Los estudios actuales de concreto reciclado (CR) con sustitución parcial de agregados naturales por los agregados reciclados de concreto (ARC) prometen un camino factible para su práctica, un ahorro de energía, mejoras medioambientales y solución para los 200 millones de toneladas de estos desechos que genera al año la CE.1 La garantía de su posible aplicación estructural se centra en el estudio del comportamiento de propiedades tales como la contracción y la fluencia, que inciden en su comportamiento a corto y largo plazo, provocando variaciones en sus coeficientes de comportamiento y restringiendo su aplicación si éstas se omiten o equiparan con los concretos convencionales.

En este trabajo se presentan cinco tipos de concretos con diferentes contenidos de un ARC más el comportamiento del concreto que dio origen a los ARC, los cuales se prepararon para el estudio de propiedades tanto de los agregados como de los mismos concretos.

Experimento

Concreto original Para nuestro estudio se utilizaron 4 m3 de un concreto original (OC) de uso común, procedente de planta premezcladora, que se colocaron en elementos de cimbra de madera con dimensiones de 0.40 × 0.20 × 0.10 m. Se dispusieron también para el análisis del comportamiento mecánico 8 cilindros de ø 0.15 × 0.45 m y 50 cilindros más de ø 0.15 × 0.30 metros.

Transcurridas 24 horas del colado, se procedió al descimbrado, y entonces se sometieron los elementos y especímenes a condiciones de curado para su envejecimiento durante 150 días (véase la tabla 1, donde se dan con detalle las particularidades de este concreto). Los elementos se hicieron después pasar una sola vez por una trituradora semifija de rodillos, con apertura de entrada de 0.45 m y tamaño máximo de salida de 0.025 m. Por último, el material resultante se clasificó en los tamaños 0-5, 5-10, 10-20, 20-25, de los cuales se tomaron las fracciones 5-10 y 10-20 para constituir los ARC de este trabajo. Dichas fracciones utilizadas representan 41.3% (fracción 5-10) y 38% (fracción 10-20) del OC utilizado.

Agregados reciclados versus agregados naturales

La designación utilizada por tamaños fue la siguiente: para ARC, grava 10-20 y gravilla 5-10; y para los agregados naturales (AN), grava 12-20 y gravilla 5-12. En las figuras 1 y 2 se presentan las granulometrías de los ARC, y en la figura 3, el ajuste granulométrico utilizado para hacer coincidir los perfiles de ARC y AN. El criterio empleado para este ajuste fue el de máxima densidad compactada (el cual reduce la posible influencia de tamaños de partículas diferentes), es decir:

§ Para ARC, Ia combinación fue 55% de grava y 45% de gravilla.

§ Para AN, la combinación fue 70% de grava y 30% de gravilla.

En la figura 4 se presentan todas las combinaciones de contenidos grava - gravilla para ambos agregados. Obsérvese en ésta que la curva de los ARC siempre se mantiene por debajo de la curva de los AN; en el mejor de los casos, ésta se encuentra a 230 kg/m3 por debajo de los AN.

En las figuras 1, 2 y 3 se observa que los ARC presentan pendientes más pronunciadas que los AN, lo cual responde al proceso de triturado y tamizado aplicado al OC. Por razones de espacio no se presentan los perfiles de los AN, pero su comportamiento se encuentra perceptiblemente dentro de lo especificado por la UNE 146120: 1997.2

En la tabla 2 se indican las propiedades de los agregados utilizados.
El Coeficiente de Forma (CF),3 presentado en esta tabla para la fracción grava es similar en ambos casos; sin embargo, para la fracción gravilla los ARC tienden a ser menos esféricos (20%) que los AN. Esto podría explicarse por el hecho de que las partículas de menor tamaño tienden a ser sometidas a mayor desgaste y solicitación durante el proceso de triturado, aunado al hecho de que los ARC cuentan con una procedencia de constitución de carácter parcial. No obstante, el CF se mantuvo siempre por arriba de la especificación para concretos comunes (> 0.20).

