Comportamiento físico-mecánico de hormigones reciclados elaborados con canto rodado

C.J. Zega¹, V.L. Taus² y A.A. Di Maio³

¹Ing. Civil. Becario CONICET-LEMIT. Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT). Calle 52 e/121 y 122. (1900) La Plata. Argentina. Docente Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata (UNPL)

²Inga. Civil. Becaria CIC-LEMIT. Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT). Calle 52 e/121 y 122. (1900) La Plata. Argentina.

³Ing. Investigador CONICET-LEMIT. Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica (LEMIT). Calle 52 e/121 y 122. (1900) La Plata. Argentina.  Tel. 54-0221-483-1141/44. Fax: 54-0221-425-0471 - e-mail: hormigones@lemit.gov.ar Profesor Fac. Ing. Universidad Tecnológica Nacional (UTN) Regional La Plata

Resumen

Uno de los factores a tener en cuenta en la resistencia del hormigón es la textura superficial del agregado grueso, la cual actúa sobre la zona de interfase modificando la adherencia entre éste y el mortero. Los agregados reciclados obtenidos de la trituración de hormigones de desecho presentan, debido a su composición, una mayor porosidad y una textura superficial más rugosa que los agregados naturales, hecho que afecta tanto a las propiedades y características de los agregados reciclados como así también a las de los hormigones con ellos elaborados. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en hormigones elaborados con 50, 75 y 100% de reemplazo del agregado grueso natural por agregado grueso reciclado proveniente de la trituración de un hormigón elaborado con canto rodado, comparativamente con los obtenidos en un hormigón convencional (con agregado grueso natural). Se observa que los hormigones reciclados presentan niveles resistentes similares al del hormigón convencional, siendo también satisfactorio su comportamiento durable frente a diferentes mecanismos de transporte.

Palabras Claves: agregado reciclado, absorción, hormigón reciclado, resistencia, durabilidad.

physical-mechanical behaviour of recycled concretes elaborated with siliceous gravel

ABSTRACT

The superficial texture of coarse aggregate modifies the interface zone and the adherence between aggregate and mortar. Recycled aggregates obtained from crushed waste concretes present a higher superficial ruggedness and porosity than natural aggregates, due to the mortar attached to the rock, which can affect the recycled aggregates properties and recycled concretes performance. This paper presents the results obtained on concretes elaborated with 50, 75 and 100% by replacement of natural coarse aggregate by recycled coarse aggregate obtained from crushed concrete elaborated with siliceous gravel. The results are compared with those obtained on conventional concrete (with natural coarse aggregate). It is observed that recycled concretes present strength levels similar to the conventional concrete, and their durable behaviors are satisfactory.

Keywords: recycled aggregate, absorption, recycled concrete, strength, durability.

1. Introducción

La Argentina presenta una basta extensión constituida por formaciones geológicas de diversa naturaleza, por lo cual se dispone de una gran variedad de rocas que pueden ser empleadas como agregados para la elaboración de hormigones. Sin embargo, en muchos casos, para poder utilizar este material es necesario transportarlo grandes distancias desde su fuente de origen con lo cual los costos se incrementan considerablemente. Una forma de solucionar este problema consiste en reemplazar parte del agregado grueso natural por el material granular que resulta de la trituración de hormigones de desecho (agregados reciclados).

Otro hecho importante que ha llevado al estudio de los agregados reciclados está relacionado con la disminución de la contaminación ambiental, debido a que mediante su utilización se disminuye la cantidad de desechos que se tiran como así también la cantidad de agregados naturales que se extrae de los yacimientos no renovables.

El uso de los agregados reciclados está reglamentado desde hace más de una década en países altamente industrializados como Dinamarca, Holanda, Japón, etc., motivado principalmente por problemas ambientales. En nuestro país, zonas densamente pobladas han comenzado a presentar inconvenientes originados en la deposición incontrolada de desechos de construcción, que en el caso de los hormigones provienen de los viejos y deteriorados pavimentos que son levantados y reconstruidos.

Al igual que cuando se utilizan agregados naturales para la elaboración de hormigones, en este caso resulta aún más importante conocer las características y propiedades que presentan los agregados reciclados, ya que, en este último caso, las mismas estarán influenciadas no sólo por la composición de la roca natural sino también por la del mortero que puede tener adherido debido a que estos agregados presentan en su composición dos fases: roca y mortero, pudiéndose encontrar partículas formadas enteramente por cualquiera de ellas [1, 2].

