pruebas de co creto ligero si agregado grueso petreo

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
PRUEBAS DE COCRETO LIGERO SI AGREGADO GRUESO PETREO
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Francisco Casanova del Angel y Jorge Luis Vázquez Ruiz
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RESUME
Se presenta la elaboración del concreto con un polímero, en vez de un agregado grueso pétreo: conocido
como grava. El polímero que se utiliza es el politereftalato de etileno, PET; reciclado de envases con
tenacidad suficiente, utilizados para refrescos y aguas de sabores. El PET es un material utilizado
comúnmente por los ingenieros como un elemento estructural y no como un agregado. El trabajo de
investigación reveló que el agregado PET con granulometría adecuada produce mezclas de buena calidad y
con menor peso volumétrico pero con un comportamiento mecánico similar a los concretos naturales. La
relación de agua/cemento, A/C, es menor para los concretos ligeros que para los concretos naturales. Los
concretos ligeros pueden ser usados como concretos de clase II, que los convierte en un concreto con una
calidad de aplicaciones nada despreciables y sirven para losas ligeras debido a que tienen menor peso, usadas
en casa habitación de zonas cálidas ya que no existe una comparación de calores en el concreto con PET.
En la resistencia a la tensión y flexión, se encontró que para consumos de cemento de 300 kg/cm3 y mayores,
las relaciones ft/(f´c)1/2 y MR/(f´c)1/2 son menores para los concretos ligeros, lo que se puede deber que a bajas
relaciones A/C, domina el comportamiento del agregado grueso y a altas relaciones domina el de la pasta.
Esto lleva a que el agregado PET tiene su mejor aplicación en consumos de cemento bajos hasta 300 kg/m3 y
debido que para consumos mayores pueden resultar mezclas antieconómicas. Los módulos de elasticidad de
los concretos ligeros son más bajos que los de los concretos naturales. Las deformaciones son más pequeñas
para los concretos ligeros que para los concretos naturales. Unas de las características del uso del PET como
sustituto del agregado grueso es el peso volumétrico ya que es un 68.88% menos pesado que el concreto con
agregados convencionales.
Palabras clave: PET, agregado convencionales, concreto ligero, aglutinador, propiedades mecánicas del
concreto.
SUMMARY
Presents the development of concrete with a polymer, rather than an aggregate stone bulk: known as gravel.
The polymer used is the polyethylene terephthalate, PET; recycling with enough tenacity packaging used for
soft drinks and water taste. The PET is commonly used by engineers as a structural element, and not as an
aggregate material. Research revealed added PET with adequate fineness produces good quality and with
lower volumetric weight but with mechanical behavior similar to the specific natural mixtures. Water/cement
ratio A/C is lower for the specific lighter than for the specific natural. The specific light can be used as
concrete class II, which makes them a concrete with nothing despicable application quality and useful for
light slabs because they have less weight, used in house warm room because there is a comparison of heats in
concrete with PET.
Resistance to tension and bending, found that you for consumption of cement of 300 kg/cm3 and older,
relations ft/(f´c)1/2 and MR/(f´c)1/2 are lower for the specific light, which may be due to low relationship A/C,
dominates the behavior of the added bulk and high relations dominates that of pasta. This leads to the
aggregate PET has its better implementation in cement consumption low up to 300 kg/m3 and due to increased
consumption can be wasteful mixtures. Elasticity of the specific light modules are lower than the specific
natural. The deformations are smaller than for the specific lighter than for the specific natural. Some of the
characteristics of the use of PET as a substitute for the added bulk is the volumetric weight is a 68.88% less
heavy than concrete with conventional aggregates.
Key words: PET, conventional aggregate, light concrete, binder, mechanical properties of concrete.
1
SEPI de la ESIA, Unidad ALM del IPN. Correo electrónico: fcasanova@ipn.mx
2
UJA de Tabasco. Correo electrónico: sjlvazquezruiz@gmail.com
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XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
León, Guanajuato 2010.
ITRODUCCIÓ
Es posible que la historia considere los plásticos como uno de los avances técnicos más importantes
del siglo XX, principalmente porque han abierto el camino a nuevas invenciones y sustituido a otros
materiales en productos ya existentes. Son ligeros, duraderos y versátiles, así como resistentes a la
humedad, a los productos químicos y a la degradación. Y sin embargo, estas propiedades
constituyen un desafío para los gestores de los residuos sólidos y peligrosos.
El reciclado de materiales plásticos en el mundo ha crecido considerablemente debido a la
necesidad de resolver la acumulación de los residuos sólidos urbanos, lo que está impulsando el
desarrollo de sistemas alternativos de reciclado y el valor de los desechos, entre los que sobresalen
los envases no retornables. Con el uso combinado del concreto y el politereftalato de etileno, PET,
en la construcción, se proyecta una tecnología poco estudiada en México. Hay investigaciones que
nos llevan a ver al PET como un agregado más y no como sustituto en la mezcla (Alesmar et al.,
2008).
La investigación en el mundo en relación a la utilización del PET como agregado, ya muestra
algunos avances a los que hay que prestarles atención. Entre tales investigaciones se encuentra un
documento denominado Effects of waste PET bottles aggregate on the properties of concrete. En
este artículo se investiga la micro estructura superficial de residuos de polietileno tereftalato (PET)
provenientes de botellas de plástico y usadas como agregado ligero (WPLA), para examinar el
efecto de la escoria granulada de horno (GBFS) en WPLA. El WPLA se hizo de los residuos de
botellas PET y GBFS, y se llevaron a cabo pruebas experimentales sobre la resistencia a la
compresión, la resistencia a la tracción, módulo de elasticidad, la depresión y la densidad de
residuos PET/botellas como agregado ligero agregado del hormigón (WPLAC). La resistencia a la
compresión de 28 días de WPLAC con la tasa de sustitución del 75% reduce alrededor del 33% en
comparación con el hormigón de control en la proporción de agua–cemento de 45%. La densidad de
WPLAC varía desde 1940 kg/m3 a 2260 kg/m3 por la influencia del WPLA. La eficiencia
estructural de WPLAC disminuye a medida que aumenta la proporción de reemplazo. La viabilidad
de hormigón con un 75% WPLA mejora alrededor del 123% comparado con el del hormigón
normal en una proporción de agua–cemento de 53%. La GBFS adherida es capaz de fortalecer la
superficie del WPLA y para limitar la zona de transición debido a la reacción con hidróxido de
calcio. (Yun-Wang et al., 2005).