En cuanto al contenido de materia < 200 µm, era de esperarse que los ARC no aportasen gran cantidad de partículas finas en sus diferentes fracciones, pues las trituradoras de rodillo generan poca cantidad de finos. Asimismo, el proceso de tamizado mecánico utilizado provocó que los finos pasaran de forma rápida a las fracciones 0-5.

Los Índices de Lajas (IL)4 reportados en la tabla 2 nos muestran que los ARC tienen un valor menor que los AN. No obstante, el IL para ambos tipos de agregados siempre se mantiene por debajo de la especificación para concretos comunes (£ 20).

Los ensayos de la prueba Los Ángeles (LA),5 presentados en la figura 5, fueron hechos sometiendo las fracciones gravilla a una carga abrasiva de 8 esferas, y la fracción grava, a 11 esferas; en ambos casos, la prueba comprendió 500 ciclos. Como se observa en dicha figura, la correlación entre el incremento de contenido de ARC (factor "r") y el coeficiente LA es directa hasta llegar a un máximo de 34.48 para ambas fracciones, con un r = 0.60.

La figura 6 presenta la densidad seca (Ds), la densidad saturada superficialmente seca (Dsss), la absorción y la porosidad total al agua para ambos agregados en las fracciones de estudio.6 Se puede observar en esta figura que la absorción de los ARC (de 5.83 a 8.16%) es mayor que la de los AN (de 0.88 a 1.49%), y que, mientras que para los AN es sensiblemente la misma en todos los tamaños, para los ARC ésta se incrementó de forma directa al reducirse el tamaño de las partículas. La porosidad total al agua es la que presenta mayor variación entre los ARC y los AN (figura 6), llegando a pasar en el peor de los casos de 2.82% para el AN a 14.86% para el ARC en la fracción gravilla. En cuanto a las densidades, los ARC son menos pesados que los AN (promedio de 14% menos en Ds, y de 9% en Dsss). Estos ARC incrementan sus densidades de manera directamente proporcional al aumento en su tamaño de partícula. Por último, las diferencias entre las condiciones seca o saturada superficialmente seca son mayores entre los ARC que entre los AN.

Expuestas las anteriores propiedades de los ARC en estudio, se concluye que éstos se encuentran dentro de la recomendación RILEM para ARC TIPO Il (absorción £ 10% y Ds ³ 200 kg/m3), para la Belga son GBSBII (absorción < 9% y Ds > 210 kg/m3) y en cuanto a la Japonesa, cumplen con el requisito de absorción £ 7% y Ds ³ 220 kg/m3 en las fracciones utilizadas.7, 8, 9, 10 Por todo ello, los ARC empleados en este trabajo pueden utilizarse como concreto simple o reforzado, teniendo en cuenta su aplicación y sus coeficientes de comportamiento.

Dosificación de los concretos reciclados

Dada la dificultad de determinar la relación real a/c por la alta variación de absorción de los ARC, se optó por utilizar los conceptos básicos de dosificación del ACI 211.1 y del ACI 211.2 con los siguientes criterios:

l) La sustitución de ARC por AN se realizó con iguales volúmenes de los porcentajes de peso a sustituir, con la siguiente condición:

donde: r = porcentaje de AN sustituido por ARC; RACgrueso = 55% grava reciclada + 45% gravilla reciclada; NAgrueso = 70% grava natural + 30% gravilla natural.

Los porcentajes de estudio de los cinco tipos de CR fueron: r = 0.0, 0.15, 0.30, 0.60 y 1.00. Como agregado fino se utilizó 100% de arena natural caliza triturada procedente de la cantera del Garraf, Barcelona.

2) Los ARC aumentan su absorción proporcionalmente con el tiempo de inmersión en agua, véase la figura 7. Para la dosificación, se tomaron 20 minutos de inmersión, alcanzando 97% en gravilla y 77% para grava, respectivamente, de los valores observados en los ensayos a 24 horas.

3) La cantidad de agua absorbida por los agregados se tomó en cuenta por separado, además de la humedad que tenían antes del mezclado y del agua libre que forma parte de la mezcla.

