Evaluación de la resistencia mecánica mediante ensayos triaxiales de suelos mixtos de albero y neumáticos fuera de uso. Sostenibilidad ambiental en geotecnia

Evaluación de la Resistencia Mecánica mediante Ensayos Triaxiales de Suelos Mixtos de Albero y Neumáticos Fuera de Uso. Sostenibilidad ambiental en geotecnia Miguel Jesús Ramírez Farfán ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DE SEVILLA EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA MECÁNICA MEDIANTE ENSAYOS TRIAXIALES DE SUELOS MIXTOS DE ALBERO Y NEUMÁTICOS FUERA DE USO. SOSTENIBILIDAD AMBIENTAL EN GEOTECNIA TRABAJO FIN DE GRADO REALIZADO POR: MIGUEL JESÚS RAMÍREZ FARFÁN DIRIGIDO POR: Dr. EMILIO J. MASCORT ALBEA AGRADECIMIENTOS. Este Trabajo de Fin de Grado (TFG) supone cerrar una etapa importante en mi vida de cinco años, que ha sido el estudio de Arquitectura. Durante el cierre de este período que es el TFG, varias personas han influido significativamente en mi desarrollo, y quisiera expresarles mi más profundo agradecimiento. En primer lugar, quiero agradecer a mi tutor, Dr. Emilio J Mascort Albea, quien despertó mi interés por esta línea de investigación y ha estado detrás de mí, aconsejándome y corrigiendo el trabajo. Su orientación y paciencia han sido fundamentales para la realización de este proyecto. También deseo agradecer a Elizabeth Contreras Marín, la investigadora del laboratorio. Gracias a su ayuda, he podido desarrollar este tema, ya que me ha permitido colaborar en su investigación. Elizabeth me enseñó a utilizar los equipos del laboratorio y compartió conmigo su conocimiento, lo cual fue crucial para la consecución de este trabajo. Agradezco asimismo a la Escuela y al Laboratorio de Ingeniería del Terreno por facilitarme el espacio y los materiales necesarios para la realización de este proyecto. Su apoyo logístico fue esencial para llevar a cabo las pruebas y experimentos requeridos. Finalmente, y no menos importante, quiero expresar mi más sincero agradecimiento a mis padres y a mi hermano por su incondicional apoyo. Sin su ánimo y respaldo, este logro no habría sido posible. Gracias por estar siempre ahí para mí. RESUMEN. El trabajo se centra en reutilizar neumáticos fuera de uso (NFU) en construcción para mitigar su impacto ambiental. Para ello se realizan pruebas en mezclas de NFU y albero en la Universidad de Sevilla. El objetivo es evitar el depósito de NFU en vertederos y promover su uso como material constructivo. Con ello se busca encontrar nuevas aplicaciones para los NFU, aprovechando su durabilidad y capacidad calorífica. Nos vamos a enfocar en la caracterización triaxial de suelos mixtos de albero y NFU. El propósito final es ofrecer alternativas sostenibles para el manejo de los NFU y reducir problemas medioambientales asociados. La razón primordial detrás de este estudio surge de la necesidad de descubrir nuevos propósitos para uno de los desechos industriales más comunes en nuestra sociedad moderna, la cual está fuertemente ligada al uso del automóvil: los neumáticos desechados (denominados NFU). La idea es reciclar y dar un nuevo valor al granulado de NFU, utilizándolo como material de construcción, lo que contribuiría a reducir nuestra huella ecológica. La reciente normativa europea en materia de residuos prohíbe su depósito en vertederos, priorizando en su lugar la reutilización, el reciclaje y la revalorización tanto material como energética, con la meta de avanzar hacia una economía circular más efectiva. En este contexto, este estudio se enfoca en elaborar y evaluar mezclas de albero y granulado de NFU, con el objetivo de conocer sus propiedades mecánicas mediante pruebas realizadas con una máquina triaxial. El propósito es que suelos de albero y NFU puedan ser utilizados en el futuro como nuevos materiales de construcción. Para llevar a cabo esta investigación, se realizaron ensayos en el Laboratorio de Mecánica del Suelo y Construcciones Arquitectónicas de la Universidad de Sevilla. La caracterización de estas mezclas se complementa con la evaluación de los resultados obtenidos, comparándolos con los suelos convencionales. PALABRAS CLAVES: Suelos Mixtos, Neumáticos fuera de uso, Residuo Industrial, Sostenibilidad ambiental, Ciclo de Vida, Reciclaje, Ensayo triaxial y Resistencia al corte. ÍNDICE. 1. Introducción 1.1 Problemática actual ………………………………………………………………………...…7 1.2 Carácter ecológico……………………………………………………………...…………..…8 1.3 Descripción caso de estudio……………………………………………………..…………...11 1.4 Oportunidad……………………………………………………………………………...…..12 1.5 Antecedentes…………………………………………………….……….……………….....14 2. Objetivos 2.1 Motivaciones generales ………………………………………………….…………….........16 2.2 Motivaciones especificas…………………………………………………………..….……..16 3. Diseño de muestras mixtas, combinación de albero y granulado de NFU 3.1 Cálculos del diseño………………………………………………………………..…………18 3.2 Caracterización del albero……………….……………………………………...…………...19 3.3 Caracterización del NFU……………….…………………………………………….……...20 4. Caracterización mecánica mediante ensayos triaxial 4.1 Preparación de la Probeta……………….……………..……………………………...…...