comportamiento mecanico de aridos reciclados para hormigon

7/26/2019 Comportamiento Mecanico de Aridos Reciclados Para Hormigon

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COMPORTAMIENTO MECANICO DE ARIDOS RECICLADOS PARA HORMIGON

I. Sosa C. Thomas, J. A. Polanco

Departamento de Ciencia e Ingeniería del Terreno y los Materiales, E. T. S. de Ingenieros de Caminos,

Canales y Puertos, Universidad de Cantabria, Av. Los Castros s/n, 39005, Santander, España.E-mail: [email protected]

RESUMEN

En este trabajo presenta la relación existente entre las propiedades de los áridos reciclados procedentes de la trituracióny procesado de residuos de hormigón estructural, con las propiedades de los hormigones reciclados fabricados conellos. Se ha realizado un ambicioso programa de ensayos con el propósito de caracterizar por completo las propiedadesfísicas, químicas y de estabilidad de los áridos reciclados, haciendo hincapié en su comportamiento frente al desgaste ya los esfuerzos de compresión. En relación a los hormigones reciclados se estudiaron dosificaciones con relacion deagua cemento de 0.65, estos a su vez con grados de sustitución del 0% (como hormigón de control), 20%, 50% y 100%del árido grueso natural calizo por áridos gruesos reciclado, procedentes de la trituración de hormigones de demolición,caracterizando sus propiedades físicas y mecánicas de esta manera se ha podido establecer una relación existente entreel comportamiento frente a esfuerzos de compresión de los componentes y el hormigón.

ABSTRACT

In this paper is shown the relationship between the properties of recycled aggregates obtained from crushing and processing wastes of structural concrete versus the properties of recycled concrete made with them. It has been made anambitious test program in order to characterize completely the physical, chemical and the recycled aggregate stability,making emphasis on its behavior to compressive strength. Regarding to the recycled concrete it has been studiedmixtures with 0.65 water cement ratio, as well as substitution degrees of 0% (as control concrete), 20%, 50% and 100%of the aggregate natural coarse limestone by recycled aggregates from crushed concrete obtained from demolition,characterizing their physical and mechanical properties in order to establish the relationship between the behavior tocompressive strength of its components and the concrete itself.

PALABRAS CLAVE:, Árido reciclado, hormigón reciclado, compresión, índice de machacabilidad.

ÁREA TEMÁTICA: Fractura de materiales cerámicos y pétreos

1. INTRODUCCIÓN

El material sobre el cual se plantea el trabajo es el áridoreciclado procedente de la trituración y procesamientode residuos de hormigón estructural de demoliciones yde los hormigones fabricados con ellos. Existen

numerosos trabajos que tratan la oportunidad queofrece la utilización de áridos reciclados (AR) para lafabricación de hormigón y, en particular, la utilizaciónde áridos reciclados provenientes de hormigón (ARH)[1-9]. Los ARH son, de entre todos los AR, los quemejor se adaptan a las exigencias necesarias para lafabricación de hormigón reciclado (HR). Lascaracterísticas que éstos presentan son idóneas paraestos fines [10]. En este trabajo se profundiza en elanálisis de las características de estos áridos para,finalmente, relacionar éstas con las características de loshormigones reciclados fabricados con ellos (HR).

Necesariamente, las características mecánicas del HRhan de estar relacionadas con las de los AR. En esta

investigación se ha considerado el hormigón recicladocomo un material compuesto, por un lado, de áridogrueso, por otro lado, de una matriz aglutinante (MX)(cemento hidratado y arena) y, finalmente, su interfase(IN).

Mediante un completo programa de ensayos, se hacaracterizado completamente los AR y los HRobtenidos con ellos. Entre los ensayos realizados, se handeterminado las propiedades físicas y químicas y deestabilidad de los AR haciendo especial hincapié en las

propiedades mecánicas y, en particular, sucomportamiento frente a cargas de compresión. Por su

parte, los HR se han caracterizado en cuanto a suscaracterísticas físicas y mecánicas, para finalmenteanalizar en profundidad la relación existente entre loscomponentes y el hormigón.

