CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE ADOQUINES DE
CONCRETO CON ADICIÓN DE RESIDUO DE CAUCHO RECICLADO PRODUCTO
DE LLANTAS USADAS
SEIDEL MANUELA PLAZAS RIAÑO
COD: 20131279028
GUSTAVO ADOLFO GAMBA VALENZUELA
COD: 20131279043
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGÍCA
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C
CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE ADOQUINES DE
CONCRETO CON ADICIÓN DE RESIDUO DE CAUCHO RECICLADO PRODUCTO
DE LLANTAS USADAS
SEIDEL MANUELA PLAZAS RIAÑO
COD: 20131279028
GUSTAVO ADOLFO GAMBA VALENZUELA
COD: 20131279043
Trabajo presentado como requisito para optar al título de
Ingeniero Civil
Director:
Ing. Héctor Pinzón
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGÍCA
INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C
Nota de aceptación
______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________
____________________________________
Firma del Presidente del Jurado
____________________________________ Firma del Jurado
RESUMEN
Cada año aumenta la cantidad de vehículos en el país, este aumento del parque automotor incide directamente en el problema de acumulación y reciclaje inadecuado de llantas usadas. Para dar solución a este problema, a través de los años se han desarrollado políticas de protección medio ambiental, incluyendo sistemas para la sostenibilidad de la construcción. En este campo las llantas usadas fueron convertidas en CGR (grano de caucho reciclado) y fueron utilizadas en un inicio como combustible alternativo en los hornos de cemento y, posteriormente, en menor medida, en la producción de concreto hidráulico y concreto asfaltico.
Dados estos antecedentes y en la búsqueda de nuevos usos para el GCR es coherente pensar en el estudio de las propiedades físicas y mecánicas resultantes de la elaboración de adoquines de concreto con adiciones de GCR, con el fin de que estos puedan ser usados en la construcción de pavimentos articulados.
Este documento muestra los resultados obtenidos al sustituir parciamente el agregado fino en volumen por GCR en la elaboración de adoquines de concreto. Se elaboraron cuatro tipos de mezclas, la primera como mezcla de referencia sin adición de GCR, la segunda sustituyendo el 5% del agregado fino por la misma cantidad en volumen de GCR, la tercera y cuarta de la misma forma pero sustituyendo el 10% y 15% respectivamente.
Se evaluaron las propiedades: absorción de agua y densidad, resistencia a la abrasión y resistencia a la flexo-tracción, la ejecución de estos ensayos se realizó cuando los adoquines llegaron a su estado endurecido a los 28 días.
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN ... 10
2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ... 12
3 JUSTIFICACIÓN ... 13
4 HIPÓTESIS ... 14
5 OBJETIVOS ... 15
5.1 OBJETIVO GENERAL ... 15
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ... 15
6 MARCO TEORICO ... 16
6.1 MARCO DE ANTECEDENTES ... 16
6.2 MARCO CONCEPTUAL ... 16
6.2.1 Pavimento articulado ... 16
6.2.2 Esfuerzos transmitidos entre unidades de adoquín ... 20
6.2.3 Deformaciones ... 21
6.2.4 Módulo de elasticidad ... 22
6.2.5 Materiales estructurales ... 24
6.2.6 Propiedades mecánicas del adoquín de concreto hidráulico ... 27
7 METODOLOGIA ... 36
7.1 CONSECUCIÓN DE MATERIAS PRIMAS ... 36
7.2 CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS. ... 38
7.2.1 Agregados ... 38
7.2.2 Cemento ... 39
7.2.3 Grano de Caucho Reciclado (GCR) ... 39
7.3 DOSIFICACIÓN DE LOS MATERIALES. ... 40
7.4 ELABORACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO HIDRÁULICO ... 41
7.5 CARACTERIZACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO ... 42
8 RESULTADOS ... 43
8.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES DE LA INVESTIGACIÓN. ... 43
8.3 ELABORACIÓN DE LOS ADOQUINES DE CONCRETO. ... 45
8.4 ENSAYOS EN ESTADO ENDURECIDO DE LOS ADOQUINES. ... 48
8.4.1 Ensayo de absorción de agua y densidad ... 48
8.4.2 Ensayo de resistencia a la flexotracción (módulo de rotura) ... 50
8.4.3 Ensayo de resistencia a la abrasión ... 53
8.5 CÁLCULOS ... 55
8.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 56
8.6.1 Absorción de agua... 57
8.6.2 Densidad ... 59
8.6.3 Resistencia a la flexo-tracción (Módulo de rotura) ... 61
8.6.4 Resistencia a la Abrasión ... 63
8.7 ANÁLISIS DE COSTOS ... 67
9 CONCLUSIONES ... 69
10 RECOMENDACIONES ... 71
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Composición de las llantas. ... 26
Tabla 2. Propiedades de diferentes tipos de caucho ... 27
Tabla 3. Requisitos Mecánicos. ... 35
Tabla 4. Resumen de Caracterización ... 43
Tabla 5. Dosificación de concreto por m3 (Mezcla de Referencia) ... 44
Tabla 6. Dosificación de concreto por m3 (5% GCR) ... 44
Tabla 7. Dosificación de concreto por m3 (10% GCR) ... 44
Tabla 8. Dosificación de concreto por m3 (15% GCR) ... 45
Tabla 9. Granulometría de la Arena ... 54
Tabla 10. Resultados estadísticos Ensayo de Absorción de Agua ... 57
Tabla 11. Resultados estadísticos Ensayo Densidad... 59
Tabla 12. Resultados estadísticos ensayo Resistencia a la flexo-tracción ... 61
Tabla 13. Resultados estadísticos Resistencia a la Abrasión ... 63
Tabla 14. Resumen de resultados promedio de las características físicas y mecánicas del adoquín. ... 65
Tabla 15. Costos de materia prima de un concreto convencional ... 67
Tabla 16. Costos de materia prima de un concreto con sustitución de GCR al 5% ... 67
TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Trabazón vertical y rotacional, y una sección típica de un pavimento articulado. . 17
Ilustración 2. Régimenes del esfuerzo a la compresión debajo de un adoquín cuando la huella de carga cubre parcialmente su superficie. ... 19
Ilustración 3. Modelo de un sistema elástico multicapa. ... 21
Ilustración 4. Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador ... 23
Ilustración 5. Esfuerzo – deformación del caucho natural y vulcanizado. ... 25
Ilustración 6. Deformación de los elementos sometidos a flexión pura ... 28
Ilustración 7. Cargas del punto medio ... 29
Ilustración 8. Cargas en los puntos tercios... 29
Ilustración 9. Volúmenes presentes en un material ... 31
Ilustración 10. Agregado Fino ... 36
Ilustración 11. Agregado grueso ... 37
Ilustración 12. Residuo de Caucho ... 38
Ilustración 13. Residuo de Caucho flotando. ... 40
Ilustración 14. Proceso de elaboración de adoquines ... 42
Ilustración 15. Distribución de la mezcla en la máquina. ... 46
Ilustración 16. Adoquines. ... 47
Ilustración 17. Adoquines con adición de residuo de caucho ... 47
Ilustración 18. Pesaje de adoquín en estado seco. ... 49
Ilustración 19. Eliminación de película de agua para obtenerlo en estado SSS. ... 50
Ilustración 20. Máquina de flexotracción ... 51
Ilustración 21. Ensayo resistencia a la flexo-tracción. ... 52
Ilustración 22. Fractura típica de los adoquines de concreto. ... 52
Ilustración 23. Ensayo resistencia a la abrasión... 54
Ilustración 24. Resultados Ensayo Absorción de Agua ... 57
Ilustración 25. Absorción vs. Adición de GCR ... 58
Ilustración 26. Línea y Ecuación de Tendencia Absorción de Agua ... 58
Ilustración 27. Resultados Ensayo de Densidad ... 59
Ilustración 29. Línea y Ecuación de Tendencia Densidad ... 60
Ilustración 30. Resultados Ensayo Resistencia a la Flexo-tracción ... 61
Ilustración 31. Resistencia vs. Adición de GCR ... 62
Ilustración 32. Línea y Ecuación de Tendencia Resistencia a la Flexo-tracción ... 62
Ilustración 33. Resultados Ensayo Resistencia a la Abrasión... 63
Ilustración 34. Resistencia a la Abrasión vs. Adición de GCR ... 64
Ilustración 35. Línea y Ecuación de Tendencia Resistencia a la Abrasión ... 64
Ilustración 36. Densidad vs. Resistencia a la flexo-tracción ... 65
Ilustración 37. Absorción vs. Resistencia a la flexo-tracción ... 66
1 INTRODUCCIÓN
“Desarrollar proyectos urbanos integrales para mejorar las condiciones de movilidad en términos de equidad, inclusión, seguridad y accesibilidad de los habitantes del Distrito Capital, mediante la construcción y conservación de sistemas de movilidad y espacio público sostenibles” es la misión que tiene establecido el instituto de desarrollos urbano IDU dentro sus directrices y principios como establecimiento público.
