Uso de los residuos de construcción y demolición en la fabricación de hormigón, para uso estructural. Evaluación de las propiedades mecánicas

Transcripción

1 Uso de los residuos de construcción y demolición en la fabricación de hormigón, para uso estructural. Evaluación de las propiedades mecánicas Alberto DOMINGO, Maria J. PELUFO, Pedro SERNA, Vivian A. ULLOA*, Needy N. VERGARA Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera s/n, Valencia, España Resumen En este trabajo se analiza el comportamiento de los diferentes tipos de hormigón con áridos reciclados respecto a sus propiedades mecánicas, como un paso para valorizar el uso de este residuo que contribuye al ciclo cerrado de la construcción. Se pretende evidenciar la necesidad de estudios sobre el comportamiento de los residuos de construcción y demolición RCD para potenciar su utilización en la industria de la construcción, con el fin de reducir los vertidos y la extracción incontrolada de recursos naturales apuntando hacia el desarrollo del sector de la construcción de manera sostenible. Dentro del desarrollo de la investigación se han estudiado las propiedades de hormigones con cuatro porcentajes de sustitución de árido grueso por árido reciclado 0%, 20%, 50% y 100%. Se evalúa la trabajabilidad de éstos en estado fresco y en estado endurecido se valora la resistencia a compresión y la resistencia a tracción. La calidad del hormigón se vio influenciada por el porcentaje de sustitución de áridos introducido en la mezcla. La trabajabilidad disminuye a medida que se incorpora árido reciclado en el hormigón, con lo cual la cantidad de aditivo necesario para mantener la consistencia también es estudiada. La resistencia a tracción presento una variación cerca del 10% y la resistencia a compresión se ve influenciada por la cantidad tanto de árido reciclado como de aditivo incorporado al hormigón. Palabras clave: Residuos de construcción y demolición, hormigón, áridos reciclados, propiedades mecánicas. Introducción El mundo crece a un ritmo vertiginoso y las nuevas tecnologías deben trabajar para optimizar los procesos, de manera que la utilización y explotación de los recursos se haga de manera eficiente en el medio natural en que nos desarrollamos. La industria de la construcción por sí misma, no es una actividad ambientalmente amistosa; genera efectos, como el uso y deterioro del suelo, el agotamiento de los recursos, la generación de residuos y en general varias formas de contaminación [1] representadas en emisiones, explotaciones, extracciones, vertidos, etc. El sector de la construcción debe actuar de manera responsable frente a la conservación de los recursos naturales y el medio ambiente y en este camino la preocupación por la gestión sobre los residuos RCD va en aumento, desarrollándose investigaciones enfocadas a optimizar el uso de residuos de construcción. En los Países Bajos se busca aumentar el nivel de reciclaje introduciendo lo que ellos llaman Closed Cycle 1

