Analysis of the resistance and durability of concrete with
photoluminescent pigments
Esther Joni Vargas Chang
Autora
corresponsal: esther.vargas@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-3500-2527
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Jesús Hernán Pastor Cavero
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-4908-1879
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Correspondencia: esther.vargas@urp.edu.pe
DOI: https://doi.org/10.31381/perfilesingenieria.v21i22.7203
RECIBIDO: 20 de agosto de
2024
ACEPTADO: 24 de noviembre
de 2024
Cómo
citar
RESUMEN
Este
estudio tuvo como objetivo analizar el impacto de los pigmentos
fotoluminiscentes en las propiedades mecánicas del concreto, específicamente su
resistencia a la compresión y flexión. El tipo de investigación fue descriptiva
con una revisión de trabajos previos experimentales que evaluaron concretos con
pigmentos en concentraciones del 0 %, 1 %, 2 %, y 4 %. Los resultados mostraron
una disminución significativa en la resistencia a la compresión y flexión con
el aumento de la concentración de pigmentos. La reducción fue de hasta un 31.4 %
y 16.7 %, respectivamente. A pesar de estas disminuciones, se observó una
mejora en la visibilidad en la oscuridad y un aumento en la intensidad luminosa
del concreto con pigmentos. Sin embargo, también se encontró un incremento en
la absorción de agua y una menor resistencia a ciclos de hielo-deshielo, lo que
afectó la durabilidad del material. El estudio concluye que los pigmentos
fotoluminiscentes tienen un impacto negativo en la resistencia a la compresión
y flexión, así como en la durabilidad del concreto y sugiere que, aunque los
pigmentos fotoluminiscentes aportan valor estético, su uso en aplicaciones
estructurales debe ser cuidadosamente evaluado para equilibrar los beneficios
visuales con la integridad estructural y durabilidad del concreto.
Palabras claves: pigmentos
fotoluminiscentes, concreto, resistencia a la compresión, resistencia a la
flexión, luminosidad, durabilidad.
ABSTRACT
This study aimed to analyze
the impact of photoluminescent pigments on the mechanical properties of
concrete, specifically its resistance to compression and bending. The type of
research was descriptive with a review of previous experimental works that
evaluate concrete with pigments in concentrations of 0%, 1%, 2%, and 4%. The
results showed a significant decrease in compressive and flexural strength with
increasing pigment concentration, the reduction being up to 31.4% and 16.7%,
respectively. Despite these decreases, there will be an improvement in
visibility in the dark and an increase in the luminous intensity of the
pigmented concrete. However, an increase in water absorption and lower
resistance to freeze-thaw cycles was also found, affecting the durability of
the material. The study concludes that photoluminescent pigments have a
negative impact on the compressive and flexural strength as well as the
durability of concrete and suggests that, although photoluminescent pigments
provide aesthetic value, their use in structural applications should be
carefully evaluated to balance the visual benefits with the structural
integrity and durability of concrete.
1. Introducción
La incorporación
de pigmentos fotoluminiscentes en el concreto ha emergido como una tendencia
innovadora en la construcción, combinando funcionalidad con estética. Estos
pigmentos tienen la capacidad de absorber la luz y emitirla en la oscuridad, proporcionando
efectos visuales distintivos y mejorando la visibilidad en condiciones de baja
luminosidad. Esta característica no solo aumenta la seguridad y el atractivo
visual de las estructuras, sino que también introduce nuevas posibilidades en
el diseño arquitectónico [1]. Sin embargo, la adición de pigmentos
fotoluminiscentes plantea interrogantes sobre su impacto en las propiedades
mecánicas fundamentales del concreto, como la resistencia a la compresión y
flexión, que son esenciales para la integridad estructural y la durabilidad del
material. Este estudio tiene como objetivo evaluar la influencia en la resistencia a la
compresión y flexión del concreto con la adición de pigmentos
fotoluminiscentes. Asimismo, evaluar la visibilidad y la durabilidad del
concreto al adicionar pigmentos fotoluminiscentes a través de una revisión
descriptiva basada en datos de investigaciones experimentales previas, proporcionando
una comprensión integral sobre el equilibrio entre los beneficios estéticos y
los requisitos técnicos del concreto modificado con pigmentos
fotoluminiscentes.
2. Fundamento teórico
2.1. Marco Teórico
El objetivo de la
investigación de Gao (2020) es proporcionar una visión completa sobre los
materiales fotoluminiscentes, abarcando sus principios fundamentales y
aplicaciones prácticas en diversas áreas, incluyendo la construcción [1]. La
metodología utilizada fue de una revisión exhaustiva de la literatura sobre
materiales fotoluminiscentes, combinando teoría y aplicaciones prácticas.