Por este motivo el IDU en el año 2012 estableció que en los nuevos pliegos licitatorios, desde la etapa de estudios y diseños, se incluya la utilización de mezcla asfáltica con grano de caucho reciclado (GCR) en un porcentaje no inferior al 5% del total de metros cuadrados construidos. Los porcentajes se incrementarán anualmente en 5 puntos, hasta completar la meta del 25%. (IDU, 2012).
El INVIAS incorporó recientemente en los pliegos de condiciones para contratación en el otorgamiento de puntaje por factor de calidad, los incentivos y requisitos del instituto para los contratistas, que consiste en asignar hasta 100 puntos a los proponentes que se comprometan con incluir en su propuesta la implementación de mezclas asfálticas con grano de caucho reciclado (GCR) en una longitud continua, no menor del 10% de la longitud total del proyecto; una vez se haya cumplido con todos los demás requisitos exigidos en los pliegos.
La Alcaldía de Bogotá, mediante su administrador anterior, tuvo como prioridades crear un ecosistema urbano sostenible, productivo y de alta calidad ambiental, por este motivo se creó el decreto 442 de 2015 “Por medio del cual se crea el Programa de aprovechamiento y/o valorización de llantas usadas en el Distrito Capital y se adoptan otras disposiciones.” y la resolución 1115 de 2012 “Por medio de la cual se adoptan los lineamientos Técnico - Ambientales para las actividades de aprovechamiento y tratamiento de los residuos de construcción y demolición en el Distrito Capital”
2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
La generación de llantas usadas y la dificultad para reciclarlas es una de las graves problemáticas de contaminación ambiental y salud pública por la que están atravesando muchas de las ciudades de nuestro país. Un ejemplo de esto es Bogotá, puesto que cifras oficiales indican que tres de cada diez llantas, 750.000 de 2’500.000 que cumplen su vida útil por año, terminan en andenes, separadores, parques, humedales e incluso frente a las casas. Es decir, cada día más de 2.050 llantas terminan invadiendo el espacio público. (Guevara, 2015)
Actualmente existen diversas iniciativas que buscan colaborar con el reciclaje de llantas en el país, los usos que se han dado al caucho reciclado son muchos, entre ellos se encuentran los siguientes:
Como parte de los componentes de las capas asfálticas que se usan en la construcción de las carreteras: de esta forma se disminuye el uso de áridos procedentes de las canteras y se preservan los recursos naturales.
Alfombras
Aislantes de vehículos
Materiales de construcción
Campos de juego: suelos de atletismo, por ejemplo
3 JUSTIFICACIÓN
En Bogotá existen programas ambientales como el de “Rueda Verde” donde las llantas son recolectadas y llevadas a una planta de tratamiento donde son trituradas y procesadas para extraer gránulos de caucho, que se incorporan en las mezclas asfálticas para rehabilitación de vías. Sin embargo, la demanda actual, sobre todo en este aspecto, es bastante débil, pero existen propuestas como la del Distrito, que obligaría el uso del gránulo de caucho (en un 18 por ciento de la mezcla asfáltica) para el ciento por ciento de la construcción y rehabilitación de vías en la ciudad, de aquí a tres años. (Guevara, 2015)
4 HIPÓTESIS
5 OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un adoquín que cumpla las características físicas y mecánicas de los adoquines que actualmente se encuentran en el mercado de la construcción, a través del uso de una mezcla de concreto hidráulico que contenga caucho triturado producto del reciclaje de llantas usadas como porción de agregado fino con el fin de crear una alternativa de reúso de este caucho que contribuya a reducir el impacto que estos generan al medio ambiente.
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Caracterizar mecánicamente los materiales que van a intervenir para la obtención de la mezcla de concreto hidráulico con la que se elaborarán los adoquines.
Ajustar una dosificación óptima de un adoquín de concreto convencional incorporando en la mezcla de concreto hidráulico el residuo de caucho producto del reciclaje de llantas usadas en diferentes proporciones.
Analizar el comportamiento de los adoquines de concreto en su estado endurecido, realizando los ensayos de flexo-tracción, resistencia a la abrasión y absorción.
6 MARCO TEORICO
6.1 MARCO DE ANTECEDENTES
El uso de adoquines en carreteras se remonta a hace 25 siglos, en la actualidad se usan los adoquines de concreto hidráulico para la construcción de vías y se denominan pavimentos articulados. En Colombia se han utilizado los pavimentos articulados en calles con tráfico pesado, carreteras y aeropuertos y en mayor proporción, se han utilizado con gran éxito en la pavimentación de vías peatonales, parques, plazas y plazoletas, dándole a las ciudades un ambiente arquitectónico más agradable.
En cuanto a la sustitución de agregados por caucho triturado en la mezcla de concreto hidráulico para la fabricación de adoquines, no existe gran reseña en las universidades del país, pues no se han realizado investigaciones formales en el tema. Sin embargo se han realizado varias investigaciones sobre la inclusión de caucho triturado en diseños de concreto para la construcción de estructuras, dando como resultados una disminución de la resistencia cuando el porcentaje de caucho sustituido ha sido mayor al 15%, mientras que en los casos en que se sustituyó caucho en porcentajes menores la resistencia resultó de acuerdo a la diseñada. (Ortiz Rodriguez & Aguirre Rodriguez, 2013)
6.2 MARCO CONCEPTUAL
6.2.1 Pavimento articulado
El pavimento articulado se comporta de forma similar al pavimento en concreto asfáltico en lo que se refiere a distribución de tensiones y al desarrollo de deformaciones. El modo de falla más común es la acumulación de deformaciones permanentes, provocadas por la repetición de cargas que sobrepasan la capacidad elástica de las capas del pavimento.
presiones aplicadas sobre la superficie de pavimento puede llegar a reducirse a nivel del cimento, haciendo evidente la capacidad estructural de la capa de adoquines.
Ilustración 1. Trabazón vertical y rotacional, y una sección típica de un pavimento articulado.
Fuente: John Knapton y H. Murat Algin, Research Into The Structural Performance Of Interlocking Block Pavements, Colombia, 1998, p. 5.
(Knapton & Algin, 1998) explicaron la mecánica estructural de la trabazón:
Esta suposición es justificada por los valores del módulo de Young que normalmente se Ie aplica al concreto (30000 N/mm²) y para la arena bajo compresión (300 N/mm²). Si se permitiera que se desarrollara tracción entre el adoquín y la capa de arena, la solución podría ser relativamente fácil.
No se puede desarrollar tracción en arena no cementada por lo cual se asume que el esfuerzo a compresión se desarrolla en algunas partes de la interface y en el resto el esfuerzo es cero.