Además de la composición y característica de cada una de estas fases, la interacción entre ambas determinará el comportamiento que tendrá el agregado reciclado. Si una de estas fases presenta una muy baja calidad, el desempeño tanto mecánico como durable del agregado reciclado será deficiente, aunque el otro componente sea de calidad muy superior. Cuando el agregado natural posee una textura superficial rugosa se produce una muy buena adherencia con el mortero, en tanto que si la textura del agregado es lisa dicha adherencia se verá disminuida originándose zonas de mayor debilidad [3], que en el caso de los agregados reciclados influirá tanto en éstos como en el hormigón del cual formen parte.

Debido a que en estudios anteriores se evaluaron hormigones reciclados elaborados con agregados gruesos que presentaban una textura superficial rugosa (piedra partida granítica) [2, 4, 5], en este estudio, el objetivo principal consistió en la evaluación del comportamiento físico-mecánico de hormigones reciclados en los cuales el agregado grueso natural fue reemplazado por distintos porcentajes de agregados provenientes de la trituración de hormigones ejecutados con un agregado grueso de forma redondeada y textura lisa, a fin de determinar si esta característica provoca alguna modificación en las propiedades de los hormigones reciclados, tanto en estado fresco como endurecido.

En primer término se evalúan comparativamente las propiedades de los agregados naturales y reciclados, efectuándose posteriormente un análisis de las características físico-mecánicas y de algunas propiedades relacionadas con el transporte de líquidos a través de los hormigones con ellos elaborados.

2.  EXPERIENCIAS

2.1 Materiales y mezclas

Se elaboró un hormigón convencional (HC) de razón agua/cemento 0.50, para lo cual se empleó, como agregado grueso natural, canto rodado silíceo procedente del Río Paraná, arena silícea de río (MF: 2.32) y cemento portland compuesto (CPC-40). A partir de este hormigón, y luego de determinar sus propiedades físico-mecánicas, se procedió a su trituración con el fin de obtener los agregados reciclados.

Con los agregados gruesos triturados se elaboraron hormigones reciclados (HR), de igual razón a/c que el HC, reemplazando el agregado grueso natural en diferentes porcentajes en volumen y manteniendo constante las proporciones de los demás materiales. Para la realización de los hormigones HR se adoptaron tres porcentajes de reemplazo: 50%, 75% y 100%.

Las propiedades físico-mecánicas de los agregados gruesos, natural y reciclado, tales como el tamaño máximo (TM), densidad en estado saturado y superficie seca (Dsss), absorción de agua en 24 hs (Ab) y desgaste “Los Angeles” (DLA), se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Propiedades de los agregados gruesos

Puede observarse que el agregado reciclado presenta una menor densidad que el canto rodado natural y una mayor absorción de agua y pérdida de peso por abrasión. Como es conocido, este comportamiento de los agregados reciclados está directamente relacionado con la presencia de mortero como parte constituyente de los mismos [5], ya sea adherido al agregado natural o bien formando partículas por sí sólo.

En la Tabla 2 se presentan las proporciones de las mezclas elaboradas y las propiedades de las mismas determinadas en estado fresco como asentamiento, medido con el cono de Abrams, peso de la unidad de volumen (P.U.V.) y contenido de aire naturalmente incorporado. Los agregados gruesos (natural y reciclado) fueron saturados previamente a su utilización, de manera que no se produzcan modificaciones en la cantidad de agua de mezclado, principalmente en los HR debido a la elevada absorción que poseen los agregados reciclados.

Tabla 2. Proporciones de las mezclas (kgf/m³) y propiedades en estado fresco

Puede observarse que la mezcla HC presenta un asentamiento algo superior al de las mezclas HR, el cual decrece levemente a medida que se incrementa el porcentaje de agregado reciclado utilizado. Este hecho es atribuido fundamentalmente a la forma redondeada y a la mayor lisura superficial que presentan las partículas de canto rodado natural, mientras que en el caso de los agregados reciclados las mismas se encuentran recubiertas por mortero, presentando una mayor cubicidad y rugosidad.

Además, se observa una disminución del P.U.V. de los HR a medida que se incrementa el porcentaje de agregado reciclado utilizado, debido a la menor densidad que poseen dichos agregados. En cuanto al aire naturalmente incorporado, no se aprecian diferencias importantes.

