Uno de los principales problemas ambientales causados por el sector de la construcción son los grandes volúmenes de residuos de construcción y demolición (RC&D) que se generan debido al incremento constante de obras asociadas a este sector. En Colombia, el sector de la construcción es uno de los más relevantes y con mayor demanda; este se encuentra asociado a factores como: el desarrollo socioeconómico, crecimiento poblacional, ordenamiento territorial (desarrollo de infraestructura física), entre otros. Como resultado de ello se generan cantidades considerables de RC&D en el país [¹].

Como se cita en Acevedo [²], dichos residuos presentan distintos inconvenientes que van desde su generación, transporte y disposición final. Se estima que, durante la etapa de construcción, el 10 % de los materiales utilizados se convierten en residuos, y durante las operaciones de demolición y renovación se pueden producir hasta diez veces más residuos. Además, de acuerdo con la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN) [³], debido al gran volumen que estos ocupan, existe una problemática asociada a la disposición final en los rellenos sanitarios pues provocan la disminución de vida útil de estos lugares.

Particularmente, en la ciudad de Cali se generan en promedio 2500 m³ diarios de RC&D. De este volumen, cerca de 76,6 % (1900 m³ ) es aportado por las constructoras y obras públicas en lo que se denomina “la generación formal” y 23,4 % (580 m³ ) restante son aportados por construcciones y remodelaciones particulares, y el llamado “sector informal” como lo menciona Salazar en [¹]. En el Plan de Gestión Integral de Residuos Sólidos (PGIRS) [⁴] de la ciudad se establece que, del total de escombros generados, el 60 % corresponden a materiales aprovechables, mientras que el 40 % restante serán suelos, material de descapote y excedentes de excavación que serán dispuestos para nivelación de terrenos, recuperación geomorfológica y/o su disposición final [⁵]. Debido a los RC&D pueden aparecer sitios no autorizados para el arrojo de escombros, creando focos de contaminación en el municipio. Los RC&D que se encuentran en estas estaciones pueden no encontrarse en las mejores condiciones debido a que son llevados y combinados con residuos orgánicos [⁴,⁶].

Por otro lado, la Universidad del Valle no se encuentra muy alejada de estas problemáticas pues cuenta con las escuelas de Ingeniería de Materiales e Ingeniería Civil las cuales constantemente desarrollan prácticas, laboratorios e investigaciones relacionadas con los materiales cementicios y de construcción. Finalizadas estas actividades necesarias para la formación de los estudiantes y la investigación, se genera una cantidad importante de residuos, los cuales son depositados en las escombreras de cada una de las escuelas, como se observa en la figura 1. Estos residuos de no ser aprovechados como reciclaje terminarán contribuyendo de manera negativa a la problemática actual de la ciudad.

Por lo anterior, el reciclaje de este tipo de residuos se presenta como una gran opción para mitigar el impacto que estos ejercen en el medio ambiente de ahí la importancia del estudio de nuevas alternativas para su mejor aprovechamiento. Según Salazar [¹], estas actividad trae los siguientes beneficios:

El estudio experimental sobre estos procesos ha ido creciendo paulatinamente. Un estudio de vigilancia realizado a través de la base de datos Scopus revela cómo, durante los últimos 10 años, el número de artículos científicos y técnicos que contengan como palabra clave “CDW aggregates” ha ido en aumento, como lo muestra la figura 2. Los países que lideran esta lista son China, Brasil y España, los cuales tienen una fuerte industria de construcción; además, presentan una gran inversión en esta área de las ciencias e investigación técnica.

Figura 1. Escombreras de Escuela de Ingeniería de Materiales (izquierda) y Escuela de Ingeniería Civil (derecha). 

Se estima que China produjo alrededor de 2.360 toneladas de RC&D en la última década y, actualmente, la tasa de reciclaje promedio para esta clase de residuos es tan solo del 5 %. Por esta razón, China lidera el número de publicaciones en torno a la investigación técnica en busca de alternativas para el uso de los RC&D. Un ejemplo de esto se aprecia en el trabajo de Zou y colaboradores [⁷], quienes estudiaron la incorporación de agregados de concreto reciclado como sustituto de agregados naturales en asfalto espumados. Investigaron los distintos factores que influyen en la calidad del asfalto. Ellos concluyeron que, es posible reemplazar el 100% de los agregados naturales con agregados a partir de RC&D cumpliendo con los requerimientos técnicos necesarios para la fabricación de la base y la subbase del pavimento asfáltico. Otro buen ejemplo de la versatilidad del uso de RC&D se encuentra en el trabajo de Beja y colaboradores [⁸], donde se estudia la viabilidad de utilizar el reciclaje de RC&D como agregados en pavimentos de alto volumen de tráfico pesado para las vías de Brasil. Encontraron que los agregados de RC&D pueden usarse con éxito como material de sub-base de pavimento bajo carga de tráfico pesado y que la rigidez del agregado RC&D aumentó con el tiempo.

