C. Albano 1,2*, N. Camacho 1, M. Hernandez 3, A. J. Bravo 1, H. Guevara 1
1 Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ingenieria, Caracas, Venezuela.
2 Instituto Venezolano de Investigaciones Cientificas (IVIC), Centro de Quimica, Laboratorio de Polimeros, Caracas, Venezuela.
3 Universidad Simon Bolivar, Departamento de Mecanica, Caracas, Venezuela. *e-mail: calbano@ivic.ve / carmen.albano@ ucv.ve
RESUMEN
Con la finalidad de minimizar el impacto ambiental que generan los neumaticos luego de transcurrida su vida util, surge como objetivo fundamental del presente trabajo, analizar la influencia de la adicion de la raspadura de las bandas de rodamiento de los neumaticos a los compuestos de concreto, a traves de ensayos destructivos y no destructivos. Los estudios sobre resistencia a la compresion y a la traccion realizados a los compuestos a la composicion de 5% en peso, asi como con diferentes tamanos de particula de caucho reciclado (grueso¡Ã1,19mm, fino<1,19mm, ¡ìal azar¡í) a la edad de 28 dias, indican que la adicion de caucho de tamanos de particula denominados ¡ìfino¡í y ¡ìgrueso¡í disminuye estas propiedades mecanicas. En cambio, para el compuesto con 5% en peso de caucho de tamano ¡ìal azar¡í, los valores de estas propiedades mecanicas no presentan variaciones significativas al compararlos con el concreto tradicional. Por otra parte, la velocidad de pulso ultrasonico del compuesto con particulas de caucho ¡ìal azar¡í a los 28 dias de curado presenta el mismo comportamiento que el concreto tradicional. Similar conducta muestran el modulo de elasticidad y la impedancia acustica.
Palabras clave: Concreto-caucho; Comportamiento mecanico, Velocidad de pulso ultrasonico, Raspadura de bandas de rodamiento; Modulo de elasticidad; Impedancia acustica.
Study of concrete with scrap rubber of different particle size
ABSTRACT
]]> With the purpose of diminishing the environmental impact that the tires produce after their life cycle has ended, it arises as the main target of the present work, the analysis of concrete compounds modified with scrap rubber from tire treads, through destructive and nondestructive testing. The studies on compressive strength and tensile strength made to compounds with 5 wt% of scrap rubber, with different particle size (coarse ¡Ã1.19mm, fine <1.19mm, ¡ìrandom¡í) at an age of 28 days, indicate that the addition of fine and coarse particles decrease these mechanical properties. However, for the compound with 5 wt% of ¡ìrandom¡í particle size, the values of these mechanical properties do not present significant variations when comparing them with the traditional concrete. On the other hand, the speed of ultrasonic pulse of the compound with ¡ìrandom¡í rubber particles at 28 days of cure presents the same behavior as the traditional concrete. Similar conduct is observed for the dynamic modulus and the acoustic impedance.Keywords: Concrete-rubber, Mechanical behavior, Speed of ultrasonic pulse, Scrap rubber from tire treads, Elasticity¡®s modulus, Acoustic impedance.
Recibido: marzo de 2007 Revisado: enero de 2008
INTRODUCCION
Los desechos de caucho han recibido gran atencion en los ultimos anos debido al gran volumen que se genera y a su dificultad para eliminarlos y/o reutilizarlos. Solamente en Espana durante esta decada se estan generando cada ano 250.000 toneladas de neumaticos usados, de los cuales 45% se deposita en los rellenos sanitarios sin ningun tipo de tratamiento, el 15% se deposita despues de ser triturado y el 40% no esta controlado. Existen diversas vias para que el caucho recuperado sea util (Hernandez-Olivares et al. 2002; Segre y Joekes, 2000; Segre y Monteiro, 2002; Chung y Hong, 1999; Guneyisi et al. 2004). Sin embargo, para que armonicen con el ambiente, los desechos de caucho deben ser convertidos a una forma optima para su mejor utilizacion. Existen diferentes metodos o vias de disposicion de los desechos de caucho. El metodo mas utilizado es el de colocarlos en los rellenos sanitarios. La pirolisis puede ser otra opcion. Tambien, el caucho desechado puede servir como fuente energetica, ya que el metodo de incineracion tiene un alto valor calorico. A pesar de estas alternativas, el reciclaje aparece como la mejor solucion para la disposicion del caucho de desecho, debido a sus ventajas economicas y ecologicas.
