UTILIZACIÓN DE RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN …

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA CALI PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL

UTILIZACIÓN DE RESIDUOS DE CONSTRUCCIÓN Y DEMOLICIÓN (RCD) LIGADOS CON MATERIALES CEMENTANTES EN PAVIMENTOS.

Use of construction and demolition wastes (RCD) linked to cementitious materials in

pavements.

Omar OLMEDO1, David BARRERA2

1Investigador, Pontificia Universidad Javeriana, Santiago de Cali, Colombia. [email protected] 2 Investigador, Pontifícia Universidad Javeriana, Santiago de Cali, Colombia. [email protected]

RESUMEN: En la ciudad de Santiago de Cali actualmente se vive una problemática ambiental debido a la gran cantidad

de residuos provenientes de la construcción y demolición (RCD). La actual investigación brinda la posibilidad de reducir en

gran parte dicha contaminación. Lo más preocupante del daño ambiental que generan los RCD mal depositados, es que

la ciudad de Cali está creciendo por ende la construcción es constante. Esta investigación presenta el estudio de las

características físicas y el comportamiento mecánico de dicho material proveniente de la ciudad de Cali. Verificando su

uso potencial en la construcción de pavimentos como capa de base y/o sub base. Analizando si este RCD es capaz de

soportar las cargas cíclicas producidas por los vehículos y se ajusta a las especificaciones del Instituto Nacional de Vías

INVIAS. Para el estudio se caracterizó primero el material identificando sus características físicas, teniendo en cuenta la granulometría, ya que el material se presentaba en diversos tamaños, el desgaste del material, sanidad del material, gravedad específica y absorción, limite líquido, equivalente de arena. Para su comportamiento mecánico se realizó resistencia a la compresión inconfinada, relación de soporte de california y módulo de resiliencia. Durante el proceso de laboratorios, se identificó ensayos que muestran que el material tiene defectos en cuanto a que es un material que presenta alta porosidad y desgaste, pero ligando el material RCD y analizando su comportamiento mecánico, se concluye que puede ser utilizado en la estructura del pavimento, como base o subbase.

ABSTRACT: In the city of Santiago de Cali currently an environmental problem you live due to the large amount of waste

from construction and demolition (RCD)

. Current research offers the possibility of reducing such pollution largely. Most troubling environmental damage generated

by the wrong deposited RCD is that Cali is growing therefore the construction is constant. This research presents the study

of the physical characteristics and the mechanical behavior of the material from the city of Cali. Verifying its potential in the

construction of pavements and base layer and / or sub base use. Analyzing whether the RCD is able to withstand the cyclic

loads caused by vehicles and conforms to the specifications of the National Roads Institute INVIAS. To study the material

it is first characterized by identifying their physical characteristics, taking into account the particle size, since the material is

presented in different sizes, material wear, healing material, specific gravity and absorption, liquid limit, sand equivalent.

Mechanical behavior for unconfined compressive strength, California bearing ratio and resilient modulus was performed.

During laboratory tests show that the material has defects in that it is a material having high porosity and wear, but ligand

RCD materials and analyzing their mechanical behavior, it is concluded that can be used in the structure was identified

pavement, base or subbase.

1 INTRODUCCIÓN

En la ciudad de Santiago de Cali actualmente se vive una problemática ambiental debido a la gran cantidad de residuos provenientes de la construcción y demolición (RCD). Lo más preocupante del daño generan los RCD mal depositados, es que la ciudad de Cali está creciendo por ende la construcción es constante.

. A nivel urbano, a la altura de la carrera 50 con

autopista Simón Bolívar en donde se habilitó un espacio para el depósito temporal de los residuos de construcción y demolición proveniente de toda la ciudad, dicho depósito se saturó pues la producción es superior a 10.000 m3 mensuales según PROGEA (2013), empresa que hace la recolección y disposición final.

2


Figura 1. Ingreso vs egresos de RCD en la escombrera de

la carrera 50 (informe de gestión municipio Santiago de Cali

2014)

La Figura 1 se ilustra el ingreso vs el egreso de

RCD en la escombrera de la carrera 50 con autopista Simón Bolívar del año 2014. Diariamente Ingresan en promedio 230 carretillas con un arrojo diario de 171m3, las cuales realizan entre dos y tres viajes diarios es decir que existe una población fija de carretilleros.