Valorization of post consumer waste plastic in cementiti ous concrete composites trata sobre la gran
cantidad de botellas desechables que se están produciendo en la actualidad, lo que hace
imprescindible identificar procedimientos alternativos para reciclarlos ya que éstas no son
biodegradables. Este documento describe un uso innovador de los residuos de la botella de plástico
consumidos como agregado de la sustitución de arena dentro de materiales compuestos para la
construcción de aplicaciones. Particularmente, las botellas de tereftalato de polietileno, PET, han
sido utilizadas como sustitutos parciales y completos de arena en los compuestos de hormigón.
Diversas fracciones en volumen de arena con variaciones de 2% a 100% fueron sustituidas por el
mismo volumen de granulados de plástico, y se utilizaron varios tamaños de agregados de PET. Se
evaluó la densidad aparente y características mecánicas de los materiales compuestos producidos.
Para estudiar la relación entre las propiedades mecánicas y la micro estructura compuesta, se
empleó la técnica de análisis de microscopía electrónica. Los resultados presentados muestran que
sustituyendo arena en un nivel inferior al 50% por volumen con PET granulada, cuyo límite
superior granular es igual a 5 mm, afecta la resistencia a la compresión y la fuerza de flexión de los
materiales compuestos. El estudio demuestra que las botellas de plástico en tiras en pequeñas
partículas de PET, pueden utilizarse correctamente como agregados de arena en sustitución en los
compuestos de hormigón de cemento. Estas composiciones nuevas parecen ofrecer un atractivo
material de bajo costo con propiedades consistentes; además, ayudaría a resolver algunos de los
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problemas de residuos sólidos creados por la producción de plásticos y en ahorro de energía
(Yazoghli et al., 2007).
El propósito del estudio denominado Mechanical properties of polymer concrete made with
recycled PET and recycled concrete aggregates, fue el de resolver algunos de los problemas de
residuos sólidos planteados por los plásticos. Con este fin, se evaluaron las propiedades mecánicas
de hormigón polímero, en particular, del hormigón polímero de resinas de poliéster insaturados de
desechos plásticos de reciclado de polietileno tereftalato (PET) y el reciclado de agregados
concretos. La fuerza y las resistencias a los compuestos de ácido y alcalinos del hormigón polímero
se midieron variando el contenido total de proporción y resina gruesa y fina. De los resultados
surgieron tres principales observaciones. En primer lugar, se descubrió que la fuerza de polímero
hecho con una resina basada en PET aumenta cada vez cuando es mayor el contenido de resina; sin
embargo, más allá de una cierta resina contenida, la fuerza no cambia sensiblemente. En segundo
lugar, las curvas de esfuerzo–deformación de hormigones de polímero con agregado natural de
100% y 100% de agregado reciclado, muestra diferentes fallas mecánicas de los materiales
comprimidos. En tercer lugar, con respecto a la resistencia al ácido, el polímero-concreto con un
contenido de resina de 9% es afectado por HCl, mientras que el polímero-concreto con 100% de
agregado reciclado muestra una pobre resistencia al ácido. A diferencia del ácido, compuestos de
metales alcalinos no parecen atacar el polímero concreto con 100% de agregado reciclado según se
observa con el cambio de peso y la resistencia a la compresión. Las conclusiones que pueden
extraerse de los resultados de este estudio son: i) en el polímero de PET reciclado concreto con
agregados de hormigón reciclados (RPC), se observó una reducción gradual en la fuerza como en el
contenido del agregado reciclado aumentado. Este efecto fue debido al enlace más débil del antiguo
mortero adhiriéndose al agregado de hormigón reciclado, que pudo haber causado una reducción en
la fuerza de la RPC. RPC con un contenido de resina de 17% en peso, mostró poca o ninguna
disminución de fuerza, mostrando que el contenido de resina especial llena los vacíos en el antiguo
mortero conectados a los agregados reciclados, ii) la solidez compresiva de RPC aumentó con el
contenido de resina; sin embargo, más allá de un cierto contenido de resina (aproximadamente 13%
resina) la fuerza no cambió sensiblemente con mayor contenido de resina, iii) a partir de las curvas
de esfuerzo–deformación de RPC se observó que la pendiente de la rama ascendente disminuye
como contenido del agregado reciclado aumentado. Sin embargo, no se modificó sensiblemente la
pendiente de la RPC con un contenido de resina de 17% en peso, iv) el módulo elástico de RPC (7
días) disminuyó de manera similar a su resistencia a la compresión, sugiriendo que allí puede haber
una correlación entre la resistencia a la compresión y el módulo elástico de RPC, v) en las pruebas
de resistencia al ácido, RPC con un contenido de resina del 9% resultó poco afectado por HCl,
Considerando que en el RPC con 100% había reciclado agregado, se mostró una pobre resistencia al
ácido. De acuerdo a la evidencia del cambio de peso y resistencia a la compresión, alcalinos, a
diferencia del ácido, no parece atacar al RPC, y vi) las propiedades de la zona interfacial del
agregado pueden estar influenciadas por la presencia de porosidad en la matriz RPC y la falta de
adherencia por sí mismo, por lo que la adición de resina a la matriz puede tener un efecto muy
importante sobre las propiedades mecánicas del enlace eléctrico interfacial entre los agregados
(Byung-Wan et al, 2008).