2 Construction, lo cual llevaría a superar el actual 95% del reciclaje de la fracción gruesa de los RCD [2]. En otros países como Brasil se se ha trabajado en la creación de nuevos materiales a partir de RCD y residuos de producción de cal LPW (por sus siglas en ingles), llegando a generar un material a partir de la fracción fina ( 1,18mm), que alcanza resistencias de hasta 30 MPa con una sustitución del 40% LPW y 60% RCD [3]. Todo lo anterior es una muestra del gran interés en el mundo por la incorporación de actividades limpias, que puedan disminuir los impactos generados al medio ambiente optimizando el uso de los recursos en busca de un desarrollo sostenible en el ámbito de la construcción. Considerando que la industria de la construcción, representa un motor indispensable en la economía, investigadores de muchos países del mundo se interesan en analizar y evaluar la posibilidad de introducir áridos reciclados (AR) en la fabricación de nuevos hormigones (HR), si tenemos en cuenta que los áridos representan las tres cuartas partes del volumen total del hormigón. Para ello se debe estudiar a fondo las características y propiedades de este nuevo material. En España para 2006, según el análisis de fuentes de información disponibles en el Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino, se estima que se producen alrededor de 40 millones de toneladas de residuos al año y su gestión se realiza mediante plantas de transformación, plantas de tratamiento y vertederos autorizados con el objetivo de hacer un uso óptimo de los RCD [4]. Los áridos reciclados subproductos del hormigón triturado, pueden estar alterados o deteriorados, generalmente por un ataque químico y/o físico, tal como carbonatación, ataque del sulfato, corrosión inducida por cloruros o una pérdida de resistencia. Por lo tanto, el hormigón reciclado HR puede ser más susceptible al ataque de agentes agresivos, y la pasta de cemento puede perder sus características inhibidoras hacia propiedades como la corrosión del acero. Por otra parte, el árido reciclado es más poroso, comparado con el árido natural, debido al contenido en mortero adherido. La mayor porosidad que presenta el árido reciclado disminuye la fuerza adherente entre la pasta y el árido, conduciendo a una pérdida de la resistencia mecánica del hormigón, el aumento en la permeabilidad [5]. Lógicamente la calidad del árido repercute directamente en las propiedades del hormigón [6]. En el camino de potenciar el uso de los residuos la RILEM [7], generó en 2004 un informe sobre el uso de áridos reciclados, donde concluye que una sustitución del 20% de árido natural por árido reciclado en la fabricación de hormigón estructural es habitual en las ciudades Europeas, pero limita el uso de éste a la fracción gruesa, ( 4 mm ;muy similar a la ASTM C 125, >4.75mm) para garantizar que se mantengan las propiedades mecánicas del hormigón y permitiendo el uso de porcentajes mayores sólo bajo un estricto control experimental de sus características de resistencia y durabilidad. Descarta el uso de la fracción fina debido a los efectos adversos que puede tener sobre la trabajabilidad, la retracción y la fluencia. En este estudio se analiza el comportamiento de los diferentes tipos de hormigón con respecto no sólo a la resistencia a compresión, sino también su trabajabilidad, ya que es una propiedad que da garantías y permite que el hormigón se ponga en obra de manera adecuada, lo que influye directamente en su calidad. Para ello se ensayaron un hormigón de control (0%) compuesto solo de áridos naturales y hormigones con 2

3 sustitución de árido grueso natural por árido reciclado grueso en porcentajes de 20%, 50% y 100%. Todos los hormigones fueron curados en condiciones de cámara húmeda, 20±2ºC y 95±5% de humedad relativa. Los áridos reciclados utilizados provienen de residuos de hormigón y han sido previamente caracterizados. Este estudio se desarrolló en la UPV para el ministerio de medio ambiente dentro del proyecto para el estudio prenormativo sobre la utilización de los RCDs en hormigón reciclado de aplicación estructural; RECNHOR ( ), con el fin de desarrollar una investigación prenormativa, que permitiera una puesta en común de las características y propiedades de hormigón con árido reciclado que sirvió de base para el desarrollo de la instrucción EHE 08, que contempla en su anejo numero 15 el uso de hormigón con árido reciclado con hasta un 20% de sustitución para uso estructural. 1. Materiales Se emplean áridos naturales machacados de origen calizo: grava 12/20, gravilla 6/12 y arena 0/6. El árido reciclado era procedente de hormigón fracción 6/20 procesado en la planta TEC REC, ubicada en Madrid. El proceso al que han sido sometidos los RCD para obtener los áridos reciclados consiste en una trituración primaria con molino de martillos y una trituración secundaria con molino de impactos, pasando por separadores magnéticos, cribas y cintas transportadoras que permiten obtener el material clasificado. Se utilizo un aditivo superplastificante, para conseguir la trabajabilidad deseada del hormigón en estado fresco, El Cemento Portland CEM I 42,5 N/SR, fue proporcionado por la planta de Morata de Jalón, Zaragoza CEMEX. 2. Programa Experimental El programa experimental fue llevado a cabo con el fin de evaluar el comportamiento de hormigones con porcentajes de 20%, 50% y 100% de sustitución de árido grueso natural por árido reciclado, frente a un hormigón de control con árido natural, respecto a propiedades de trabajabilidad y resistencias mecánicas. Para el desarrollo de este programa inicialmente se analizaron las características físicas y mecánicas de todos los áridos bajo la siguiente normativa UNE: granulometría (UNE-EN 933-1:98), densidad y absorción (UNE 83133:90) y coeficiente de Los Ángeles (UNE-EN :99). Sobre el árido reciclado concretamente se realizo además el ensayo de contenido en mortero adherido mediante el método de tratamiento térmico desarrollado en la Universidad Politécnica de Cataluña [8]. Posteriormente se ajustó la dosificación del hormigón de control y los hormigones con árido reciclado. Según la bibliografía consultada, los métodos de dosificación que se utilizan para los áridos convencionales pueden ser válidos para dosificar hormigones reciclados, aunque la mayor demanda de agua del árido puede provocar una pérdida de docilidad, que conlleva la necesidad de aumentar el contenido de agua en el hormigón, ya sea incrementando el agua añadida durante el amasado o presaturando. Si bien se analizo esta opción en las amasadas de prueba, para el desarrollo de este trabajo, los 3