La inadecuada disposición de residuos de construcción y demolición, tiene como consecuencia una contaminación ambiental a gran escala en la ciudad. En Colombia no existe una normatividad sobre la disposición final de los RCD lo cual aumenta la existencia de escombreras mal situadas como la de la carrera 50 con autopista Simón Bolívar en Cali.

2 REVISION DE LITERATURA

Motta (2005), analiza los aspectos físicos y el comportamiento mecánico de un RDC de la ciudad de São Paulo de Brasil, para emplearlo en capas de base y subbase granular en vías de bajo volumen de tráfico. Analizó el RCD en su condición natural y adicionado con 4% de cal y 4% de cemento Portland, con el objeto de incrementar la resistencia del material. Concluye que el RCD estudiado tiene un alto potencial para ser empleado en pavimentos, debido a sus propiedades físicas y mecánicas.

El-Maaty (2013), demostró que al aumentar el

contenido de cemento al material reciclado de asfalto tiene un mejor comportamiento de resistencia a la compresión inconfinada en comparación con el contenido de cemento mezclado con el agregado derivado de roca caliza utilizado comúnmente en Egipto para la elaboración de bases y sub-bases.

Embus & Quintero (2015), estudiaron las

características físicas y mecánicas del RCD provenientes de la ciudad de Cali Colombia, obteniendo que el RCD no clasifica para ser utilizado

en las capas de base y subbase para pavimentos en Colombia ya que no cumplen con todos los requerimientos técnicos que se encuentran en el manual de INVIAS, sin embargo estudiaron el comportamiento mecánico del mismo material haciendo una variación en el contenido de humedad de compactación obteniendo como resultados que el RCD puede ser utilizado en bases y subbases del para niveles de transito bajo y medio.

Rengifo & Chavez (2015), estudiaron la influencia

de la composición en el comportamiento mecánico de un residuo de construcción y demolición (RCD) provenientes de la ciudad de Cali Colombia, para ser utilizado en la base o subbase del pavimento. Obteniendo que las características físicas del RCD no estudiado no cumple con las especificaciones de INVIAS, sin embargo comparando con los resultados de otros autores el material presenta un comportamiento mecánico adecuado para ser utilizado en base y subbase del pavimento.

3 MATERIALES Y MÉTODOS

El material reciclado derivado de residuos de construcción y demolición (RCD) utilizado en este proyecto fue suministrado por la empresa EMSIRVAC S.A.S, empresa ubicada cerca al zona de Cabasa, más exactamente en el corregimiento El Carmelo perteneciente al municipio de Candelaria. El material suministrado por EMSIRVAC pasó por un proceso previo de selección donde se retiraron residuos de madera, plásticos, tuberías de PVC, acero y otros antes de triturarlo.

Figura 2. RCD triturado

3


4 CARACTERISTICAS FISICAS

El estudio para caracterizar el RCD se compone de la determinación de la composición y los análisis sobre el conjunto de partículas especificados por INVIAS, a continuación se presentan los procesos que se efectuaron para caracterizar el material RCD

4.1 Composición del RCD

La composición del material se realizó siguiendo

los parámetros de la Norma Europea EN 933-11 del 2009. El RCD recolectado para la investigación tiene está compuesto por partículas de tamaño ≤ 32 mm por ende el tamaño máximo nominal es (1 ½”), para este tamaño máximo nominal se toma una muestra de 20 Kg, dicha muestra se seca a una temperatura de 40 ± 5 °C por 48 horas (M0). Se pasa el material seco por los tamices 64 mm (2 ½”), 4.76 mm (No.4) y fondo, las masa que queda retenida en cada tamiz se denomina como M63, M1 y M4 respectivamente. Para separar la arena y arcilla se usa el material que pasa por el tamiz 2 ½” y queda retenido en No.4 (M1), se sumerge el material y se recogen las partículas que flotan se mide su volumen (𝑚3) denominándose 𝑉𝐹𝐿. Por último el material que no floto se seca acto seguido se separan los materiales constituyentes con las denominaciones siguientes.