En el documento denominado Influence of content and particle size of waste pet bottles on concrete
behavior at different w/c ratios, los autores estudian el comportamiento mecánico de hormigón con
reciclados de polietileno therephtalate (PET), variando la relación agua/cemento (0,50 y 0,60), el
contenido de PET (10 y 20% de volumen) y el tamaño de las partículas. También, se estudió la
influencia de la degradación térmica del PET en el hormigón, cuando las mezclas fueron expuestas
a diferentes temperaturas (200°C, 400°C y 600°C). Los resultados indicaron que el hormigón lleno
de PET, cuando se incrementa el tamaño del volumen en proporción y partículas de PET, muestra
una disminución en la resistencia a la compresión, división de la resistencia a la tracción, módulo de
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elasticidad y velocidad de pulso ultrasónico; sin embargo, la absorción de agua aumentó. Por otra
parte, la fuerza de flexión de hormigón-PET cuando se expone a una fuente de calor fue fuertemente
dependiente de la temperatura, de la proporción de agua/cemento, así como del tamaño de partícula
y contenido de PET. Por otra parte, la energía de activación se vio afectada por la temperatura, la
ubicación de partículas de PET en losas y la proporción de agua/cemento (Albano et al, 2009).
En el documento denominado Thermal insulation enhancement in concretes by adding waste PET
and rubber pieces, se investigó experimentalmente el cambio relativo en el material de desecho de
propiedad del hormigón ordinario debido a la adición de polimérico en función de aislamiento. La
botella de polietileno (PET) y piezas de neumáticos de automóviles; que pueden obtenerse
fácilmente en el entorno casi sin costo, fueron cortadas en tiras y agregadas al hormigón ordinario
para examinar los comportamientos de aislamiento de calor de los especímenes. Se consideraron
cinco diferentes muestras concretas (una de hormigón ordinaria, una de concreto con piezas de
caucho de chatarra y tres hormigones con residuos de piezas de botella PET de diversas
geometrías). La técnica de cajas calientes adiabáticas se utilizó para comparar transmisiones
térmicas efectivas de estas muestras concretas. Los resultados revelan que la adición adecuada de
materiales de desecho seleccionados en hormigón puede reducir significativamente la pérdida de
calor y mejorar el rendimiento de aislamiento térmico. El grado de mejora en el aislamiento térmico
se encuentra al variar con el material agregado de desecho la geometría de piezas en tiras (Bulent et
al, 2009).
Las conclusiones de las ventajas de la utilización del PET reciclado en la producción de hormigón
polímero es que los residuos de PET no tienen que ser purificados, incluida la eliminación de
colores en la medida en que otras aplicaciones de PET reciclado puede requerirlo (abrigos,
almohadas, alfombras, etc.), lo que minimiza el costo de la resina basada en reciclado de PET. Su
reciclado en aplicaciones concretas de polímero también ayuda en ahorro de energía y la provisión
de una eliminación de largo plazo de los residuos de PET, una consideración importante en las
aplicaciones de reciclaje. El mortero de polímero y compuesto de hormigón fue formado por la
vinculación cruzada de estireno con el UPER en presencia de los radicales libres. El estireno
también ayuda a la reducción de la viscosidad del UPER. Los radicales libres fueron
proporcionados por el iniciador BPO con NNDA actuando como promotor. Los radicales libres
también pueden ser proporcionados por MEKP como iniciador y el CoNp como promotor. El
proceso de polimerización del estireno apoyado en reciclados poliéster de resina fue confirmada por
micrografías de SEM. La imagen de SEM de la matriz de mortero de polímero muestra que tiene
una muy baja porosidad en comparación con el mortero de cemento de grado; incluso, rico. El
patrón de difracción de rayos X de material compuesto de mortero de polímero endurecida para
distintos conjuntos, indica la naturaleza cristalina del material que es debida a la presencia de
agregados (arena gruesa), considerando amorfa la naturaleza de la resina de polímero endurecido.
La resistencia a la compresión de la PM y PC producida con MEKP como iniciador es mucho más
que la resistencia a la compresión de la PM y PC producida con OPB como iniciador. Esto se
confirma también desde las fotografías de SEM, en donde son más numerosos los vínculos que se
muestran en el caso de MEKP. La resistencia a la compresión del PM, así como de PC producida
con PET a proporción de glicol de 2:1 es generalmente más alta que el de 1:1. El anhídrido ftálico
proporciona el mejor sitio para la formación de cadenas debido a que su presencia en el PM y PC
aumenta la resistencia a la compresión. La resistencia a la tracción de polímero concreto es mayor
que la resistencia a la tracción de un grado equivalente de hormigón de cemento (Mahdi et al,
2010).
En Recycling of PET bottles as fine aggregate in concrete se presenta un intento de sustituir en
concreto el 5% en peso de agregado fino (arena natural) con un peso igual de agregados de PET
fabricado a partir de residuos de botellas lavadas de PET (WPET). Las partículas WPET poseen una
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granulometría similar a la de la arena sustituida. Se elaboraron especímenes con contenido y
proporción diferente de agua/cemento, y realizaron caracterizaciones reológicas sobre nuevas
pruebas concretas y mecánicas a las edades de 28 y 365 días sobre los WPET/hormigones, así como
sobre hormigones de referencia que contenían sólo agregado natural fino con el fin de investigar la
influencia de la sustitución de WPET para el agregado fino en concreto. Se constató que los
hormigones WPET mostraron una viabilidad y características similares, resistencia a la compresión
y división de la resistencia a la tracción ligeramente menor que el hormigón de referencia y una
ductilidad moderadamente superior (Frigione, 2010).