A nivel nacional, la cifra de publicaciones es demasiado baja (1 artículo en los últimos 10 años), lo que refleja la necesidad de fortalecer las capacidades nacionales en este campo que resulta ser pertinente en la agenda ambiental actual; también representa un nicho de mercado con gran potencial al ser un país en vía de desarrollo que podría presentar una fuerte contribución para la disminución de la brecha científica y tecnológica de Colombia frente a otros países de la región y el mundo en temas de innovación y desarrollo.

Figura 2. Representación gráfica del resultado de la búsqueda de vigilancia para artículos publicados en los últimos 10 años (2009-2019). 

En este artículo se busca estudiar el uso de los agregado reciclados provenientes de los RC&D de la escuela de Ingeniería de Materiales de la Universidad del Valle para la fabricación de adoquines con el fin de evaluar su viabilidad como alternativa para los elaborados tradicionalmente en la industria. Adicionalmente, debido a las grandes expectativas que genera la implementación de esta solución en torno al reciclaje

Detalles Experimentales

Agregados

Para la adecuada selección de los RC&D en la preparación de agregados, se realizó un diagnóstico en los puntos de concentración de la Universidad del Valle sede Meléndez, en donde se encontraron los siguientes tipos de escombros:

• Mortero.

• Ladrillo.

• Concreto.

• Vidrio.

• Madera de guadua.

• Acero estructural.

Se optó por hacer uso de los residuos generados en la Escuela de Ingeniería de Materiales por los siguientes motivos:

La cercanía de estos materiales al equipo de trituración y a la máquina bloquera. La presencia de mortero, ladrillo y concreto (ver figura 3) para la obtención de los agregados finos y gruesos necesarios para realizar los adoquines.

Figura 3. Escombros de mortero (arriba), ladrillo (en medio) y concreto (abajo) que fueron usados. 

Trituración de los RC&D: Los residuos fueron sometidos a una trituración mecánica por medio de una trituradora de mandíbulas hasta ser reducidos a tamaños no mayores a aproximadamente 3/8” (9,525 mm), obteniendo de esta forma agregados finos y gruesos. Para garantizar el tamaño máximo de partícula, se realizó un cribado manual, haciendo pasar los agregados por un tamiz de 3/8 de pulgada de abertura, obteniendo así un gradiente granulométrico en los agregados. Los agregados obtenidos se usaron como materia prima para la fabricación.

Adoquines

Materiales empleados

• Cemento Portland Tipo I, marca Topex

• Agregados reciclados (escombros de mortero, ladrillo y concreto), tamaño máximo 3/8 de pulgada

Diseño de la mezcla: el diseño se realizó por peso; las proporciones se encuentran en la tabla 1.

Tabla 1. Diseño de la Mezcla 

Elaboración de adoquines: se mezclaron manualmente los adoquines en las proporciones establecidas y, posteriormente, se fabricaron 7 adoquines empleando la máquina bloquera la cual realiza un adoquín tipo 2 o “hueso de perro” según la NTC 2017 [⁹] (ver figura 4).

Figura 4. Secuencia Elaboración de Adoquines. 

Ensayos

Absorción de Agua y Densidad

Los siete adoquines fueron sumergidos, durante una semana dentro de un recipiente lleno de agua; luego cada muestra se retiró del agua y se pesó inmediatamente para obtener su masa saturada (húmeda) (Mh). Posteriormente se dejaron secar los adoquines a temperatura ambiente durante tres días y se obtuvo la masa seca de cada uno de ellos (Ms).

La absorción de agua (Aa) del total de la masa del espécimen se calculó para cada muestra mediante la siguiente ecuación:

(1)

Resistencia a la Flexotracción

El ensayo de flexotracción se realizó en la Escuela de Ingeniería de Materiales usando una máquina universal de ensayos Tinius Olsen H50KS, siguiendo los parámetros de la norma NTC 2017 como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Montaje empleado para la realización del ensayo. 

