Ricardo Serpell Investigaciรณn e Innovaciรณn
Grupo de Investigación:
Ingeniería y Tecnología del Hormigón (ETC)
Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción Escuela de Ingeniería
‌
Patente del cemento Portland ( Aspdin, 1824 )
2013
… material más producido en el mundo
3.600
15.000
millones de toneladas de cemento Portland
millones de m3 de hormigón
~ 5% emisiones de CO2 antropogénicas
( USGS, 2013 )
4.500 TWh > 50 veces la demanda de energía en Chile
> 15 cerros San Cristóbal > 2 m3 per cápita
=
resistente versátil diseñado a medida moldeable disponible
simple incombustible inorgánico insoluble durable reciclable House. Rachel Whiteread, 1993
un material que evoluciona y se adapta mediante la investigaciรณn e innovaciรณn
InvestigaciĂłn e innovaciĂłn Problemas recurrentes
alto grado de control sobre las prestaciones, pero los resultados no siempre son satisfactorios Problemas nuevos
nuevos requerimientos de la industria y la sociedad nuevo contexto, nuevo ĂŠnfasis, nuevas prioridades
s. XIX
materiales procedimientos formas
s. XX
propiedades durabilidad s. XXI
medio ambiente
Frank Lloyd Wright en una prueba de la columna lilypad para el Johnson Wax Building, 1930 ( Archivo Oak Clearing Farm and Museum )
Impacto ambiental del hormigón
consumo de recursos naturales consumo de energía impacto directo
emisiones desechos de construcción y demolición
impacto indirecto
comportamiento energético de la edificación e infraestructura
Investigación y hormigón sustentable consumo de recursos naturales
consumo de energía emisiones
desechos de construcción y demolición
mayor eficiencia y durabilidad materiales y procesos
uso de materiales alternativos reciclaje
Investigación y hormigón sustentable mayor eficiencia y durabilidad materiales y procesos
uso de materiales alternativos reciclaje
soluciones constructivas
soluciones integrales y enfoque interdisciplinario
comportamiento energético de la edificación e infraestructura
Investigación e Innovación mayor eficiencia y durabilidad materiales y procesos
uso de materiales alternativos reciclaje
soluciones constructivas
soluciones integrales y enfoque interdisciplinario
tecnologías
hormigón arquitectónico y manufactura digital
Investigaciรณn en materiales y procesos
Durabilidad y agrietamiento
corrosión
humedad, oxígeno, cloruros
carbonatación
El agrietamiento facilita el acceso de agentes de deterioro
CO2 se disuelve en agua y forma ácido carbónico
corrosión y agrietamiento
ácido carbónico + hidróxido de calcio = carbonato de calcio y agua H+
O
C
O
CO2
CO32-
+
O
O
H+
OHO
O
O Ca2+
C O
H2CO3 en solución
Ca
O
OH-
Ca(OH)2 en solución
H2O
O
C O
H2O
capta CO2 de la atmósfera
corrosión extendida
O CaCO3
O H2O
pero reduce el pH del hormigón
Durabilidad y auto-sanado biolรณgico de grietas La precipitaciรณn de carbonato de calcio (CaCO3) sella grietas en hormigones Bacterias incorporadas en la mezcla pueden promover la precipitaciรณn de CaCO3
Ca2+
Ca2+
-
-
-
-
fuente externa iones de Calcio
Ca2+
Ca2+
-
Peptidoglicano
CO2 membrana citoplasmรกtica
metabolismo
CO2
citoplasma
Durabilidad y auto-sanado biológico de grietas
1 mm
Bacillus pseudofirmus
Inicio
15 días
Inicio
15 días
Auto-sellado de grietas por precipitación bacteriana de CaCO3 (Tesis: Claudia Stuckrath, 2013)
Durabilidad y agrietamiento térmico Industria de la construcción demanda acelerar los procesos de construcción mezclas de alta resistencia inicial alto calor de hidratación alto potencial de agrietamiento térmico baja durabilidad potencial
1. gradientes de temperatura (interior – superficie)
2. ∆ coeficiente de expansión térmica de materiales constituyentes
núcleo
ambiente
ΔL
Temperatura agregado
pasta
Durabilidad y agrietamiento térmico Objetivos
Identificar los factores que inducen agrietamiento térmico temprano Determinar los efectos de estos factores sobre el agrietamiento Proponer medidas para prevenir y controlar el agrietamiento
microfotografías ópticas de fluorescencia: agrietamiento térmico de interfases (IPre: Franco Zunino, 2013)
Comportamiento térmico del hormigón
Espesor de muro envolvente (cm)
Chile: zona térmica 3 70 59
60 50 40 26
30 20
15
18
10 0 0,42 0,50 0,80 1,63 Conductividad térmica del material (W/mK)
Consumo energético residencial por uso (EEUU) ( DOE, 2012 )
Espesor de hormigón requerido ( Tesis: José Carlos Remesar, 2013 )
Eficiencia térmica + resistencia mecánica La conductividad térmica del hormigón depende principalmente de su densidad
Hormigón con agregado liviano ( Tesis: José Carlos Remesar, 2013 )
Pero: hormigones livianos logran resistencias (mucho) menores
Eficiencia térmica + resistencia mecánica ¿Es posible lograr hormigones livianos con resistencias apropiadas para la vivienda y edificación de baja altura?
