Tesis de Becarios-Tesistas de Investigación del Año 2010 ISBN: 978-950-42-0133-5

“Ensayo a Flexión de Vigas de Hormigón con Incorporación de Agregados Reciclados”

Natalia Alderete(1)

Ing. Marcelo Barreda(2); Prof. Jorge Sota(2)

LEMaC Centro de Investigación Vial

Área: Estructuras y Materiales de la Construcción

(1) Becaria-Tesista (2) Director de Becaria-Tesista

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1. Introducción Desde hace varios años la utilización de materiales reciclados ha ido cobrando una gran importancia, fundamentalmente orientando su empleo dentro de un sistema sustentable, si bien también se podría considerar un factor económico, ya que muchas veces el reciclado implica ahorro en los costos. La gran variedad de estudios sobre agregados reciclados, como material para la elaboración de hormigones, indica una gran tendencia hacia el empleo masivo de los mismos. Como ejemplo de esta afirmación cabe mencionar la creación de un grupo de trabajo del American Concrete Institute (ACI), que tiene como objetivo vincular a la tecnología del hormigón con el desarrollo sostenible fomentando básicamente el tratamiento y la aplicación de materiales sustentables. Considerando al hormigón como el material de construcción más utilizado, se vuelve inmediata la consideración del alto consumo de materiales que ello implica, por lo que la necesidad de estudiar nuevos materiales o, aún mejor, reciclar los ya utilizados resulta fundamental en el momento de lograr un incremento de la sustentabilidad en la tecnología del hormigón. Se debe tener presente que partiendo de un material de los llamados de primera generación y que, tras un proceso de transformación, se genera un insumo, que posteriormente, agotada su vida útil luego de un proceso de producción o servicio resulta en la generación de un material de desecho, y si dicho material de desecho, después de recorrer otro proceso de transformación, generará un material distinto (de los llamados de segunda generación); y éste es insertado nuevamente dentro de otro insumo (o en el mejor de los casos, dentro del mismo insumo del que proviene), el ciclo de vida de los materiales será más eficiente y acorde con el medio ambiente. Uno de los ejemplos más favorables de un ciclo de vida sustentable es el empleo de agregados reciclados en reemplazo de agregados naturales para la elaboración de hormigones. Se trata básicamente de la trituración de hormigones elaborados previamente, de distintas características. El presente trabajo tiene como objetivo evaluar el desempeño de vigas de hormigón sometidas a flexión, variando los valores de los porcentajes de reemplazo del agregado natural por agregado reciclado. 2. Materiales empleados En principio cabe destacar el procedimiento mediante el cual se obtuvo el agregado reciclado empleado para este trabajo. Se utilizaron los restos de las probetas cilíndricas de hormigón ensayadas a compresión, los cuales fueron triturados por una trituradora de mandíbula. El material resultante se fue acopiando hasta lograr una cantidad lo suficientemente grande de manera de obtener resultados lo más significativos posibles. Es importante mencionar que no se realizó ningún tipo de selección previa de las probetas ensayadas, ni por tipo de agregado ni por resistencia. Por lo tanto, se procedió a realizar un mezclado completo del material obtenido

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en la trituración de manera de lograr agregados con una distribución lo más uniforme posible. [Foto 1] La trituración de los restos de las probetas ensayadas a compresión se realizó durante dos meses y medio, durante los cuales el trabajo consistió principalmente en juntar el material a triturar y pasarlo por la trituradora manualmente, en pequeñas cantidades. Esto se debe a que la máquina no permite colocar un gran volumen de material para triturar y por lo tanto, el rendimiento no es muy alto.

Foto Nº 1: Agregado reciclado

Una vez alcanzado el volumen deseado, se realizaron ensayos de granulometría, densidad, y se analizaron tres pastillas de diferentes fracciones bajo el microscopio. 2.1 Granulometrías La granulometría del agregado reciclado se muestra en la Tabla 1, si bien el tamaño máximo resulta 3/8” se podría considerar en principio como agregado fino ya que la distribución de partículas de tamaños inferiores resulta similar a éste, y contiene un 73 % en promedio de material que pasa el tamiz Nº 4. Se debe destacar que la clasificación existente de agregados naturales en finos y gruesos no es de aplicación directa en agregados reciclados, ya que se debe tener presente que estamos considerando la incorporación de otro material que debería en un futuro ser contemplado en la normativa como tal.