…22 4.2 Preparación ensayo Triaxial……………….………………….…………………………..…23 4.3 Realización Ensayo Triaxial……………….…………………………..………………...…..24 4.4 Finalización Ensayo Triaxial…………………………………………………..………...…..25 5. Resultados 5.1 100 kPa………………………………………………………………..………...……….…..28 5.2 200 kPa……………………………………………………………..…………..……………29 5.3 300 kPa……………………………………………………………..……………………..…30 6. Conclusiones 6.1 Interpretación de los resultados……..…………………………………………....…………..33 6.2 Futuras líneas de Investigación………………..……………………………….….……..…..35 7. Referencias 7.1 Bibliografía……………………………………………………………..……………………36 7.2 Normativas………………………………………………………………………..……..…..36 7.3 Tesis y trabajos final de carrera………………………………………………..…………......37 7.4 Webs……………………………………………………………..……………..……………37 8. Anexos ………………………………………………………………..38 7 1. INTRODUCCIÓN. 1.1 PROBLEMÁTICA ACTUAL Los neumáticos fuera de uso (NFU) son uno de los residuos que más caracterizan a nuestra sociedad contemporánea. Clasificados como residuos no peligrosos en la Lista Europea de Residuos con el código LER “16 01 03 Neumáticos al final de su vida útil”, presentan una serie de desafíos medioambientales significativos debido a sus características particulares, su durabilidad y su alta capacidad calorífica que complica su extinción en caso de incendios. Legislación y Regulaciones La gestión de los NFU en España está fuertemente influenciada por varias directivas europeas que buscan minimizar el impacto ambiental de estos residuos. La Directiva 1999/31/CE prohíbe su eliminación mediante depósito en vertedero, subrayando la necesidad de adoptar soluciones más sostenibles. Más recientemente, la Directiva 2018/850/CE exige a los miembros de la Unión Europea adoptar medidas específicas que prioricen la prevención, reutilización, reciclado y valoración energética por delante de la incineración y el depósito en vertedero. Estas normativas establecen un marco legal que obliga a España a implementar sistemas eficientes de gestión de NFU. Situación en España En 2020, el Sistema Integrado de Gestión de Neumáticos Usados (SIGNUS) recogió un total de 176.718 toneladas de NFU en España. Esta cantidad refleja el volumen considerable de neumáticos desechados anualmente y la necesidad urgente de gestionar adecuadamente este flujo de residuos para evitar problemas medioambientales. En particular, la región de Andalucía se destaca como un importante receptor de NFU, con SIGNUS recogiendo 32.448 toneladas en 2020. Esta situación subraya la necesidad de políticas regionales específicas y esfuerzos coordinados para manejar el alto volumen de neumáticos desechados en esta área. Impacto Ambiental Los NFU plantean serios problemas medioambientales debido a su difícil gestión. Su alta capacidad calorífica puede provocar incendios de gran magnitud, que son difíciles de extinguir y liberan sustancias tóxicas en el aire, tierra y agua. Además, la acumulación de NFU en vertederos ilegales o mal gestionados puede generar focos de contaminación y proliferación de vectores de enfermedades. Medidas y Soluciones La Directiva sobre Plásticos de un Solo Uso (Directiva (UE) 2019/904) y la Directiva sobre Residuos (Directiva (UE) 2018/851) también incluyen disposiciones que abordan los microplásticos, promoviendo la reducción de residuos plásticos y fomentando su reciclaje. Estas medidas, aunque no específicas para los NFU, destacan la tendencia hacia un enfoque más integrado y preventivo en la gestión de residuos. 8 En España, la implementación de estas directivas y la colaboración de entidades como SIGNUS son cruciales para enfrentar la problemática de los NFU. Fomentar la investigación en tecnologías de reciclaje, promover el uso de materiales reciclados en nuevas aplicaciones y aumentar la conciencia pública sobre la correcta gestión de los neumáticos usados son pasos esenciales para mitigar el impacto medioambiental de estos residuos. 1.2 ESTADO DEL ARTE Propuesta Actual y Fondos Europeos para la Sostenibilidad En el escenario de la gestión ambiental contemporánea, los neumáticos fuera de uso (NFU) se han erigido como una problemática de proporciones alarmantes. La creciente acumulación de estos residuos plantea desafíos significativos en términos de contaminación y sostenibilidad. Históricamente, la solución habitual ha sido su depósito directo en vertederos, lo cual conlleva una serie de problemas graves: Figura 1. Tabla de datos de SIGNUS 9 • Ocupación excesiva de espacio: Los NFU son voluminosos y ocupan una cantidad considerable de espacio en los vertederos, lo que acelera la saturación de estos sitios. • Riesgo de incendio: La alta capacidad calorífica de los neumáticos dificulta su extinción en caso de incendios, generando riesgos de incendios prolongados que liberan sustancias tóxicas. • Serios problemas medioambientales: La descomposición lenta de los NFU y la posibilidad de que liberen sustancias nocivas al medio ambiente plantea riesgos para el suelo, el agua y el aire. El marco jurídico para el tratamiento de los residuos en la Unión Europea se materializa en la Directiva (UE) 2018/851, la cual forma parte de una serie de