Los materiales utilizables que se obtienen de los residuos de neumaticos, estan constituidos por varios polimeros naturales y sinteticos: Caucho Natural (NR), Estireno Butadieno (SBR), Polibutadieno (BR), Polisoprenos Sinteticos (IR), entre otros, que puede ser usado como parte de los componentes de las capas asfalticas que se usan en la construccion de carreteras, con lo que se consigue disminuir la extraccion de aridos en canteras. Las carreteras que usan estos asfaltos son mejores y mas seguras. Pueden usarse tambien en alfombras, aislantes de vehiculos o losetas de goma. Se han usado para materiales de fabricacion de tejados, pasos a nivel, cubiertas, masillas, aislantes de vibracion. Otros usos son los deportivos, en campos de juego, suelos de atletismo o pistas de paseo y bicicleta. Las utilidades son infinitas y crecen cada dia, como en cables de freno, compuestos de goma, suelas de zapato, bandas de retencion de trafico, compuestos para navegacion o modificaciones del betun.
Tambien el Instituto de Acustica del CSIC ha desarrollado un proyecto para la utilizacion de estos materiales en el aislamiento acustico. El interes en la utilizacion de un material como el caucho procedente de los neumaticos de desecho para material absorbente acustico se centra en que requiere, en principio, solo tratamientos mecanicos de mecanizado y molienda. Estos tratamientos conducen a un producto de granulometria y dosificacion acorde con las caracteristicas de absorcion acustica de gran efectividad.
Por otra parte, la concepcion de productos en base a concreto, tambien esta incrementando debido al alto crecimiento del sector de la construccion en los ultimos anos. A pesar de que el concreto es uno de los elementos mas extraordinario y versatil en la construccion, existe la necesidad de modificar sus propiedades tales como resistencia tensil, dureza, ductilidad y durabilidad (Topcu y Avcular, 1997; Albano et al. 2005). La inclusion de caucho en el concreto resulta en mayor durabilidad y elasticidad, lo cual da lugar a su utilizacion en importantes areas: como absorbedor de impacto en construccion de elementos viales y de sonido en barreras sonicas, y tambien en edificaciones sismoresistentes, etc.
En base a lo indicado, esta investigacion se llevo a cabo con el fin de estudiar las propiedades mecanicas y las mediciones de pulso ultrasonico de un concreto al cual se le incorporo la raspadura de las bandas de rodamiento provenientes de neumaticos en un porcentaje de 5% variando el tamano de particula con una relacion agua/ cemento de 0,45 y edad de curado de 28 dias.
TECNICAS EXPERIMENTALES
]]> Para el desarrollo de la presente investigacion se prepararon compuestos de concreto tradicional, los cuales estan formados por agregados finos y gruesos, agua y cemento. El agregado fino es arena silice con impurezas de mica proveniente del Rio Tuy (Venezuela). El agregado grueso es piedra picada, formada de rocas calizas de tamano promedio 2,54 cm (1"). El cemento utilizado es el Portland tipo I. El caucho proviene de la raspadura de las bandas de rodamiento, fue suministrado por Covencaucho, Venezuela. Se elaboraron mezclas de concreto tradicional y de concreto - caucho en donde la relacion agua/cemento se mantuvo constante en 0,45, y se sustituyo parte de la arena (que representa el agregado fino) que se adiciona al concreto por caucho, el contenido de piedra permanece constante. El porcentaje de caucho utilizado fue de 5% en peso y los tamanos promedio de las particulas de caucho fueron mayores o iguales a 1,19 mm (grueso), menores a 1,19 mm (fino), estos tamanos fueron obtenidos por el tamizado de la raspadura de las bandas de rodamiento y un tamano de particula denominado <<al azar>> (utilizado como lo suministro la empresa Covencaucho).Las mezclas se elaboraron tomando un diseno de mezcla tradicional, en donde se fijo un valor de asentamiento entre 6 y 10 cm (Porrero, 1986). Adicionalmente, se fijo una resistencia a la compresion de 280 Kg/cm2 a los 28 dias.
