DIRECTOR DE CARRERA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

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3 Santiago de Cali, julio 15 de Señor IVAN FERNANDO OTALVARO CALLE DIRECTOR DE CARRERA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI La presente comunicación con el fin de manifestar mi conocimiento y aprobación del Proyecto de trabajo de grado titulado ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL CONCRETO, SUSTITUYENDO PARCIALMENTE EL AGREGADO FINO POR CAUCHO MOLIDO RECUBIERTO CON POLVO CALCÁREO., elaborado por los estudiantes NATALIA RAMOS ROJAS, C.C y HERWIN FELIPE ERASO, C.C ; en mi calidad de Director de trabajo de grado. Declaro conocer y aceptar el reglamento y disposiciones de la Carrera de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana. Cordialmente,

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5 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL CONCRETO, SUSTITUYENDO PARCIALMENTE EL AGREGADO FINO POR CAUCHO MOLIDO RECUBIERTO CON POLVO CALCÁREO HERWIN ERASO VALENCIA NATALIA RAMOS ROJAS PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL E INDUSTRIAL SANTIAGO DE CALI 2015

6 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECÁNICO DEL CONCRETO, SUSTITUYENDO PARCIALMENTE EL AGREGADO FINO POR CAUCHO MOLIDO RECUBIERTO CON POLVO CALCÁREO HERWIN ERASO VALENCIA NATALIA RAMOS ROJAS Proyecto de Grado presentado como requisito para optar el título de Ingeniero Civil e Industrial Director: Ing. JOSE JAVIER MARTINEZ ECHEVERRY PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL E INDUSTRIAL SANTIAGO DE CALI 2015

7 ARTÍCULO 23 de la Resolución No. 13 del 6 de julio de 1946, del reglamento de la Pontificia Universidad Javeriana. La universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus trabajos de tesis. Sólo velará por que no se publique nada contrario al dogma y la moral católica y porque las tesis no contengan ataques o polémicas puramente personales; antes bien, se vea en ellas el anhelo de buscar la verdad y la justicia. 7

8 DEDICATORIA A Dios por habernos permitido la formación académica y por la meta de cumplir nuestro sueño, ser profesionales. A nuestros padres, por brindarnos su apoyo incondicional impulsándonos en cada tropiezo y acompañándonos en cada alegría, por la confianza depositada y por todos los sacrificios y consejos que nos permiten ser lo que somos hoy. Natalia y Herwin 8

9 AGRADECIMIENTOS Los autores expresan sus agradecimientos a: Al Director de Proyecto José Javier Martínez E., por el conocimiento, experiencia y acompañamiento brindado a lo largo del desarrollo del presente trabajo de grado. A la Pontificia Universidad Javeriana Cali en general, por los recursos humanos, académicos y tecnológicos brindados para el desarrollo del presente trabajo. 9

10 CONTENIDO RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN GENERALIDADES DEL PROYECTO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ANTECEDENTES OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Específicos JUSTIFICACIÓN ALCANCE FUNDAMENTACION TEÓRICA LLANTAS USADAS EL CONCRETO POLVO CALCÁREO NORMAS NTC Caracterización de los Agregados Finos y Gruesos Diseño de Mezcla de Concreto ASPECTOS METODOLOGICOS DE LA INVESTIGACION CARACTERÍSTIZACIÓN FÍSICA DE LOS MATERIALES Agregado Grueso Agregado Fino

11 Caracterización del Cemento Caracterización de la Arena Caucho DISEÑO DE MEZCLA Selección de Asentamiento Selección de Tamaño Máximo Estimación de Contenido de Aire Estimación del Contenido de Agua de Mezclado Determinación de la Resistencia de Diseño Selección de Agua Cemento Calculo del Contenido de Cemento Estimación de las Proporciones de los Agregados Ajuste por humedad Ajuste de Mezcla Dosificación de la Sustitución Parcial de Agregado Fino por Caucho Dosificaciones finales por mezcla IDENTIFICACIÓN DE MEZCLAS ELABORACION Y ENSAYO DE ESPECIMENES DE CONCRETO HIDRAULICO ENSAYOS DEL CONCRETO EN ESTADO FRESCO Medida de la Manejabilidad Método de Ensayo para Determinar el Asentamiento del Concreto- NTC Elaboración y curado de muestras de concreto- NTC

12 3.6 ENSAYOS DE CONCRETO EN ESTADO ENDURECIDO Ensayo de Resistencia a la Compresión de Especímenes Cilíndricos de concreto- NTC Método de Ensayo para Determinar la Resistencia a la Tracción Indirecta de especímenes cilíndricos de concreto- NTC Determinación del Módulo de Elasticidad Estático en Concreto a compresión- NTC ANALISIS DE RESULTADOS Mezcla de concreto en estado fresco Consistencia de la mezcla Mezcla de concreto en estado endurecido Resistencia a la compresión Resistencia a la tracción indirecta Módulo de elasticidad Análisis estadístico CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ANEXOS BIBLIOGRAFÍA

13 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Ensayos para caracterización agregados finos Tabla 2. Ensayos para caracterización agregados gruesos Tabla 3. Densidad relativa y porcentaje de absorción Agregado Grueso Tabla 4. Densidad relativa y porcentaje de absorción Agregado Fino Tabla 5. Densidad relativa aparente Tabla 6. Cantidad aproximada de aire esperado en concreto sin aire incluido para diferentes tamaños máximos de agregados Tabla 7. Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaños máximos de agregado, con partículas de forma angular y textura rugosa, en concreto con sin aire incluido Tabla 8. Correspondencia entre la resistencia a la compresión a los 28 días de edad y la relación agua cemento para los cementos colombianos, portland tipo I en concretos sin aire incluido Tabla 9. Límites de gradación recomendados par granulometrías continúas en porcentaje que pasa para distintos tamaños máximos de agregado. Fuente: (Guzmán, 2000) Tabla 10. Granulometría de agregado grueso y fino utilizado para la elaboración de la mezcla Tabla 11. Combinación de agregado Grueso y Fino incluyendo los limites superiores e inferiores Tabla 12. Proporciones de cada ingrediente de mezcla de concreto patrón Tabla 13. Peso seco y volumen absoluto de los ingredientes por metro cubico de concreto Tabla 14. Peso seco y volumen absoluto de los ingredientes por metro cubico de concreto con ajustes de mezcla de concreto patrón Tabla 15. Volumen absoluto a remplazar de agregado fino por caucho molido