iniciativas sobre la economía circular. Esta directiva establece objetivos ambiciosos para los Estados Miembros en términos de reciclaje y gestión de residuos. Según esta normativa, los Estados Miembros deben reciclar un mínimo del 55% de los residuos no peligrosos, incluyendo los neumáticos fuera de uso, en peso para 2025, ascendiendo al 60% para 2030 y al 65% para 2035. Este marco legal subraya la importancia de adoptar prácticas sostenibles y eficientes en la gestión de los NFU. Soluciones Ecológicas Para abordar la problemática de los NFU desde una perspectiva ecológica, es esencial considerar alternativas que maximicen la reutilización y el reciclaje de estos materiales. Algunas de las soluciones planteadas se basan en los parámetros resistentes del NFU obtenidos y estudian distintas hipótesis teóricas de aplicación. Entre estas, se incluyen: • Rellenos localizados en el trasdós de muros de contención: Utilizar NFU como material de relleno puede proporcionar estabilidad estructural y reducir la necesidad de otros materiales de construcción. • Rellenos en terraplenes sobre terrenos de baja capacidad portante: Los NFU pueden ser utilizados en la construcción de terraplenes, mejorando la capacidad portante del terreno y proporcionando una solución económica y ecológica. • Colocación bajo explanadas para la creación de firmes y pavimentos: La utilización de NFU como base en la construcción de carreteras y pavimentos puede mejorar la durabilidad de estas infraestructuras y reducir la acumulación de residuos en vertederos. Una estrategia clave en la gestión ecológica de los NFU es la encapsulación total de estos materiales. Este proceso implica la contención de los neumáticos en estructuras que evitan la liberación de sustancias nocivas al medio ambiente, minimizando así los riesgos asociados con su descomposición y potencial incendio. La encapsulación también facilita la reutilización de NFU en aplicaciones de ingeniería civil, contribuyendo a una economía circular y sostenible. Figura 2. Imagen para los proyectos de sostenibilidad utilizada por el Periódico El Español Figura 3. Caricatura sobre la Sostenibilidad utilizada por el Periódico El País 16 2. OBJETIVOS. 2.1 OBJETIVO GENERAL El objetivo general de esta investigación es evaluar si los parámetros de resistencia de las muestras de suelo diseñadas cumplen con las solicitaciones de resistencia establecidas para funcionar como material de relleno en diversas aplicaciones de ingeniería civil. Estas aplicaciones incluyen su uso en el trasdós de muros de contención, rellenos en terraplenes sobre terrenos de baja capacidad portante y su colocación bajo explanadas para la creación de firmes y pavimentos. A través de esta evaluación, se busca contribuir al desarrollo de soluciones sostenibles y eficaces para la reutilización de neumáticos fuera de uso (NFU) en la construcción. 2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS OE-1.1: Elección de la combinación de las muestras mixtas de albero y granulado de NFU a estudiar. • Seleccionar las proporciones óptimas de albero y granulado de NFU para preparar las muestras de suelo mixto. • Considerar factores como la disponibilidad de materiales, las propiedades físicas y mecánicas preliminares y las recomendaciones de estudios previos. OE-1.2: Evaluar el comportamiento y capacidad resistente de los suelos mediante ensayos triaxiales. • Realizar ensayos triaxiales en las muestras preparadas para determinar sus propiedades mecánicas bajo condiciones de esfuerzo controladas. • Analizar parámetros como la resistencia al corte, la deformabilidad y la capacidad de carga de las mezclas de albero y granulado de NFU. • Comparar los resultados obtenidos con los parámetros establecidos para materiales de construcción convencionales. OE-1.3: Estudiar los parámetros geotécnicos más característicos para aplicaciones con NFU. • Ampliar el conocimiento de las características geométricas, físicas y mecánicas de los NFU. • Investigar la influencia de los NFU en la estabilidad y comportamiento de los suelos mixtos en diferentes condiciones de carga y succión. • Evaluar la viabilidad de extender el uso de NFU en aplicaciones geotécnicas más allá de las consideradas en estudios previos, proporcionando datos empíricos que respalden su utilización en nuevas aplicaciones. 17 Estos objetivos específicos permitirán una comprensión integral del comportamiento de las mezclas de albero y granulado de NFU, facilitando la implementación de soluciones innovadoras y sostenibles en la construcción y contribuyendo a la gestión eficaz de los residuos de neumáticos fuera de uso. Figura 9. Fotos de elaboración propia del proceso de ensayos 18 3. DISEÑO DE MUESTRAS MIXTAS, COMBINACIÓN DE ALBERO Y GRANULADO DE NFU. 3.1 CÁLCULOS DEL DISEÑO 1. Elección de los Casos de Estudio En este estudio, nos centramos en la combinación de cuatro fracciones de volumen de albero y NFU. Para determinar las proporciones adecuadas, utilizamos la siguiente ecuación: 2. Proceso de Mezcla Una vez establecidas las proporciones deseadas, procedemos a realizar las mezclas