Con la Ley de Abrams (Porrero, 1986) y el valor de la resistencia a compresion fijada se determino la relacion de agua/cemento siendo esta de 0,45. Utilizando la <<relacion triangular>> (asentamiento, relacion agua-cemento y dosis de cemento) se obtiene la cantidad de cemento necesaria para las mezclas, la cantidad de agua y la cantidad de agregados por m3 de compuesto.
Las mezclas se prepararon en una mezcladora de eje vertical de 60 litros de capacidad nominal. Luego, se procedio a la elaboracion de las probetas cilindricas normalizadas y de losas. Durante las primeras 24 horas las probetas permanecieron en el sitio de elaboracion y fueron cubiertas para evitar la retraccion por perdida de humedad. Transcurridas las 24 horas las probetas se retiraron de los moldes y se almacenaron en el tanque de curado lleno de agua limpia en reposo. A los 28 dias de curado, se determino la resistencia a la compresion y la resistencia a la traccion. Los ensayos se realizaron a cuatro cilindros por mezcla y el porcentaje de desviacion es menor al 10%. Por lo tanto, el valor de la desviacion no se presenta en las diferentes propiedades analizadas.
Por otra parte, transcurrido el tiempo de curado (despues de los 28 dias), se realizaron las medidas de los tiempos de transito de la onda de pulso ultrasonico a las probetas. Se realizaron 10 (diez) mediciones a cada probeta, utilizando vaselina como agente acoplante entre los transductores y la probeta. Se utilizo para la medicion de la velocidad de pulso ultrasonico un Ultrasonic Non-Destructive Digital Tester (marca PUNDIT), con una apreciacion de 0,1 y 1 ms. Se empleo un transductor de 52 kHz, con una exactitud en el tiempo de transito de ± 1% y de ± 2% en el recorrido.
Las particulas provenientes de la raspadura de las bandas de rodamiento de los cauchos y la superficie de fractura de las mezclas fueron observadas con una lupa electronica.
RESULTADOS Y DISCUSION
La fotografia de la figura 1 muestra que las particulas de caucho de tamano al ¡ìazar¡í presentan una superficie rugosa, cuyas formas son irregulares y de diferentes dimensiones. No se presentan los tamanos denominados <<grueso>> y <<fino>>, ya que ambos tamanos estan representados en esta fotografia.
Figura 1. Particulas de caucho de tamano <<al azar>>.
]]> Los valores de resistencia a la compresion de las mezclas a la edad de 28 dias y para diferentes tamanos de particula se muestran en la figura 2. Como se observa, los compuestos con los tamanos de particulas de caucho denominados <<fino>> y <<grueso>> muestran una disminucion bastante pronunciada al compararlos con los valores del concreto tradicional, siendo el porcentaje de disminucion de 26 y 36%. Ademas, la utilizacion del tamano de particula denominado ¡ìgrueso¡í del caucho en el compuesto produce un menor valor de la resistencia a la compresion al compararlo con el compuesto que contiene el caucho del tamano denominado <<fino>>. En cambio, cuando el tamano de particula es el denominado ¡ìal azar¡í, el valor de esta propiedad, para el compuesto de concreto, es ligeramente inferior al del concreto tradicional, siendo la variacion menor al 8%.
Figura 2. Resistencia a la compresion para los compuestos con los diferentes tamanos de particula.
