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Vidrio molido reciclado como sustituto parcial del cemento en la elaboraci�n de morteros

 

Recycled ground glass as a partial substitute for cement in the production of mortars

 

Vidro mo�do reciclado como substituto parcial do cimento na produ��o de argamassas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: wilter.ruiz@utm.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 30 de octubre de 2023 *Aceptado: 20 de noviembre de 2023 * Publicado: �01 de diciembre de 2023

 

        I.            Universidad t�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

      II.            Universidad t�cnica de Manab�, Portoviejo, Ecuador.

   III.            Mag�ster en Docencia e Investigaci�n Educativa, M�ster en Ingenier�a Civil, Menci�n Tecnolog�a de los Materiales de Construcci�n, Profesor Titular en la Universidad T�cnica de Manab�, en la Carrera de Ingenier�a Civil, Especialista en Materiales de Construcci�n, Portoviejo, Ecuador.

Resumen

En las �ltimas d�cadas una de las mayores problem�ticas y preocupaciones a nivel mundial es el cuidado del medio ambiente. A medida que ha pasado los a�os, tanto los morteros como hormigones han sufrido una importante y r�pida evoluci�n, desarroll�ndose nuevas tecnolog�as. A�adiendo o sustituyendo los diversos materiales naturales, buscando mejorar sus propiedades y/o comportamiento estructural. En el presente estudio se analiz� el comportamiento f�sico mec�nico del mortero empleando vidrio reciclado finamente molido como sustituto parcial del cemento, enfocando al an�lisis y la determinaci�n de porcentajes id�neos, preparando muestras con arena de banco y arena homogenizada provenientes de una de las canteras de la ciudad de Portoviejo. Se realiz� el estudio comparativo donde se muestran los resultados provenientes de los ensayos, haciendo los an�lisis entre el mortero con la incorporaci�n de vidrio molido y el mortero convencional. Este estudio permiti� conocer la resistencia a la compresi�n de los morteros, sustituy�ndolo en porcentajes del 5%,10%,15% en sustituci�n parcial del cemento por el vidrio triturado. Los resultados de resistencia a la compresi�n en el material objeto de estudio mostr� valores por encima de la resistencia m�nima esperada de 17.2 MPa a los 28 d�as de curado.

Palabras Clave: Cemento; Reciclaje; Vidrio molido; Resistencia a la compresi�n; Morteros de alba�iler�a.

 

Abstract

In recent decades, one of the biggest problems and concerns worldwide is caring for the environment. As the years have passed, both mortars and concrete have undergone an important and rapid evolution, developing new technologies. Adding or substituting various natural materials, seeking to improve their properties and/or structural behavior. In the present study, the physical mechanical behavior of the mortar was analyzed using finely ground recycled glass as a partial substitute for cement, focusing on the analysis and determination of suitable percentages, preparing samples with bench sand and homogenized sand from one of the quarries of the city of Portoviejo. The comparative study was carried out showing the results from the tests, making the analyzes between the mortar with the incorporation of ground glass and the conventional mortar. This study allowed us to know the compressive strength of the mortars, substituting it in percentages of 5%, 10%, 15% in partial replacement of cement with crushed glass. The results of compressive strength in the material under study showed values above the minimum expected resistance of 17.2 MPa after 28 days of curing.

Keywords: Cement; Recycling; Ground glass; Compression resistance; Masonry mortars.

 

Resumo

Nas �ltimas d�cadas, um dos maiores problemas e preocupa��es em todo o mundo � o cuidado com o meio ambiente. Com o passar dos anos, tanto as argamassas como o concreto passaram por uma importante e r�pida evolu��o, desenvolvendo novas tecnologias. Adi��o ou substitui��o de diversos materiais naturais, procurando melhorar as suas propriedades e/ou comportamento estrutural. No presente estudo foi analisado o comportamento f�sico-mec�nico da argamassa utilizando vidro reciclado finamente mo�do como substituto parcial do cimento, com foco na an�lise e determina��o de porcentagens adequadas, preparando amostras com areia de bancada e areia homogeneizada de uma das pedreiras de a cidade de Portoviejo. O estudo comparativo foi realizado mostrando os resultados dos ensaios, fazendo as an�lises entre a argamassa com incorpora��o de vidro mo�do e a argamassa convencional. Este estudo permitiu conhecer a resist�ncia � compress�o das argamassas, substituindo-a em percentagens de 5%, 10%, 15% na substitui��o parcial do cimento por vidro triturado. Os resultados de resist�ncia � compress�o no material em estudo apresentaram valores acima da resist�ncia m�nima esperada de 17,2 MPa ap�s 28 dias de cura..