sustituyendo el albero por NFU hasta alcanzar dichas proporciones. Es crucial tener en cuenta la densidad del material que se sustituye (albero) y el material que se incorpora (NFU) para no alterar la curva de Fuller (Fig. 11). Este proceso garantiza que la mezcla resultante mantenga las características de densidad y compactación requeridas. Figura 10. Tabla de elaboración propia sobre la designación de las muestras Figura 11. Tabla de elaboración propia sobre el cálculo de la curva de Fuller 19 3.2 CARACTERIZACIÓN DEL ALBERO Localización del Material El albero utilizado en este estudio ha sido aportado por el laboratorio de Ingeniería del Terreno de la Universidad de Sevilla. Este material es ampliamente utilizado en diversas aplicaciones de construcción y presenta propiedades geotécnicas favorables. Densidad Aparente del Albero La densidad aparente del albero ha sido proporcionada por el personal del laboratorio, basada en ensayos previos realizados en sus instalaciones. Estos datos son esenciales para la caracterización del material y la evaluación de su comportamiento en mezclas con NFU. Características del Albero El albero es una calcoarenita, una roca sedimentaria formada principalmente por granos de arena y carbonato de calcio. Esta composición le confiere características físicas y mecánicas particulares que son útiles en aplicaciones de ingeniería civil. Estudio Granulométrico por Tamizado El estudio granulométrico del albero se realizó mediante el método de tamizado según la norma UNE-EN 933-1:2012. Este análisis permite determinar la distribución de tamaños de las partículas presentes en el material, lo cual es crucial para comprender su comportamiento en mezclas con otros materiales como el granulado de NFU. Figura 12. Foto de elaboración propia sobre la caracterización del albero Figura 13. Foto de elaboración propia de las muestras de albero 20 Este tamizado realizado muestra la distribución de tamaños de las partículas del albero, indicando la proporción de partículas finas, medias y gruesas. La granulometría del albero es un factor determinante para su comportamiento mecánico y su interacción con el granulado de NFU en las mezclas diseñadas. 3.2 CARACTERIZACIÓN DEL NFU Localización del Material El granulado de neumático fuera de uso (NFU) utilizado en este estudio ha sido proporcionado por el laboratorio de Ingeniería del Terreno, procedente de las plantas de reciclado gestionadas por SIGNUS. SIGNUS es un sistema integrado de gestión que se encarga de la recogida y reciclaje de NFU en España, garantizando un suministro adecuado y controlado de este material. Densidad Aparente del NFU La densidad aparente del granulado de NFU ha sido obtenida de los valores aportados por Elizabeth Contreras Marín en su tesis doctoral y en el desarrollo del Proyecto GRENECO. Estos datos son cruciales para la caracterización del material y para entender su comportamiento en mezclas con suelos naturales como el albero. Características del NFU Las características del granulado de NFU utilizadas en este estudio han sido tomadas del trabajo de fin de grado de Marcelino Aguilera Noguerol. Estas características incluyen parámetros físicos y mecánicos que son esenciales para evaluar la idoneidad del NFU como material de construcción en mezclas con albero. Figura 14. Fotos de elaboración propia del proceso en el laboratorio Figura 15. Logo de la web de SIGNUS 21 Estudio Granulométrico por Tamizado El estudio granulométrico del NFU se realizó mediante el método de tamizado según la norma UNE-EN 933-1:2012. Este análisis permite determinar la distribución de tamaños de las partículas presentes en el material, proporcionando información clave sobre su comportamiento mecánico y su capacidad de interacción con el albero en las mezclas. . Figura 16. Fotos de elaboración propia del proceso en el laboratorio, sobre la caracterización del NFU 22 4. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA MEDIANTE ENSAYO TRIAXIAL. 4.1 PREPARACIÓN DE LA PROBETA Preparación de la Muestra: La muestra se prepara siguiendo los cálculos previamente realizados para determinar el tipo de suelo y los porcentajes adecuados de albero y granulado de NFU. Además, se agrega el porcentaje óptimo de humedad para garantizar la cohesión y representatividad de la muestra. Compactación de la Muestra: La muestra de suelo preparada se compacta en una probeta cilíndrica de dimensiones conocidas utilizando un equipo de compactación estándar. En este estudio, se emplea un martillo de compactación para asegurar la uniformidad y reproducibilidad del proceso. La compactación se lleva a cabo en tres capas, con un total de 17 golpes por capa, de acuerdo con las especificaciones de la normativa vigente. Este procedimiento garantiza una densidad uniforme en toda la muestra, lo que es fundamental para obtener resultados precisos y comparables. Figura 17. Fotos propias del proceso en el laboratorio de las muestras Figura 18. Fotos propias del proceso en el laboratorio de las muestras 23 Instalación de la Probeta en la Celda Triaxial: Una vez compactada, la probeta se coloca cuidadosamente dentro de la celda triaxial. Es crucial asegurarse de que la probeta esté centrada y nivelada dentro de la celda para evitar posibles complicaciones durante el ensayo. Esta etapa es crucial para garantizar la integridad de los datos obtenidos y la fiabilidad de los resultados del análisis triaxial. 