Analysis of the variables that affect the strength of concrete with recycled aggregates from prefabricated pipes

Chapter II – The construction and demolition waste, its recycling and reuse opportunities 492 ANÁLISIS DE VARIABLES QUE AFECTAN A LA RESISTENCIA DEL HORMIGÓN CON ÁRIDOS RECICLADOS PROCEDENTES DE TUBERÍAS PREFABRICADAS 1 *Tarela, Ester; 1 Letelier, Viviana; 1 Osses, Rodrigo; 1 Cárdenas, Juan Pablo; 2 Moriconi, Giacomo 1 Departamento de Obras Civiles. Universidad de La Frontera Av. Francisco Salazar, 01145, Temuco, Chile 2 Department of Scienze e Ingegneria della Materia, dell’Ambiente ed Urbanistica (SIAMU) Università Politecnica delle Marche, Italy e-mail: *[email protected] RESUMEN Se analiza la variación de la resistencia a compresión y tracción de hormigones con áridos reciclados al modificar diversas variables que intervienen en su comportamiento. Los hormigones estudiados se dosifican para una resistencia a compresión de 30MPa. Los áridos reciclados se obtienen de escombros de tuberías prefabricadas de hormigón con una resistencia a compresión de 20MPa. Se consideran cuatro parámetros en este estudio: el porcentaje de sustitución de los áridos gruesos naturales por estos áridos reciclados; la cantidad de mortero adherido a la superficie de los áridos, que se controla aplicando un proceso de abrasión mecánica en lugar de los métodos químicos tradicionales; el tamaño máximo de los áridos gruesos reciclados de sustitución y el porcentaje de adición de cemento especificado en la dosificación. Se utiliza el método estadístico de Taguchi considerando 3 niveles para cada uno de los 4 parámetros para determinar sus efectos sobre la resistencia del material, minimizando el número de ensayos experimentales necesarios. El ensayo se realiza tras periodos de curado de 28 y 90 días. Estos 3 niveles se establecen para cada una de las variables consideradas en base a estudios anteriores o ensayos experimentales previos. Los resultados se cuantifican mediante el método de análisis de varianza (ANOVA), para establecer qué variables afectan en mayor medida a las resistencias finales. Los resultados muestran que una restricción del porcentaje de áridos sustituidos al 30% y una reducción del mortero adherido mediante procesos de abrasión permiten obtener materiales con una resistencia a la compresión equivalente a la de un hormigón de control de resistencia media, cuando el material ha sido curado durante 28 días. La influencia del tamaño del árido reciclado aumenta considerablemente para 90 días de curado, mientras que la importancia del porcentaje de adición de cemento aumenta al considerar la resistencia a tracción. Los resultados indican que controlando ciertos parámetros se obtienen materiales con propiedades mecánicas equivalentes a las de un hormigón de control, permitiendo la reutilización de escombros y reduciendo la cantidad de áridos gruesos naturales necesarios de forma significativa. Keywords: Áridos reciclados; Hormigón reciclado; Propiedades mecánicas del hormigón; Resistencia a compresión. Proceedings of the II International and IV National Congress on Sustainable Construction and Eco- Efficient Solutions 493 1.- Introducción El desarrollo sostenible se ha convertido en los últimos años en una obligación, tanto en la ingeniería de construcción como en otras áreas, debido a una fuerte demanda social. Como parte de este proceso global, la utilización de hormigón obtenido a partir de escombros no sólo concierne a regiones industrializadas, sino que responde a una necesidad mundial. En general, la industria del hormigón prefabricado produce en torno a un 5% de pérdidas de producto debido materiales defectuosos o fallos de producción. Este material se deshecha y es considerado un residuo en las plantas de producción. Sin embargo, la ausencia de cuerpos extraños como materiales cerámicos, cal, restos de pintura o de armadura hacen de estos residuos el candidato perfecto para el reciclado. Considerar su reutilización en la misma planta de producción ahorraría costos, no solo en material sino también en gastos de gestión de residuos. Estudios previos en hormigones con áridos reciclados (0,0,0,0,0) muestran diferencias significativas en las propiedades mecánicas de estos materiales respecto a los convencionales. Una de las causas principales de esta pérdida en la resistencia es el mortero adherido a la superficie de los áridos reciclados. Cuando se