Palavras-chave: Cimento; Reciclando; Vidro fosco; Resist�ncia � compress�o; Argamassas de alvenaria.

 

Introducci�n

En el sector de la construcci�n es evidente el incremento en investigaciones que permitan mejorar el rendimiento y durabilidad de las estructuras, lo cual hace fundamental la b�squeda de nuevos materiales y mecanismos que aumenten el desempe�o de las propiedades de los morteros. (Hern�ndez; R. 2021).

En las �ltimas d�cadas una de las mayores problem�ticas y preocupaciones a nivel mundial es el cuidado del medio ambiente. (Sarmiento �, 2021). As� lo indican las �ltimas estad�sticas proporcionadas por Index Mundi en su informe Cemento hidr�ulico: producci�n mundial por pa�s. En este informe la producci�n de cemento fue de 2,31 mil millones de toneladas, siendo China el pa�s con mayor producci�n de cemento del mundo.

A medida que han pasado los a�os, tanto los morteros como hormigones han sufrido una importante y r�pida evoluci�n, desarroll�ndose nuevas tecnolog�as. (Garc�a & L�pez, 2018). Agregando o reemplazando materiales tradicionales con una variedad de materiales del medio natural que intenten mejorar sus propiedades y comportamiento estructural. (Hern�ndez; R. 2021). donde su explotaci�n resulte favorable para el medio ambiente. (Garc�a & L�pez, 2018).

Las botellas de vidrio son un material renovable que pueden ser empleados en procesos de construcci�n permitiendo de esa manera reducir la contaminaci�n. (Sarmiento y �nco, 2021). Con la implementaci�n de materiales reciclables tales como este, se reduce parte de la generaci�n de CO₂ y explotaci�n minera necesarias para la producci�n de cemento, adem�s de mejorar la gesti�n de los residuos y reutilizarlos para evitar su almacenamiento en vertederos (Lam; Poon. 2007).

En la universidad Central del Ecuador, en estudio realizado por Almeida, et al. (2017), se realiz� una investigaci�n basada en el uso significativo del vidrio molido, donde se comprob� que la resistencia incrementa a medida que aumenta la edad espec�fica del hormig�n, con la adici�n de vidrio, debido a que este material sigue el fen�meno f�sico de endurecimiento y con el tiempo, la adherencia aumenta debido a la liberaci�n de agua que no es absorbida por el vidrio.

La Universidad T�cnica de Manab� estudi� la resistencia a la compresi�n del hormig�n utilizando vidrio finamente molido, reemplazando parte del cemento en proporciones de 5%, 10% y 15%. Se concluy� que la resistencia a la compresi�n mostr� valores de resistencia superiores al promedio y aument� con la edad debido a la adhesi�n de este material a la mezcla de hormig�n. (Alvarado et al. 2019).

En 2016, Rodr�guez y Ru�z, analizaron c�mo afecta la resistencia del hormig�n, la reducci�n del contenido de cemento y su reemplazo parcial por vidrio molido donde se elaboraron pastones de hormig�n seg�n la norma IRAM 1534 (Argentina) donde se utiliz� vidrio molido pasante el tamiz #200 en proporciones de 0% (control) y 20% los cuales en estado endurecido se realizaron ensayos de resistencia a la compresi�n a edades de 7, 28, 56, 120 y 270 d�as. Concluyendo que el aumento total en la resistencia (medido entre la prueba de 270 d�as y la prueba de 7 d�as) es del 279% para el concreto de vidrio y del 106% para el concreto estampado.