La figura 3 muestra los valores de la resistencia traccion, los cuales presentan un comportamiento analogo al de la resistencia a la compresion, puesto que el caucho afecta de manera similar a ambas propiedades. Siendo las variaciones entre el valor del concreto tradicional, con los diferentes tamanos de particulas de caucho utilizados, azar, fino y grueso, de 5, 33 y 29%, respectivamente. Topcu (1995); Witoszek (2004);y Hernandez y Barluenga (2002) encontraron resultados equivalentes.
Figura 3. Resistencia a la traccion para los compuestos con los diferentes tamanos de particula.
En los ensayos de resistencia a la compresion y de resistencia traccion en el momento de la rotura, el comportamiento era distinto dependiendo de la mezcla, ya que cuando las probetas no contenian caucho producian un ruido estruendoso, lo que no sucedia con las muestras con caucho (evaluacion auditiva). Esto se debe a que los especimenes con caucho mostraban una alta capacidad para absorber energia plastica. Dichas probetas ensayadas soportaron cargas post-fractura y manifestaron desplazamientos significativos, los cuales son parcialmente recuperables. Asi la masa de concreto es capaz de soportar cargas aunque este fracturada. Esto debido a que el caucho tiene la habilidad de experimentar grandes deformaciones elasticas antes de la falla, tal como lo reporta Topcu (1995).
Este comportamiento presentado para las propiedades mecanicas de los compuestos con caucho de tamanos <<fino>> y <<grueso>> se debe al hecho de que las particulas de caucho actuan como poros dentro de la mezcla; ellas no incrementan la resistencia mecanica del concreto tal como lo hacen los agregados finos a la pasta, ya que el caucho es mas elastico que el cemento endurecido. En la figura 4 se observa la porosidad de las mezclas de concreto-caucho con los tamanos <<fino>> y <<grueso>>. Tambien este comportamiento de la resistencia a la compresion y de la resistencia a la traccion se debe a un incremento en el contenido de aire con la concentracion de caucho (Arguelles, 1980), asi como a la existencia de enlaces interfaciales debiles entre la pasta de cemento y el caucho recuperado (Alvarez y Alvarez, 1985).
Figura 4. Porosidad de los compuestos concreto-caucho. a) sin caucho; b) 5% fino; c) 5% grueso.
]]> Segun Beton-Kalender (1957), la granulometria de los agregados inertes influye en la compatibilidad del concreto fresco, recomendando que la granulometria debiera variar desde particulas de tamano fino a las mas gruesas. Razon por la cual cuando se usa la mezcla con caucho con tamano <<al azar>> se obtienen mejores resultados, ya que esto trae como consecuencia que las particulas pequenas se coloquen en los intersticios o huecos dejados por las particulas grandes. Esto significa que existen menos espacios vacios o huecos en la mezcla de concreto en el estado fresco, lo cual influye en la plasticidad y compatibilidad de la misma, afectando la trabajabilidad y la resistencia mecanica, es decir, mejorando en forma significativa las propiedades de resistencia a la compresion y resistencia la traccion.Aunque el compuesto concreto-caucho presenta una heterogeneidad, no se observo segregacion del agregado y el caucho se distribuyo casi uniformemente en todos los compuestos analizados, como se evidencia en la figura 4.
La inclusion de caucho recuperado elimina la falla catastrofica del concreto reforzado. Esto se explica en base a que en el concreto sin caucho la primera grieta se propaga inmediatamente provocando una falla instantanea mientras que en los compuestos concreto-caucho, este ultimo mantiene ambos lados de la grieta juntos permitiendo que el material soporte parte de la carga a grandes deformaciones, lo cual fue una conducta observada visualmente que refleja el tipo de grieta que se produce en cada caso. Esta caracteristica representa un aspecto importante para determinadas aplicaciones como concreto para pavimentos, defensas de concreto para autopistas, etc. Resultados similares fueron obtenidos por Huynh y Raghavan (1998) y Hernandez y Barluenga (2002). En la figura 5, a manera de ejemplo, se muestran las losas fracturadas del concreto tradicional y el compuesto con 5% de caucho.