Rc: Concreto, productos de concreto, morteros y

bloques de concreto Ru: Agregados no ligados, piedras naturales y

agregados con algún contenido de cemento Rb: Cerámicos, ladrillo de arcilla y tejas, bloques

cerámicos blancos (Azulejos) Ra: Materiales bituminosos (Asfaltos) Rg: Vidrios X: Otros (Arcillas, limos, Hierro, Plásticos y

maderas no flotantes, cauchos, yeso y estuco

4.2 Granulometría

El análisis granulométrico se llevó a cabo siguiendo la norma INV E-213 para nivel de tránsito medio. Inicialmente fueron tomadas dos muestras de aproximadamente 5kg cada una se emplearon tamices normalizados, con la finalidad de obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes en el agregado RCD. Este ensayo es de gran importancia ya que influye en gran parte de los criterios de aceptación de suelos para ser utilizados en bases o sub bases en la estructura del pavimento.

Ru26%

Rc49%

Rb24%

Ra0%

X1%

0

20

40

60

80

100

0.01 1 100

% q

ue

pas

a

Diámetro de la partícula (mm)

SBG-1(Tabla320.1)

SBG-1(Tabla320.1)

SBG-2(Tabla320.1)

Figura 3. Composición del RCD

Figura 4. Comparación granulometrías RCD con INVIAS para subbase granular

4


En la Figura 4 y Figura 5 ¡Error! No se encuentra

el origen de la referencia.se compara la granulometría de lo que se considera como “Material de base” en Emsirvac con las granulometrías de subbase y base del INVIAS, se observa que ambas muestras en general son más gruesas que la norma de referencia INV-E-300.

4.3 Ensayos de caracterización física

En la ¡Error! No se encuentra el origen de la

referencia. están los resultados de caracterización física y su comparación con las especificaciones técnicas de INVIAS

Tabla 1. Resultados de ensayos de caracterización

4.4 Quiebra de particulas

Para el cálculo del índice de quiebra se sigue la metodología descrita en la Norma Brasileña DNER-ME 398/99, se halla con la siguiente expresión:

𝑰𝑫𝒑 =∑𝑫/𝟔

(1)

El índice de quiebras 𝐼𝐷𝑝 corresponde a la suma

de las diferencias de los materiales que pasan por cada tamiz dividido por el número 6 que corresponde al número de tamices utilizados durante la selección (Gómez, 2011).

Para la investigación en curso se utiliza la serie de tamices: 19.0 mm (3/4”), 9.51 mm (3/8”), 4.76 mm (N°4), 2.0 mm (N°10), 420 µ m (N°40), 74 µ m (N°200). Determinada por invías para bases y sub-bases del pavimento.

Tabla 2. Indice de quiebra

Contenido de humedad (%) 8 12 16 20

Índice de quiebra, IDp (%) 26 26 22 21

0

20

40

60

80

100

0.01 1 100

% q

ue

pas

a

Diámetro de la partícula (mm)

BG-1(Tabla330.1)

BG-1(Tabla330.1)

BG-2(Tabla330.1)

Figura 5. Comparación granulometrías RCD con INVIAS para base granular

5


5 COMPORTAMIENTO MECANICO DEL RCD

A continuación se muestra una serie de ensayos que simulan el comportamiento mecánico del material RCD ligado con cemento.

5.1 Índice de soporte de california CBR

Se efectuó el ensayo de CBR siguiendo la norma

INVIAS INV E-148-07 con el material RCD variando el porcentaje de cemento, las pruebas fueron realizadas en la máquina universal de ensayos. Las muestras compactadas se saturaron en el cuarto húmedo. La humedad de este lugar fue de más o menos 60%.

En la Figura 6 ¡Error! No se encuentra el origen

de la referencia.se observa la gran influencia que tiene la adición de cemento en el índice de soporte de california. A medida que se le aumenta el contenido de cemento a cada una de las muestras, se presenta un aumento notorio en el CBR, lo cual indica que el cemento mejora la resistencia del material.

5.2 Resistencia a la compresión inconfinada UCS

La humedad a la que fueron compactados todos

los cuerpos de pruebas fue la óptima calculada en el ensayo de compresión (16%), el material se compacto con el Proctor a 42 golpes, en 5 capas del agregado.