Tamiz Abertura

Pulgada ó Nº Micrones Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Promedio

3/8 9525 100 100 100 1004 4760 77 63 78 738 2360 44 35 46 42

16 1180 27 20 29 2530 600 19 15 21 1850 300 12 11 15 13

100 150 6 7 8 7

Agregado Reciclado (AR)

Tabla Nº 1: Granulometría del agregado reciclado

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Como agregado grueso natural se empleó piedra partida granítica 6:20 y arenas argentina y oriental como agregados finos naturales. Las granulometrías se indican en las siguientes tablas.

Tamiz Abertura Material

[Pulgada

ó Nº][Micrones]

Piedra Partida

Granítica 6:201 1/2 37500 100

1 26500 1003/4 19100 901/2 13250 643/8 9525 214 4760 18 2360 0,2

Tabla Nº 2: Granulometría de la piedra partida

Tamiz Abertura Material

[Pulgada

ó Nº][Micrones]

Arena

Argentina3/8 9525 1004 4760 1008 2360 100

16 1180 9930 600 9450 300 66100 150 8

Tabla Nº 3: Granulometría de la arena argentina

Tamiz Abertura Material

[Pulgada ó

Nº][Micrones]

Arena

Oriental3/8 9525 1004 4760 988 2360 94

16 1180 6930 600 2350 300 11100 150 2

Tabla Nº 4: Granulometría de la arena oriental

2.2 Análisis de muestras bajo lupa binocular y microscopio petrográfico El principal objetivo fue fundamentalmente poder observar las distintas disposiciones entre agregado y mortero de cemento, es decir, determinar la existencia cualitativa de agregado reciclado conformado en parte por agregado natural-mortero, sólo agregado natural o sólo mortero de cemento. Como se mencionó anteriormente las muestras provienen de la trituración de probetas de distintos orígenes, dando generación a una cantidad de agregado reciclado con aleatorias cantidades y tipos de agregados. El objetivo principal de este trabajo no es determinar la composición mineralógica de los mismos,

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sino poder determinar las cantidades de mortero de cemento o roca de las partículas. El análisis se realizó mediante lupa binocular modelo Olympus SZ 61 y microscopio petrográfico Olympus BX 51 con luz polarizada, analizándose tres fracciones de los agregados: 3/8”-4; 4-8; 8-16, cada una de las cuales fue incluida en una resina con superficie pulida. Como primera aproximación se realizó la observación bajo lupa, para poder tener un mayor campo de observación y lograr identificar zonas de interés. La Foto Nº2 (obtenida mediante lupa) muestra las tres combinaciones en las cuales pueden estar conformadas las partículas de agregados reciclados.

Foto Nº 2: Agregado reciclado fracción 3/8”- Nº4

La partícula identificada como 1 está constituida solamente por mortero de cemento, que como característica principal se puede destacar la elevada absorción. Lo que representa una de las principales particularidades de los agregados reciclados, y de gran importancia al momento de dosificar ya que pueden producirse importantes variaciones en la trabajabilidad si no se la tiene en cuenta. La partícula 2 tiene la característica de estar constituida tanto por agregado natural como por mortero de cemento, en la Foto Nº 2 se puede observar la distribución y la interfaz entre los mismos. Los porcentajes de las partes varían muy ampliamente, siendo los extremos las partículas 1 y 3. Un ejemplo de esto se ve en la Foto Nº 3, en la cual se pueden observar una partícula compuesta principalmente por agregado natural y una pequeña capa de mortero.

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Foto Nº 3: Fotografía tomada al microscopio,

nicoles cruzados (NX), aumento 5x.Fracción Nº8-16

Por último, la partícula 3 de la Foto Nº 2 está formada solamente por un agregado natural cuya composición mineralógica dependerá de la roca de origen. En este caso se trata de un granito formado por cuarzo, biotita y escaso feldespato. Las cantidades relativas de los diferentes tipos de partículas será función de la calidad de hormigón y del tipo de trituradora empleada. Debido a que se emplearon diferentes calidades de hormigón para generar el agregado reciclado, se considera que la muestra tiene una distribución aleatoria de estas partículas. Como se mencionó anteriormente, en todas estas consideraciones debe tenerse en cuenta que la trituración obtenida del hormigón es de tamaño máximo 3/8”. 3. El ensayo a flexión El método utilizado para realizar el ensayo de tracción por flexión es aquel establecido en norma IRAM 1547 “Ensayo de tracción por flexión”, que consiste básicamente en la aplicación de una carga en los tercios de la luz a una viga simplemente apoyada. Las vigas se confeccionaron en base a dosificaciones que consideran porcentajes variables de reemplazo del agregado fino por agregado reciclado; desde 0% que se determinó como muestra patrón, hasta 75% de reemplazo máximo; siendo el fin principal el de lograr una primera aproximación del comportamiento a flexión del hormigón con agregado reciclado. En el caso de la utilización de hormigón en pavimentos, la resistencia característica especificada por pliegos está dada en función de la resistencia a tracción debida a la flexión. En la dosificación del hormigón patrón se consideró el cumplimiento con las especificaciones indicadas en la Dirección Nacional de Vialidad.