Para cada adoquín, se calcula el módulo de rotura (Mr) según la fórmula (2) dada por la NTC 2017 [⁹]. Donde “li” es la longitud del rectángulo inscrito, “ar” el ancho real del espécimen, “ai” el ancho del rectángulo inscrito y “er” el espesor real del espécimen, todo en mm.

(2)

Resultados

Absorción de agua

Los valores de Mh, Ms y el % de absorción calculado con (1) se registraron en la tabla 2.

Tabla 2. Absorción de Agua. 

Resistencia a la flexotracción

Con el ensayo de flexotracción se logró determinar el esfuerzo máximo al cual los adoquines presentan una rotura en su estructura (ver figura 6). Se registraron los valores obtenidos (ver tabla 3) para posteriormente comparar estos valores con los adoquines encontrados en la industria (dictaminados por la norma NTC 2017) y se realizó el gráfico de esfuerzo-deflexión (ver figura 7).

Tabla 3. Módulo de rotura de los adoquines con agregados de escombro reciclado. 

^*Proyección realizada de los datos correspondientes a los 7 días

Figura 6. Rotura en la estructura del adoquín generada al alcanzar el esfuerzo máximo. 

Figura 7. Módulo de rotura-deflexión de las muestras 1, 2 y 3. 

Discusión

Se consultó la norma técnica colombiana NTC 2017 para llevar a cabo las comparaciones respectivas, así se hallaron valores correspondientes al módulo de rotura mínimos presentes en los adoquines industriales (ver tabla 4).

El porcentaje de absorción, según la norma NTC 2017, no debe ser superior al 7% (para todo el volumen del espécimen). Los adoquines obtenidos en este trabajo no superan dicho valor (ver tabla 2). El módulo de rotura (Mr) se ha especificado a los 28 días; sin embargo, los adoquines se pueden utilizar a edades más tempranas. Entendiendo que el Mr obtenido a los 7 días de curado corresponde a aproximadamente el 65 % de su Mr máximo según Payá et al. [¹⁰] el cual es obtenido a los 28 días de curado. Por lo tanto se plantea una proyección del Mr de los adoquines obtenidos en este trabajo donde “28*” es la magnitud de Mr al realizar la proyección.

Se llevó a cabo una comparación de Mr promedio de tres muestras, (esta limitación se presentó debido a la disponibilidad de la máquina de ensayos, el tiempo durante el semestre para la realización de este proyecto y un accidente con dos de las muestras). La comparación se realizó entre los adoquines obtenidos en este trabajo y los valores admitidos por la NTC 2017. El resultado se consignó en la tabla 4. De esta tabla se puede observar que los Adoquines obtenidos en este trabajo presentan un valor de Mr en promedio los cuales, en un intervalo de confianza del 70 %, sí cumplen con las propiedades mínimas establecidas en la norma NTC 2017 con un promedio por encima del Mr especificado siendo esto una buena señal para una futura industria en torno al manejo de los RC&D.

Tabla 4. Comparación entre los diferentes valores de Mr y absorción de agua. 

Conclusiones

Los agregados obtenidos por medio de la trituración de escombros (morteros, ladrillos y concretos) poseen un buen desempeño para aplicaciones en adoquines, los cuales al llevarse a cabo el ensayo de flexotracción, arrojaron valores superiores a los establecidos por la norma técnica colombiana.

El uso de agregados obtenidos por medio de la conminución de RC&D para nuevas aplicaciones en construcción, constituyen una alternativa que se debe considerar debido a su impacto ambiental a largo plazo si se constituye esta práctica como norma para la industria de la construcción.

El porcentaje de absorción presente en los adoquines con esta composición de agregados reciclados es bajo, no supera el valor máximo permitido por la NTC 2017, esto favorece a sus aplicaciones, por ejemplo, caminos peatonales en jardines para paisajismo arquitectónico.

Recomendaciones

Entendiendo que los RC&D conllevan una dispersión considerable para los resultados de los ensayos físicos la cual varía en función de tamaño, naturaleza del escombro (ladrillo, mortero, hormigón) y forma de los mismos. Se recomienda realizar estudios con un mejor control de estos parámetros al realizar la mezcla, y de ser posible, contar con más especímenes al realizar los diversos ensayos físicos posibles. Además, considerar ensayos químicos para determinar también la respuesta ante la degradación de estos materiales reciclados.