4.2 PREPARACIÓN ENSAYO TRIAXIAL Preparación de la Muestra: Como parte integral del proceso, se selecciona una muestra representativa del suelo objeto de estudio. Esta muestra se coloca cuidadosamente dentro de la celda triaxial, donde se lleva a cabo el ensayo. Una vez colocada, la muestra se satura con agua para replicar las condiciones de humedad presentes en el ambiente natural. Este paso es esencial para garantizar la representatividad de los resultados obtenidos durante el ensayo. Aplicación del Esfuerzo de Confinamiento: Una vez que la muestra está correctamente instalada en la celda triaxial y saturada con agua, se procede a aplicar un esfuerzo de confinamiento radial. Este esfuerzo confinante se logra mediante el uso de un pistón neumático o hidráulico que rodea la muestra y aplica una presión lateral controlada. La aplicación de este esfuerzo simula las condiciones de carga lateral que experimenta el suelo en su entorno natural, lo que es crucial para obtener resultados representativos y significativos. Consolidación de la Muestra: Una vez que se ha aplicado el esfuerzo de confinamiento y se ha alcanzado la saturación adecuada de la muestra, se permite que la muestra se consolide bajo carga durante un período mínimo de 16 horas, de acuerdo con las normativas establecidas. Durante este tiempo, se permite que el suelo ajuste su estructura interna y alcance un estado de equilibrio antes de la realización del ensayo triaxial. UNE-EN-ISO_17892-8 2019 (Triaxial sin consolidación y sin drenaje) Figura 19. Fotos propias de la instalación de la probeta en la celda triaxial 24 4.3 REALIZACIÓN ENSAYO TRIAXIAL Aplicación del Esfuerzo Axial: Una vez aplicado el esfuerzo de confinamiento, se procede a aplicar un esfuerzo axial sobre la muestra a través de un pistón superior conectado a un actuador hidráulico. Este esfuerzo axial puede ser aplicado de forma continua o en incrementos controlados, dependiendo del tipo específico de ensayo que se esté llevando a cabo. Esta etapa es fundamental para evaluar la respuesta del suelo bajo carga y determinar sus propiedades mecánicas. Registro de Datos: Durante el ensayo, se registran continuamente los datos de deformación axial y lateral, así como la presión de poros y las fuerzas aplicadas sobre la muestra. Estos datos son esenciales para comprender el comportamiento del suelo durante el ensayo triaxial y se utilizan para determinar sus propiedades de resistencia y deformación. Realización de los Ensayos: Existen diferentes tipos de ensayos triaxiales que pueden llevarse a cabo dependiendo del objetivo del estudio. Dos de los más comunes son el ensayo drenado y el ensayo no drenado. En el ensayo drenado, se permite que el agua drene libremente de la muestra durante la aplicación del esfuerzo axial, mientras que, en el ensayo no drenado, se impide el drenaje de agua de la muestra. En este caso particular, se ha realizado un ensayo Consolidado No Drenado, donde se evita el drenaje de agua de la muestra. Análisis de Resultados: Una vez completado el ensayo, se procede al análisis de los datos recopilados para determinar las propiedades del suelo, como la resistencia al corte, la cohesión y el ángulo de rozamiento interno. Estos resultados son esenciales para el diseño de estructuras y cimentaciones en ingeniería geotécnica, ya que proporcionan información crucial sobre el comportamiento del suelo bajo carga y su capacidad para soportar estructuras. Figura 21. Fotos de elaboración propia de la probeta Figura 20. Esquema explicación funcionamiento maquina triaxial 25 4.4 FINALIZACIÓN ENSAYO TRIAXIAL Desmolde y Pesaje de la Muestra: Una vez completado el ensayo triaxial, se retira cuidadosamente la muestra del equipo triaxial y se procede a desmoldarla. Este proceso garantiza la extracción segura de la muestra de su contenedor sin alterar su integridad. Posteriormente, la muestra se pesa para registrar su peso final. Este dato es importante para evaluar cualquier cambio en la masa de la muestra debido al proceso de ensayo. Secado de la Muestra: La muestra, aún húmeda debido al proceso de saturación durante el ensayo, se coloca en un molde y se introduce en el horno del laboratorio durante un período de al menos un día. Este proceso de secado permite que la muestra elimine completamente la humedad residual y alcance un estado de sequedad constante. Una vez que la muestra está completamente seca, se registra su peso nuevamente. Este paso es crucial para determinar la pérdida de humedad y evaluar cualquier cambio en las propiedades físicas de la muestra debidas al secado. Figura 22. Foto propia de los resultados obtenidos del ensayo Figura 23. Foto propia de como queda la probeta tras el ensayo Figura 24. Foto propia del peso de la probeta previo al horno Figura 25. Foto