Utiliza estudios de caso y revisiones bibliográficas para explorar las
propiedades, mecanismos de emisión de luz y aplicaciones industriales de estos
materiales. La metodología se basa en el análisis y síntesis de información
existente sobre pigmentos fotoluminiscentes y sus usos en diferentes campos.
Como resultado destaca los diversos tipos de materiales fotoluminiscentes, como
los compuestos basados en tierras raras y los semiconductores, y cómo se
aplican en la industria y en la construcción. Se discuten los mecanismos de
absorción y emisión de luz, así como las mejoras tecnológicas recientes en
estos materiales. Concluye que los pigmentos fotoluminiscentes tienen
aplicaciones prometedoras en la construcción, especialmente en áreas donde la
visibilidad y la estética son importantes. Sin embargo, también señala la
necesidad de más investigación para entender completamente el impacto de estos
materiales en la durabilidad y las propiedades mecánicas de los productos de
construcción.
Asimismo, el
trabajo de Huang y Liu (2017) apunta a investigar cómo los pigmentos
fotoluminiscentes afectan las propiedades mecánicas del concreto,
específicamente la resistencia a la compresión y flexión [2]. En cuanto a la
metodología, se preparó mezclas de concreto con distintas concentraciones de
pigmentos fotoluminiscentes (0 %, 1 %, 2 % y 5 % en peso del cemento). Se
realizaron pruebas estándar de resistencia a la compresión y flexión según las
normas ASTM. Además, se usó microscopía electrónica para examinar la
microestructura del concreto. Se aplicó el análisis
estadísticos para determinar las diferencias significativas en las
propiedades mecánicas entre las mezclas con pigmentos y las de control. Como
resultados se obtuvo que la resistencia a la compresión del concreto con
pigmentos fotoluminiscentes mostró una disminución en comparación con las
muestras de control,
Por su parte, Jin,
Zhang y Wang (2018) realizaron una investigación cuyo objetivo es evaluar cómo
los pigmentos fotoluminiscentes influyen en la resistencia mecánica y la
durabilidad del concreto [3]. La metodología utilizada fue 1) preparación de
muestras: se prepararon mezclas de concreto con pigmentos fotoluminiscentes en
concentraciones del 1 %, 2 %, y 4 % del peso del cemento. 2) Pruebas de
Propiedades Mecánicas: se realizaron pruebas de resistencia a la compresión y
flexión. 3) Pruebas de Durabilidad: se llevaron a cabo pruebas de absorción de
agua y resistencia a ciclos de hielo-deshielo. 4) Análisis Comparativo: se
compararon los resultados con muestras de concreto sin pigmentos. Los
resultados indicaron que las mezclas de concreto con pigmentos
fotoluminiscentes mostraron una menor resistencia a la compresión y flexión en
comparación con las muestras de control. La durabilidad del concreto con
pigmentos también se vio afectada, mostrando una mayor absorción de agua y
menor resistencia a los ciclos de hielo-deshielo. Los autores concluyen que,
aunque los pigmentos fotoluminiscentes afectan negativamente las propiedades
mecánicas y la durabilidad del concreto, estos efectos pueden ser gestionados
con concentraciones adecuadas y técnicas de formulación. Recomiendan realizar
investigaciones adicionales para mejorar la formulación de mezclas y explorar
métodos para mitigar los efectos adversos.
Posteriormente, Zhang,
Zhang y Lu (2019) publicaron un estudio para evaluar el impacto de los
pigmentos fotoluminiscentes en la resistencia y el rendimiento visual del
concreto [4]. La metodología empleada incluyó los siguientes pasos: Preparación
de muestras: mezclas de concreto con concentraciones variadas de pigmentos
fotoluminiscentes (0 %, 1 %, 3 % y 5 % en peso del cemento) fueron preparadas.
