Agregados no convencionales para la preparación de concretos ecológicos María Fernanda Serrano Guzmán, Diego Darío Pérez Ruíz [email protected]

Resumen

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El creciente desarrollo urbano y la necesidad de nuevas obras de ingeniería, mantenimiento y reemplazo de la infraestructura que ha cumplido su tiempo de servicio generan un problema de sobre explotación de los recursos y producen enormes cantidades de material de desperdicio y escombros que son dispuestos en los sitios destinados para este propósito o en lotes o terrenos abandonados con el consecuente deterioro del paisaje y contaminación visual. El concreto utilizado en obras civiles se obtiene de la mezcla, manual o mecánica, de cemento, agua, agregados naturales y algunas veces aditivos, que dosificados producen mezclas con la resistencia y el acabado requeridos en las obras. Este trabajo de investigación permite estudiar los cambios en las propiedades mecánicas del concreto preparado reemplazando parte de los agregados naturales con agregados proveniente del reciclaje de escombros y limalla proveniente de la industria metalmecánica. Para este propósito se dosificaron ocho mezclas cada una con dieciocho especímenes de concreto, las cuales fueron ensayadas a compresión. La mezcla preparada 23% de agregado fino, 61% de agregado grueso, 10% de agregado proveniente del reciclaje de escombros, 6% de limalla fina y una relación agua-cemento de 0.4, permitió obtener resistencias superiores a las resistencias obtenidas en mezclas preparadas con agregados vírgenes. Este tipo de concreto permite aprovechar hasta 0.07 m3 de escombros por cada metro cúbico de concreto producido, reduciendo el uso de agregados vírgenes lo que permite mitigar el efecto ambiental generado por la sobre explotación de estos recursos no renovables.

Palabras Clave: concreto ecológico, ensayos, escombro, explotación 1. Introducción La industria de la construcción representa un aporte significativo a los sectores económicos en la mayoría de los países. Para el caso de Colombia, considerando únicamente proyectos de vivienda de interés social, se observó un crecimiento del 234% entre el 2006 y el 2010 [1], [2]. El concreto utilizado como material de construcción se obtiene al mezclar en forma dosificada cemento, agua, agregados naturales y en ocasiones aditivos [3]-[12]. Las propiedades mecánicas, la durabilidad y el valor estético que se le puede proveer al concreto han hecho de este material uno de los más utilizados para la construcción de diferentes proyectos en Colombia. Cada uno de los insumos que dan origen a la mezcla de concreto tiene un proceso de producción característico. El cemento es producido en plantas especializadas en donde las materias primas del mismo se someten a ensayos de calidad. El agua utilizada, tanto para la obtención de la mezcla como para el curado del concreto terminado, generalmente es el agua utilizada para consumo humano. Arena y triturado son los agregados que comúnmente se utilizan en la producción de mezclas de concreto. Estos son extraídos de fuentes naturales y provienen de canteras, ríos o quebradas [6]-[12]. Los escombros son residuos inertes provenientes de distintas actividades de la construcción. En general, se puede decir que el escombro está compuesto por un 20% de hormigón, un 50% de Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011 pp 549-556 ISBN 978-607-607-015-4

material de albañilería (cerámico, tubería, uniones, etc.), un 10% de asfalto y un 20% de otros elementos como maderas [12], [13]. A pesar de la existencia de leyes relacionadas con la disposición de escombros, en países como Colombia la gestión integral de los residuos de construcción ha sido muy deficiente [14], [15]. La limalla, al igual que el escombro, es un residuo inerte. La limalla es proveniente en su mayoría del maquinado de motores de combustión y en general de las actividades de la industria metalmecánica de modo que sus características pueden variar de una industria a otra. Estudios realizados han demostrado que este residuo inorgánico es potencialmente reciclable [5], [11], [16], [17]. La naturaleza inerte tanto de la limalla como de los escombros permitió su uso en la producción de concreto. En este estudio se observa la factibilidad de utilizar estos residuos como una proporción de los agregados naturales. De esta manera se está contribuyendo a mitigar la incorrecta disposición de los residuos y el excesivo consumo de los agregados naturales, favoreciendo con ello la sostenibilidad del medio ambiente [17]. Este trabajo presenta alternativas de agregados no convencionales, escombro y limalla, para la preparación de mezclas de concreto en las cuales se ha reemplazado el porcentaje de agregados naturales.

