*Por Ana Sofía Figueroa-Infante. I.C., M. Sc., Ph.D. Líder del grupo de investigación INDETEC afigueroa@unisalle.edu.co; Karen Ferrucho. IC. Miembro del Semillero de investigación GREEN ROADS
Camilo Rios. IC. Miembro del Semillero de investigación GREEN ROADS; Efraín Bernal-Alzate. I.C., M. Sc., Ph.D. ebernalal@unisalle.edu.co Facultad de Ingeniería, Universidad de la Salle, Bogotá, Colombia; y Silvia Forero Bonilla. I.C., M. Sc. & Humberto Ramírez, Líder del grupo de investigación en Nuevas tecnologías de la Unidad de Mantenimiento Vial de Bogotá, Colombia.(UMV) humberto.ramirez@umv.gov.co.
Resumen
Este artículo presenta el caso de construcción de una vía con residuos de construcción y demolición para tráfico medio, en la ciudad de Bogotá, Colombia, con el propósito de fortalecer la sostenibilidad a través del uso de materiales reciclados. Para el diseño y construcción del mismo se realizó una revisión bibliográfica detallada sobre las investigaciones a nivel mundial utilizando materiales provenientes de Residuos de Construcción y Demolición (RCD), en la infraestructura vial. El análisis de los logros teóricos, experimentales y prácticos sobre la utilización de los materiales RCD como una alternativa sostenible, en los cinco continentes, nos permitió tomar decisiones sobre su utilización efectiva en las carreteras colombianas.
Este proyecto responde directamente al objetivo de desarrollo sostenible N°9, Industria, Innovación e Infraestructura e indirectamente, a los objetivos N°1, Fin de la pobreza; N°11, Ciudades y comunidades sostenibles; N°12, Producción y consumo responsable; N°13, Acción por el clima y N°17, Alianzas pata lograr los objetivos.
INTRODUCCIÓN
Aunque el “desarrollo sostenible” conocido como “aquel que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para solventar sus propias necesidades” (Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo en el Informe Brundtland, 1987), ha sido un tema de interés y preocupación global; se ha hecho evidente la necesidad de redirigir no sólo las políticas sino también la cultura de las industrias hacia este fin.
La ingeniería dedicada a la construcción civil ha asistido permanentemente al deterioro del medio ambiente a pesar de que el objetivo principal es solucionar las necesidades de la sociedad (vivienda, acceso a agua potable, alcantarillado, movilidad) haciendo uso del ingenio y los recursos disponibles. Es por eso que actualmente se trabaja a nivel mundial sobre una nueva tendencia para edificar, la “construcción sostenible, que tiene en cuenta dentro de sus parámetros de calificación de los procesos que van desde la extracción hasta la transformación de materias primas cambiando considerablemente el ciclo de vida de los materiales de la industria de la construcción.
En este orden de ideas no sólo son importantes los procesos que se llevan a cabo para obtener los materiales necesarios para esta industria sino también el tratamiento que se le da a los residuos generados por los procesos de construcción y demolición que además de contaminar al no tener una adecuada disposición implican la subutilización de recursos que podrían ser ampliamente aprovechados. Los procesos de construcción requieren materiales que provienen de diferentes fuentes, en su mayoría no renovables, es así como además de tener actividades económicas que impactan el desarrollo, se tienen desechos generados que impactan el medio ambiente. Las cifras de la Figura N°1 indican el impacto que tiene la construcción en la generación de desechos y de alguna manera la justificación para enfocar la atención en la reutilización de estos.
Investigaciones como las realizadas en Honk Kong (Secretaria Distrital del Ambiente, 2012), Tanzania (Silva, Brito, & Dhir, 2014), Vietnam (Simon Lockrey, 2016), entre otras, en las que se estudiaron los factores que influyen en la generación de desechos de demolición, indican la necesidad de cada país para optimizar estos desechos e incorporarlos a los procesos productivos de la construcción. Colombia no es la excepción y es así como actualmente se cuenta con la Resolución 1115 de 2012 (Xi Chen, 2017) emitida por la Secretaría Distrital del Ambiente en la que se reglamenta según el Artículo 34 del Decreto Ley 2811 de 1974 el manejo de los residuos sólidos, basuras, desechos y desperdicios. Para responder con este requerimiento, actualmente Bogotá a través del Instituto de Desarrollo Urbano (IDU) exige a los contratistas a construir un 20% de las vías contratadas utilizando RCD. Esto indica el compromiso que nuestro país tiene con el manejo de estos residuos.