Con cada una de las mezclas elaboradas se moldearon probetas cilíndricas y prismáticas para la caracterización físico-mecánica de los hormigones como así también para la determinación de parámetros relacionados con la capacidad de transporte de agua a través de la estructura porosa del material. Las muestras fueron desmoldadas a las 24 hs y colocadas en cámara húmeda (T: 20±2ºC; HR: 95%) hasta la edad de ensayo (28 días).

2.2 Propiedades en estado endurecido

2.2.1 Absorción, densidad y porosidad

En la Tabla 3 se presentan los resultados de absorción de agua en 24 hs (Ab), densidad seca (Ds) y porosidad (P) -obtenida por relación de densidades- determinados sobre los hormigones HC y HR, como así también los valores relativos de cada uno de ellos respecto al HC.

Tabla 3. Propiedades físicas de los hormigones HC y HR

Puede observarse que a medida que se incrementa el porcentaje de agregado grueso reciclado empleado, se produce una gradual modificación de los parámetros evaluados, hecho que está fuertemente ligado a las características del agregado reciclado.

2.2.2 Resistencia a compresión, tracción indirecta y módulo de elasticidad estático

Los valores de resistencia a compresión, tracción por compresión diametral y módulo de elasticidad estático, determinados sobre muestras cilíndricas de 150x300 mm a la edad de 28 días, se presentan en las Figuras 1 a 3 respectivamente.

Figura 1. Resistencia a compresión de los hormigones HC y HR

Figura 2. Resistencia a tracción indirecta de los hormigones HC y HR

Figura 3. Módulo de elasticidad estático de los hormigones HC y HR

Comparando las Figuras 1 y 2 puede observase claramente que el comportamiento de los hormigones HC y HR en compresión es semejante al que presentan en el ensayo de tracción indirecta. Asimismo, es de notar que para el hormigón HC la relación entre ambas resistencias fue de 9.4%, mientras que para los hormigones HR-50, HR-75 y HR-100 fue de 9.1, 9.1 y 8.7% respectivamente.

Debe mencionarse que para el caso de hormigones reciclados elaborados con piedra partida granítica, cuando se empleó hasta un 75% en volumen de agregado grueso reciclado [4, 5, 6], procedente de la trituración de hormigones de desecho de características desconocidas, se obtuvo un comportamiento resistente en compresión similar al del hormigón convencional, hecho que vuelve a manifestarse en este caso para los agregados naturales de textura lisa.

En este caso, el comportamiento mostrado por los hormigones en estudio puede ser atribuido a una interacción inversa entre la resistencia y la rugosidad superficial de los agregados, ya que, para el hormigón HC se tiene un agregado de buena calidad pero de baja adherencia, mientras que en los HR al incrementarse el porcentaje de agregado reciclado se produce una disminución de la calidad del material pero se mejora la adherencia agregado-mortero, verificándose que hasta un porcentaje de reemplazo del 75% la adherencia del agregado reciclado tendría una mayor influencia sobre la resistencia del hormigón que la calidad de dicho agregado.

Respecto al módulo de elasticidad estático (Figura 3), puede observarse que el mismo disminuye a medida que se incrementa el porcentaje de agregado grueso reciclado empleado, debido a la mayor deformabilidad que presentan los agregados reciclados como consecuencia de su conformación (agregado natural + mortero adherido).

2.2.3 Velocidad del pulso ultrasónico y módulo de elasticidad dinámico

La velocidad ultrasónica se calculó a partir de la determinación del tiempo de pasaje de la onda a través de las muestras cilíndricas, previo al ensayo a compresión, mediante el empleo de un equipo ultrasónico digital portátil con una frecuencia de 54 kHz y una precisión de lectura de 0.1 ms.

Mediante el método de frecuencia de resonancia se determinó el módulo de elasticidad dinámico de los hormigones en estudio, empleando un equipo electrónico con un rango de frecuencia que oscila entre 10 kHz y 100 kHz.

En las Figuras 4 y 5 se presentan los resultados de la velocidad ultrasónica y el módulo de elasticidad dinámico obtenidos en los hormigones HC y HR.

Figura 4. Velocidad ultrasónica de los hormigones HC y HR

Figura 5. Módulo de elasticidad dinámico de los hormigones HC y HR

En ambos casos puede observarse que a medida que se incrementa el porcentaje de agregado reciclado utilizado se produce una disminución de los parámetros evaluados. Este hecho también está relacionado con la menor densidad que poseen los hormigones HR, motivo por el cual cuanto mayor es el porcentaje de agregado natural reemplazado menores serán las velocidades y los módulos dinámicos [4, 7].