Con el tiempo de mezclado establecido y la cantidad de agua requerida, el orden de introducción de los materiales de mezclado garantiza (en lo posible) inmovilidad de agua y mejora de la zona de transición. Se optó por la siguiente secuencia:

a) Todos los agregados gruesos y el agua fueron introducidos en la mezcladora,

b) Éstos se mezclaron durante dos minutos,

c) La mezcladora se mantuvo en reposo tres minutos,

d) Se repitió el proceso b y c dos veces mas,

e) Se introdujo el cemento y se mezcló tres minutos, y f) Se adicionó la arena y se mezcló tres minutos más.

Las dosificaciones de mezclas obtenidas con los anteriores criterios se dan en la tabla 3. Como se aprecia en ésta, son tolerables las variaciones en consistencia y pesos volumétricos para los diferentes porcentajes de reemplazo (revenimiento 0.10 ± 0.03 m y concreto con peso volumétrico normal).

Comportamiento de los concretos reciclados

Absorción, densidad, porosidad y permeabilidad al agua

Como se observa en la figura 8, la absorción de los CR se incrementó proporcionalmente al contenido de ARC, pasando de 7.4% para r = 0.0 a 8.6% para r = 1.00, mientras que sus densidades decrecen ligeramente en sentido opuesto. Por otra parte, la porosidad al agua, al igual que la absorción, se incrementó proporcionalmente con el contenido de ARC.

En cuanto a la permeabilidad al agua (véase la figura 9),11 el promedio de las lecturas de penetración no tiene incrementos significativos; mientras que la penetración máxima pasa de 0.104 m para r = 0.0 a 0.143 m para r = 1.0. La gran diferencia entre las penetraciones promedio y máxima podrían explicarse por el hecho de que el ARC se posicione en la superficie de ensayo, vulnerando de esta forma la zona y permitiendo el paso del agua.

Compresión simple

Los ensayos se realizaron en cilindros de ø 0.15 × 0.30 m, y las edades de ensayo fueron 7, 28 y 90 días para los CR, y 179, 200 y 262 días para el OC; cada punto de las figuras es un promedio de tres ensayos.

Puede apreciarse que, para las edades de estudio, el f'c decrece al incremento del factor r (véase la figura 10). Si se comparan los resultados con el concreto de referencia (r = 0.00), de forma independiente a la edad de ensayo, se obtienen las siguientes relaciones:

f'cr = CO= 124.1% f'cr = 0.00
f'cr = 0.15= 99.6% f'cr = 00
f'cr = 0.30= 97.8% f'cr =0.00
f'cr = 0.60= 91.6% f'cr = 0.00
f'cr = 1.00= 90.0% f'cr = 0.00

Se puede decir que, para r < 0.30, el f'c es sensiblemente igual al concreto de referencia. Cuando se toma en cuenta la edad de los ensayos y se compara con el concreto de referencia, se puede observar que las evoluciones de los CR son iguales, aunque, claro está, los niveles de tensión son menores. Por último, se observa que el tipo de falla ocurre usualmente en el nexo del mortero adherido al agregado original; hecho que puede explicarse por la incompatibilidad elástica entre el agregado y la fase de la pasta.

Tensión indirecta

En la figura 11 se muestran los ensayos realizados de tensión indirecta (ft) para iguales edades y especimenes que en el apartado anterior. Si se expresan los valores de esta figura en función de sus respectivas resistencias a la compresión simple, se obtiene:

donde: C = 10.00 para r = 0.00, C = 10.31 para r = 0.15, C = 10.46 para r = 0.30, C = 11.66 para r = 0.60 y C = 12.59 para r = 1.00.

Módulo de elasticidad

Para el estudio de esta propiedad mecánica, se optó por igual número y edad de ensayo que en apartados anteriores; en los registros de las deformaciones se utilizaron dos calibradores extensométricos posicionados en sentido vertical sobre dos generatrices opuestos de los cilindros. Los calibradores utilizados fueron del tipo PL-60-1 1 - 1L TML y el ensayo se rigió por la normativa UNE 83.316: 1996.12

En la figura 12 se presentan los valores del módulo de elasticidad, (E), para los diferentes concretos de estudio. Se observa que el valor medio del E, sin importar la edad de ensayo, alcanza su cota mínima para r = 0.60, presentando 89% del E del concreto de referencia; siguiéndole de cerca r = 1.00, que tan sólo alcanza 90% del E del concreto de referencia.