ESTADO DEL CONOCIMIENTO
Contexto americano sobre la utilización de RCD en América
Estados Unidos es uno de los países en América cuya investigación y aplicación de los RCD en infraestructura vial ha sido parte de los planes viales en diferentes estados. Una de las investigaciones de mayor relevancia tiene que ver con el análisis de los lixiviados que se generan de los concretos reciclados Recicled Concrete Aggregate-RCA, normalmente utilizado como agregado en bases granulares para carreteras por tener excelentes propiedades mecánicas (Gupta, Kluge, Chadik, & Townsend, 2017). Las preocupaciones de los ingenieros y algunos contratistas estaban centradas en los impactos del lixiviado generado por los RCA, de tal manera que se realizó un estudio con la recolección de RCA de varias regiones de Florida, los cuales tuvieron un pH entre 10.5 y 12.3 (Gupta et al., 2017). En esta investigación se evaluaron los mecanismos de neutralización del pH a través de pruebas de laboratorio y el modelado químico, encontrándose que en una proporción más alta de líquido a sólido la acidez disminuye.
A las muestras de RCA recogidas en las diferentes regiones de florida, les realizaron una prueba discontinua que examina la lixiviación utilizando el método 1316 de la EPA de Estados Unidos, que se basa en una guía sobre la metodología que se debe seguir para hacer un análisis químico, el cual simula la condición acelerada de años de infiltración de agua a través de la carretera y su interacción con el material base. La capacidad del rango de acidez del suelo para neutralizar el lixiviado del RCA se examinó con pruebas de lote y columna, que son estudios del control y la calidad de los contenidos netos de los lixiviados de RCA en contacto con el suelo. Así mismo, se modeló un lixiviado de RCA con un pH alto para ser neutralizado con la dilución en el agua subterránea.
Para la investigación recogieron ocho muestras de RCA y dos muestras de piedra caliza. Las muestras recogidas de RCA estaban libres de vidrio, madera y otros residuos, en la inspección visual. Las muestras se empacaron en lonas para evitar pérdidas de humedad o cualquier tipo de contaminación. Las muestras recogidas de piedra caliza se analizaron como muestras de control.
Para examinar el potencial del suelo como neutralizador de los lixiviados de RCA con pH alto se recogieron nueve muestras de suelo para medir la acidez de cada muestra. De las existencias de piedra caliza se obtuvieron las muestras FS1, FS2 y FS3. Las muestras FS1 y FS2 se clasificaron como materiales A-3 según la carta AASHTO y las FS3 fueron tipo A-2-4. Los RCA debieron cumplir con el tamaño de partícula exigida por las especificaciones de la Florida. Se realizaron los análisis de tamizado para 1000g de muestras de RCA secadas al horno, con tamices de 50mm, 19.1mm, 9.52 mm, 4.75 mm, 2 mm, 0.3 mm y 0.075 mm, según el método de la florida FM-1T027 (Gupta et al., 2017), utilizaron el método 1316 de la EPA en cual se determina la porción liquido-solido (L/S) en la muestra. Se realizaron cinco pruebas discontinuas paralelas por muestra, utilizando agua reactiva a relaciones L/S de: 10, 5, 2, 1 y 0,5 l / kg (Gupta et al., 2017)(Gupta et al., 2017). Las extracciones fueron filtradas a través de una membrana de polipropileno de 0,45μm y después fueron llevadas y analizadas para determinar las concentraciones de los elementos en ellas. Se determinaron las concentraciones de lixiviación de todos los elementos en la muestras utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica de plasma, de acuerdo con el método EPA 6010D.