2.2.4 Penetración de agua a presión

El Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón CIRSOC 201 [8] establece que en aquellas situaciones en las cuales los hormigones van a estar destinados a contener o conducir agua o demanden una elevada impermeabilidad, es necesaria la evaluación de los mismos frente a la penetración de agua a presión.

Este ensayo, que en nuestro país se encuentra normalizado [9], consiste en someter a muestras cúbicas de hormigón de 200 mm de lado a una presión de agua de 1 kgf/cm² durante 48 horas, 3 kgf/cm² durante 24 horas y 7 kgf/cm² durante 24 horas sobre una de sus caras (Fig. 6). Finalizado el ensayo, cada muestra es sometida al ensayo de compresión diametral de modo de producir la fractura de la misma en dos mitades iguales, y posibilitar la determinación de la profundidad de penetración de agua sobre la superficie de rotura y en correspondencia con la cara que permaneció en contacto con la misma (Fig. 7).

Figura 6. Equipo de penetración de agua a presión

Figura 7. Perfil de penetración marcado sobre la superficie de rotura

En la Figura 8 se presentan los resultados obtenidos en los distintos hormigones evaluados como así también los límites establecidos en el reglamento CIRSOC, los cuales son de 30 mm para la penetración de agua media (línea continua) y de 50 mm para la penetración de agua máxima (línea de trazo).

Figura 8. Profundidad de penetración de agua a presión determinada en los hormigones HC y HR

Puede observarse que tanto la profundidad de penetración de agua media (Pm) como la máxima (Pmáx.) son menores en el hormigón HC, en tanto que el hormigón HR-75 presentó los mayores valores. No obstante ello, todos los hormigones cumplen con los límites indicados anteriormente.

2.2.5  Succión capilar

La succión capilar es un caso especial de transporte cuya fuerza impulsora la constituye la tensión superficial del agua actuante sobre la red de capilares del hormigón. Se trata de un fenómeno que se produce en las estructuras parcialmente saturadas sometidas a ciclos de humedecimiento y secado, como por ejemplo estructuras expuestas al agua de lluvia o en contacto frecuente con agua. Este mecanismo de transporte está directamente vinculado con la estructura porosa del hormigón, más específicamente con la distribución y conectividad de los poros capilares. Debe señalarse que, al igual que el ensayo de penetración de agua a presión, el de succión capilar también está indicado en el Reglamento CIRSOC 201 como un ensayo necesario para evaluar el comportamiento de hormigones que requieran una adecuada impermeabilidad.

El ensayo de succión capilar constituye una metodología práctica y de fácil realización para cuantificar este fenómeno. Mediante el mismo, se obtienen dos parámetros de caracterización, la capacidad y la velocidad de succión capilar. La primera representa la cantidad de agua por unidad de área que es capaz de absorber la muestra bajo ensayo hasta llegar a una constancia de masa, y la segunda la rapidez a la cual el agua penetra en la estructura porosa del hormigón. Ambos parámetros fueron calculados de acuerdo a lo dispuesto en la Norma IRAM 1871 [10].

En la Figura 9 se presentan las curvas de absorción capilar en función del tiempo, y en la Tabla 4 las velocidades y capacidades de succión capilar para cada tipo de hormigón. Los valores informados corresponden al promedio de 6 determinaciones efectuadas sobre muestras prismáticas de 75x75x50 mm.

Figura 9. Absorción capilar de los hormigones HC y HR

Tabla 4. Parámetros de transporte de succión capilar de los hormigones HC y HR

Puede observarse que existe una clara diferenciación de los parámetros de transporte por succión capilar (velocidad y capacidad) obtenidos en los HR respecto al HC. Conforme se incrementa el porcentaje de agregados reciclados aumenta la absorción capilar como consecuencia de la mayor porosidad intrínseca de estos agregados, debido, como fuera indicado, a su constitución bifásica. Se advierte además que el reemplazo del 50% de los agregados naturales por agregados reciclados produce incrementos del 16% y 33% en la velocidad y capacidad de succión respectivamente. Cuando el reemplazo de agregados es del 75% dichos parámetros se incrementan en un 45% y 48%, no existiendo prácticamente diferencias cuando el reemplazo de agregado se incrementa del 75% al 100%.