Figure 5. Comportamiento de las losas al fracturarse.
La figura 6 muestra como la velocidad de pulso ultrasonico en el compuesto con tamano de particulas de caucho <<al azar>>, presenta un comportamiento a los 28 dias de curado muy similar al concreto tradicional (sin contenido de caucho).
Figura 6. Velocidad de pulso ultrasonica para los compuestos con los diferentes tamanos de particula.
La disminucion de la velocidad de pulso ultrasonico en los compuestos de concreto con caucho a los tamaños denominados <<fino>> y <<grueso>> se debe a la influencia negativa que provoca la concentracion de un tamano especifico del caucho en la mezcla de concreto, en cuanto a caracteristicas como: trabajabilidad en el estado fresco y resistencia mecanica en el estado endurecido (Porrero, 2004). Al disminuir la trabajabilidad aumentan las dificultades de compactacion y colocacion de la mezcla en los moldes. Este aspecto es influyente, puesto que el metodo de medicion de velocidad de pulso es muy sensible a fallas en la compactacion, debido a que genera espacios vacios dentro de la muestra incrementando el tiempo de paso de la onda y disminuyendo la velocidad de pulso (Komlos, 1996).
Al evaluar la calidad de esta mezcla concreto-caucho de tamano denominado <<al azar>>, utilizando los valores de la velocidad de pulso, se tiene que segun la clasificacion de Leslie . Cheesman, se considera como un concreto de buena calidad, si los valores de pulso de velocidad ultrasonica se encuentran comprendidos entre 3050 y 4570 m/s (Castorina, 2002).
]]> A traves de los valores de velocidad de pulso ultrasonico, se determino el modulo elastico dinamico (E) que representa una relacion entre la carga y la deformacion. La expresion matematica de E (Rossignolo y Agnesini, 2002) es:E = 1x10-6 c2 w (1)
donde:
w (Kg/m3) es el peso volumetrico del concreto seco, c (m/s) es la velocidad de pulso ultrasonico.
En la figura 7 se muestra el comportamiento del modulo de elasticidad obtenido a partir de la ecuacion (1). Como se observa, los valores para el compuesto con caucho con tamaño <<al azar>> son muy similares al concreto tradicional, registrando una disminucion del 1%. En cambio, en el caso de los compuestos con caucho de tamano denominado <<fino>>, la disminucion fue de 26% y con <<grueso>> de 38%, ya que estos compuestos presentan en su estructura interna mayor numero de espacios vacios debido a una distribucion menos eficiente de las particulas del agregado, lo que trae como consecuencia un decremento en la velocidad de pulso y por ende en el modulo de elasticidad.
Figura 7. Modulo dinamico para los compuestos con los diferentes tamanos de particula.
El mismo comportamiento lo presentan los valores de la impedancia acustica que indica la capacidad de aislamiento acustico (figura 8), siendo menor para los compuestos que contienen 5 % de caucho del tamano <<fino>> y <<grueso>>.
Figura 8. Impedancia acustica para los compuestos con los diferentes tamanos de particula.
]]> CONCLUSIONESEl descenso en los valores de las propiedades de resistencia a la compresion y resistencia a la traccion de los compuestos con caucho de tamano ¡ìfino¡í y ¡ìgrueso¡í, se debe a la porosidad que se origina en las muestras. Por otra parte, el comportamiento del compuesto de concreto con 5% en peso de caucho de tamano ¡ìal azar¡í muestra en todas las propiedades analizadas, valores similares a los del concreto tradicional. Esto se debe a que las particulas pequenas se colocan en los huecos dejados por las particulas grandes de caucho, disminuyendo de esta forma la porosidad.
En resumen, se puede inferir que es factible, de acuerdo a la data analizada, utilizar 5% en peso de caucho de tamano aleatorio (al azar), ya que no deteriora las caracteristicas del concreto, ademas lo vuelve mas liviano y al mismo tiempo ayuda a disminuir los efectos negativos que generan los desechos de caucho en el medio ambiente.
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