2. Metodología El método adoptado para el diseño de la mezcla de concreto usando agregados reciclados de escombros y residuos de la actividad metalmecánica se basa en: (a) Desarrollo del diseño experimental adecuado, (b) selección de una mezcla de concreto apropiada, (c) Preparación de la mezcla, fundición y curado de los cilindros y vigas de concreto y (d) Pruebas de laboratorio llevadas a cabo sobre cilindros y vigas, siguiendo la Norma Técnica Colombiana (NTC) para ensayo de materiales. La actividad más importante, antes de la preparación de la mezcla de concreto, es la selección de los materiales. De esta manera, para obtener un concreto con la resistencia y manejabilidad requerida, es necesario determinar las proporciones adecuadas de los agregados y la relación agua-cemento más conveniente. Por lo tanto, los materiales deben ser caracterizados adecuadamente, especialmente cuando se utilizan materiales no convencionales tales como materiales reciclados. 2.1 Selección y ajuste de los materiales En términos generales, los agregados naturales son materiales de construcción que se obtienen comercialmente y son el producto de la explotación de canteras y ríos. Los escombros provenían de residuos de concreto, mortero y mampostería (ladrillo); estos materiales se ajustaron a un tamaño de 3/8‖ y 1/4 ‖ con el propósito de reemplazar parte de la porción de grueso y fino, respectivamente. La limalla fue proporcionada por LAVCO, una empresa metalmecánica; este material fue caracterizado como agregado fino (Ver Figura 1).

Figura. 1. Material granular natural y no convencional

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2.2. Caracterización de los materiales y preparación de la mezcla de concreto En el caso del cemento, se determinó el peso específico del material obtenido en la planta de producción siguiendo la Norma Técnica Colombiana NTC 221. Los agregados utilizados en la preparación del concreto fueron clasificados granulométricamente con base a la NTC 77, expedida por el Instituto Colombiano de normas Técnicas y Certificación ICONTEC. Así mismo, fueron sometidos a ensayos de: densidad (NTC 276), absorción s(NTC 237) y masa unitaria según (NTC 92). En cuanto a las propiedades del concreto en estado plástico, es decir antes de endurecer, se siguieron las normas que indican el procedimiento para determinar el asentamiento (NTC 396) (Ver Figura 3) y el rendimiento volumétrico (NTC-1926).

Figura. 3. a) Preparación de la mezcla de concreto, b) llenado y compactado 25 golpes distribuidos en tres capas de altura tercios cada capa, c) prueba de asentamiento

2.3. Pruebas mecánicas del concreto en estado endurecido

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Los materiales compuestos como el concreto, generalmente son caracterizados con base en sus propiedades físicas para propósitos de control de calidad. Varias pruebas de laboratorio son utilizadas para caracterizar la mezcla de concreto y predecir las propiedades del concreto terminado. La resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión de cualquier material de construcción son variables fundamentales en el diseño de elemento hecho con ese material. La resistencia a la compresión es el parámetro que define la capacidad de un concreto endurecido para soportar cargas y permite prever el comportamiento de la estructura bajo condiciones de carga establecidas. Para determinar la resistencia a la compresión desarrollada por los ocho diferentes diseños de mezcla seleccionados, se prepararon, con cada uno de los diseños de mezcla, 18 especímenes cilíndricos de 150 mm de diámetro y 300 mm de altura. Todas las muestras se probaron utilizando la máquina de compresión, lo que permitió determinar la resistencia a compresión del material compuesto con base en los estándares establecidos por la norma NTC-673.

3. Resultados Las mezclas de concreto fueron preparadas con una relación agua/cemento de 0.4 (Ver Tabla 1, Tabla 2, Tabla 3). Un total de ocho mezclas fueron preparadas con diferentes porcentajes de agregados, de escombros y de limalla considerando la proporción de mezcla de agregados que arrojara el menor porcentaje de vacíos. Tabla 1, Mezclas preparadas con agregados no convencionales como proporción (%) del agregado grueso Mezcla

Arena

Triturado

1 2 3 Testigo

30 20 40 40

60 70 50 60

Ladrillo grueso 10

Escombros

10 10

Resistencia kg/cm2 169.92 153.97 223.56 200.68

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Tabla 2, Mezclas preparadas con agregados no convencionales como proporción (%) del agregado fino Mezcla

Arena

Triturado

4 Testigo

30 40

60 60

Ladrillo fino 10

Resistencia kg/cm2 190.12 200.68

Tabla 3, Mezclas preparadas con agregados no convencionales como proporción (%) de los agregados naturales Mezcla

Arena

Triturado

Limalla

Escombros

5 6 7 Testigo

40 40 23 40

44 44 61 60

6 6 6

10 10 10

Resistencia kg/cm2 302.09 297.8 306.74 200.68

El comportamiento mecánico de las mezclas confirmó que proporciones del 23% de agregado fino, 61% de agregado grueso, 10% de escombros y 6% de limalla presentaron resistencias superiores a las resistencias obtenidas en mezclas sin agregados no convencionales (Testigo). En general, las mezclas con adiciones de limalla y escombros presentaron resistencias promedio superiores a un 40% en todos los casos frente a las mezclas preparadas con agregados convencionales. La verificación de la calidad de los agregados no convencionales (escombros y limalla) y la comparación del comportamiento mecánico de los mismos con los agregados naturales demuestra la factibilidad del uso de materiales reciclados en la preparación de mezclas de concreto por cuanto sus especificaciones se ajustan a las Normas Técnicas Colombianas de calidad y a las normas del Instituto Nacional de Vías (INVE).