Se define como mortero a la combinaci�n formada por materiales cementosos, �ridos y aditivos mezclados con una cantidad adecuada de agua para producir una sustancia pl�stica. (Valbuena et al. 2016). El mortero puede tener una funci�n estructural, y pueden aplicarse en la construcci�n de elementos estructurales o en mamposter�a estructural, donde el mortero puede ser de pega o de relleno en las celdas de los muros. La norma ASTM C 270 clasifica los morteros seg�n su resistencia a los 28 d�as en M, S, N y O. Los morteros Tipo M descritos en la norma ASTM C 270 deben desarrollar una resistencia m�nima a la compresi�n a los 28 d�as de 17,2 MPa. El tipo S de 12.4 MPa. El tipo N de 5.2 MPa y el tipo O de 2.4, concretamente esta investigaci�n uso el tipo M (mortero de pega).

 

Metodolog�a

En la presente investigaci�n se utiliz� el cemento portland tipo GU como material aglomerante, los agregados finos, procedente de una de las canteras de la ciudad de Portoviejo, vidrio reciclado de s�lice, cal y sosa. (botellas de vidrio transparentes), previamente tratado y finamente molido con un di�metro de 75�, el uso de agua potable como agua de mezcla de los morteros, ya que estas cumplen con las especificaciones indicadas en la norma t�cnica ecuatoriana.

Materiales

Cemento:

El cemento portland es el material empleado en la elaboraci�n de morteros y hormig�n est� constituido por 60% de caliza y 40% de arcilla los cuales se mezclan y llevados a hornos con temperatura elevadas en donde son pulverizados para formar el denominado Clinker. (Almeida, et al. 2017)

En la norma NTE INEN 151, 2010 se denomina al cemento portland como cemento hidr�ulico producido por la pulverizaci�n de Clinker, formado esencialmente de silicato y que usualmente contiene uno o m�s de los siguientes elementos: Agua, sulfato de calcio, hasta 5% de caliza y aditivos de proceso. Para este trabajo se utiliz� cemento portland tipo GU con un peso espec�fico de 3150 kg/cm�.

Agua:

El agua utilizada para el mezclado del mortero fue agua potable de la ciudad de Portoviejo y cumple con la norma ecuatoriana NTE INEN 2617:2012, que permite el uso de agua potable como agua para el mezclado del hormig�n sin necesidad de realizar ensayos ya que cumple con las especificaciones del mismo.

Agregado fino:

El agregado fino consiste en arena natural proveniente de canteras aluviales o de arena producida artificialmente. Es constituida por fragmentos de rocas limpias, duras, compactas y durables. La idoneidad del material mineral como material de construcci�n depende tanto de las propiedades de las part�culas como elementos individuales como de las propiedades de las part�culas en su conjunto. La fracci�n de material mineral que pasa por el tamiz de 4 mm y permanece en el tamiz de 0,063 mm. (Garc�a. et al, 2009).

Vidrio:

Definido por la Norma Ecuatoriana de la Construcci�n (NEC), como sustancia liquida subenfriada, sobre fundida, amorfa, dura, fr�gil, donde los silicatos s�lidos y de cal son su complejo qu�mico (NEC-HS-Vidrio, 2014). Sus principales componentes son: �xido de silicio (SiO2 71-73%), �xido de sodio (Na2O 12-14%) y �xido de calcio (CaO 10-12%). Se utiliza principalmente para la elaboraci�n de envases (botellas, ollas, vasos). (Ruiz M, 2016).

Se caracteriza por ser un material duro, fr�gil, transparente y resistente a la corrosi�n, el desgaste y la compresi�n "En t�rminos de resistencia mec�nica, su resistencia a la tracci�n suele oscilar entre 3.000 y 5.500 N/cm�, pero si el vidrio recibe un tratamiento especial, la resistencia a la tracci�n puede superar los 70.000 N/cm�". (catal�n, 2013).

Intervalos de composici�n del vidrio com�n:

 

Tabla 1. Fuente. Rodr�guez Cuartas. Coeficiente para el c�lculo de propiedades de vidrio (1984).

 

Composici�n de los vidrios de silicato s�dicos:

Tabla 2. Fuente. Rodr�guez Cuartas. Coeficiente para el c�lculo de propiedades de vidrio (1984).

 

 

M�todos

La investigaci�n tuvo un enfoque cuantitativo, se realiz� el estudio comparativo donde se presentan los resultados obtenidos de los ensayos, haciendo los an�lisis correspondientes del mortero incorpor�ndose al vidrio finamente molido de 75� y el mortero convencional. Este estudio permiti� conocer la resistencia mec�nica a la compresi�n de los morteros, sustituy�ndolo en porcentajes del 5%,10%,15% en sustituci�n parcial del cemento.