AI asegurar el equilibrio vertical y rotacional, se pueden desarrollar tres ecuaciones (una de equilibrio vertical y dos de equilibrio rotacional, una en cada dirección ortogonal) las cuales pueden ser resueltas para obtener los valores de los esfuerzos verticales en la capa de arena en cada esquina de la cara inferior del adoquín en el caso de que no se tenga trabazón. EI esfuerzo en algún punto a lo largo del borde del adoquín puede ser entonces determinado calculando la función de la distribución vertical de esfuerzo superficial.
Fuente: John Knapton y H. Murat Algin, Research Into The Structural Performance Of Interlocking Block Pavements, Colombia, 1998, p. 6.
Según Knapton y Algin la trabazón de los adoquines hace que las cargas superficiales impuestas a las pequeñas áreas de los adoquines sean ampliadas a áreas más extensas de la capa de cimiento, manteniendo las presiones en el terreno de fundación dentro de los límites admisibles.
Cuando los adoquines están con una adecuada trabazón hacen que la capa de rodadura tenga una mayor rigidez, de esta forma los adoquines dejan de funcionar de manera individual para comportarse como una capa estructural, esto es lo que hace que los pavimentos articulados adquieran una condición de equilibrio que no es afectada significativamente por el volumen de transito ni la magnitud de las cargas. (pp. 1 – 6)
6.2.2 Esfuerzos transmitidos entre unidades de adoquín
Transmisión de esfuerzo vertical: Mediante la transferencia de cargas a las unidades de adoquines contiguos, por cortante, a través del área de sello de las juntas entre adoquines.
Transmisión de esfuerzo rotacional: Las cargas verticales asimétricas tienden a hacer rotar los adoquines, como la fuerza de las llantas de los vehículos. Esto se puede evitar con unidades que cuenten con un espesor suficiente, adicionalmente con una buena restricción del movimiento lateral en el conjunto de adoquines con los bordes de confinamiento.
6.2.3 Deformaciones
Según (Higuera Sandoval, 2006):
Si se considera un elemento de la estructura del pavimento, se tiene que actúan los siguientes esfuerzos: teóricamente, para un punto dado del sistema estructural existen nueve esfuerzos; de estos, tres son las componentes normales (σx, σy, σz), actuantes perpendicularmente en cada una de las caras de un elemento, y seis son los esfuerzos cortantes (ζxy, ζyx, ζxz, ζzx, ζzy, ζyz), actuantes paralelamente en cada una de las caras del elemento. En condiciones de equilibrio, los esfuerzos cortantes son iguales. Los esfuerzos se calculan por medio de expresiones de cálculo, por medio de ábacos y con ayuda de herramientas computacionales. (p. 3)
Ilustración 3. Modelo de un sistema elástico multicapa.
Fuente: Eldonnd Yoder y Matthew Witczak, Principles of pavement design. New York, 1975, p. 25.
Deformación vertical:
𝜀𝑧 = 1
𝜀𝑥 = 1
𝐸 [𝜎𝑥 − 𝜇(𝜎𝑦 + 𝜎𝑧)] Deformación tangencial:
𝜀𝑦 = 1
𝐸 [𝜎𝑦 − 𝜇(𝜎𝑥 + 𝜎𝑧)] donde:
𝜀𝑧 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙
𝜀𝑥 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙
𝜀𝑦 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙
𝜎𝑧 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙
𝜎𝑥 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙
𝜎𝑦 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙
𝜇 = 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑠𝑜𝑛
6.2.4 Módulo de elasticidad
De acuerdo al (Instituto del Concreto, 2009) este parámetro caracteriza el comportamiento de un material elástico según la dirección en que se aplica una fuerza, si el esfuerzo es una tensión o una compresión, es denominado módulo de Young y es una constante independiente del esfuerzo teniendo el mismo valor para una tracción que para una compresión, siempre que no exceda el valor máximo llamado limite elástico. En el caso del concreto que no es un material elástico, es una masa endurecida heterogénea, presenta una alta resistencia a los esfuerzos de compresión y muy poca a los de tracción, es por esto que la resistencia a la compresión es la característica principal del concreto. La tracción tiene que ver con el agrietamiento, a causa de la contracción inducida por el fraguado o por los cambios de la temperatura, ya que estos factores generan esfuerzos internos. (p. 132)
El módulo de elasticidad que se utiliza en los sistemas multicapa es el módulo de resiliencia, el cual se obtiene de una prueba triaxial en carga repetida.
Las deformaciones resilientes o elásticas son de recuperación instantánea y suelen denominarse plásticas a aquellas que permanecen en el pavimento después de cesar la causa deformadora. Bajo carga móvil la deformación permanente se va acumulando; en ciclos intermedios la deformación permanente para cada ciclo disminuye, hasta que prácticamente desaparece en los ciclos finales.
Ilustración 4. Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador
Fuente: Paul Garnica Anguas, Natalia Pérez García, José Antonio Gómez López, Módulos de resiliencia en suelos finos y materiales granulares. México, 2001, p. 9.
La muestra llega así a un estado tal en que toda la deformación es recuperable, en ese momento se tiene un comportamiento resiliente. De aquí se desprende el concepto de módulo de resiliencia.
resiliencia el cual está definido como el esfuerzo desviador repetido aplicado en compresión triaxial entre la deformación axial recuperable.
La deformación elástica repetida preocupa sobre todo en materiales con resistencia a la tensión -carpetas asfálticas o capas estabilizadas- colocados en la parte superior de la estructura, en los que se puede llegar a generar una falla de agrietamiento por fatiga si el número de repeticiones es importante y los materiales son susceptibles a este efecto. (pp. 3 – 11)
6.2.5 Materiales estructurales
De acuerdo a (Castro, 2007):
El GRC (grano de caucho reciclado) proviene de la trituración de las llantas en desuso, el principal componente de las llantas es el caucho, casi la mitad de su peso.
Los elastómeros o cauchos son materiales poliméricos cuyas dimensiones pueden variar según sea el tipo de esfuerzo al que son sometidos, volviendo a su forma cuando el esfuerzo se retira.
El caucho natural se extrae a partir del árbol Hevea Brasiliensis que es un látex con partículas de caucho en suspensión. Después de un proceso de secado y de ahumado se utilizan diferentes productos. Hoy en día alcanza el 30 % del mercado de los cauchos, el resto lo ocupan los cauchos sintéticos. Los tipos de caucho más empleados en la fabricación de llantas son Cauchos naturales (NR), Polibutadienos (BR), Estireno – Butadieno (SBR) y Polisoprenos sintéticos (IR).
Todos los tipos de cauchos poseen diferentes propiedades, pero también con algo en común: todos, una vez vulcanizados, pueden ser muy duraderos, por lo que necesitarían una gran cantidad de tiempo para su degradación.
La combinación se realiza de modo que los cauchos naturales proporcionen elasticidad y los sintéticos, estabilidad térmica. Esta combinación de efectos favorece la durabilidad y la capacidad de adaptarse a las nuevas exigencias del tránsito.
El proceso de vulcanización a que se someten los neumáticos es un entrelazamiento de cadenas de polímeros con moléculas de azufre a alta presión y temperatura:
Ilustración 5. Esfuerzo – deformación del caucho natural y vulcanizado.
Fuente: Guillermo Castro. Universidad de Buenos Aires - Departamento de Ingeniería mecánica, Reutilización, Reciclado y Disposición Final de Neumáticos. Argentina, 2007, p. 10.
En el proceso de vulcanización el caucho pasa de ser un material termoplástico a ser uno elastomérico. Las posibilidades de deformación son muy diferentes, como se muestra en la Ilustración 5.
Además de caucho, las llantas están compuestas por:
Rellenos reforzantes: el negro de humo, formado de partículas muy pequeñas de carbono, que aumenta la tenacidad y la resistencia a la tracción, a la torsión y al desgaste.
Fibras reforzantes: textiles y de acero, usualmente en forma de hilos, que aportan resistencia a los neumáticos: algodón, nylon y poliéster. La cantidad de acero y fibras sintéticas reforzantes en los neumáticos varía según el fabricante.