4 áridos fueron introducidos en condiciones naturales, intentando simular lo que ocurre en la obra. La granulometría de los áridos se ajusto a la curva teórica de Faury, debido a que el tamaño máximo calculado se ajusta más al de la mayoría de los hormigones estudiados. Los valores tomados para cada parámetro fueron: A=37,B=1,5 y K=0,440 por tratarse de un árido fino y grueso de machaqueo. Se adopto una relación agua/ cemento de 0,50 con una cantidad de cemento de 380m kg/m 3. En el ajuste de la dosificación se mantuvo constante la relación entre la grava y la gravilla natural, mientras variaba la relación entre el árido grueso (grava, gravilla natural y reciclada) y el árido fino (arena). La dosificación fue validada mediante amasadas de prueba teniendo en cuenta que el agua de dosificación corresponde en cada caso al agua total incluyendo el agua absorbida por los áridos, realizando la corrección correspondiente a la humedad de estos y al aporte de agua del aditivo. Se pretendía obtener una consistencia fluida en las mesclas (10-15 cm de cono), y una resistencia a compresión de 40 N/mm 2. Para cada dosificación fueron realizadas 3 amasadas con contenido variable de aditivo, buscando alcanzar una consistencia similar. Finalmente los hormigones fabricados fueron sometidos a ensayados tanto en estado fresco como en estado endurecido. Se evalúa la consistencia mediante el cono de Abrams (UNE :90), y se fabrican 12 probetas cilíndricas de 15x30 cm. para cada amasada, según UNE :91 Ensayos de hormigón. Fabricación y conservación de probetas. Las probetas se compactaron por picado, desmoldándose a las 24 horas y trasladándose a la cámara de curado estándar hasta el momento de su rotura. Las probetas fueron ensayadas 4 para resistencia a compresión a 7 días y 4 para resistencia compresión a 28 días, según la UNE 83304:84; y 4 para resistencia a tracción indirecta a 28 días, conforme UNE :85 Ensayos de hormigón. Rotura por tracción Indirecta (Ensayo Brasileño). 3. Resultados y Discusión En la tabla 1, se comparan las características de los áridos utilizados que se han ensayado en el laboratorio de la UPV, como punto de partida para evaluar la calidad de los AR utilizados en esta investigación. En general, la calidad de los áridos reciclados recibidos de la planta TEC REC, presentan valores característicos aceptables al compararlos con otros valores obtenidos en la bibliografía [8], para su uso en hormigón con áridos reciclados. Los resultados se encuentran dentro de los valores admisibles por la Instrucción EHE-08 (Tabla 1) para el uso de áridos reciclados en hormigones estructurales. Esta instrucción propone limitar el nivel de sustitución a un valor muy conservador del 20%. Característica del Árido Reciclado Limitación EHE-08 [10] Reciclado 6/20 Grava 12/20 Gravilla 6/12 Absorción % 5,3 4,92 1,48 2,37 Densidad Saturada con ss (Kg/dm 3 ) 2,38 2,44 2,61 2,5 Densidad Real (Kg/dm 3 ) 2,25 2,33 2,58 2,47 Mortero Adherido F4/8 26,95% % Mortero Adherido F8/16 17,72% - - Coeficiente de los Ángeles 40% 31,20% 26,40% - Tabla 1. Características de los Áridos Reciclados. 4