En el documento denominado An investigation on the use of shredded waste PET bottles as
aggregate in lightweight concrete se investigó la utilización de los gránulos de botella de Polyetileno tereftalato (PET) como un agregado ligero en mortero. La investigación se llevó a cabo en
dos grupos de muestras de mortero, uno hecho sólo con agregados PET y, en segundo con PET y
agregados de arenas juntos. Además, también se utilizó escoria de alto horno como la sustitución de
cemento en masa de base en la tasa de sustitución del 50% para reducir la cantidad de cemento
utilizado y proporcionar ahorros. La proporción de agua–sustancia aglutinante (w/b) y PET–
sustancia aglutinante (PET/b) utilizados en las mezclas fueron 0,45 y 0,50, respectivamente. El
tamaño de tiras de PET de gránulos, utilizados en la preparación de las mezclas de mortero fueron
entre 0 y 4 mm. Los resultados de los estudios de laboratorio y las pruebas llevadas a cabo
mostraron qué morteros contenían sólo PET agregado, mortero con PET y agregado de arena y
morteros modificados con escoria como reemplazo de cemento los que se pueden colocar en la
categoría de hormigón ligero estructural en términos de propiedades de peso y la fuerza de la
unidad. Se concluyó que existe un potencial para el uso de triturado de gránulos de residuos de PET
como agregado en la producción de hormigón ligero estructural. El uso de triturado de gránulos de
residuos de PET debido a su peso de unidad bajo, reduce el peso de la unidad de hormigón que da
como resultado una reducción en el peso muerto de un miembro de hormigón estructural de un
edificio. La reducción en el peso muerto de un edificio contribuye a reducir el riesgo sísmico del
edificio en terremotos donde las fuerzas son linealmente dependientes del peso muerto. Por otra
parte, también se concluyó que el uso de los desechos industriales tales como gránulos de PET y
escoria de alto horno en hormigón ofrece algunas ventajas, es decir, la reducción en el uso de los
recursos naturales, la eliminación de desechos, la prevención de la contaminación ambiental y el
ahorro de energía (Semiha et al., 2010).
En esta investigación se propone el reciclaje del PET como agregado grueso para una posible
solución a la problemática que presenta la acumulación de residuos. La factibilidad de la propuesta
se muestra mediante la evaluación de las propiedades mecánicas de concretos elaborados con
agregados gruesos no pétreos; producto de reciclaje de envases no retornables y se comparan, ante
igualdad de condiciones de fabricación, con las propiedades de concretos con agregados
convencionales (hechos con agregados naturales). Las propiedades mecánicas comparadas fueron el
módulo de elasticidad y compresión, tensión y flexión, obtenidas mediante pruebas de laboratorio.
Los resultados experimentales mostraron que los agregados; producto del reciclaje de PET,
producen concretos que pueden utilizarse como concretos de clase dos, de acuerdo con el
Reglamento de Construcción para el Distrito Federal, (RCDF, 2003). Estos resultados muestran la
factibilidad del reciclaje del PET como una solución al problema de los desechos.
El sector de la construcción es uno de los más importantes para la economía de cualquier país pero
también provoca un grave impacto en el entorno, desde la extracción de agregados, la fabricación de
cementos hasta la proliferación de escombreras. La construcción es un gran consumidor de recursos
no renovables y una importante fuente de residuos y contaminación para el aire, el suelo y el agua.
Los residuos que genera la industria de la construcción en México, se depositan habitualmente en
escombreras ilegales (terrenos baldíos, camellones de avenidas, laderas, acotamientos de carreteras,
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etcétera) o son mal gestionados por personal no especializado. La extracción separada de los
materiales desecho de construcción, permite reciclar gran parte de ellos, tales como vidrio, madera,
hierro, aluminio, cobre, plomo, plásticos o cableado eléctrico. Algunos países con escasa
disponibilidad de agregados y avanzadas políticas medioambientales, como Holanda o Dinamarca
penalizan cada vez más el vertido de estos residuos que pueden ser reutilizables o reciclables. Para
llegar a una política adecuada, sin embargo, no solo hay que tratar el final del proceso ya que en la
construcción se produce una gran daño ambiental en la obtención de los materiales que se van a
usar. La extracción de agregados mueve enormes cantidades de suelo, especialmente en las
márgenes de los ríos, y que provocan alteraciones en los ciclos biológicos de los habitantes de estos
ecosistemas. Por otro lado la fabricación de cementos es uno de los procesos industriales más sucios
que se conocen ya que producen emisiones atmosféricas, efluentes líquidos y residuos sólidos,
muchos de ellos peligrosos.
Ahora bien, el reciclado es el reproceso de los materiales, en este caso del PET, para condicionarlos
con el propósito de integrarlos nuevamente a un ciclo productivo como materia prima. Hay tres
principales maneras de aprovechar los envases de PET una vez que terminó su vida útil: someterlos
a un reciclado mecánico, a un reciclado químico, o a un reciclado energético empleándolos como
fuente de energía. Por lo anterior, el reciclar PET en nuevas construcciones, centra la atención en
los impactos al medio ambiente, en las fuentes finitas de recursos naturales y en la reducción del
uso de energía. A través de este tipo de reciclado, se propone una disminución racional en el
consumo de residuos del PET, y minimizar la generación de residuos sólidos seleccionando
materiales que sean reciclables en la construcción lo que genera la sustentabilidad en la
construcción (López, 2008). Adicionalmente, el dar solución a los problemas de contaminación,
permite poder utilizarlo para aligerar las losas en la construcción por lo que la investigación
propone un cambio a la forma tradicional de elaboración del concreto ligero aplicado a losas ligeras
en zonas cálidas, al utilizar un polímero en vez de un agregado grueso pétreo, como es la grava.
El reciclado es el reproceso de los materiales, en este caso del PET, para condicionarlos con el
propósito de integrarlos nuevamente a un ciclo productivo como materia prima. Hay tres maneras
de aprovechar los envases de PET una vez que terminó su vida útil: someterlos a un reciclado
mecánico, a un reciclado químico, o a un reciclado energético empleándolos como fuente de
energía. El reciclado mecánico es el proceso de reciclado más utilizado, el cual consiste en varias
etapas de separación, limpieza y molido. Para el reciclado químico se han desarrollado distintos
procesos: dos de ellos, la metanólisis y la glicólisis, se llevan a cabo a escala industrial. El PET se
deshace o de polimeriza: se separan las moléculas que lo componen y estas se emplean para fabricar
otra vez PET. Dependiendo de su pureza, este material puede usarse, incluso, para el envasado de
alimentos. Mientras que el reciclado energético tiene la premisa del uso del PET como combustible
alterno, los envases pueden emplearse para generar energía ya que este material tiene un poder
calorífico de 6.3 Kcal/Kg, y puede realizar una combustión eficiente. Esto es posible ya que durante
su fabricación no se emplean aditivos ni modificadores, lo cual permite que las emisiones de la
combustión no sean tóxicas, obteniéndose tan sólo bióxido de carbono y vapor de agua
(www.packaging.enfasis.com/.../10444-recomendaciones-el-reciclado-del-pet, 2010).