utiliza este tipo de áridos es necesario considerar dos interfaces en lugar de una; la habitual (vieja interfaz), entre el mortero viejo y los áridos; y una nueva (nueva interfaz), entre los áridos (incluyendo el mortero adherido) y la nueva matriz de cemento (0,0,0). En consecuencia, la calidad y cantidad de mortero adherido a la superficie de los áridos reutilizados tendrá una gran influencia en el comportamiento mecánico del hormigón reciclado, en particular, en su resistencia (0,0). En los últimos tiempos se han estudiado diversas alternativas para controlar estas pérdidas en la resistencia. La primera y más habitual consiste en limitar la cantidad de áridos reciclados. Análisis previos (0,0,0,0,0,0,0,0,0) prueban que las propiedades del hormigón no se modifican de forma significativa si se limita la cantidad de áridos sustituidos a porcentajes relativamente bajos. Es por ello que, en estos días, varias normativas técnicas europeas permiten el uso de hasta un 30% de áridos reciclados en la producción de hormigón estructural. Otras formas de maximizar la resistencia han sido estudiadas. Por ejemplo, ajustar la proporción agua/cemento, aumentando la cantidad de cemento. Esto reduciría el efecto de los áridos reciclados y, en consecuencia, limitaría la reducción de la resistencia a compresión (0,0,0). El tamaño de los áridos también juega un papel importante en las propiedades del nuevo material. Si se sustituyen áridos finos, la superficie involucrada (interfaces nueva y vieja) aumenta, incrementando la cantidad de mortero adherido en la mezcla de cemento y el hormigón. Su caracterización es compleja, haciéndolo altamente impredecible, dando lugar a alteraciones inesperadas en las propiedades del hormigón fresco y endurecido 0. En resumen, el problema principal en la reutilización de áridos reciclados es el mortero antiguo adherido. Diversos estudios tratan el tema de la reducción de la cantidad de este mortero. Ismail & Ramli 0 utilizan diferentes tipos de ácido para minimizar o incluso eliminar las partículas sueltas de mortero adherido a la superficie de los áridos. Las propiedades físicas del hormigón mejoran significativamente, una reducción del mortero antiguo mejora la calidad de las superficies de contacto entre la nueva matriz de cemento y los áridos, aumentando la resistencia mecánica del hormigón. Teniendo en cuenta estos precedentes, se analizarán los límites óptimos de las variables mencionadas (porcentaje de áridos reciclados, porcentaje de adición de Chapter II – The construction and demolition waste, its recycling and reuse opportunities 494 cemento, tamaño de los áridos de sustitución y la cantidad de mortero adherido), con el fin de obtener resistencias similares a las que presenta un hormigón de control. 2.- Descripción del problema 2.1.- Materiales Los áridos gruesos utilizados en esta investigación se obtienen a partir de escombros de hormigón prefabricado de tuberías cilíndricas con una resistencia media a compresión de 20MPa tras 28 días de curado, proporcionadas por una compañía local (Prefabricados Burzios, Temuco, Chile). Los escombros se muelen en una trituradora de mandíbula, produciendo áridos de un tamaño máximo de 30mm, posteriormente clasificados mediante tamizado mecánico para utilizar únicamente la fracción entre 6.3 y 19.3mm. En estudios previos se reduce la cantidad de mortero principalmente mediante la aplicación de disolventes que actúan sobre el material adherido. En este caso se utiliza un proceso mecánico, utilizando una máquina de desgaste de Los Ángeles para provocar abrasión. La cantidad de mortero se cuantifica en función de las revoluciones aplicadas. El procedimiento se ilustra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. . Fig. 10 “Los escombros (debris) molidos en la trituradora de mandíbula (jaw crusher). Ejemplo de áridos sin abrasión (0rev), abrasión mecánica a 100rev y 300rev” En la Tabla 1 se presentan los valores de la densidad real y la absorción para estos áridos. Los áridos naturales presentan valores más altos de densidad seca (Gn) que los reciclados (Gr), debido al mortero adherido a su superficie. Por lo tanto, la densidad de los áridos aumentará al reducir la cantidad de mortero. Arena G N G R G R100R G R300R Densidad seca (Kg/m 3 ) 2630 2666 2300 2330 2420 Absorción de agua (%) 1,4 1,7 6,2 5,3 4,0 Tabla 1 “Densidades y absorciones de los áridos”. Gn: grava natural; Gr: grava reciclada