La Figura 7¡Error! No se encuentra el origen de

la referencia. muestra la influencia del cemento en la resistencia a la compresión, a mayor porcentaje de cemento mayor resistencia a la compresión inconfinada. Comparando los tiempos de cura de las muestras, se evidencia que a los 28 días es

notablemente superior que a los 7 días. A los 7 días la muestra del 5% se registró una resistencia máxima de 1940 kPa mientras que a los 28 días la mayor resistencia fue de 2606 kPa

A partir de los ensayos de compresión inconfinada se calculó el módulo secante E50, el cual crece con el contenido de cemento y el tiempo de curado (ver Figura 8).

Para hallar el E50 se dividió 50% del esfuerzo

máximo sobre la deformación en dicho esfuerzo.

5.3 Resistencia a la compresión inconfinada UCS

La Figura 9 y Figura 10 representan las muestras

con cura a 7 días. En ambas graficas se evidencia

una tendencia al aumento de módulo de resiliencia

conforme aumentan las tensiones, sin embargo en la

Figura 9 se nota una dispersión en los resultados de

la tención desvío y se analiza la muestra con 2% de

cemento que presenta un comportamiento atípico

con relación a las otras 3 muestras, teniendo unos

valores de Mr inferiores a los de la muestra al 1%., a

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6

CB

R (

%)

Adición de cemento en peso (%)

10

25

56

Figura 6. Influencia del cemento en el CBR

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 5 10

UC

S (

kP

a)

Adición cemento en peso (%)

28 DIAS

7 DIAS

Figura 7. Influencia del cemento sobre la compresión inconfinada

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6

E5

0(M

Pa)

Adición cemento en peso (%)

28 DIAS

7 DIAS

Figura 8. Contenido de cemento vs modulo secante al 50%

6


diferencia de la Figura 10 que muestra una clara

tendencia de aumento del módulo con respecto a la

tención octaédrica, dicha tendencia poco dispersa se

hace más notable al aumentar el contenido de

cemento en las muestras. Lo que nos indica que el

RCD mezclado con cemento mejora su

comportamiento a esfuerzos octaédricos.

Figura 9. Esfuerzo volumétrico vs módulo de resiliencia a 7 días.

Figura 10. Tensión octaédrica vs módulo de resiliencia a 7 días

Los resultados de las muestras con tiempos de

cura a 28 días (ver Figura 11 y ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.), tienen un comportamiento similar a la de 7 días de curado, el Mr aumenta si las tensiones aumentan. La muestra con 5% de cemento muestra un Mr mayor a las demás.

Final mente se calcula el Mr con el modelo

universal. Con el modelo matemático descrito en el Capítulo 2. El módulo resiliente teórico se calculó con la ayuda de la herramienta solver del software Excel 2010©, los resultados se muestran en el Anexo 2.

𝑴𝒓 = 𝒌𝟏 ∗ 𝑷𝒂(𝜽

𝑷𝒂)𝒌𝟐

∗ (𝒂𝒄𝒕

𝑷𝒂+ 𝟏)𝒌𝟑

(1)

donde: Mr = modulo resiliente en (MPa) k1, k2 y k3 = constantes de regresión, propias de

cada material Pa = presión atmosférica (kPa) Θ = suma de los esfuerzos normales

0

100

200

300

400

0 50 100 150

Mr

(MP

a)

(kPa)

RCD 0% 7d

RCD 1% 7d

RCD 2% 7d

RCD 5% 7d

0

100

200

300

400

0 500 1000

Mr

(MP

a)

q (kPa)

RCD 0% 7d

RCD 1% 7d

RCD 2% 7d

RCD 5% 7d

0

100

200

300

400

500

600

700

0 500 1000

Mr

(MP

a)

q (kPa)

RCD 28 DIAS 0%

RCD 28 DIAS 1%

RCD 28 DIAS 2%

RCD 5% 28 DIAS

Figura 11. Tensión volumétrica vs módulo de resiliencia a 28 días

0

200

400

600

800

0 100 200

Mr

(MP

a)

oct (kPa)

RCD 28 DIAS 0%

RCD 28 DIAS 1%

RCD 28 DIAS 2%

RCD 5% 28 DIAS

Figura 12. Tensión octaédrica vs módulo de resiliencia a 28 días

Figura 13. Relación entre el modelo Universal y experimental, 5% de cemento a 28 días

7


En la Figura 13 y Figura 14 se encuentra la

correlacion entre el modelo universal y el experimental.

