EFECTO DE LA COMPACTACIÓN EN LA GRANULOMETRÍA Y RESISTENCIA A LA FRAGMENTACIÓN DE UN ÁRIDO RECICLADO Y UNA ZAHORRA ARTIFICIAL

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1 XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS LUGO, Septiembre, 2007 EFECTO DE LA COMPACTACIÓN EN LA GRANULOMETRÍA Y RESISTENCIA A LA FRAGMENTACIÓN DE UN ÁRIDO RECICLADO Y UNA ZAHORRA ARTIFICIAL J. R. Jiménez Romero (P), F. Agrela Sainz, M. López Aguilar, J. Ayuso Muñoz, A. Caballero Repullo Abstract The incorporation of new articles to The Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3), allows to use recycled material in the road construction, always that fulfils general the prescriptions technical to PG-3. The aim of the present work is to study the effect of the compaction on the grain-size distribution curve (UNE-EN 933-2) and the resistance to fragmentation (UNE-EN 97-2) of a recycled concrete aggregates with crushed clay brick and a well-graded crushed gravel, and if the results affect to degree of fulfilment of the technical prescriptions of the PG3 Before the compaction, the grain-size distribution curve of the crushed gravel and of the recycled material are inside the spindles set by the PG-3 for ZA25. After the compaction, the particle size distribution curve of the recycled material is displaced to the upper limit of the spindles set by the PG-3 for ZA25. The particle size distribution of the crushed gravel presents smaller variation. The resistance to fragmentation of the crushed gravel before compacting is down of the maximum value established in the PG-3, but in the recycled material surpasses the maximum value established by the PG-3. This would limit its re-use in road base and subbase construction. After the compaction the resistance to fragmentation of the crushed gravel does not vary, while in the recycled material a very significant reduction is observed, being adjusted to the maximum value set by the PG-3. This fact, improves the possibilities of using recycled materials in road construction. Keywords: Construction and Demolition waste, C&D, recycled aggregates, road construction. Resumen La incorporación de nuevos artículos al Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3), permite para las categorías de tráfico T2 a T4 utilizar como zahorras en la construcción de capas de firme de carreteras materiales granulares reciclados, siempre que cumplan las prescripciones técnicas generales del PG-3. El objetivo del presente trabajo es estudiar si se producen modificaciones en la granulometría (UNE-EN 933-2) y en la resistencia a la fragmentación (UNE-EN 97-2: coeficiente de Los Ángeles) al compactar un árido reciclado y una zahorra artificial, y su repercusión en el grado de cumplimiento de las prescripciones del PG-3. Antes de compactar, la granulometría de la zahorra artificial y del árido reciclado están dentro de los husos fijados por el PG-3 para zahorra ZA25. Tras la compactación, el árido 380