ThermediaTM, Lafarge 0,6 W/m°K y 25 MPa ¿Cuál es el efecto de estos materiales alternativos en la conductividad? • • • •
agregados livianos no convencionales arenas livianas fibras estructurales materiales cementicios suplementarios
Materiales alternativos (sustituciones) - Optimizar el uso de cemento Portland - Utilizar subproductos de otras industrias
Cemento Portland:
Puzolanas:
C3S
H
silicato tri-cálcico
agua
CH
S
hidróxido de calcio
ceniza volante (fly ash)
+
+
=
C-S-H
+
silicatos de calcio hidratados
=
Puzolana (Sílice)
metakaolín
C-S-H
CH
Exceso de Calcio
hidróxido de calcio
C-S-H adicional
silicatos de calcio hidratados
micro-sílice
Materiales alternativos (sustituciones)
NCh 148 Of.68
Cemento Portland Puzolánico Cemento Puzolánico
Cemento Portland
Puzolana
≧ 70 %
≦ 30 %
50 – 70 %
30 – 50 %
High Volume Fly Ash (HVFA) concrete Hormigón con alto contenido de cenizas volantes (puzolana artificial) Son un residuo de la generación termoeléctrica (en Chile son descartadas)
Hormigón convencional
Hormigón HVFA cemento
ceniza volante
cemento
agua agregado
15 %
agua agregado
Hasta 80% de reemplazo de cemento
Baja resistencia inicial, alta resistencia final
Massive Volume Fly Ash (MVFA) concrete Reemplazo de cemento y uso de agregados de ceniza volante
Agregado de ceniza peletizada
Hormigón MVFA cemento
80 %
ceniza volante
agua agregado de ceniza volante
Apariencia, absorción y desempeño mecánico similar a agregados livianos convencionales ( Tesis: Felipe Rivera, 2013 )
Hasta 80% de reemplazo total
Hormigón de baja densidad
Cenizas de biomasa: Rice Husk Ash (RHA) Reemplazo de cemento por cenizas de combustión de cascarilla de arroz
cascarilla de arroz
20% producción de arroz Chile: 30.000 ton/año
Ceniza de Cascarilla de Arroz (CCA)
20% de la cascarilla Chile: 6.000 ton/año
( Tesis: Franco Zunino, 2012 )
Cenizas de biomasa: Rice Husk Ash (RHA) Comparación de desempeño CCA v/s Puzolana Natural
( Tesis: Franco Zunino, 2012 )
Resistencias aumentan con sustituciones de 30% para CCA (posiblemente más) Desempeño en durabilidad mejora significativamente: menor permeabilidad
Reciclaje de hormigรณn Reciclaje de agregados (gruesos, finos) Reciclaje de materiales cementicios
Acopio de hormigรณn de demoliciรณn . Foto: RSC, 2011.
Reciclaje de agregados de hormigón Agregados de hormigón reciclado Agregado de hormigón reciclado
Agregado virgen
1 mm Microfotografía SEM BSEI ( Serpell, 2011 )
Reciclaje de agregados de hormigón Residuos de hormigón
Agregados de Hormigón Reciclado (RCA)
residuos de pasta
mayor proporción de residuos de pasta
RCA grueso
RCA fino
menor densidad mayor absorción mayor friabilidad
todo esto, pero peor!
reduce trabajabilidad aumenta retracción reduce resistencia reduce el módulo E
no recomendado para hormigón niveles de reemplazo muy limitados
Descartado
Reciclaje de residuos finos de hormigón Residuos de hormigón 20 – 5 mm
Nivel 1 Jaw Impact crusher Nivel 2 Mech. grinder Nivel 3 Mech. grinder
< 5 mm
Residuos finos de hormigón 60 %
40 %
45 %
55 %
35 %
Agregado reciclado de alta calidad
Adaptado de Nagataki et al, 2004
65 %
Desarrollo de nuevos materiales basados en residuos de hormigón de construcción y demolición ¿Es posible que los residuos de pasta de cemento contribuyan al material reciclado?