14 Tabla 16. Peso del caucho a agregar en la mezcla Tabla 17. Dosificación para mezcla de 5 % de caucho reciclado Tabla 18. Dosificación para mezcla de 10 % de caucho reciclado Tabla 19. Dosificación para mezcla de 15 % de caucho reciclado Tabla 20. Asentamiento presentado en las diferentes mezclas Tabla 21. Número y tipos de ensayos realizados durante la investigación Tabla 22. Resultados de resistencia promedio obtenidos del ensayo de resistencia de compresión en MPa Tabla 23. Resultado promedio de ensayos a la resistencia indirecta Tabla 24. Resultados módulo de elasticidad Tabla 25. Asentamiento de las muestras de los distintos diseños de mezclas. 72 Tabla 26. Desviación estándar para diferentes grados de control en kg/cm² Tabla 27. Datos estadísticos para mezcla con 0% de caucho Tabla 28. Datos estadísticos para mezcla con 5% de caucho Tabla 29. Datos estadísticos para mezcla con 10% de caucho Tabla 30. Datos estadísticos para mezcla con 15% de caucho Tabla 31. Datos estadísticos para mezcla con 5% de caucho recubierto Tabla 32. Datos estadísticos para mezcla con 10% de caucho recubierto Tabla 33. Datos estadísticos para mezcla con 15% de caucho recubierto

15 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mapa Conceptual para el desarrollo del marco teórico Figura 2. Proceso de triturado de caucho Figura 3. Deformación a la compresión vs peso específico de concretos y morteros adicionando caucho molido Figura 4. Goma finamente granulada y reemplazaba por árido fino (Khatib & Bayomy, 1999) Figura 5. Gránulos de neumático remplazados por grava Figura 6. Ambos tipos de goma fueron usados (Fino y Grueso) Figura 7.Ubicación geográfica de empresa Prodecales S.A. Vijes, Valle del Cauca Figura 8. Polvo calcáreo Figura 9. Ficha técnica de cemento gris tipo uso general Figura 10. Granulometría combinada (método gráfico) Figura 11. Curvas granulométricas de los límites inferiores y superiores para cada tamiz incluido la curva granulométrica de la combinación de agregados Figura 12. Cono de Abrams. Fuente (Matest, 2014) Figura 13. Molde metálico para la elaboración de cilindros de concreto con dimisiones de 4 de diámetro y 8 de alto Figura 14. Curado y acabado de los especímenes de concreto Figura 15. Ensayo a la compresión en maquina universal cilindros de 4 x Figura 16. Resultados de ensayos de resistencia a compresión sin recubrir con polvo calcáreo Figura 17.Resultados de ensayos de resistencia a compresión con recubrir con polvo calcáreo Figura 18. Variación en MPa de la resistencia a la compresión a los 28 días, respecto a la mezcla de referencia o patrón Figura 19. Tensiones aplicadas en el ensayo brasileño Figura 20. Probeta de hormigón sometida a ensayo de tracción indirecta

16 Figura 21. Variación de tracción indirecta de especímenes de concreto a 28 días de edad Figura 22. Ensayo de Modulo de elasticidad en concreto a compresión Figura 23. Ensayo de Modulo de elasticidad en concreto a compresión Figura 24. Esfuerzo - Deformación para diferentes tipos de mezcla de concreto con sustitución de caucho molido tratado con polvo calcáreo por agregado fino. Fuente: Elaboración Propia Figura 25.Variación de módulo de elasticidad de especímenes de concreto a 28 días de edad Figura 26. Resultados de ensayos de resistencia a compresión sin recubrir con polvo calcáreo Figura 27. Resultados de ensayos de resistencia a compresión con recubrir con polvo calcáreo Figura 28. Variación de la resistencia a la compresión a los 28 días, respecto a la mezcla de referencia o patrón Figura 29. Fracturas presentadas en especímenes de concreto modificado con caucho Figura 30.Variación de tracción indirecta de especímenes de concreto a 28 días de edad Figura 31. Variación de módulo de elasticidad de especímenes de concreto a 28 días de edad Figura 32. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla Patrón.. 79 Figura 33. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla modificada con adición de 5% de caucho Figura 34. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla modificada con adición de 10% de caucho Figura 35. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla modificada con adición de 15% de caucho Figura 36. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla modificada con adición de 5% de caucho recubierto con polvo calcáreo

17 Figura 37. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla modificada con adición de 10% de caucho recubierto con polvo calcáreo Figura 38. Distribución normal de la resistencia del diseño de mezcla modificada con adición de 15% de caucho recubierto con polvo calcáreo