2 reciclado desplaza su curva granulométrica al límite superior de los husos fijados por el PG- 3 para zahorra ZA25. La granulometría de la zahorra artificial presenta menor grado de variación. El coeficiente de Los Ángeles de la zahorra artificial antes de compactar está por debajo del valor máximo establecido en el PG-3, y el coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado supera el valor máximo, lo que limitaría su utilización. Tras la compactación el coeficiente de Los Ángeles de la zahorra artificial no varía, mientras que en el árido reciclado se observa una reducción muy significativa, ajustándose al valor máximo fijado por el PG-3, lo que aumenta las posibilidades de reutilización de los áridos reciclados como zahorras. Palabras clave: Residuos de construcción y demolición, RCDs, áridos reciclados, construcción de carreteras.. Introducción El Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3) define zahorra como el material granular, de granulometría continua, utilizado como capa de firme. Se denomina zahorra artificial al constituido por partículas total o parcialmente trituradas, procedentes de piedra de cantera o grava natural. Para las categorías de tráfico pesado T2 a T4, el PG-3 especifica que se podrán utilizar en la formación de firmes materiales granulares reciclados, en cumplimiento del Acuerdo de Consejo de Ministros de de junio de 200 por el que se aprueba el Plan Nacional de Residuos de Construcción y Demolición , siempre que se cumplan las prescripciones técnicas exigidas en el Artículo 5 del PG-3, y se declare el origen de los materiales, tal y como se especifica en la legislación comunitaria sobre estas materias. Para el empleo de áridos reciclados se exigirá que las condiciones para su tratamiento y aplicación estén fijadas expresamente en el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares del Proyecto. Aunque desde hace tiempo existen estudios internacionales que ponen de manifiesto que determinados áridos reciclados procedentes de los Residuos de Construcción y Demolición (RCD) se comportan igual que los materiales naturales en obras de infraestructura (Nataatmadja et al., 200), y que algunos materiales obtenidos a partir de los RCD cumplen los estándares internacionales de calidad exigidos (Chini et al., 200), su comportamiento para ser reutilizados en obra civil depende del origen y gestión del residuo (Poon and Chan, 2006). Entre las conclusiones de los trabajos previos realizados en España y que han permitido evaluar las posibilidades de reutilización de los áridos reciclados en obras de infraestructura, podemos resaltar que en general las granulometrías de los áridos reciclados se sitúan dentro de los husos que fijan las diferentes normativas y recomendaciones, que su densidad y capacidad portante es elevada, que no tienen plasticidad, y que su hinchamiento o colapso son nulos (Jiménez et al., 2006-a). Aunque, en el ensayo de resistencia a la fragmentación presentan un elevado coeficiente de los Ángeles ya que en el ensayo se elimina todo el mortero que queda adherido al árido, además de la pérdida de peso propia del árido natural (Sánchez de Juan, 2005; González, 2002). El principal problema de los áridos reciclados para el cumplimiento de la estricta normativa existente son sus propiedades químicas y la falta de ensayos que garanticen su durabilidad. Así, el árido reciclado puede contener un elevado contenido en sulfatos, ya que al contenido propio del árido natural, se le añaden los sulfatos que contiene la pasta adherida y la 38

3 presencia de contaminantes como el yeso, lo que limitan su utilización en obras de infraestructura (Sánchez de Juan, 2005; Agrela et al., 2006; Jiménez et al., 2006-b). En España, apenas se recicla de manera controlada el % de los áridos procedentes de los RCD, según datos aportados por el sector durante el III Congreso Nacional de Demolición y Reciclaje celebrado en Zaragoza en mayo de Este hecho, junto con todo lo expuesto anteriormente, justifica la necesidad de continuar investigando en el comportamiento y puesta en obra de los áridos reciclados. 2. Objetivos El principal objetivo de este trabajo es estudiar el efecto de la compactación en la granulometría y resistencia a la fragmentación de un árido reciclado y una zahorra artificial procedente de la trituración de una grava natural. 3. Materiales y métodos 3. Procedencia y tratamiento del árido reciclado El árido reciclado se ha obtenido de la Planta Fija que la Empresa Provincial de Medio Ambiente de la Diputación Provincial de Córdoba (EPREMASA) tiene localizada en el Término de Montemayor (Córdoba). Para la obtención del árido reciclado se utilizan 5.40 kg de RCD todo tipo, sin selección en origen, procedente en su mayor parte del derribo de edificios. Para el estudio de su composición, se toman muestras representativas y se hace una separación manual de los componentes del residuo, obteniendo los datos que se recogen en la Tabla. Material Peso (kg) Porcentaje (%) Hormigones, morteros y pétreos ,86 Cerámicos 802 5,6 Asfaltos 72,40 Yesos 242 4,70 Otros (plásticos, papel, basuras) 32 0,62 Pasante (6 mm) ,80 TOTAL 540 0,00 Tabla. Composición del RCD utilizado para la obtención del árido reciclado Los residuos son tratados en la Planta de reciclaje, siguiente el diagrama de flujos de la figura, obteniendo un árido reciclado de fracción 0/40 mm. 382

