Skip to main content

"Investigación e Innovación" Ricardo Serpell

Page 1

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


Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
"Investigación e Innovación" Ricardo Serpell by Instituto del cemento y del hormigon - Issuu