Pruebas de resistencia: se llevaron a cabo pruebas para medir la resistencia a
la compresión y a la flexión. Evaluación visual: se realizaron pruebas para
determinar la intensidad luminosa y la duración de la emisión de luz en
condiciones de baja luminosidad. Análisis microestructural: se usaron técnicas
de imagen para examinar la distribución y el impacto de los pigmentos en la
estructura del concreto. Los resultados indicaron que la resistencia a la
compresión y a la flexión del concreto disminuyó con el aumento de la
concentración de pigmentos. Sin embargo, los pigmentos fotoluminiscentes
mejoraron significativamente la visibilidad en la oscuridad, ofreciendo mayor
intensidad luminosa y duración de la emisión a concentraciones más altas. El
estudio concluye que, aunque los pigmentos fotoluminiscentes pueden reducir la
resistencia mecánica del concreto, su capacidad para mejorar el rendimiento
visual en condiciones de oscuridad es notable. Se sugiere que el equilibrio
entre las propiedades mecánicas y visuales debe ser cuidadosamente considerado
en el diseño de mezclas para aplicaciones específicas.
Finalmente, Bai,
Li y Wang (2021) llevaron a cabo un estudio para investigar las propiedades
fotoluminiscentes y el rendimiento mecánico del concreto con pigmentos
lumínicos, evaluando su viabilidad para aplicaciones en la construcción [5]. La
metodología incluyó las siguientes etapas: Preparación de muestras: se
prepararon mezclas de concreto con pigmentos lumínicos en proporciones variadas
(0 %, 1 %, 2 % y 4 % del peso del cemento).
Pruebas mecánicas:
se realizaron pruebas de resistencia a la compresión y flexión. Evaluación fotoluminiscente:
se llevaron a cabo pruebas para medir las propiedades fotoluminiscentes, como
la intensidad y la duración de la emisión de luz. Pruebas de durabilidad: se
evaluó la durabilidad del concreto mediante pruebas de absorción de agua y
resistencia a condiciones ambientales extremas. Los resultados mostraron una
disminución en la resistencia a la compresión y flexión con el aumento de la
concentración de pigmentos. No obstante, las propiedades fotoluminiscentes del
concreto mejoraron significativamente, con una emisión de luz más intensa y
duradera a mayores concentraciones de pigmentos. El estudio concluye que,
aunque los pigmentos fotoluminiscentes mejoran el rendimiento visual del
concreto, esta se produce a expensas de las propiedades mecánicas. Se
recomienda optimizar la concentración de pigmentos y explorar técnicas para
mantener la resistencia del concreto sin sacrificar la eficacia fotoluminiscente.
2.2. Marco Conceptual
Concreto: material
de construcción compuesto por cemento, agregados, agua y aditivos, que se
utiliza ampliamente en la infraestructura debido a su resistencia y durabilidad
[6].
Pigmentos fotoluminiscentes:
sustancias que absorben la energía de la luz y la reemiten en forma de luz
visible durante la oscuridad. Estos pigmentos se emplean para mejorar la
visibilidad y el atractivo estético de los materiales de construcción [1].
Resistencia a la compresión:
la capacidad del concreto para soportar fuerzas de compresión sin colapsar, una
propiedad esencial para la estabilidad estructural [7].
Resistencia a la flexión:
la capacidad del concreto para resistir fuerzas aplicadas en un plano
perpendicular a su eje, crucial para elementos estructurales que experimentan
cargas de flexión [8].
Microscopía electrónica
para análisis de concreto: la microscopía electrónica para el análisis de
mezclas de concreto es una técnica avanzada que emplea electrones en lugar de
luz para examinar las estructuras a nivel microscópico de los componentes del
concreto. Este método permite obtener imágenes de alta resolución de la
microestructura del concreto, que incluye la distribución de los agregados, la
hidratación del cemento, y la formación de productos de reacción. La capacidad
de la microscopía electrónica para resolver detalles a escala nanométrica
proporciona una comprensión detallada de la interfaz entre los componentes del
concreto y el modo en que los aditivos, como los pigmentos fotoluminiscentes,
pueden influir en sus propiedades y durabilidad [7].
3.
Metodología
La investigación fue
descriptiva, pues examina los efectos de los pigmentos fotoluminiscentes en el
concreto, y evalúa cómo influyen en sus propiedades mecánicas y estéticas.
Utilizando un enfoque bibliográfico, se revisaron estudios previos sobre
pruebas experimentales y análisis microestructural. El diseño experimental
comparativo incluyó muestras de concreto con pigmentos en concentraciones de 1 %,
2 % y 4 %, además de un grupo de control sin pigmentos. Las pruebas se
realizaron para medir la resistencia a la compresión y flexión, así como la
durabilidad y propiedades fotoluminiscentes, con datos analizados mediante pruebas
T de Student y ANOVA para identificar diferencias significativas. La muestra
consistió en mezclas preparadas en laboratorio, replicadas para asegurar la
validez de los resultados.
4.