propia del peso de la probeta después del horno 32 50 % Albero y 50 % NFU 25 % Albero y 75 % NFU 33 6. CONCLUSIONES. Basado en estos resultados, podríamos hacer algunas conclusiones: La adición de NFU al suelo aumenta su estabilidad a largo plazo y mejorar su capacidad de deformación. Sin embargo, la resistencia a la compresión podría disminuir con una mayor proporción de NFU. Para aplicaciones donde la estabilidad a largo plazo y la capacidad de deformación son más importantes que la resistencia a la compresión, una proporción significativa de NFU es beneficiosa. En última instancia, la selección de la composición del suelo dependerá de los requisitos específicos de la aplicación, considerando factores como la carga esperada, la durabilidad deseada y las condiciones del sitio. Para 100 kPa: A 100 kPa, el suelo parece mostrar una mayor estabilidad y resistencia, con tiempos de consolidación más cortos y rangos de tensión más altos en comparación con presiones más altas. En general, la resistencia a la compresión es mayor a 100 kPa en comparación con presiones más altas. Para 200 kPa: A 200 kPa, se observa una disminución en la resistencia del suelo a la compresión, especialmente en composiciones con una mayor proporción de NFU. Los tiempos de consolidación aumentan ligeramente en comparación con 100 kPa, lo que indica una mayor dificultad para alcanzar la estabilización. Para 300 kPa: A 300 kPa, se observa una mayor variabilidad en los tiempos de consolidación y una disminución adicional en la resistencia a la compresión, especialmente en composiciones con una alta proporción de NFU. La desviación de tensión también muestra una mayor tendencia a disminuir, lo que indica una capacidad de deformación potencialmente mayor, pero esto puede venir acompañado de una reducción en la resistencia del suelo 34 Conclusión de los Resultados de los Círculos de Mohr El análisis de los círculos de Mohr revela importantes hallazgos sobre la cohesión y el ángulo de rozamiento en diferentes proporciones de suelo y NFU (no fraccionado uniformemente). Al observar estos resultados, se pueden hacer varias conclusiones significativas. Para las muestras con una alta proporción de albero, se observa una variación considerable en la cohesión, siendo la más dispar a medida que aumenta el contenido de albero. Por ejemplo, para una composición del 100 % de albero, la cohesión media es de 0.75, mientras que para una composición del 75 % de albero y 25 % de NFU, la cohesión media disminuye a 0.66. Esta tendencia sugiere una relación inversa entre la proporción de albero y la cohesión del suelo. Sin embargo, a medida que se incorpora NFU en mayores proporciones, se observa una disminución en la disparidad de la cohesión entre las muestras. Por ejemplo, para una composición equilibrada de 50 % de albero y 50 % de NFU, la cohesión media es de 0.22, con un ángulo de rozamiento de 0. Esta similitud en la cohesión indica una mayor homogeneidad en las propiedades del suelo, lo que puede ser beneficioso para aplicaciones donde la estabilidad y la resistencia son cruciales. Finalmente, en las muestras con una alta proporción de NFU (por ejemplo, 25 % de albero y 75 % de NFU), se observa una cohesión aún más similar, con un valor medio de 0.18 y un ángulo de rozamiento de 0. Esto sugiere que a medida que se incrementa la proporción de NFU, la cohesión tiende a converger hacia un valor común, lo que puede tener implicaciones importantes para la estabilidad y la capacidad de deformación del suelo en aplicaciones prácticas. La disminución en el valor de la cohesión a medida que se implementa NFU dentro de las muestras de suelo plantea importantes consideraciones para la construcción y el diseño de estructuras geotécnicas. Este fenómeno puede atribuirse a varias razones fundamentales. En primer lugar, la naturaleza del NFU introduce una mayor heterogeneidad en la composición del suelo, interrumpiendo las interacciones cohesivas entre las partículas de suelo. A medida que se incrementa la proporción de NFU, las partículas de suelo tienen menos puntos de contacto efectivos, lo que reduce la capacidad del suelo para resistir fuerzas de corte y compresión. Además, el NFU puede actuar como una barrera física entre las partículas de suelo, obstaculizando la transferencia de fuerzas y tensiones dentro del material. Esto puede resultar en una distribución desigual de cargas y una respuesta menos uniforme del suelo bajo cargas externas, lo que contribuye a una disminución en la cohesión observada en las muestras. Las consecuencias de esta disminución en la cohesión pueden ser significativas en aplicaciones de construcción. Por ejemplo, una cohesión reducida puede comprometer la estabilidad y la resistencia de las estructuras construidas sobre este material, aumentando el riesgo de fallas por deslizamiento o asentamiento. Además, la menor cohesión puede afectar la capacidad del suelo para soportar cargas estructurales, lo que puede requerir ajustes en el diseño y la ingeniería de cimientos y estructuras de retención. 