4. Conclusiones El trabajo presenta una alternativa de aprovechamiento de residuos proveniente de la industria de la construcción y la industria metalmecánica, buscando producir materiales compuestos alternativos con resistencias iguales o superiores a aquellas obtenidas con agregados naturales. De esta forma, se reducen los impactos negativos generados por la disposición inadecuada de los residuos o material de desecho producido por el sector industrial. Aunque la mezcla de concreto preparada con limalla y agregados reciclados presentan resistencias promedio superiores hasta en un 40% a la resistencia de diseño esperada (i. e. 210 kg/cm2 (21MPa), es necesario continuar el estudio para verificar la durabilidad de las mezclas preparadas considerando el efecto en la porosidad y en la variación de las propiedades físico-químicas de las mismas.

Agradecimientos Por el trabajo de laboratorio a los Ing. Juan Sebastián Ferreira, Katty Milena Parra y María Alejandra Bautista. Por la financiación de los trabajos a la Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga.

Referencias Bibliográficas [1] DANE, Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas, ―Informe de Coyuntura Económica Regional‖. 2009. Banco de la República. Consultado el 3 de mayo de 2011. Disponible http: //www.dane.gov.co/files/icer/2009/santander_icer_II_sem_09.pdf Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima © 2011

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[2] Uribe Vélez, A. Mayo 2010. ―Informe al Congreso: Segunda Parte‖. Consultado el 3 de mayo de 2011. Disponible en la red: http://wsp.presidencia.gov.co/Paginas/Presidencia.aspx [3] Torrado, L.M. Porras, N. 2009. ―Determinación de los módulos de elasticidad del concreto producido con los diferentes materiales existentes en Bucaramanga y su Area Metropolitana‖. Tesis de grado de Ingeniero Civil, Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga. [4] Ferreira, J.S. 2009. ―Aprovechamiento de escombros como agregados no convencionales en mezclas de concreto‖. Tesis de grado de Ingeniero Civil, Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga. [5] Bautista M.A. y K. Parra. 2010. ―Diseño de una mezcla de concreto utilizando residuos industriales y escombros‖. Tesis de grado. Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga. [6] Serrano, M.F. 2010, ―Elaboración de adoquines utilizando escombros como una proporción del agregado grueso‖. Reporte de Investigación financiada por la Dirección General de Investigaciones de la Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga. [7] Serrano, M.F. 2010. ―Influencia de las propiedades mecánicas de los agregados en el módulo de elasticidad del concreto‖. Reporte de Investigación financiada por la Dirección General de Investigaciones de la Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga. [8] Serrano-Guzmán, M.F. 2010. ―Residuos Industriales para preparación de concreto: alianza universidad-empresa para el desarrollo del país‖, Memorias Encuentro Nacional de Investigación y Desarrollo, Universidad Nacional, Bogota. [9] Serrano M.F. y D.D. Pérez. Julio-Diciembre 2010 . ―Análisis de sensibilidad para estimar el módulo de elasticidad estático del concreto‖, Concreto y Cemento: Investigación y Desarrollo, Volumen 2, Número 1. [10] Serrano M.F. y D.D. Pérez. Enero/febrero 2011 a. ―Análisis de sensibilidad para estimar el módulo de elasticidad del concreto‖. Cemento y Hormigón, Volumen 942. [11] Serrano-Guzmàn María F. y Diego Darío Pérez Ruìz. 2011. ―Use of Recycling Materials to Build Paver Blocks for Low Volume Roads in Developing Countries‖. Journal Transportation Research Record. Publisher: Transportation Research Board of the National Academies, Julio. [12] Serrano-G., M.F., Ferreira, J.S. 2009. ―Aprovechamiento de los escombros para la producción de concreto‖. Memorias II Simposio Iberoamericano de Residuos. Barranquilla 25-25 de septiembre. [13] Cadena, A. 1995. ―Aspectos Técnicos en el manejo de los residuos sólidos‖. Hacia un Pacto Limpio, Reunión sobre manejo de residuos sólidos y reciclaje. Bogotá. Ministerio de Medio Ambiente 1995, 237p. [14] Dominique de Suremain, M., 1995, ―La participación de las organizaciones no gubernamentales en el manejo de los residuos sólido y el reciclaje‖. Hacia un Pacto Limpio, Reunión sobre manejo de residuos sólidos y reciclaje. Bogotá. Ministerio de Medio Ambiente. 237p. [15] Serrano, M.F., Pérez D.. 2009. ―Propuesta de un Programa de Gestión Integral de Escombros‖. Memorias II Simposio Iberoamericano de Residuos. Barranquilla 25-25 de septiembre. [16] Jaramillo, G.A., 1995. ―Que nada ni nadie sea desecho: Aspectos educativos en el manejo de residuos sólidos‖, Hacia un Pacto Limpio. Reunión sobre manejo de residuos sólidos y reciclaje. Bogotá. Ministerio de Medio Ambiente. 237p. [17] Serrano-Guzmán, M.F., Pérez-Ruiz, D.D. 2001. ―Concreto preparado con residuos industriales: Resultado de alianza empresa-universidad‖. Revista Educación en Ingeniería. Volumen 10, Junio.

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