Propuesta de agregado reciclado para la elaboración de concreto estructural con f’c=280 kg/cm2
en estructuras aporticadas en la ciudad de Lima para reducir la contaminación ambiental
Item Type info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Authors Bazalar La Puerta, Luis Ricardo; Cadenillas Calderón, Miguel Antonio Jesús
Publisher Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) Rights info:eu-repo/semantics/openAccess; Attribution-
NonCommercial-ShareAlike 4.0 International Download date 28/07/2022 16:36:24
Item License http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL
Propuesta de agregado reciclado para la elaboración de concreto estructural con f’c=280 kg/cm2 en estructuras aporticadas en la ciudad de Lima para reducir la contaminación
ambiental
TESIS
Para optar el título profesional de Ingeniero Civil
AUTORES
Bazalar La Puerta, Luis Ricardo (0000-0001-9804-8480) Cadenillas Calderón, Miguel Antonio Jesús (0000-0002-1237-817X)
ASESOR
Eyzaguirre Acosta, Carlos Augusto (0000-0001-9769-2135)
Lima, 23 de octubre de 2019
DEDICATORIA
Agradecemos a Dios por permitirnos tener tan buena experiencia dentro de la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas, gracias a nuestra universidad por convertirnos en profesionales con conocimientos sólidos que nos permiten desempeñarnos de la mejor manera ante cualquier reto. Gracias a nuestros padres por el apoyo infinito en el proceso integral de nuestra formación personal y académica. No ha sido sencillo el camino hasta ahora, pero gracias a sus aportes, a su amor, a su inmensa bondad y apoyo se logró esta meta. Gracias al asesor, Ing. Carlos Eyzaguirre, por recorrer este arduo camino mano a mano en la realización de este trabajo de investigación.
RESUMEN
El presente trabajo de investigación para optar el título en Ingeniería Civil, con énfasis en la rama de construcción, tuvo como finalidad evaluar y comparar el comportamiento del concreto con diferentes proporciones de sustitución de agregado grueso natural (AN) por agregados de concreto reciclado (ACR) con el fin obtener un diseño de concreto que permita la disminucion y uso de agregados naturales, y asi disminuir la depredacion de canteras. El comportamiento se evaluó mediante el análisis de las propiedades mecánicas y durabilidad de los tipos de mezclas realizados con el objetivo de obtener una proporción de sustitución óptima de AN por ACR para que las propiedades se encuentren dentro de los parámetros que indican las normas. Por otro lado, se realizó un modelo de una estructura aporticada para hacer una Evaluación de Impacto Ambiental mediante el uso de la metodología Life Cycle Assessment (LCA) en el programa Athena y, posteriormente, se comparó los resultados obtenidos en dicho programa.
Palabras Clave: Residuos de construcción y demolición, agregados de concreto reciclado (ACR), agregados naturales (AN), concreto de agregado reciclado, concreto de agregado natural, propiedades mecánicas del concreto, evaluación del ciclo de vida, Athena estimador de impacto para edificios.
Proposal of recycled aggregate for the elaboration of structural concrete with f’c = 280 kg/cm2 in structures provided in the city of Lima to reduce environmental pollution
ABSTRACT
The present research work to choose the degree in Civil Engineering, with emphasis in the construction branch, had the purpose of evaluating and comparing the behavior of concrete with different proportions of substitution of natural coarse aggregate (AN) by aggregates of recycled concrete (ACR ) in order to obtain a concrete design that allows the reduction and use of natural aggregates, and thus reduce the depredation of quarries. The behavior was evaluated by analyzing the mechanical properties and durability of the types of mixtures made with the objective of obtaining an optimal substitution ratio of AN by ACR so that the properties are within the parameters indicated by the standards. On the other hand, a model of a contributed structure was made to make an Environmental Impact Assessment by using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology in the Athena program and, subsequently, the results obtained in said program were compared.
Keywords: Construction and demolition waste, aggregates of recycled concrete (ACR), natural aggregates (AN), recycled aggregate concrete, natural aggregate concrete, concrete mechanical properties, life cycle assessment, Athena Impact Estimator for Buildings.
TABLA DE CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN ... 1
Tema ... 1
Título ... 1
Antecedentes ... 1
Realidad problemática ... 5
Delimitación del Problema ... 13
Justificación del Problema ... 13
Formulación del Problema... 16
Hipótesis ... 16
Objetivo General... 16
Objetivos Específicos ... 16
CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO ... 18
1.1. Generalidades de los agregados de concreto reciclado (ACR)... 18
1.2. Literatura Previa sobre el uso de concreto con agregados reciclados ... 19
1.2.1 Agregados Reciclados ... 19
1.2.2 Regulación del Uso de Agregados Reciclados Internacionalmente ... 20
1.2. Producción de agregados de concreto reciclado proveniente de residuos de construcción y demolición. ... 25
1.3. Logística de producción de agregados de concreto reciclado. ... 28
1.4 Uso de agregados reciclados como material de reemplazo de agregado grueso para la fabricación de concretos ... 28
1.5 Propiedades estructurales, mecánicas y de durabilidad y comportamiento del concreto con agregados reciclados ... 33
1.6. Agregados ... 37
1.6.1 Definición y generalidades ... 37
1.6.2. Tipos de agregados ... 38
1.6.3. Clasificación de los Agregados ... 39
1.6.3.1 Clasificación por peso por unidad de volumen o densidad ... 39
1.6.3.2 Clasificación por su naturaleza petrológica ... 39
1.6.3.3 Clasificación por su granulometría NTP (400.011:2008) ... 40
1.7.1. Granulometría ... 41
1.7.2 Forma y textura superficial ... 41
1.7.3 Densidad y absorción ... 42
1.7.4. Ensayo de abrasión de Los Ángeles ... 44
1.7.5. Propiedades químicas de los agregados de concreto reciclado ... 44
1.8. Consideraciones sobre el diseño de mezcla y ejecución en obra de concreto con agregado grueso de concreto reciclado ... 45
1.8.1 Dosificación ... 46
1.8.1.1 Contenido de agua ... 46
1.8.1.2 Contenido de cemento ... 46
1.8.1.3 Relación agua/cemento ... 46
1.8.1.4 Dosificación del agregado de concreto reciclado ... 47
1.8.1.5 Aditivos ... 48
1.8.1.5.1 Plastificante ... 48
1.8.2. Mezclado ... 48
1.9. Propiedades del concreto reciclado en estado fresco ... 49
1.10. Propiedades del concreto reciclado en estado endurecido ... 50
1.10.1. Resistencia a la compresión ... 50
1.10.2. Módulo de elasticidad ... 50
1.10.3. Durabilidad ... 51
1.11. Huella de carbono ... 52
1.11.1. La metodología de ciclo de vida (Life Cycle Assesment) ... 53
1.11.2 Elementos del Análisis de Ciclo de Vida ... 55
1.11.3 Literatura previa, metodologías usadas ... 56
1.11.3.1 Modelo de estimación de emisiones de carbono por Chou & Yeh ... 57
1.11.3.2 Método Comparativo de Estudio de Impacto ambiental en el uso de Concreto con agregado natural y agregado reciclado en la ciudad de Nueva York ... 59
1.11.3.3 Emisiones de Dióxido de Carbono Equivalente (CO2-e): Una comparación entre el geopolímero y Concreto de Cemento OPC ... 60
1.12 Softwares para Simulación de Modelos de Impacto Ambiental bajo la Metodología LCA ... 61
CAPITULO 2: MATERIALES Y MÉTODOS ... 64
2.1. Material ... 64
2.1.1. Población ... 64
2.2.2. Muestra ... 64
2.2. Método ... 65
2.2.1 Nivel de Investigación ... 65
2.2.2. Diseño de Investigación ... 65