Reciclaje de residuos finos de hormigón
1.
2.
1. Desarrollo de materiales de baja resistencia controlada (CLSM) basados en agregados finos de hormigón reciclado 2. Desarrollo de materiales cementicios reactivados (RCM)
Propiedad de Ingeniería
Alternativas exploradas:
CLSM
RCM
materia prima del cemento
Energía adicionada al proceso
Reciclaje de residuos finos de hormigรณn 1.- Materiales de baja resistencia controlada (CLSM) Rellenos fluidos auto-compactados, auto-nivelados Resistencias deben ser menores a 80 Kg/cm2 (< 20 Kg/cm2 para futura excavaciรณn)
FHWA, 2003
Ensayo de fluidez de CLSM basado en agregados finos reciclados (Serpell, 2011)
FHWA, 2003
Reciclaje de residuos finos de hormigรณn 1.- Materiales de baja resistencia controlada (CLSM)
Alkalis presentes en los residuos de pasta promueven reacciones puzolanicas de materiales cementicios suplementarios
CLSM basado en agregados reciclados requiere menores dosis de cemento
Reciclaje de residuos finos de hormigón 2.- Materiales cementicios reactivados (RCM) H2O CO2 < producción de Portland residuos cementicios
molienda < 100 μm
deshidratación > 600 °C
RCM
Resistencia a 28 días: > 200 Kg/cm2
Innovaciรณn en soluciones constructivas
Fondef : D10I1086 “ Soluciones de muros de envolvente para casas de hormigón bajo criterios de desempeño energi-térmicos, estructurales y constructivos ”
Ingeniería estructural Ingeniería de construcción Ingeniería energi-térmica
Ciencia de materiales Arquitectura
Fondef : D10I1086
ETAPA 1 Análisis situación actual ETAPA 2 Análisis y revisión de requerimientos
E1.1 Análisis científicoteórico
E2.1 A. y revisión requerimientos energitérmicos
E1.2 Análisis de soluciones existentes
E2.2 A. y revisión de requerimientos estructurales
E2.3 A. y revisión de requerimientos constructivos
E3.1 Proposición de 40 alternativas
E3.2 Desarrollo de 16 alternativas
ETAPA 3 Generación de alternativas de muros
E3.3 Pre-selección de 8 alternativas
E3.4 Verificación experimental energitérmica
ETAPA 4 Validación de soluciones de casa
E3.8 Planteamiento y estructuración del proceso de selección de alternativas
E3.5 Verificación experimental estructural
E3.6 Verificación experimental constructiva
E3.7 Selección de 4 alternativas
E3.9 Desarrollo de plataforma de selección de alternativas
E4.1 Prueba piloto de 4 casas
E4.2 Prueba piloto software de diseño
E5.1 Empaquetamiento del producto
ETAPA 5 Formalización de productos
E5.2 Protección intelectual del producto
Metodología
E6.1 Capacitación y difusión
ETAPA 6 Transferencia de productos Línea de producción soluciones de muros
Línea de producción software de diseño
Fondef : D10I1086
Soluciones integrales
Fondef : D10I1086
Componentes parciales
Fondef : D10I1086
DiseĂąo de materiales
Fondef : D10I1086
Plataforma de apoyo a la toma de desiciones
Innovaciรณn en hormigรณn arquitectรณnico ejemplos del mercado internacional y nacional
Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Hormigones foto-grabados (Photo-engraved Concrete)
Impresión con retardador de fragüe y erosión con agua a presión Reckli.net
Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Reckli.net
Foto-grabado vía CNC
Reckli.net
Hormigón arquitectónico y manufactura digital
Fabricación de moldes 3D en series limitadas vía CNC
Microfábrica N.O.T (www.not.cl)
Hormigรณn arquitectรณnico y manufactura digital
Qala Digital Concrete (www.not.cl)
Placas delgadas de hormigรณn reforzado con fibra de vidrio (GFRC)
Hormigรณn arquitectรณnico y manufactura digital
Qala Digital Concrete (www.not.cl)
Placas delgadas de hormigรณn reforzado con fibra de vidrio (GFRC)
Hormigรณn arquitectรณnico y manufactura digital
Qala Digital Concrete (www.not.cl)
Piezas de hormigรณn reforzado con fibra de vidrio (GFRC)
rserpell@uc.cl