En relación al reciclaje, la utilización de los plásticos reduce la masa de los materiales requeridos en
muchas aplicaciones y sectores. Cuanto más numerosos, especializados, tecnificados y
diferenciados se hacen los materiales plásticos más difícil es su recuperación. En el mundo existen
muchos documentos sobre su clasificación, tratamiento, manejo y reciclaje. En México se puede
mencionar a dos de los primeros documentos escritos en este tenor, denominado Residuos
Peligrosos en el Mundo y en México (Cortinas y Vega, 1993), otro es Manejo y Reciclaje de los
Residuos de Envases y Embalajes (Carega, 1993). En Suramérica se puede consultar el capítulo II
del manual de gestión integral denominado Residuos Sólidos Urbanos: Manual de Gestión Integral
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publicado en Uruguay (Guía, 2004). Europa cuenta con una guía de buenas prácticas para el
reciclaje de los residuos plásticos publicado por la Association of Plastics Manufacturers in Europe
(Manual, 2010).
AGREGADOS
En esta investigación los agregados convencionales de materiales pétreos utilizados, fueron las
calizas, y los agregados gruesos; producto de la trituración de los envases desechables, se les llama
agregados ligeros. En el caso de estos agregados; conocidos como polímeros, se tuvo cuidado de
que los envases fueran limpios de etiquetas y goma así como del arillo de la tapa que lleva el cuello
de la botella debido a que es otro tipo de polímero, las etiquetas contienen goma, las tapas son de
mayor resistencia mecánica pero pueden tener una falla frágil y esto puede reducir la resistencia de
la mezcla. En relación al agregado fino, sólo se utilizó arena natural de rio fluvial. Para el agregado
ligero PET, se consideró un Tamaño Máximo de Agregado, TMA, de 19 mm (3/4”). De acuerdo con
éste, se utilizó un intervalo granulométrico correspondiente a un material no graduado, según la
norma ASTM C 33 (1990).
FABRICACIÓ
La granulometría original del agregado PET estaba fuera de los límites establecidos en la norma
para el TMA considerado, por lo que fue necesario triturar el material para cumplir con la norma.
Esta trituración se hizo considerando una proporción del 35% de partículas que pasan la malla de
9.5 mm (3/8”), proporción que permitió cumplir con lo esperado en la norma. El proceso general de
trituración y fabricación del Concreto Ligero, CL; con PET como componente en el concreto, se
muestra en la figura 1.
El equipo de trituración utilizado fue una trituradora eléctrica de muelas la cual acepta un TMA de
76 mm (3”). Para el cribado del material, se utilizó una cribadora manual que cuenta con mallas de
19 mm (3/4”), 9.5 mm (3/8”), y de 4,76 mm (Núm. 4). Se cribaron los materiales, los retenidos en
19 mm (3/4”) y tres que pasan la de 19 mm (3/4”), la de 9.5 mm (3/8”), y la malla de 4.76 mm
(Núm. 4). Los tamaños utilizados en la granulometría fueron los que pasan las mallas de 19 mm
(3/4”) y 9,5 mm (3/8”).
Figura 1. Proceso general de trituración y fabricación de concreto con PET.
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Respecto de los agregados ligeros derivados del PET, éstos se fabricaron de acuerdo al mismo
procedimiento de trituración y cribado utilizado en los agregados naturales, figura 1, con la
diferencia de que la materia prima fue de envases no retornables. Se realizó una limpieza del
material en análisis para luego hacer la trituración primaria manual y posteriormente se siguió con
el proceso de fabricación, figura 1.
ESTÁDARES SEGUIDOS
Los resultados se presentan en conjunto para los agregados naturales y agregados
ligeros PET, con fines de comparación. Las propiedades físicas estudiadas para el
agregado fino fueron la granulometría, módulo de finura, humedad, absorción, densidad
relativa y peso volumétrico compactado.
La granulometría de los agregados gruesos naturales y del PET, se controló de acuerdo a
la norma, con el fin de tener las mismas condiciones y así tener una base de
comparación. En la figura 2 se muestran las curvas granulométricas de los dos tipos de
agregados gruesos. En el caso del agregado fino, no se hizo una corrección
granulométrica, ya que se consideró que su granulometría era aceptable para ser utilizada
en las mezclas de concreto según las normas ASTM C125 (2007). La figura 3 muestra la
curva granulométrica de la arena utilizada en las dos pruebas, para el Concreto Ligero,
CL, y Concreto Normal, CN. El Módulo de Finura, MF, de la arena se obtuvo de acuerdo
con la norma. Su valor fue de 2.37 lo que indica que la arena es gruesa, según las normas
antes citadas.
Tabla 1. Resultados de las propiedades físicas.
Agregado
Coeficiente de
forma
Humedad
Absorción
Densidad
Peso Vol.