Como es bien sabido, el E de los CR decrece con el incremento de la sustitución del NA por el ARC.13, 14 Este comportamiento también se observó en estos ensayos, llegando en el caso extremo a reducir el E en 81% en relación con el concreto de referencia, cuando r = 1,00 a la edad de 90 días.

Contracción y fluencia

Para los ensayos restantes de esta campaña experimental se utilizaron ocho cilindros de ø 0.15 × 0.45 m para cada una de las variable antes propuestas. Las medidas de deformación se realizaron con calibradores embebidos (tipo EGP- Series MM) colocados en el centro de los especímenes de concreto (véase la figura 13).

Los especímenes se mantuvieron en cámara de curado durante 28 días (T = 20 °C ± 2 y HR = 90% ± 5), a partir de entonces los especímenes pasaron a una cámara climática (T = 20 °C y HR = 50%) hasta el final del periodo de ensayo (90 días). Los instantes de inicio de registro de deformaciones fueron los siguientes: para contracción básica y por secado, t0 = 24 horas después de colados los especímenes, para fluencia básica y por secado, t0= 28 días.

Cuando se procedió al paso de especímenes a la cámara climática, cuatro de los ocho especímenes por cada variable de estudio (dos para contracción básica y dos más para fluencia básica) fueron sellados en toda su superficie con parafina (± 0.003 m de espesor) y, por último, envueltos con tres capas de papel estaño para evitar movimiento de agua con el medio ambiente de la cámara.

La configuración de los bastidores utilizados para los ensayos de fluencia básica y por secado se presenta en la figura 14; de igual forma, en la tabla 3 se muestran los valores de f'c, niveles de tensión de ensayo para los diferentes concretos y deformaciones instantáneas y finales para las diferentes propiedades estudiadas.

En la figura 15 se presentan las curvas para los ensayos de contracción básica (cada una de las curvas es el promedio de dos especímenes). Como se aprecia en éstas, en los primeros 28 días (cámara de curado), los especímenes r = 0.60 y 1.00 experimentan considerable expansión; sin embargo, rápidamente se recuperan y contraen casi a iguales valores que el resto de los CR a edad de 90 días en cámara climática.

Los ensayos de contracción por secado se presentan en la figura 16; en ésta se observa que el comportamiento de todos los especímenes para edades cortas es sensiblemente igual entre sí, pero a largo plazo, el incremento del factor r es directamente proporcional con la deformación sufrida por esta contracción. Para el caso de r = 1.00, el incremento de deformación sufrido es 46% mayor si se lo compara con el concreto de referencia (a edad de 90 días). Este tipo de comportamiento de los CR coincide con los resultados de trabajos comentados por otros autores.15, 16, 17

Para el comportamiento de fluencia básica (véase la figura 17), los concretos con factor r > 0.00 se distancian del concreto de referencia, por lo que su coeficiente de fluencia pasa de jbásica = 1.0 para r = 0.15 a jbásica = 1.3 cuando se sustituye todo el agregado grueso.

En cuanto a la fluencia por secado presentada en la figura 18, se puede apuntar que el comportamiento muestra un aumento gradual, incrementando la diferencia conforme transcurre la prueba en el tiempo y con el factor de reemplazo de agregados. El coeficiente jsecado se incrementa en el orden de 3% en el menor de los casos, hasta 35% cuando r = 1.00.

