Evaluación estructural de áridos reciclados revestidos y su comparación con las normativas Eurocode 2 y ACI 318-19
Dra. Viviana Cecilia Letelier Gonzalez
Fotografía: Universidad Pontificia Bolivariana
Investigadores chilenos han demostrado que las vigas de hormigón armado elaboradas con hasta un 100 % de áridos reciclados gruesos revestidos (RA) exhiben una capacidad de carga considerablemente superior a la prevista por los principales códigos de diseño internacionales, como el Eurocode 2 y el ACI 318-19. Este hallazgo es fundamental para la sostenibilidad en la construcción, ya que valida la posibilidad de incrementar drásticamente la sustitución de áridos naturales (NA) por agregados reciclados sin comprometer la seguridad estructural. El estudio comparó el comportamiento a flexión de vigas control con aquellas que incorporaban un 50 % y un 100 % de áridos reciclados revestidos, confirmando que, si bien la resistencia a la compresión se reduce ligeramente (solo un 12.73 % con 100 % RA), la capacidad máxima de momento (Mu) y de carga es sistemáticamente subestimada por las predicciones teóricas (Mu experimental Mu teórico >1.35). Además, se recomienda tomar en cuenta la deflexión crítica más alta observada en estas vigas al momento de su diseño estructural.
Lo que sucedió fue que las vigas de hormigón armado que utilizaban áridos reciclados revestidos demostraron tener una capacidad de carga y momentos últimos (Mu) superiores a los valores calculados teóricamente por las normas ACI 318-19 y Eurocode 2. Este estudio experimental se centró en vigas con porcentajes de sustitución del 50 % (CR50) y 100 % (CR100) de agregado reciclado grueso, el cual fue tratado con pasta de ligante reciclado (RBP) para mejorar su porosidad. Si bien el uso de áridos reciclados (RA) provocó una reducción en la resistencia mecánica (la resistencia a la compresión disminuyó un 12.73 % para el 100 % RA), el comportamiento a flexión estructural fue robusto y similar al de las vigas de control (N100) en términos de patrón de agrietamiento. Los resultados revelaron que los códigos de diseño se mostraron conservadores, especialmente el ACI 318, que arrojó una relación entre el momento último experimental y teórico (Mu,exp/Mu,th) de hasta 1.84 para la viga de control y 1.54 para la viga con 100 % RA. Esto sugiere un margen de seguridad oculto en los modelos actuales cuando se aplica este material innovador.
Los investigadores involucrados en este estudio fueron Mg. Catalina Martínez, Dra. Viviana Cecilia Letelier González y Bruno Wenzel, del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de La Frontera en Chile. Su trabajo aborda una misión fundamental de la ingeniería moderna: crear estructuras seguras y eficientes integrando nuevos materiales que aseguren la sostenibilidad en un contexto de recursos naturales limitados. La investigación se centra en la valorización del residuo de construcción y demolición (CDW), específicamente el hormigón, que representa más del 80 % de dicho desecho. Actualmente, las regulaciones internacionales limitan el reemplazo de áridos naturales por agregados reciclados a bajos porcentajes debido a las diferencias en propiedades, como la alta absorción de agua. Por ello, este equipo investigó el proceso de recubrimiento del agregado reciclado grueso con pasta de ligante reciclado para validar la viabilidad del uso de altos porcentajes en elementos estructurales, comparando sus resultados experimentales con las provisiones del ACI 318-19 y el Eurocode 2
El estudio experimental y teórico se llevó a cabo en Chile, con el equipo de investigación radicado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de La Frontera, en Temuco. Este centro universitario sirvió como base para la metodología rigurosa que comparó el comportamiento de vigas de hormigón armado con altos porcentajes de áridos reciclados revestidos frente a las expectativas de las normativas internacionales. Los agregados naturales y reciclados utilizados en la fabricación de las vigas se obtuvieron de empresas locales vinculadas al sector de la construcción. Este origen específico de los agregados reciclados gruesos —provenientes de restos de muros de cercas prefabricadas de hormigón— es relevante, ya que eran de "baja calidad", lo que subraya la eficacia del tratamiento de revestimiento aplicado por los investigadores para mejorar sus propiedades antes de la fabricación del hormigón. Así, la investigación se inscribe en un contexto de búsqueda de soluciones sostenibles aplicables directamente a los residuos generados por la industria local.