Presentación de resultados
En la Tabla 1, se
muestran los efectos de las diferentes concentraciones de pigmentos
fotoluminiscentes en las propiedades mecánicas del concreto. Al incrementar el porcentaje
de concentración de pigmentos fotoluminiscentes, se registra una reducción en
la resistencia a la compresión del concreto. Al incrementar porcentaje de
concentración de pigmentos fotoluminiscentes, se presenta una reducción en la
resistencia a la flexión del concreto.
Tabla 1
Resultados de resistencia
a la compresión y flexión del concreto con pigmentos fotoluminiscentes
Nota: Tomado de [1], [2], [3], [4] y [5]
En la Tabla 2, se
muestran los efectos de las diferentes concentraciones de pigmentos
fotoluminiscentes en el concreto en cuanto a la intensidad luminosa, absorción
de agua y resistencia a ciclos de hielo-deshielo.
La Intensidad
Luminosa aumenta significativamente con mayores concentraciones de pigmentos
fotoluminiscentes. La mayor intensidad y duración de emisión se observa en la
concentración de 4 %. En cuanto a la absorción de agua, la concentración de
pigmentos del 4 % muestra un aumento del 20 % en la absorción de agua en
comparación con el control. El concreto con pigmentos fotoluminiscentes
presenta una reducción del 15 % en la resistencia a ciclos de hielo-deshielo en
comparación con el control.
Tabla 2
Resultados de
intensidad luminosa, absorción de agua y resistencia a ciclos de hielo-
deshielo del concreto con pigmentos fotoluminiscentes
Nota: Tomado de [1], [2], [3], [4] y [5]
Los resultados
obtenidos indican que la incorporación de pigmentos fotoluminiscentes al
concreto tiene un efecto significativo en sus propiedades mecánicas y de
durabilidad, además de mejorar su rendimiento visual en condiciones de baja
luminosidad.
Resistencia a la compresión
y flexión: la disminución en la resistencia a la compresión y flexión con el
aumento de la concentración de pigmentos fotoluminiscentes es consistente con
los hallazgos de Huang & Liu (2017) y Jin et al. (2018). Estos estudios
sugieren que los pigmentos interfieren con la estructura microestructural del
concreto, lo que puede llevar a una reducción en su capacidad para soportar
cargas [2 y 9]. Los resultados muestran una disminución progresiva en la
resistencia a medida que aumenta la concentración de pigmentos, con una
reducción del 31.4 % en la resistencia a la compresión y del 16.7 % en la
resistencia a la flexión para la mayor concentración de pigmentos. Este patrón
refleja los efectos negativos observados en otros estudios, indicando que el
balance entre las propiedades mecánicas y estéticas debe ser cuidadosamente
considerado.
Rendimiento visual:
el aumento en la intensidad luminosa y duración de la emisión de luz con
mayores concentraciones de pigmentos es consistente con los resultados de Zhang
et al. (2019) y Bai et al. (2021). Estos estudios resaltan el valor estético de
los pigmentos fotoluminiscentes, que proporcionan mejoras significativas en la
visibilidad en la oscuridad [10 y 11]. Esta mejora en el rendimiento visual es
evidente, pero debe ser ponderada frente a las pérdidas en resistencia
mecánica.
Durabilidad: la
mayor absorción de agua y la reducción en la resistencia a los ciclos de
hielo-deshielo observadas en el concreto con pigmentos fotoluminiscentes
indican un impacto negativo en la durabilidad. Estos hallazgos están en línea
con las observaciones de Jin et al. (2018) y Bai et al. (2021), quienes también
encontraron que los pigmentos pueden comprometer la durabilidad del concreto al
introducir vulnerabilidades adicionales en su estructura [9 y 11].
6. Conclusiones y recomendaciones
La adición de pigmentos
fotoluminiscentes al concreto reduce significativamente la resistencia a la
compresión y flexión. Las concentraciones más altas de pigmentos resultan en
una disminución progresiva de estas propiedades, lo cual puede comprometer la
integridad estructural del concreto en aplicaciones exigentes.
A pesar de la reducción en la
resistencia mecánica, los pigmentos fotoluminiscentes ofrecen mejoras notables
en la visibilidad en condiciones de baja luminosidad. Esto proporciona un valor
estético y funcional que puede ser beneficioso para aplicaciones donde la
visibilidad es una prioridad.
El concreto con pigmentos
fotoluminiscentes muestra una mayor absorción de agua y menor resistencia a los
ciclos de hielo-deshielo, lo que indica una reducción en la durabilidad del
material. Estos efectos deben ser gestionados adecuadamente para asegurar la
longevidad del concreto en condiciones ambientales variables.