5 En la figura 1 se observa la granulometría de los áridos utilizados y puede decirse que entre el árido reciclado y la grava natural existe una tendencia muy similar, lo cual puede ser debido a que los áridos reciclados presentan características físicas equivalentes a las del árido grueso natural. Figura 1. Curvas Granulométricas de los áridos. Las dosificaciones de los hormigones analizadas fueron (Tabla 2): Dosificación por m 3 para H-40 0% 20% 50% 100% Cemento (Kg) 380,00 380,00 380,00 380,00 Agua (Kg) 190,00 190,00 190,00 190,00 Arena (Kg) 781,43 781,43 811,37 838,29 Grava (Kg) 702,00 522,23 314,86 0,00 Gravilla (Kg) 325,00 241,78 145,77 0,00 Grava Reciclada (Kg) 0,00 191,00 460,64 890,40 Relación Agua/Cemento 0,50 0,50 0,50 0,50 Relación Grava/Gravilla 2,16 2,16 2,16 - Relación AG/AF 1,31 1,22 1,14 1,06 Tabla 2. Dosificación de los hormigones analizados Con respecto al diseño de la mezcla, podemos asumir que la relación A/C, para una resistencia a compresión específica, es la misma para un hormigón con árido reciclado 5

6 que para un hormigón convencional cuando sólo se utiliza la fracción gruesa del árido reciclado y arena natural en la mezcla [11]. En la figura 2 se observa la curva granulométrica de las dosificaciones utilizadas en los diferentes hormigones. Es evidente que al aumentar el porcentaje de sustitución se crea una cierta discontinuidad en la curva a causa de la ausencia de fracción 4/8 en el árido reciclado. Figura 2. Curvas Granulométricas Hormigón con AR 3.1. Consistencia En la fabricación de las mezclas, a medida que se sustituía más árido natural por árido reciclado, se observaba una consistencia más seca. La cantidad de aditivo necesaria aumentaba para los hormigones con mayor cantidad en AR. Para hormigones con 0% y 20% de AR se utilizo entre un 0,7% y un 0,9% de aditivo, mientras que para el hormigón con 50% de AR el rango se situó entre 0,9% y 1,1% y finalmente para hormigones con 100% de AR se utilizaron porcentajes de aditivo entre 1,4% y 1,6%, es decir, a mayor sustitución de árido reciclado la mezcla presentaba un aspecto más seco. En la tabla 3 se presentan los valores de aditivo que fueron estudiados para obtener una consistencia fluida. Se aprecia una mayor sensibilidad al efecto de los aditivos en los hormigones con mayor porcentaje de sustitución. No se detecto tendencia a segregación en ninguna amasada y en todas ellas, la fabricación de probetas se realizó sin dificultades mostrando una correcta compactación. 6

7 % SUSTITUCION 0% 20% 50% % ADITIVO CONO (cm) 0,7 13 0,8 15 0,9 17 0,7 10 0,8 13 0,9 17 0,9 8 1,0 12 1,1 17 1, % 1,5 14 1,6 17 Tabla 3. Valores de cono para diferentes cantidades de aditivo según el porcentaje de sustitución de árido reciclado. El aumento de la demanda de agua se debe principalmente a la mayor absorción y al cambio que pueda presentar la granulometría, por la generación de finos en el proceso de amasado, aunque también pueden influir factores como su forma angular o su textura un poco más rugosa [12] Densidad En la tabla 4 y figura 3 se presentan los valores de densidad para los diferentes casos estudiados. La variación en los resultados respecto a la densidad, es apenas apreciable. La pequeña disminución de densidad detectada al aumentar el contenido de AR de debe a la menor densidad que presenta el árido debido a la capa de mortero adherido a este, que a su vez lo hace más poroso [13]. % Arido Reciclado % Aditivo Densidad a 28d (kg/dm 3 ) 0% 20% 50% 100% 0,7 2,37 0,8 2,36 0,9 2,37 0,7 2,35 0,8 2,36 0,9 2,36 0,9 2,35 1 2,34 1,1 2,35 1,4 2,34 1,5 2,33 1,6 2,33 Tabla 4. Valores de densidad para diferentes cantidades de aditivo según el porcentaje de sustitución de árido reciclado. 7