De los análisis realizados se encontró que el lixiviado de RCA puede afectar la calidad el agua subterránea, las extracciones del método 1316 fueron compradas con los umbrales el riesgo de Florida para aguas subterráneas y comparadas con el nivel objetivo de limpieza de aguas subterráneas, (Groundwater Cleanup Target Levels, GCTL) para evaluar la calidad del agua. Realizaron dos modelos basados en la química del agua para examinar dos mecanismos para la reducción del pH del lixiviado de RCA. También desarrollaron un modelo para poder examinar la neutralización de hidróxidos como resultado de la carbonatación dentro del suelo con diferente acidez del suelo a distintos L/S. Se encontró que la dilución en el agua subterránea y la acidez pueden neutralizar aún más el lixiviado de RCA. Con el método Florida FM 1-T255 para agregados gruesos y finos, se midieron los contenidos de humedad para cada muestra. Las muestras de RCA fueron aprobadas para ser utilizadas como agregado de bases granulares viales. Las muestras de suelo fueron de acidas a ligeramente alcalinas con valores de pH de 4.5 a 8.7.
FS1, FS2 y FS3 fueron alcalinos, pero otros suelos eran ácidos. La acidez de los suelos se divide en dos grupos, acidez hidrolítica y acidez alumínica. La acidez hidrolítica se caracterizó por tener iones de hidrógeno en el suelo, y la acidez alumínica por iones de aluminio intercambiales. Los iones de hidrógeno neutralizaron la lixiviación de RCA, bajando el pH (Gupta et al., 2017). La muestra de la acidez intercambiable de suelos KCl utilizada para analizar la interacción del agregado de concreto reciclado en el suelo (RCA).
El pH del lixiviado varía entre valores de 10.5 a 12.3 y el pH de las muestras de piedra caliza fue menor a 9. Con el aumento de L/S, el pH para las muestras de RCA disminuía y la dilución no causó una caída significativa en el pH.
El pH de RCA fue de 12 y 12.3 para L/S = 2 y L/S = 1, antes de mezclarse con cualquier suelo. Al mezclar los lixiviados con los tres suelos recogidos FS1, FS2 y FS3 con L/S = 2 disminuyo el pH de 0.29 a 1.04 unidades (Gupta et al., 2017).
Como conclusiones importantes se evaluaron los impactos ambientales del uso del agregado de concreto reciclado en la aplicación de bases de carreteras. La lixiviación de los elementos como Al, Ba, Cr, Fe, Mo, Na, Ni, Sb y Sr excedieron los umbrales, 0.2, 2, 0.1, 0.3, 0.035, 160, 0.1, 0.006, 4.2 respectivamente, los cuales están basados en el riesgo de la Florida, pero en la mayoría de los casos el valor fue casi igual al umbral. Los lixiviados de RCA variaron de 10.5 a 12.3 similar a lo que está informado para el concreto reciclado, el pH es elevado en comparación con el pH del agregado natural que es de 7 a 8. Los ensayos mostraron que a mayor relación de líquido a solido (L/S) disminuye la acidez. Se recomendó evaluar la posibilidad de que los lixiviados incidan en las tuberías de metal y por lo tanto deben ser alejadas de la base de la carretera.
Otro país en el sur de América en el que se han desarrollado estudios sobre los materiales residuales de la construcción es Brasilia, la capital de Brasil, donde se producen cerca de 6000 toneladas diarias de residuos de construcción y demolición (RCD) (Alejandra Gomez, 2012). Se ha desarrollado una investigación, tomando como fuente de residuos la demolición del estadio Mané Garrincha de Brasilia. La evaluación de los materiales se realizó con el propósito de observar su potencial para la construcción de pavimentos.
Los materiales utilizados pasaron por dos fases de trituración: en la primera los bloques quedaron con un tamaño de 100-120mm, en esa fase se retiraron las fracciones metálicas y la segunda fase permitió llevar el material a tamaños de 19- 0,075mm, este último fue el material que se llevó a una banda granulométrica para extraer el correspondiente a una base granular. Los materiales residuales de la construcción conformados por: barras de acero, madera, PVC , considerados contaminantes y por lo tanto se eliminaron. Los ensayos físicos realizados fueron: composición, absorción de agua, forma de granos, distribución granulométrica, gravedad específica. Se realizó el ensayo de compactación y quiebra de partículas y el comportamiento dinámico fue estudiado a partir del ensayo de penetración CBR y de deformabilidad ante cargas cíclicas en el ensayo de Módulo Resiliente-MR. Los agregados tomados para el análisis fueron los agregados gruesos retenidos en el tamiz 4.75mm. Se examinaron visualmente y se hicieron seis grupos de materiales retiene tamiz 4,75mm, para una muestra de referencia de 13kg.