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Resistencia a flexión 4,5

Resistencia especificada Resistencia de diseñof´c [Mpa] f´cr [Mpa]

Igual o menor a 20 f´c + 7,0Mayor a 20 y menor 35 f´c + 8,5Mayor que 35 f´c + 10,0

Promedio37MPa

Resistencia a flexión de 4,5 MPaf´c

41,3336,0031,6436,32

Límites

0,750,8

0,70

Hormigón para ensayo a flexión

MPa

Fórmula para determinar la resistencia a compresión

(0,70-0,80) √f´c[Mpa](0,70-0,80)√f´c[kg/cm2]

Tabla Nº 5: Resistencia diseño de la mezcla

Para la realizaron del hormigón se utilizaron las dosificaciones indicadas, reemplazando 25%, 50% y 75% del agregado fino por agregado reciclado.

Materiales P (kg) P (kg) P (kg) P (kg)

Agua 174 174 174 161Cemento 386 386 386 358Ag. Grueso 975 975 975 1050Ag. Fino (A) 147 210 210 247Ag. Fino (O) 63 210 421 577Ag. Fino ( R) 630 421 210 0Aditivo 3,4 3,2 3,2 3,2a/c= 0,45 75% 50% 25% Hº patrón

Tabla Nº 6: Dosificaciones utilizadas

Se moldearon probetas prismáticas de 15 cm x 15 cm x 53 cm [Foto Nº 4], las cuales fueron desmoldadas a las 24 horas y colocadas en cámara húmeda. Todas las vigas fueron ensayadas a 7 días.

Foto Nº 4: Vigas de hormigón reciclado en estado fresco

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Además, se moldearon 3 probetas cilíndricas de 15 cm x 30 cm por cada dosificación con el fin de tener valores de referencia de la resistencia a compresión. Las mismas fueron moldeadas conjuntamente con las vigas, y luego de 24 horas desmoldadas y colocadas en cámara húmeda. Todas las probetas se ensayaron a la edad de 7 días, los resultados obtenidos permitieron observar que el reemplazo de agregado reciclado hasta el 50% no producía variaciones significativas en la resistencia a compresión del hormigón, sin embargo un porcentaje mayor resultaba en reducciones considerables. 4. Dispositivo y procedimiento de ensayo El ensayo se realizó en un pórtico de carga, Foto Nº 5, y se registraron los datos mediante una celda de carga de 30tn capturándolos con un software que permite almacenar los valores de carga y tiempo.

Foto Nº 5: Pórtico de carga

Las vigas fueron colocadas de manera que la aplicación de la carga se realice en una cara lateral a la posición de moldeo y apoyadas sobre pedestales metálicos que se comportan como apoyos simples. Para una distribuir la carga a los tercios de la luz se colocó una placa metálica de 25mm de espesor que representa el elemento rígido que figura en la norma. A su vez, se tomaron las precauciones necesarias para que las vigas se encuentren centradas y niveladas. Se marcaron en las caras laterales el tercio medio de la luz para corroborar que la sección de rotura cumpla con la indicación de la norma en la cual se establece que si la fractura se produjera en el tercio medio de la luz el ensayo debe descartarse. [Foto Nº 6]

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Foto Nº 6: Elementos de transferencia de carga y apoyos.

