INTRODUCCIÓN
Existe una necesidad de implementar mejoras que permitan reducir el impacto ambiental de la producción de concretos y sus componentes 1-3.
Extensivas investigaciones en los últimos 15 años han sido realizadas con la finalidad de evaluar el uso de residuos de la demolición como reemplazo de los agregados naturales 4, con la finalidad de reducir el impacto ambiental que generan estos y los costos productivos 5 particularmente, el uso de agregados, producto del reciclado de demoliciones, disminuye la acumulación de residuos sólidos en escombreras evita la explotación innecesaria de las canteras 6.
La implementación de residuos de construcción, en la producción de concreto tiene como limitación la variabilidad en la composición de los mismos (7. La literatura revisada sugiere que la durabilidad y las propiedades del concreto elaborado con agregados reciclado de la construcción RAC (por sus siglas en inglés: (Recycled Aggregate Concrete) son generalmente menores que las mezclas concreto tradicional 4.
Adicionalmente, aunque al emplear residuos de la construcción, la separación del ladrillo triturado de arcilla del concreto y/o mortero presenta una dificultad operacional e implica unos costos importantes 5. Sin embargo, es necesario estimar el efecto del uso de bloques de arcilla cocida como agregado del concreto con el fin de fundamentar diferentes ensayos específicos para este material reciclado.
En este artículo se presenta una revisión documental sobre la resistencia de concretos con el uso de bloque de arcilla triturado como reemplazo total del agregado grueso únicamente con la finalidad de proveer una síntesis de los resultados, visualizar la posibilidad de establecer el uso de la misma en zonas donde la disponibilidad de agregados naturales sea limitada y/o poco práctica y, discutir sobre la posibilidad de alcanzar resistencias de diseño específicas que puedan requerir los diferentes proyectos de ingeniería. Adicionalmente, se presentan resultados del comportamiento mecánico de este tipo de mezclas obtenidas de un establecimiento penitenciario el cual tiene alrededor de 40 años demostrando su aplicabilidad.
METODOLOGÍA
Se realiza un análisis comparativo de los diferentes estudios sobre el uso de triturado de bloque de arcilla haciendo énfasis en la resistencia a la compresión. Para su desarrollo la metodología corresponde a una investigación documental, con el fin de evaluar las propiedades al usar este material en el campo de la construcción. Esta posibilidad se basa en la premisa de poder desarrollar propiedades mecánicas específicas con este tipo de concreto. Por otra parte, aunque existen algunas revisiones recientes en materia de los usos de residuos de la construcción (4,7, estas no destacan el efecto del uso del bloque de arcilla como remplazo del agregado grueso.
Uso de agregado reciclado de bloque de arcilla: Una revisión
El uso de bloque de arcilla reciclado es recomendable para muchas aplicaciones donde la resistencia térmica, el costo y los aspectos ambientales son fundamentales (1. Sin embargo, una serie de investigaciones concluyen en limitar el uso de este agregado, por ejemplo, Adamson et al.8 recomienda no reemplazar el agregado natural con ladrillo de arcilla triturado en concretos reforzados con acero. En este último estudio se encontró que la resistencia a la penetración de los cloruros se reduce en la medida que se incrementa el contenido del triturado, por lo tanto sería positivo usar áridos de ladrillo de arcilla, al reducir la penetración de estos materiales corrosivos.
Hay investigaciones que sugieren que el uso del ladrillo de arcilla triturado con otros materiales tiene la posibilidad de incrementar las propiedades mecánicas de éste. Por ejemplo, 9 encuentran que al reemplazar el 100% de los agregados gruesos por residuos cerámicos (mezcla de ladrillos cerámicos; azulejo blanco y porcelana sanitaria), la resistencia a la compresión se incrementa en un 11%.
Debieb and Kenai 10 examinan la posibilidad de usar el triturado de bloque de arcilla como agregado fino y grueso usando diferentes porcentajes de reemplazos (25, 50, 75 y 100%) a los agregados tradicionales. Los resultados mostraron que es posible desarrollar concretos con triturado de ladrillo de arcilla cocida con características similares a los concretos tradicionales mientras se limite a un 25% y 50% la cantidad de agregado grueso y fino, respectivamente. Aliabdo et al. (2014) 1 realizó ensayos de compresión en 26 mezclas de concreto incorporando diferentes proporciones de escombros de ladrillo triturado como agregado para presentar un estudio comparativo.