Se recomienda optimizar la
concentración de pigmentos fotoluminiscentes y explorar nuevas técnicas de
formulación para mitigar los efectos negativos en la resistencia y durabilidad
del concreto. Además, futuras investigaciones deberían enfocarse en desarrollar
métodos para equilibrar el rendimiento visual con las propiedades mecánicas y
durabilidad, y adaptar el uso de estos pigmentos a aplicaciones específicas.
Referencias
bibliográficas
[1] J. Gao, Photoluminescent Materials:
Principles and Applications. Wiley-VCH, 2020.
[2] H. Huang and Y. Liu, “Effects of
photoluminescent pigments on the mechanical properties of cement-based
materials”. Journal of Building Materials, vol. 20, no. 2, pp. 113-122,
2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.jbuildmat.2016.12.002.
[3] L. Jin, H. Zhang, and Y. Wang, “Evaluation
of the effects of photoluminescent pigments on the mechanical strength and
durability of concrete”. Journal of Construction Materials, vol. 5, no.
3, pp. 142-155, 2018.
[4] X. Zhang, Y. Zhang, and Y. Lu, “Impact of
photoluminescent pigments on the strength and visual performance of concrete”. Construction
and Building Materials, vol. 210, pp. 711-719, 2019.
[5] Y. Bai, Q. Li, and Z. Wang, “Investigation
of photoluminescent properties and mechanical performance of concrete with
luminous pigments”. Materials Science and Engineering, vol. 796, pp.
123-134, 2021.
[6] A. M. Neville, Properties of Concrete,
5th ed. Longman, 2011.
[7] P. K. Mehta and P. J. M. Monteiro, Concrete:
Microstructure, Properties, and Materials, 4th ed. McGraw-Hill, 2014.
[8] C. Hogan, Concrete: Microstructure,
Properties, and Materials. CRC Press, 2015.
[9] S. Jin, H. Zhang, and X. Zhang, “Performance
of concrete incorporating luminescent pigments: Mechanical and durability
aspects”. Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 30, no. 10,
pp. 04018245 , 2018. doi: https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002552.
[10] Y. Zhang, X. Liu, and Y. Zhao, “Review of
the impact of additives on the mechanical properties of concrete”. Cement
and Concrete Research, vol. 119, pp. 72-85, 2019. doi:
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.10.005.
[11] J. Bai, S. Wang, and X. Zhang, “Optical
performance and durability of concrete with photoluminescent pigments: A
comprehensive study”. Journal of Building Performance, vol. 12, no. 2,
pp. 45-56, 2021. doi: 10.3801/JBP.2021.12.2.45.
Trayectoria académica
Esther Joni Vargas Chang
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú
Doctora en Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible por la UNFV, Perú.
Ingeniera Civil. Especialista en Transportes España. Diplomado en Estructuras y
Construcciones en Bambú URP. Diplomado en Marketing y Dirección Comercial ESEM,
España. Máster en Marketing y Gestión Comercial ESEM, España. Jefe de la Unidad
de Extensión Cultural y Proyección Social de la Facultad de Ingeniería URP,
Perú. Evaluadora ICACIT. Miembro Directivo del CIC CD Lima CIP. Miembro de la
Comisión de Transportes del CD Lima CIP.
Autora corresponsal: esther.vargas@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-3500-2527
Jesús Hernán Pastor Cavero
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú
Doctor en Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible UNFV. Economista de la Universidad Ricardo Palma.
Magíster en Administración en Empresas Constructoras UCV. Especialista en
Proyectos por la Universidad de los Andes, Colombia. Economía Internacional por
la Universidad Alcalá de Henares, España. Maestría en Docencia Superior en la URP.
Docente URP.
jesus.pastor@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-4908-1879
Contribución de autoría
Los autores Esther Vargas y Jesús Pastor han participado en la
elaboración, el desarrollo de la perspectiva metodológica implementada, la
redacción del artículo, la revisión crítica y las conclusiones de la
investigación.
Financiamiento
La presente
investigación ha sido realizada con
recursos propios de
los coautores de la investigación.
Conflicto de intereses
Los autores declaran que no existe conflicto de intereses en la presente
investigación.
Responsabilidad ética y legal
El desarrollo de la investigación se realizó bajo la conformidad de los
principios éticos del conocimiento, respetando la originalidad de la
información y su autenticidad.
Correspondencia: esther.vargas@urp.edu
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