Todas las vigas fueron ensayadas siguiendo este procedimiento, para garantizar la homogeneidad de los resultados obtenidos. 5. Resultados obtenidos Con los valores de registrados mediante la celda de carga se calculó la resistencia a tracción por flexión utilizando la fórmula indicada en la norma:

2hb10LQ

R××

×=

donde: R = módulo de rotura [Mpa] Q = carga máxima registrada [daN] L = luz entre apoyos [cm] b = ancho medio de la probeta [cm] h = altura media de la probeta [cm] Recordando la teoría de la resistencia de materiales clásica se puede deducir la fórmula indicada anteriormente de la siguiente manera:

Figura Nº1: Diagrama de esfuerzos solicitantes

wM

flt =σ

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donde: M = Momento máximo solicitante w = módulo resistente Luego:

6hb3L

2P

2×

×

=σ =

6hb

6LP

2×

×

= 2hb

LP×

×=

Nota: el dividendo 10 que figura en la norma tiene en cuenta el pasaje de unidades. A continuación se muestran los resultados obtenidos, en los gráficos se representa la variación de la tensión en el tiempo. [Gráficos 1,2, 3 y 4]

Resistencia a flexión (patrón)

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,5

0 10 20 30 40 50Tiempo[seg]

Re

sis

ten

cia

[MP

a]

Gráfico Nº 1 : Resistencia a flexión del hormigón patrón

Resistencia a Flexión (25% reemplazo)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Tiempo [seg]

Resis

tencia

[M

Pa]

Gráfico Nº 2 : Resistencia a flexión del hormigón con 25% de reemplazo

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Resistencia a flexión (50%AR)

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,5

0 10 20 30 40 50

Tiempo [seg]

Re

sis

ten

cia

[MP

a]

Gráfico Nº 3 : Resistencia a flexión del hormigón con 50% de reemplazo

Resistencia a flexión (75%AR)

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,0

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo [seg]

Resis

ten

cia

[MP

a]

Gráfico Nº 4 : Resistencia a flexión del hormigón con 75% de reemplazo

Se puede observar en los gráficos que en todos los ensayos los resultados se mantuvieron en un rango de valores, la excepción es el caso del reemplazo del 75% en el cual una de las vigas alcanzó una resistencia muy superior en relación a las otras dos. Todas las vigas ensayadas presentaron la fractura dentro del tercio medio de la luz, por lo que no fue necesario descartar ningún resultado. [Foto Nº 7]

Foto Nº 7 : Vigas ensayadas

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6. Conclusiones

La elaboración de hormigones con agregados reciclados permite considerar criterios de sustentabilidad con las mismas prestaciones del hormigón tradicional y un desempeño ambiental superior. En base a los ensayos efectuados en el presente trabajo, se puede concluir en principio el buen desempeño que presentaron los hormigones realizados con diferentes porcentajes de agregado reciclado, teniendo en cuenta que los resultados de resistencia a flexión no difieren significativamente con respecto al patrón. Si bien esta característica es atribuible, en parte, a una posible disminución de la relación agua-cemento debido a la gran absorción de los agregados reciclados, de todas maneras esto se deberá considerar profundamente en investigaciones futuras para lograr una correlación cuantitativa precisa. En términos generales se destaca la gran aplicabilidad de los agregados reciclados en reemplazo de agregado natural para la elaboración de hormigones de uso vial, ya que no se presentaron características singulares destacables durante los estados fresco o endurecido. Faltaría completar la evaluación de hormigones con agregados reciclados, determinando el módulo de elasticidad y la contracción por secado de dichos hormigones. En especial cabe mencionar la distribución homogénea de las partículas entre los distintos tipos de agregados. Asimismo, cabe destacar que todas las probetas ensayadas manifestaron su plano de rotura en el tercio medio de la luz, lo que ratifica la validez de lo ensayos realizados. 7. Bibliografía • Norma IRAM 1547. Hormigón de Cemento pórtland. Emsayo de tracción por flexión, 1992. • Norma IRAM 1553. Hormigón de cemento pórtland. Preparación de las bases de probetas cilíndricas y testigos cilíndricos, para ensayos a la compresión, 1983. • Norma IRAM 1680. Hormigón de cemento pórtland. Preparación y curado en obra, de probetas para ensayo de flexión, 1971. • Performance of recycled aggregate concrete; 2004, M C Limbachiya, A. Koulouris, J. J. Roberts y A. N. Fried; N. Kashino y Y. Ohama • Hormigones reciclados: caracterización de los agregados gruesos; 2008, Zega C.J., Tesis de Magister . • CIRSOC, Capítulo cinco; Hormigón Fresco-Propiedades, dosificación y puesta en obra; 2005. • Guzman, Arturo -Resistencia de materiales- Tomos I y II. Edit. C.E.I.L.P.