4 Figura. Diagrama de flujos. Obtención del árido reciclado 0/40 mm en Planta de reciclaje. Figura 2. Árido reciclado 3.2 Procedencia y tratamiento de la zahorra artificial La zahorra artificial se obtiene de una cantera ubicada en la localidad cordobesa de Posadas, localizada en el margen izquierdo del río Guadalquivir, y se obtiene por trituración con molino de impacto de una grava natural (figura 3). La zahorra artificial es la utilizada en la formación del firme de la carretera de circunvalación al núcleo urbano de Palma del Río, proyecto promovido por la Consejería de Obras Públicas de la Junta de Andalucía. 383

5 Figura 3. Zahorra artificial ZA Procedimiento operativo y ensayos de laboratorio Los ensayos del presente estudio se han realizado en el laboratorio del Área de Ingeniería de la Construcción del Departamento de Ingeniería Rural de la Universidad de Córdoba, ubicado en la E.U.P. de Belmez (Córdoba). A continuación se describe el procedimiento operativo seguido con el árido reciclado y la zahorra artificial: Se determina la granulometría según la Norma UNE-EN 933-2, y se comprueba si la granulometría de ambos materiales está comprendida dentro de alguno de los husos fijados por el PG-3 para las zahorras artificiales. Se determina la humedad óptima y la densidad seca máxima mediante el ensayo de compactación proctor modificado según la UNE 350:94. Se determina la resistencia a la fragmentación por el método del ensayo de Los Ángeles según la UNE-EN 97-2, y se contrasta con el valor máximo especificado por el PG-3 para los áridos de la zahorra artificial en categorías de tráfico T3 y T4. Se compactan cuarenta probetas de árido reciclado y cuarenta de zahorra artificial, utilizando el molde descrito en la UNE 350:94 de 52 mm de diámetro interior y 27 mm de altura con la humedad óptima y energía del proctor modificado. Para determinar la modificación de la granulometría, se seleccionan al azar cuatro probetas compactadas de árido reciclado y cuatro moldes de zahorra artificial, y se determina la granulometría del material compactado según la Norma UNE-EN Para estudiar el efecto de la energía de compactación sobre el coeficiente de Los Ángeles se utilizan las restantes treinta y seis probetas de árido reciclado y zahorra artificial. El ensayo debe realizarse con el árido que pase por el tamiz de 4 mm y que quede retenido en el tamiz de mm (figura 4). 384

6 Figura 4. Muestra de ensayo para determinar el coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado Con objeto de minimizar la influencia de factores externos, cada ensayo de laboratorio se repite cuatro veces. 4 Resultados 4. Granulometría del árido reciclado y la zahorra artificial antes de la compactación Como puede apreciarse en las figuras 5 y 6, la granulometría del árido reciclado y de la zahorra artificial antes de compactarse está comprendida dentro del huso fijado para el tipo de zahorra artificial ZA25 del PG Compactación del árido reciclado En la figura 7 se representan las curvas de compactación del árido reciclado y de la zahorra artificial resultantes del ensayo proctor modificado. Tomando como densidad seca máxima y humedad óptima la media de tres repeticiones, obtenemos en el árido reciclado una densidad seca máxima es de,87 g/cm 3 y una humedad óptima de,7%, mientras que para la zahorra artificial la densidad seca máxima es de 2,24 g/cm 3 y una humedad óptima del 5,7 %. Estos valores son los que se utilizan para hacer las probetas de material compactado. Se observa que el árido reciclado tiene una menor densidad seca máxima que la zahorra artificial, y que la humedad óptima del árido reciclado es mayor. Estos resultados están de acuerdo con los obtenidos por otros autores (Poon & Chan, 2006). 385

7 ,5 % Que pasa ,25 0,4 0,6 0, , 0,0 Tamaño de las particulas en mm Husos granulométricos ZA25 Granulometría árido reciclado Figura 5. Husos granulométricos de la Zahorra artificial ZA-25 y granulometría del árido reciclado ,5 % Que pasa ,25 0,4 0,6 0, , 0,0 Tamaño de las particulas en mm Husos granulométricos ZA25 Granulometría zahorra artificial Figura 6. Husos granulométricos de la Zahorra artificial ZA-25 y granulometría de la zahorra artificial 386