Los siguientes ensayos realizados del agregado fino corresponden a la arena de banco

�         �RIDOS. An�lisis granulom�trico en los �ridos fino y grueso; NTE INEN 696:2011 donde se obtuvieron los siguientes datos de esta prueba: el m�dulo de finura fue 0,58 y el valor de la prueba estuvo dentro del rango especificado de la norma.

�         �RIDOS. Determinaci�n de la densidad, densidad relativa (gravedad especifica) y absorci�n del �rido fino; NTE INEN 856:2010, de este ensayo se obtuvo lo siguiente gravedad espec�fica de masa de 2,60 gr; gravedad espec�fica SSS de 2,64 gr; gravedad espec�fica aparente de 2.71 gr; y porcentaje de absorci�n de 1.50%. los valores de estos ensayos cumplen seg�n lo establecido en la norma.

�         �RIDOS PARA HORMIG�N. Determinaci�n del contenido de humedad; NTE INEN 862:2011 obtenido por esta prueba, contenido de humedad de 11.56%

�         �RIDOS. Determinaci�n de la masa unitaria (peso volum�trico) y el porcentaje de vac�os. NTE INEN 858:2010 de estos ensayos se obtuvieron los siguientes datos: peso unitario suelto de 1,28 kg/m�; peso unitario compactado de 1,45 kg/m�, contemplados en la norma.

Los siguientes ensayos realizados del agregado fino corresponden a la arena homogenizada

�         �RIDOS. An�lisis granulom�trico en los �ridos fino y grueso; NTE INEN 696:2011 de este ensayo se obtuvo lo siguiente: m�dulo de finura de 2.85. el valor de este ensayo cumple con el rango establecido en la norma.

�         �RIDOS. Determinaci�n de la densidad, densidad relativa (gravedad especifica) y absorci�n del �rido fino; NTE INEN 856:2010, En este ensayo se obtuvieron los siguientes datos: densidad 2,36 g; densidad SSS 2,51 gr; densidad aparente 2,78 gr; tasa de absorci�n 6,43%. Los valores de estas pruebas corresponden a los valores especificados en la norma.

�         �RIDOS PARA HORMIG�N. Determinaci�n del contenido de humedad; NTE INEN 862:2011 en este ensayo se obtuvo, contenido de humedad de 17.11%

�         �RIDOS. Determinaci�n de la masa unitaria (peso volum�trico) y el porcentaje de vac�os. NTE INEN 858:2010 De estos ensayos se obtuvieron los siguientes datos: El peso de la unidad libre es 1,21 kg/m�; el peso de la unidad comprimida definido en la norma es de 1,48 kg/m�.

Para la obtenci�n del vidrio molido en la presente investigaci�n, se le dio un tratamiento de limpieza a las botellas para el proceso de trituraci�n, con la ayuda de un proctor y un compactador se procedi� el triturado de las botellas, pas�ndolo por los tamices 30, 60, 100 y el Tamiz #200 para obtener la finura pasante (75�) todo el proceso de tamizado fue realizado sin la incorporaci�n de agua.

 

Resultados y discusi�n

Para conocer las propiedades f�sicas mec�nicas del mortero, utilizando vidrio molido para reemplazar parcialmente al cemento. Comprobando su resistencia a la compresi�n, la cantidad de reemplazo es del 5%, 10%, 15% del peso del cemento, normas de dise�o de mortero, NTE INEN 2518; 2010; NTE INEN 488; 2009. C�lculos de dosis determinados seg�n normas t�cnicas ecuatorianas. La resistencia caracter�stica propuesta en este estudio es de 17,2 MPa, que corresponde a la resistencia m�nima del mortero tipo M, descrito en la norma ASTM C 270, a continuaci�n, se detallan las tablas con los valores en gr para los materiales que se emplearon en la elaboraci�n del mortero.

 

Tabla 3. Fuente: Los autores. Dosificaci�n de mortero con arena de Banco.

 

Tabla 4. Fuente: Los autores. Dosificaci�n de mortero con arena homogenizada.