Estos resultados confirmaron que el incremento del contenido de agregado reciclado disminuye la resistencia a la compresión de las mezclas. Un estudio en las propiedades físicas y mecánicas de concretos elaborados con RAC y triturado de bloque de arcilla cocido CCB (por sus siglas en inglés: (Crushed Clay Bricks) con la finalidad de establecer limitaciones en este tipo de mezclas fue desarrollado por Yang et al.11. Este estudió mostro que cuando se reemplaza el 50% con CCB se afecta la resistencia del concreto progresivamente, a los 7 días se reporta una reducción del 14% y del 20% a los 28 días.
Por otra parte, la deformación progresiva del concreto usando triturado de piedra y CCB como agregado grueso fue evaluado por Ahmad and Roy 12. Dos grados diferentes de concretos fueron evaluados (17.2 y 27.5 MPa) usando un diseño respectivo de mezcla con los dos componentes y fueron evaluados durante un periodo de 50 días. Los resultados mostraron que las mezclas realizadas con triturado de piedra presentan la mayor deformación progresiva. Además, como se incrementa la resistencia del concreto, la diferencia en la deformación progresiva entre los concretos realizados con triturado de piedra y CCB se incrementa.
En Colombia, 13 evalúa el uso de CCB como reemplazo parcial del agregado grueso (10, 20 y 30% de reemplazo del agregado triturado). Los resultados indican una clara disminución en la resistencia a la compresión cuando se realiza el uso del CCB. Sin embargo, todos los concretos presentaron una resistencia superior a los 21 MPa y la reducción de la capacidad respecto a concreto tradicional (sin reemplazo) varía entre un 2 y 6%. Silva et al.14 explora la posibilidad de desarrollar concretos autocompactantes usando residuos de demolición de mampostería. Los resultados permiten evidenciar que el uso de este tipo de agregados finos permite obtener unas propiedades mecánicas y de flujo (segregación, exudación y capacidad de relleno) adecuadas para su uso mientras se utilice un porcentaje de reemplazo menor al 30%.
Se realiza un análisis comparativo de los diferentes estudios sobre el uso de triturado de bloque de arcilla haciendo énfasis en la resistencia a la compresión. Para su desarrollo la metodología corresponde a una investigación documental, con el fin de evaluar las propiedades al usar este material en el campo de la construcción. Esta posibilidad se basa en la premisa de poder desarrollar propiedades mecánicas específicas con este tipo de concreto. Por otra parte, aunque existen algunas revisiones recientes en materia de los usos de residuos de la construcción 4,7, estas no destacan el efecto del uso del bloque de arcilla como remplazo del agregado grueso.
Efecto del uso de bloque de arcilla triturado en la durabilidad
Estudios previos han demostrado que la resistencia a la penetración de los cloruros se reduce en la medida que se incrementa el contenido de bloque de arcilla triturado como agregado, esto se debe a que está directamente relacionado con la alta porosidad y absorción de la arcilla cocida (e.g. Adamson et al. 2015) 8.
Efectos del reemplazo de agregado grueso en la resistencia a la compresión
En general, las investigaciones muestran que los concretos producidos con agregados reciclados presentan menor resistencia a la compresión que las mezclas tradicionales 7. Esta reducción es inversamente proporcional a la cantidad de sustitución de 11. Un incremento lineal en la resistencia a la compresión entre un 20% y 30% en concretos con un nivel de sustitución de 50% y 100% de agregado grueso por agregado reciclado es reportada por Martínez-Lage et al.15.
Sin embargo, en un estudio realizado Kallak 16, presenta reducciones en la Resistencia a la compresión hasta de un 87% para un reemplazo total del agregado grueso por CCB. Yang et al.11 registro reducciones de un 20% a los 28 días cuando se reemplaza un 50% del agregado grueso por CCB. En la Tabla 1 se resumen los resultados de resistencia a la compresión reportados en la literatura y los parámetros más influyentes de la mezclas.
La Tabla 1 muestra que los diferentes estudios han sido realizados con cemento portland ordinario tipo o de uso general, por tanto, investigaciones de las propiedades del concreto con triturado de arcilla con otros tipos de cemento pueden ser explorados.