8 En la gráfica se presentan los valores de densidad máximos obtenidos en cada porcentaje de sustitución y los valores de densidad para una consistencia entre 12 y 14 cm. Densidad (Kg/dm 3 ) % de Sustitución AR Figura 3. Influencia del porcentaje de sustitución de árido reciclado en la densidad del hormigón 3.3. Resistencia a compresión Según la bibliografía la resistencia a compresión de un HR se ve seriamente afectada por la calidad del árido, es decir depende en gran medida de su origen y de la cantidad de finos que contenga, dado que mientras aumenta la cantidad de árido reciclado fino, la resistencia decrece y puede perder entre el 10 y el 40 % de la resistencia a compresión [14], razón por la cual en este estudio sólo se utilizó árido reciclado grueso, fracción de tamaño mayor a 4 mm. Los resultados de nuestro programa experimental se muestran en la tabla 5. Como primera apreciación cabe destacar que para cada nivel de sustitución la resistencia crece con la dosificación de aditivo, propiedad indicada en la documentación técnica de este. El efecto del aditivo es mayor en el hormigón de control y en los casos donde la sustitución de árido reciclado es de 20% y 50%. En estos casos incrementar un 0,2% la dosificación de aditivo llega a generar un aumento en la resistencia de hasta un 20%. Para el caso del 100% de sustitución la variación no es tan evidente y la dosificación del aditivo en estos casos está en el límite de la recomendación del producto. 8

9 % Arido Reciclado % Aditivo Resistencia 7d (N/mm 2 ) Resistencia 28d (N/mm 2 ) 0% 20% 50% 100% 0,7 43,74 51,81 0,8 48,44 57,83 0,9 52,09 61,25 0,7 43,58 50,80 0,8 44,08 52,41 0,9 50,63 58,84 0,9 44,87 51, ,04 57,09 1,1 50,70 60,69 1,4 50,33 54,22 1,5 49,13 55,47 1,6 32,48 54,60 Tabla 5. Valores de resistencia a compresión para diferentes cantidades de aditivo según el porcentaje de sustitución de árido reciclado. En todos los casos se obtuvo la resistencia esperada a 28 días incluso para el 100% de sustitución. En la figura 4 se muestra la evolución de la resistencia en función del porcentaje de sustitución. La altura de la barra indica la resistencia de la amasada con consistencia entre 12 y 15 cm. Para el hormigón de control se ha utilizado el valor medio de las dos amasadas que cumplen esta condición. Figura 4. Influencia del árido reciclado en la Resistencia de Hormigones H-40. 9

10 Realmente la figura no representa una tendencia clara. Por lo tanto, se puede pensar que el efecto perjudicial de la peor calidad del árido reciclado respecto a un árido natural se compensa con el efecto favorable debido a la menor relación agua efectiva/cemento que provoca la mayor absorción del árido reciclado. En la figura 5, se observa la evolución de la resistencia a 28 días con los resultados obtenidos para una consistencia entre 12 y 15 cm. y puede decirse que la tendencia de crecimiento es similar para todas las amasadas. Tiempo (días) Figura 5. Evolución de la Resistencia de Hormigones con árido reciclado H Resistencia a Tracción Para un rango de relaciones agua/cemento de 0,65 a 0,40, la resistencia a tracción del hormigón de control varía entre 2,4-3,5 MPa [15]. Para este estudio con relación agua cemento de 0,5, se han obtenido valores de resistencia a tracción indirecta entre 3,4 y 3,6 MPa (Gráfico 5). Los resultados obtenidos son similares a los encontrados en la bibliografía [16],. 10