 

Las mezclas obtenidas de la tabla 3 y de la tabla 4, fueron elaboradas de forma manual descrita en la norma NTE IENEN 488; 2009. se utilizaron moldes de 50 mm de cada lado, llenando 2 capas de mortero, cada una aproximadamente la mitad del molde 25 mm, apasionando el mortero en cada compartimento c�bico 32 veces en alrededor de 10 segundos, en 4 rondas, en cada ronda se compacto con 8 golpes, en direcci�n perpendicular a la anterior.

Una vez completada la primera capa de compactaci�n de todos los espacios c�bicos, el resto se relleno y se compacto como se especifica para la primera capa. Finalmente, la superficie del mortero de todos los cubos debe sobresalir ligeramente del borde del molde. Se uso una llana para quitar la lechada derramada y nivelar el cubo usando el lado plano de la llana.�

Posteriormente se dej� fraguar las mezclas por un periodo de 24 horas, transcurrido este tiempo se desencofr� y se los ubic� cuidadosamente en una piscina de almacenamiento de curado el cual contiene agua potable. Los cubos de mortero permanecieron en la piscina de curado un per�odo m�ximo de 28 d�as como lo establece la norma NTE INEN 2528,2010.

Para esta investigaci�n se realizaron roturas de cubos a los 7,14, 28 d�as. se tom� en consideraci�n este tiempo m�ximo porque se cumple el principio f�sico de endurecimiento y adherencia de la mezcla de cemento conforme avanza la edad de las probetas.

Tabla 5. Fuente: Los autores. Resistencia a la compresi�n con arena de banco.

 

Gr�fico 1:

Ilustraci�n 1. Fuente: Los autores. Curva de resistencia a la compresi�n del mortero vs. Edad del mortero

En la figura 1, como puede verse en la arena de banco, las 3 alternativas de polvo de vidrio lograron una resistencia significativamente mayor que la resistencia m�nima determinada en la prueba de compresi�n de 28 d�as. Obteniendo el 0% o patr�n una resistencia del 160%, el 5% de sustituci�n una resistencia del 146%, el 10% de sustituci�n una resistencia del 129% y el 15% de sustituci�n una resistencia del 127%, todas las sustituciones se mostraron por encima de resistencia establecida en la norma ASTM C 270.

 

Tabla 6. Fuente: Los autores. Resistencia a la compresi�n con arena homogenizada

 

Gr�fico 2:

Ilustraci�n 2. Fuente: Los autores. Curva de resistencia a la compresi�n del mortero vs. Edad del mortero.

En la figura 2, la arena homogenizada se observa que la sustituci�n del 5, 10 y 15% presenta diferencias significativas en comparaci�n con la resistencia m�nima establecida a la compresi�n a los 28 d�as, ya que estos obtuvieron unas resistencias del 133% para el patr�n, un 132 % para el 5% de sustituci�n, 130% en la sustituci�n del 10% y una resistencia a compresi�n del 121% para el 15% de sustituci�n, mostr�ndose estas resistencias por encima a la m�nima establecida por la norma ASTM C 270.

El an�lisis comparativo de la resistencia de dise�o de 17,2 MPa arroj� los siguientes resultados: los morteros con un 160% de arena de banco y 133% de arena homog�nea excedieron la resistencia m�nima de los morteros tipo M para

 

Conclusiones

• La resistencia obtenida despu�s de 28 d�as para los morteros de arena de banco fue significativamente superior a la resistencia m�nima especificada en la norma ASTM C 270, donde se destaca que ninguna de las r�plicas con adici�n de vidrio molido en este estudio super� la resistencia del modelo.
• Los morteros de arena homogenizada con reemplazo del 5%, 10% y 15% del vidrio triturado �mantiene resistencia parecidas al modelo despu�s de 28 d�as de curado sin reducciones significativas.
• Entre los valores obtenidos de la arena de banco y la arena homogenizada se denota que la arena de banco se comport� mejor para la utilizaci�n de morteros ya que est� tiene una absorci�n m�s baja, lo cual demanda menos agua y mejora su resistencia a la compresi�n.
• Tanto la arena de banco y la homogenizada empleada durante la investigaci�n y procedente de las canteras de la localidad de Portoviejo cumplen con los par�metros requeridos de las normas.
• El impacto ambiental de estos residuos se puede disminuir, reduciendo la cantidad de cemento y aumentando la cantidad de vidrio finamente molido.

 

 

Referencias

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).