2.2.3. Variables de estudio y operacionalización ... 65
2.2.3.1 Mezclas a Probar en Laboratorio ... 67
2.2.3.2 Ensayos a Realizar en Laboratorio ... 67
2.2.4. Técnicas e Instrumentos de recolección de datos ... 68
2.2.5. Técnicas de Procesamiento y Análisis de datos ... 68
CAPÍTULO 3: MARCO EXPERIMENTAL Y DESARROLLO DEL MODELO DE IMPACTO AMBIENTAL ... 70
3.1. Objetivo 1 ... 70
3.1.1 Análisis Granulométrico del Agregado fino, Grueso y Reciclado. ... 70
3.1.2 Contenido de Humedad de Agregados ... 74
3.1.3 Determinación del Peso Unitario de los Agregados ... 76
3.1.3.2 Peso Unitario de Agregado Fino ... 76
3.1.3.3. Peso unitario de agregado grueso y reciclado ... 78
3.1.4. Ensayo de Abrasión de Los Angeles (ASTM C 131) ... 81
3.2 Objetivo 2 ... 83
3.2.1. Diseños de Mezcla ... 83
3.2.1.1 Método del Comité 211 del ACI ... 83
3.2.1.2 Procedimiento para realizar los diseños de mezcla ... 83
3.3 Objetivo 3 ... 86
3.3.1 Condiciones de durabilidad ... 86
3.3.2 Elaboración de Probetas Cilíndricas de Concreto con el Uso de Agregado Natural y Reciclado. ... 87
3.3.3 Determinación del Peso Unitario de la Mezcla (ASTM C-138/NTP 339.046) ... 89
3.3.4. Determinación de la Temperatura de una Mezcla de Concreto (ASTM C-1064) .. 90
3.3.5. Determinación de la Consistencia de una Mezcla de Concreto Fresco mediante el Cono de Abrams (ASTM C-143) ... 91
3.3.6. Desmoldado de Probetas Cilíndricas de Concreto (ASTM C 192) ... 92
3.3.7. Curado de Probetas Cilíndricas de Concreto (ASTM C 192) ... 92 3.3.8. Método de Prueba Estándar para la Resistencia a la Compresión de Probetas
3.3.8.1 Criterios de Aceptación de las Probetas Cilíndricas de Concreto Natural y
Reciclado (ASTM C39) ... 94
3.3.9. Elaboración de Vigas de Concreto Natural y Reciclado (ASTM C192) ... 95
3.3.10. Desmoldado de Vigas de Concreto Natural y Reciclado (ASTM C 192) ... 96
3.3.11. Curado de Vigas de Concreto Natural y Reciclado (ASTM C 192) ... 97
3.3.12. Método de Ensayo Normalizado para la Determinación de la Resistencia a la Flexión del Concreto (ASTM C-78) ... 97
3.3.13. Método de Prueba Estándar para Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto Natural y Reciclado (ASTM C496-96) ... 99
3.4 Objetivo 4 ... 100
3.4.1 Evaluación del Impacto Ambiental Generado por el Concreto Natural y Reciclado Mediante el Uso de la Metodología Life Cycle Assessment con el Programa Athena. . 100
3.5 Objetivo 5 ... 106
CAPITULO 4: RESULTADOS Y ANÁLISIS ... 108
4.1. Objetivo 1 ... 109
4.1.1 Propiedades físicas de los agregados naturales y reciclados ... 109
4.1.1.1 Análisis Granulométrico de AN y ACR ... 109
4.1.1.1.1 Análisis Granulométrico del agregado fino ... 109
4.1.1.1.2 Análisis Granulométrico del Agregado Grueso ... 111
4.1.1.1.3 Análisis Granulométrico del Agregado Grueso Reciclado... 113
4.1.1.2 Contenido de Humedad de los AN y ACR ... 114
4.1.1.2.1 Contenido de Humedad del Agregado Fino ... 114
4.1.1.2.2 Contenido de Humedad del Agregado Grueso ... 115
4.1.1.2.3 Contenido de Humedad del Agregado Grueso Reciclado ... 116
4.1.1.3 Determinación del Peso Unitario de AN y ACR ... 117
4.1.1.3.1 Determinación del Peso Unitario del Agregado fino... 117
4.1.1.3.2 Determinación del Peso Unitario del Agregado Grueso ... 118
4.1.1.3.3 Determinación del Peso Unitario del Agregado Grueso Reciclado ... 119
4.1.1.4 Determinación del desgaste por ensayo de Abrasión de Los Ángeles. ... 121
4.2. Objetivo 2 ... 121
4.2.2 Diseños de Mezcla ... 121
4.3. Objetivo 3 ... 122
4.3.1 Propiedades mecánicas del concreto con AN y ACR ... 122
4.3.1.1 Determinación del Peso Unitario de las Mezclas de Concreto ... 122
4.3.1.1.1 Peso Unitario de la Mezcla de Concreto Estándar ... 122
4.3.1.1.2 Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 25% de ACR ... 123
4.3.1.1.3 Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 30% de ACR ... 123
4.3.1.1.4 Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 40% de ACR ... 124
4.3.1.1.5 Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 50% de ACR ... 125
4.3.1.2 Determinación de la Temperatura de las Mezclas ... 125
4.3.1.2.1 Determinación de la Temperatura de la Mezcla de Concreto Estándar ... 126
4.3.1.2.2 Determinación de la Temperatura de la Mezcla de Concreto con 25% de ACR ... 126
4.3.1.2.3 Determinación de la Temperatura de la Mezcla de Concreto con 30% de ACR ... 127
4.3.1.2.4 Determinación de la Temperatura de la Mezcla de Concreto Reciclado 40% 127 4.3.1.2.5 Determinación de la Temperatura de la Mezcla de Concreto con 50% de ACR ... 128
4.3.1.3 Determinación del Asentamiento de las Mezclas ... 128
4.3.1.3.1 Determinación del Asentamiento de la Mezcla de Concreto Estándar ... 128
4.3.1.3.2 Determinación del Asentamiento de la Mezcla de Concreto con 25% de ACR ... 129
4.3.1.3.3 Determinación del Asentamiento de la Mezcla de Concreto con 30% de ACR ... 129
4.3.1.3.4 Determinación del Asentamiento de la Mezcla de Concreto con 40% de ACR ... 130
4.3.1.3.5 Determinación del Asentamiento de la Mezcla de Concreto Reciclado 50% . 130 4.4. Objetivo 4 ... 131
4.4.1 Evaluación del Impacto Ambiental mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena Impact Estimator for Buildings. ... 131
4.5. Objetivo 5 ... 133
4.5.1 Método de Prueba Estándar para la Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto Natural y Reciclado. ... 133
4.5.1.1 Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto Estándar ... 134
4.5.1.2 Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 25% de ACR ... 135 4.5.1.3 Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 30% de ACR
4.5.1.4 Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 40% de ACR
... 137
4.5.1.5 Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 50% de ACR ... 138
4.5.2 Método de Ensayo Normalizado para la Determinación de la Resistencia a la Flexión del Concreto ... 139
4.5.2.1 Resistencia a la Flexión del Concreto Estándar ... 140
4.5.2.2 Resistencia a la Flexión del Concreto con 25% de ACR ... 141
4.5.2.3 Resistencia a la Flexión del Concreto con 30% de ACR ... 142
4.5.2.4 Resistencia a la Flexión del Concreto con 40% de ACR ... 143
4.5.2.5 Resistencia a la Flexión del Concreto con 50% de ACR ... 144
4.5.3 Método de Prueba Estándar para Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto Natural y Reciclado ... 145
4.5.3.1 Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto Estandar ... 146
4.5.3.2 Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 25% de ACR ... 147
4.5.3.3 Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 30% de ACR ... 148
4.5.3.4 Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 40% de ACR ... 149
4.5.3.5 Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 50% de ACR ... 150
4.5.4 Módulo de Elasticidad del Concreto ... 152
4.5.5 Impacto Ambiental ... 158
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES ... 162
CAPÍTULO 6: RECOMENDACIONES ... 166
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 169
ANEXOS ... 187
ANEXO 1. DISEÑOS DE MEZCLA PARA EL OBJETIVO 2 DE LA INVESTIGACIÓN. ... 187
ANEXO 2. FIGURAS DE LOS ENSAYOS DE COMPRESION DE PROBETAS DE CONCRETO NATURAL Y RECICLADO. ... 189
ANEXO 3. RESULTADOS DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LOS ESPECIMENES DE CONCRETO. ... 191 ANEXO 4. PLANO DE ARQUITECTURA DE LA ESTRUCTURA APORTICADA ... 193 ANEXO 5. PLANO DE CIMENTACIONES DE LA ESTRUCTURA APORTICADA ... 194 ANEXO 6. PLANO DE TECHO DE SEMISÓTANO DE LA ESTRUCTURA APORTICADA ... 195 ANEXO 7. PLANO DE TECHO DE PISOS SUPERIORES DE LA ESTRUCTURA APORTICADA ... 196 ANEXO 8. RESULTADOS DEL ENSAYO DE ABRASIÓN DE LOS ÁNGELES ... 197
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Volumen del total y proporción de los desperdicios de construcción y demolición