(%)
(%)
(%)
(Kg/m3)
Natural
0.200
0.040
0.420
2.710
1563
PET
0.707
0.000
0.000
0.130
760
Arena
-
6.930
1.010
2.630
1584
El cálculo del coeficiente de forma se hizo de acuerdo con la norma francesa AFNOR P-18301,
(orme AFOR P-18301, 2008) donde se define la forma de las gravas. La tabla 1 presenta
resultados obtenidos de los coeficientes de forma del agregado grueso (grava) natural y del sustituto
que es el PET, donde se observa que el coeficiente de forma de los agregados gruesos naturales y
del PET varían poco por lo que podemos decir que es similar, lo cual era de esperarse debido a que
ambos materiales se trituraron con las mismas especificaciones. La forma de las partículas de ambos
agregados cumplen los límites especificados por esta norma, que es de 0.15 como mínimo. Para
caracterizar la forma del agregado, la norma define un coeficiente volumétrico igual a la relación
entre el volumen V del agregado, expresado en mm3 y el volumen de la esfera de diámetro n en
milímetros, siendo n la mayor dimensión diametral de dicho elemento. La humedad que todos los
agregados (naturales, PET y arena) tenían en el momento de los experimentos, se midió siguiendo
el procedimiento establecido en la norma ASTM C 566 (1989). Los valores obtenidos, tabla 1,
muestran claramente que el agregado grueso PET tiene humedad menor que la de los agregados
naturales, valores que se utilizaron para realizar la dosificación de las mezclas de concreto ya que se
previeron variaciones en las mismas. La absorción se midió de acuerdo con las normas ASTM C127
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y 128 (1988), para agregados gruesos y finos, respectivamente, y los resultados, tabla 1, muestran
que el agregado grueso del PET no es más absorbente que los naturales, sin embargo ambos están
dentro de los rangos normales, al igual que la arena. En la tabla 1 se aprecia que la densidad del
agregado PET fue menor que la de los naturales, lo que era de esperarse, ya que el contenido de
pasta de cemento en el material PET disminuye la densidad global del agregado. El intervalo
normal de densidad relativa para la mayoría de los agregados naturales es de 2.4 a 2.90 (Kosmatka
y Panarese, 1992), por lo que el agregado PET tiene una densidad relativa baja respecto a la de un
agregado natural. El valor medido en el laboratorio de 0.130, no está muy próximo al rango de
variación de los agregados naturales, pero es aceptable. Por último, el peso volumétrico compactado
de un agregado usado para concreto de peso normal, varía de 1200 kg/m3 a 1760 kg/m3. Los valores
obtenidos en el laboratorio están dentro de este intervalo para los naturales, y fuera del intervalo
para el concreto ligero, tabla 1.
100
90
100
70
90
60
% que pasa
% que pasa
80
50
40
30
20
80
70
60
50
40
30
10
20
0
10
#8
#4
1/4"
3/8"
1/2"
3/4"
1"
0
Abertura de malla (plg)
Limite ASTM C33
PTE
Caliza natural
Abertura de malla (plg)
Limite ASTM C33
Figura 2. Granulometría del agregado PET.
Limite ASTM C33
Arena
Limite ASTM C33
Figura 3. Granulometría de agregado arena.
ELABORACIÓ DE COCRETOS
En ambos tipos de concretos, los fabricados con agregados naturales y los fabricados con agregado
PET, se utilizó la misma arena natural de río con las propiedades físicas descritas anteriormente.
Para la elaboración de las mezclas de concreto se utilizó un procedimiento modificado a partir del
método ACI 211 (1989), (Unidad concreto CEMEX, 1996). El procedimiento seguido fue: i) se
fijaron los consumos de agua, ii) se calculó la relación agua/cemento, A/C, para poder determinar el
consumo de cemento a utilizar en cada mezcla de diseño, es decir, 150 kg/cm2, 200 kg/cm2, 250
kg/cm2 y 300 kg/cm2, iii) se determinó la cantidad del agregado en análisis PET, y iv) se
determinaron las cantidades usadas del agregado fino; arena, para los dos tipos de concreto.
A partir del TMA considerado y el revenimiento fijado para todas las mezclas en 10 cm, se encontró
un consumo de agua establecido por el método ACI. Después se definieron los volúmenes absolutos
en porcentaje para agregados finos y gruesos, mismos que se consideraron congruentes para cada
consumo de cemento, ya que el volumen del agua que establece el método ACI, es el mismo para
todas las mezclas y depende del módulo de finura, MF, así como del volumen de los agregados
grueso, seco y compacto. El diagrama de la figura 4 muestra el procedimiento de dosificación de las
mezclas, tomando los datos previos obtenidos en el laboratorio, que son el número de mezclas o
9
XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
León, Guanajuato 2010.
pruebas, ,, peso especifico del cemento,
, peso especifico de la arena
, peso especifico del
PET,
, peso específico del agua , peso específico del aire,
, peso volumétrico del PET,
, y proporcionando los datos de análisis para la prueba como son, resistencia del concreto a
compresión en,
, f’c, edad o tiempo de fraguado en días, E, revenimiento de la mezcla en
análisis en cm, R, tamaño máximo del agregado grueso adimensional, TMA, peso o cantidad del
agua agregada a la mezcla en análisis en kg, , relación agua cemento en la mezcla adimensional,
, Volumen del PET en
,
,.peso del aire agregado a la mezcla en kg,
, cantidad del
cemento dosificado en la mezcla en kg, , cantidad de arena dosificada en la mezcla del PET
dosificada en kg,
. Las mezclas resultado de estas proporciones, se nombraron de la siguiente
manera: las elaboradas con agregado de caliza natural se etiquetaron como CN-150, CN-200, CN250 y CN-300 kg/cm2, y las elaboradas con agregado de PET como CL-150, CL-200, CL-250 y CL300 kg/cm2, respectivamente. En la tabla 2 se presentan las cantidades correspondientes al agua,
cemento, PET y la arena de mezclado utilizadas y ajustadas al peso volumétrico obtenido en el
laboratorio, ya que el rendimiento de la mezcla en muchos casos fue ligeramente mayor que un m3.
Las cantidades presentadas están afectadas por la humedad que el material contenía en el momento
que se hicieron los proporcionamientos.
ESAYE DE LABORATORIO
Las prácticas de laboratorio realizadas a los concretos elaborados, fueron en estado fresco: el
revenimiento, el peso volumétrico y el contenido de aire. En estado endurecido: la resistencia a
compresión, tensión y flexión, así como también el módulo de elasticidad, se realizaron según los
procedimientos establecidos en las normas ASTM correspondiente para cada una de ellas. Para el
estudio de estas propiedades se fabricaron cilindros y vigas de concreto estándar de 15*30 cm y de
15*15*60 cm, respectivamente. Las propiedades a compresión, flexión y esfuerzo a tensión se
estudiaron a las edades de 7, 14 y 28 días, mientras que el resto de los ensayes se estudiaron para 28
días, solamente.
Tabla 2. Proporcionamientos de las mezclas de concreto
C y CL.