18 RESUMEN Para el desarrollo de muchas de las actividades de la creciente sociedad actual son indispensables espacios adecuados que cumplan con estándares mínimos de calidad, funcionalidad y comodidad, como viviendas, redes viales, centros hospitalarios, fábricas, puertos, centrales hidroeléctricas entre otros. La principal materia prima para la construcción de dicha infraestructura es el concreto, cuyos componentes fundamentales son los agregados finos y gruesos, agua y cemento. Para la obtención de estos materiales son necesarias actividades que generan deterioro ambiental, pues los agregados son extraídos de canteras o riveras de ríos y por cada tonelada fabricada de cemento se emite a la atmosfera alrededor de una tonelada de bióxido de carbono (Pérez, 2011). Con el propósito de aportar a las investigaciones que buscan sustituir recursos básicos por reciclados provenientes de la producción del cemento y de las llantas en desuso se desarrolla el presente trabajo en beneficio de la disminución del impacto ambiental. Este trabajo tiene como propósito principal el estudio de los efectos de la incorporación de caucho molido tratado y no tratado con polvo calcáreo en diseños de mezcla de concreto por lo cual es necesario realizar ensayos bajo las normas NTC para caracterizar físicamente componentes del concreto y establecer un diseño de 15 MPa adicionando caucho molido tratado y no tratado con polvo calcáreo para posteriormente evaluar las propiedades mecánicas de los concretos diseñados. Se define 15 MPa como resistencia objetivo para ser empleado en concretos de uso no estructural. Del trabajo realizado se logró concluir que el concreto con sustitución de caucho molido entre el 5% y 10% de reemplazo de fino tratado con polvo calcáreo puede ser empleado para la elaboración de concretos que de uso no estructural (15 MPa). 18

19 Palabras clave: Agregados, cemento, caucho molido reciclado, polvo calcáreo, concreto y propiedades mecánicas del concreto. ABSTRACT For the development of many of the activities of the current growing society are indispensable adequate space that meet minimum standards of quality, functionality and comfort, such as housing, roads, hospitals, factories, ports, hydropower and others. The main raw material for the construction of such infrastructure is concrete, whose main components are the fine and coarse aggregates, water and cement. To obtain these materials are necessary activities that generates environmental degradation, because the aggregates are quarried or riverbanks and per each ton produced cement is emitted into the atmosphere about a ton of carbon dioxide (Pérez, 2011). In order to contribute to basic research seeking to replace recycled resources from cement production and waste tires this work for the benefit of the reduction of environmental impact is developed. This work has as main purpose the study of the effects of the addition of ground rubber treated and not treated with limestone powder mix designs of concrete for which test is required under the NTC rules to characterize physical components of concrete and establish a 15 MPa design by adding ground rubber treated and not treated with powdered limestone to further evaluate the mechanical properties of concrete designed. Resistance 15 MPa objective is defined for use in concrete nonstructural use. The work is able to conclude that replacing the concrete with ground rubber between 5% and 10 % replacement of lime -treated fine powder can be used for making concrete that no structural use (15 MPa). 19

20 Keywords: Aggregates, cement, recycled ground rubber, powdered limestone, concrete and mechanical properties of the concrete. INTRODUCCIÓN La industria de la construcción de infraestructura es una actividad que influye en gran medida en el desarrollo económico de los países pero que al mismo tiempo genera gran impacto en el medio ambiente por estar en continua interacción con éste, partiendo de la obtención de materias primas hasta la alteración de la corteza terrestre (Arenas Parejo, 2014). El ser humano no dejará de construir y de continuar construyendo de la manera en que lo ha hecho destruirá el entorno a tal punto de que escaseará el agua apta para el consumo y aire limpio para respirar. Es ahí en donde se generan nuevos retos para el ingeniero, cuya importancia radica en establecer un equilibrio entre las actividades humanas y la preservación del medio ambiente, en este caso puntual, la industria de la construcción de infraestructura. En esta industria el concreto es la materia prima preponderante que ha evolucionado según las necesidades de los constructores, frente propiedades como resistencia, durabilidad, trabajabilidad o estética, trayendo consigo una amplia variedad de alternativas que aportan eficiencia e innovación. El concreto consta de distintos compuestos como el cemento, agregados (finos y gruesos), agua, aditivos y adiciones. La producción del cemento deteriora la capa de ozono puesto que el 5% de toda la producción mundial de CO2 se debe a la fabricación del cemento (García, 2011), convirtiéndose de esa manera en un material que genera gran deterioro al entorno. Por otro lado, en los últimos años ha aumentado el parque automotor a nivel mundial lo que ha ocasionado el incremento del uso de llantas y una vez culmina la 20

21 vida útil de estas se convierten en un gran problema ambiental por la dificultad de su reutilización. El presente trabajo está enfocado en la disminución de los efectos negativos al medio ambiente, recuperando residuos para uso alternativo en materias primas de la industria concretera. Lo que se busca es evaluar la posibilidad de diseñar un concreto con agregados triturados de cantera y material reciclado de llanta triturada. Para el estudio, se hicieron ensayos experimentales (Norma Técnica Colombiana) en los cuales se realizó la caracterización de los agregados y de material reciclado y con ello se diseñó una mezcla de concreto patrón cuya resistencia es de 15 MPa para evaluar las propiedades mecánicas de esta. Posteriormente se elaboraron dos nuevos diseños en donde se reemplazó agregado fino por caucho triturado no tratado y caucho triturado tratado con polvo calcáreo para valorar sus propiedades mecánicas. Conforme a los resultados se analizó el comportamiento de ambas mezclas concluyendo que aquella que contiene reemplazo del 5% y 10% del agregado fino por caucho molido puede ser usada para la fabricación de concretos de uso no estructural. 1. GENERALIDADES DEL PROYECTO 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En Colombia se calcula que se consume un promedio entre 4,5 y 5,5 millones de llantas al año, de las cuales se recicla por incineración un 72 por ciento, se reencaucha un 17 por ciento, un 6 por ciento tiene un destino artesanal y a un 5 por ciento se le da otros usos, (Vásquez, 2011, p.). Pero en diversos contextos las llantas no pueden depositarse en los rellenos sanitarios para ser procesadas, ya sea por la obstrucción que provocan los grandes volúmenes o porque está prohibido acumularlos por riesgo de incendios subterráneos (Ministerio de Ambiente, 2009). 21