Plastificantes: se adicionan para facilitar la preparación y elaboración de las mezclas, utilizándose para el control de la viscosidad. Reducen la fricción interna durante el procesado y mejoran la flexibilidad a bajas temperaturas del producto: aceites minerales (aromáticos, nafténicos y parafínicos) y de tipo éster.
Agentes vulcanizantes: el azufre se usa para entrecruzar las cadenas de polímero en el caucho.
Acelerantes: compuestos órgano - sulfurados, benzotiazol y derivados, óxido de zinc y ácido esteárico.
Retardantes: N-nitroso difenil amina.
Otros componentes (antioxidantes o antiozonizantes, adhesivos).
En forma general las llantas están compuestas por los siguientes componentes:
Fuente: Guillermo Castro. Universidad de Buenos Aires - Departamento de Ingeniería mecánica, Reutilización, Reciclado y Disposición Final de Neumáticos. Argentina, 2007, p. 11.
En la siguiente tabla se puede observar la relación de algunas de las principales propiedades entre el caucho natural vulcanizado y otros elastómeros sintéticos. Se observa el bajo valor tensional y la alta elongación que poseen:
Tabla 2. Propiedades de diferentes tipos de caucho
Fuente: Guillermo Castro. Universidad de Buenos Aires - Departamento de Ingeniería mecánica, Reutilización, Reciclado y Disposición Final de Neumáticos. Argentina, 2007, p. 12.
Como se ha mencionado, entre los cauchos sintéticos más utilizados se encuentran los de tipo estireno butadieno, siendo el más ampliamente utilizado el SBR. (pp. 1 – 13).
Por otra parte el concreto es un material compuesto que es usado en la construcción de todo tipo de infraestructuras, este material está formado esencialmente por un aglomerante, este aglomerante suele ser el cemento portland que al mezclarse con agua produce una reacción de hidratación, a esta mezcla se le añade partículas o fragmentos de un agregado, agua y aditivos específicos. Las partículas de agregado pueden ser grava, gravilla o arena, dependiendo de su diámetro medio.
6.2.6 Propiedades mecánicas del adoquín de concreto hidráulico
Resistencia a la flexo-tracción.
La propiedad más importante de los adoquines es la resistencia a la flexo-tracción, esta característica mide el esfuerzo en la fibra externa que se desarrolla al someter un adoquín a la flexión.
Los diseñadores de pavimentos utilizan una teoría basada en la resistencia a la flexión, por lo tanto, los adoquines que son la capa de rodadura, deben cumplir con esta propiedad. Cuando los adoquines de concreto hidráulico son sometido a flexo-tracción se generan un efecto llamado momento flector que tiene mucha importancia para el estudio de resistencia de estos elementos. Suponiendo que se somete una pieza a flexión, la deformación será de la forma que aparece en la siguiente ilustración.
Ilustración 6. Deformación de los elementos sometidos a flexión pura
Fuente: Calle, G., & Henado, E. (16 de 04 de 2016). DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS. Pereira. Obtenido de http://www.utp.edu.co/~gcalle/FLEXION.pdf
Con el fin de confirmar las teorías que existen acerca de los elementos sometidos a flexión, se realizan pruebas debido a la amplia difusión de este esquema de carga en las condiciones reales de servicio, los especímenes que se ensayan son más simples, sin embargo el caso de solicitación es más complejo.
En los ensayos de resistencia a la flexión se emplea dos esquemas de carga de los especímenes entre apoyos fijo:
Ilustración 7. Cargas del punto medio
Fuente. CivilGeeks,. (2016). Retrieved from http://civilgeeks.com/2011/03/18/resistencia-a-la-flexion-del-concreto/
2) La carga se aplica en dos puntos que se encuentran a una misma distancia de los puntos de apoyo.
Ilustración 8. Cargas en los puntos tercios
Fuente. CivilGeeks,. (2016). Retrieved from http://civilgeeks.com/2011/03/18/resistencia-a-la-flexion-del-concreto/
En los especímenes sometidos a flexión se crea un estado de esfuerzos heterogéneos. La parte inferior se encuentra flexionada y la parte superior comprimida. Además debido a la variación del momento a lo largo de la muestra, los esfuerzos relacionados con el momento también varían. Los esfuerzos en la etapa de deformación elástica son calculados por las fórmulas corrientes de resistencia de materiales para la determinación de los esfuerzos normales en flexión.
𝜎 = 𝑀𝑟 = 𝑀𝐹𝑙𝑒𝑐 𝑊𝑥
Dónde:
𝑀𝐹𝑙𝑒𝑐 = Momento flector.
𝑀𝐹𝑙𝑒𝑐 = 𝑃𝐿 4 𝑊𝑥 = Momento de resistencia de la sección.
𝑊𝑥= 𝐼𝑥
ℎ 2
𝐼𝑥 = Momento de inercia de la sección con respecto al eje neutro 𝑋. 𝐼𝑥= 𝑏ℎ
12 3
Por consiguiente, la fórmula de trabajo para el cálculo de los esfuerzos elásticos durante la flexión de especímenes de secciones rectangulares cargadas por el esquema de la ilustración 2, es igual a:
𝑀𝑟 = 3𝑃𝐿 2𝑏ℎ2
Densidad o Peso Unitario.
De acuerdo a (Universidad de Oviedo, 2015):
La densidad o peso unitario de un material se define como la masa del mismo por unidad de volumen, es decir 𝜌 = 𝑀 𝑉⁄ . Para determinar las densidades de un material se realiza el siguiente procedimiento:
La masa: se adopta siempre para calcular la densidad, el valor de la masa de la muestra seca a peso constante, que será:
El volumen: cabe distinguir tres tipos de volúmenes que un material puede presentar en el espacio dependiendo de que se considere el contenido o no de huecos de éste.
Partiendo de la consideración de que todo material está formado por una determinada cantidad real de materia (compacidad) y una cantidad de huecos (porosidad), se clasifican los distintos volúmenes como se muestra en la siguiente ilustración.
Ilustración 9. Volúmenes presentes en un material
Fuente. Universidad de Oviedo. (10 de 12 de 2015). Densidad. Porosidad Compacidad. Principado de Asturias, España. Obtenido de http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion2.Refractarios.Densidad.Porosidad.Permeabilidad.pdf
Así el volumen total (𝑉𝑇) de un material consta de los siguientes sumandos: 𝑉𝑇 = 𝑉𝑚+ 𝑉𝑝𝑐+ 𝑉𝑝𝑎
Donde:
𝑉𝑚= Volumen ocupado por la masa de material (Volumen másico).
𝑉𝑝𝑐 = Volumen ocupado por los poros cerrados (No comunicados con el exterior). 𝑉𝑝𝑎 = Volumen ocupado por los poros abiertos (Accesibles desde el exterior).
La suma del volumen másico (𝑉𝑚) más el volumen de los poros cerrados (𝑉𝑝𝑐) se denomina, habitualmente, volumen aparente (𝑉𝑎𝑝), (Otros lo denominan volumen relativo), es decir no se consideran los poros abiertos:
𝑉𝑎𝑝= 𝑉𝑚+ 𝑉𝑝𝑐
Debido a las expresiones anteriores y teniendo en cuenta la definición de densidad (Masa/Volumen) se pueden definir tres tipos de densidades (Según porque volumen se divida). La masa total se asimila a la del sólido (M), ya que la del aire puede despreciarse. Así se tiene:
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑎𝑙 = 𝜌𝑟 = 𝑀 𝑉𝑚
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝜌𝑎𝑝 = 𝑀 𝑉𝑎𝑝
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 = 𝜌𝑔 = 𝑀 𝑉𝑡
En materiales muy compactos las dos últimas densidades pueden diferir en un 2 % solamente.
Porosidad y Compacidad.