(CDW) ... 2
Tabla 2. Normas Legales Vigentes ... 7
Tabla 3. Cuadro cuantitativo de desperdicios ... 8
Tabla 4. Cuadro cualitativo de desperdicios ... 9
Tabla 5. Desperdicios estimados en obras de edificaciones y porcentaje del costo total de la obra ... 10
Tabla 6. Defectos de diseño ... 11
Tabla 7. Tasa de crecimiento promedio anual de la población censada ... 14
Tabla 8. Recycled Aggregate (RCA) classes (BRE Digest 433) ... 22
Tabla 9. Niveles máximos recomendados de impureza ... 23
Tabla 10. Resumen de los resultados obtenidos en los tres ciclos de reciclaje ... 30
Tabla 11. Resistencia al esfuerzo de la compresión ... 32
Tabla 12. Propiedades del concreto influenciadas por las características de los agregados ... 38
Tabla 13. Tamices a utilizar para realizar el análisis granulométrico ... 40
Tabla 14. Requisitos para condiciones especiales de exposición ... 47
Tabla 15. Variables de estudio y operacionalización... 66
Tabla 16. Mezclas a probar en laboratorio ... 67
Tabla 17. Ensayos a realizar en laboratorio ... 68
Tabla 18. Cantidad mínima de muestras de ensayo. ... 72
Tabla 19. Cantidad mínima de la muestra de agregado ... 75
Tabla 20. Capacidad de los recipientes ... 79
Tabla 21. Pesos y granulometría de la muestra de agregado para ensayo. ... 82
Tabla 22. Relación agua-cemento y la resistencia a la compresión del concreto ... 84
Tabla 23. Asentamientos recomendados para diversos tipos de construcción y sistemas de colocación y compactación ... 85
Tabla 24. Contenido de aire atrapado ... 86
Tabla 25. Análisis Granulométrico del Agregado Fino ... 110
Tabla 26. Análisis Granulométrico del Agregado Grueso ... 111
Tabla 27. Análisis Granulométrico del Agregado Grueso Reciclado ... 113
Tabla 28. Pesos de la muestra seca y húmeda, y contenido de humedad del agregado fino. ... 115
Tabla 29. Pesos de la muestra seca y húmeda, y contenido de humedad del agregado grueso.
... 115
Tabla 30. Pesos de la muestra seca y húmeda, y contenido de humedad del agregado grueso reciclado. ... 116
Tabla 31. Peso Unitario Suelto del Agregado Fino ... 117
Tabla 32. Peso Unitario Compactado del Agregado Fino ... 118
Tabla 33. Peso Unitario Suelto del Agregado Grueso ... 118
Tabla 34. Peso Unitario Compactado del Agregado Grueso ... 119
Tabla 35. Peso Unitario Suelto del Agregado Grueso Reciclado ... 120
Tabla 36. Peso Unitario Compactado del Agregado Grueso Reciclado ... 120
Tabla 37. Ensayo de Abrasión de Los Angeles ... 121
Tabla 38. Peso Unitario de la Mezcla de Concreto Estándar ... 122
Tabla 39. Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 25% de ACR ... 123
Tabla 40. Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 30% de ACR ... 123
Tabla 41. Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 40% de ACR ... 124
Tabla 42. Peso Unitario de la Mezcla de Concreto con 50% de ACR ... 125
Tabla 43. Temperatura de la Mezcla de Concreto Estándar ... 126
Tabla 44. Temperatura de la Mezcla de Concreto con 25% de ACR ... 126
Tabla 45. Temperatura de la Mezcla de Concreto con 30% de ACR ... 127
Tabla 46. Temperatura de la Mezcla de Concreto Reciclado 40% ... 127
Tabla 47. Temperatura de la Mezcla de Concreto con 50% de ACR ... 128
Tabla 48. Asentamiento de la Mezcla de Concreto Estándar ... 128
Tabla 49. Asentamiento de la Mezcla de Concreto con 25% de ACR ... 129
Tabla 50. Asentamiento de la Mezcla de Concreto con 30% de ACR ... 129
Tabla 51. Asentamiento de la Mezcla de Concreto con 40% de ACR ... 130
Tabla 52. Asentamiento de la Mezcla de Concreto Reciclado 50% ... 130
Tabla 53. Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto Estándar ... 134
Tabla 54. Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 25% de ACR ... 135
Tabla 55. Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 30% de ACR ... 136
Tabla 56. Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 40% de ACR ... 137
Tabla 57. Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto con 50% de
ACR ... 138
Tabla 58. Resistencia a la Flexión del Concreto Estándar ... 140
Tabla 59. Resistencia a la Flexión Promedio del Concreto Estándar ... 140
Tabla 60. Resistencia a la Flexión del Concreto con 25% de ACR ... 141
Tabla 61. Resistencia a la Flexión Promedio del Concreto con 25% de ACR... 141
Tabla 62. Resistencia a la Flexión del Concreto con 30% de ACR ... 142
Tabla 63. Resistencia a la Flexion promedio del Concreto Reciclado 30% ... 142
Tabla 64. Resistencia a la Flexión del Concreto con 40% de ACR ... 143
Tabla 65. Resistencia a la Flexión Promedio del Concreto con 40% de ACR... 143
Tabla 66. Resistencia a la Flexión del Concreto con 50% de ACR ... 144
Tabla 67. Resistencia a la Flexión Promedio del Concreto con 50% de ACR... 144
Tabla 68. Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto Estándar ... 146
Tabla 69. Resistencia promedio a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto Estándar ... 146
Tabla 70. Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 25% de ACR ... 147
Tabla 71. Resistencia promedio a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 25% de ACR ... 147
Tabla 72. Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 30% de ACR ... 148
Tabla 73. Resistencia promedio a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 30% de ACR ... 148
Tabla 74. Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 40% de ACR ... 149
Tabla 75. Resistencia promedio a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 40% de ACR ... 149
Tabla 76. Resistencia a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto con 50% de ACR ... 150
Tabla 77. Resistencia promedio a la Tracción Indirecta de Probetas Cilíndricas de Concreto Reciclado 50% ... 150
Tabla 78. Módulo de Elasticidad del Concreto Estándar a Diferentes Edades ... 152
Tabla 79. Módulo de Elasticidad del Concreto con 25% de ACR a Diferentes Edades .... 153
Tabla 80. Módulo de Elasticidad del Concreto con 30% de ACR a Diferentes Edades .... 154
Tabla 81. Módulo de Elasticidad del Concreto con 40% de ACR a Diferentes Edades .... 155
Tabla 82. Módulo de Elasticidad del Concreto con 50% de ACR a Diferentes Edades .... 156
Tabla 83. Diseño de Mezcla de Concreto Estándar ... 187
Tabla 84. Diseño de Mezcla de Concreto Reciclado con 25 % de ACR. ... 187
Tabla 85. Diseño de Mezcla de Concreto Reciclado con 30 % de ACR. ... 188
Tabla 86. Diseño de Mezcla de Concreto Reciclado con 40 % de ACR. ... 188
Tabla 87. Diseño de Mezcla de Concreto Reciclado con 50 % de ACR. ... 189
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Proceso de obtención de agregado de concreto reciclado. ... 27
Figura 2. Resistencia a la compresión de concretos convencionales, con ACR, y concretos hechos con agregados secados al horno y saturados supercialmente secos. ... 35
Figura 3. Resistencia a la compresión de concretos convencionales y con ACR bajo el enfoque TSMA y NMA. ... 36
Figura 4. Factores que afectan la resistencia a la compresión en concretos elaborados con agregado de concreto reciclado.. ... 43
Figura 5. Funcionamiento del Impact Estimator for Buildings. ... 55
Figura 6. La parte de los ciclos de vida de los concretos con NA y RCA utilizados en el estudio comparativo LCA. En el RCA, el transporte del subciclo concreto de CDW al vertedero. ... 60
Figura 7. Análisis granulométrico del agregado grueso mediante tamizado. ... 73
Figura 8. Análisis granulométrico del agregado fino mediante tamizado. ... 73
Figura 9. Análisis granulométrico del agregado grueso de concreto reciclado mediante tamizado. ... 73
Figura 10. Secado de agregado fino en la estufa a 110 ºC. ... 75