22 En nuestro país existen algunas empresas que tratan este producto triturando y separando los componentes de las llantas (caucho, acero y fibras), para poder darles usos alternativos, pero son pocas las que hacen esta labor debido a la falta de gestión e interacción entre la legislación y las grandes industrias. Cabe resaltar que el gobierno nacional apunta a proyectos en los que se involucra el uso del caucho reciclado en la construcción conforme lo informó el vicepresidente de la república, valorarán en los pliegos de licitaciones con 100 puntos adicionales a aquellos proponentes que en la mezcla asfáltica vayan a usar el grano que se deriva de las llantas usadas... (Lleras, 2015). A pesar de que el Valle del Cauca no es el departamento que mayor cantidad de llantas usadas genera al año (Ministerio de Ambiente, 2009), la existencia de dichos desechos es algo que se debe aprovechar. Actualmente, el caucho triturado es un material que no tiene un uso muy importante en la construcción. No obstante, según investigaciones dirigidas a la implementación del caucho, se pudo estudiar que tiene propiedades necesarias para ser utilizado como agregado en la preparación del concreto ya que sirve como material llenante, pero las investigaciones también revelan que el caucho disminuye la resistencia del concreto debido a la poca adherencia entre partículas (Barra Bizinotto, Jordana Riba, Royano García, & Vázquez Ramonich, 2009). A partir de lo anterior, el presente trabajo pretende investigar la posibilidad de diseñar un concreto no tratado y otro tratado con polvo calcáreo, de uso no estructural, que cumpla con la resistencia de 15 MPa, generando proyectos más eficientes y de gran utilidad para la industria de la construcción, ya que reemplazaría el uso de componentes vírgenes por materiales reciclados. 1.2 ANTECEDENTES 22

23 Issa & Salem (2013) realizaron en el Líbano un estudio que tuvo como objeto encontrar la manera de disminuir el porcentaje de agregados finos sustituyéndolo por caucho molido. Esto se logró tratando de asemejar la gradación del caucho a la del agregado fino y así sustituir estos agregados por su correspondiente volumen de caucho en polvo. Obtuvieron buenos resultados de resistencia a compresión cuando el contenido de caucho es inferior a 25%, debido a la mejora de la ductilidad del hormigón concluyeron que podría implementarse en elementos resistentes a los golpes o impacto por ejemplo los separadores viales. Pelsser, Zavarise, Longo & Bernardin (2011), elaboraron un estudio en Brasil, en el que estudiaron la viabilidad técnica de la sustitución de la arena en concreto adicionando cauchos sometidos a tratamientos químicos de hidróxido de sodio, y a la adición de humo de sílice para recuperar la resistencia, específicamente para una resistencia a la compresión de 50 MPa. Observaron que el hormigón con caucho presenta una reducción significa en la fuerza en comparación con el hormigón al que no se le agrega caucho. Sin embargo, el hormigón al que se le adiciono caucho tratado químicamente presentó una recuperación excepcional de la fuerza a compresión perdida. Concluyendo que el caucho de neumático reciclado demuestra ser una excelente agregado para ser empleado en mezclas de concreto; no obstante, debido a las pérdidas de resistencia agregar hidróxido de sodio y humo de sílice recupera significativamente la resistencia a la compresión. Muñoz Ojeda (2011) realizó en Chile una tesis de trabajo de grado cuyo objeto fue estudiar la características de resistencia del concreto adicionando ceniza clase F junto con caucho reciclado, donde encontró que el concreto disminuye sus características resistentes a medida que se reemplaza ceniza por cemento portland en cambio con la interacción caucho/ceniza también influyen en la disminución de las resistencias del hormigón, pero en menor medida. En el año 2009 se realizó en Barcelona en la universidad de Cataluña una investigación titulada Realización de ensayos de laboratorio de hormigón con 23

24 caucho procedente de neumáticos fuera de uso (NFU) en el cual estudiaron experimentalmente la influencia de la incorporación de partículas de caucho molido para evaluar las propiedades físicas y mecánicas del concreto. El reemplazo se hizo por volumen en función de los áridos. Los investigadores concluyeron que el concreto experimenta una considerable disminución de la resistencia a la compresión y que a medida que se adiciona en reemplazo más caucho más disminuye la resistencia. (Barra Bizinotto, Jordana Riba, Royano García, & Vázquez Ramonich, 2009) Nabil & Al-Akhras (2003), realizaron una investigación en Filipinas que tuvo como objeto el estudio de las propiedades de tiras de caucho molido como suplemento de arena en la preparación de concreto, en la cual concluyeron que la tasa de desarrollo de resistencia a la compresión es relativamente lenta y que la adición de caucho disminuye sustancialmente la resistencia a la compresión. 1.3 OBJETIVOS Objetivo General Estudiar los efectos de la incorporación de caucho molido recubierto con polvo calcáreo en diseños de mezcla de concreto Objetivos Específicos Caracterizar físicamente el cemento portland, agregados y material reciclado. Establecer las dosificaciones adecuadas de cada uno de los componentes del concreto de referencia de 15 MPa con el fin de definir una meta con relación a las propiedades que serán analizadas. Determinar las cantidades adecuadas del caucho reciclado recubierto de polvo calcáreo que reemplazará el agregado fino mediante diseños de mezcla. 24

25 Evaluar las propiedades mecánicas del concreto modificado en estado endurecido. 1.4 JUSTIFICACIÓN En la actualidad los ingenieros civiles, arquitectos y profesionales a fines, por trabajar en una de las industrias más contaminantes, se han fijado en temas como el Leed Construcción y energías limpias con el fin de disminuir los efectos negativos causados al medio ambiente por la industria a la construcción. Con ese mismo propósito se han desarrollado materias primas que involucran el reciclaje pero son necesarias más investigaciones para brindar calidad y economía garantizando un comportamiento adecuado del material. Adicionar caucho molido a las mezclas de concreto es algo que aún es nuevo para la industria, pero que a futuro podría llegar a ser una solución que mitigaría la contaminación que generan las llantas usadas, disminuiría la cantidad de agregados finos que deben ser explotados y se aprovecharía materiales de naturaleza inorgánica. En este trabajo se continua con las investigaciones para encontrar la dosificación adecuada para el desarrollo de un posible diseño de mezcla para uso no estructural (15 MPa), útil en la industria y amigable con el medio ambiente; además de ello, se pretende contribuir a la realidad nacional que por medio del Plan Nacional de Desarrollo (Departamento Nacional de Planeacion, Colombia, 2014), y otros programas nacionales se han trazado objetivos y lineamientos con el fin de crear un equilibrio entre la protección ambiental, el progreso económico y el bienestar humano. 1.5 ALCANCE El trabajo de grado pretende estudiar las propiedades mecánicas de diseños de mezcla de concreto en el cual se reemplaza parte de los agregados finos por caucho 25