Según (Universidad de Oviedo, 2015):
La porosidad de un material conformado incide directamente en su resistencia mecánica (que disminuye al aumentar la porosidad). Otras características importantes como el comportamiento frente al ataque químico, la conductividad térmica y la resistencia al choque térmico, quedan también influenciadas por el tamaño, forma, número y distribución de los poros. La porosidad puede permitir la permeabilidad a gases o líquidos, cambiar las características eléctricas o comprometer el comportamiento óptico.
Así, cualquier porosidad residual tendrá un efecto negativo en las propiedades elásticas y en la resistencia. Por ejemplo, se ha observado que la magnitud del módulo de elasticidad
𝐸 disminuye con la fracción de volumen de porosidad de acuerdo con la ecuación:
Donde 𝐸0 es el módulo de elasticidad del material no poroso.
La porosidad es desfavorable para la resistencia a la flexo-tracción o módulo de rotura por dos razones:
1) Los poros reducen el área de la sección a través de la cual se aplica la carga
2) Actúan como concentradores de tensión: en el caso de un poro esférico la tensión es amplificada en un factor 2. La influencia de la porosidad en la resistencia es mucho más dramática, por ejemplo, no es raro que un 10 % de porosidad disminuya el módulo de rotura en un 50 % del valor medido para el material no poroso.
Absorción de agua
De acuerdo a (Universidad de Oviedo, 2015):
La absorción, que ocurre principalmente por la difusión de vapor de agua, es una de las propiedades importante de estos elementos porosos. La cantidad real de absorción afecta la sequedad del material y también a los defectos que puedan surgir del agua con o sin agentes extraños.
Un gran número de diferentes factores influyen en la cantidad de agua que puede ser absorbida. Primero, el número de poros de cara a la fuente de agua: a mayor numero, mayor será la absorción. Segundo, el tamaño y la interconexión de los poros: cuanto menores sean y mayor sea la interconexión por medios de los canales muy finos, mayor será el grado de absorción. Finalmente la propia naturaleza absorbente de los agregados, tanto finos con gruesos, que componen al adoquín.
de estos queden llenos de aire, imposibilitando la entrada de agua. En la práctica puede suceder que después de la saturación inicial pueda salir aire ocluido en los poros, permitiendo así la entrada de más agua. Para cualquier fin práctico esto es insignificante. No obstante, es importante observar que cuando se examinan en laboratorio la saturación de un material, se emplean varios métodos para extraer todo el aire tales como hervir los especímenes durante largos periodos. Los valores así obtenidos son, por tanto, mayores que los que se encontraran en la práctica.
Resistencia a la Abrasión
La última de las propiedades importantes es la resistencia a la abrasión que es conocido como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica. Esta característica es importante ya que la cara de desgaste es la que protege la estructura interna del adoquín de los agentes externos, que pueden ser químicos y/o ambientales. Esta característica está sujeta a las técnicas de fabricación, los materiales porosos tienen características propias para la provisión de texturas de superficie, mientras que en los no porosos está siendo ideada.
Según lo descrito en (NTC 2017, Norma Técnica Colombiana, 2004) de versión 2004-02-25, los adoquines de concreto deben cumplir ciertas características mecánicas y físicas. A continuación se presentan los valores mínimos y máximos con los que deben contar estos especímenes para que sean aptos en la construcción de pavimentos de adoquines de concreto hidráulico. (p. 21)
Tabla 3. Requisitos Mecánicos.
Fuente: (NTC 2017, Norma Técnica Colombiana, 2004)
Requisitos Físicos:
7 METODOLOGIA
En la ejecución de esta investigación se utilizó un enfoque cuantitativo, que se caracteriza por la utilización de númerosy la interpretación de gráficas y tablas.
7.1 CONSECUCIÓN DE MATERIAS PRIMAS
La búsqueda de los materiales que componen la mezcla de concreto hidráulico para la elaboración de los adoquines se realizó de la siguiente manera:
Cemento: Se usó el cemento de marca Ultracem Gris Tipo UG de uso general, el cual fue adquirido en la planta de la empresa CICLOMAT; de este se tomó un saco de 50 kilogramos con el fin tomar una muestra representativa y realizar los ensayos de laboratorio respectivos.
Agregado Fino: Se usó un agregado fino de río procedente del Guamo – Tolima, que al igual que
el cemento, fue muestreado del acopio que se encuentra en la planta de la empresa CICLOMAT; en este caso, el muestreo se realizó bajo el procedimiento descrito en la (NTC 129, Norma Técnica Colombiana, 1995) se tomó aproximadamente 100 kilogramos.
Ilustración 10. Agregado Fino
Agregado Grueso: Se usó un agregado grueso de cantera procedente de Tabio – Cundinamarca de la empresa GRAVILLERA ALBANIA, este fue muestreado del acopio que desemboca de la banda trasportadora “L6 grava fina”. El muestreo se realizó bajo el procedimiento descrito en la (NTC 129, Norma Técnica Colombiana, 1995) se tomó aproximadamente 100 kilogramos.
Ilustración 11. Agregado grueso
Fuente: Elaboración propia
Agua: Se usó agua procedente del acueducto de Siberia – Cundinamarca. Para este insumo no se
realizó ninguna prueba de laboratorio ya que al garantizar que es agua potable se asegura que es apta para la producción de concreto.
Residuo de caucho producto de llantas usadas: Se realizó la compra de aproximadamente 30
Ilustración 12. Residuo de Caucho
Fuente: Elaboración propia
7.2 CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS.
Una vez identificados los materiales que componen la mezcla de concreto hidráulico, se procedió con la ejecución de la geocaracterización con el fin de conocer sus propiedades principales para posteriormente calcular el diseño de mezcla.
Estas actividades se realizaron en las instalaciones del Laboratorio de Concreto – ASOCRETO, laboratorio que cuenta con un sistema de calidad que se encuentra acreditado por el Organismo Nacional de Acreditación de Colombia ONAC con número de resolución 12-LAB-043.
7.2.1 Agregados
Para los agregados pétreos se realizaron los siguientes ensayos regidos por las especificaciones de la norma técnica colombiana NTC 174:
Análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos – NTC 77.
Determinación por lavado del material que pasa el tamiz 75 mm en agregados minerales - NTC 78.
Determinación de la densidad y la absorción del agregado fino - NTC 237
Determinación de la densidad y la absorción del agregado fino - NTC 176
7.2.2 Cemento
Con el fin de determinar la cuantía de cemento y la relación agua cemento de la mezcla de concreto se realizaron los siguientes ensayos:
Método de ensayo para determinar la densidad del cemento hidráulico - NTC 221.
Determinación del peso unitario del cemento portland.
7.2.3 Grano de Caucho Reciclado (GCR)
Debido a que este material no pertenece a los componentes de una mezcla de concreto hidráulico convencional, no existe norma técnica que especifique sus características, sin embargo, de acuerdo al objeto de esta investigación, se realizaron los siguientes ensayos que son aplicados a los agregados finos:
Análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos – NTC 77.
Determinación de la densidad y la absorción del agregado fino - NTC 237
Ilustración 13. Residuo de Caucho flotando.
Fuente: Elaboración propia
7.3 DOSIFICACIÓN DE LOS MATERIALES.
Una vez caracterizados los materiales que componen la mezcla de concreto hidráulico se procedió a calcular la dosificación del diseño de las mezclas. Este ejercicio se ejecutó de acuerdo al método de diseño de la Road Note Laboratory, ya que los materiales agregados no cumplían con la granulometría de la ASTM C33 o la NTC 174.
Uno de los indicadores más importantes en todo diseño de mezcla es la relación agua cemento. Para este tipo de prefabricados, como lo son los adoquines de concreto hidráulico, el diseño de mezcla se calculó con el concepto de mezclas secas por razones de su proceso de fabricación (proceso de vibrado y proceso de prensado). Por lo anteriormente dicho, la relación agua cemento estándar que se utilizó para esta mezclas fueron de A/C = 0.33 considerando los respectivos ajustes por humedad de los agregados en el momento de ejecutar la mezcla.