35 FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN: Siguiendo la línea de investigación de este TFG y teniendo en cuenta el periodo de tiempo en el que se desarrolla esta investigación, se propone el finalizar el estudio de muestras mixtas de albero y granulado de NFU según su economía y viabilidad: Realizar estudios de costobeneficio para comparar estas mezclas con materiales tradicionales, evaluando la viabilidad económica y las ventajas en términos de sostenibilidad. O, por otro lado, tambien se podría aplicar normativas y estándares: Contribuir al desarrollo de normativas y estándares para el uso de mezclas de albero con NFU en la construcción, asegurando que los materiales cumplan con los requisitos de seguridad y rendimiento. Finalmente siguiendo la línea de investigación de este TFG se podrían diseñar nuevas mezclas con otros suelos convencionales, como podrían ser las arcillas. 36 7. REFERENCIAS. 7.1 BIBLIOGRAFÍA 7.2 NORMATIVA • Review Article. Advances in Properties of Rubber Reinforced Soil. Hindawi. Advances in Civil Engineering Volume 2020, Article ID 6629757 • Effect of particle size on the dynamic properties of tire derived. Elsevier. Construction and Building Materials 286. (2023) 131612 • Mengtao Wu, Fangcheng Liu, Zhaochao Li & Guobin Bu (2023) Micromechanics of granulated rubber–soil mixtures as a cost-effective substitute for geotechnical fillings, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 30:13, 2701-2717, DOI: 10.1080/15376494.2022.2062628 • Review. The impact of end-of-life tires on the mechanical. Environ Dev Sustain (2019). • Article. Use of Granulated Rubber Tyre Waste as Lightweight Backfill. Applied Sciences. MDPI. 2021,11,6159 • Serrano, E., García, L., & Fraile, M. (2007). Valorización Material Y Energética De Neumáticos Fuera De Uso ISBN: 978-84-611-8343-2. CEIM Dirección General de Universidades e Investigación. • Zhang, T., Cai, G., & Duan, W. (2018). Strength and microstructure characteristics of the recycled rubber tire-sand mixtures as lightweight backfill. Environmental Science and Pollution Research, 25(4). • UNE_103-100 1995 (Preparación muestra) • UNE-EN-ISO_17892-3 2018 (Densidad de partículas) • UNE-EN-ISO_17892-4 2019 (Distribución granulométrica) • UNE-EN-ISO_17892-8 2019 (Triaxial sin consolidación y sin drenaje) • UNE-EN-ISO_17892-11 2020 (Permeabilidad) 37 7.3 TESIS Y TRABAJOS FINAL DE CARRERA 7.4 WEBS • TFG MARCELINO AGUILERA NOGUEROL Diseño experimental de suelos con materiales mixtos: tierra y granulado de neumático fuera de uso (NFU) • TFG AMPARO MARTÍNEZ HUELVA Caracterización frente a su comportamiento hidráulico de suelos mixtos de albero y granulado de neumático fuera de uso (NFU) • TESIS ELIZABETH CONTRERAS MARÍN Caracterización de materiales reciclados: parámetros geotécnicos del granulado de neumático fuera de uso (NFU’s) • TESIS DE MARÍA ANGUITA GARCÍA Utilización de NFU en obras de geotecnia & rehabilitación: neumático fuera de uso. • https://www.juntadeandalucia.es/organismos/sostenibilidadmedioambienteyeconomiaaz ul.html • https://www.signus.es/ • https://www.aridos.org/estadisticas/ 38 8. ANEXOS. 8.1 GRÁFICAS Y TABLAS 8.2 CRITERIO CIRCULO DE MOHR 8.3 MANUAL ENSAYO TRIAXIAL 39 8.1 GRÁFICAS Y TABLAS 100 kPa 100 % Albero 40 100 kPa 75 % Albero y 25 % NFU 41 100 kPa 50 % Albero y 50 % NFU 48 300 kPa 75 % Albero y 25 % NFU 49 300 kPa 50 % Albero y 50 % NFU 50 300 kPa 25 % Albero y 75 % NFU 51 8.2 CRITERIO CIRCULO DE MOHR Criterios de Falla Mohr-Coulomb Mohr (1900) presentó una teoría sobre la ruptura de los materiales. Dicha teoría afirma que un material falla debido a una combinación crítica de esfuerzo normal y esfuerzo cortante, y no solo por la presencia de un esfuerzo máximo normal o bien de un esfuerzo máximo cortante. Por lo cual, la relación entre un esfuerzo normal y un esfuerzo cortante sobre un plano de falla se expresa en la Ecuación 1. Donde: τf = esfuerzo cortante sobre el plano de falla σ = esfuerzo normal sobre el plano de falla La envolvente de falla definida por la ecuación es una línea curva. Para la mayoría de los problemas de mecánica de suelos, es suficiente aproximar el esfuerzo cortante sobre el plano de falla como una función lineal del esfuerzo normal [9], lo cual se conoce como el Criterio de falla Mohr-Coulomb como se presenta en la Ecuación 2. Donde: c = cohesión φ = ángulo de fricción interna En la Figura a continuación se observa, que si el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante sobre un plano en una masa de suelo son tales que son representados por el punto A, entonces no ocurrirá una falla cortante a lo largo de ese plano. Si el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante sobre un plano son representados por el punto B (sobre la envolvente de falla), entonces ocurrirá una falla de cortante a lo largo de ese plano. Un estado de esfuerzo ubicado en el punto C no existe, porque queda por arriba de la envolvente de falla y la falla cortante ya habría ocurrido en el suelo. 