6 CONCLUSIONES

El mayor constituyente que presenta la muestra es el denominado Rc los cuales son concretos, morteros y bloques de concreto. De los resultados obtenidos en el ensayo de composición se puede concluir que el trabajo previo de limpieza es efectivo. Debido a la baja cantidad de materiales bituminosos, vidrio, elementos flotantes y otros.

Los escombros generados por las obras de construcción, demolición y remodelación no están siendo utilizados de manera adecuada en las etapas de generación, transporte y

disposición final, generando afectaciones ambientales y económicas para la ciudad.

El RCD proveniente de la ciudad de Cali tiene unos índices de quiebra y desgaste considerablemente altos, el causante de la baja resistencia del material pode ser las malas construcciones de la ciudad o simplemente el contenido de impurezas del mismo.

En general las características físicas del RCD no cumple con la totalidad de requisitos que sugiere INVIAS para ser utilizado en base y subbase del pavimento.

Para el análisis del comportamiento con el RCD ligado con cemento y no ligado observa la gran influencia que tiene el cemento en el porcentaje de CBR. A medida que se le aumenta el contenido de cemento a cada una de las muestras, se presenta un aumento notorio en el CBR, lo cual indica que el cemento mejora la resistencia del material.

En el ensayo de UCS se observó que a mayor porcentaje de cemento mayor resistencia a la compresión inconfinada. Comparando los tiempos de cura de las muestras, se evidencia que a los 28 días es notablemente mayor que a los 7 días. A los 7 días la muestra del 5% se registró una resistencia máxima de 1940 kPa mientras que a los 28 días la mayor resistencia fue de 2606 kPa..

El estudio del MR mostro que al aumentar los esfuerzo el módulo de resiliencia también aumenta, adicional a esto el contenido de cemento tiene mucha influencia en el aumento del módulo de resiliencia.

El tiempo de cura es otro aspecto que cabe resaltar en el estudio de las cargas cíclicas que soporta el material los datos obtenidos muestran que a los 28 días el Mr de las muestras es más o menos el doble en comparación con las probetas a 7 días de curado. Aunque el material no presente unas características físicas aptas para la estructura del pavimento, el comportamiento mecánico del RCD nos muestra su potencial uso en la base y subbase del pavimento. El cemento en porcentajes y condiciones controladas mejora notablemente las características mecánicas del RCD.

0

100

200

300

400

500

0 200 400 600Mó

du

lo R

esi

lien

te

Mo

de

lo U

niv

ers

al (

MP

a)

Módulo Resiliente Experimental (MPa)

0100200300400500600700800

0 200 400 600 800Mó

du

lo R

esili

ente

Mo

de

lo

Un

iver

sal (

MP

a)

Módulo Resiliente Experimental (MPa)

Figura 14. Relación entre el modelo Universal y teórico, 5% de cemento a 7 días

8


7 REFERENCIAS

Ebrahim Abu El-Maaty Behiry, A. (2013).

Utilization of cement treated recycled

concrete aggregates as base or subbase

layer in Egypt. Ain Shams Engineering

Journal. doi:10.1016/j.asej.2013.02.005

Garnica, P., Gomez, J. A., & Martinez, J. a S.

(2002). Mecánica de materiales para

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Gómez, A. M. (2011). Estudo experimental de

um resíduo de construção e demolição

(RCD) para utilização em pavimentação,

148.

INVIAS. (2005). Especificaciones para

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Motta, R. dos S. (2005). Estudo laboratorial de

agregado reciclado de resíduo sólido da

construção civil para aplicação em

pavimentação em pavimentos de baixo

volume de tráfego. Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo.

Quintero, Embus. (2015). Influencia del

contenido de humedad en el

comportamiento mecánico de un residuo de

construcción y demolición (RCD) como

material de la estructura del pavimento.

Rengifo, Chavez. (2015). Influencia de la

composición en el comportamiento

mecanico de unura del pavimento (RCD)

como material de la estructura del

pavimento.

DAGMA. (2009). Informe anual de los recursos

naturales y del medio ambiente. DAGMA.

(2012). MARCO NORMATIVO PARA EL

MANEJO DE ESCOMBROS DE

DEMOLICIONES Y

CONSTRUCCIONES EN LA CIUDAD

DE CALI.

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