26 molido. El caucho molido a incorporar en las mezclas se presentó en dos alternativas: uno sin tratamiento previo y otro tratado con polvo calcáreo buscando mejorar la adhesión del caucho con el concreto ya que el principal inconveniente de este es la adherencia con los agregados (Barra Bizinotto, Jordana Riba, Royano García, & Vázquez Ramonich, 2009). Para lograrlo, se debe hacer la caracterización de cada uno de los materiales empleados, realizar diseños de mezclas de concreto buscando la mejor dosificación de los materiales y analizar las propiedades de tracción y compresión de estos. Con base en ello, el alcance del proyecto es estudiar los efectos de la incorporación de caucho molido recubierto con polvo calcáreo en diseños de mezcla de concreto de resistencia de 15 MPa. 2. FUNDAMENTACION TEÓRICA En el siguiente mapa conceptual se presenta la estructura del marco teórico en función de los temas tratados. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO MECANICO DEL CONCRETO, SUSTITUYENDO PARCIALMENTE EL AGREGADO FINO POR CAUCHO MOLIDO TRATADO CON POLVO CALCAREO PARA LA ELABORACION DE ADOQUINES PEATONALES Llantas usadas Definicion de concreto Reglamentos y especificaciones tecnicas Posible aplicacion o uso de mezcla diseñada Estado actual de la contamincación Elementos que lo componen Propiedades del concreto Diseños de mezcla Normas NTC Normas NTC Caucho molido Material que mejore propiedades Normas NTC Polvo Calcareo Figura 1. Mapa Conceptual para el desarrollo del marco teórico. Fuente: Elaboración propia. 2.1 LLANTAS USADAS 26

27 A principio del año 2012 se desarrolló una resolución ( Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2012), en donde se aprobó un sistema de recolección selectiva y la gestión ambiental de residuos de llantas usadas. Aunque esto implicó un gran aporte a la gestión ambiental, el Ministerio de Ambiente considera que aún no existen antecedentes suficientes para continuar con la actuación administrativa de protección ambiental y que en últimas aunque se recolecten las llantas no tienen un destino claro establecido. En los últimos años las llantas molidas o procesadas se han reutilizado en modificación de betunes, sellado de fisuras de pavimentos, ligantes para tratamientos superficiales y pavimentos de áreas deportivas (ASOCEM, 2013) pero es una actividad que ha sido limitada por diversas razones entre las que se destaca la modernización de los neumáticos pues su configuración actual posee mayor cantidad de metales lo que dificulta su reutilización. Las llantas o neumáticos son básicamente una cubierta de caucho la cual debe ser capaz de soportar el peso del vehículo y su carga, conforme al diseño y uso. Para su fabricación se emplean distintos materiales tal como textiles, caucho y metales (Castro, Reutilizacion, reciclado y disposicion final de neumaticos, 2007). Una vez culmina la vida útil de las llantas, son sometidas a un proceso de trituración mecánica en el cual el caucho es procesado y convertido en gránulos, separan el acero y las fibras, de acuerdo al uso establecido es vulcanizado o no. A continuación se describe el proceso de triturado. 27

28 Recoleccion de llantas usadas Alimentación a maquinaria por banda transportadora Triturado inicial, tamaños de 3" a 5" Material triturado ingresa al "Rasper", donde ser separan los componentes Con iman en forma de rodillo se separa el acero (1er subproducto) Obtencion de TDF (2do subproducto) Usado como sustituto de combustibles fosliles Pasa a traves de equipos de granulado para ser convertido en granulo Extracción de fibra de caucho y separacion por medio de sarandas. Obtencion de distintos tamaños granulare (3er subproducto)s Figura 2. Proceso de triturado de caucho 28

29 2.2 EL CONCRETO Tal como se mencionó antes, uno de los materiales más empleados en la industria de la construcción es el concreto u hormigón. El concreto es una mezcla de diversos elementos que dosificados adecuadamente brindan al constructor distintas propiedades conforme sean las necesidades de la obra que se debe ejecutar y los reglamentos y especificaciones de los países en que se fabrica (Holcim, 2013). Dentro de los elementos que lo componen están los agregados, agua, aire, y cemento, en donde cada uno cumple un papel fundamental en la mezcla. El cemento posee propiedades de cohesión y adhesión que permite el aglutinamiento de los agregados. Existen muchos tipos de cemento dependiendo de su composición química, grado de hidratación, velocidad de fraguado, finura de las partículas y determinadas resistencias mecánicas que pueda llegar a desarrollar. En esta investigación se empleó cemento de la empresa Argos tipo Gris de uso general pues se emplea en obras que no requieren propiedades especiales (Argos, 2015). Otro de los elementos que componen el concreto son los agregados, que pueden ser finos o gruesos según sea su granulometría y se definen como materiales inertes que poseen una resistencia propia, siendo la principal razón de su uso que actúan como material de relleno y proporcionan parte de la resistencia a compresión del hormigón (Holcim, 2013), los agregados empleados en la presente investigación provienen de la empresa Ingeoc S.A ubicada en el sector de Arroyohondo, Valle del Cauca. También se empleó agua cuya función es hidratar las partículas de cemento permitiéndoles desarrollar sus propiedades aglutinantes. (Instituto de Concreto, 2000). 29