52 En este anexo se presenta el procedimiento para el cálculo de círculos de Mohr en suelos no consolidados no drenados. Se considerarán las características mecánicas de este tipo de suelo y se analizarán las condiciones de esfuerzo y deformación que se presentan durante la carga axial. Una vez obtenidos los datos de los esfuerzos principales, se crea una tabla para organizar la información y facilitar la representación gráfica de los círculos de Mohr. Con los datos organizados en la tabla, se pueden dibujar los círculos de Mohr para cada mezcla y analizar su comportamiento mecánico. 53 Círculos de Mohr por Kpa 54 100 % Albero 75 % Albero y 25 % NFU 50 % Albero y 50 % NFU 25 % Albero y 75 % NFU 55 8.3 MANUAL ENSAYO TRIAXIAL Introducción El ensayo triaxial es una prueba fundamental en geotecnia para determinar la resistencia al corte y el comportamiento de los suelos. Este manual describe los procedimientos y componentes necesarios para realizar un ensayo triaxial de manera adecuada en España, siguiendo las normas y prácticas recomendadas. Componentes del equipo de ensayo triaxial El equipo de ensayo triaxial consiste en: 1. Cámara de presión: Una cámara cilíndrica que contiene la muestra de suelo y permite aplicar presión de confinamiento. 2. Sistema de carga: Un dispositivo que aplica una carga axial creciente a la muestra de suelo. 3. Sistema de medición de deformación: Un sistema que mide la deformación axial de la muestra durante la prueba. 4. Sistema de drenaje: Un sistema que permite controlar el flujo de agua en la muestra durante la prueba. 5. Dispositivo de control: Un dispositivo que controla la presión de confinamiento, la carga axial y la velocidad de carga. 6. Instrumentación: Incluye medidores de presión, transductores de desplazamiento y otros sensores para registrar las variables de la prueba. Tipos de ensayos triaxiales Existen dos tipos principales de ensayos triaxiales: 1. Ensayo triaxial consolidado drenado (CD): En este ensayo, se permite la consolidación de la muestra de suelo antes de aplicar la carga axial. Se controla el flujo de agua durante la prueba para mantener un estado de drenaje. 2. Ensayo triaxial consolidado no drenado (CU): En este ensayo, no se permite el flujo de agua durante la prueba, lo que simula condiciones de carga rápida. 3. Ensayo triaxial No consolidado no drenado (UU): En este ensayo, no se permite el flujo de agua durante la prueba, además de que la muestra tampoco se deja consolidar, lo cual es una prueba que se puede hacer en el mismo día. 56 Procedimiento del ensayo triaxial El procedimiento general del ensayo triaxial se puede dividir en las siguientes etapas: 1. Preparación de la muestra: Se extrae una muestra de suelo sin alteraciones y se prepara una probeta cilíndrica. Preparación de la Muestra: La muestra se prepara siguiendo los cálculos previamente realizados para determinar el tipo de suelo y los porcentajes adecuados de albero y granulado de NFU. Además, se agrega el porcentaje óptimo de humedad para garantizar la cohesión y representatividad de la muestra. Compactación de la Muestra: La muestra de suelo preparada se compacta en una probeta cilíndrica de dimensiones conocidas utilizando un equipo de compactación estándar. En este estudio, se emplea un martillo de compactación para asegurar la uniformidad y reproducibilidad del proceso. La compactación se lleva a cabo en tres capas, con un total de 17 golpes por capa, de acuerdo con las especificaciones de la normativa vigente. Este procedimiento garantiza una densidad uniforme en toda la muestra, lo que es fundamental para obtener resultados precisos y comparables. 57 2. Montaje de la muestra: Se coloca la probeta en la cámara de presión y se monta el sistema de medición de deformación y drenaje. Instalación de la Probeta en la Celda Triaxial: Una vez compactada, la probeta se coloca cuidadosamente dentro de la celda triaxial. Es crucial asegurarse de que la probeta esté centrada y nivelada dentro de la celda para evitar posibles complicaciones durante el ensayo. Esta etapa es crucial para garantizar la integridad de los datos obtenidos y la fiabilidad de los resultados del análisis triaxial. 3. Aplicación de la presión de confinamiento: Se aplica una presión de confinamiento inicial a la muestra de suelo. Aplicación del Esfuerzo de Confinamiento: Una vez que la muestra está correctamente instalada en la celda triaxial y saturada con agua, se procede a aplicar un esfuerzo de confinamiento radial. Este esfuerzo confinante se logra mediante el uso de un pistón neumático o hidráulico que rodea la muestra y aplica una presión lateral controlada. La aplicación de este esfuerzo simula las condiciones de carga lateral que experimenta el suelo en su entorno natural, lo que es crucial para obtener resultados representativos y significativos. Consolidación de la Muestra: Una vez que se ha aplicado el esfuerzo de confinamiento y se ha alcanzado la saturación adecuada de la muestra, se permite que la muestra se consolide bajo carga durante un período mínimo de 16 horas, de acuerdo con las normativas establecidas. Durante este tiempo, se permite que el suelo ajuste su estructura interna y alcance un estado de equilibrio antes de la realización del ensayo triaxial.