La relación agua-cemento A/MC es considerado uno de los factores más influyente en la resistencia a la compresión del concreto reciclado 17, por tanto, se grafica el porcentaje de reducción de la resistencia a la compresión versus la relación A/MC para los datos presentados en la Tabla 1.
Tabla 1 Caracterización de los agregados.
* de concreto patrón (28 días), (N/A = No aplica).
** de concreto con 100% de reemplazo del agregado grueso (28 días).
*** Approximate value based on design mix described by authors.
En la Figura 1 se puede observar que en una reducción promedio del 30% puede ser esperada cuando se reemplaza el 100% de los agregados gruesos por el ladrillo de arcilla triturado. Además, teniendo en cuenta que los puntos graficados son para diferentes cantidades de la relación agua cemento, la reducción en la resistencia a la compresión parecen no ser influenciados por la cantidad de cemento usado en la mezcla.
Figura 1 Variación en la resistencia en la compresión cuando se usa ladrillo de arcilla triturado como agregado grueso.
Los valores reportados por Kallak 16 para el concreto con agregado de arcilla no son graficados ya que no se usó una relación agua/cemento similar que en el concreto patrón (0,75 vs 0,47) y por tanto, no pueden ser comparados. Los resultados reportados por Ahmad & Roy 12 presentan un comportamiento totalmente diferente, es decir, para una relación agua cemento de 0,55 el concreto con trozos de ladrillo presenta una mejor resistencia que el concreto realzado con triturado de piedra.
Efectos del reemplazo de agregado grueso en la porosidad
La absorción de agua del agregado CCB es mayor que la presentada en los agregados naturales del concreto 8. Además, se ha reportado que el agregado CCB presenta una absorción de agua mayor al concreto elaborado con la mezcla de variedad de residuos de la construcción 11. 1 Aliabdo por ejemplo, reporta un incremento en la porosidad en concretos con CCB entre el 14,5% y 25,0% para una mezcla con un contenido de cemento de 350 kg por metro cúbico de concreto y A/MC = 0,5 y, de 16 a 26% para un contenido de cemento de 250 kg por metro cúbico de concreto y A/MC = 0,7.
Sin embargo, otros estudios que reportan cifras aún mayores 10, determinaron que la permeabilidad al agua de las mezclas con CCB se duplica al reemplazar el agregado grueso por ladrillo triturado también han establecido que la permeabilidad de los concretos reciclados puede ser hasta cinco veces mayor que el del concreto con agregados naturales (10,18.
Efectos del reemplazo de agregado grueso en el módulo de elasticidad
El módulo de elasticidad del concreto reciclado es típicamente menor que el de concretos tradicionales y el uso de agregado CCB como agregado grueso presenta la mayor influencia (7. Un alto reemplazo de agregado grueso por CCB reduce el módulo de elasticidad significativamente; 1 determinó una reducción en el módulo de elasticidad en concretos con CCB entre 20,0 y 34,5 a 20 MPa para una mezcla con un contenido de cemento de 350 kg y A/C = 0,5 y, de 16 a 28 MPa para un contenido de cemento de 250 kg y A/C =0,7. Estas reducciones son típicamente atribuidas a la alta porosidad del bloque de arcilla comparado con los agregados pétreos naturales 8.
Efectos del reemplazo de agregado grueso en la tensión indirecta del concreto
Reemplazar el agregado grueso tradicional por altas cantidades de CCB, reduce la resistencia a la tención indirecta de manera considerable (1, 16). Registró que la relación entre la resistencia a la tención indirecta entre los concretos elaborados con CCB y el concreto tradicional se encuentra entre 0,2 y 1,4.
Recomendaciones en el reemplazo de agregados gruesos
Un análisis de la calidad del bloque de arcilla cocida y de su origen debe ser el primer paso cuando se desea incorporar este tipo de residuo de la construcción como sustitución de los agregados naturales de las mezclas de concreto 13. En estas mezclas se debe tener especial cuidado en los diseños para evitar el agrietamiento y reducir los problemas de durabilidad en refuerzo del concreto 10. Específicamente, se debe tener en cuenta el cambio en la cantidad de agua demandada y ajustar la relación A/C para considerar la alta porosidad y absorción de los agregados reciclados 8.