Conclusiones

Con base en los resultados expuestos en este trabajo, se presentan las siguientes conclusiones:

lLos agregados reciclados procedentes de concreto presentan un elevado nivel de poros, con posibilidad de absorber más agua y una densidad más baja que los agregados de uso acostumbrado.

lLas variaciones que se puedan presentar entre las propiedades de los diferentes agregados reciclados de concreto son una función del tipo de concreto original, de su estado de conservación y, por último, del proceso de producción del cual son creados.

lLos resultados de las propiedades mecánicas estáticas de concretos reciclados apuntan a una reducción en sus cuantías; dichas reducciones son proporcionales y producidas por el incremento de reemplazo de agregados naturales por agregados reciclados procedentes de concreto.

lAl parecer, r = 0.30, en los concretos reciclados, marca la frontera entre el desempeño de éstos y el de un concreto usual.

lLa evolución en el tiempo de las propiedades mecánicas de concretos reciclados es parecida a la de los concretos usuales, sin embargo, los niveles de tensión son menores.

lLos incrementos de las propiedades de fluencia y contracción en los concretos reciclados deben explicarse sobre la base de las propiedades de los agregados reciclados procedentes de concreto.

lLos anteriores puntos ponen de manifiesto la importancia que tienen en el comportamiento de los concretos reciclados la cantidad y calidad de pasta de que se constituyan los agregados reciclados de concreto.

La viabilidad de la fabricación de elementos estructurales con concretos reciclados deberá tomar en cuenta los parámetros y coeficientes adecuados al comportamiento de estos concretos.

Agradecimientos

Este trabajo fue parcialmente desarrollado gracias a la Agencia Española de Cooperación Internacional, con su programa de becas para estudios de doctorado. Los autores también manifiestan su agradecimiento a las empresas Cementos Molins, PROMSA y REMSA, por su colaboración en el desarrollo de los ensayos.

Referencias

l. Grübl, W. (1 999), "Enviromnentally friendly construction technology-interaction between construction and enviromnent", http:Hwww.b-i-m-de/public/Tudmassiv/dacon98gruebl.htm

2. UNE 146120: 1997. Áridos para hormigones. Especificaciones.

3. UNE 7238. Determinación de coeficiente de forma del árido grueso empleado en la fabricación de hormigones.

4. UNE-EN 933:3:1997. Ensayos para determinar las propiedades mecánicas y físicas de los áridos: Parte 3: Determinación de la forma de las partículas. índice de lajas.

5. UNE 83.116: 1990. Áridos para hormigón. Determinación del coeficiente "Los Ángeles" 6. UNE 83.134: 1990. Áridos para hormigones. Determinación de la densidad, porosidad, coeficiente de absorción y contenido en agua del árido grueso.

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8. Hendriks, Ch. F. (1994), "Certification system for aggregates produced from building waste and demolished buildings", en: Goumans, J. J. J. M., H. A. Van Der Sloot y T. G., Aalbers (Eds.), Environmental aspects of construction with waste materials, pp. 821-843.

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11. UNE 83.309: 1990. Ensayos de hormigón. Determinación de la profundidad de penetración de agua bajo presión.

12. UNE 83.316: 1996. Ensayos de hormigón. Determinación del módulo de elasticidad en compresión.

13. Müller, C. (1999), "Requirements on concrete for future recycling". http://Www.b-im.de/public/ibac/mueller.htm

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15. Tavakoli, M. y P. Soroushian (1996), "Drying shrinkage behavior of recycled aggregate concrete", Concrete International, The Magazine of American Concrete Institute, noviembre, pp.58-61.

16. Yamato, T., Y. Emoto y M. Soeda (1998), "Mechanical properties, drying shrinkage and thawing of concrete using recycled aggregate", ACI Recent advances in concrete technology, pp. 105-122.

17. Hansen, T. C., y E. Bøegh (1995), "Elasticity and drying shrinkage of recycleaggregate", ACI Joumal, núm. 5, septiembre-octubre, pp. 648-652.

José M. Gómez, Luis Agulló y Enric Vázquez son docentes de la Escuela de Caminos Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona, España.

Razones económicas y ecológicas inducen al empleo de concreto reciclado, un material cuyas posibilidades de aplicación estructural están relacionadas con el estudio de propiedades a largo plazo tales como la contracción y la fluencia, las cuales muestran algunas variaciones respecto a los concretos usuales. En este trabajo se presentan los resultados del análisis experimental de especímenes elaborados con reemplazo de agregados naturales por agregados reciclados de concreto...