Se han estudiado reemplazos del 0% (hormigón de

control), 20%, 50% y 100% del árido grueso naturalcalizo, de un hormigón estructural, por áridos gruesos

Anales de Mecánica de la Fractura 28, Vol. 1 (2011)

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reciclados procedentes de la trituración de hormigonesde demolición. Por su parte, se han analizado 2relaciones agua/cemento (w/c) 0.65, para un total de 8dosificaciones.

2. MATERIALES

2.1. Áridos Naturales y Reciclados

Los áridos naturales (AN) utilizados en la investigaciónson todos ellos de naturaleza caliza y procedentes demachaqueo. Se han utilizado 3 tamaños biendiferenciados: 0/4, 2/8 y 8/20. La tabla 1 recoge losresultados obtenidos de la caracterización dimensional yfísica de cada una de las fracciones de AN y AR..

Tabla 1. Propiedades de los Áridos Naturales

Árido Arena Gravilla Grava AR

d/D [mm] 0/4 4/8 8/20 4/20Categoría GF85 Gc85/20 Gc90/15 Gc90/15

F [%] 7.53 0.12 0.97 0.38

PP [%] 100.00 71.54 1.78 25.01

DR [g/cm3] 2.65 2.62 2.53 2.53

Da [g/cm3] - 2.47 2.46 2.28

Dr [g/cm3] - 2.58 2.53 2.51

Dsss [g/cm3] - 2.51 2.49 2.37

A [% peso] - 1.86 1.20 4.02

P [% vol.] - 4.58 2.95 9.16

Donde:F Contenido en finos.PP Porcentaje de partículas menores de 4 mm.DR Densidad real. Para fracciones entre 2 y 4 mm.Da Densidad aparente.Dr Densidad relativa.Dsss Densidad del árido en condiciones de saturación

con superficie seca.A Absorción.P Porosidad accesible.

Los AR utilizados en la investigación han sido

obtenidos a partir de la clasificación y procesado deresiduos de construcción y demolición (RCD).

En primer lugar, se ha realizado una separación visualde acuerdo con el “ensayo de clasificación de loscomponentes de los áridos gruesos reciclados” de laque se obtuvo que los porcentajes en peso decomponentes cuya procedencia es el hormigón triturado(árido natural, mortero y árido natural con morteroadherido) era de 95.55%. El resto componentes

bituminosos (1.58%), cerámicos (1.39%), yeso (0.64%)y material fino (0.43%).

Por otra parte, la Figura 1 muestra la distribucióngranulométrica tanto del AN como del AR utilizado

como sustituto de los áridos naturales en los HRrealizado de acuerdo con la norma UNE – EN 933.

0

20

40

60

80

100

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00

Abertura del tamiz [mm]

%

a c u m u l a d o q u e

p a s a

0

20

40

60

80

100

Arena

Gravilla

Grava

AR

P e r c e n t a c u m u l a t e

[ %

]

Figura 1. Distribución granulométrica de las distintas fracciones de árido natural y reciclado

2.3. Hormigones Reciclados

Para la realización de los trabajos de caracterización previstos sobre los hormigones, se practicó una tomaselectiva de áridos NA y RA y se elaboraron probetascilíndricas normalizadas con ellos.

Las dosificaciones con distintos grados de sustituciónhan partido de una dosificación de control diseñada a

partir del método de Fuller en base a la distribucióngranulométrica y las relaciones w/c establecidas. Unavez diseñado el hormigón estructural, de control, paraun tamaño máximo de árido de 20 mm, el resto dedosificaciones se han diseñado por sustitución de lafracción gruesa del árido natural por el AR.

La Tabla 2 muestran las distintas dosificacionesdiseñadas para la fabricación del HR y de control de lasclases resistentes H25 y H40.