Figura 11. Secado de agregado grueso en la estufa a 110 ºC.. ... 76
Figura 12. Secado de agregado grueso reciclado en la estufa a 110 ºC. ... 76
Figura 13. El recipiente es llenado con agregado fino desde una altura no mayor a 50mm. ... 77
Figura 14. El recipiente es llenado en 3 capas y se apisona la masa mediante 25 golpes sobre la superficie... 78
Figura 15. El recipiente es llenado con agregado grueso desde una altura no mayor a 50mm. ... 79
Figura 16. El recipiente es llenado con agregado grueso reciclado desde una altura no mayor a 50mm. ... 80
Figura 17. El recipiente es llenado con agregado grueso en 3 capas y se apisona la masa mediante 25 golpes sobre la superficie. ... 80
Figura 18. El recipiente es llenado con agregado reciclado en 3 capas y se apisona la masa mediante 25 golpes sobre la superficie y al final se le pasa la varilla. ... 81
Figura 19. Elaboración de las mezclas de concreto. Elaboración propia... 88 Figura 20. Mezcla de concreto con 30% de sustitución de agregado natural por reciclado.88
Figura 21. Probetas de concreto del diseño de mezcla con 40% de sustitución de agregado
grueso natural por reciclado. ... 89
Figura 22. Llenado de capas de concreto para determinar el peso unitario suelto del concreto. ... 90
Figura 23. Ensayo de temperatura de una mezcla de concreto. ... 91
Figura 24. Asentamiento de una mezcla de concreto. ... 92
Figura 25. Curado de probetas en la posa de curado de las mezclas de concreto. ... 92
Figura 26. Esquema de patrones típicos de fracturas. ... 94
Figura 27. Elaboración de vigas de concreto. ... 96
Figura 28. Desmoldado de vigas de concreto. ... 97
Figura 29. Curado de vigas de concreto... 97
Figura 30. Ensayo de flexión de vigas de concreto con 40% de sustitución de agregado grueso natural por reciclado. ... 98
Figura 31. Carga máxima aplicada en la viga de concreto con 40% de sustitución de agregado grueso natural por reciclado. ... 98
Figura 32. Rotura de la viga de concreto con 40% de sustitución de agregado grueso natural por reciclado. ... 99
Figura 33. Aplicación de carga a la probeta de concreto con 25% de sustitución de agregado grueso natural por reciclado. ... 99
Figura 34. Falla por tracción indirecta de la probeta de concreto con 25% de sustitución de agregado grueso natural por reciclado. ... 99
Figura 35. Creación del modelo de estructura aporticada en el programa Athena. ... 102
Figura 36. Creación del agregado reciclado en el programa Athena. ... 102
Figura 37. Creación del concreto con agregado reciclado con diferentes proporciones de sustitución de AN por ACR en el programa Athena. ... 103
Figura 38. Creación de las vigas y columnas en el programa Athena.. ... 104
Figura 39. Creación de pisos en el programa Athena. ... 104
Figura 40. Creación de techos en el programa Athena. ... 105
Figura 41. Creación de zapatas en el programa Athena. ... 105
Figura 42. Creación de muros armados en el programa Athena. ... 105
Figura 43. Curva de distribución granulométrica del agregado fino de acuerdo al Huso Granulométrico 9. ... 110 Figura 44. Curva de distribución granulométrica del agregado grueso de acuerdo al Huso
Figura 45. Curva de distribución granulométrica del agregado grueso reciclado de acuerdo al Huso Granulométrico No.67. ... 114 Figura 46. Reporte resumen de ánálisis de impacto ambiental por etapas, diseño de concreto estándar aplicado al modelo de estructura aporticada mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 131 Figura 47. Etapa del fin de ciclo de vida del modelo de estructura con concreto estándar, las consecuencias luego de la demolición y disposición de desechos, y la suma total de los efectos mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena... 131 Figura 48. Reporte resumen de análisis de impacto ambiental por etapas, diseño de concreto reciclado con un 50% de agregado grueso reciclado aplicado a la estructura mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 132 Figura 49. Etapa del fin de ciclo de vida del modelo de estructura con concreto reciclado 50%, las consecuencias luego de la demolición y disposición de desechos, y la suma total de los efectos mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 132 Figura 50. Resultados de la evaluación de impacto ambiental mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 133 Figura 51. Comparación de resistencia a la compresión de todos los diseños de mezcla realizados a los 7, 14, 21 y 28 días. ... 139 Figura 52. Comparación de resistencia a la flexión de los diseños de mezcla realizados a los 7, 14, 21 y 28 días. ... 145 Figura 53. Comparación de resistencia a la tracción indirecta de los diseños de mezcla analizados. ... 151 Figura 54. Variación del módulo de elasticidad a las diferentes edades de las muestras de concreto ensayadas. ... 157 Figura 55. Resultados de la energía primaria total (MJ/m3) utilizada en el proyecto mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 158 Figura 56. Resultados del combustible fósil total (MJ/m3) utilizado en el proyecto mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena.. ... 159 Figura 57. Resultados del potencial generación de smog total (kgO3/m3) en el proyecto mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 160 Figura 58. Resultados del potencial calentamiento global total (kgCO2/m3) en el proyecto mediante el uso de la metodología LCA en el programa Athena. ... 160 Figura 59. Ensayo de compresión de la probeta 21 de concreto con un 25% de sustitución de agregado natural por reciclado. ... 189
Figura 60. Carga máxima (22130 kg) de compresión de la probeta 21 de concreto con un 25% de sustitución de agregado natural por reciclado. ... 190 Figura 61. Fractura de cono bien formado en un extremo de la probeta 21 de concreto con un 25% de sustitución de agregado natural por reciclado. ... 190 Figura 62. Ensayo de compresión de la probeta 10 de concreto con un 30% de sustitución de agregado natural por reciclado. ... 190 Figura 63. Cuadro comparativo de la resistencia a la compresión de las probetas ensayadas de concreto estándar y reciclado a los 7 días. ... 191 Figura 64. Cuadro comparativo de la resistencia a la compresión especificada (f’c) de las probetas ensayadas de concreto estándar y reciclado a 14 días. ... 191 Figura 65. Cuadro comparativo de la resistencia a la compresión de diseño (f’c) de las probetas ensayadas de concreto estándar y reciclado a 21 días. ... 192 Figura 66. Cuadro comparativo de la resistencia a la compresión de diseño (f’c) de las probetas ensayadas de concreto estándar y reciclado a 28 días. ... 192
INTRODUCCIÓN
Tema
Concreto reciclado como agregado grueso para la elaboración de concreto estructural.
Título
“Propuesta de agregado reciclado para la elaboración de concreto estructural con f’c=280 kg/cm2 en estructuras aporticadas en la ciudad de Lima para reducir la contaminación ambiental”.
Antecedentes
En los últimos años, la industria de la construcción ha seguido expandiéndose con la economía mundial. Esta se ha convertido en un importante consumidor de nuevo material e importante contribuyente de residuos sólidos. Las estadísticas muestran que la generación de residuos de la industria de construcción ha aumentado significativamente. El creciente impacto ambiental de la construcción se convierte en un serio problema que puede causar daños significativos no sólo a los ecosistemas, sino también a la salud y el bienestar de los trabajadores de campo y de los vecinos de los lugares de construcción (Li et al., 2009). La tabla 1 muestra el volumen del total y proporción de los desperdicios de construcción y demolición (CDW) generados en la Unión Europea.