3. Conclusiones

Los resultados alcanzados en este estudio sobre hormigones elaborados con agregados gruesos reciclados obtenidos mediante la trituración de un hormigón convencional elaborado con agregado grueso natural de forma redondeada y textura lisa, permiten concluir que:

- El agregado grueso reciclado presenta menor densidad y mayor absorción de agua y pérdida de peso por abrasión que el agregado grueso natural debido a la presencia de mortero como parte constituyente de dichos agregados.

- En estado fresco, se observa una clara reducción del asentamiento a medida que se incrementa el porcentaje de agregado grueso reciclado utilizado, lo cual pone de manifiesto una notable influencia de la textura superficial de los mismos. Este hecho es atribuido a que el agregado natural está constituido por partículas de forma redondeada y textura lisa, mientras que el agregado reciclado presenta una mayor rugosidad superficial e irregularidad producto del mortero adherido.

- Los hormigones reciclados elaborados con hasta un 75% de agregados gruesos reciclados presentan un comportamiento resistente similar o superior al del HC, hecho que debe ser atribuido a una mayor adherencia entre la nueva matriz cementicea y el agregado reciclado, a pesar de poseer este último una calidad inferior respecto al agregado natural. Sin embargo, debe considerarse que en los HR se produce una disminución del módulo de elasticidad estático, la cual es más importante cuando se incrementa el porcentaje de agregado reciclado.

- Respecto al desempeño durable de los HR, se observa un comportamiento satisfactorio y similar al del HC frente al transporte de agua bajo presión, mientras que en el ensayo de absorción de agua por capilaridad se advierte un aumento significativo en los valores de la velocidad y capacidad de succión capilar para reemplazos superiores al 50%, cuestión que está directamente vinculada con la mayor porosidad de los agregados reciclados.

- Considerando los resultados indicados anteriormente, puede inferirse que hormigones de razones agua/cemento iguales o menores a 0.50 y elaborados con agregados gruesos reciclados de similares características a los utilizados en este estudio en porcentajes menores al 50%, presentarían un adecuado comportamiento resistente y durable. Por lo tanto, su empleo en la industria de la construcción constituye una alternativa ventajosa tanto desde el punto de vista económico como ecológico.

4. REFERENCIAS

1. Hansen, T.C., “Recycled aggregates and recycled aggregate concrete. Second state of the art. Report developments 1945-1985”, RILEM Technical Committee 37-DRC, Materials and Structures, Vol. 19, Nº 111, pp. 201-246.        [ Links ]

2. Zega, C.J., “Hormigones reciclados: evaluación mediante métodos vibracionales", Ciencia y Tecnología del Hormigón, LEMIT, Nº 10, 2003, pp. 65-71.        [ Links ]

3. Metha, P.K., Monteiro, P.J.M., "Concreto: estructura, propiedades y materiales", Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A. C., México, 1998.        [ Links ]

4. Di Maio, A.A., Giaccio, G. y Zerbino, R., “Hormigones con agregados reciclados”, Ciencia y Tecnología del Hormigón, LEMIT, Nº 9, 2002, pp. 5-10.        [ Links ]

5. Zega, C.J. y Di Maio, A.A., “Influencia de las características de los agregados reciclados en la elaboración de hormigones”, Memorias XV Reunión Técnica de la Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón, AATH, Santa Fe, Octubre 2003. Ed. CD.        [ Links ]

6. Zega, C.J., Fornasier, G., Ponce, M. y Di Maio, A.A., "Hormigones reciclados expuestos a ciclos rápidos de congelación y deshielo", Hormigón Nº 41, AATH, 2005, pp. 53-61.        [ Links ]

7. Di Maio, A.A. y Traversa, L.P., “Evaluation of recycled concrete by means of non destructive tests”, Revista Materiales de Construcción, IETCC, Nºs 271-272, Vol. 53, Madrid, España, 2003, pp. 37-46. Revista Indexada en SCISearch, Research Alert y Materials Science Citation Index.        [ Links ]

8. CIRSOC 201:2006. “Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón,” Instituto Nacional de Tecnología Industrial, Argentina. (en etapa de aprobación).        [ Links ]

9. Norma IRAM 1554:1983. Hormigón de cemento portland. Método de determinación de la penetración de agua a presión en el hormigón endurecido.        [ Links ]

10. Norma IRAM 1871:2004. Hormigón. Método de ensayo para determinar la capacidad y la velocidad de succión capilar de agua del hormigón endurecido.        [ Links ]