Tabla 2. Dosificación por m3de los hormigones RC-0.65

En cuanto al método de fabricación de los hormigonesse optó por el método propuesto en la normativaeuropea correspondiente con pequeñas modificacionesen base a las características especiales de los AR [10].Los AR poseen una absorción notablemente mayor quelos áridos naturales, 4 % en peso frente al 1.9 % y 1.2 %de la grava natural. Debido a ello, tiene lugar una

pérdida de agua de amasado, del HR fresco, que será proporcional al grado de sustitución. Debido a ello se

Sustitución: 0% 20% 50%100%

Cemento: kg 275 275 275 275Agua: kg 179 179 179 179Arena (0/2): kg 948 961 978 1010Gravilla (2/8): kg 490 362 199 0Grava (8/20): kg 513 378 209 0AR: kg 0 185 408 640Pasta/Árido: 0.36 0.36 0.36 0.36Grava/Arena: 1.06 0.96 0.83 0.63


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decidió presaturar los AR por inmersión en aguadurante 10 min, y escurrirlos durante 10 min,

previamente a su incorporación. De esta manera segarantiza una relación w/c efectiva igual para todos loshormigones.

Se fabricaron un total de 64 probetas repartidas en 4dosificaciones con 3 grados de sustitución, 20%(recomendación de utilización de árido reciclado segúnla normativa española), 50% y 100%, del árido naturalcalizo por AR y una dosificación con 0% de sustitucióno dosificación de control. Las probetas se distribuyeronde tal manera que se realizaron 10 ensayos de cada HR

para la determinación del módulo de elasticidad, 3mediciones de la resistencia a compresión y 3 de laresistencia a tracción por el método indirecto.

Además, las dosificaciones se han ajustado, aumentandoel porcentaje de aditivo superplastificante: 0.5%, 0.7%,

para los hormigones HR0.65 HR0.55, respectivamente.

De esta manera se ha conseguido que la fluidez de loshormigones frescos fuese la misma en todos los casos:15 cm de asiento del cono de Abrams. Por su parte, loshormigones fabricados han sido almacenados encondiciones de temperatura y humedad controladas, enuna cámara húmeda con humedad relativa igual osuperior al 95% y una temperatura de 20°C ± 2°, hastael momento del ensayo realizado a los 365 días de edad.

3. PROGRAMA EXPERIMENTAL

3.1 Índice de lajas y coeficiente de forma de los AR

El índice de lajas se determina de acuerdo con el procedimiento indicado en la norma UNE – EN 933 –3: “Determinación de la forma de las partículas. Índicede lajas”.

En lo referente al coeficiente de forma, la determinaciónde este parámetro se realizó mediante ensayo conformea la normativa UNE – EN 933 – 4: “Determinación dela forma de los áridos. Coeficiente de forma”.

3.2 Contenido de partículas blandas del AR

Este ensayo se realiza de acuerdo con las directricesrecogidas en la norma UNE 7134: “Determinación de partículas blandas en áridos gruesos para hormigones”.De acuerdo con este documento, se considera que una

partícula es blanda cuando deslizando la piedra bajo lasonda cilíndrica de cuzín se produce, en la primera, unsurco por efecto del rayado, sin que se desprenda metalsobre él, o bien cuando se observa el desprendimientode fragmentos de la superficie del árido, aunque se hayadepositado metal sobre ella.

3.3 Coeficiente de desgaste de Los Ángeles del AR

La determinación de este parámetro se realiza mediantelos procedimientos descritos en la normativa UNE–EN1097–2: “Ensayos para determinar las propiedades

mecánicas y físicas de los áridos. Parte 2: Métodos parala determinación de la resistencia a la fragmentación”.