8 2,30 2,20 Densidad seca (g/cm3) 2, 2,00,90,80,70,60 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0,0 2,0 4,0 6,0 Humedad % Árido reciclado Zahorra artificial Figura 7. Ensayo de compactación proctor modificado. 4.3 Granulometría del árido reciclado y la zahorra artificial después de la compactación ,5 % Que pasa ,25 0,4 0,6 0, , 0,0 Tamaño de las particulas en mm Husos granulométricos ZA25 Granulometría árido reciclado compactado Figura 8. Husos granulométricos de la Zahorra artificial ZA-25 y granulometría del árido reciclado compactado 387

9 En la figura 8 se representa la granulometría del árido reciclado compactado. Si comparamos con la figura 5 se observa como la curva granulométrica se desplaza hacia el límite superior del huso granulométrico del PG-3 para ZA25, debido a que parte de las partículas del árido reciclado se trituran por efecto de la compactación. La figura 9 muestra una imagen de una probeta de árido reciclado compactado, donde se aprecia la trituración de las partículas, especialmente del material cerámico. Figura 9. Probeta de árido reciclado compactado ,5 % Que pasa ,25 0,4 0,6 0, , 0,0 Tamaño de las particulas en mm Husos granulométricos ZA25 Granulometría zahorra artificial compactada Figura. Husos granulométricos de la Zahorra artificial ZA-25 y granulometría de la zahorra artificial compactada 388

10 En la figura se representa la granulometría de la zahorra artificial compactada. Si comparamos con la figura 6 se observa como igual que en el árido reciclado la curva granulométrica se desplaza hacia el límite superior del huso granulométrico del PG-3 para ZA25, debido a que parte de las partículas de la zahorra también se trituran por efecto de la compactación, aunque en menor medida. A pesar de los cambios granulométricos que se producen en ambos materiales por efecto de la compactación, se puede considerar que las granulometrías de los materiales compactados se encuentran dentro de los husos granulométricos del PG-3 para ZA25. Los resultados de la tabla 2 ponen de manifiesto, que para todos los tamaños de partícula, aumenta el porcentaje acumulado que pasa por los tamices de ensayo. Apertura de los tamices (mm) Antes compactar Árido reciclado Después de compactar Antes compactar Zahorra artificial Después de compactar , , , , , Tabla 2. Cernido acumulado (% en masa) Por otro lado, para una misma energía de compactación, hay que esperar que el porcentaje de partículas trituradas sea mayor en las probetas de laboratorio que en el material puesto en obra, debido a que en laboratorio las muestras se encuentran confinadas en el molde. 4.4 Coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado y la zahorra artificial antes de la compactación El valor medio del coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado es de 43. El valor máximo para los áridos de la zahorra artificial establecido por el PG-3 es de 35 para categoría de tráfico pesado T3 y T4, por lo que el coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado limitaría su uso en la formación de firmes de carreteras. El valor medio del coeficiente de Los Ángeles de la zahorra artificial es de 22. El valor máximo para los áridos de la zahorra artificial establecido por el PG-3 es de 30 para categoría de tráfico pesado T00 a T2, por lo que el coeficiente de Los Ángeles de la zahorra artificial ensayada no limitaría su uso en la formación de firmes de carreteras para cualquier categoría de tráfico. 389