sin erosión; Gr 100r: grava reciclada con erosión a 100rev; Gr300r: grava reciclada con erosión a 300rev. Proceedings of the II International and IV National Congress on Sustainable Construction and Eco- Efficient Solutions 495 Por otro lado, el porcentaje de absorción de agua de los áridos reciclados es casi 3.6 veces mayor que la de los áridos naturales. En cualquier caso, al aumentar el nivel de abrasión, la absorción disminuye hasta valores de 3.1 y 2.4 veces la de los áridos naturales para 100rev y 300rev, respectivamente. Las características del cemento puzolánico utilizado se muestran en la Tabla 2. Valores Requerimientos NCh 148 Of. 68 Características físicas y mecánicas Peso específico (g/cm3) 2,8 Expansión en Autoclave (%) 0,1 1,0 max Fraguado inicial (hh:mm) 02:40 01:00 min Fraguado final (hh:mm) 03:40 12:00 max Resistencia a compresión (kg/cm2) 3 días 280 7 días 320 180 min 28 días 410 250 min Características químicas Pérdida por calcinación (%) 4,0 5,0 max S03 (%) 3,5 4,0 max Tabla 2 “Características del cemento puzolánico”. 2.2.- Método experimental Durante la fase experimental se analizan las diferencias en la resistencia a compresión y tracción entre el hormigón con áridos reciclados y un hormigón de control con áridos naturales. Se llevan a cabo diferentes ensayos para identificar qué variables tienen mayor influencia en las propiedades finales del material. De acuerdo con los resultados obtenidos por otros autores y a los rangos establecidos por diversas normativas, se consideran tres valores o niveles para cada una de las variables: - Porcentaje de áridos reciclados: 20%, 30% y 40%. Esta elección se basa teniendo en cuenta las normativas técnicas que a día de hoy consideran el uso de áridos reciclados. - Porcentaje de cemento, se establecen en 0%, 5% y 10%, en base a estudios anteriores (0,0,0) pero utilizando material nacional (chileno). - Tamaño de los áridos reciclados: 6.3-9.5mm, 9.5-12.5mm y 12.5-19.3mm. - Cantidad de mortero adherido: 0rev, 100rev y 300rev. El uso de abrasión mecánica para reducir la cantidad de mortero adherido a los áridos es una técnica nueva. Los niveles se establecieron a partir de pruebas experimentales previas al análisis. Para analizar todos los escenarios posibles y determinar la influencia de cada variable deberían considerarse todas las combinaciones posibles. Este diseño factorial implicaría desarrollar 3 4 ensayos. Para reducir este número se aplica el modelo estadístico de Taguchi [21]. Utilizando una combinación de 9 vectores ortogonales el número de dosificaciones requeridas puede minimizarse maximizando la información que aportan los resultados. En este caso se consideran 4 variables independientes con tres valores o niveles cada una, por lo que se utiliza una combinación ortogonal L9, limitando el número de ensayos a 9. El método supone que las variables no interactúan entre sí, lo que implica que el efecto de la variación de uno de los parámetros no depende del estado del resto de variables independientes. En la Tabla 3 se muestran los 9 vectores que se consideran. Los resultados se analizarán aplicando el método de análisis de varianza ANOVA. Chapter II – The construction and demolition waste, its recycling and reuse opportunities 496 Tamaño (mm) Cemento (%) Cantidad áridos (%) Abrasión (rev) H1 6,3-9,5 0 20 0 H2 6,3-9,5 5 30 100 H3 6,3-9,5 10 40 300 H4 9,5-12,5 0 20 0 H5 9,5-12,5 5 30 100 H6 9,5-12,5 10 40 300 H7 12,5-19,3 0 20 0 H8 12,5-19,3 5 30 100 H9 12,5-19,3 10 40 300 Tabla 3 “Valores de los parámetros utilizados en cada ensayo” Todas las muestras se realizaron utilizando arena natural, únicamente las áridos gruesos son parcialmente reemplazados por áridos gruesos reciclados. Se miden las propiedades, consistencia, densidad aparente y contenido de aire de los hormigones. Las propiedades mecánicas se evalúan mediante ensayos de compresión y tracción. Los ensayos de compresión se llevan a cabo siguiendo las normativas NCh1037 y NCh1017, utilizando tres muestras cúbicas de 15x15x15cm curadas durante 28 y 90 días. Los de tracción se realizan siguiendo la normativa NCh1038, utilizando tres muestras prismáticas de 15x15x50cm, curadas durante 28 días. 3.