7.4 ELABORACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO HIDRÁULICO
Después de realizados los diseños de mezcla, se procedió con la fabricación de los adoquines, para ello se contó con la ayuda de la empresa CICLOMAT S.A.S que es una organización dedicada a la elaboración de diversos prefabricados (Sardineles, bordillos, topellantas, losetas, etc.). Los adoquines se fabricaron en las instalaciones de CICLOMAT S.A.S, se hizo uso de sus equipos especiales, tales como la mesa vibratoria, mezcladora, etc., y del personal apropiado para la correcta elaboración de los adoquines de concreto hidráulico.
La determinación de la cantidad de especímenes fue tomada teniendo en cuenta las declaraciones descritas en la NSR-10 respecto a los ensayos relacionados a la construcción, en esta se determina que cuando en número de resultados de ensayos es menor a 30, los valores de desviación estándar y coeficiente de variación no son confiables, por este motivo se fabricaron 30 adoquines de concreto por cada característica (Absorción, Densidad, Resistencia a la flexo-tracción y Resistencia a la Abrasión).
Ilustración 14. Proceso de elaboración de adoquines
Fuente: Elaboración propia
7.5 CARACTERIZACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO
Transcurridos los 28 días, se inició la ejecución de los ensayos físicos y mecánicos que se estipulan en la (NTC 2017, Norma Técnica Colombiana, 2004). A 30 adoquines de cada tipo de mezcla se les realizaron los siguientes ensayos:
Determinación de la absorción de agua y densidad – NTC 2017.
Determinación de la densidad – NTC 2017.
Determinación de la resistencia a la flexo-tracción (Módulo de rotura) - NTC 2017.
Determinación de la resistencia al desgaste - NTC 2017.
Estos ensayos también fueron ejecutados en las instalaciones y con los equipos del laboratorio del concreto ASOCRETO.
Consecusión y traslado de materias
primas
Pesaje de los materiales de acuerdo a los diseños
de mezcla adoquines a la zona
8 RESULTADOS
8.1 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES DE LA INVESTIGACIÓN.
Tabla 4. Resumen de Caracterización
Resumen Caracterización Agregado Fino Ensayo Unidad Resultado
Granulometría --- No Cumple
Pasa Tamiz 75 mm (N° 200) % 6,4
Módulo de Finura --- 2,34
Densidad Aparente g/cm3 2,47
Absorción % 1,9
Peso Unitario Suelto kg/m3 1486 Peso Unitario Apisonado kg/m3 1650 Resumen Caracterización Agregado Grueso
Ensayo Unidad Resultado
Granulometría --- No Cumple
Pasa Tamiz 75 mm (N° 200) % 0,7
Tamaño Máximo mm 19,0
Tamaño Máximo Nominal mm 12,5
Densidad Aparente g/cm3 2,38
Absorción % 2,7
Peso Unitario Suelto kg/m3 1282 Peso Unitario Apisonado kg/m3 1408
Resumen Caracterización Cemento
Ensayo Unidad Resultado
Densidad g/cm3 3,033
Resumen Caracterización GCR
Ensayo Unidad Resultado
Granulometría --- No Cumple
Densidad g/cm3 0,935
8.2 DISEÑO DE LAS MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO
Tabla 5. Dosificación de concreto por m3 (Mezcla de Referencia)
Fuente: Elaboración propia
Mezcla con el 5% de residuo de caucho.
Tabla 6. Dosificación de concreto por m3 (5% GCR)
Fuente: Elaboración propia
Mezcla con el 10% de residuo de caucho.
Fuente: Elaboración propia
Mezcla con el 15% de residuo de caucho.
Tabla 8. Dosificación de concreto por m3 (15% GCR)
Fuente: Elaboración propia
8.3 ELABORACIÓN DE LOS ADOQUINES DE CONCRETO.
Se elaboraron 36 adoquines de cada tipo de Mezcla. De acuerdo a los parámetros normativos de los adoquines y los equipos disponibles para la fabricación de los adoquines se establecieron las siguientes características geométricas:
Forma: Adoquín tipo 1 rectangular recto biselado.
Masa de Concreto: Adoquín Bicapa
Longitud: 200 mm
Ancho: 100 mm
Espesor: 60 mm
En las instalaciones de CICLOMAT teniendo en cuenta las dosificaciones de los diseños de mezcla, se clasificaron y pesaron todos los materiales para posteriormente iniciar con la mezcla y la fabricación de las muestras de referencia y las muestras que contenían las adiciones de residuo neumático en diferentes proporciones.
El mezclado se realizó en una mezcladora de concreto tipo trompo con el fin de garantizar una correcta hidratación de las partículas de cemento y la distribución de los agregados.
La mezcla se repartió uniformemente en la formaleta colocada sobre la mesa vibratoria de la máquina y se enrasó para conservar la figura del adoquín.
Ilustración 15. Distribución de la mezcla en la máquina.
Fuente: Elaboración propia.
Después se inició con el vibrado, posteriormente se colocó la bicapa y se vibró un poco más para unir ambas capas.
Ilustración 16. Adoquines.
Fuente: Elaboración Propia.
Se realizó el mismo procedimiento con para las siguientes tres muestras con adiciones de caucho reciclado. La adición de caucho reciclado se hizo de acuerdo al diseño de mezcla.
Los adoquines se dejaron fraguar durante una hora para posteriormente llevarlos al proceso de curado.
Ilustración 17. Adoquines con adición de residuo de caucho
8.4 ENSAYOS EN ESTADO ENDURECIDO DE LOS ADOQUINES.
Transcurridos los siete días después de la elaboración y curado de los adoquines, los especímenes fueron transportados al laboratorio del concreto ASOCRETO con el fin de continuar su curado durante 21 días y de esta manera llegar a una edad de 28 días, tiempo necesario para empezar la ejecución de los ensayos de estos en estado endurecido. Los ensayos se realizaron a 30 especímenes de cada tipo de mezcla.
8.4.1 Ensayo de absorción de agua y densidad
Para realizar este ensayo se requiere de una balanza con sensibilidad de 1g, un horno ventilado con temperatura 100°C a 115°C y con un volumen de al menos 2,5 veces el de los especímenes que se van a secar al mismo tiempo y uno o varios recipientes en los que se pueda sumergir completamente un espécimen.
Equipos utilizados:
Balanza: Se usó una balanza marca OHAUS con código metrológico “MA-BAL-012” la cual fue calibrada por la empresa ALPHA METROLOGÍA SAS con fecha 2014-12-02.
Horno de Secado: Se usó un horno marca HUMBOLDT con código metrológico “TEM-HOR-005” el cual fue calibrada por la empresa METROLOGIC COLOMBIA con fecha 2014-11-26.
Ilustración 18. Pesaje de adoquín en estado seco.
Fuente: Elaboración propia
Después de que se enfríen se inicia el proceso de saturación, se sumergen los especímenes en los recipientes con agua a temperatura entre 15°C y 27°C durante 24 ± 2 horas, no se deben apilar unos encima de otros, para cada espécimen debe quedar una altura de agua sobre todo su volumen, entre 25 mm y 50 mm, se debe ajustar la cantidad de agua tantas veces como sea necesario para compensar la pérdida del nivel por evaporación.
Ilustración 19. Eliminación de película de agua para obtenerlo en estado SSS.
Fuente: Elaboración propia
Finalmente se procede a realizar los Cálculos así:
La absorción de agua (Aa) del total de la masa del espécimen se debe calcular para cada espécimen mediante la siguiente ecuación, con una aproximación de 0,1 %.
𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 (𝐴𝑎 %) = ( (𝑀ℎ − 𝑀𝑠)
𝑀𝑠 ) × 100
La densidad (D) del espécimen seco se debe calcular de la siguiente manera:
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝐷),𝑘𝑔 𝑚3 =
(𝑀𝑠)
𝑀ℎ − 𝑀𝑎 × 1000 En donde
Mh = Masa saturada (húmeda) del espécimen, en g. Ms = Masa seca del espécimen, en g.