11 4.5 Coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado y la zahorra artificial después de la compactación El valor medio del coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado después de la compactación es de 36, se observa una notable mejoría en la resistencia a la fragmentación del árido reciclado ensayado tras la compactación. Este resultado puede explicarse por el hecho de que durante la compactación los materiales más blandos se trituran, dando como resultado un árido más resistente. Aunque no se supera el valor de 35 establecido por el PG-3 para las categorías de tráfico T2 y T4, el valor se aproxima mucho, lo aumenta las posibilidades de reutilizar árido reciclado en la formación de firmes. El valor medio del coeficiente de Los Ángeles de la zahorra artificial después de la compactación es de 2, prácticamente igual que antes de compactar el material. Este resultado puede explicarse por el hecho de que en la zahorra artificial no hay unas partículas más blandas que otras. 5. Conclusiones La granulometría del árido reciclado y la zahorra artificial ensayadas están comprendidas dentro del huso ZA25 especificado en el artículo 5.3 del PG-3 para las zahorras artificiales. La compactación con la energía del proctor modificado tritura las partículas más blandas del árido reciclado y produce un cambio granulométrico, aumentando el porcentaje de cernido acumulado para todos los tamaños de tamices. La curva granulométrica del árido reciclado se desplaza hasta el límite superior del huso de ZA25, al cual se ajusta razonablemente. En la zahorra artificial la compactación también produce un cambio en la granulometría, aunque la trituración de partículas por el efecto de la compactación es menor que en el árido reciclado. La granulometría de la zahorra artificial compactada también se ajusta razonablemente al límite superior del huso de ZA25. El coeficiente de Los Ángeles del árido reciclado es muy elevado, lo que limitaría su uso en la formación de firmes. Tras la compactación del material y la trituración de las partículas más blandas, el coeficiente de Los Ángeles mejora significativamente, acercándose a los límites establecidos en el artículo 5.2 del PG-3. Este hecho aumenta las posibilidades de reutilización de áridos reciclados como zahorra artificial en la formación de firmes. El coeficiente de Los Ángeles de la zahorra artificial ensayada es inferior al valor máximo establecido por el PG-3 para cualquier categoría de tráfico pesado. La compactación de la zahorra artificial no mejora el coeficiente de Los Ángeles del material. A la vista de los resultados del presente trabajo, si se utiliza árido reciclado como zahorra artificial para la formación de firmes, se recomienda, además del estudio del material, la realización de tramos de prueba. Además, se recomienda incluir en los ensayos de la unidad terminada los ensayos de granulometría y resistencia a la fragmentación mediante el coeficiente de Los Ángeles, los cuales no se contemplan actualmente en el PG-3. Referencias Agrela, F. et al., Caracterización y posibilidades de reutilización en obras de infraestructura de los RCD sin selección en origen y procedentes de todas las tipologías de obra. III Congreso de Ingeniería Civil Territorio y Medio Ambiente. Zaragoza. 390

12 Chini, A.R., Kuo, S.S., Armaghani, J.M., Duxbury, J.P., 200. Test of recycled concrete aggregate in accelerated test track. J. Transp Eng. 27(6), González, B Hormigones con áridos reciclados procedentes de demoliciones: dosificaciones, propiedades mecánicas y comportamiento estructural a cortante. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica A Coruña. Jiménez, J.R. et al., 2006-a. Mechanical characteristics of recycled materials and feasible use in rural road construction. World Congress: Agricultural Engineering for a better World. September Bonn, Germany. Jiménez, J.R., et al., 2006-b. Caracterización de una mezcla de áridos reciclados procedentes de la demolición de una cimentación para uso en terraplenes. X Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos. Septiembre Valencia, España. Nataatmadja, A., Tan, Y.L., 200. Resilient response of recycled concrete road aggregates. J. Transp Eng. 27(5), Poon, C.S., Chan, D., Feasible use of recycled concrete aggregates and crushed clay brick as unbound road sub-base. Construction and Building Materials. 20, Sánchez de San Juán, M Estudio sobre la utilización de árido reciclado en hormigón estructural. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. Agradecimiento Los autores agradecen a la Empresa Provincial de Residuos y Medio Ambiente S.A. (EPREMASA) la financiación del presente trabajo. Correspondencia José Ramón Jiménez Romero. Grupo de Investigación Ingeniería de la construcción. Departamento de Ingeniería Rural. Escuela Universitaria Politécnica de Belmez. Universidad de Córdoba. C/Covadonga s/n Belmez (Córdoba), España. irjiroj@uco.es 39