los ensayos de tracción indirecta la probeta con sustitución del 5 % de ceniza de cáscara

de arroz fue la que obtuvo mayor resistencia, esta resistencia fue de 27.6 en un tiempo de

curado de 28.

Respecto a los costos de fabricación podemos concluir que la probeta elaborada con un

5% de ceniza de cascara de arroz brinda un ahorro económico de S/. 0.2077, lo cual hace

un ahorro del 6% aproximadamente.

30

RECOMENDACIONES

- Se recomienda analizar el porcentaje de absorción de humedad y el porcentaje de sílice

de la ceniza de cáscara de arroz, antes de realizar la parte experimental con el fin de no

tener problemas al momento de la elaboración de las probetas y no tener variaciones

respecto a sus propiedades técnicas.

- Tener en cuenta el secado de la probeta al momento de realizar el ensayo, evitar que

este húmeda ya que puede variar sus propiedades técnicas.

- Realizar ensayos con una sustitución entre los 5% y 10% de ceniza de cáscara de arroz.

31

ANEXOS

32

ANEXO 1

Cronograma de actividades

N° Actividades Año 2018 Año 2019

Ago Sept Oct Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago

1 Investigaciones

2 Recolección de información

3 Elaboración de presupuesto

4 Desarrollo del Proyecto

5 Compra de materiales

6 Fabricación de bloques

7 Tiempo de curado

4 Determinación de costos

Anexo 1, Cronograma de Actividades. Fuente: Elaboración Propia

33

ANEXO 2

Anexo 2; Ensayo de granulometría del agregado grueso

34

ANEXO 3

Anexo 3; Ensayo de granulometría del agregado fino

35

ANEXO 4

Anexo 4; Ensayo de peso unitario compactado y suelto del agregado grueso

36

ANEXO 5

Anexo 5; Ensayo de peso unitario compactado y suelto del agregado fino

37

ANEXO 6

Anexo 6; Ensayo de contenido de humedad del agregado grueso y fino

38

ANEXO 7

Anexo 7; Ensayo de gravedad específica y absorción de agregados gruesos

39

ANEXO 8

Anexo 8; Ensayo de gravedad específica y absorción de agregados finos

40

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