Ma = Masa inmersa en agua y suspendida del espécimen, en g.
Para realizar este ensayo se requiere de una máquina de ensayo para la determinación de la resistencia a la flexión debe ser capaz de aplicar cargas de 20 kN y debe cumplir con los demás requisitos establecidos en la (NTC 2017, Norma Técnica Colombiana, 2004).
Equipos utilizados:
Pie de Rey: Se usó un pie de rey marca MP TOOLS con código metrológico “LG-CPR-002” el cual fue calibrado por la empresa ICONTEC con fecha 2015-01-08.
Máquina de flexotracción: Se usó una máquina CONTROLS con código metrológico “EQ-MFB-001” el cual fue calibrada por la empresa ICCLAB con fecha 2015-10-15.
Este ensayo se puede realizar inmediatamente después del ensayo de absorción, ya que se requiere que los especímenes se permanezcan saturados por inmersión, durante las 24 h ± 2 h antes del ensayo, a una temperatura entre 15 °C y 27 °C. Posteriormente se deben dejar escurrir y secar superficialmente.
Ilustración 20. Máquina de flexotracción
Los especímenes se colocan en la máquina de ensayo con la superficie de apoyo hacia abajo, de tal manera que el elemento superior (de aplicación de carga) coincida con la proyección del eje menor del rectángulo inscrito sobre la cara de desgaste, y los elementos inferiores (de apoyo) coincidan con una línea paralela, 10 mm hacia adentro de los lados menores del rectángulo inscrito, sobre la cara de apoyo.
Ilustración 21. Ensayo resistencia a la flexo-tracción.
Fuente: Elaboración propia.
La carga se debe aplicar a una velocidad tal que produzca un aumento en el esfuerzo cercano a 0,5 MPa/s, o sea un tiempo de ejecución del ensayo de 10 s para 5 MPa.
Fuente: Elaboración propia.
Finalmente se procede a realizar los Cálculos así:
Para cada adoquín se debe calcular el módulo de rotura (Mr), según la siguiente fórmula:
𝑀𝑟 = ( 3 𝐶𝑚𝑎𝑥 × (𝑙𝑖 − 20)) ((𝑎𝑟 + 𝑎𝑖)𝑒𝑟2)
En donde:
Mr = Módulo de rotura, N/mm, en MPa Cmax= Carga máxima, de rotura, en N li = Longitud del rectángulo inscrito, en mm ar = Ancho real del espécimen, en mm ai = Ancho del rectángulo inscrito, en mm er = Espesor real del espécimen, en mm.
El valor calculado para el módulo de rotura (Mr), en N/mm² se debe expresar en la unidad equivalente, MPa, con una exactitud de 0,1 MPa.
Se debe registrar el valor del módulo de rotura (Mr) de cada uno de los especímenes de la muestra y el módulo de rotura promedio (Mr) para la muestra.
8.4.3 Ensayo de resistencia a la abrasión
La arena como material abrasivo debe ser de cuarzo angulosa (triturada) con la siguiente granulometría:
Ilustración 23. Ensayo resistencia a la abrasión.
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 9. Granulometría de la Arena Tamiz NTC 32
(ASTM E11)
Tamiz ASTM Porcentaje que pasa
850 μm No. 20 100 – 100
600 μm No. 30 95 – 100
425 μm No. 40 50 – 60
300 μm No. 50 10 – 20
250 μm No. 60 2 – 10
180 μm No. 80 0 – 4
Fuente: Elaboración propia.
La cara del espécimen a ensayar se debe rayar con marcador indeleble para facilitar la lectura de la huella. Se fija al carro porta espécimen.
La tolva se llena del material abrasivo seco. El espécimen se coloca en contacto con el disco metálico, luego se abre la válvula de control de flujo y se enciende el motor de tal manera que el disco metálico complete 75 revoluciones en 60s ± 3s. Luego se suspende el flujo y se detiene el disco.
Se retira el espécimen y se mira bajo una lupa de al menos dos aumentos, con un lápiz se dibuja los limites superior e inferior de la huella (L1 y L2), se debe trazar la línea AB en el medio de la huella, perpendicular a la línea centra de la misma. Para determinar la longitud de la huella medida, se deben colocar las puntas del calibrador en los puntos A y B, en el borde interno de los límites longitudinales de la huella (L1 y L2) y se debe registrar la medición con una aproximación de 0,1 mm. Se deben determinar, adicionalmente, las medidas a los 10 mm ± 1m, de los extremos de la huella (Líneas CD y EF), y se registran las dimensiones.
El resultado a considerar es la suma de la huella medida AB y la diferencia (positiva o negativa) entre 20,0 mm y el factor de calibración (Fc).
𝑙ℎ = 𝐴𝐵 + (20,0 − 𝐹𝑐)
En donde:
Ih = Longitud de la huella resultante (mm) Fc = Factor de calibración (mm)
AB = Longitud de la huella medida (mm)
8.5 CÁLCULOS
Los cálculos realizados se muestran en los resultados de los laboratorios que están anexos a este trabajo.
De acuerdo a las teorías se ha comprobado que los resultados de los ensayos de resistencia de una misma mezcla se agrupan siendo una curva de distribución normal de frecuencias, para lo cual es necesario analizar mínimo 30 especímenes para cada una de las proporciones.
8.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación, se presentan los resultados obtenidos en los distintos ensayos realizados a los especímenes de la mezcla de referencia y a los especímenes de las mezclas propuestas que contienen el GCR y su análisis.
A los resultados se les realizaron los siguientes análisis estadísticos consultados de (Mendenhall, 2010)
Medía Aritmética:
La media aritmética o promedio de un conjunto de n mediciones es igual a la suma de las mediciones dividida entre n.
µ = 𝛴 𝑥𝑖 𝑛
Desviación estándar:
La desviación estándar de un conjunto de mediciones es igual a la raíz cuadrada positiva de la varianza.
Varianza:
8.6.1 Absorción de agua
Resultados estadísticos:
Tabla 10. Resultados estadísticos Ensayo de Absorción de Agua
Absorción
Mezcla A (%)
Mezcla B (%)
Mezcla C (%)
Mezcla D (%) Media
Aritmética 6,17 6,07 6,10 6,09
Desviación
Estándar 0,40 0,32 0,38 0,43
Varianza 0,160 0,102 0,141 0,185
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 24. Resultados Ensayo Absorción de Agua
Los resultados cumplen con la especificación de la NTC 2017, se observa que las mezclas B, C y D que contienen las adiciones GCR se comportan de muy manera similar a la mezcla de referencia A que no contiene adiciones de GCR, y entre ellas tienen una desviación estándar 0,05 %, lo que significa que la dispersion es baja.
Ilustración 25. Absorción vs. Adición de GCR
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 26. Línea y Ecuación de Tendencia Absorción de Agua
Fuente: Elaboración propia.
Absorción (%) vs. Adición de GCR (%)
En la ecuación de tendencia 𝑦 = −0,0045𝑥 + 6,1423, siendo X la adición de GCR en porcentaje, se observa que existe una pendiente decreciente; es decir, cuando se utiliza mayor porcentaje de GCR la absorción de agua en los adoquines tiende a disminuir, pero no de manera significativa o influyente a esta característica del adoquín.
8.6.2 Densidad
Resultados estadísticos:
Tabla 11. Resultados estadísticos Ensayo Densidad.
Densidad Mezcla A (Kg/m³)
Aritmética 2084,93 2019,63 2008,27 1994,97 Desviación
Estándar 2,92 2,46 1,76 4,00
Varianza 8,547 6,033 3,099 15,964
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 27. Resultados Ensayo de Densidad
Fuente: Elaboración propia.
Se puede observar en las Mezclas B, C y D, que contienen CGR, una reducción notable de la densidad con respecto de la Mezcla de referencia A con una desviación estándar de 39.95%.