Tabla 1. Volumen del total y proporción de los desperdicios de construcción y demolición (CDW)
País
Desperdicio Total (Millones de
Toneladas)
Desperdicio de Construcción y Demolición/Desperdicio Total
(%)
EU-27 2570 33
Bélgica 44 7
Bulgaria 166 NA
República
Checa 24 39
Dinamarca 14 15
Alemania 364 53
Estonia 19 2
Irlanda 20 8
Grecia 69 10
España 138 28
Francia 355 73
Italia 179 39
Chipre 2 45
Letonia 1 1
Lituania 6 6
Luxemburgo 10 84
Hungría 16 20
Malta 1 77
Holanda 119 66
Austria 35 26
Polonia 159 13
Portugal 38 29
Rumanía 219 NA
Eslovenia 5 30
Eslovaquia 11 17
Finlandia 104 24
Suecia 118 8
Reino Unido 334 30
Nota: Se ha realizado un desagregado por país, indicando las toneladas y los porcentajes de residuos de construcción y demolición (CDW) que presentan los países de la Unión Europea (UE). Adaptado de “Construction waste generation across construction project life-cycle”, por Kozlovská & Spišáková, 2013.
Un 50% del total de residuos generados en el Reino Unido es de desperdicios de construcción y demolición (Construcction and Demolition Waste-CDW), con una cantidad de descarga
en 23%, lo que equivale a 20 millones de toneladas (Poon & Chan, 2007). En Malasia, los CDW representan aproximadamente el 41% de la generación total de residuos sólidos (Eusuf et al., 2012). La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) estimó que en 2015 se generaron 548 millones de toneladas de residuos de construcción y demolición (C&D) y que, además, la demolición representa más del 90 por ciento de la generación total de escombros de C&D, mientras que la construcción representa menos del 10 por ciento (United States Environmental Protection Agency, 2015). Mientras tanto, en la Unión Europea, la industria aportó el 33% (de 821 millones de toneladas) de los residuos totales en el año 2012 solamente (Eurostat, 2015).
Durante la última década la rápida urbanización y la insuficiente atención a los residuos de construcción y demolición (CDW), sobre todo en países en desarrollo, han contribuido a una necesidad urgente de investigación adicional sobre la tasa de generación de residuos (WGR).
Para tener en cuenta las externalidades y los costos ambientales, los datos cuantitativos de los desechos son fundamentalmente importantes (Myers, 2004). La minimización y el reciclado de los desechos son difíciles de implementar cuando no se conocen de forma fiable los datos cuantitativos relativos a la composición de los desechos y la tasa de generación de residuos (Hassan et al., 2000).
Un estudio en Malasia (Mah, Fujiwara & Ho, 2016) emplea el método sugerido en Poon et al. (2004), en el que se estima la generación de residuos en función del número de viajes de camiones de desecho y del tamaño (volumen) del contenedor de residuos que se envía desde el lugar del proyecto. La estimación del número total de viajes de camiones de residuos se ilustra en la ecuación 1.
𝑁 =𝐶𝑎𝑙𝑙
𝐶 (1) Donde:
N: Es el número total de viajes de camiones de residuos.
𝐶𝑎𝑙𝑙: Es el costo total de eliminación de residuos.
C: Es el costo de eliminación por viaje en camión.
Mediante la medición in situ, se recogen los tamaños de los contenedores de camiones de desecho. A continuación, se calcula el volumen de residuos que se descargan fuera del emplazamiento con la ecuación 2.
𝑉𝑎𝑙𝑙 = 𝑉 × 𝑁 (2)
Donde:
𝑉𝑎𝑙𝑙 : Es el volumen total de eliminación de residuos.
V: Es el tamaño del contenedor de residuos.
Con la modificación de acuerdo con la industria de la construcción de Malasia, el WGR se estima a través del modelo matemático indicativo utilizado por Fatta et al. (2003) y Kourmpanis et al. (2008). La WGR de la categoría de residuos k se define por la ecuación 3.
𝑊𝐺𝑅 (𝐾) =𝑉𝑎𝑙𝑙× 𝐶𝑜𝑚(𝑘) × 𝜌(𝑘)
𝐹𝐴 (3)
Donde:
FA (floor area): Es la superficie construida o demolida (𝑚2), ρ(k): Es la densidad de residuos k (𝑡. 𝑚−3),
Com (k): Es la composición (%) de residuos que se recoge a través de entrevistas y revisiones de los informes.
Con la tasa de generación de residuos (WGR) se pueden adoptar políticas de gestión eficiente de residuos de construcción y demolición y así disminuir el impacto ambiental, los costos elevados. Asimismo, con la WGR se puede evaluar la factibilidad de utilizar el reciclaje de residuos de concreto que sirven como agregado para la fabricación de concreto estructural nuevo.
En Australia, los estudios demostraron que un plan eficaz de gestión de residuos redujo la generación de residuos en un 15%, con un 43% menos de residuos enviados a los vertederos y un ahorro del 50% en los costos de manejo de desechos relacionados (McDonald &
Smithers, 1998). El estudio de Marzouk & Azab (2014) sugiere un ahorro de 12,3 millones de toneladas en la sustitución de materias primas si el reciclaje se lleva a cabo con la misma cantidad de material desechado.
Tam (2009) en una investigación para comparar la implementación del reciclaje de concreto en Japón con la de Australia, notó que los principales beneficios del reciclaje de concreto incluyen la reducción en la demanda de nuevos recursos, la reducción en los costos de transporte y producción y el uso efectivo de desechos que de otro modo habrían sido trasladados al vertedero.
Realidad problemática
El crecimiento constante de las actividades de construcción, remodelación y demolición en las ciudades genera grandes volúmenes de residuos de concreto demolido, que en la actualidad se han convertido en un problema grave de contaminación ambiental. (Robayo et al., 2014, p.1). Los residuos de construcción y demolición (C&D) son generalmente una mezcla de materiales sobrantes provenientes de las actividades de construcción, renovación y demolición, incluyendo la limpieza del sitio y la excavación de terrenos. Por otro lado, en el Perú los residuos de C&D son clasificados como residuos no peligros de gestión no municipal y se rigen por lo dispuesto en el Reglamento para la Gestión y Manejo de los Residuos de las Actividades de Construcción y Demolición, aprobado mediante Decreto Supremo Nº 003-2013-VIVIENDA (Decreto Supremo 003-2013-VIVIENDA, art 1).
En una investigación reciente en Corea del Sur (Won & Cheng, 2017) acerca de las causas de los inadecuados procesos de gestión y minimización de los residuos de construcción y demolición muestra que estas se deben a la mala calidad del diseño, los largos periodos de almacenamiento in-situ, los presupuestos que no incluyen buffers de contingencia para el manejo de residuos de C&D, los tipos y cantidades de residuos de C&D generados no se estimaron para cada fase del trabajo, la inadecuada optimización del diseño para reducir la cantidad de materiales usados, la no estandarización y coordinación dimensional de los elementos de construcción durante la fase de diseño, los residuos peligrosos no se separaron y almacenaron en recipientes adecuados claramente etiquetados y mantenidos bajo cubierta y la mala planificación durante el diseño.
Asimismo, se ha demostrado que la adopción de decisiones inadecuadas en el diseño y los cambios inesperados en el diseño aumentan el volumen de residuos C&D en un 33%
(Markandeya & Kameswari, 2015).
A juicio de los economistas ambientales, los residuos causan externalidades negativas al medio ambiente, a pesar de que la mayor parte de los CDW son materiales inertes (Franklin Associates, 1998) y no representan una amenaza tan grande como los residuos sólidos peligrosos y municipales (Wang et al., 2004). Sin embargo, el CDW agota los recursos finitos de vertederos (Marzouk & Azab, 2014), contribuye al aumento del consumo de energía, aumenta las emisiones de gases de efecto invernadero, presenta problemas de salud pública y de otra forma contamina el medio ambiente. En el Reino Unido, la industria emite
apróximadamente 250,3 millones de toneladas anuales de CO2 (BIS, 2010), y en Estados Unidos representa el 39% de las emisiones totales de CO2 del país, más que cualquier otro sector individual (USGBC, 2006).
En el Perú, en el año 2012, el porcentaje de residuos producto del sector construcción fue un 3.58% del total de residuos sólidos, siendo así el segundo tipo de residuo de mayor importancia (Informe Anual de Residuos Sólidos Municipales y no Municipales en el Perú Gestión 2012 del Ministerio del Ambiente, 2012). En la ciudad de Lima, la industria de la construcción produce cada día apróximadamente 30000 m3 de desmonte, es decir, unas 19000 toneladas (El Comercio, 2017). Por otro lado, como indica el Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental-OEFA (2014) en el Perú existen 9 rellenos sanitarios y 2 rellenos de seguridad, los cuales no son suficientes para el volumen de basura que se genera en el país. Asimismo, la OEFA (2014) menciona que “en la ciudad de Lima existen cinco lugares autorizados para recibir residuos sólidos (Modelo del Callao, El Zapallal, Portillo Grande, Huaycoloro y Befesa), pero ninguno exclusivamente para desmonte de construcciones” (p.4).