Mezclas
(kg/cm2)
Agua
(kg/m3)
Cemento
(kg/m3)
Grava/PET
(kg/m3)
Arena
(kg/m3)
Revenimiento
CN-150
205
310
1000
860
8.7
CN-200
205
350
1000
825
9.7
CN-250
205
390
1000
790
9.8
CN-300
205
450
1000
740
10.0
CL-150
225
281
133
716
8.6
CL-200
225
321
133
698
9.5
CL-250
225
365
133
678
9.6
CL-300
225
409
133
657
9.7
cm
Figura 4. Criterio de dosificación
de mezclas de concreto CL.
10
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
La tabla 2 presenta los revenimientos obtenidos, y como se puede apreciar la mayoría de los
revenimientos se encuentran dentro de los límites de tolerancia (± 2.5 cm) que están establecidos en
la fracción 6.1.2 de las normas ASTM C 94 (1990). Sólo la mezcla CN-300 estuvo cerca del límite
permitido.
Los resultados de la investigación muestran que la consistencia de estas mezclas con PET es menor
que la de las mezclas naturales, (Instructivo, 1991), según se observa en la figura 5 donde se
presentan los valores de revenimiento para los concretos con PET y naturales.
Figura 5. Posicionamiento de revenimientos ligero-naturales.
PESO VOLUMÉTRICO FRESCO
En la tabla 3 se muestran los resultados esperados de los pesos volumétricos frescos y contenido de
aire obtenidos a compresión, flexión y esfuerzo a tensión, de acuerdo con el procedimiento
establecido en las normas ASTM C 138 (1981) donde se observa que los pesos volumétricos de los
concretos ligeros fueron bajos en relación con los que alcanzaron los naturales, ibid, siendo
congruente con los resultados presentados en esta investigación donde se utilizó agregado grueso de
PET.
Por otra parte, según lo establecido en el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal
(RCDF, 2003), este concreto ligero se clasifica como concreto clase dos, ya que tiene peso
volumétrico fresco de entre 1900 kg/m3 y 2200 kg/m3, mientras que los naturales están clasificados
como concretos clase uno por tener pesos volumétricos frescos mayores a 2200 kg/m3. El contenido
de aire de las mezclas de concreto se obtuvo de acuerdo al procedimiento que se establece en las
normas ASTM C 231 (1991). En la tabla 3 están los contenidos de aire obtenidos de las ocho
mezclas elaboradas, donde se observa que todas las mezclas tuvieron contenidos normales de aire
normales: entre 1.5 y 2.0%.
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León, Guanajuato 2010.
Tabla 3. Pesos volumétricos frescos, contenidos de aire y a compresión, flexión y esfuerzo de
tensión.
Mezclas
CN-150
CL-150
CN-200
CL-200
CN-250
CL-250
CN-300
CL-300
Pesos
volumétricos
fresco
(kg/m3)
1563
1360
2246
1385
2190
1403
2100
1431
Contenido
de aire
Relación
A/C
(%)
2.0
1.6
2.0
1.7
2.0
1.8
2.0
1.9
1.30
0.80
1.01
0.70
0.82
0.62
0.47
0.55
A compresión, flexión y esfuerzo de
tensión
(kg/cm2)
7 días
14 días
28 días
145.70
149.30
149.90
143.50
147.41
148.38
116.70
145.08
188.20
160.57
158.38
185.16
192.30
199.25
243.30
193.41
214.84
231.20
218.20
252.25
306.86
250.18
247.97
297.08
PROPIEDADES E ESTADO EDURECIDO. A COMPRESIÓ, FLEXIÓ Y
ESFUERZO DE TESIÓ
La compresión, flexión y esfuerzo de tensión de las mezclas de concreto se obtuvo siguiendo el
procedimiento establecido en la norma ASTM C 39 (1990). Las resistencias a la compresión
obtenidas se presentan en la tabla 3.
Al representar las relaciones A/C y las resistencias a la compresión (f´c) a 28 días en una gráfica, se
observa que los concretos ligeros tienen menores resistencias respecto de los naturales para una
misma relación A/C, figura 6. Ahora, si se relaciona el consumo de cemento con la compresión,
flexión y esfuerzo de tensión obtenidas, se puede observar que todo el tiempo es más eficiente el
concreto natural que el ligero, aun teniendo mayores consumos de cemento en el concreto ligero,
figura 7, aunque las diferencias son pequeñas.
RESISTECIA A LA TESIÓ
Para un concreto de peso normal, la resistencia a la tensión ( ) se estima en 1.50 a 1.20 veces la
raíz cuadrada de la compresión, flexión y esfuerzo de tensión para concretos clase uno y clase dos,
respectivamente (RCDF, 2003). Esta propiedad se obtuvo siguiendo el procedimiento establecido
en la norma ASTM C 496 (1990). En la tabla 4 se encuentran las resistencias a la tensión que
alcanzaron las mezclas de concreto, donde se observa que los concretos ligeros alcanzaron valores
de resistencia a la tensión, ligeramente menores que los concretos naturales: 79% para CL-150 y
CL-200 para el CL-250 77% y 82% para CL-300.
Tabla 4. Resistencia a la tensión de los concretos.
Mezcla
Resistencia
Concreto
Concreto
a la tensión
Clase I
Clase II
(ft) (
)
1.5 x
1.2 x
CN-150
CL-150
CN-200
CL-200
CN-250
CL-250
CN-300
CL-300
18.38
14.38
21.30
16.80
23.70
18.17
24.65
20.16
18.37
18.27
21.21
20.41
23.72
22.81
25.98
25.85
14.70
14.62
16.97
16.33
18.97
18.25
20.78
20.68
12
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 6. Curvas f’c – relación (A/C).
Figura 7. Eficiencia en el consumo de cemento.
Al representar en una gráfica los valores obtenidos y establecidos en el reglamento como tendencias
centrales, se observó que los concretos ligeros con base en PET pueden considerarse dentro de la
clasificación para concretos clase II, mientras que los naturales como concretos clase uno, figura 8.