Ilustración 28. Densidad vs. Adición de GCR
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 29. Línea y Ecuación de Tendencia Densidad
Fuente: Elaboración propia.
La línea de tendencia es decreciente, esto es debido a que se sustituyó agregado fino en las mezclas B, C y D por GCR, que es un material compuesto en su mayoría por caucho de bajo peso específico, esto incide directamente en la Densidad de los adoquines reduciendo la misma.
1980,00
Densidad (kg/mᶟ) vs. Adición GCR (%)
8.6.3 Resistencia a la flexo-tracción (Módulo de rotura)
Resultados estadísticos:
Tabla 12. Resultados estadísticos ensayo Resistencia a la flexo-tracción
Resistencia Mezcla A (MPa)
Mezcla B (MPa)
Mezcla C (MPa)
Mezcla D (MPa) Media
Aritmética 5,98 5,47 5,36 4,92
Desviación
Estándar 0,21 0,39 0,11 0,37
Varianza 0,043 0,155 0,011 0,138
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 30. Resultados Ensayo Resistencia a la Flexo-tracción
Fuente: Elaboración Propia
Ilustración 31. Resistencia vs. Adición de GCR
Fuente: Elaboración propia
Ilustración 32. Línea y Ecuación de Tendencia Resistencia a la Flexo-tracción
Fuente: Elaboración propia.
La línea de tendencia es decreciente, la adición de GCR disminuye la resistencia a la flexo-tracción en un 9% para la mezcla B, 10% para la mezcla C y 18% para la mezcla D.
Resistencia (MPa) vs. Adición de GCR (%)
8.6.4 Resistencia a la Abrasión
Resultados estadísticos:
Tabla 13. Resultados estadísticos Resistencia a la Abrasión Longitud de la
Huella
Mezcla A (mm)
Mezcla B (mm)
Mezcla C (mm)
Mezcla D (mm) Media
Aritmética 19,29 19,30 19,31 19,24
Desviación
Estándar 0,38 0,35 0,38 0,39
Varianza 0,145 0,120 0,143 0,151
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 33. Resultados Ensayo Resistencia a la Abrasión
Fuente: Elaboración propia.
Ilustración 34. Resistencia a la Abrasión vs. Adición de GCR
Fuente: Elaboración propia
Ilustración 35. Línea y Ecuación de Tendencia Resistencia a la Abrasión
Fuente: Elaboración propia.
De manera similar al caso de la absorción de agua, la línea de tendencia al usar más adición de GCR en porcentaje no va afectar de manera significativa la resistencia a la abrasión de los
Resistencia a la Abrasión (mm) vs. Adición de GCR (%)
Tabla 14. Resumen de resultados promedio de las características físicas y mecánicas del adoquín.
Densidad (kg/m3) 2084,93 2019,63 2008,27 1994,97
Fuente: Elaboración propia
Ilustración 36. Densidad vs. Resistencia a la flexo-tracción
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo a la ilustración anterior se observa que a medida que la densidad es mayor la resistencia a la flexo-tracción aumenta, concluyendo que estas dos características son directamente proporcionales, esto es razonable ya que cuando la densidad es mayor existe menos porcentaje de vacíos lo que permite una mayor resistencia.
15%
1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Ilustración 37. Absorción vs. Resistencia a la flexo-tracción
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo a la ilustración anterior se puede analizar que la absorción tuvo un comportamiento constante a medida que aumentó la resistencia a la flexo-tracción. De esto podemos concluir que la absorción de la arena y del GCR fueron similares, y por este motivo no se afectó el porcentaje total de absorción de cada espécimen, tendiendo un comportamiento constante que no impactó en los resultados de resistencia a la flexo-tracción.
Ilustración 38. Abrasión vs. Resistencia a la flexo-tracción
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo a la ilustración anterior se puede observar que la Resistencia a la Abrasión tiene un comportamiento constante y no afecta de manera directa a la resistencia a la flexo-tracción a medida que se aumenta en % de adición de GCR. Esto es debido a que la resistencia a la Abrasión está directamente relacionada con la bicapa y para esta investigación la bicapa no fue modificada con GCR.
8.7 ANÁLISIS DE COSTOS
A continuación se presentan en análisis de precios unitarios para un concreto convencional y los concretos con adición de GCR. Según los resultados de resistencia a la flexo-tracción optamos por no considerar viable analizar los costos de una mezcla de concreto de GCR al 15% debido a que no cumplió con la especificación de de la normas NTC 2017.
Tabla 15. Costos de materia prima de un concreto convencional
Componente Cantidades
Precio
Unitario Precio Total
Cemento (kg) 364 $560.00 $203840.00
Agregado Fino (m3) 0.397 $47328.00 $18789.22 Agregado Grueso (m3) 0.338 $47225.00 $15962.05
Agua (m3) 0.120 $40.00 $4.80
GRC (kg) --- --- ---
$238596.07
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 16. Costos de materia prima de un concreto con sustitución de GCR al 5%
Componente Cantidades
Precio
Unitario Precio Total
Cemento (kg) 364 $560.00 $203840.00
Agua (m3) 0.120 $40.00 $4.80
GRC (kg) 49 $875.00 $42875.00
$280524.51
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 17. Costos de materia prima de un concreto con sustitución de GCR al 10%
Componente Cantidades
Precio
Unitario Precio Total
Cemento (kg) 364 $560.00 $203840.00
Agregado Fino (m3) 0.357 $47328.00 $16896.10 Agregado Grueso (m3) 0.338 $47225.00 $15962.05
Agua (m3) 0.120 $40.00 $4.80
GRC (kg) 98 $875.00 $85750.00
$322452.95
Fuente: Elaboración propia.
Realizando un comparativo de los costos de las materias primas de un concreto convencional y los concreto con adición de GCR al 5% y al 10% encontraos que existe un incremento en su valor de 18% y el 35% .
9 CONCLUSIONES
La ventaja principal de la fabricación de este tipo de adoquines se evidencia es el uso de materiales reciclados (GCR), que reduciría el impacto Ambiental generado por estos materiales que actualmente están siendo depositados en zonas indebidas sin dársele el tratamiento adecuado, lo que es significativamente dañino para el medio ambiente ya que su descomposición es a largo plazo.
El uso del caucho triturado producto de las llantas recicladas demostró no ser compatible en el desarrollo de la propiedad de resistencia a la flexo-tracción debido a que se evidencia una reducción de resistencia. Sin embargo es una alternativa viable ya que a pesar de la reducción de la resistencia, los adoquines cumplen con los requisitos mínimos establecidos por las especificaciones técnicas en las adiciones del 5% y 10% de GCR.
El efecto que genera la sustitución de agregado fino por la del residuo de caucho no presenta mejoría ni disminución en cuanto a la característica de absorción de agua, es decir, este permanece constante en cada una de las muestras elaboradas. La absorción del residuo de caucho se comportó de manera similar a la absorción del agregado fino.
Se presentan ventajas en la reducción del peso específico de los especímenes de concreto.
Al utilizar adoquines de concreto hidráulico con una sustitución del 15% de residuo de caucho, la base de apoyo que soporta los adoquines recibiría una carga reducida en 58,58 Newton por cada metro cuadrado instalado de adoquín.
En cuanto a la resistencia al desgaste por abrasión no se ve afectada debido a que la parte del adoquín modificada es el cuerpo y no la bicapa, que es directamente la involucrada en el ensayo de resistencia por abrasión.
10 RECOMENDACIONES
Es posible obtener mejores resultados en cuanto al porcentaje de absorción si se utilizan en la investigación agregados finos con porcentajes de absorción mayores, para que de esta manera el GCR actué como un material con menor absorción que la de los agregados.
Debido a la reducción de la resistencia se recomienda el uso de esta clase de adoquines con residuo de caucho triturado para calles peatonales, parques y en general áreas que no sean afectadas por cargas vehiculares.
Se puede usar algún aditivo que mejore las condiciones de adherencia del residuo de caucho triturado si es comprobada la eficacia de este.