Compactación y trituración de partículas
Compactación Proctor: se utilizaron 3 energías Proctor, energía normal (600 kN-m/m³), intermedia (1263 kN-m/m³) y modificada (2700 kN-m/m³) (las dos últimas se aplican para sub-bases y bases granulares según las normas brasileras). En este estudio los análisis de proctor para hallar el CBR, se centraron en la energía intermedia para tres grupos de muestras analizadas. La recomendación de la norma brasileña NBR 15115/04 es compactar los agregados reciclados con una energía menor a la modificada para evitar una degradación por compactación exagerada. Otro aspecto para resaltar son los valores típicos de CBR en agregados reciclados según la Federal Highway Administration-FHWA, entre 94% y 148%. Las normas recomiendan CBR mínimo de 60% y una expansión máxima de 0.5%. En esta investigación no hubo expansión y los valores del CBR después de saturación se incrementaron en aproximadamente el 20%, debido a la condición puzolánica de los agregados reciclados provenientes del concreto.
El módulo de resiliencia se realizó para determinar la respuesta del material reciclado bajo cargas dinámicas y para estudiar la incidencia de los materiales cementantes en los resultados del mismo.
Los valores mínimos del MR oscilaron entre 70 y 250 MPa y los máximos entre 300 y 600 MPa. De acuerdo con Rada y Witczak (1981; Nataatmadja y Tan, 2001), los agregados naturales de base granular para pavimentos tienen un MR entre 160 y 550 MPa valores cercanos a los encontrados con agregados reciclados. Por otra parte, las propiedades físicas obtenidas para los agregados reciclados también son similares a las de los naturales con excepción de la porosidad que se incrementó sustancialmente debido a la presencia de materiales cerámicos. Así mismo, se evidenció el aumento en la densidad y MR debido a la presencia de los materiales cementantes presentes en los residuos de concreto.
África ha desarrollado investigaciones en torno a la utilización de concretos reciclados para bases y sub-bases de pavimentos. Tal es el caso de (Ebrahim Abu El-Maaty Behiry, 2013) quienes realizaron un estudio para estudiar la viabilidad del uso de los agregados de construcción y demolición, Recycled Concrete Aggregate (RCD), en este caso agregado de concreto reciclado mezclado con agregado de piedra caliza tradicional, limestone aggregate (LSA), en bases y sub-bases de pavimentos, recomendando especialmente el análisis de su gradación, solidez y solubilidad. Adicionalmente se estudiaron las propiedades mecánicas de los agregados reciclados tratados con cemento, cement treated recycled aggregate (CTRA). El plan experimental contempló la adición de contenido de RCA- en proporciones de 0.0%, 25%, 50%, 75% y 100%, respecto al volumen de material colocado. El contenido de cemento Portland adicionado fue: 4%, 5%, 6% y 7%. Las muestras llamadas CTRA se analizaron para tiempos de curado de: 1, 3, 7 y 28 días. El análisis de la compresión inconfinada de estos materiales fue esencial para determinar el desempeño de las bases y sub-bases considerando el contenido de cemento, tiempo de curado y densidad. Las mezclas de LSA fueron preparadas con un contenido de humedad de 6,5% y el 11%, y las pruebas de RCA se prepararon con un contenido de humedad que varía entre el 7% y el 14%. Las muestras de CTRA se prepararon con diferentes cantidades de material fino: 5%, 9%, 12% y 16%.
Una conclusión importante de este trabajo fue que al aumentar el agregado de concreto reciclado al agregado de piedra caliza natural, la densidad máxima y los valores de CBR de las mezclas no tratadas disminuyen, y el contenido de humedad óptimo aumenta.