30 La resistencia potencial del concreto varia ampliamente dependiendo de las propiedades de los materiales y de las proporciones. En cuanto a las especificaciones técnicas, en Colombia se emplean las Normas Técnicas Colombianas (NTC) que son traducciones adaptadas de las ASTM (Las normas ASTM son documentos de la American Section of the International Association for Testing Materials que se han desarrollado con el propósito de reglamentar requisitos y procedimientos de diseño, fabricación y comercio de la economía global, estas normas son conocidas por su pertinencia y alta calidad técnica). Dentro de la industria de la construcción, los residuos de los neumáticos se han adicionado a las mezclas para la producción de concreto ligero prefabricado, pavimentos de concreto y paneles resistentes al impacto (ASOCEM, 2013). Ciertos estudios coinciden en indicar que las características de los neumáticos no modifican las propiedades propias del cemento pero provoca una considerable pérdida de resistencia de la mezcla que se debe a la poca adherencia existente entre el caucho y la pasta de cemento, para lo cual debe haber un material que contrarreste ese efecto (ASOCEM, 2013). Con dicho propósito, en las investigaciones llevadas a cabo se ha agregado micro sílice, fibras de acero y polvo calcáreo, entre otros materiales (Issa & Salem, 2013). En la disminución de la resistencia a compresión que se presenta en el concreto influyen en gran medida el tipo y el tamaño de partículas de caucho en orden de magnitud, es decir, a medida que aumenta el tamaño de caucho molido la resistencia del concreto tiende a Disminuir (Fattuhi & Clark, 1996). La Figura 3 muestra la caída de la resistencia a compresión frente al peso específico del concreto, la cual disminuye al aumentar la cantidad de caucho en remplazo de otros materiales en la preparación del concreto. En otras palabras, la inclusión de gránulos gruesos de caucho que reemplazan la parte gruesa de la mezcla, baja mucho más la resistencia a la compresión de las mezclas en donde solo se sustituye la parte fina. (Khaloo, Dehestani, & Rahmatabadi, 2008) 30

31 Fuerza de compresión (MPa) Pasta de cemento con caucho Mortero con caucho Mortero ordinario, sin caucho Concreto ordinario, sin caucho Concreto con caucho Densidad kg/m³ Figura 3. Deformación a la compresión vs peso específico de concretos y morteros adicionando caucho molido. (Fattuhi & Clark, 1996) Esta tendencia se evidencia en la investigación de Khatib & Bayomy (1999) en donde desarrollaron 3 grupos de distintas mezclas de caucho: -Grupo A: La goma era finamente granulada y reemplazaba el árido fino. Ocho distintas cantidades de agregado fino, entre 5 100% por volumen, fueron usadas en este grupo. Esto significa que para un 100% de contenido de goma, se reemplazaba la totalidad de la arena por caucho. Ver Figura 4. 31

32 Figura 4. Gaucho granulado y reemplazaba por árido fino (Khatib & Bayomy, 1999). -Grupo B: Caucho molido de neumático fueron usados para reemplazar la grava. Ocho distintas cantidades de tamaños, entre 5 100% por volumen, fueron usadas. O sea que para un 100% de contenido de goma, se sustituía la totalidad de la grava por gránulos de neumático Ver Figura 5. Figura 5. Gránulos de neumático remplazados por grava.(khatib & Bayomy, 1999) -Grupo C: Ambos tipos de goma fueron usados (fino y grueso) y el criterio para reemplazar la arena por goma fina y la grava por gránulos gruesos se mantuvo. También ocho distintas cantidades fueron usadas (5 100%), pero el contenido de caucho se dividió en partes iguales entre la goma fina y gruesa de neumático. Esto se traduce en que para un 100% de contenido de goma, el caucho fino reemplazaba un 50% del volumen de arena y los gránulos gruesos de goma sustituían un 50% del volumen de grava. Eso sí, en este grupo el máximo de contenido de goma reemplazaba era del 50% del volumen total de los agregados. Ver Figura 6. 32

33 Figura 6. Ambos tipos de goma (Fino y Grueso) Fuente: (Khatib & Bayomy, 1999) De este modo Khatib y Bayomi (1999) concluyeron que se debían usar mezclas con bajo contenido de goma (hasta un 20%), para mantener una cierta resistencia comparable a la de un concreto corriente de similares características y que los gránulos de caucho a utilizarse debían ser del menor tamaño posible. Debido a ello en esta investigación se hará reemplazo del agregado fino por caucho molido no tratado y tratado con polvo calcáreo en un 5%, 10% y 15% del volumen del agregado. Para mitigar la disminución de la resistencia a compresión de la mezcla debido al reemplazo del árido, el caucho será tratado previamente con polvo calcáreo. 2.3 POLVO CALCÁREO Polvo calcáreo es el conjunto de partículas finamente divididas procedentes de la trituración de rocas minerales y molienda de agregados (Salgado Barra & Momm, 2009) El polvo calcáreo empleado en este trabajo pertenece a la cantera de la empresa Prodecales S.A. ubicado en el municipio de Vijes, Valle del Cauca. Ver Figura 7. 33

34 Figura 7.Ubicación geográfica de empresa Prodecales S.A. Vijes, Valle del Cauca. Fuente: (Google, 2014) En el presente trabajo se empleó el polvo calcáreo aprovechando las propiedades de adherencia y cohesión que lo caracteriza (Roldán, 2010). Dada la poca adherencia que existe entre las partículas de caucho y cemento, se trató el caucho molido con polvo calcáreo buscando mejorar la adherencia entre la pasta de cemento y caucho pues este polvo se comporta como un aglomerante debido a los compuestos mineralógicos silícicos (Salazar, 2010). Figura 8. Polvo calcáreo (Flexicon, 2015) El tratamiento de caucho molido se realizó de la siguiente manera: Sobre una bandeja plástica se esparció la totalidad del caucho a tratar (2 k*) y fue humedecido intentando que todas las superficies de los gránulos quedaran totalmente empapados (1.5* l de agua), posterior a ello se roció con polvo calcáreo 34