En el 2012, la Municipalidad Provincial del Callao estableció zonas potenciales para instalar escombreras, pero aún está en etapa de proyecto. A pesar de que existen normas vigentes que regulan el manejo y disposición de los residuos de C&D, el 70%
de desmonte va al mar y a los ríos y solo el 30% restante va a los puntos autorizados (El Comercio, 2017, párr.3).
A continuación, en la tabla 2 se presenta el marco legal y técnico normativo vigente en relación con el manejo de los residuos de construcción y demolición.
Tabla 2. Normas Legales Vigentes
Norma Vigente Descripción
Ley N° 27314 Ley General de Residuos Sólidos y su Reglamento
Formulada en el año 2001, represente una de las primeras acciones para ordenar la gestión ambiental. Establece las obligaciones, derechos y responsabilidades tanto del estado como de la sociedad civil en cuanto a los residuos sólidos.
Diferencia los residuos generados en las actividades domésticas de los generados por actividades productivas.
Regula todas las actividades del manejo de los residuos desde su generación hasta su disposición final.
DS N° 003-2013-VIVIENDA Reglamento para la Gestión y Manejo de los Residuos de las Actividades de Construcción
y Demolición y su
modificatoria.
Regula la gestión y manejo de los residuos generados en actividades de construcción y demolición. Establece las obligaciones tanto de las instituciones del estado relacionados a la materia como de los generadores de este tipo de residuos. Regula los procesos y las etapas de la gestión y manejo de los residuos de construcción y demolición y promueve la inversión privada en ellos.
R.M 220-2015-VIVIENDA Aprueban Aplicativo Virtual para la Declaración Anual del Manejo de Residuos Sólidos de las Actividades de la Construcción y Demolición
Aprueba el Aplicativo Virtual para la Declaración Anual de Manejo de Residuos de las Actividades de Construcción y Demolición. Esta declaración tiene carácter de Declaración Jurada.
NTP 400.050:2017
MANEJO DE RESIDUOS
DE CONSTRUCCIÓN.
Manejo de Residuos de la Actividad de la Construcción y Demolición. Generalidades
Establece principios y criterios técnicos generales a considerar durante las actividades de construcción y demolición a fin de lograr un manejo adecuado de los residuos generados por estas actividades.
Nota: Marco legal y técnico en relación con los residuos de construcción y demolición.
Elaboración propia.
Salinas & Ulloa (2015) mencionan que las pérdidas que se originan en la construcción tienen diferentes causas, siendo una de las más importantes la no optimización de los proyectos y el inadecuado seguimiento durante la etapa de construcción. Algunos estudios previos con respecto a las pérdidas por no optimización de los proyectos que se traducen en desperdicios se presentan a continuación.
El estudio de Skoyles (1982, como se cita en Buleje, 2012) señala que:
Toma en cuenta el porcentaje de pérdida considerado en el presupuesto. Después realiza el estudio en 210 obras y determina el porcentaje de pérdida real. En la tabla 3, se muestra el porcentaje mínimo, el máximo y el promedio. Asimismo, se muestra que el 80% de materiales tiene un porcentaje de desperdicio mayor al presupuestado.
Más aún, el material que tiene mayor diferencia es el concreto en infraestructura, el cual suele ser el material con mayor incidencia en el presupuesto de cualquier obra en el Perú (p.12).
Tabla 3. Cuadro cuantitativo de desperdicios
Núm.
Obras
Pérdida (%) Índice de pérdidas (%)
Min Máx Prom. Ppto.
Concreto en Infraestructura 12 3 18 8 2.5
Concreto en Superestructura 3 2 2.5
Acero 1 5 2.5
Ladrillos corrientes 68 1 20 8 4
Ladrillos cara vista 62 1 22 12 5
Ladrillos estructurales
huecos 2 5 2.5
Ladrillos estructurales
macizos 3 10 2.5
Bloques Ligeros 22 12 22 9 5
Bloques de Concreto 1 7 5
Tejas 1 2 7 10 2.5
Maderas (tablas) 3 1 4 15 5
Maderas (planchas) 2 15 5
Mortero (paredes) 4 5 5
Mortero (techo) 4 2 5
Cerámica (paredes) 1 2 2.5
Cerámica (pisos) 1 2 2.5
Tubería de cobre 9 7 2.5
Tubería de PVC 1 3 2.5
Conexiones de cobre 7 3 2.5
Placas de vidrio 3 9 5
Nota: Cuadro cuantitativo de desperdicios. Adaptado de “Waste and the Estimator”, por Skoyles, 1982.
A diferencia del estudio anterior, Soibelman (2000) presenta resultados cualitativos sobre las causas de desperdicios de distintos materiales. Estas se muestran en la tabla 4.
Tabla 4. Cuadro cualitativo de desperdicios
Concreto premezclado
Diferencias entre cantidad solicitada y entregada Uso de equipos en mal estado
Errores de cubicaje
Dimensiones mayores a las proyectadas
Mortero Uso excesivo del mortero para reparar irregularidades
Presencias de sobrantes diarios, los cuales deben ser eliminados Ladrillos
huecos
Malas condiciones en el recibo y almacenamiento de ladrillos
Modulación nula, lo que trae como consecuencia el corte de unidades Cemento
Uso excesivo del morero para reparar irregularidades Rotura de bolsas al momento de recibir el material Almacenamiento inadecuado del material
Arena Inexistencia de contenciones laterales para evitar dispersión de material Manipulación excesiva antes de su uso final
Nota: Cuadro cuantitativo de desperdicios. Adaptado de “Material de Desperdicio en la Industria de la Construcción: Incidencia y Control”, por Soibelman, 2000.
Picchi (1993) en su tesis doctoral muestra estimaciones de los desperdicios generados en proyectos de edificación en Sao Paulo, donde se puede ver que existe un 30% del costo total de la obra compuestos por desperdicios. En la tabla 5 se muestran dichas estimaciones.
Asimismo, Picchi (1993) menciona que, si se tuviera un proyecto de cuatro edificios, se podría construir el cuarto con los desperdicios de los otros tres.
Tabla 5. Desperdicios estimados en obras de edificaciones y porcentaje del costo total de la obra
ESTIMADO DE DESPERDICIO EN OBRAS DE EDIFICACIONES (% del costo total de la obra)
ITEM DESCRIPCION %
Restos del material
Restos de mortero
5.00%
Restos de ladrillo Restos de madera Limpieza
Retirada de material Espesores
adicionales de mortero
Tarrajeo de techos
5.00%
Tarrajeo de paredes internas Tarrajeo de paredes externas Contrapisos
Dosificaciones no optimizadas
Concreto
2.00%
Mortero de tarrajeo de techos Mortero de tarrajeo de paredes Mortero de contrapisos
Mortero de revestimientos Reparaciones y
retrabajos no computados
Repintado
2.00%
Retoques
Corrección de otros servicios Proyectos no
optimizados
Arquitectura
6.00%
Estructura
Instalaciones Sanitarias Instalaciones eléctricas Pérdidas de
productividad debidas a problemas de
calidad
Parada de operaciones adicionales por falta de calidad de los materiales y servicios anteriores
3.50%
Costos debido a atrasos
Pérdidas financieras por atrasos de las obras y costos adicionales de administración, equipos y multas
1.50%
Costos en obras entregas
Reparo de patologías ocurridas después de la
entrega de obra 5.00%
30.00%
Nota: Porcentaje de costo total de acuerdo con los desperdicios en obras de edificaciones.
Adaptado de “Estimación de desperdicios en obras de edificación”, por Picchi, 1993.
Vásquez (2005, como se cita en Orihuela, P & Orihuela, J., 2005) en su estudio realizó entrevistas en 65 obras de edificación de viviendas a ingenieros residentes y maestros de obras en Lima y concluyó que el 73% de los entrevistados percibía que el diseño tiene una
calificaron el grado de eficiencia de los proyectos realizados en Lima, como de regular a deficiente.