- Metodología Se diseñan las diferentes mezclas utilizando el método de Faury [22] calibrado para una resistencia a compresión de 30MPa tras 28 días de curado. Se considera una proporción agua/cemento de 0.42 para el hormigón de control y hormigones sin adición de cemento. Cuando se considera la adición de cemento esta proporción se reduce un 5 o un 10%. Para calcular la cantidad final de agua utilizada en cada mezcla se somete a los áridos reciclados a un proceso de pre-saturación alcanzando ésta un valor del 80%. De acuerdo a trabajos previos, este proceso de pre-saturación ayuda a sellar los poros en los áridos reciclados, lo que limita el intercambio de agua y evita problemas con la manejabilidad del hormigón fresco y la proporción agua/cemento (0,0). Los valores utilizados en la dosificación de los hormigones, considerando los niveles preestablecidos por el método de Taguchi [21], y los resultados obtenidos del cono de Abram se muestran en la Tabla 4. Todas las muestras se elaboran en condiciones de laboratorio y se extraen del molde 24±2 horas tras realizar la mezcla. Después se sumergen en agua con cal a 23±3ºC durante el tiempo de curado necesario (28 o 90 días). Proceedings of the II International and IV National Congress on Sustainable Construction and Eco- Efficient Solutions 497 Arena (Kg/m3) Gn 2,36 - 19,3 mm Gr Cemento (Kg/m3) Agua Consistencia (cm) Aire (%) 6,3 - 19,3 (mm) (Kg/m3) HC N 781,8 1024,2 - 382,3 162,6 2,5 1,1 H1 R 781,8 819,3 204,8 382,3 162,6 1,5 1,5 H2 R 781,8 717,0 307,3 401,4 162,6 1,5 1,3 H3 R 781,8 614,6 409,6 420,5 162,6 1,3 1,3 H4 R 781,8 819,3 204,8 382,3 162,6 4,4 1,7 H5 R 781,8 717,0 307,3 401,4 162,6 3,0 1,6 H6 R 781,8 614,6 409,6 420,5 162,6 3,2 1,1 H7 R 781,8 819,3 204,8 382,3 162,6 3,8 1,0 H8 R 781,8 717,0 307,3 401,4 162,6 5,5 1,4 H9 R 781,8 614,6 409,6 420,5 162,6 3,0 1,8 Tabla 4 “Propiedades del hormigón de control (N) y de los reciclados (R) con cada dosificación” Se llevan a cabo los ensayos siguiendo la normativa NCh1037 Of2009 en cada una de las muestras cúbicas, aplicando la carga formando un ángulo recto a la posición de moldeo. Los ensayos de resistencia a tracción en las muestras prismáticas se llevan a cabo aplicando la carga formando un ángulo recto respecto a la posición de moldeo, de acuerdo con los estándares chilenos NCh1038 Of2009. En todos los casos se realizan los ensayos para tres probetas por cada dosificación tomando la media como resultado. 4.- Resultados y discusión Los resultados para las resistencias a compresión y tracción para cada una de las muestras se muestran en la Tabla 5. Compresión (MPa) Tracción (MPa) Muestra 28 días 90 días 28 días HC 34,8 40,2 5,3 H1 25,5 34,8 4,2 H2 30,5 39,2 5,0 H3 29,6 36,5 5,1 H4 29,7 35,1 4,9 H5 35,9 36,2 4,4 H6 25,0 32,4 4,6 H7 28,7 38,4 4,0 H8 35,7 43,1 4,2 H9 26,1 36,9 5,5 Tabla 5 “Resultados para cada muestra” 4.1.- Resistencia a compresión En la Fig. 11 se muestran los resultados para la resistencia a compresión para 28 días de curado. Sólo dos muestras con áridos reciclados, H5 y H8, que alcanzan valores de 35.9 y 35.7MPa respectivamente, igualan o superan la resistencia del hormigón de control (34.8MPa). Ambas muestras tienen un 30% de áridos reciclados a los que se aplicó abrasión a 100rev y llevan un 5% de adición de cemento. A pesar de que todas las muestras se diseñaron para alcanzar una resistencia mínima de Chapter II – The construction and demolition waste, its recycling and reuse opportunities 498 30MPa, solo las tres que contienen un 30% de áridos reciclados, H2, H5 y H8, sobrepasaron este valor. Fig. 11 “Resistencia a compresión después de 28 días de curado”. Los valores mínimos de resistencia a compresión se obtuvieron para las muestras H1, H6 y H9, con un descenso de entre un 25% y un 28% del valor obtenido para la muestra de hormigón de control. Estas muestras contienen un 40% de áridos reciclados sin abrasión ni adición de cemento. Las otras tres muestras, H3, H4 y H7, presentan una disminución de la resistencia a compresión de entre el 15% y el 17% respecto al hormigón de control. La Fig. 12 muestra los valores de resistencia a compresión obtenidos después de 90 días de curado. Tras un largo tiempo de curado todas las muestras superan la resistencia de diseño. De todas formas, solo la muestra H8 supera la resistencia del hormigón de control. H6 presenta el valor mínimo, un 19% por debajo del valor obtenido por el hormigón de control. El resto están entre un 5% y un 13% por debajo. Fig. 12 “Resistencia a compresión después de 90 días de curado”. Los resultados evidencian que los hormigones presentan un mejor comportamiento tras 90 días de curado (Fig. 13). Esta conclusión