35 (5* kg). Una vez culminado este proceso se procedió a emplear el caucho en las mezclas de concreto modificado. 2.4 NORMAS NTC Una vez establecidos los materiales a emplear se llevan a cabo los procesos experimentales necesarios para hacer los diseños de mezcla y posterior análisis de sus propiedades. Para llevar a dichos procesos fue necesaria la realización de ensayos de laboratorios bajo las normas NTC. Las normas NTC son un conjunto de documentos creados por el Icontec los cuales establecen directrices, reglas y características de un proceso o producto permitiendo alcanzar la calidad (Trillos Orduz, 2013). A continuación se mencionan las Normas NTC empleadas según el tipo de material Caracterización de los Agregados Finos y Gruesos. Con el fin de obtener los datos necesarios para la dosificación, se caracterizaron los materiales, para ello se tomaron muestras de los agregados utilizados como arena y caucho para el caso de los materiales finos y muestras de grava para el caso de los agregados gruesos. El caucho se tomó como agregado fino dada su granulometría, pero para la determinación de la masa unitaria y los vacíos entre partículas se tomó como agregado grueso pues al realizar este ensayo con el caucho molido, los gránulos flotaban en el agua por lo que fue necesario realizar el ensayo con un trozo de caucho sin triturar o moler. Al cemento y al polvo calcáreo (agregados finos) no se le hicieron ensayos pues las empresas proveedoras del material entregaron las fichas. En las tablas Tabla 1 y Tabla 2 muestran los ensayos realizados: 35

36 Tabla 1. Ensayos para caracterización agregados finos Nombre del Ensayo No. Ensayo NTC Descripción. Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos Método para determinar la densidad y la absorción del agregado fino Fuente: Elaboración propia Esta norma abarca la determinación de la distribución de los tamaños de las partículas que componen los agregados finos y gruesos, a través de un proceso de tamizado. Esta norma este método de ensayo cubre la determinación de la densidad aparente y nominal, a una condición de temperatura de 23 c a +- 2 c y la absorción del agregado fino. Tabla 2. Ensayos para caracterización agregados gruesos Nombre del Ensayo Método de ensayo para el análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos Método de ensayo para determinar la densidad y la absorción del agregado grueso Determinación de la masa unitaria y los vacíos entre partículas de agregados. No. de ensayo NTC Diseño de Mezcla de Concreto. Descripción. Esta norma abarca la determinación de la distribución de los tamaños de las partículas que componen los agregados finos y gruesos, a través de un proceso de tamizado. Este ensayo tiene por objeto determinar la densidad y la absorción del agregado grueso. La densidad se puede expresar como densidad aparente, densidad aparente SSS (saturada y superficialmente seca), o densidad nominal. Esta norma determina la masa unitaria en condición compactada o suelta y el cálculo de los vacíos entre las partículas de agregados finos, gruesos o mezclados Fuente: Elaboración propia Una vez realizada la caracterización de los materiales se procede a hacer el diseño de mezcla de concreto. 36

37 El diseño de mezcla de un concreto se basa principalmente en conseguir una determinada resistencia a compresión en una edad específica y cumplir las propiedades que el concreto debe tener cuando la estructura esté en servicio. (Osorio, 2013). Existen distintos métodos de diseño de dentro de los cuales estan: - Método ACI - Metodo Fuller - Metodo Bolomey - Metodo Faury - Método Gráfico - Entre otros Las mezclas de diseño en el presente trabajo se harán empleando el método Grafico. Este método permite encontrar de manera más apropiada la dosificación de los agregados gruesos y finos incluyendo aquellos cuya granulometría no cumpla con los límites establecidos en la norma NTC 174 pues optimiza la gradación llegando a la máxima densidad (Sanchez de Guzman, 2000). La curva de gradación de este diseño debe estar entre una curva límite superior e inferior establecidas por la ACI, estas curvas corresponden a granulometrías continuas apropiadas para distintos tamaños máximos de agregados. (Guzmán, 2000) Para la elaboración del diseño de mezcla se deben seguir los siguientes pasos Selección de asentamiento Selección de tamaño máximo del agregado Estimación del contenido de aire Estimación del contenido de agua Determinación de resistencia de diseño Selección de la relación agua-cemento Calculo de contenido de cemento 37

38 Estimación de las proporciones de los agregados Ajustes por humedad de los agregados 3. ASPECTOS METODOLOGICOS DE LA INVESTIGACION 3.1. CARACTERÍSTIZACIÓN FÍSICA DE LOS MATERIALES Agregado Grueso Para la caracterización del agregado grueso se realizó el ensayo a tres muestras (1, 2 y 3) de las cuales se obtuvo los resultados contenidos en la Tabla Agregado Fino Caracterización del Cemento El producto tiene definidas sus características certificadas porque es adquirido directamente del fabricante, razón por la cual no requiere pruebas específicas. En la Figura 9. Ficha técnica de cemento gris tipo uso general se muestra la ficha técnica del cemento empleado en la presente investigación Caracterización de la Arena. Para la caracterización del agregado fino (arena) se hizo el mismo proceso que para el agregado grueso, es decir el ensayo se le realizó a tres muestras de agregado fino (1, 2 y 3) de las cuales se obtuvo los resultados contenidos en la Tabla 4. 38

39 Tabla 3. Densidad relativa y porcentaje de absorción Agregado Grueso NTC 176 Ensayo Peso recipiente Peso recipiente+ muestra sss S Peso muestra en inmersión C Peso recipiente + muestra seca Peso muestra sss B Peso muestra seca A Promedio Densidad Relativa (OD)=A/(B-C) Densidad Relativa (SSD)=B/(B-C) Densidad relativa Aparente = A/(A-C) Absorción %= ((B-A)/A)X Fuente: Elaboración propia Tabla 4. Densidad relativa y porcentaje de absorción Agregado Fino ASTM C Ensayo Peso recipiente Peso muestra sss S Peso Picnómetro + muestra + agua C Temperatura de ensayo Peso recipiente + muestra seca Peso muestra seca A Peso picnómetro + agua B Promedio Densidad Relativa (OD)=A/(B+S-C) Densidad Relativa (SSD)=B/(B+S-C) Densidad relativa Aparente = A/(A-C) Absorción %= ((S-A)/A)X Fuente: Elaboración propia 39