Con la finalidad de conocer en mayor medida elcomportamiento de la combinación de los áridosreciclados junto con los áridos naturales se ha

considerado analizar el coeficiente de desgaste de lasdistintas combinaciones de áridos. Para ello se hatomado el porcentaje correspondiente de la fracción10/14 (exigida en este ensayo) de una parte de gravilla yotra de reciclado según se establece en lasdosificaciones a analizar. Para ello se han pesado lagravilla y el árido reciclado, previamente cribados a untamaño 10/14 y se han mezclado adecuadamente.

3.4 Comportamiento bajo esfuerzos de compresión delárido

Para la realización de esta caracterización se hanseguido los protocolos establecidos en la norma UNE83112: “Áridos para hormigones. Determinación delíndice de machacabilidad”.

El índice de machacabilidad de un árido es un valorindicativo de su resistencia a la compresión; puesto quea diferencia del ensayo de Los Ángeles, la compresiónestá ejercida por la acción de una partícula sobre lascontiguas al someter a las mismas a una carga exterioraplicada gradualmente, estando éstas en el interior de unrecipiente indeformable.

De acuerdo con la norma, la muestra seleccionada ha detener tamaños de partícula que pasen por el tamiz de 14

mm y sean retenidas por el tamiz de 10 mm (fracción patrón 10/14) ó entre los tamices de abertura 14/20,según sea el caso. En la presente investigación se hanconsiderado las dos fracciones a fin de despejar dudasen cuanto al comportamiento mecánico de los áridos dedistintos tamaños. Por su parte se ha analizado el índicede machacabilidad de los áridos naturales (grava ygravilla) y de las dosificaciones de 20%, 50 % y 100%de sustitución de AN por AR, tal y como se procedió enel caso del coeficiente de Los Ángeles,complementando en este caso, también, con la fracción14/20.

Como complemento a los resultados que proporciona elensayo normalizado, se ha procedido a realizar unregistro de la deformación del material, mediantecomparadores, y así poder obtener la curva tensión-deformación de la estructura de los áridos.

3.5 Propiedades mecánicas del HR

Para la determinación de la resistencia a compresiónuniaxial de las probetas normalizadas de hormigón sehan seguido las premisas establecidas en la normaUNE-EN 12390-3:2009: Ensayos de hormigónendurecido. Parte 3: Determinación de la resistencia acompresión de probetas. Para la determinación de laresistencia a tracción indirecta de las probetas dehormigón se han seguido las indicaciones establecidas


163



en la norma UNE-EN 12390-6:2001: Ensayos dehormigón endurecido. Parte 6: Resistencia a tracciónindirecta de probetas.

Para la consecución de los ensayos se utilizó una prensaservohidráulica universal de 1500 kN de carga máxima,

hasta rotura, y con una velocidad de aplicación de 8kN/s, para el caso de la tracción y 10 kN/s para lacompresión. Se han ensayado probetas cilíndricasnormalizadas (150 mm de diámetro por 300 de altura)refrentadas con azufre puro. Para ello se llevó a cabouna serie de 3 ensayos, con registro de la carga, de

probetas, con una edad de 365 días, curadas en cámarade humedad, bajo condiciones óptimas de curado.

3.6 Módulo de elasticidad del hormigón

Como complemento a los ensayos de caracterizaciónmecánica se han determinado los módulos de elasticidadde los hormigones. Para ello, se ha partido de las

indicaciones establecidas en la norma UNE83316:1996: Ensayos de hormigón. Determinación delmódulo de elasticidad en compresión.

Por su parte, para el registro de deformación, las probetas han sido instrumentadas utilizando 2 galgasextensométricas de 120 mm de longitud dispuestas endos generatrices opuestas de la probeta.

4. RESULTADOS

4.1 Índice de lajas y coeficiente de forma del AR

En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos delíndice de lajas y el coeficiente de forma de 3 fraccionesde los áridos reciclados utilizados.