coincide con estudios previos (0,0) que atribuyen la resistencia a compresión a una unión más fuerte en la interfaz cemento-áridos gruesos. Yu & Shui 0 postulan que durante el proceso de hidratación del cemento algunas partículas no reaccionan. Al utilizar áridos reciclados estas partículas están presentes en el mortero adherido a la superficie, así que, cuando se Proceedings of the II International and IV National Congress on Sustainable Construction and Eco- Efficient Solutions 499 lleva a cabo un nuevo proceso de hidratación podrían reactivarse, dando lugar a un aumento de la resistencia a compresión a largo plazo. Además, teniendo en cuenta que los procesos de hidratación y endurecimiento son significativamente más lentos cuando se utilizan áridos reciclados (0,0,0) podrían crearse enlaces más fuertes entre el cemento y los áridos gruesos reciclados, lo que podría compensar hasta cierto punto los efectos negativos del uso de áridos más débiles cuando se aplica un curado de larga duración. Fig. 13 “Resistencia a compresión relativa tras 28 días/tras 90 días de curado”. 4.2.- Influencia de cada variable En esta sección, los resultados obtenidos utilizando el método de optimización de Taguchi [21] se interpretan para determinar la influencia de cada uno de los parámetros en la resistencia a compresión tras 28 y 90 días de curado. En la Fig. 14 se muestra la influencia de dos parámetros, el nivel de abrasión y el porcentaje de adición de cemento, en la resistencia a compresión. Las curvas para ambos parámetros tienen una forma similar, aumentando la resistencia a compresión al aumentar sus valores. El efecto es más significativo para los resultados obtenidos tras 28 días de curado, un aumento del 0% al 10% en la adición de cemento resulta en una muestra un 8% más resistente y un aumento en la abrasión de 0rev a 300rev resulta en un material un 14% más resistente. Tras 90 días de curado la adición de cemento prácticamente no aumenta el efecto (en torno a un 1% de aumento en la resistencia a compresión), lo que podría deberse a las propiedades mecánicas originales del hormigón de control, que controla los máximos alcanzables al añadir áridos reciclados 0. En cuanto al proceso de abrasión, la resistencia a compresión aumenta un 6% cuando se aplican 300rev. Este comportamiento está de acuerdo con las observaciones de Matias et al. 0 sobre el efecto de las partículas planas angulares. Consideran que este tipo de partículas puede dar lugar a estratificación, limitando la durabilidad y resistencia del hormigón. Este efecto puede controlarse utilizando áridos más redondeados. Cuando se utilizan áridos reciclados, el proceso de abrasión provoca un cambio en la forma, suavizando los bordes y dando lugar a un material más redondeado. Además, Ismael y Ramli 0 concluyen que uno de los principales factores que causan los valores bajos de resistencia a compresión en hormigones con áridos reciclados es el mortero adherido a sus superficies; y Gonzalez y Etxeberria 0 señalan que el uso de áridos reciclados con niveles más elevados de absorción afecta a las propiedades finales del hormigón. El proceso de abrasión, como se muestra en la Tabla 1 da lugar a un descenso en los niveles de absorción al reducir el mortero adherido. Chapter II – The construction and demolition waste, its recycling and reuse opportunities 500 Fig. 14 “Variación de la resistencia a compresión con el nivel de abrasión y el porcentaje de adición de cemento tras 28 y 90 días de curado”. El efecto de la cantidad de áridos reciclados y su tamaño mínimo se analizan en la Fig. 15. Cuando el tamaño máximo de los áridos aumenta de 9.5mm a 19.3mm la resistencia aumenta un 8% para 28 días de curado y un 7 % para 90 días. El uso de partículas de mayor tamaño reduce la cantidad de mortero en la mezcla, reduciendo las interfaces y por lo tanto las zonas debilitadas 0. Cuando el porcentaje de áridos reciclados alcanza un 40% la resistencia a compresión decae un 14% y un 12% respeto de los valores obtenidos con un 30%, tras 28 y 90 días de curado respectivamente. Kwan et al. 0 y Gonzalez y Etxeberria 0 concluyen que este decaimiento responde a la baja calidad del mortero adherido. Fig. 15 “Variación de la resistencia a compresión con porcentaje y el tamaño de los áridos reciclados tras 28 y 90 días de curado”. La Tabla 6 muestra los resultados del ANOVA a partir de los valores obtenidos mediante el método de Taguchi.