Los hallazgos de este estudio de ingeniería, que aborda la capacidad de carga de las vigas con áridos reciclados, se publicaron en la revista científica Applied Sciences el 16 de enero de 2025. La investigación transitó por un proceso de revisión académica riguroso, siendo recibido el manuscrito el 21 de noviembre de 2024 y aceptado para publicación el 8 de enero de 2025. En cuanto a la fase experimental, las propiedades mecánicas de las probetas cilíndricas se evaluaron después de 28 días de curado, cumpliendo con estándares como ASTM C39/C39M-21. Las vigas propiamente dichas, clasificadas como N100, CR50 y CR100, fueron sometidas a las pruebas de carga a flexión, utilizando un marco de carga de cuatro puntos, también después de 28 días de curado, proporcionando datos frescos y relevantes a principios de 2025 para la comunidad de ingeniería.
La validación estructural de los áridos reciclados es crucial porque la sostenibilidad en la construcción exige soluciones urgentes para la escasez de agregados naturales (NA) y la gestión de residuos. El hormigón es el material más usado globalmente, con una producción de más de 25 mil millones de toneladas anuales, lo que impulsa la extracción de unos 47.5 mil millones de toneladas de NA solo en 2023. Esta tasa de consumo plantea un desafío mayor para las futuras generaciones. Paralelamente, los residuos de construcción y demolición (CDW) representan el 35 % del total de residuos sólidos, siendo más del 80 % escombros de hormigón. Este estudio proporciona la evidencia técnica necesaria para impulsar el uso de agregados reciclados revestidos en elementos estructurales, reduciendo el impacto ambiental asociado a la producción y utilización del hormigón, y disminuyendo la cantidad de residuos enviados a vertederos.
Las pruebas de flexión se realizaron para analizar el comportamiento estructural de los agregados reciclados gruesos que habían sido sometidos a un proceso de mejora, y para verificar la factibilidad de utilizar altos porcentajes de áridos reciclados en vigas de hormigón armado. Actualmente, aunque muchas regulaciones internacionales permiten el uso de agregados reciclados, limitan su sustitución a porcentajes bajos de la fracción gruesa debido a preocupaciones sobre el rendimiento. Al demostrar que las vigas con el 100 % de agregado reciclado revestido (CR100) exhiben una capacidad de carga superior a la teórica, el estudio busca promover la confianza en este material. El objetivo último es validar que la incorporación de altos porcentajes de áridos reciclados no solo es viable, sino que también ofrece un margen de seguridad que los códigos de diseño actuales no reconocen completamente.
El comportamiento de las vigas se midió mediante una configuración de ensayo a flexión de cuatro puntos. Se prepararon tres tipos de vigas (N100, CR50 y CR100) con dimensiones de 150 mm × 300 mm × 2000 mm, utilizando barras de acero de refuerzo para la armadura longitudinal y estribos para la transversal. La metodología clave para el uso de áridos reciclados fue el proceso de tratamiento, el cual consistió en recubrir las partículas del agregado grueso reciclado con pasta de ligante reciclado (RBP) para fortalecer la porosidad y disminuir la absorción de agua. Durante la prueba, se aplicaron dos cargas concentradas simétricamente en el tercio central de las vigas, mientras se registraban la carga aplicada y las deformaciones con un indicador de cuadrante digital. El patrón de agrietamiento fue monitoreado, mostrando que las vigas con áridos reciclados fallaron de manera similar a la viga de control (N100).
Los autores del estudio, Catalina Martínez, Viviana Letelier y Bruno Wenzel, enfatizan que los códigos de diseño actuales subestiman consistentemente la capacidad de carga de las estructuras que incorporan áridos reciclados revestidos. En su análisis comparativo con las ecuaciones del Eurocode 2 y ACI 318-19, se determinó que la capacidad de carga máxima experimental fue superior a los valores teóricos proporcionados por ambas normativas. Por ejemplo, en el caso de la predicción del momento último, el código ACI 318-19 resultó ser más conservador que Eurocode 2, con relaciones entre el momento experimental y teórico Mu,exp/Mu,th de hasta 1.84 para la viga control y 1.54 para la viga CR100. El equipo señaló: "Las vigas con RA tenían capacidades de carga crítica y final superiores a los resultados predichos por los códigos Eurocode 2 y ACI 318-19". Sin embargo, alertaron sobre la deflexión crítica experimental, que fue consistentemente más alta que la calculada por los códigos, por lo que se recomienda considerarla al momento del diseño estructural.