Se observó que la resistencia a la flexión, Flexural Strength (FS) (parámetro del material importante en el diseño del pavimento) en relación con el ensayo de compresión inconfinada USC, (FS/UCS), se incrementa en el rango de 10 a 20% a medida que aumenta el material fino. La LSA obtiene una relación de resistencia más alta que para RCA, donde el agregado reciclado muestra alrededor del 75-80% de la resistencia a la flexión para los agregados naturales y alrededor del 70% de la resistencia a la tracción indirecta para los agregados naturales. Finalmente, de estos resultados se concluye que con los diseños adecuados es posible utilizar estos residuos de construcción y demolición en las capas de base y sub base granular de pavimentos.
En la Universidad Politécnica de Hong Kong se realizó una investigación para estudiar la posibilidad de utilizar los materiales de residuos de construcción y demolición como concreto y ladrillo de arcilla como agregados para subbase de pavimentos. En los resultados obtuvieron que el concreto reciclado aumenta el contenido de humedad óptimo y disminuye la densidad seca máxima, los materiales de hormigón reciclado por ladrillo de arcilla triturado aumentó aún más la humedad óptima y disminuyó la densidad seca máxima (Poon, C. S., & Chan, D. 2006). Esto se dio por la mayor absorción de agua que posee el ladrillo de arcilla triturada, los valores de CBR (en seco y saturados) de los materiales de la subbase preparados con agregados de concreto reciclado al 100% fueron inferiores a los de los materiales de la subbase natural. El CBR disminuyó con el aumento de ladrillo de arcilla triturado, pero los valores de CBR para las subbases fueron superiores al 30% y este es el requisito de resistencia mínima en Hong Kong. El agregado de concreto reciclado RCA, se obtuvo de una fábrica de reciclaje ubicada en Tuen Mun en Hong Kong.
La experiencia española con el uso de RCD es bien extensa e incluso existe una normatividad establecida para su utilización. Unos de los ejemplos de las investigaciones realizadas es la presentada por Tavira, Jiménez, Ayuso, Sierra, & Ledesma (2018) quienes construyeron una sección de carretera con agregados mezclados: Construction and Demolition Waste (CDW), utilizados en base y subbase granular. El estudio se dividió en dos etapas: caracterización de los agregados reciclados en laboratorio y la medición del desempeño de la vía bajo condiciones meteorológicas y de tráfico, reales.
Durante la construcción se determinaron varios ensayos de: densidad, placa de carga y deflectómetro de impacto. También se utilizó un perfilómetro para hallar el IRI. Después de abierta la vía al tráfico se midieron sobre la carretera las deflexiones y la rugosidad de la superficie, durante siete años.
Los módulos de los materiales se encontraron por retrocálculo y por cálculo directo. Los dos métodos indicaron que los materiales reciclados son aceptables en las especificaciones de las normas españolas. Los resultados indican que los RCD tienen un desempeño aceptable en bases y sub-bases granulares de pavimentos, su desempeño mecánico y de rugosidad fueron valores aceptables. El camino experimental fue construido en una autopista de cuatro carriles, que consiste en tres secciones cada una de 150m.
Las composiciones de MRS-1 y RMAS-1 fueron determinadas según UNE-EN 933-11, norma española para determinar la composición de los áridos reciclados. MRS-1 tiene un alto porcentaje de suelo natural de la excavación; como en ningún estudio anterior se había encontrado material con estas características, RMS-1 y RMAS-1 el suelo seria RA (agregado reciclado) sin clasificar. Los dos materiales naturales (SS-1 y CS-1) provienen de piedra caliza, cumpliendo todos los parámetros establecidos por las normas españolas. Las deflexiones medidas cada 20m a lo largo de las tres secciones, la desviación teórica calculada con software BISAR. La deflexión teórica se obtuvo para cada capa y sección de acuerdo con los módulos elásticos y las relaciones de Poisson. La relación de Poisson, se adoptaron valores de 0.35 para capas granulares y suelo de la carretera.
Las deflexiones cada 20m a lo largo de las tres secciones se calculó con el software BISAR. La deflexión teórica se obtuvo para cada capa y sección de acuerdo con los módulos elásticos y las relaciones de Poisson. La relación de Poisson, se adoptaron valo
res de 0.35 para capas granulares y suelo de la carretera.