11 0,7-0,8% 0,8% 1% 1,5 %Aditivo % Sustitución Figura 6. Influencia del árido reciclado en la Resistencia a tracción indirecta para diferentes cantidades de aditivo. 4. Conclusiones Se ha utilizado árido reciclado proveniente de hormigón, obtenido comercialmente, que cumple las exigencias de la instrucción EHE La absorción de los áridos reciclados es un factor clave que afecta la trabajabilidad y afecta la relación agua efectiva/cemento. Si se mantiene fija la relación agua total/cemento debe incrementarse la dosificación de un aditivo superplastificante en función de la cantidad de árido sustituido para mantener la trabajabilidad del hormigón. 2. La calidad del hormigón ha sido analizada desde el punto de vista de la trabajabilidad, la densidad, la resistencia a compresión y a tracción y los resultados obtenidos comprueban que hormigones con 20% de árido reciclado, presentan un comportamiento similar a un hormigón de convencional en todos los casos. 3. Los hormigones con un 100% de árido reciclado grueso mantienen las propiedades de calidad exigidas al hormigón, pero debe evaluarse factores de durabilidad para corroborar que sus propiedades no se ven afectadas a lo largo de su vida útil. 4. El uso de áridos reciclados de hormigón para uso en hormigón estructural tiene un alto potencial, ya que además de garantizar un hormigón que cumple especificaciones técnicas de la normativa, genera un valor agregado al medio ambiente al contribuir con la construcción sostenible. 11

12 Referencias [1] Ekanayake L., Ofori G., Building waste assessment score: design-based tool. Building and Environment, Vol 39, Issue 7, Julio 2004, pp [2] Mymrin, V.; Correa, S. M. New Construction materials from concrete production and demolition wastes and lime production waste. Construction and Building Materials. Volumen 21, 2007, p [3] Evert, Mulder; Tako, P.R. de Jong and Lourens, Feenstra. Closed Cycle Construction: An integrated process for the separation and reuse of C&D waste. Waste Management. Volumen 27, 2007, p [4] BOE Resolución de 20 de enero de 2009, de la Secretaría de Estado de Cambio Climático, por la que se publica el Acuerdo del Consejo de Ministros por el que se aprueba el Plan Nacional Integrado de Residuos para el período Sec. I. pp [5] Ann K.Y., Moon H.Y., Kim Y.B., Ryou J.. Durability of recycled aggregate concrete using pozzolanic materials. Waste Management, Vol 28, Issue 6, 2008, pp [6] Sánchez de J., Marta; Alaejos G., Pilar. Estudio sobre las propiedades del árido reciclado. Utilización en Hormigón Estructural. Ministerio de Fomento y Cedex. España pp. 209 [7] RILEM, Internacional Union of testing and Research Laboratories for Materials and Structurea. Technical Committee 198-URM41. Conference on the Use of Recycled Materials in Buildings and Structures in Barcelona, [8] Sanchez de Juan, Marta. Estudio sobre la utilización de árido reciclado para la fabricación de Hormigón estructural. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid [9] LEGG, F.E. Jr. Aggregates: Chapter 2. Concrete construction handbook. Cuarta Edición. McGraw- Hill. USA, [10] Instrucción de Hormigón Estructural EHE 08. Real Decreto 1247/2008, de 18 de julio, publicado el 22 de agosto, en el Fascículo Primero del Suplemento del BOE núm [11] ACI. American Concrete Institute Removal and Reuse of Hardened Concrete, Committee 555R-04 Report, Michigan, [12] Castilla Gómez, Jorge. Fabricación a escala industrial de hormigón con áridos reciclados. Universidad Politécnica de Madrid [13] Ravindrarajah R.S., Tam C.T., Properties of concrete made with crushed concrete as coarse aggregate. Mag. Concrete Research Vol pp [14] Federal Highway Administration. Technical Advisory, Use of Recycled Concrete Pavement for Aggregate in Hydraulic Cement Concrete Pavement, T , Julio, [15] Akash, Rao; Kumar, N. Jha and Sudhir, Misra. Use of aggregates from recycled construction and demolition waste in concrete Resources. Conservation and Recycling, Vol 50, No. 1, 2007, pp [16] Poon, C.S.; Shui, Z.H.; Lam, L. Strength of concretes prepared with natural and recycled aggregates at different moisture conditions. Advances in Building Technology, 2002, pp