Lo que sigue ahora es la necesidad de una validación más amplia de los resultados obtenidos para consolidar la confianza en el uso de agregados reciclados en proyectos estructurales. Este estudio se limitó al uso de áridos reciclados de baja calidad, lo que significa que se necesitan investigaciones futuras para confirmar estos hallazgos con materiales de diferente origen y calidad. La principal meta a largo plazo es influir en la actualización de los códigos de diseño, como ACI 318-19 y Eurocode 2, para que reflejen con precisión el comportamiento superior y el margen de seguridad que ofrecen los agregados reciclados revestidos. Al integrar la observación de que la capacidad de carga es mayor a la predicha, y al tomar en cuenta las deflexiones críticas más altas, se podrá maximizar de manera segura la sustitución de áridos naturales en la ingeniería civil.
El estudio valida que la aplicación de altos porcentajes de áridos reciclados revestidos con pasta de ligante reciclado en vigas de hormigón armado es estructuralmente viable, ofreciendo una capacidad de carga superior a la esperada por las normativas vigentes. Si bien se observó una ligera reducción en la resistencia a la compresión (12.73 % con 100 % RA) y una mayor de flexión crítica, la principal conclusión es que los códigos de diseño, como Eurocode 2 y ACI 318-19, son excesivamente conservadores al estimar la resistencia última de estos elementos. Este desfase entre la teoría y la realidad experimental abre una puerta crucial para la sostenibilidad en la construcción, permitiendo un mayor aprovechamiento de los residuos de construcción y demolición (CDW). La perspectiva es clara: la ingeniería civil debe adoptar la evidencia para revisar los modelos teóricos y acelerar la transición hacia prácticas de construcción más eficientes y ambientalmente responsables.
La capacidad de carga máxima de las vigas de hormigón armado que utilizan altos porcentajes de áridos reciclados revestidos es superior a los valores predichos por los principales códigos de diseño estructural, como Eurocode 2 y ACI 318-19.
El estudio experimental demostró que la relación entre el momento último (Mu) experimental y el teórico (Mu,th ) es consistentemente mayor que 1.0, lo que sugiere que los modelos normativos son excesivamente conservadores para estos elementos de hormigón. Para la viga con 100 % de agregados reciclados (CR100), esta relación fue de 1.54 según ACI 318-19 y 1.35 según Eurocode 2.
El uso de agregados reciclados provenientes de residuos de construcción y demolición (CDW) es una estrategia fundamental para la sostenibilidad en la construcción, mitigando la escasez de áridos naturales (NA) y reduciendo el impacto ambiental de la industria.
Para maximizar el uso, se aplicó un proceso de mejora superficial que consiste en el recubrimiento del agregado grueso con pasta de ligante reciclado (RBP), lo que permite la sustitución de hasta el 100 % del agregado grueso sin comprometer significativamente el comportamiento a flexión estructural de las vigas. Este enfoque aborda la necesidad de integrar nuevos materiales que garanticen la seguridad y la eficiencia de los recursos.
Aunque la capacidad de carga de las vigas con agregados reciclados es alta, se debe prestar especial atención a la deflexión crítica y final, ya que los valores experimentales resultaron ser mayores que los calculados teóricamente por las ecuaciones de los códigos.
La mayor deflexión experimental en las series con áridos reciclados (CR50 y CR100) está vinculada a un menor módulo de elasticidad en comparación con el hormigón de agregado natural. Por lo tanto, se recomienda encarecidamente considerar estas mayores deflexiones al momento del diseño estructural para garantizar un rendimiento adecuado, a pesar del margen de seguridad en la resistencia.
En NOTICIAS CIENTÍFICAS creemos que el acceso a la información, el conocimiento y la ciencia debe ser un derecho universal. Difundimos investigaciones científicas de Chile, Latinoamérica, el Caribe y del mundo, en todas las áreas del saber. Nuestra misión es expandir el conocimiento y la ciencia, y necesitamos el apoyo de personas como usted, que nos leen y hacen posible esta labor.
Comentarios