Por otro lado, en la tabla 6 se presentan los principales defectos de diseño y su porcentaje de influencia en la generación de desperdicios y reprocesos que Salinas & Ulloa (2014) mencionan en su estudio.
Tabla 6. Defectos de diseño
Nº DEFECTOS DE DISEÑO %
1 Escaso detalle de los elementos estructurales 13.97 % 2 Falta de planos detallados de arquitectura 12.78 % 3 Incompatibilidad entre las diferentes
especialidades 11.59 %
4 Cruce de información incorrecto con
estructuras 8.17 %
5 Falta de definición de elementos de arquitectura 6.54 % 6 Modificaciones en los planos de estructuras 6.39 % 7 Falta de dimensiones de arquitectura 6.24 % 8 Falta de identificación y ubicación de
elementos de arquitectura 5.65 %
9 Materiales de acabados que requieren muestras 4.75 %
10 Problemas con los ejes 4.46 %
11 Defectos de diseño en el desagüe 4.16 % 12 Cruce de información incorrecto con
arquitectura 3.12 %
13 Cambios de diseño de propietario 3.12%
14 Defectos de diseño eléctrico 2.97 %
15 Se entregan tarde los planos de arquitectura 1.93 %
16 Defectos en los diseños A.C 1.49 %
17 Problemas con los equipos eléctricos 0.89 %
18 Estructura de los equipos 0.59 %
19 Problemas con los materiales en el mercado 0.45 %
20 Convención de símbolos 0.45 %
21 Defecto en los diseños de gas 0.30 %
TOTAL 100%
Nota: Defectos de diseño. Adaptado de “Mejoras en la implementación de BIM en los procesos de diseño y construcción de la empresa Marcan”, por Salinas & Ulloa, 2014.
En el estudio de Orihuela, P & Orihuela, J (2005) se presentó un caso real de un edificio de 7 pisos, ofertado dentro del Programa Mivivienda, en el cual se hizo el seguimiento realizado durante la obra, con la finalidad de analizar el nivel de coordinación que se logra en la interfase diseño-construcción. Este estudio se restringió solamente al seguimiento hecho durante la construcción de la cisterna, la caja de ascensor y escaleras. Con relación a la
cisterna, se detectaron fallas en diseño de excavación y su estabilidad pues no hubo una coordinación entre el Ingeniero Sanitario y el Ingeniero Estructural, lo cual generó un sobre espesor significativo en las paredes de la cisterna y; por ende, un costo adicional de S/. 660.
Por otro lado, se tuvo que reforzar con malla y mortero para poder terminar la excavación y realizar los demás trabajos, lo que originó un tiempo y costo adicional de S/. 810. Además, como el espacio era muy reducido y con difícil acceso, para el encofrado y vaciado de concreto lo que se hizo fue armar un entablado intermedio con apuntalamiento y un vaciado en dos etapas para evitar la segregación. Este proceso generó muchas actividades no productivas, lo cual se tradujo en un costo adicional de S/. 550 y 63 horas-hombre (hh). Por otra parte, para el dimensionamiento de la caja de ascensor el arquitecto obtuvo información genérica sobre ascensores, pero al momento de contactar con el proveedor definitivo no se efectuó, a su debido tiempo, una revisión minuciosa de los vanos. Por lo cual, se tuvo que modificar la viga que pasaba por el umbral de la puerta y pedir el recálculo al ingeniero estructural. Esto originó tiempos de espera y retrasos en la programación del avance de estos frentes. Con relación a las escaleras, hubo un problema coordinación entre el ingeniero estructural y el proveedor final de pasos prefabricados, pues los planos estructurales indicaban que el contrapaso debía ser de 15 cm, pero no se había contemplado, en la etapa de diseño, el espesor de acabado de los contrapasos prefabricados. Por ello, se tuvo que rebajar 2.5 cm a todos los pasos, lo que implicó 105 hh y un costo de S/.850.
Por todo lo mencionado, Orihuela, P & Orihuela, J (2005) demostraron que haciendo el seguimiento solo a la cisterna, caja de ascensor y escaleras de un edificio se podía evidenciar que, si el diseño del producto se hubiese contemplado simultáneamente al proceso del mismo, se habría podido mejorar significativamente la calidad y la productividad de la obra. Se estimó los costos tangibles por deficiencias en diseño y se obtuvo un total de S/. 19 420, considerando que el costo del casco de la cisterna, la caja de ascensor y escaleras ascendió a S/. 91 850, los autores afirmaron que las optimizaciones que se pudieron dar en el diseño eran del orden del 20%. Por tal motivo, es importante tener una coordinación constante entre las personas involucradas del proyecto para evitar reprocesos y deficiencias en la etapa de diseño, ya que generan desperdicios significativos y sobrecostos innecesarios.
En otros países del mundo como Alemania, Estados Unidos, Holanda, Dinamarca, Japón y Gran Bretaña se ha desarrollado una gestión integral en el manejo de residuos basados en una legislación específica que regula el vertido de residuos de construcción. Además, estos países poseen programas para reciclar materiales de construcción con la creación de plantas de
tratamiento. Japón prevé reciclar de 10 a 12 millones de toneladas de concreto por año (Natalani, Klees & Tirner, 2000).
Por lo tanto, es importante que en Perú se tomen acciones para la gestión y minimización de la carga de escombros en las ciudades siguiendo los modelos implementados en otros países desarrollados. Para tal efecto, el concreto juega un papel importante, ya que en él se puede incorporar los agregados de concreto reciclado (ACR). Sin embargo, es muy importante evaluar las propiedades mecánicas y de durabilidad de estos concretos para garantizar un comportamiento adecuado en las diferentes estructuras a construir.
Delimitación del Problema
La investigación se limitará en diseñar un concreto con el uso de agregado grueso reciclado y la simulación de un modelo de impacto ambiental aplicado a una estructura aporticada mediante el uso de la metodología Life Cycle Assessment (LCA) para que sirva como herramienta sostenible, disminuya la cantidad de desperdicio de construcción que ingresa a los vertederos y contribuya con la reducción de los niveles de emisión de gases contamintantes en la industria de la construcción.
Justificación del Problema
La utilización de concreto reciclado como agregado grueso para el diseño de concreto estructural se justifica plenamente con aspectos ambientales. El crecimiento constante de las actividades de construcción, remodelación y demolición de estructuras en las ciudades genera grandes volúmenes de residuos de concreto demolido, que en la actualidad se han convertido en un problema grave de contaminación ambiental.
Por otro lado, se sabe que durante los años 2010-2013 comprendidos en el Informe Anual de Residuos Sólidos Municipales y No Municipales del año 2014 (MINAM, 2014), el sector construcción experimentó un crecimiento importante en la construcción de viviendas (Zubiate, 2015), motivo por el cual la generación de los residuos de C&D durante esos años debió ser mayor a los años previos y posteriores.
En el Informe Anual de Residuos Sólidos Municipales y No Municipales del año 2014 (MINAM, 2014) se afirma que existe una fuerte relación entre crecimiento poblacional (tasa de crecimiento poblacional) y la generación de residuos sólidos (toneladas/año).
En el Compendio Estadístico del año 2018 (INEI, 2018) los departamentos del Perú presentan una tasa de crecimiento poblacional importante como se muestra en la tabla 7, los cuales tienen necesidad de infraestructura variada, pero que a pesar de que existen normas que regulan la gestión y manejo de residuos de C&D, no se tienen rellenos sanitarios suficientes en el país y mucho menos escombreras para la adecuada disposición de residuos de C&D (OEFA, 2014).