RESISTECIA A LA FLEXIÓ
La resistencia a la flexión o módulo de ruptura para un concreto de peso normal se considera como
2 y 1.4 veces la raíz cuadrada
para concretos clase I y II respectivamente. Para obtener los
valores de resistencia a la flexión que alcanzaron los concretos, se siguió el procedimiento
establecido en la norma ASTM C 78 (1984).
Tabla 5. Resistencia a la flexión de los
concretos.
Mezcla
Resistencia Concreto Concreto
a la flexión Clase I
Clase II
(MR)
2.0
x 1.4
x
(
)
CN-150
25.00
24.49
17.15
CL-150
23.43
24.33
17.03
CN-200
28.81
28.28
19.80
CL-200
26.39
27.21
19.05
CN-250
32.12
31.62
21.14
CL-250
27.11
30.41
21.29
CN-300
35.56
34.64
24.25
CL-300
28.34
34.47
24.13
Figura 8. Resistencia a la tensión.
13
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León, Guanajuato 2010.
En la tabla 5 se muestran las resistencias a la flexión de los concretos estudiados, donde nuevamente
los concretos ligeros presentaron valores menores que los que alcanzaron los concretos naturales.
Los valores que alcanzaron todas las mezclas de concreto estudiadas tienen líneas de tendencia que
caben dentro de la clasificación de concretos, como se aprecia en la figura 9.
Tabla 6. Módulo de elasticidad de los
concretos.
Mezcla
Módulo de
elasticidad
(E) x 103
(kg/cm2)
CN-150
CL-150
CN-200
CL-200
CN-250
CL-250
CN-300
CL-300
155
59
227
69
198
86
263
97
Concreto
Clase I
14,000 x
(f´c)1/2
E x 103
172
170
198
191
221
213
243
241
Concreto
Clase II
8,000 x
(f´c)1/2
E x 103
98
97
113
109
127
122
139
138
Figura 9. Resistencia a la flexión de las
mezclas de concretos.
MÓDULO DE ELASTICIDAD
Para obtener el módulo de elasticidad de las mezclas de concreto, se utilizaron las normas ASTM
C469 (1987). De acuerdo con el RCDF (2003) el módulo de elasticidad puede estimarse como
14,000 veces la raíz cuadrada, 8,000 veces la raíz cuadrada de f´c para concretos clase I y clase II
respectivamente, tabla 6.
Figura 10. Módulos de elasticidad de las
mezclas de concreto.
Figura 11. Deformaciones máximas
unitarias de las mezclas de concreto.
14
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Como se observa en la figura 10, los valores alcanzados por los concretos ligeros presentan
módulos de elasticidad menores a los correspondientes a concretos de clase II (RCDF, 2003),
mientras que los concretos naturales se clasificaron dentro de los concretos clase I.
Las deformaciones unitarias máximas que alcanzaron los concretos ligeros fueron de menor orden
que los naturales y se encontraron en el intervalo de 0.0025 a 0.0029, figura 11. Los trabajos
disponibles en la literatura técnica hasta el momento, no presentan resultados comparables a los
obtenidos en esta investigación.
ITERACCIÓ CEMETO, AREA, PET Y AGUA
Los materiales compuestos son estructuras en las que se combinan dos o más materiales para
producir uno nuevo, cuyas propiedades no se podrían alcanzar con métodos convencionales. Las
aplicaciones más frecuentes de los materiales compuestos se encuentran en materiales estructurales
donde son importantes la rigidez, la resistencia y la baja densidad, y son solo moderadamente
costosos. Aquí las fibras de cemento, arena y PET son fuertes y rígidas, pero con poca ductilidad. El
agua tiene dos papeles muy importantes; es un medio que transfiere aglutinamiento y genera la
interface entre el cemento, la arena y el agua. Entre el agua, la arena y el cemento hay reacción
química, pero entre estos tres y el PET no hay reacción alguna solo cierta adherencia. Éste sustituye
a la grava y reacciona cuando está sujeto a altas temperaturas.
COCLUSIOES
El reciclaje del PET para fabricar agregado grueso y sustituir al natural es una práctica que debe
empezar a generalizarse a la brevedad posible, ya que la disponibilidad de bancos de materiales
pétreos es escasa y el acceso a las canteras cada día es más complicado.
El trabajo de investigación reveló que el agregado PET con granulometría adecuada produce
mezclas de buena calidad y con menor peso volumétrico pero con un comportamiento mecánico
similar a los concretos naturales.
La relación de agua/cemento es menor para los concretos ligeros que para los concretos naturales.
Los concretos ligeros pueden ser usados como concretos de clase II, que los convierte en un
concreto con una calidad de aplicaciones nada despreciables y que sirven para losas ligeras debido a
que tienen menor peso y usadas en casa habitación de zonas cálidas ya que no existe una
comparación de calores en el concreto con PET.
El consumo de cemento es mayor para los concretos ligeros con PET que para los concretos
naturales
La mayoría de los revenimientos están dentro de los límites de tolerancia (± 2.5 cm) que están
establecidos en la fracción 6.1.2 de las normas ASTM C 94 (1990). Sólo la mezcla CN-300 estuvo
cerca del límite permitido.
En la resistencia a la tensión y flexión, se encontró que para consumos de cemento de 300 kg/cm3 y
mayores, las relaciones ft/(f´c)1/2 y MR/(f´c)1/2 son menores para los concretos ligeros, lo que se puede
deber que a bajas relaciones A/C, domina el comportamiento del agregado grueso y a altas
relaciones A/C domina el de la pasta. Lo que conlleva a que el agregado PET tiene su mejor
aplicación en consumos de cemento bajos hasta 300 kg/m3 y debido que para consumos mayores
pueden resultar mezclas antieconómicas.
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XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
León, Guanajuato 2010.
Los módulos de elasticidad de los concretos ligeros son más bajos que los de los concretos
naturales.
Las deformaciones son más pequeñas para los concretos ligeros que para los concretos naturales.
AGRADECIMIETOS
Este trabajo se realizó gracias a las facilidades prestadas por la División Académica de Ingeniería
Arquitectura de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, México para la realización de los
experimentos en su laboratorio de mecánica de materiales.
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