40 Figura 9. Ficha técnica de cemento gris tipo uso general Fuente: (Argos, 2015) Caucho. Para poder realizar la densidad relativa del caucho se utilizó un pedazo de caucho antes de ser triturado, ya que el caucho triturado es complicado de manejar una vez se es mezclado con agua por lo que tiende a flotar. Es por esto que con un trozo único de caucho se le pudo encontrar la densidad relativa con el ensayo de densidad para agregados gruesos. Tabla 5. Densidad relativa aparente. Fuente: Elaboración propia NTC 176 Peso del caucho en inmersión C Peso caucho seco A

41 Densidad relativa Aparente = A/(A-C) DISEÑO DE MEZCLA El propósito del diseño de mezcla consiste en seleccionar los ingredientes disponibles (cemento, agregados y agua) y la determinación de sus cantidades relativas para producir, tan económicamente como sea posible, concreto con el grado requerido de manejabilidad, que al endurecer a la velocidad apropiada adquiera las propiedades de resistencia, durabilidad, peso unitario, estabilidad del volumen y apariencia adecuadas. Estas proporciones dependen de las propiedades y características de los ingredientes usados, las propiedades particulares bajo las cuales el concreto será producido y colocado. Procedimiento de diseño. Selección de asentamiento Selección de tamaño máximo del agregado Estimación del contenido de aire Estimación del contenido de agua Determinación de resistencia de diseño Selección de la relación agua-cemento Calculo de contenido de cemento Estimación de las proporciones de los agregados Ajustes por humedad de los agregados Dosificación de la sustitución parcial de agregado fino por caucho Dosificaciones finales por diseño de mezcla Selección de Asentamiento. cm. La consistencia que se requiere para el diseño de mezcla planteado es de

42 3.2.2 Selección de Tamaño Máximo. En el presente trabajo se considera que los concretos de uso no estructural no contiene refuerzos de ningún tipo y no requiere propiedades especiales para ser bombeado, es por esto que no es necesario calcular el tamaño máximo del agregado. Por lo tanto se toma como tamaño máximo el agregado de Estimación de Contenido de Aire. Durante el mezclado de los materiales queda aire naturalmente atrapado en la mezcla y para esto los comités 211 y 318 del A.C.I. indican las cantidades aproximadas de aire atrapado que pueden ser esperadas en un concreto sin aire incluido. En este caso el tamaño máximo nominal del agregado grueso es de ¾ y siguiendo la tabla dada por los comités de la A.C.I da un porcentaje de 2.0 %. Ver Tabla 6. Tabla 6. Cantidad aproximada de aire esperado en concreto sin aire incluido para diferentes tamaños máximos de agregados. Tamaño máximo nominal del agregado mm pul /8" /2" /4" " /2" Fuente: (Guzmán, 2000) Estimación del Contenido de Agua de Mezclado. Naturalmente atrapado 42

43 El agua de mezclado cumple dos funciones principales en una mezcla de concreto, una es hidratar las partículas de cemento y la otra es dar fluidez necesaria. Para esto se debe tener en cuenta la forma de las partículas, textura y la granulometría respecto al tamaño máximo. Para ello se toma la tabla presentada en el libro Tecnología del Concreto y del Mortero (Guzmán, 2000) en donde se indica la cantidad de agua de mezclado para concreto sin aire incluido, en función del tamaño máximo, forma y textura del agregado. Tabla 7. Requerimiento aproximado de agua de mezclado para diferentes asentamientos y tamaños máximos de agregado, con partículas de forma angular y textura rugosa, en concreto con sin aire incluido Asentamiento Tamaño máximo del agregado (mm) mm pul Agua de mezclado en kg/m³ de concreto Fuente: (Guzmán, 2000) Determinación de la Resistencia de Diseño. De acuerdo Normas colombianas y diseño de construcción sismo resistente NSR-10, el concreto debe diseñarse y producirse para asegurar una resistencia a la compresión promedio f cr lo suficientemente alta para minimizar la frecuencia por debajo del valor de la resistencia a la compresión especificada del concreto f c. La resistencia a la compresión es calculada con la siguiente expresión. 43

44 = + Dónde: f cr = Promedio requerido de resistencia. f c = Resistencia requerida t = Constante que depende de la proporción de pruebas que puede caer por debajo del valor f c σ = Valor estimado reestimado de la desviación estándar. Esto es para cuando se tiene al menos 30 pruebas anteriores, pero en este caso no se cuenta con dicha información. (Guzmán, 2000) El uso del concreto a diseñar será no estructural y no estará expuesto a ningún tipo de condición severa como lo son la exposición a soluciones que contengan sulfatos, por lo cual la resistencia es 210 Kg/cm² o 21 MPa Selección de Agua Cemento. La resistencia del concreto se rige principalmente por la resistencia e interacción de sus fases constituyentes: pasta de cemento, agregado e interfaces de adherencia pasta-agregado, es común que los diferentes agregados y cementos produzcan distintas resistencia con la misma relación agua cemento. En un estudio realizado por la Pontificia Universidad Javeriana Bogotá, se obtuvieron valores de la resistencia de 28 días de edad del concreto y la relación agua cemento para los cementos colombianos portland tipo I, en concretos con aire incluido. Este estudio consistió en comparar los diferentes cementos tipo I de Colombia en concretos diseñado bajo las mismas condiciones con los mismos materiales, curado a temperatura y humedad normales. Este estudio dio como resultado dos límites de relación de agua cemento para diferentes tipos de resistencia. (Guzmán, 2000) 44