Las conclusiones de este gran estudio permitieron determinar que la densidad seca fue más alta y la humedad óptima fue menor que en suelos y agregados naturales los cuales obtuvieron valores de 2.38 Mg/m³ y 7% respectivamente; esto ocurrió debido a la mayor porosidad de los agregados reciclados. La capacidad de carga obtenida en los materiales reciclados estuvo por encima de 200 MPa y la relación entre módulos está por debajo de 2.2 lo que indica que los valores cumplen los requisitos mecánicos requeridos por las regulaciones españolas para la construcción de carreteras con cualquier categoría de tráfico.
Las capas recicladas tenían valores de módulo más bajos con 349 MPa mientras que las capas de material natural poseen un módulo de 481 MPa, por lo tanto puede usarse como bases granulares y subbases en carreteras de tráfico de bajo volumen que son menores a 150 vehículos pesados por día. Desde un punto de vista práctico, 30 cm del suelo seleccionado pueden reemplazarse por 42 cm de MRS-1, y 30 cm de piedra caliza triturada pueden reemplazarse por 41 cm de RMAS-1. Desde el punto de vista del IRI, después de siete años evaluó las tres secciones y el comportamiento de estas fue similar. Finalmente, esta investigación mostró nuevos usos para residuos de construcción y demolición no seleccionados. También disminuyendo la huella ecológica al disminuir la extracción de agregado natural de ríos y canteras.
MATERIALES Y MÉTODOS
Parta tener un control sobre el desempeño de los RCD se construyó la mitad del segmento con materiales convencionales naturales y la otra mitad con RCD.
Los materiales utilizados para la vía fueron seleccionados de acuerdo con los parámetros de diseño de la cartilla de mantenimiento de la UMV y la caracterización se realizó con base en las Especificaciones Generales de Construcción del Instituto Nacional de vías (INV E-13) de Colombia.
Así mismo, los materiales reciclados utilizados para el tramo de vía con RCD, se seleccionaron de los acopios de la UMV, en donde se cuenta con Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) y Concreto Reciclado (CR), entre otros.
El segmento seleccionado para la intervención tenía un PCI inferior a 25, es decir una condición pobre que lo catalogaba para rehabilitación.
El diseño de la estructura se configuró y diseñó para una composición de capas estructurales. El tránsito obtenido fue medio en una vía urbana.
De acuerdo con la calidad del suelo de subrasante fue necesario estabilizar el mismo con “pedraplén” (tipo rajón) a partir de concreto hidráulico reciclado. Se dio la forma a este concreto para lograr el mayor parecido posible en cuanto forma al rajón natural.
El aspecto de mayor control para salvaguardar los sensores de la instrumentación y la calidad del tramo construido, fue el control de drenaje y subdrenaje de la vía.
La MDF-20 se fabricó con el 100% de RAP, adicionada con emulsión y 2% de cemento hidráulico. En la Figura N° 9 se observa el acabado final de la Base Granular mezclada con un 30% de RAP según el diseño del pavimento.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• A partir del estudio del conocimiento de los materiales reciclados se observa que tienen una amplia aplicación en los materiales granulares para vías. Su mejor desempeño se ha demostrado en bases y subbases granulares.
• De las propiedades mecánicas analizadas del concreto residual de la construcción y demolición, se ha encontrado que la propiedad significativamente diferente respecto a los agregados naturales es la absorción, siendo hasta cuatro veces mayor en los residuos de concreto. Este aspecto es importante en términos de las mezclas o materiales a los cuales se les quiere adicionar este residuos.
• Se seleccionó, diseñó, construyó e instrumentó un segmento vial urbano, sometido a cargas vehiculares de tráfico medio, comprobando que el uso de los RCD bajo unas condiciones de control de calidad y procesamiento, son una opción favorable para la construcción vial y la sostenibilidad en pavimentos, reduciendo considerablemente la huella de carbono.
• Se inició una fase de seguimiento sobre el pavimento instrumentado para analizar su desempeño en el tiempo e irlo monitoreando de manera comparativa con el tramo de vía construido con materiales vírgenes naturales.