Tabla 3. Índice de lajas y coeficiente de forma de losáridos

Fracción (di/Di) Índice de lajas [%]Coeficiente de

forma [%]4/8 11 11

8/16 12 21

16/20 14 22

Global: 12 18

Teniendo en cuenta que la Instrucción EHE – 08 limitael valor del índice de lajas al 35% para el árido grueso,

parece claro que el árido reciclado ensayado tiene unvalor de este parámetro adecuado, dentro de los límitesrecomendables, para su empleo en hormigón estructural.Además, se comprueba que las fracciones finas de ARson más redondeadas puesto que, por lo general, elvolumen de mortero adherido es mayor y éste a su vezes más friable en la fabricación, manipulación ytransporte.

4.2 Contenido de partículas blandas del AR

En la Tabla 4 se presentan los resultados del análisis de partículas blandas del AR para las 2 fracciones (10/12.5y 12.5/20 mm) consideradas.

Tabla 4. Contenido de partículas blandas Fracción (di/Di) Número [blandas/total] Peso [%]

10/12.5 13/20 11.4

12.5/20 13/20 12.9

Estos valores son sensiblemente inferiores a losencontrados para áridos reciclados en la bibliografía,

pues debido al desprendimiento de pasta al rayar elmortero adherido al árido se obtienen valores muyelevados de partículas blandas, comprendidos entre35% y 85%, con un coeficiente de variación de 24%.

4.3 Coeficiente de desgaste de Los Ángeles del AR

Para hormigones de alta resistencia, se recomienda queel coeficiente de Los Ángeles no sea superior a 25. Enla Tabla 5 se presentan los resultados del análisis de

partículas blandas del AR para las 2 fracciones (10/12.5y 12.5/20 mm) consideradas.

Tabla 5. Coeficiente de desgaste de Los Angeles del AN, AR y los distintos porcentajes de sustitución.

Fracción 10/14: HR 0.65

100% AN: 21

80% AN y 20% AR 24

80% AR y 20% AN: 27

100% AR: 32

Puede comprobarse como, en términos generales, elcoeficiente de Los Ángeles de las distintas sustituciones

puede expresarse como:

ii

i D LA LA (1)

Donde:

D LA es el coeficiente de Los Ángeles de ladosificación correspondiente.

i LA son los coeficientes de Los Ángeles de los i

componentes de la dosificación.

i son los porcentajes de incorporación de cada uno de

los i componentes de la dosificación.

4.4 Comportamiento bajo esfuerzos de compresión delárido

La Tabla 6 recoge los resultados obtenidos del índice demachacabilidad de los AR y de todas las dosificacioness

incorporando en este caso, además, la fracción 14/20.


164



Tabla 6. Índice de machacabilidad del AN, AR y losdistintos porcentajes de sustitución.

Dosificación: HR-0.65

Fracción: 10/14 14/20

100% AN: 32.0 32.0

80% AN y 20% AR 31.3 31.3

80% AN y 20% AR: 30.7 30.7

100% AR: 30.0 30.0

El resultado más interesante de los ensayos demachacabilidad es el que se desprende la curva tensióndeformación del conjunto para los distintos porcentajes.Así en las Figura 2 y 3, puede apreciarse un clarocomportamiento elástico del material hastaaproximadamente un 15 % de la deformación.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30

RC0.65 0%RC0.65 20%RC0.65 50%RC0.65 100%

S t r e n g t h [ M P a ]

Strain [%] Figura 2. Curva tensión-deformación de las distintasdosificaciones de hormigón HR0.65 correspondientes ala fracción 10/14

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30

RC0.65 0%RC0.65 20%RC0.65 50%RC0.65 100%

S t r e n g t h [ M P a ]

Strain [%]

Figura 3. Curva tensión-deformación de las distintasdosificaciones de hormigón HR0.65 correspondientes ala fracción 14/20

En la Tabla 7 se presentan los valores obtenidos delmodulo de elasticidad de las fracciones 10/14 y 14/20

para todas las dosificaciones del hormigón HR0.65fabricadas.

Tabla 7. Módulos de elasticidad de las fracciones delhormigón RC0.65 para las distintas dosificaciones.