Diferentes investigadores sugieren limitar la cantidad de agregado reciclado para evitar una pérdida considerable en la resistencia de los concretos reciclados; 1 recomienda usar agregados reciclados CCB como un reemplazo del 25% y 50% del agregado grueso natural para mezclas de concreto con 350 y 250 Kg de cemento, respectivamente.
Un límite del 25% para el agregado grueso y del 50% para el agregado fino por CCB es propuesto por 10, con la finalidad de obtener propiedades similares a las de un concreto tradicional. En esta misma dirección, 13 propone limitar a un 30% el reemplazo del agregado grueso natural por CCB.
Una resistencia mínima de 17,0 MPa para los concretos es estipulada en la normativa colombiana de construcción sismo-resistente (NSR10, 2010, Tabla C.4.3.1) 19 cuando se presentan las mejores condiciones ambientales (es decir, donde el ambiente es seco o protegido de la humedad, que no está expuesto a ciclos de congelamiento y deshielo, no se requiere baja permeabilidad y la concentración de sulfatos solubles en agua en contacto con el concreto es baja) y para aplicaciones en estructuras con capacidad de disipación de energía mínima.
Considerando lo anterior y los resultados reportados en la Tabla 1, las futuras investigaciones deberían considerar en el diseño de la mezcla de concreto una cantidad de cemento mayor a 250 Kg y una relación A/C menor a 0,70.
Resistencia a la compresión del concreto con bloque de arcilla triturado como agregado grueso: un caso práctico.
Se extrajo el segmento superior de una columna interior de un establecimiento penitenciario con una sección transversal de 250x250 mm (Figura 2), este establecimiento se encuentra en un nivel de agresividad III de acuerdo con la NTC-5551 (2007) 20, una temperatura promedio de 30° C, humedad relativa de 80% aproximadamente y una altura de 3 msnm. Como se observa en la Figura 2-c, el agregado grueso es reemplazado por triturado de ladrillo de arcilla.
Tres núcleos fueron extraídos (Figura 2-c) usando la metodología de la norma NTC-3658 21 y sometidos al ensayo de compresión de acuerdo con la norma INVIAS (22. La resistencia de estos cilindros fueron de 6,6, 7,6 y 10,8 MPa (23. Es decir, una resistencia promedio de 8.3 MPa que se encuentra por debajo de los valores promedio reportados por otros investigadores (ver Tabla 1) y de lo especificado por la normativa colombiana (17.0 MPa, NSR10, 2010), esto puede deberse a que el tamaño del agregado de ladrillo triturado es mucho mayor que el tamaño máximo del agregado grueso triturado que se usa en una mezcla de concreto estructural (es decir, 3/4 de pulgada) y/o una posible relación A/C muy alta (ejemplo, mayor a 0,7).
CONCLUSIONES
Aunque existe una gran variedad de literatura publicada sobre el uso de productos dela demolición (4, 7,24, son escasos los resultados publicados sobre el efecto neto del uso de triturado de bloque de arcilla como agregado grueso en las diferentes propiedades del concreto tanto en su estado fresco como endurecido. En este sentido, una gran cantidad de estudios son sugeridos en el futuro, esto con la finalidad de establecer lineamientos más claros sobre el diseño de este tipo de concretos. Además, estos estudios deben incorporar cementos diferentes al cemento portland ordinario tipo o de uso general.
Considerando que el agregado CCB reduce tanto las características mecánicas y como de durabilidad de los concretos comparado con los agregados naturales 1. Establecer límites de reemplazo en los porcentajes de reemplazo de este agregado es apenas necesario para algunas aplicaciones estructurales. Basado en la revisión de literatura, se recomienda ampliar la cantidad de investigaciones en mezclas de concreto con una cantidad de cemento mayor a 250 Kg y una relación A/C menor a 0,70.
En cuanto a la resistencia a la compresión, se reafirma que una reducción promedio del 30% es estimada al reemplaza el 100% de los agregados gruesos por el bloque de arcilla triturado dentro de las relaciones A/C reportadas en la literatura (entre 0,46 y 0,74). Precauciones especiales deben considerarse al tratar de utilizar este tipo de agregados en ambientes con presencia de concentración de cloruros en el ambiente (e.g. zonas costeras) debido a la alta porosidad y permeabilidad que exhibe este tipo de mezclas de concreto.