Tabla 7. Tasa de crecimiento promedio anual de la población censada
Departamento
Tasa de Crecimiento Promedio Anual (%) 1940-
1961
1961- 1972
1972- 1981
1981- 1993
1993- 2007
2007- 2017
Amazonas 2,9 4,6 3,0 2,4 0,8 0,1
Áncash 1,5 2,0 1,4 1,2 0,8 0,2
Apurímac 0,5 0,6 0,5 1,4 0,4 0,04
Arequipa 1,9 2,9 3,2 2,2 1,6 1,8
Ayacucho 0,6 1,0 1,1 -0,2 1,5 0,1
Cajamarca 2,0 1,9 1,2 1,7 0,7 -0,3
Prov. Const. del Callao 4,6 3,8 3,6 3,1 2,2 1,3
Cusco 1,1 1,4 1,7 1,8 0,9 0,3
Huancavelica 1,0 0,8 0,5 0,9 1,2 -2,7
Huánuco 1,6 2,1 1,6 2,7 1,1 -0,6
Ica 2,9 3,1 2,2 2,2 1,6 1,8
Junín 2,1 2,7 2,2 1,6 1,2 0,2
La Libertad 2,0 2,8 2,5 2,2 1,7 1,0
Lambayeque 2,8 3,8 3,0 2,6 1,3 0,7
Lima 4,4 5,0 3,5 2,5 2,0 1,2
Loreto 2,8 2,9 2,8 3,0 1,8 -0,1
Madre de Dios 5,4 3,3 4,9 6,1 3,5 2,6
Moquegua 2,0 3,4 3,5 2,0 1,6 0,8
Pasco 2,0 2,3 2,0 0,5 1,5 -1,0
Piura 2,4 2,3 3,1 1,8 1,3 1,0
Puno 1,1 1,1 1,5 1,6 1,1 -0,8
San Martín 2,6 3,0 4,0 4,7 2,0 1,1
Tacna 2,9 3,4 4,5 3,6 2,0 1,3
Tumbes 3,7 2,9 3,4 3,4 1,8 1,2
Ucayali 6,8 5,9 3,4 5,6 2,2 1,4
Nota: Tasa de crecimiento promedio anual de la población censada, según departamento.
Adaptado de “Compendio Estadístico 2018”, por INEI, 2014.
Como menciona Robayo et. al (2014) que hoy en día las canteras y ríos se explotan con mayor intensidad para lograr la extracción de materias primas que serán utilizadas para la elaboración de distintos concretos. Asimismo, el autor se plantea una interrogante de hasta cuándo las canteras y los ríos podrán abastecer esta demanda de materias primas no renovables en países latinoamericanos.
La extracción, producción, transporte y utilización de materiales no renovables como es el caso de los agregados usados en el concreto tienen un fuerte impacto en el medio ambiente debido a la huella de carbono que dejan al ser explotados sin cuidado alguno.
Para entender mejor el concepto “la huella de carbono a menudo se describe como el CO2
emitidos como resultado de una actividad o proceso asociado con un producto, servicio o región” (Onat, Kucukvar, & Tatari, 2014). Por ende, las actividades de construcción repercuten de manera negativa ante el ecosistema en el que nos encontramos generando un impacto ambiental negativo.
Se sabe que constantemente se buscar mejorar los procesos que incluyen el consumo de materias primas no renovables, pero como menciona Nielsen (2008) las industrias buscan optimizar el diseño de la mezcla con el fin de reducir la huella de carbono, pero por otro lado los contratistas buscan aumentar los índices de producción mediante la utilización de concretos convencionales.
Por ello, dada la necesidad de incrementar la eficiencia en el consumo de materiales de construcción y de energía, resulta oportuno estudiar materiales para su reciclaje sobre todo como en el caso del concreto, que hoy por hoy, es el material más producido por año en el mundo y uno de los que causa mayor impacto ambiental (Behera et al., 2014).
Por lo tanto, la utilización del concreto con agregado grueso de concreto reciclado permite disminuir el volumen de residuos sólidos a disponer, los costos de transporte y producción, la demanda de material de cantera, las emisiones de CO2 y por ende la disminución de la huella de carbono. Además, aumenta el ciclo de vida de los materiales de construcción, reduciendo así la cantidad de vertido de residuos. Algunos estados de los Estados Unidos han estimado ahorros de hasta 50-60% usando agregado reciclado en comparación con agregado nuevo (WBCSD, 2009). Por ende, es evidente el beneficio en la conservación del medioambiente.
Formulación del Problema
¿Cómo se puede reducir los niveles de emisión de gases contaminantes y residuos sólidos generados por la industria de la construcción en el distrito de Jesús María, en la ciudad de Lima?
Hipótesis
Si en la elaboración de concreto se sustituye un porcentaje óptimo de agregados naturales por agregados de concreto reciclado, entonces el comportamiento de este concreto tendrá propiedades similares a las de un concreto convencional y este nuevo diseño de concreto con ACR será una herramienta sostenible para optimizar el uso de los materiales de construcción y así reducir los niveles de emisiones de gases contaminantes que se generan en la industria de la construcción y la excesiva demanda de residuos de construcción y demolición en la ciudad de Lima.
Objetivo General
● Analizar el comportamiento del concreto con agregado grueso reciclado de las construcciones de concreto y el impacto ambiental que este genera con el fin de realizar comparaciones frente a concretos convencionales.
Objetivos Específicos
● Determinar las propiedades mecánicas del agregado grueso natural y agregado grueso de concreto reciclado mediante ensayos de contenido de humedad, peso unitario, granulometría, peso específico, absorción y abrasión.
● Desarrollar diseños de mezcla de un concreto con agregados naturales y un concreto con agregado grueso reciclado planteando una relación óptima de sustitución de agregado natural por el reciclado.
● Determinar experimentalmente las propiedades del concreto fresco y endurecido elaborado con agregado reciclado y con agregado natural mediante ensayos de peso unitario, temperatura, determinación del asentamiento de las mezclas, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión y resistencia a la tracción indirecta de probetas cilíndricas.
● Analizar el impacto ambiental generado por la producción de concreto convencional
metodología “Life Cycle Assessment” y el programa Athena Impact Estimator for Buildings.
● Contrastar los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia a la compresión, flexión y tracción indirecta del concreto convencional y concreto con agregado reciclado, el modelo de impacto ambiental y determinar si el diseño de mezcla óptimo del concreto con agregado reciclado es viable para su uso en construcción.
CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO
El objetivo de este capítulo es dar a conocer la información encontrada en la revisión literaria acerca del concreto elaborado con agregados de concreto reciclado (ACR). En primer lugar, se presenta una definición del ACR, así como una breve explicación de su proceso de obtención y logística para su producción. Asimismo, se explican la clasificación y las propiedades físicas y químicas de los agregados naturales y los ACR. En segundo lugar, se explican las consideraciones para el diseño de mezcla y ejecución en obra de los concretos con agregados reciclados. Por último, se aborda la definición de la huella de carbono y la metodología Life Cycle Assessment (LCA) que permite realizar un análisis de impacto ambiental e interpretarlo. Además, se detallan las principales investigaciones hechas acerca de los ACR, huella de carbono y la metodología LCA, así como los softwares que han sido desarrollados para la evaluación de impactos ambientales que producen diversos materiales que intervienen en la construcción de un edificio.
1.1. Generalidades de los agregados de concreto reciclado (ACR)
El concreto es uno de los materiales de construcción más producidos y usados en el mundo por sus características que lo hacen adecuado y versátil para cualquier tipo de construcción y constituye la base del entorno urbano (Laverde, 2014). Sin embargo, el impacto medioambiental negativo que implica su producción, incluidos la explotación de recursos no renovables (canteras), contaminación por transporte y entrega de concreto e insumos para la fabricación de este material, emisión de CO2 en la producción de cemento, entre otros, han aumentado la conciencia de emplear nuevos métodos de elaboración cada vez más amigables con el medioambiente y así contribuir al desarrollo sostenible.
Una de las alternativas usadas para reducir los efectos negativos en el medioambiente y su degradación es el uso de agregados de concreto reciclado (ACR) en las mezclas de concreto, teniendo en cuenta que los agregados (gruesos y finos) ocupan entre un 70% y 80% de los componentes del concreto (Ghorbel, Omary & Wardeh, 2016).
El agregado de concreto reciclado es un material que se obtiene como resultado de la trituración del concreto proveniente de la demolición de estructuras que ya cumplieron con su vida útil o del concreto sobrante en plantas de producción debido a excesos en el volumen despachado o por no reunir todos los requisitos técnicos como asentamiento o dosificación adecuada para ser enviados a las obras (NTP 400.053:1999). Asimismo, esto sucede con los concretos que son devueltos por los clientes a las plantas de producción por presentar no