Dosificación: HR-0.65

Fracción: 10/14

Substitución: 0% 20% 50% 100%

MEA[GPa]: 53,2 49,3 45,3 27,2

LEA [MPa]: 8.8 7.3 6.1 3.5

LEA Def. [%]: 15.6 13.7 13.5 12.3

Fracción: 14/20

MEA[GPa]: 46,6 44,9 40,6 36,5

LEA [MPa]: 7.8 7.2 6.3 5.1

LEA Def. [%]: 16.5 15.2 15.1 14.1

Donde:MEA: Modulo de Elasticidad del ÁridoLEA: Limite del Elasticidad del Árido.

La Tabla 8 recoge los resultados del modulo deelasticidad para cada porcentaje de remplazo de AN porAR del hormigón HR0.65

Tabla 8. Módulos de elasticidad de los hormigones HR0.65 para las distintas dosificaciones.

Sustitución: 0% 20% 50% 100%

MEH [GPa]: 32.87 32.18 30.15 23.87

Donde:

MEH: Modulo de Elasticidad del Hormigón.

20

25

30

35

40

45

50

0 20 40 60 80 100

Hormigón 0.65

Media E aridos

M o d u l o d e E l a s t i c i d a d [ M P a ]

Porcentaje de sustitución [%]

Figura 4. Comportamiento del módulo de elasticidaddel hormigón HR0.65 y del árido contenido en suesqueleto.

En la Figura 4 se aprecia como el comportamiento delhormigón depende de las propiedades de los áridoscontenidos en su esqueleto. Se observa que a mayor

porcentaje de sustitución de AR por AN, la diferenciade los valores del modulo de elasticidad se reduce. Esta


165



relación se obtuvo al ser comparado el modulo deelasticidad del hormigón HR0.65 con la media de losvalores del módulo de elasticidad obtenidos para lasfracciones 10/14 y 14/20. Además, se aprecia que amayor porcentaje de árido reciclado la diferencia entrelos valores del HR y el AR se reduce debido a las

características del AR.

5. CONCLUSIONES En general, se establece que es necesario limitar el valordel coeficiente de Los Ángeles de los áridos gruesosutilizados en la fabricación del hormigón ya que, amedida que aumenta este coeficiente, aumenta ladeformación bajo carga del hormigón y puede bajar laresistencia. En general, el árido reciclado presenta unelevado valor del coeficiente de desgaste Los Ángeles,ya que en el transcurso del ensayo se desprende todo o

parte del mortero adherido a la superficie del árido,además de la pérdida propia asociada al árido original.

El índice de machacabilidad se ve reducido con laincorporación de árido reciclado a cada una de lasfracciones. Así mismo, la fracción el índice demachacabilidad de la fracción 10/14 es ligeramentesuperior al de la fracción 14/20. El primero de losresultados, debido al mortero adherido de los AR, frentea esfuerzos a compresión. El segundo resultado puedeatribuirse a la mayor cantidad de mortero, por unidad devolumen, encontrada en la fracción 10/14 frente a lafracción 14/20. En particular, cabe destacar que entrelos áridos de mayor tamaño es pequeño el porcentaje de

los mismos formado exclusivamente por mortero.

Existe una tendencia en el comportamiento elástico delhormigón relacionada con las propiedades de los áridoscontenidos en él, además se aprecia que al aumentar el

porcentaje de árido reciclado, la diferencia entre losvalores del hormigón y el árido disminuye. Esto hacesuponer que en el caso de hormigones reciclados conaltos grados de sustitución la pasta de cemento adquieremayos responsabilidad que la de los hormigones decontrol. En este sentido, se ha podido observar cómo elefecto negativo que supone la incorporación del ARafecta en menor medida a hormigones con relaciones

w/c menores y, por lo tanto, pastas (matriz cementicia)más competentes.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al Ministerio de MedioAmbiente Español la financiación del proyecto deinvestigación RECNHOR y al CEDEX la coordinacióndel mismo.

REFERENCIAS

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